This article was downloaded by: [University of North Carolina] On: 12 November 2014, At: 18:39 Publisher: Taylor & Francis Informa Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK Isotopenpraxis Isotopes in Environmental and Health Studies Publication details, including instructions for authors and subscription information: http://www.tandfonline.com/loi/gieh19 87Sr/86Sr-Untersuchungen an Grundwässern des Berliner Urstromtales R. Trettin , G. Haase , M. Habedank & J. Tesch a Akademie der Wissenschaften, Zentralinstitut für Isotopen- und Strahlenforschung , Permoserstr. 15, DDR-7050, Leipzig b VEB Hydrogeologie, BT Berlin , Tiniusstr. 12â15, DDR-1121, Berlin Published online: 21 Aug 2008. To cite this article: R. Trettin , G. Haase , M. Habedank & J. Tesch (1990) 87Sr/86Sr-Untersuchungen an Grundwässern des Berliner Urstromtales, Isotopenpraxis Isotopes in Environmental and Health Studies, 26:12, 595-598, DOI: 10.1080/10256019008622442 To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/10256019008622442 PLEASE SCROLL DOWN FOR ARTICLE Taylor & Francis makes every effort to ensure the accuracy of all the information (the âContentâ) contained in the publications on our platform. However, Taylor & Francis, our agents, and our licensors make no representations or warranties whatsoever as to the accuracy, completeness, or suitability for any purpose of the Content. Any opinions and views expressed in this publication are the opinions and views of the authors, and are not the views of or endorsed by Taylor & Francis. The accuracy of the Content should not be relied upon and should be independently verified with primary sources of information. 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Als Grundtendenz ergibt sich fiir das geloste Sr eine Abnahme im Isotopenverhaltnis mit wachsender Teufe im Bereich von etwa 0,7080 bis 0,7100 bei gleichzeitig steigender Sr-Konzentration. Der Sr-Gehalt Kiederum ist unabhangig torn Grundwasserleiter mit der Mineralisation des Wassers verbunden. Deutlich unterscheidbarsinddie IsotopenverhdltnissedesDiapirgesteins von denen des typischen Grundwassers. Es wirdgeschlufifolgert, dap die Zechsteinsalze nicht hauptsdchlich fiir die Genese hoherer Versalzungen im Grundwassersystem verantwortlich sind. Die Ergebnisse werden diskutiert. From a sector within an extended Tertiary basin 21 groundwater samples as well as 3 rock samples of a Zechslein diapir were analysed for B1Sr/a6Sr-ralio. As a tendency the isotope ratio of the dissolved strontium is decreasing with increasing depth and strontium content. Furthermore, strontium content and salinity are correlated. With two exceptions the isotope data are in the range between about 0.7080 and 0.7100. Significant differences in the strontium isotope composition were found between the Zechstein salts and the typical groundwaters. This shows, that the Zechstein diapir can not be the source of the higher salinity in parts of the groundwater system. The results are discussed. Keywords strontium isotopes, hydrology, groundwater, isotope ratio 1. Einleitung Strontium enthalt mit dem Isotop 87Sr eine Komponente, die anteilig dem /?-Zerfall des primordialen Radioisotops 87Rb ent- stammt. Entsprechend der erdgeschichtlichen Vergesellschaftung von Rb und Sr kommt es somit zu Variationen in der relativen Haufigkeit des 87Sr, die sich im 87Sr/86Sr-Verhaltnis ausdruckt. In den kontinentalen Wasserkreislauf gelangt Sr im wesentlichen durch Auslaugung von Gesteinen. Insbesondere bei jiingeren Was- sern konnen jedoch auch anthropogene Eintrage (z. B. durch Dungemittel oder Abwasser) ins Gewicht fallen. Eine radiogene Veranderung des Sr-Isotopenverhaltnisses im gelosten Zustand ist auf die Ausnahmefalle extrem langer Verweilzeiten und/oder extrem hoher Rb/Sr-Konzentrationsverhaltnisse beschrankt. Als Faust- formel kann unter Zugrundelegung der Moglichkeiten einer moder- nen massenspektrometrischen MeDtechnik dienen, daC fiir signifi- kante Veranderungen ein Produkt aus Verweilzeit in Jahren und dem Rb/Sr-Verhaltnis von wenigstens 106 erforderlich ist. Damit birgt geogen gelostes Strontium in den allermeisten praktischen Fallen eine mittlere Isotopeninformation der Gesteine, wobei sich die Gewichtsfaktoren aus den Beitragen der beteiligten Spezies zum Gehalt des im Wasser gelosten Strontiums ergeben. Ob bei Passieren der einzelnen Gesteinskomplexe eine Veranderung der Sr-Bilanz erfolgt oder nicht, hangt neben dem Angebot an losungsfahigem Sr (oder auch austauschfahiger Ionen) von den morphologischen und hydrochemischen Bedingungen sowie der Kontaktzeit ab. Die Vorhersage des 87Sr/86Sr-Verhaltnisses fiir ein gegebenes Aquifergestein ist nur sehr begrenzt moglich. Eine Einengung des Erwartungswertebereiches verlangt Kenntnisse fiber die Genese der betrachteten Gesteine und die Rb/Sr-Verhaltnisse. Insbesondere bei Lockergesteinen, die ein breites Spektrum sekundar veranderter Ausgangsgesteine in oftmals komplizierter Wechsellagerung ein- schlieBen konnen, sind bestenfalls regionale Trendaussagcn in Anlehnung an das geologische Entwicklungsbild moglich. Relativ gut bekannt sind jedoch die Sr-IsotopenverhSltnisse fur marine Sedimente, die auf Grund einer vergleichsweise kurzen Mischungs- zeit in den Ozeanen und damit der Homogenisierung in Sr und Rb fur einen bestimmten Entstehungszeitpunkt relativ gering streuende Werte liefern und die somit von groDraumiger oder globaler Bedeutung sind [1,2]. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, im Zusammenhang mit weiteren Isotopenuntersuchungen in einem ausgedehnten Tertiar- becken Basisinformationen in Bezug auf die Isotopenzusammen- setzung des im Grundwasser gelosten Sr zu gewinnen und zu versuchen, diese in die Aufklarung der hydrogeologischen Situation in einem komplizierten Erkundungsobjekt einzubeziehen. Isotopenpraxis 26 (1990) 12 595 D ow nl oa de d by [ U ni ve rs ity o f N or th C ar ol in a] a t 1 8: 39 1 2 N ov em be r 20 14 Trettin u. a.: 87Sc/86Sr-Untersuchungen 2. Das Untersuchungsgebiet Die relative Lage der Beprobungsstellen und die hydrogeologische Situation werden in den Abb. 1 und 2 umrissen. In den quartaren und tertiaren Schichtfolgen der flach schusselformigen Tertiarsenke werden 5 Hauptgrund- wasserleiterkomplexe ausgewiesen. Grundwasserleiterkomplex IV (GWL IV) wird in zwei Teil-GWL (IVa â Quarzsande mit wechselnder fazieller Ausbildung, IVb â Streifen- und Glimmersande) mit deutlich unterschiedli- cher Durchlassigkeit und stellenweiser Trennung durch einen dunnen Grenz- schluff eingeteilt. Der im gesamten Gebiet verbreitete Rupelbasissand (GWL V) bildet zumindest lokal mit den liegenden mesozoischen Gesteinen eine hydrogeologische Einheit. Das Gebiet wird von einem weitgefacherten pleistozanen Rinnensystem mit unterschiedlicher Erosions-/Exarationsbasis durchzogen. Dessen hydro- geologische Rolle ist wegen der heterogenen Verfullung im einzelnen schwer durchschaubar. Grundsatzlich muB jedoch mit Kommunikationsbeziehungen zwischen den GWL uber das Rinnensystem gerechnet werden. Kommunika- tionsmoglichkeiten werden auch durch das herzynisch streichende Fur- stenwalde-Gubener-Storungssystem begunstigt. Es steht im Zusammenhang mit halokinetischen Bewegungen, die spater u. a. zur Ausbildung des Spalten- diapirs gefuhrt haben. Die teilweise betrachtlichen Versatzbetrage begunstigen das AbreiBen der Stauerschichten insbesondere im Diapirbereich. Somit und wegen der deutlich hoheren Versalzung im GWL V gewinnt die Frage nach dem Wasseraustausch zwischen den GWL IV und V besondere Bedeutung. Hinsichtlich der GW-Dynamik und Speisung muD insbesondere zwischen den Komplexen GWL I (evtl. I + II), GWL IV und GWL V/Pra. unter- schieden werden. GWL HI und teilweise GWL II tendieren in ihrem hydrauli- schen wie auch hydrochemischen Verhalten entweder zum Hangend- oder zum Liegend-GWL, wobei jedoch die Verbindungen kompliziert gestaltet sein konnen und stellenweise der Wasseraustausch uberhaupt stark einge- schrankt ist. Dies fuhrt z. B. dazu, daD lokal Wasser mit geringerer Mineralisa- tion unter hoher mineralisierten angetroffen werden. Auch wurde ebenfalls lokal der Aufstieg hoher mineralisierter Wasser bis in den GWL I (Entlastung zur Vorflut) nachgewiesen. Grundsatzlich lagen jedoch alle im Bereich der GWL I bis IV angetroffenen Wasser im Salzgehalt deutlich unter dem des GWL V. So ist das hydrochemische Bild der Wasser im Bereich I bis IVa bis auf die erwahnten Anomalicn das eines relativ gering mineralisierten Wassers (unter 1 g/1) vom Ca^-HCOJ-SO 2 . "" - oder Ca2 + - N a + - HCOJ â Cl"-Typ, wahrend bei hoheren Abdampfruckstanden immer mehr Na+ und Cl~ dominieren. Aus den bisherigen Ausfuhrungen wird klar, daB auch die Sr-Daten in ein vielschichtiges Gesamterkenntnisbild eingepaBt werden mussen, das hier nicht im Detail beschrieben werden kann. Die wichtigsten Ergebnisse der gleich- zeitig im Objekt durchgefuhrten weiteren Isotopenuntersuchungen auf der Basis von 3H, 2H, **C und 13C (die die genetischen und altersmaBigen Differenzierungen im Grundwassersystem nachzeichnen) sowie von 23SU/234U (als vorwiegend geochemischer Indikator) sind den Publikationen [3,4] zu entnehmen. Abb. 2. Schematische Lageskizze der Beprobungspunkte gemaB Tab. 1 sowie Storungen und Struktur der pratertiaren Basis 3. Experimentelles Alle Wasserproben wurden Grundwasserbeobachtungsrohren nach Entfer- nung des Stand- und filternahen Wassers bis zur Konstanz von elektrischer Leitfahigkeit und Bikarbonatgehalt entnommen. Strontiumgehaltsbestim- mungen wurden mittels Atomabsorptionsspektrometrie bzw. Rontgenfluores- zenzanalyse durchgefuhrt. Fur die Isotopenanalyse wurden Wasserprobenaliquote von 100 bis 200 ml in QuarzgefaBen bis zur Trockene eingedampft. Der Ruckstand wurde in wenig verdunnter Reinst-HCl gelost. Die Abtrennung des Sr von den ubrigen Kationen erfolgte mittels Ionenaustauscher Wofatit KPS. Bei den Zechstein- proben wurden Aliquote von 250 mg unter Erwarmen mit verdunnter Reinst-HCl gelost und die geloste Fraktion dem Ionenaustauscher zugefuhrt. Die Messungen wurden mit einem computergesteuerten Massenspektro- meter VG ISOMASS 55 durchgefuhrt. Das extrahierte Strontium wurde als Chloridlosung auf ein Tantal-Filament aufgetragen. Die S7Sr/86Sr-Ver- haltnisse wurden auf einen Wert von 8,3782 normalisiert. Kontrollanalysen am NBS 987-Standard fuhrten zu einem Wert von 0,71029 +.2 (n = 10). â¢' v T - ^ 1 - : - ⢠~-^f^^^4--^~^-^L.-//o/V?^'-. : . ⢠. p . ^ - j ⢠. < . - " " -200 GWLGrundwosser- leifer P Permeabilitof AR 4bdampf- SSG SOS - Solzwosser- njcksfond grenze A-0 GW-Sfauer Abb. 1. Schematischer Schnitt durch das Untersuchungsgebiet mit gegenwartiger Geohydrodynamik 596 Isotopenpraxis 26 (1990) 12 D ow nl oa de d by [ U ni ve rs ity o f N or th C ar ol in a] a t 1 8: 39 1 2 N ov em be r 20 14 Trettin u. a.: 87Sc/86Sr-Untersuchungen 4. Ergebnisse Insgesamt wurden 33 Wasserproben auf den Sr-Gehalt und davon 21 auf die Sr-Isotopenzusammensetzung analysiert. Die drei Ge- steinsproben entstammen in der Reihenfolge Gips, Anhydrit und Steinsalz ein und demselben Bohrprofil. Fur alle GW-Proben gilt Rb/Sr < 1. Das insgesamt erfaDte und mittels Sr nur in Auswahl beprobte Gebiet besitzt eine Flachenausdehnung von mehr als 100 km2, so daB selbst bei Konzentration auf die tieferen Horizonte die Belegungsdichte der einzelnen GWL mit Werten gering bleiben muD. Ein Vergleich gemaB Tab. 1 und Abb. 3 zeigt fur den Mine- ralisationsbereich insgesamt und unabhangig von der GWL-Zu- ordnung ein nahezu lineares Anwachsen des Sr-Gehaltes mit wachsendem Abdampfruckstand. Innerhalb von Teilbereichen und insbesondere im Bereich niedriger Mineralisation gibt es jedoch starke Streuungen. Hierin zeigt sich deutlich die Abhangigkeit der chemischen Beschaffenheit des Wassers von der individuellen Ge- schichte (Aufenthaltszeit, FlieBweg, Kontaktgestein, Mischungsvor- gange). Demgegenfiber sind die Proben mit den hochsten Salz- gehalten viel mehr durch ein offensichtlich relativ einheitliches Liefergestein gepragt, wobei die vordem erworbene Individualist iiberdeckt wird. GemaB Abb. 4 lassen sich die gemessenen S7Sr/86Sr-Verhaltnisse in vier Gruppen einteilen. Mit ca. 0,70710 liegen die Werte der drei Zechsteinsalze eng beeinander und auBerhalb des Wertebereiches der Grundwasser. Nach Wedepohl [5] handelt es sich wahrscheinlich urn Salze der Leineserie. Die zweite Gruppe umfaBt die Wasserproben 10 und 44. Beide Proben entstammen der unmittelbaren Nahe des Gipshutes und enthalten herausfallend hohe CaSO4-Anteile. Beide Faktoren weisen auf eine anteilige Herkunft des Losungsinhaltes aus dem Gipshut hin. Dies wird durch die Sr-Isotopendaten bestatigt. Die dritte Gruppe beschreibt die am hochsten mineralisierten Wasser, deren Isotopenverhaltnisse im Bereich um 0,70815 relativ Tab. 1. Einige hydrochemische Daten und Strontiumisotopenverhaltnisse von Grundwassern und Zechsteinsedimenten Probenbezeichnung EP - PR. Nr. - GWL Abdampf- ruck- stand g/1 Sr-Gehalt mg/1 87Sr/86Sr 1 - 45 - Prat. 2 - 74 - Prat. 3 - 83 - Prat. 4 - 46 - V 5 - 77 - V 6 - 18 - V 7 - 24 - V 8 - 61 - V 9 - 57 - IVb 58 - IVa 6 - 2 - IVa 7 - 6 - IVa 10 - 44 - IVa 11 - 4 - IVa 12 - 67 - IVa 13 - 10 - III/IV Ri 14 - 17 - III 1 6 - II 12-70-1 13-11-1 15-63-1 16,7 29,1 23,7 24,5 26,5 24,2 23,8 0,63 5,9 0,72 0,4 0,92 9,9 0,7 0,53 4,8 2,62 0,88 0,21 0,34 9,4 23,8 29,1 20,1 23,3 _ 25,0 20,5 0,94 7,1 1,36 0,92 2,6 4,51 0,92 1,37 2,1 3,5 0,5 0,32 0,16 7,0 0,70829 0,70824 0,70814 0,70802 0,70819 0,70821 0,70813 0,70933 0,70834 0,70855 0,70893 0,70879 0,70775 0,70835 0,70857 0,70761 0,70883 0,70928 0,70975 0,70972 0,70890 ±10 9 7 9 10 4 13 10 11 8 15 20 10 22 11 20 14 19 10 13 11 10 Gips Anhydrit Steinsalz 922 ppm 445 16 0,70709 + 10 0,70712 + 12 0,70710 + 10 Mittleres Ozeanwasser [1] 0,70907 4 Kontinentaler AbfluB [2] 0,711 EP = Entnahmeposition gemaB Abb. 2 + Angaben sind 25-FehIer bezogen auf die letzten Dezimalen 100 10 1 ⢠0.1 Sr mg/l y XT 0 y^ *° / y ° / * * / Y / X y ^ % / y * / /° oY / ' GWL 1 Y 2.3 * 4 o 5,Pra. ⢠, AR q/l 0.1 10 100 Abb. 3. Sr-Gehalt und Abdampfruckstand AR im Grundwasser des Unter- suchungsgebietes eng beieinanderliegen. Dieses Verhalten bestatigt die These von der relativ einheitlichen Quelle der hoheren Salzgehalte. Gleichzeitig wird jedoch offensichtlich, daB diese Quelle nicht in der Ablaugung aufgepreBter Zechsteinsalze vom Leinetyp oder friiherer Folgen gesucht werden darf. Dies wiederum spricht fur eine Einspeisung von Wasser aus dem Bereich mesozoischer Gesteine in den GWL V. Aus Griinden der Verteilungsmuster der Mineralisation und der geologischen Befunde kommen als Zustrombereiche hierfiir insbe- sondere Liassande in Frage. Die vierte Gruppe umfaBt alle iibrigen Grundwasser mit Werten im Bereich zwischen etwa 0,7083 und 0,7098. Dabei finden sich in 0.710 0.709 ⢠87CSr 86Sr ( -R) 0.708 0.707 Y 70 \Y 61 2 \ 6 7 â 63 eH Y \ ^ ^ o ^ ⢠" " - - â . Zechstein 1 2 5 â¢IB GWL Y 3 X 0 ,Pr-a ⢠45 t^83 â¢46 0.1 40 Srimgll) Abb. 4. Zusammenhang zwischen Sr-87/Sr-86-Verhaltnis und Sr-Gehalt der GW-Proben aus Tab. 1 (M bezeichnet eine Kurve fur die Mischung von zwei Wassertypen A und B zu einer Probe P gemaB A: Sr(A) = 0,3 ppm, R(A) = 0,70975 B: Sr(B) = 23 ppm, R(B) = 0,70815) . Isotopenpraxis 26 (1990) 12 597 D ow nl oa de d by [ U ni ve rs ity o f N or th C ar ol in a] a t 1 8: 39 1 2 N ov em be r 20 14 Zheng et al.: Whole-Rock U-Pb Dating gcring mineralisierten und Sr-armen Bereichen des GWL I die hochsten Werte, wahrend fiir die mittleren GWL bedeutende Streuungen auftreten. Voll aus der Teufen- bzw. GWL-Zuordnung fallt Probe 61 wie bei anderen Parametern auch bei Sr heraus. Wahrscheinlich liegt ein Zuordnungsfehler vor. Zur Diskussion der Gruppe IV wurde in die Graphik eine Zweikomponentenmi- schungslinie eingezeichnet. Die unbefriedigende Obereinstimmung mit dieser Kurve kommt nicht unerwartet, vernachlassigt ein solcher Ansatz doch von vornherein sowohl einen seitlichen ZufluB aus den angrenzenden Gebieten insbesondere im Bereich des GWL IVa, die mogliche Heterogenitat im Sr-Isotopenverhaltnis im Aquifergestein des groDflachig gespeisten und ungeniigend belegten GWL I als auch den Zeiteffekt, also auch Losungsvorgange in den GWL II bis IV. Tatsachlich wurden fiir die be'iden Proben 17 und 63 besonders niedrige Radiokohlenstoffgehalte gemessen, so daB angesichts ver- gleichbarer l3C-Werte auch von hohen Aufenthaltszeiten ausge- gangen werden muB. Insgesamt laBt sich anhand der vorhandenen Sr-Daten nicht schlussig beweisen, inwieweit tatsachlich Wasser vom Typ des GWL V/Pra. fiir die Hydrochemie der Hangend-GWL mitverantwortlich ist. Sie sind jedoch ahnlich anderen hydrochemischen Parametern mit dem Konzept eincs durch lokale Effekte iiberlagerten Mi- schungssansatzes vertraglich. Der Befund insbesondere bei I4C liefert jedoch im Vergleich der Daten fiir die GWL IVb und V vollig andere Mischungsverhaltnisse, so daB davon ausgegangen wird, daB es sich nicht um eine noch heute anhaltende Zumischung, sondern um eine Palaosituation handelt. 5. SchluBfolgerungen Die erhaltenen Strontiumisotopendaten und -gehalte von Grund- wasserproben aus einem ausschnittsweise beprobten komplizierten kanozoischen Lockergesteinssystem waren trotz relativ geringer Wertezahl klassifizierbar. Sie lieBen sich im Mittel gut in das Erkenntnisbild einordnen. Eine Interpretation von Einzeldaten verlangte i.a. die Einordnung in ein umfassenderes Kenntnisbild und eine Obersicht fiber die grundsatzlichen Sr-Variationen. In bezug auf die EinfluBnahme von Ablaugungsprodukten eines im Untersuchungsgebiet vorkommenden Zechsteindiapires auf den Chemismus des Grundwassers konnten unikale Aussagen getroffen werden. Eingegangen am 28. 3. 1990 Literatur [1] W. H. Burke, R. E. Denison, E. A. 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Zheng*) University of Gottingen, Geochemical Institute, Goldschmidtstr. 1, D-3400 Gottingen, Federal Republic of Germany H-F. Zhou Tianjing Institute of Geology and Mineral Resources, Tianjing, People's Republic of China B. Huang Guilin Institute of Mineral Resources and Geology, Guilin, People's Republic of China Black shale and enclosed limestone lenticule from Lower Cambrian Shuijingtuo Formation in the Yangtze Gorge is successfully dated by iihole-rock U-Pb method. The results yield a concordant age of about 573 + 14 Ma, in excellent agreement with both stratigraphic andpalaeontologic evidence. The whole-rock U-Pb method can provide a reliable approachfor age determination ofsedimentary stratum. Scliwarzschiefer unddarin eingeschlossene kleinere Linsen von Kalkstein aus der unteren Kambrian Shuijingtuo Formation der Yangtze Schlucht wurde durch die Gesamtgesteins-U-Pb-Methode erfolgreich datiert. Die Ergebnisse zeigen ein Konkordanzalter von ungefdhr 573 + 14 Ma, was ausgezeichnet mit der Datierung nach der stratigraphischen und palaontogischen Methode ubereinstimmt. Die Gesamtgesteins-U-Pb-Methode liefert eine verlafiliche Aussage der Altersdatierung von sedimentaren Gesteinsschichten. Keywords age estimation; carbonate minerals; china; geologic strata; isotope dating; lead isotopes; limestone; paleontology; shales; sedimentary rocks; stratigraph; uranium Fine-grained detrital sedimentary rocks, such as shale, can have been dated by whole-rock Rb-Sr method [1â4]. The dating of *) Author to whom correspondence should be addressed sedimentary carbonates using the whole-rock Pb-Pb method has recently been reported [5 â 6]. The usefulness of dating sedimentary rocks by the zircon U-Pb method has been known for some time [7 â 8]. Difficulties, however, have been encountered in applying the 598 Isotopenpraxis 26 (1990) 12 D ow nl oa de d by [ U ni ve rs ity o f N or th C ar ol in a] a t 1 8: 39 1 2 N ov em be r 20 14
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