Verschiebungen des 18O/16O Verhältnisses von Grundwasser durch CO2 im Untergrund

Sebastian Lohr1, Johannes Barth1
1 Lehrstuhl für angewandte Geologie, GeoZentrum Nordbayern

P 9.23 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Verschiebungen des 18O/16O Isotopenverhältnisses von Wasser (ausgedrückt als d18OH2O-Signal mit ‰-Verschiebungen gegen den internationalen Standard „Standard Mean Ocean Water SMOW“) können beispielsweise durch Verdunstung an der Erdoberfläche auftreten. Im Grundwasser sind solche Verschiebungen selten und ein möglicher Mechanismus ist, wenn große Mengen von CO2 über längere Zeiträume mit Grundwasser in Verbindung stehen. Wegen des hohen Sauerstoffanteils in beiden Phasen ist dann eine Equilibrierung zwischen CO2 und H2O zu erwarten, wobei das Isotopenverhältnis von CO2 sich auf den Sauerstoff im Wasser übertragen kann. Wenn die sich dabei ergebenden Memory Effekte im d18OH2O des Wassers erhalten bleiben, kann der Kontakt zu CO2 noch nachgewiesen werden, selbst wenn das Gas schon wieder weiter migriert ist. Dies ist dann wichtig, wenn Grundwasser in der Nähe von vulkanischen Systemen, bei CO2 Speicherung oder bei Eindringen von CO2 in Salzlagerstätten verändert wird. Damit kann das Wasser als Tracer für Aufenthaltszeiten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten von CO2-Fahnen im Untergrund dienen. Erste Laborexperimente mit Wasser und CO2 in geschlossenen Systemen ergaben deutlich messbare Isotopenverschiebungen von bis zu 6 ‰, wenn 22,8 Prozent des im System vorhandenen Sauerstoffs vom CO2 stammte. Bei kleineren Mengen von Sauerstoffzugaben durch CO2 von 1,3 Prozent konnten immer noch d18OH2O-Verschiebungen von 0,3 ‰ nachgewiesen werden. Die Übertragungszeit in diesen Experimenten betrug für alle Experimente ungefähr 50 Stunden, wobei diese mit niedrig mineralisierten Lösungen durchgeführt wurden. In gegenwärtigen Experimenten werden Lösungen verschiedener Salzgehalte bis hin zur Salzsättigung aus realen Umgebungen von Salzlagerstätten getestet. Weiterhin werden isotopische Equilibrierungen unter statischen Bedingungen ohne Schütteln durchgeführt um realistische Equilibrierungszeiten zu untersuchen. Diese Wasserisotopenmethode ist vielversprechend, um Wechselwirkungen von CO2 und Grundwasser im Untergrund zu verstehen und bewerten zu können.