Hydraulische Durchlässigkeitsbeiwerte von Tephren des Laacher See Vulkans (Osteifel) und Quantifizierung der Mobilisierung von Vanadium und Phosphat

Die Laacher See Eruption im Gebiet der Osteifel (Rheinland-Pfalz) förderte phonolithisches Magma von mindestens 5 km³ (Bogaard & Schmincke, 1984). Die Laacher See Tephren (LST) enthalten als Hauptmineralbestand Sanidin und Plagioklas, als Akzessorien sind Hauyn- und Apatit-Kristalle vertreten (Wörner & Schmincke, 1984). Seit 1950 wurde im Laacher See mit Höhepunkt 1970 aufgrund zu hoher Nährstoffzufuhr eine Eutrophierung festgestellt. Trotz verschiedener Maßnahmen wurde der nährstoffarme Zustand bis heute nicht erreicht (Block et al., 2015 und SGD Nord, 2021). Härter et al. (2020) beobachteten im Gebiet des Ringseitert-Vulkankomplex (Westeifel) Phosphat-Konzentrationen von 211 bis 643 μg/l, die linear mit Vanadium-Konzentrationen von < 0,03 bis 28,4 μg/l korrelierten (Härter et al., 2020).

Erste geologisch-hydrogeologische Untersuchungen zeigten, dass geogene und nicht, wie ursprünglich postuliert die Landwirtschaft, Ursprung der Phosphate und der damit einhergehenden Eutrophierung sind (WuB 2014). Vor diesem Hintergrund wurden im Jahr 2021 Elutionsversuche mit dem Ziel der Ermittlung der Lösungskinetik (a) gesiebter (< 2 mm) und (b) gesiebt und gemahlener Proben der LST und devonischem Gesteinsmaterial vorgenommen. Siebanalysen und Durchströmungsversuche dienten der Ermittlung von Durchlässigkeitsbeiwerten.

Im Rahmen der Elutionsversuche konnten Phosphat-Konzentrationen bis zu 750 μg/l und Vanadium-Konzentrationen bis zu 27,4 μg/l über eine Versuchsdauer von bis zu 720 Stunden nachgewiesen werden. Dabei zeigten die gesiebten und gemahlenen Proben in der Regel deutlich höhere Konzentrationen im Vergleich zu den lediglich gesiebten Proben.

Basierend auf den Siebanalysen und Kornsummenkurven wurden hydraulische Durchlässigkeitsbeiwerte von 8,6 x 10^-11 m/s bis 3,2 x 10^-1 m/s an insgesamt neun unterschiedlichen vulkanischen und sedimentären Lockergesteinen ermittelt. Die Durchströmungsversuche lieferten einheitliche Durchlässigkeitsbeiwerte von 7,5 x 10^-6 m/s bis 3,6 x 10^-4 m/s an insgesamt 7 unterschiedlichen Lithologien.

Die Laborversuche geben einen Hinweis auf die geogene Nährstoffzufuhr im Gebiet des Laacher Sees (Phosphat). Insbesondere der Einfluss von vulkanogenem CO₂ auf das Lösungsverhalten der LST, der quartären Schlacken und der benachbarten Riedener Tephren soll in einem zweiten Schritt durch Laborversuche überprüft werden. Eine Verifizierung der ermittelten, hydraulischen Durchlässigkeitsbeiwerte erfolgt durch die Auswertung von Pumpversuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in ein konzeptionelles, hydrogeologisches Modell des Laacher See Vulkans integriert und vorgestellt.