Original paper

Isotope als Temperaturindikatoren im Grundwasser (Zusammenfassendes Literaturreferat)

[Isotopes in Groundwater as Temperature Indicators]

Moser, Heribert; Stichler, Willibald

Kurzfassung

Der Isotopengehalt des Grundwassers wird durch den Isotopengehalt des infiltrierenden Niederschlagswassers und durch Isotopenaustausch mit dem Gestein des Grundwasserleiters bzw. den im Grundwasser gelösten Stoffen bestimmt. Der Isotopengehalt der Niederschläge ist das Resultat von Isotopenfraktionierung und -austausch bei Verdunstungs- und Kondensationsvorgängen. Da alle Isotopenfraktionierungs- und austauschprozesse temperaturabhängig sind, kann der Isotopengehalt des Grundwassers als Temperaturindikator benutzt werden. Systematische Messungen des 2H- und 18O-Gehalts der Niederschläge ergaben gute Korrelationen mit der Lufttemperatur am jeweiligen Niederschlagsort, die allerdings durch Kontinental- und Niederschlagsmengen-Effekte verschleiert werden können. Unter der bei nicht-thermalen Grundwässern i. a. geltenden Voraussetzung, daß kein Isotopenaustausch im Grundwasserleiter stattfindet, kann so u. U. auf die Temperatur bei der Grundwasserneubildung (auch bei Paläowässern) geschlossen werden. Bei Thermalwässern tritt, insbesondere in karbonat- und silikathaltigen Gesteinen, ein 18O-Isotopenaustausch zwischen Wasser und Gestein auf, der i. a. zu einer gegenüber dem 2H-Gehalt erhöhten 18O-Anreicherung führt und damit Thermalwässer auch nach einer evtl. Abkühlung charakterisiert. Quantitative Angaben über die Temperatur eines geothermalen Systems in der Tiefe können mit Hilfe sog. Isotopengeothermometer gemacht werden, bei denen temperaturabhängige Isotopengleichgewichte von Wasserinhaltsstoffen und Wasser gemessen werden. Hierzu gehören das Kohlendioxid-Methan-, das Methan-Wasserstoff-, das Wasser-Wasserstoff-, das Kohlendioxid-Wasser-, das Sulfat-Wasser- und das Sulfat-Schwefehvasserstoff-Isotopenthermometer.

Abstract

The isotope content of groundwater is determined by the isotope content of infiltrated precipitation and by isotope exchange with the aquifer matrix and with dissolved material within the groundwater. The isotope content of precipitation results from isotope fractionation and exchange during evaporation and condensation. Because all isotope fractionation and exchange processes are temperature dependent, the isotope content of groundwater can be used as an indicator for temperature. Systematic investigations of 2H- and 18O-content in precipitation show good correlation with the air temperature at the respective precipitation sampling point. Continental and amount effects, however, can mask these correlations. If no isotope exchange takes place with the aquifer matrix (which can be assumed for non thermal groundwater), the temperature during groundwater recharge can be evaluated in this way. In thermal waters an 18O-exchange between groundwater and aquifer matrix takes place especially in carbonates and silicate aquifers. In this way 18O enriches in relation to 2H which also characterizes thermal water after a possible cooling. Quantitative evaluations for temperatures of geothermal systems can be made by so called isotope geothermometers measuring the temperature dependent isotope balances of water ingredients. The carbondioxid-methan-, methan-hydrogen-, water-hydrogen, carbondioxid-water-, sulfate-water-, and sulfate-sulfide isotope thermometers will be discussed.

Keywords

Bibliographic reviewground waterisotopedeuterium18Oconcentrationatmospheric precipitationtemperaturegeologic thermometrypalaeotemperaturethermal waterchemical ratio (2H/18O) South Austrian Molasse (Styria Basin)