Kluft-Matrix-Interaktion als bedeutendes Merkmal des Stofftransportes im karbonatisch gebundenen Luxemburger Sandstein

<jats:title>Zusammenfassung</jats:title><jats:p>Der Luxemburger Sandstein ist eine kalkgebundene Sandsteinfazies, die sich während des frühen Jura auf einem flachmarinen Schelf abgelagert hat. Mit seinem ausgezeichneten Porenanteil bildet er das wichtigste Grundwasservorkommen Luxemburgs, besitzt durch seine Klüfte und deren Bedeutung für den Grundwassertransport jedoch einen komplexen Stofftransport. Diese Arbeit untersucht mithilfe von Laborexperimenten die Kluft-Matrix-Interaktion und ihre Auswirkung auf den Stofftransport im oberflächennahen Aquifer. An Bohrkernen und frisch gebrochenem Material aus einem Steinbruch werden Matrixparameter wie Porenvolumen, effektiver Diffusionskoeffizient, Durchlässigkeitsbeiwert und Porendurchmesser ermittelt. Der Stofftransport und die Interaktion der Matrix mit den Klüften als vorrangigem Transportweg werden in einem Einzelkluftversuch im Labormaßstab mit Tracerversuchen untersucht. Der Stoffaustrag lässt sich auf die Rückdiffusion aus der Matrix in das Kluftwasser, die Durchströmung poröser Matrix-Kluft-Randzonen sowie der Kluft selbst zurückführen.</jats:p>

section_content: sche Einheit, Ma auf einem flachmarinen Schelf subtidal abgelagert worden ist (Dittrich 1984; Colbach 2005). Ein markantes Merkmal ist der karbonatische Zement, der aus Bioklasten entstanden ist. Er hat eine bimodale Verteilung mit Gehalten von 10-20 % und 35-60 % und kann in extremen Fällen bis zu 90 % betragen (Colbach 2005; Kausch und Maquil 2018). Der Luxemburger Sandstein ist dann mit einem sehr dichten Kalkstein vergleichbar, wodurch es zu sehr geringdurchlässigen Gesteinsabschnitten kommen kann. Die mittlere effektive Porosität der Gesteinseinheit liegt bei 10 % wobei etwa 1 % auf die Klüfte entfällt, welche die Hauptwegsamkeiten des Grundwassers darstellen (Colbach 2005). Die Klüfte besitzen zwei Vorzugsrichtungen, die aufgrund der tektonischen Geschichte hauptsächlich in die Richtungen SW-NE und NW-SE streichen und abschnittsweise nahezu im rechten Winkel zueinander liegen können (Schubert 2015; Thielen 2017). Hydrogeologisch und wasserwirtschaftlich ist der seichte Luxemburger Sandstein im zentralen Luxemburg mit zahlreichen Quellaustritten und Quellfassungen vom tiefen, gespannten und nur durch Bohrungen und Brunnen erschlossenen Abschnitt im SW des Landes zu unterscheiden. Erster ist Gegenstand unserer Untersuchungen. 

Die Natur des Aquifers erschwert die korrekte Eingrenzung von Schutzzonen sowie die Lokalisierung und etwaige Beseitigung von Grundwassergefährdungen und insbesondere ubiquitären Stoffeinträgen. Aus diesem Grund werden Tracerversuche genutzt, um die Einzugsgebiete der Grundwassergewinnungsanlagen zu bestimmen. Dabei sind häufig sehr geringe Wiederfindungsraten festzustellen. Meus und Willems (2021) berichten von einer durchschnittlichen Wiederfindungsrate von immerhin 26 %. Dieser Wert ist nach eigenen Versuchen sehr hoch, und zum Teil beträgt die Wiederfindung nur wenige Promille. Bei einer beispielhaften Untersuchung wurden über zwei Versickerungsbereichen auf der Hochfläche des Luxemburger Sandsteins die ein bis drei Meter mächtigen Bodenschichten abgetragen und offene Klüfte freigelegt, in die Farbtracer (2 kg Uranin und 6 kg Eosin) mit Nachspülungen von 1 bzw. 3 m 3 eingeleitet wurden. Am von den Einleitorten 350-800 m entfernten Beprobungsort -eine Quellstube -traten die Tracer nach ca. 14 h erstmals mit Maximalgeschwindigkeiten von 23 bzw. 60 m h -1 auf. Der weitere, über rund 5 Monate erfasste Traceraustrag war an Regenereignisse gebunden, und insgesamt wurde weniger als ein Promille der Eingabemassen wiedererhalten. Ähnliches wurde auch für den Transport von Mikroorganismen beobachtet. 2012 ) ist die Größe der Versuchskörper bei der Diffusion ein entscheidender Einflussfaktor, wodurch sogar jene Experimente, welche die Diffusion berücksichtigen, mit den genutzten Kernproben aufgrund der Randbedingungen an Grenzen der Vergleichbarkeit zu den realen Bedingungen stoßen. 

Um diesen Prozess besser zu verstehen und in künftigen numerischen Modellierungen einfließen zu lassen, wurden anhand zahlreicher Untersuchungen am Probengestein sowie einem Versuch an einer Einzelkluft die natürlichen Verhältnisse im Labormaßstab nachgestellt und ausgewertet.

section_content: Die Labor-und Auswertungsarbeiten fanden am Lehrstuhl für Ingenieur-und Hydrogeologie der RWTH Aachen University statt. Die Laborversuche wurden an einer, für den seichten Luxemburger Sandstein repräsentativen Gesteinsprobe durchgeführt, welche eine gute Festigkeit und gleichzeitig eine gute Porosität besitzt. Die Eigenschaften dieses Gesteines werden detailliert untersucht, um das Zusammenspiel zwischen Matrix und Kluft besser zu verstehen. Ebenfalls sollen diese ermittelten Parameter in zukünftige Arbeiten bei der Modellierung des Stofftransportes zwischen Matrix und Kluft einfließen.
section_name: Methodik

section_content: Das für die Versuche ausgesuchte Gestein stammt aus einem Steinbruch nahe der Ortschaft Ernzen (Zentral Luxemburg) und ist repräsentativ für den seichten Luxemburger K Sandstein. In tieferen, anoxischen Bereichen besitzt der Sandstein eine bläuliche Färbung und einen nicht quantifizierten Pyritgehalt (Colbach 2005), wohingegen das genutzte Gestein und der betrachtete Bereich bereits einer stark vorangeschrittene Pyritverwitterung unterliegen. Das Gestein besitzt entsprechend eine gelblich-weiße Farbe. 

Die Kornverteilung ist gleichmäßig mit einer durchschnittlichen Korngröße von circa 0,2 bis 0,4 mm, ohne jegliche Einschlüsse oder Hohlräume. Aus einer Charge an Gestein wurde ein Block mit den Maßen 30 × 30 × 20 cm zugeschnitten und an der kurzen Achse, entlang der natürlichen Schichtung, in der Mitte gebrochen. Die so entstandene Kluft hat pro Gesteinshälfte eine planare Kontaktfläche von 900 cm 2. Ebenfalls ist die mögliche Eindringtiefe an jedem Punkt der Kluftoberfläche identisch, sodass Randeffekte im gleichen Maße auftreten und, unabhängig der präferenziellen Fließwege innerhalb der Kluft, alle Flächen den gleichen Bedingungen unterliegen. Im Vergleich zu Bohrkernproben liegt somit eine wesentlich größere Kontaktfläche und ein größeres Matrixvolumen vor, sodass eine bessere Annäherung an die Geländesituation besteht und zugleich die Vorteile von gut einstellbaren und dokumentierbaren Laborexperimenten bewahrt bleiben. Aus weiteren Abschnitten der gewählten Charge wurden Kerne ausgebohrt, welche für die Bestimmung der Matrixparameter genutzt wurden. 

Eine besondere Herausforderung für hydraulische Versuche am Luxemburger Sandstein ist die hohe Löslichkeit des calcitischen Zements, die Versuchsergebnisse stark beeinflussen kann. Um der Lösung des calcitischen Zements entgegenzuwirken, wurde ein synthetisches Grundwasser verwendet, welches sich rechnerisch im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet. Es lagen diverse Grundwasserzusammensetzungen aus Quellen und Bohrungen vor, welche jedoch stark von der jeweiligen örtlichen Situation abhängig sind und nur bedingt als Grundlage für eine eigene Mischung verwendet werden können. Daher wurde vor den eigenen Versuchen Gestein der verwendeten Charge in Wasser gelagert und bei Labortemperatur über mehrere Monate ruhen gelassen. Unter der Annahme, dass nach dieser Zeitspanne keine Reaktion zwischen Wasser und Gestein mehr auftritt und das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht erreicht ist, wurde das Wasser analysiert und diese Werte als Ausgangszusammensetzung für die Berechnung eines synthetischen Wassers mit PhreeqC verwendet. Das synthetische Grundwasser wurde dann aus Reinstwasser und der berechneten Menge von Calciumchlorid-Dihydrat und Natriumhydrogencarbonat hergestellt. Weitere Ionen wurden nicht hinzugefügt, da diese für das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht keine oder eine sehr untergeordnete Rolle spielen. 

Um dem Wachstum von Mikroorganismen entgegenzuwirken, wurde das Gestein vor dem Einbau in den jewei-ligen Versuchsaufbau über mehrere Tage in einem Trockenofen bei 80 °C gelagert. Eine höhere Temperatur wurde vermieden, da nicht auszuschließen ist, dass bei der Verdampfung des eingeschlossenen Wassers das Gestein Risse bekommen würde. Zusätzlich wurde beim Einzelkluftversuch eine UV-Lampe im Zulauf platziert, um das Wasser vor Eintritt in den Versuch zu sterilisieren. Die Versuchszeiten wurden so geplant, dass einer Bildung von Mikroorganismen durch lange Standzeiten entgegengewirkt wurde. Bakterizide, wie z. B. Natriumazid, beeinflussten bei Testläufen den pH-Wert des Wassers erheblich, wodurch das Kalk-Kohlensäure Gleichgewicht verändert wurde, oder erbrachten nur kurzzeitig eine wachstumshemmende Wirkung. Auf den Einsatz solcher Stoffe wurde daher bei den späteren Untersuchungen vollständig verzichtet. Um einer vorzeitigen Bildung von Biofilmen auf der Gesteinsoberfläche entgegenzuwirken, wurden die Gesteinshälften und Kerne nicht im Versuchsaufbau, sondern in einer Unterdruckkammer im Vorfeld des Einbaus gesättigt. 

Als Tracerstoff wurde Bromid verwendet, da dieser chemisch, biologisch und zeitlich stabil ist (Leibundgut et al. 2009), leicht messbar ist und im Gegensatz zu z. B. Uranin nicht von Mikroorganismen verwertet werden kann. Außerdem wird Bromid nicht durch UV-Strahlung zerstört, wodurch das Versuchswasser ohne Problem an der oben genannten UV-Lampe vorbeigeführt werden kann. Hydratisiertes Bromid hat einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,66 nm für die erste hydratisierte Schicht (D'Angelo et al. 2010). Es ist damit nur wenig größer als das Wassermolekül und klein genug für den Transport in den Poren des Sandsteins (s. unten). Entsprechend beziehen sich alle ermittelten, für den Stofftransport relevanten Parameter auf den genutzten Bromidtracer.
section_name: Materialwahl

section_content: Der Kalkgehalt des Gesteins wurde mittels gasometrischer Messung an einer Scheibler Apparatur nach DIN 18129 analysiert. Dazu wurden Bruchstücke in einem Mörser zerkleinert, bis sich ein einheitliches Pulver ergab. Dieses Pulver wurde anschließend für die Karbonatbestimmung genutzt. 

Zur Ermittlung der Porosität wurden Versuchskerne mittels Helium-Gaspyknometrie und der archimedischen Dichtebestimmung untersucht. Beide Versuche ermitteln die reine Matrixdichte und über die Differenz zur Gesamtdichte kann der Anteil des Hohlraumes bestimmt werden. 

Porendurchmesser wurden mittels Wicking-Versuch an einem Tensiometer durch die Gewichtszunahme eines Versuchskerns, welcher mit einem Ende in Cyclohexan eingetaucht wurde, über die Zeit ermittelt. Stellt man die Gleichung nach Weber und Stanjek (2012) nach dem Poren- Bei der hydrochemischen Untersuchung wird das Vorratsbecken erheblich verkleinert, um das benötigte Volumen zu minimieren und somit Veränderungen im Chemismus deutlicher erkennen zu können. Aufgrund der Größe des Versuchs und den damit einhergehenden hohen Durchflüssen sowie der Unabdingbarkeit synthetisches Grundwasser zu nutzen, werden die Versuchswässer im Kreislauf geführt. Dies wird bei den Auswertungen berücksichtigt und senkt zusätzlich das Risiko, Lösungseffekte in der Kluft auftreten zu lassen, da das genutzte Wasser nicht immer neu ins Gleichgewicht gelangen muss. 

Die Gesteinskerne werden für die hydraulischen Versuche mit dem gleichen synthetischen Wasser gesättigt, welches auch für den Durchfluss im Einzelkluftversuch verwendet wird, während für den hydrochemischen Versuch zusätzlich Natriumbromid in die Lösung gegeben wird.
section_name: Bestimmung von Gesteinseigenschaften

section_content: Aus den Untersuchungen an Kernproben gehen die in Tab. 1 aufgeführten Ergebnisse hervor. Der Kalkgehalt von rund 13 Gew. -% befindet sich im unteren Bereich publizierter Werte (Colbach 2005). Sowohl die Messung anhand der archimedischen Dichte als auch über die Gaspyknometrie ergeben vergleichbare Porositäten um 20 %. Bei der archimedischen Dichtebestimmung wurde mit Wasser gearbeitet, wodurch einige Poren und Endporen möglicherweise nicht erfasst wurden und dadurch ein leicht kleinerer Porenanteil als bei der Messung mit Helium festzustellen ist. Colbach (2005) Anhand von drei Versuchskernen, die drei senkrecht zueinanderstehenden Raumrichtungen entsprechen, wurde der mittlere effektive Diffusionskoeffizient von 4,4 10 -11 ± 0,8 10 -12 m 2 /s bestimmt (s. Tab. 1). Die Unterschiede zwischen den Experimenten in drei Raumrichtungen betragen rund 20 %. Entsprechend wird angenommen, dass das untersuchte Gestein isotrop bezüglich der Diffusionsprozesse ist. Der ermittelte Wert des effektiven Diffusionskoeffizienten liegt in der erwarteten Größenordnung für einen Sandstein, z. B. nach Boving und Grathwohl (2001). 

Nach dem Erfassen der wichtigsten Parameter der Matrix verbleibt der Einfluss der Kluft auf den hydrochemischen Transport als Untersuchungsziel. Es soll ermittelt werden, inwiefern eine Rückdiffusion in die Kluft stattfindet und ob diese zu den markanten Konzentrationspeaks führen kann, welche in den eingangs beschriebenen Geländeversuchen auftreten können. 

Die hydraulische Untersuchung der Kluft ergab bei einem hydraulischen Gradienten von 0,43 einen Durchfluss von 47 ml/min. Über das Cubic Law (z. B. Lomize 1951, Witherspoon et al. 1980) Da der erste Durchlauf keine sichere Angabe über die Stop-Dauer besitzt, wird für diesen keine Auswertung vorgenommen. 

Aufgrund der Geometrie der Kluft und der damit verbundenen präferenziellen Fließwege, wird nicht die gesamte Kluftfläche durchströmt, und der ermittelte Wert gibt nur einen Mittelwert über die planare Fläche wieder. 

Durch den leichten Anstieg der Basiskurve bei jedem Flow-Versuch, zeigt sich ein zusätzlicher Austrag von Bromid, der anhand der Start-und Endkonzentrationen bestimmt werden kann. Vergleicht man in Tab. 2 die beobachteten Frachtausträge mit den rechnerisch bestimmten Zeiten, die eine reine Diffusion (berechnet mittels des an Kernen bestimmten effektiven Diffusionskoeffizienten) benötigen würde, zeigt sich, dass der Austrag aus der Matrix in die Kluft für die Stop-Dauer über Diffusion möglich ist, jedoch die Flow-Dauer unzureichend ist. 

Es ist entsprechend anzunehmen, dass der Matrixbereich im Umfeld der Kluft bei auftretender Strömung ebenfalls durchflossen wird und mit einer schnellen Komponente zusätzlich zum Austrag von Bromid beiträgt. Zum Erreichen der ausgewaschenen Bromidmasse, muss zusätzlich zur Kluft ein Matrixbereich von 0,7 cm je Kluftseite durchströmt werden. Dies unter der Annahme einer homogenen Konzentrations-und Porenraumverteilung in der Matrix. Für den Stofftransport im Luxemburger Sandstein ist demnach nicht der reine Transport in der Kluft sowie/oder der Matrix verantwortlich, sondern ebenfalls eine Mischform durch die Durchströmung des Randbereiches zwischen Gesteinsmatrix und den Klüften. Der im Feld beobachtete peakartige Stoffaustrag lässt sich demnach auf das Zusammenspiel zwischen Rückdiffusion aus der Matrix in das Kluftwasser während vorherigen, strömungsschwachen Phasen und die Durchströmung poröser Matrix-Kluft-Randzonen unmittelbar während strömungsintensiven Phasen zurückführen.
section_name: Ergebnisse und Diskussion

section_name: Ausblick

section_content: Hinweis des Verlags Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.