Original paper

Vom berechneten Sättigungsindex zur Reaktion im Grundwasser

[From Calculated Saturation Index to Reactions in Groundwater]

Kölling, Martin

Kurzfassung

Bei Berechnungen mit modernen geochemischen Modellprogrammen an natürlichen Wässern ergeben sich entgegen der Idealvorstellung nach der Gibbs'schen Phasenregel (für n Ionen maximal n-1 kontrollierende Festphasen mit einem Sättigungsindex nahe 0 und negativen Sättigungsindizes für die thermodynamisch unstabilen Phasen) häufig auch positive Sättigungsindizes und Untersättigungen für im Gestein noch vorhandene Minerale. Im Profil gleichbleibend übersättigte Minerale deuten auf kinetisch oder energetisch gehemmte Reaktionen hin. Indikatoren für tatsächlich ablaufende Reaktionen sind jedoch Sättigungsindizes nahe 0 und solche Sättigungsindizes, die sich im Laufe eines Fließweges einem Gleichgewicht nähern. Es wird gezeigt, wie aus der Fülle der Sättigungszustandinformationen im Output von geochemischen Modellprogrammen wie WATEQ2 oder PHREEQE kontrollierende Phasen und im Sediment ablaufende Reaktionen erkannt werden können. Weiter wurden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, mit denen der Einfluß ungenauer oder fehlender Daten (insbesondere des Redoxpotentials und des Aluminiumgehaltes) abgeschätzt werden kann. Eine dreidimensionale Darstellung der Sensitivität des Sättigungszustandes in Bezug auf verschiedene Wassereigenschaften zeigt anschaulich, welche Pfade zum Mineralgleichgewicht möglich sind, bzw. welche Änderungen der Wasserzusammensetzung möglich sind, wenn ein Gleichgewicht mit einer Festphase vorausgesetzt wird.

Abstract

Calculations with modern geochemical model programs often yield positive saturation indices and undersaturations for minerals still present in the sediment -- contrary to the ideal situation according to the Gibbs phase rule, predicting for n ions a maximum of n-1 controlling solid phases with a saturation index of 0 and negative saturation indices for the thermodynamically instable phases. Continious supersaturation along a profile can be explained by energetic barriers or slow kinetics for the precipitation reaction. Indicators for reactions occuring in the sediment are mineral reactions with a saturation index close to 0 and such reactions that reach equilibrium along a water pathway. It is showed how controlling phases and reactions occuring in the sediment can be read from the bulk of saturation state information given in the output of geochemical model programs like WATEQ2 or PHREEQE. Furthermore, sensitivity analyses were carried out, to make an estimation of the influence of unprecise or missing data (especially to redox potential and aluminium content) possible. 3D-plotting of the saturation index sensitivity to different water chemical data visualizes possible paths to miner a 1 equilibrium or vice versa the possible changes in water chemical properties when maintaing equilibrium with a certain solid phase.

Keywords

Geochemical modeling (WATEQ 2PHREEQE)saturation indexionsensitivity analysislimiting phaseskineticsgroundwater types North Rhine-Westphalia (Seffent/Aachen) TK 25: Nr. 5202