Original paper

Thermodynamische Berechnungen zur Genese der Heil- und Mineralwässer aus dem Buntsandstein und Zechstein Unterfrankens

[Thermodynamical Calculations on the Genesis of Medicinal and Mineral Waters of the Lower Triassic and Zechstein Formations]

Hofmann, Michael; Merkel, Broder; Quentin, Karl-Ernst; Udluft, Peter

Kurzfassung

Mit dem geochemischen Modell PHREEQE wurden für 35 Heil- und Mineralwässer aus dem Buntsandstein und Zechstein Unterfrankens unter Annahme thermodynamischer Gleichgewichte die Unter- oder Übersättigung bezüglich verschiedener Mineralphasen berechnet. Die berechneten Sättigungsindizes und die Konzentrationen der Hauptinhaltsstoffe wurden als Variable für eine Clusterung herangezogen, wobei sich die Einteilung in 5 Cluster am sinnvollsten erwies. Die so ermittelten 5 Modellwässer konnten aufgrund hydrochemischer und geologischer Gesichtspunkte als 5 verschiedene Grundwassertypen Unterfrankens bezeichnet werden. Das Dissoziations- bzw. Komplexierungsverhalten zeigte in den 5 Clustern signifikante Unterschiede. Am Beispiel des Luitpoldsprudels bei Bad Kissingen wurden die Sättigungsverhältnisse in einem Buntsandstein-Zechsteinprofil untersucht. Eine hypothetische Entstehung des tieferen Grundwassers im Luitpoldsprudel wurde mit PHREEQE simuliert, indem ein Buntsandsteinwasser nacheinander unter definierten Randbedingungen mit Gips, Dolomit und Calcit gesättigt sowie NaCl und KCl zugemischt wurde. Es konnte gezeigt werden, unter welchen CO2-Partialdrücken und Temperaturverhältnissen ein oberflächennahes Buntsandstein-Wasser mit den lokalen Fazies reagiert bis das erbohrte Grundwasser des Luitpoldsprudels entsteht.

Abstract

Using the geochemical model PHREEQE 35 medicinal and mineral waters of the Lower Triassic and Zechstein formations of "Unterfranken" are investigated assuming thermodynamical equilibrium. Under- or oversaturation in respect to different solid phases were calculated. The saturation indices and the concentration of the main components were taken as inputdata for a cluster analysis. Good results were obtained by choosing 5 clusters. These 5 model-waters could be verified as natural types of groundwater on hydrochemical and geological aspects. The dissociation and complexation phenomena of these 5 clusters showed significant differences. To specify the genesis of the water in Lower Triassic and Zechstein formations, the status of saturation are studied in different depth of the "Luitpoldsprudel" nearby Bad Kissingen. A probable genesis was simulated with PHREEQE by stepwise equilibration of lower triassic water in respect to gipsum, dolomite and calcite as well as reaction with sodium and potassium chloride. It could be shown, under which CO2-partial-pressures and temperatures a lower triassic water reacts with the known rocks of this region to develop the groundwater of the type "Luitpoldsprudel".

Keywords

Geochemical modeling (PHREEQE)mineral watersmedicinal watersmajor elementscomplex chemistrysaturation indicescluster analysisgroundwater typesZechsteinLower Triassic UnterfrankenBavaria