Original paper

Salinare Mineral- und Thermalwasser im Oberen Muschelkalk (Trias) im Grosharpraum Stuttgart Ruckschlusse auf Herkunft und Entstehung mit Hilfe der 87Sr/86Sr-Strontium-Isotopie

Ufrecht, Wolfgang; Hö lzl, Stefan

Kurzfassung

Im Südwestdeutschen Schichtstufenland treten im Oberen Muschelkalk neben den typischen gering mineralisierten Karstgrundwässern bereichsweise auch hoch konzentrierte Mineral-Thermalwässer vom Typ Na-Ca-Cl-SO4-HCO3 bzw. Ca-Na-Cl-SO4-HCO3 auf, mit Feststoffinhalten zwischen 4 und 6 g/l. Dazu zählen auch die im Stadtgebiet Stuttgart austretenden und 500 l/s schüttenden sog. Bad Cannstatter und Berger Mineral- und Heilquellen. Da sich der hohe gelöste Feststoffinhalt dieser Wässer nicht aus den durchströmten Kalk-, Dolomit- und Tonsteinen des Oberen Muschelkalks ableiten lässt, sind vertikale Wechselwirkungen mit anderen Aquifersystemen zu folgern. Der Frage der Herkunft des Stoffbestands und der Quantifizierung von Mischungsprozessen wird mit der Bestimmung des 87Sr/86Sr-Strontium-Isotopenverhältnisses an 37 stratigraphisch zugeordneten Gesteins- und 50 Grundwasserproben aus dem Grund- und Deckgebirge Südwestdeutschlands nachgegangen. Die Sr-Isotopenwerte der unter weitgehend marinen Bedingungen abgelagerten Schichtglieder der Trias vom obersten Buntsandstein (Myophorienschichten, Röt) bis zum Oberen Muschelkalk liegen in der Größenordnung von 0,7081 bis 0,7096. Dagegen verschiebt sich das Isotopenverhältnis der Gesteine im Keuper zu etwas höheren Werten (0,7079 bis 0,7115). Beide Wertebereiche für das Deckgebirge heben sich signifikant von den deutlich höheren Sr-Isotopenverhältnissen des variscischen Grundgebirges ab.Infolge von Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen werden die Isotopensignaturen der Gesteine an das Grundwasser vererbt. Dadurch zeigen Wässer, die irgendwann im Zuge der Untergrundpassage mit Kristallingesteinen kontaktierten, eine erhöhte Sr-Isotopensignatur. Abhängig vom Mischungsverhältnis bzw. dem Ausmaß von Verdünnung ist diese mit einem ausreichenden Kontrast zu den Wässern aus den Triasgesteinen (Solen Mittlerer Muschelkalk: 0,7080 bis 0,7082; Karstgrundwässer Oberer Muschelkalk: 0,7081 bis 0,7085) versehen.Bei den im Oberen Muschelkalk erschlossenen Stuttgarter Mineralwässern und den Mineralthermen des Albvorlands verschiebt sich mit zunehmendem Feststoffinhalt auch das Sr-Isotopenverhältnis zu Wertebereichen (0,7102 bis 0,7114), die deutlich oberhalb der Muschelkalk-Gesteinswerte liegen. Dies legt Mischungsbeziehungen nahe, an denen neben Wässern aus dem Buntsandstein und Mittleren Muschelkalk auch solche aus dem kristallinen Grundgebirge beteiligt sein müssen. Das aus Hydrochemie und Isotopie abzuleitende hydraulische Modell entspricht daher einem intensiven vertikalen Grundwasseraufstieg hoch salinarer Wässer entlang von Störungszonen (cross formation flow), die sich im Oberen Muschelkalk mit dem Karstgrundwasserstrom durchmischen.

Abstract

Beside low mineralized Ca-HCO3-karst waters, that are quite common in the Upper Muschelkalk (Triassic) of the Southwest German Cuesta, in some regions also highly mineralized waters appear (Na-Ca-ClSO4-HCO3 and Ca-Na-Cl-SO4-HCO3 respectively; total dissolved solids of 4 to 6 g/l). The main representatives of this type are the spas of Stuttgart and the tempered saline waters between Stuttgart and the Swabian Alb. The high amount of total dissolved solids and the hydrochemical characteristics can not be deduced from aquifer lithology of Upper Muschelkalk, consisting of limestone, dolomitic rock and intercalated claystone. Thus vertical interactions with other aquifers are supposed to exist. Mixing processes and the hydrochemical evolution of these waters can be dealt by using 87Sr/86Sr isotopic ratios. The study focusses on the spas of Stuttgart, that discharge 500 l/s from the karstified Upper Muschelkalk aquifer.Sr isotopic ratios of 37 rock samples and 50 water samples were determined. The samples were taken from the crystalline basement and sedimentary bedrocks. The latter show Sr-isotopic ratios in the range of 0.7081 and 0.7096 (claystones, carbonatic and evaporitic rocks of mainly marine origin; Upper Buntsandstein to Upper Muschelkalk) and higher values in the range of 0.7079 and 0.7115 respectively (strongly influenced by terrestric weathered sediments from vindelician high; Lower Keuper to Lower Jurassic). Both ranges of values are significantly different from the isotope signature of the variscian basement. Due to extensive interactions the Sr-isotope ratio of rocks is transferred to the circulating groundwaters. Thus water with a higher Sr-isotopic signature represents a characteristic "crystalline" type in contrast to water originating from Triassic rocks only. They show an isotopic ratio smaller than 0.7085 (brines Middle Muschelkalk 0.7080-0.7082, karst water Upper Muschelkalk 0.7081-0.7085).Coherent relations of 87Sr/86Sr and salinity exhibit distinct mixing processes for the spas of Stuttgart and other highly mineralized waters in Upper Muschelkalk aquifer. The low mineralized end-member can be characterized as karst water. Due to strontium isotope ratios higher than those of sedimentary bedrock (0.7102-0.7114) in the other end-member, it seems reasonable to assume the participation of saline water from crystalline basement beside waters from Buntsandstein and Middle Muschelkalk.Cross formation flow is a real scenario to explain the identified mixing processes. Thus the isotope systematics helps to constrain the conceptual model for the complex aquifer system of Upper Muschelkalk.

Keywords

mineral waters and spas of stuttgartcross formation floworigin of saline waterstrontium isotopes