Aktuelle Bestandsaufnahme und Ergebnisse
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12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Geochemische Verhältnisse im Untergrund Baden-Württembergs – Aktuelle Bestandsaufnahme und Ergebnisse 12. Baustoff-Recycling-Tag „Steine und Erden – Kreislaufwirtschaft am Scheideweg“ 14. Oktober 2009 Filderstadt-Bernhausen Prof. Dr. R. Watzel Regierungspräsidium Freiburg Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Teil 1 - Gesteine Geogene Grundgehalte (Hintergrundwerte) in den petro-geochemischen Einheiten von BadenWürttemberg [Reihe LGRB-Informationen, Band 24; November 2009] 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Der geogene Grundgehalt wird definiert als natürlicher, bildungsbedingter Stoffbestand des Gesteins inklusive eventuell vorhandener Vererzungen. Der Hintergrundgehalt eines Gesteins oder Bodens setzt sich zusammen aus dem geogenen Grundgehalt und der ubiquitären Stoffverteilung als Folge diffuser Einträge. hier: Geogener Grundgehalt = Hintergrundgehalt/-wert 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Geogene Grundgehalte (Hintergrundwerte) in den petrogeochemischen Einheiten Baden-Württembergs • je Element rd. 2500 – 3500 Proben aus natürlichen Aufschlüssen, Gewinnungsstellen und Bohrkernen (geologische Landesaufnahme und Rohstoffkartierung) • Analytik der Gesamtgehalte mittels Röntgenfluoreszenzanalyse • 20 Oxid- und Elementgehalte: Al, As, Ba, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mo, Na, Ni, P, Pb, S, Si, Th, U, V und Zn • Gliederung nach 23 petro-geochemischen Einheiten • Darstellung der Ergebnisse in 50. und 90. Perzentilwert-Karten, Grafiken und Tabellen 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Karte der petrogeochemischen Einheiten in Baden-Württemberg 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Statistische Auswertung für Arsen in den verschiedenen petrogeochemischen Einheiten 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Boxplot für Arsen [mg/kg] Median 6,2 mg/kg (alle Einheiten) Überdurchschnittliche Medianwerte über 100 mg/kg: Junger Süßwasserkalk (qk) Mittlere Medianwerte (15 - 100 mg/kg) : Unterjura (ju), Rotliegend Magmatite (rM), Tertiär im Oberrheingraben (tOR), Gefaltetes Paläozoikum (palg) und Oberkarbon/Rotliegend-Sedimente (co+rS) Unterdurchschnittliche Medianwerte: Quartärschichten („Kiese u. Sande, q“), Tertiär des Molassebeckens u. tertiäre Vulkanite (tMO+JM), Unterer und Mittlerer Buntsandstein (su+sm), Granite, Migmatite und Gneise (GP+MI+gn) 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Darstellung der Arsengehalte, Median und 90. Perzentil 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Vergleich der statistischen Parameter für Arsen mit dem LAGA-Z0-Wert (15 mg/kg) >15 in % 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Schlussfolgerungen • Petro-geochemischen Einheiten lassen sich hinsichtlich ihres Elementinhalts eindeutig beschreiben und klassifizieren. Sie weisen charakteristische Unterschiede in den Verteilungen der einzelnen Stoffgehalte auf. • Die Übertragbarkeit von Punktdaten in die Fläche ist weitgehend gewährleistet. Flächendarstellungen in Karten sind sachgerecht. • Je nach Fragestellung ist eine Verwendung der Medianwert- bzw. 90. Perzentilwerte angezeigt. • Es sind charakteristische Ab- und Anreicherung gegenüber durchschnittlichen Zusammensetzung der Erdkruste feststellbar: +/+ Al, Ba, Cr, Cu, Fe, Mg, Na, Ni, P, Si, V, Zn K, Pb, Th, U As, Ca, Mo, S 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Ausblick • Verdichtung des vorliegenden Datenbestandes durch gezielte Einzeluntersuchungen, beispielsweise zur Frage regionaler Differenzierungen in den petro-geochemischen Einheiten • stärkere Differenzierung nach geologischen (petrogeochemischen) Einheiten • Publikation in der Reihe LGRB-Informationen, Bd. 24 (November 2009) und Verfügbarkeit der Karten als WMS-Dienst • weitergehende Betrachtungen durch synoptische Analyse der geochemisch-mineralogischen Daten der Gesteine mit beispielsweise - geogenen Grundgehalten in Grundwässern 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Vergleich der Arsengehalte im Grundwasser und im Gestein 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Vergleich der Urangehalte im Grundwasser und im Gestein 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Teil 2 - Grundwasser Bundesweite Betrachtungen Bisherige Arbeiten in Baden-Württemberg Natürliche geogene Grundwasserbeschaffenheit in den hydro-geochemischen Einheiten von BadenWürttemberg [Reihe LGRB-Informationen, Band 23 - ab 15.10.2009 und als WMS-Kartendienst] 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Natürliche geogene Grundwasserbeschaffenheit • Eine natürliche Grundwasserbeschaffenheit liegt vor, wenn der Stoffgehalt des Grundwassers geogenen Ursprungs ist bzw. durch Einflüsse einer normalen, Jahrhunderte alten Kulturlandschaft ubiquitär überprägt wurde und das Grundwasser keine synthetischen Stoffe enthält (Schenk 2003, Kunkel et al. 2004). • Eine natürliche Grundwasserbeschaffenheit wird überwiegend vom durchflossenen Gestein geprägt und ist typisch für die jeweilige hydrogeologische Einheit. 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Natürliche geogene Grundwasserbeschaffenheit • Hydrochemische Komponenten – Neubildung, atmosphärische Deposition – chemische, physikalische und biologische Wechselwirkungen in Bodenpassage und Aquifer – infiltrierendes Oberflächenwasser und cross-formation-flow – punktuelle und diffuse Stoffeinträge (Landwirtschaft, Infrastruktur, Verkehr, Industrie, Altlasten, Schadensfälle, u.a.) – Veränderungen durch Grundwasserneutzungen – unterschiedliche Zeitsignale (Alterskomponenten) • Nahezu überall in Mitteleuropa ist das Grundwasser heute mehr oder weniger anthropogen überprägt. • Der Anteil dieser anthropogenen Komponente lässt sich abschätzen, wenn die natürliche geogene Grundwasserbeschaffenheit mit ausreichender Genauigkeit bestimmt ist. 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Überlagerung einer geogenen und anthropogenen Komponente in der Konzentrationsverteilung eines Spurenstoffs im Grundwasser - schematisch nach Kunkel et al. 2004 - 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Bundesweite Betrachtungen Die natürliche, ubiquitär überprägte Grundwasserbeschaffenheit in Deutschland (2004) Kunkel, R., Wendland, F., Voigt, H.-J., Hannappel, S. Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Umwelt/Environment, Band 47 Gefördert durch das Länderfinanzierungsprogramm „Wasser und Boden“ der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) Hintergrundwerte Grundwasser (2009) Personenkreis Hintergrundwerte Grundwasser der Ad-hoc AG Hydrogeologie der Staatlichen Geologischen Dienste von Deutschland (SGD) unter Beteiligung der LAWA Web Map Service (WMS): http://www.bgr.de/Service/grundwasser/ 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Bundesweite Arbeiten und Auswertungen Bundesweite Betrachtungen sind durch ein hohes geographisches Aggregationsniveau gekennzeichnet. Dadurch treten regionale geogene Differenzierung in den Hintergrund. Größere Homogenität im norddeutschen Tiefland vs. stärkerer Differenzierung in den Mittelgebirgen und Süddeutschland Abbildung: Verbreitung der hydrogeochemischen Einheiten Deutschlands 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Karte der Hintergrundwerte am Beispiel von Sulfat 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Betrachtungen in Baden-Württemberg • Oberflächennahes Grundwasser aus ca. 3500 Messstellen • Grundlage: Grundwasserüberwachungsprogramm Baden-Württemberg • 55 untersuchte Parameter • Auswerteverfahren: „Simple updating kriging“ unter Berücksichtigung von vorherrschender Landnutzung und Aquifertyp am Messort 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Flächenbild über unterschiedliche Landnutzungen Statistische Kennwerte der Messstellen ausgesuchter Teilgebiete am Beispiel Sulfat 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Natürliche geogene Grundwasserbeschaffenheit Zunahme der Landnutzungen mit anthropogenen Einträgen im Einzugsgebiet Messgenauigkeit 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Natürliche Geogene Grundwasserbeschaffenheit in den hydro-geochemischen Einheiten von Baden-Württemberg 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Natürliche Geogene Grundwasserbeschaffenheit in den hydro-geochemischen Einheiten von Baden-Württemberg • 250 Wasserproben von Brunnen und Quellen mit extensiv genutzten Einzugsgebieten und 5 Niederschlagsstationen • Schwerpunkt der Analytik ist die quantitative Bestimmung geogener Spurenstoffe mit möglichst hoher Messgenauigkeit • mehr als 50 hydrochemische Parameter • Beurteilung des Einflusses der atmosphärischen Deposition auf die Grundwasserbeschaffenheit • Ergebnisse der Grundwasseranalytik wurden für 15 hydrogeochemische Einheiten ausgewertet (Rangstatistik) 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Karte der hydro-geochemischen Einheiten in BadenWürttemberg und Lage der Probenahmestellen 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Hydrogeochemische Einheit Hyc 500 Anzahl der Probenahmestellen/Analyse n Mittlerer Flächenanteil Wald/Weide im Einzugsgebiet [%] Hyc 1 qpb, qpm Becken- und Moränensedimente 10 94,5 Hyc 2 qpsw Quartäre Kiese und Sande (Oberrheingraben, Alpenvorland) 31 91,6 Hyc 3 JM Junge Magmatite 10 93,5 Hyc 4 t Tertiäre Sedimentgesteine 25 92,2 Hyc 5 jo Oberjura 28 94,9 Hyc 6 jm, ju Mittel- und Unterjura 16 92,8 Hyc 7 ko – km2 Oberkeuper und oberer Mittelkeuper 25 96,3 Hyc 8 km1 Gipskeuper 4 92,6 Hyc 9 ku Unterkeuper 7 93,5 Hyc 10 mo Oberer Muschelkalk 18 92,3 Hyc 11 mm Mittlerer Muschelkalk 4 91,5 Hyc 12 mu Unterer Muschelkalk 8 86,1 Hyc 13 so Oberer Buntsandstein 15 94,2 Hyc 14 sm, su Mittlerer und Unterer Buntsandstein 24 95,4 Hyc 15 KR Kristallin 25 98,3 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Boxplots für Uran [µg/l] Ausreißer; Werte > 3 Boxlängen vom oberen Rand der Box entfernt Ausreißer; Werte > 1,5 Boxlängen vom oberen Rand der Box entfernt Maximum 75%-Percentilwert 50%-Percentilwert, Median 25%-Percentilwert Minimum Ausreißer; Werte > 1,5 Boxlängen vom unteren Rand der Box entfernt Median 0,489 µg/l (alle Einheiten) Überdurchschnittlich Medianwerte: Junge Magmatite (JM) sowie Oberkeuper und oberer Mittelkeuper (ko – km2) Medianwerte zwischen 3 und 1 µg/l :Tertiäre Sedimentgesteine (t), Gipskeuper (km1) und Unterkeuper (ku) U(nterdurchschnittliche Medianwerte: Mittlerer und Unterer Buntsandstein (sm, su: 0,016 µg/l) und Kristallin (KR: 0,054 µg/l 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Boxplots für Sulfat [mg/l] Ausre ißer; Werte > 3 Boxlängen vom oberen Rand der Box entfernt Ausre ißer; Werte > 1,5 Boxlängen vom oberen Rand der Box entfernt Maximum 75%-Pe rcentilwert 50%-Pe rcentilwert, Median 25%-Pe rcentilwert Minimum Ausre ißer; Werte > 1,5 Boxlängen vom unteren Rand der Box entfernt Medianwerte der geogenen Sulfatgehalte liegen zwischen 5,56 mg/l und 61,9 mg/l. Unterdurchschnittliche Medianwerte unter 10 mg/l: Hyc 3 (so), Hyc 14 (sm, su) und Hyc 15 (KR) überdurchschnittliche Medienwerte > 50 mg/l: Hyc 8 (km1), Hyc 9 (ku) und Hyc 11 (mm). Diese Verteilung spiegelt das Vorkommen von Gips und Anhydrit im Gipsskeuper(km1) und Mittleren Muschelkalk (mm) wider bzw. Aquifere, die mit diesen in Kontakt stehen. 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Perzentilwerte für geogenen Sulfatgehalte in verschiedenen hydro-geochemischen Einheiten 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Schlussfolgerungen • Vorgehensweise ist zur Ermittlung der natürlichen geogenen Grundwasserbeschaffenheit und ihrer charakteristischen Flächendifferenzierung geeignet. • Welcher der verschiedenen Percentilwerte jeweils als Hintergrundwert zu verwenden ist, ist in starkem Maße von der Fragestellung und Zielsetzung abhängig. • Die Werte liegen im in der Größenordnung der LUBW-Auswertungen für die Landnutzungen Wald und Grünland, teilweise auch darunter. • Bisher konnten nur rd. 250 Grundwassermessstellen identifiziert werden, die den Anforderungen genügen, u.a. möglichst „naturbelassene“, oberflächennahe Grundwässer zu erschließen. • Beschreiben diese einen repräsentativen Zustand bzw. einen sachgerechten Zielwert für die Gesamtfläche in BW ? 12. Baustoff-Recycling-Tag Geochemische Verhältnisse in Baden-Württemberg Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
