Original paper
Hydrogeochemie der Quellen und kleineren Zuflüsse der Sösetalsperre (Harz)
[Hydrogeochemistry of springs and small tributaries of the Söse Dam (Harz Mountains, Germany)]
Heinrichs, H.; Wachtendorf, B.; Wedepohl, K. H.; Rössner, B.; Schwedt, G.
Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen Band 156 Heft 1 (1986), p. 23 - 62
53 references
published: Dec 19, 1986
ArtNo. ESP154015601002, Price: 29.00 €
Kurzfassung
In 33 jahreszeitlich beprobten Quellen und kleineren Zuflüssen des Einzugsgebietes der Sösetalsperre (Harz) wurden Ca, Mg, Na, K, NH4, Si, HCO3, Cl, NO3, SO4 und PO4 sowie die Nebenbestandteile Al, Fe, Mn, B, Ba, Sr, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn vorwiegend mit instrumentellen (ICP-AES, AAS) und ionenchromatographischen Methoden guter Reproduzierbarkeit bestimmt. Diese Talsperre (Speichermenge 25, 5 x 106m3) versorgt aus einem industriefernen, bewaldeten Gebiet Bremen, Göttingen und hundert weitere Gemeinden mit Trinkwasser. Die Quellgebiete unterscheiden sich in Hanglage und geologischem Untergrund (mit häufigen karbonischen Grauwacken und Tonschiefern neben quarzitischen Sandsteinen und Spiliten). Die Clusteranalyse zeigt enge Beziehungen zwischen Al, Mn, Fe, Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Pb, Cu, dem gelösten organischen Kohlenstoff und dem pH. Ein zweites Cluster umfaßt die anorganischen Anionen, die Erdalkalien und Alkalien. Ca(+ Sr) ist mit HCO3 signifikant korreliert. Wegen des gemeinsamen atmosphärischen Eintrags sind Na und CI sowie SO42-und NO3- korreliert. Der Kaliumgehalt der Gewässer muß nahezu vollständig aus dem Luftstaub stammen. Das Wasser vieler Quellen ist an Quarz nahezu gesättigt und meist mit Dreischicht-Tonmineralen (wie Smektit), seltener mit Zweischicht-Tonmineralen (wie Kaolinit) oder gar mit Diaspor im Gleichgewicht. pH sowie K-, Na- and Mg-Gehalte sind überall zu niedrig, um Kalifeldspat, Muskowit/Illit, Albit und Mg-Chlorit zu stabilisieren. Die deutliche Extraktion von Al, Fe, Mn, Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Cu und Pb aus Böden und Gesteinen ist auf Gewässer mit pH < 5 beschränkt. al wird offenbar durch die löslichkeit von jurbanit (al[oh]so4 • 5H2O) begrenzt. Die Ca-Gehalte der Gewässer hängen vom Ca in den Gesteinen des Untergrundes und von der Beladung mit HCO3- ab. Ein wesentlicher Ca- und Mg-Transport findet im Sommer statt. Der Austrag an Alkali- und Erdalkalimetallen aus den Böden des Harzes ist durchschnittlich bis hoch. Weltweit enthält Flußwasser bei ähnlichen Mg-, Na- und Cl-Konzentrationen weniger SO42-, NO3- und mehr HCO3-, Si, K, Ca und Fe als das Wasser der Sösetalsperre. Schwefelsäure Wässer extrahieren aus den wenig pufferfähigen Böden auf Quarzit (Ackerbruchberg) die z. T. aus ferntransportierten Stäuben mit hohem anthropogenen Anteil stammenden Schwermetalle Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Cu, Pb, Mn usw. Dabei werden toxische Elemente wie Cd und Pb in Gewässern aus Immissionslagen 15- bis 36fach angereichert. Ein Teil der Gewässerkontaminationen fällt im Staubecken aus, wie Gehalte von mehr als 500 ppm Pb und ~ 1000 ppm Zn in den Sedimenten zeigen.
Abstract
More than 100 waters from 33 springs and small tributary streams within the drainage system to the Söse Dam, which provides drinking water to the cities of Göttingen and Bremen in addition to about 100 communities in an unindustrialized mountainous region, have been sampled seasonally. Concentrations of Ca, Mg, Na, K, NH4, Si, HCO3, Cl, NO3, SO4, and PO4, as well as the minor elements Al, Fe, Mn, B, Ba, Sr, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, and Zn were determined by ICP-AES, AAS, and ion-chromatographic methods. The bedrock geology comprises Carboniferous greywackes and shales, which have a chemical composition typical of the upper continental crust, and subordinate quartzites and spilites. Cluster analysis reveals close relation of Al, Mn, Fe, Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Pb, Cu with dissolved organic carbon, and pH. A second cluster contains the inorganic anions (including Si), the alkalies, and alkaline earths. Ca and Sr are well correlated with HCO3, as expected for a carbonate source, and the correlation of SO4, NO3, Cl, and Na indicates airborne transport; K is derived almost exclusively from airborne dust. The majority of the waters are equilibrated with three-layer clay minerals of the smectite type and almost saturated with respect to quartz, whereas equilibrium with kaolinite/dickite or diaspore is expected for springs in quartzite. pH, K, Na, and Mg are too low to stabilize muscovite/illite, albite, or Mg chlorite. The distinctive extraction of Al, Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Cu, and Pb from soils and rocks is restricted to waters with a pH < 5. apparently, al contents are determined by the solubility of jurbanite (al(oh)[so4] • 5H2O). Ca is controlled by the availability of Ca in source rocks and the dissolved CO2 content of the waters. An important Ca-(and Mg-) transport is restricted to the summer season. The extraction of alkalies and alkaline earths from soils is slightly more than normal. Relative to rivers worldwide, the dam waters contain comparable Mg, Na, and Cl, more SO4 and NO3, but less HCO3, Si, K, Fe, and Ca. If waters become acid from airborne sulfur emissions, they extract metals from the soils of the Acker Mountains and several poisonous elements attain relatively high concentrations in the transporting creeks. The thin soil cover has a low buffer capacity and is highly contaminated by anthropogenic airborne dust. Elements like Cd and Pb are some 15 to 36 times enriched in waters from slopes, especially in those exposed to immissions. A fraction of the dissolved accumulations of Zn, Cd, Ni, Co, Cr, Cu, Pb, and Mn in the waters from the tributaries is presently being precipitated in the dam sediments.
Keywords
Hydrochemical major compounds; hydrochemical minor compounds; seasonal sampling; element correlations with country rocks; dependence on pH; stability of soil minerals; immissions; elementspecific soil extraction • Germany