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Timestamp: 2020-08-03 11:21:38
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Endfassung - Onlinekonsultation - Ausschlusskriterium Grundwasseralter.pdf (Größe: 264,79 KB / Downloads: 177)
11.06.2020, 09:34 (Dieser Beitrag wurde zuletzt bearbeitet: 11.06.2020, 10:12 von bge_moderator.)
Hier noch ein Nachtrag zum "Grundwasseralter". Wir haben über die privaten Nachrichten im Forum noch eine Anfrage erhalten. Diese und natürlich auch unsere Antwort veröffentlichen wir hier:
Sehr geehrtes BGE-Team,
auch für Ihren Text zum Grundwasseralter zunächst einmal ein großes Lob! Es ist sehr erfreulich, dass Sie hier den Versuch unternehmen, die Grundlagen Ihrer Arbeit verständlich zu machen und ergebnisoffen zur Diskussion zu stellen.
Auch dieser Text gibt allerdings Anlass zu einigen Rückfragen. Zunächst geben Sie zwar eine verständliche und nachvollziehbare Definition von Grundwasser, Aquifer und Aquitard (wobei allerdings schon hier unklar bleibt, welche Rolle dabei die Erwähnung von Schwerkraft und Reibungskräften spielt, bzw. von welchen anderen Wässern das Grundwasser dadurch abgegrenzt werden soll). Weniger nachvollziehbar ist die folgende Definition des Grundwasser-Alters: Im Wesentlich wird das Alter als Zeitraum seit der "Neubildung" definiert - aber diese Neubildung ihrerseits wird in keiner Weise definiert. Soll darunter die Synthese von H2O, also die chemische Bildung von Wasser-Molekülen aus H- und O-Atomen, verstanden werden? Oder das Zusammenfließen des Grundwasser-Körpers in unterirdischen Hohlräumen, seine Durchmischung und Zusammenführung aus unterschiedlichen Quellen? Oder der letzte Kontakt mit der Oberfläche bzw. der Erdatmosphäre? Oder gar die Kondensation aus Wasserdampf bzw. der Niederschlag aus der Atmosphäre? Das bleibt hier leider unklar - könnte aber einen großen Unterschied machen. Die Definition sollte im Interesse der Eindeutigkeit und Verständlichkeit entsprechend ergänzt werden.
Danach wird im Wesentlichen erläutert, dass das Alter mit radiochemischen Datierungsmethoden bestimmbar ist, und dabei vor allem die Isotope 3H und 14C eine Rolle spielen. Unklar bleibt hier: Reicht das aus, um alle relevanten Zeitskalen abzudecken und erfassen zu können? Müssen nicht noch weitere Isotope einbezogen werden, um die gesamte interessierende Bandbreite möglicher Zeiträume abzudecken? Wenn 14C ein Alter von max. 30.000 Jahren bestimmen lässt - wie können dann noch größere Alter bestimmt werden? Wenn ein Endlager Sicherheit für 1 Mio. Jahre in der Zukunft erwarten lassen soll - müsste man sich dann nicht zunächst überzeugen, dass der Abfall dort für einen ebensolchen Zeitraum in der Vergangenheit sicher gewesen wäre? Wenn die 14C-Methode nur bis max. 30.000 Jahre zurückreicht - wie werden dann die 970.000 weiteren Jahre abgedeckt, die dabei noch offen bleiben? Bieten sich dazu andere Isotope an? Wenn nein, gibt es überhaupt irgendeine Möglichkeit, dazu belastbare Aussagen zu machen?
Und umgekehrt: Wann das kurzlebigere Tritium nur Aussagen bis ca. 50 Jahre in die Vergangenheit erlaubt - gibt es dann einen nahtlosen Anschluss an 14C-datierbare Zeiträume? Oder tut sich eine Datierungs-Lücke im dreistelligen Jahreszahlen-Bereich auf, weil mit 14C etwa nur Alter im vier- bis fünfstelligen Bereich seriös bestimmbar sind? Kann die Lücke mit anderen Methoden geschlossen werden - oder kann bzw. muss man sie offen klaffen lassen?
Wie genau sind generell die Datierungs-Ergebnisse, bzw. mit welchem Unsicherheits-Intervall sind sie behaftet? Um etwa ein Alter per 14C-Methode zu bestimmen, wird die BGE wohl das Verhältnis der beiden Isotope 12C und 14C in dem im Grundwasser enthaltenen Kohlenstoff untersuchen müssen. Der natürliche Anteil an 14C in der Atmosphäre liegt im Bereich von Milliardstel bis Billionstel; bei älteren Proben nimmt er dank radioaktivem Zerfall weiter ab. Muss nicht die zu untersuchende Menge an Kohlenstoff dann schon relativ groß sein, um überhaupt eine realistische Chance zu haben, auch nur ein paar 14C-Atome zu finden? Wieviel Kohlenstoff ist umgekehrt im Grundwasser überhaupt zu erwarten? Organische Stoffe dürften darin nur spärlich vorhanden sein; geht es also vor allem um Carbonate? Was folgt daraus für die erreichbare Präzision der Messungen, welcher instrumentelle Aufwand ist zu betreiben, welche unvermeidliche Unsicherheit wird den Ergebnissen dennoch zuzuschreiben sein? All das würde man hier gerne erfahren.
Idealerweise sollten Sie auch noch mehr zu den Hintergründen und Annahmen der Modelle sagen, die der Messmethode zugrunde liegen: Offenbar setzt die Methode ja voraus, dass sich in der Atmosphäre ein Gleichgewicht zwischen 12C und 14C bildet, dass der Anteil an 14C nach dem Abschluss von der Atmosphäre aber nur noch abnehmen kann. Ist das so? Gibt es im Untergrund keinerlei denkbaren Prozess zur Neubildung von 14C? Gibt es etwa keine mögliche Form von kosmischer Strahlung, die auch ins Erdinnere eindringen kann?
Und: War der Anteil an 14C in der Erdatmospähre in der Vergangenheit konstant, oder muss man für verschiedene Grundwasseralter noch verschiedene "Startpunkte" bzw. Anfangskonzentrationen im Laufe der Erdgeschichte in Rechnung stellen?
Schließlich: Sie erwähnen die Kernwaffenversuche und die dabei freigesetzten Isotopen-Mengen. Welche Rolle spielt das bei der Bestimmung des Grundwasseralters in der Praxis? Zweifellos wird man feststellen können, wenn ein Grundwasser erst in der Zeit dieser Versuche (also vor 50 - 70 Jahren) bzw. danach gebildet wurde. Dann aber wird es für die Standortsuche ohnehin schnell aussortiert werden. Für alle anderen Grundwässer, bei denen zumindest Hoffnung auf ein größeres Alter besteht, scheinen die Kernwaffenversuche für die Altersbestimmung kaum hilfreich - wenn aber doch, sollten Sie dies bitte noch genauer erläutern.
Konkret: Angenommen, von einem bestimmten Grundwasser wäre bereits klar, dass es mindestens Jahrtausende alt ist - aber bisher ungeklärt, ob die Zeitraum seiner "Neubildung" entweder 100.000 oder eher 10.000.000 Jahre in der Vergangenheit liegt. Können Sie hier darstellen, wie (und mit welchen verbleibenden Unsicherheiten) diese Frage auf Grundlage welcher Isotopen-Methoden zu beantworten wäre?
All dies, und sicher Weiteres, könnten Sie hier erläutern. Jedenfalls würden Sie, wenn Sie all dies für die interessierte Öffentlichkeit verständlich aufbereiten, sich große Verdienste erwerben!
vielen Dank für die vielen interessanten Nachfragen, für deren Bearbeitung wir diesmal etwas länger gebraucht haben.
Die Ausschlussmethodik der BGE für das Ausschlusskriterium „Grundwasseralter“ sieht einen punktuellen Ausschluss vor, wenn Vorkommen von Tritium (3H) und/oder Kohlenstoff-14 (14C) im endlagerrelevanten Tiefenbereichen (300 m – 1500 m) nachgewiesen sind (siehe dazu auch unseren Absatz „Welche Isotope sind für die Standortsuche relevant?“ im Methodensteckbrief sowie die dort zitierte Begründung des StandAG). Ein Ausschluss erfolgt in diesem Verfahrensschritt nicht auf Basis einer Datierung, sondern einzig anhand einer nachgewiesenen Menge von 3H und/oder 14C.
Daher sind in der aktuellen Phase nicht Datierungsmodelle der kritische Faktor, sondern Nachweisgrenzen. Maßgeblich ist die Tatsache, dass 3H und 14C kurze Halbwertszeiten haben und atmosphärischen Ursprungs sind. Ein Nachweis im Grundwasser ist damit ein Beleg dafür, dass der entsprechende Bereich im Untergrund über verhältnismäßig gut durchlässige Schichten eine Verbindung zur Oberfläche aufweist. Dies ist aus Sicht des langzeitsicheren Verschlusses der Radionuklide zu vermeiden.
Die untertägige Produktion des Isotops ist für 14C vernachlässigbar gering und wird bei der Auswertung nicht korrigiert (IAEA, 2001). Ein nicht atmosphärisch gebildeter Anteil des 3H wird ebenfalls nicht in Betracht gezogen.
In der aktuellen Phase des Standortauswahlverfahrens werden die Konzentrationen von 3H und/oder 14C nicht von der BGE selbst ermittelt, sondern im Rahmen von Datenabfragen durch die Staatlichen Geologischen Dienste bereitgestellt.
Die Messungenauigkeiten der 3H- und 14C-Gehalte in den analysierten Wässern variieren je nach Alter und Art der Messmethode. Zur Anwendung der Ausschlussmethodik wurden - falls in den an die BGE übergebenen Daten nicht angegeben oder anderweitig kenntlich gemacht - als Nachweisgrenzen, also den Werten, ab denen eine Probe als frei von 3H bzw. 14C bezeichnet werden kann, etablierter Analytik folgend 0,5 TU („Tritium Units“) für 3H und 1 % modern (pMC, „percent modern carbon“) für 14C angenommen (Griffault et al., 2003).
Zur Beantwortung Ihrer weiteren Fragen haben wir Themenschwerpunkte erstellt, die wir im Nachfolgenden nutzen, um unsere Antworten zu strukturieren.
Definition Grundwasseralter
Sie schreiben völlig richtig, dass das Grundwasseralter als der Zeitraum seit der Grundwasserneubildung definiert ist. Der Begriff der „Grundwasserneubildung“ ist in der DIN 4049-3 (Hydrologie –Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie) aus dem Jahre 1994 einzig und allein als „[…] der Zugang von infiltriertem Wasser durch den Sickerraum zum Grundwasser […]“ definiert.
Um die Definition des Begriffs „Grundwasserneubildung“ durch das Deutsche Institut für Normung besser zu verstehen, sei im Folgenden zusätzlich eine Erklärung des „infiltrierten Wassers“ sowie des „Sickerraums“ gegeben.
„Infiltriertes Wasser“: Der Begriff der „Infiltration“ stammt aus dem Lateinischen („infiltro“ = „einsickern“). Demzufolge ist das „infiltrierte Wasser“ ebenjenes Fluid, das durch den gravitativen Prozess der Versickerung durch die ungesättigte Zone (Bodenkörper oberhalb der Grundwasseroberfläche, auch als vadose Zone bezeichnet) in die gesättigte Zone (vollständig mit Wasser gefüllter Bodenkörper, phreatische Zone) gelangt. Den „Sickerraum“ bildet dabei die ungesättigte Zone selbst, die neben unterschiedlich gebundenem Wasser (z.B. Kapillarwasser, Adsorptionswasser, ...) freiem Wasser und Luft auch organische sowie anorganische Substanzen enthält.
Der Prozess der „Grundwasserneubildung“ ist demzufolge die „Übertretung“ der Grenze zwischen ungesättigter und gesättigter Zone (der Grundwasseroberfläche) im obersten Gebirgsstockwerk durch das versickernde Wasser, sodass lediglich eine Umbenennung des Wassers von bspw. „Sickerwasser“ in „Grundwasser“ erfolgt, jedoch keine Zustandsveränderung oder chemische Produktion des Moleküls H2O.
Die mittleren jährlichen Grundwasserneubildungswerte sind im Internet über das Geoportal der Bundesanstalt für Gewässerkunde im Hydrologischen Atlas Deutschlands (Hrg.: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit) für ganz Deutschland nachzuschlagen.
Sie verweisen völlig richtig auf die vergleichsweise kurzen Zeiträume (Jahrzehnte bis wenige Jahrtausende), die durch einen Nachweis der Konzentrationen von 3H oder 14C berücksichtigt werden. Dadurch wird nur ein geringer Teil des für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle relevanten Zeitraums von einer Million Jahre abgedeckt. Daher ist die Nichterfüllung des Ausschlusskriteriums „Grundwasseralter“ (im Sinne keiner nachgewiesenen Konzentration von 3H oder 14C) nicht als Beleg für ein ausreichend hohes Grundwasseralter zu verstehen (siehe bspw. AkEnd, 2002).
Unabhängig der Vorgehensweise der BGE und den Zeitskalen, die durch das Ausschlusskriterium „Grundwasseralter“ abgedeckt sind, möchten wir im Folgenden dennoch auf einige Aspekte im Zusammenhang mit der Grundwasserdatierung eingehen: Die Ungenauigkeit der Grundwasserdatierung nimmt nach Clark (2015) mit steigendem Grundwasseralter zu, was auf hydrologische Prozesse wie beispielsweise Dispersion, hydrodynamische Vermischung und Diffusion zurückzuführen ist. Es existiert eine Reihe von Datierungsmethoden für Grundwasser mittels Isotopen und anthropogenen Gasen, sodass für einen bestimmten Zeitraum teilweise sogar mehrere Methoden zur Verfügung stehen. Die Anwendung mehrerer Datierungsmethoden erhöht dabei die Gewissheit des Datierungsergebnisses. Die zeitliche „Lücke“ zwischen dem Datierungsbereich von 3H und 14C ist beispielsweise durch Nutzung des 39Ar-Isotops zu schließen und es besteht die Möglichkeit Grundwässer älter als durch 14C datierbar durch diverse Edelgase einzustufen (Clark, 2015). Basierend auf den Ausführungen von Clark (2015) sind Grundwasserneubildungen älter als durch die 14C-Methode datierbar jedoch eher selten. Nichtsdestotrotz wurden global Grundwässer gefunden, die älter als 50.000 Jahre sind und einen 14C-Gehalt unterhalb der Nachweisgrenze aufweisen (Clark, 2015). Diese Grundwässer wurden beispielsweise mit Hilfe der Isotope 36Cl (Halbwertszeit t1/2 = 30.100 Jahre) und 81Kr (Halbwertszeit t1/2 = 229.000 Jahre) datiert. Die Möglichkeit einer Datierung von Grundwässern älter als durch die 14C-Methode bestimmbar ist somit durchaus gegeben. Inwieweit entsprechende Analysen für die zukünftigen Phasen des Standortauswahlverfahrens eingesetzt werden könnten, wird aktuell in einer von uns beauftragten Studie bei der Bundesanstalt für Geologie und Rohstoffe (BGR) untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie werden nach dem Erscheinen Ende 2020, wie im Standortauswahlverfahren üblich, öffentlich dokumentiert.
Schwankungen der 14C-Konzentration in der Atmosphäre sind natürlich und durch Veränderungen der kosmischen Strahlungsintensität sowie des Klimas zu erklären. Sie liegen jedoch in Größenordnungen von wenigen Prozent über relative kurze Zeiträume (IAEA, 2001), sodass sie für die Arbeit der BGE im Hinblick auf Einflüsse auf das Grundwasseralter vernachlässigbar sind. Ein wichtiger Faktor sind jedoch die in den 1950er und 1960er Jahren durchgeführten Kernwaffentests, die durch anthropogene Freisetzung von 3H, 14C und 36Cl zu Peak-Konzentrationen der radioaktiven Isotope in der Atmosphäre führten. Als Kennwert für die durchschnittliche 14C-Aktivität in der Atmosphäre wird u.a. von der IAEA (2013, 2001) und Clark (2015) für ein offenes System ein Wert von a014C = 100 pMC angegeben. Im Frühling des Jahres 1963 stieg dieser jedoch auf Grund der nuklearen Tests auf der Nordhalbkugel auf a014C = 200 pMC an (Clark, 2015; Fontes, 1985; IAEA, 2001).
Die erhöhten Isotopengehalte für 14C in der Atmosphäre sind im Laufe der Zeit kontinuierlich durch Transferprozesse mit dem Ozean zurückgegangen, jedoch weiterhin nachweisbar. Für 3H ist heute kaum bis keine Abweichung der natürlichen Konzentrationen mehr bemerkbar (Clark, 2015; IAEA, 2001), da die Austauschprozesse mit dem Meerwasser wesentlich schneller stattfinden als beispielsweise für 14C (Wochen im Vergleich zu Jahren) (IAEA, 2001).
Grundsätzlich sind bei der Datierung tiefer Grundwässer die Kernwaffentests in den 1950er und 1960er Jahren in Form von Korrekturen zu berücksichtigen, da die Konzentrationserhöhung der radioaktiven Isotope 3H und 14C in der Atmosphäre auch mit einer Änderung der Konzentration im Grundwasser einhergeht. Ohne Korrektur anthropogener Einflüsse – nicht nur explizit Kernwaffentests, sondern u.a. auch Kohleverstromung o.ä. - würde dies zu einer Unterschätzung des Grundwasseralters führen. Zur Anwendung dieser Korrektur wird eine Referenzprobe des U.S. National Bureau of Standards verwendet, die die natürliche atmosphärische Konzentration an 14C im Jahr 1950 repräsentiert, sodass eine Normierung des resultierenden Grundwasseralters auf die Einheit pMC (percent Modern Carbon) stattfindet.
Die Einbeziehung der Kernwaffentests für die Datierung, abgesehen von einer Korrektur des absoluten Grundwasseralters, ermöglicht lediglich für Karstquellen sowie flache Grundwässer eine Angabe zu durchschnittlichen Verweilzeiten im Untergrund von bis zu 150 Jahren (IAEA, 2001). Da im Rahmen des Standortauswahlverfahrens jedoch tiefe Grundwässer ≥ 300 m im Fokus stehen, findet diese Methodik keine Anwendung.
Arbeitskreis Auswahlverfahren für Endlagerstandorte (AkEnd), 2002: Auswahlverfahren für Endlagerstandorte: Empfehlungen des AkEnd. Köln.
DIN 4049-3 (1994): Hydrologie - Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie. DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Berlin.
Clark, 2015: Groundwater Geochemistry and Isotopes, CRC Press/Taylor & Francis Group, Boca Raton/London/New York. 438 pages, ISBN 978-1-4665-9173-8.
Fontes, J.CH., 1985: Some Considerations on Ground Water Dating Using Environmental Isotopes, Hydrogeology in the Service of Man, Memoires oft he 18th Congress oft he International Assocation of Hydrogeologists, Cambridge.
Griffault, L., Bauer, C., Waber, H.N., Pearson, F.J., Fierz, T., Scholtis, A., Degueldre, C., Eichinger, L., 2003: Annex 1: Water Sampling and Analyses for Boreholes and Seepages. In: Pearson, F.J., Arcos, D., Bath, A., Boisson, J.-Y., Fernández, A.M., Gäbler, H.-E., Gaucher, E., Gautschi, A., Griffault, L., Hernán, P., Waber, H.N. (Hrsg.): Mont Terri Project – Geochemistry of Water in the Opalinus Clay Formation at the Mont Terri Rock Laboratory. Reports of the Federal Office for Water and Geology. Bern, Switzerland.
[url=https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/23/034/23034803.pdf]IAEA, 1992: Isotope techniques in water resources development 1991, proceedings of an International Symposium on Isotope Techniques in Water Resources Development organized by the International Atomic Energy Agency in co-operation with the United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization and held in Vienna, 11-15 March 1991.
IAEA, 2001: Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle – Principles and Application -, International Atomic Energy Agency in co-operation with the United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization.
IAEA, 2013: Isotope methods for dating old groundwater, proceedings of an International Symposium on Isotope Techniques in Water Resources Development organized by the International Atomic Energy Agency in co-operation with the United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization and held in Vienna.
Es ist: 03.08.2020, 12:21 Deutsche Übersetzung: MyBB.de, Powered by MyBB, © 2002-2020 MyBB Group.