Das Fe/Mn-Verhältnis als Indikator für Redoxänderungen im oberflächennahen Grundwasser

Imke Gudenschwager1, Kay Hamer1, Thomas Pichler1
1 Fachgebiet Geochemie und Hydrogeologie, Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen, Postfach 330 440, D-28334 Bremen, Deutschland

1.5 in Wasserqualität in Grundwasser und Flusseinzugsgebieten

26.03.2020, 14:45-15:00, Weißer Saal

Chemisch verhält sich Mn ähnliche wie Fe, sodass sich das Fe/Mn-Verhältnis in der oberen Erdkruste von ca. 60 zu 1 auch im Grundwasser abbildet. Für gewöhnlich ist das Fe/Mn-Verhältnis größer als 10. Bei einer Evaluation von Fe- und Mn-Konzentrationen im Grundwasser Norddeutschlands wurden jedoch Fe/Mn-Verhältnisse < 1 beobachtet, welche als Anomalien bewertet wurden. Zum besseren Verständnis wurde das Verhältnis von Fe und Mn in Abhängigkeit des allgemeinen Grundwasserzustandes untersucht, wobei besonders andere reodoxsensitive Parameter, wie zum Beispiel NO3-, berücksichtigt wurden. Dieses Vorgehen stellte sich in redoxsensitiven Milieus wie den Lockergesteinsregionen von Niedersachsen und Bremen als sinnvoll heraus, um Prozesse zu identifizieren, die für die beobachteten Anomalien verantwortlich sein könnten.

Insgesamt wurden ca. 32.000 Grundwasserproben von über 4.800 Grundwassermessstellen aus den Landesdatenbanken Niedersachsens und Bremens ausgewertet. Die Schwerpunkte der Untersuchung lagen (a) in der Ermittlung von Boxplots sowie Korrelationsanalysen (Spearman), um die Zusammenhänge der redoxsensitiven Parameter (Fe2+, Mn2+, NO3 -) und des pH-Wertes zu ermitteln, (b) in der Untersuchung zeitlicher Trends nach Mann-Kendall sowie (c) in der Ausweisung geogener Hintergrundwerte von Mn für hydrogeologische Teilräume (Elbracht et al., 2016) mithilfe des Wahrscheinlichkeitsnetzes (Wagner et al., 2011).

Die Ergebnisse lieferten überwiegend positive Korrelationen zwischen niedrigen Verhältniswerten (Fe/Mn ≤ 1) und NO3- sowie negative Korrelationen zum pH-Wert in fast allen Geestgebieten (rs ≤|0,69|; α = 0,05). Die höchsten medianen Verhältnisse von Fe/Mn ≤ 1 wurden bei NO3 - > 100 mg/L und pH < 5 in den Geesten und Niederungen ermittelt. Die Hintergrundwerte von Mn lagen im medianen Durchschnitt in den Marschen bei 1,94 mg/L, den Niederungen bei 0,79 mg/L und in den Geesten bei 0,43 mg/L. Mit Überschreitungen der Hintergrundwerte ließen sich Aussagen über die anthropogenen Einflussfaktoren treffen; die entsprechenden Messstellen verlaufen kongruent mit den Gebieten häufig schwellenwertüberschreitender Nitratkonzentrationen (> 50 mg/L) in den Geesten (Abb.). Die zeitliche Entwicklung an ausgewählten Messstellen verhielt sich unterschiedlich; in ca. 40 % der Fälle weist Mn dauerhaft höhere Konzentrationen als Fe auf und fiel mit hohen Nitratkonzentrationen und Versauerungserscheinungen zusammen.

Damit deuten niedrige Fe/Mn-Verhältnisse im Untersuchungsgebiet Niedersachsen häufig auf eine fortschreitende Oxidation infolge von Nitratverlagerungen in das Grundwasser (Wilde et al., 2017) der oberen Grundwasserstockwerke (ca. 15 m u. GOK) und einer Veränderung des hydrochemischen Verhaltens durch eine Redoxumkehr. Ein niedriges Fe/Mn-Verhältnis erweist sich somit als Indikator für eine Überprägung der Grundwasserbeschaffenheit durch die intensive Landwirtschaft.

Gebiete, in denen die Nitratkonzentrationen flächendeckend den Schwellenwert von 50 mg/L überschreiten und Lage der Grundwassermessstellen (n = 209) mit Fe/Mn ≤ 1 bei zeitgleicher Überschreitung des regionalen Hintergrundwertes von Mn.
Gebiete, in denen die Nitratkonzentrationen flächendeckend den Schwellenwert von 50 mg/L überschreiten und Lage der Grundwassermessstellen (n = 209) mit Fe/Mn ≤ 1 bei zeitgleicher Überschreitung des regionalen Hintergrundwertes von Mn.



Elbracht, J., Meyer, R. und Reutter, E. (2016): Hydrogeologische Räume und Teilräume in Niedersachsen. GeoBerichte 3: S. 118, Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie, Hannover.

Wagner, B., Walter, T., Himmelsbach, T., Clos, P., Beer, A., Budziak, D., Dreher, T., Fritsche, H., Hübschmann, M., Marcinek, S., Peters, A., Poeser, H., Schuster H., Steinel, A., Wagner, F. und Wirsing, G. (2011): Hydrogeochemische Hintergrundwerte der Grundwässer Deutschlands als Web Map Service. Grundwasser 16: 155–162.

Wilde, S., Hansen, C., und Bergmann, A. (2017): Nachlassender Nitratabbau im Grundwasser und deren Folgen – abgestufte modellgestützte Bewertungsansätze. Grundwasser 22(4): 293-308.



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