Evaluation of 87Sr/86Sr, δ18O, δ2H, and Cation Contents as Geochemical Tracers for Provenance and Flow Paths of Saline Solutions in German Zechstein Deposits

Abstract

Die Einschätzung von Fliesswegen von salinaren Lösungen welche durch Evaporitablagerungen perkolieren ist eine wichtige Aufgabe einer Bergbaufirma um den Verlust eines Bergwerks durch Absaufen zu vermeiden. In dieser Studie wird die Herkunft solcher salinarer Lösungen über Kationengehalte, Charakteristika von δ18O und δ2H, sowie die 87Sr/86Sr-Isotopenverhältnisse evaluiert. In eindunstenden Salzlösungen weisen die Kationen ein charakteristisches Muster für die verschiedenen Eindunstungsstadien der Restlösung auf, welches dem quinären Phasensystem des Meerwassers folgt. Diese Eindunstungsstadien können in synsedimentär wie postsedimentär in die Evaporitablagerungen eingeschlossenen Salzlösungen (interne Lösungen) identifiziert werden. Die meisten dieser internen Lösungen weisen eine Zusammensetzung auf, welche der einer mit Carnallit im Gleichgewicht stehenden Meerwasserlösung gleicht (Q-Lösung). Im Gegensatz dazu weisen Proben von meteorischem Grundwasser welches von seinem Herkunftsaquifer durch die Ablagerungen in ein Kali- oder Steinsalzbergwerk einläuft (externe Lösungen) eine signifikant andere Kationenzusammensetzung als die internen Lösungen auf. Während weit entwickelte interne Lösungen im Vergleich zu Meerwasser an Mg angereichert sind, sind interne Lösungen an Na angereichert da sie noch nicht das Halit-Equilibrium erreicht haben. Zusätzlich sind die Werte der Strontium- und stabilen Isotopen denen des Herkunftsaquifers sehr ähnlich. Diese Ähnlichkeit der Strontium- und stabilen Isotope der externen Lösungen mit denen des zugehörigen Herkunftsaquifers wird anhand verschiedener Lösungen aus Hessen und Thüringen gezeigt, deren externe Herkunft schon bestimmt wurde und welche daher ideale Testverhältnisse für diese Problematik darstellen. Ähnliche Überlegungen werden auch auf einen Probensatz von internen Lösungen angewandt. Die simultane Auswertung von Kationengehalten und 87Sr/86Sr-Verhältnissen der internen Lösungen weist auf Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen zwischen Lösungen und den löslichen und unlöslichen Komponenten der Evaporitlagerstätten, wie Carnallit oder Salztonen, hin. Die Auflösung von Carnallit führt zu einer Anreicherung von Rb im Vergleich zu einer Meerwasserlösung (Rb-Überschuss) welche eine Erhöhung des 87Sr/86Sr-Verhältnisses durch den Zerfall von 87Rb mit sich zieht. Dieser Einfluss ist groß da die Sr-Konzentration der internen Lösungen sehr niedrig ist (<1,6 ppm) und so schon die Zugabe von wenig Rb das Sr-Budget der Lösung beeinflusst. Darüber hinaus hat die Quantifizierung dieses Prozesses gezeigt, dass viele der internen Lösungen epigenetisch sein könnten. Die benötigte Zeit um das 87Sr/86Sr-Verhältniss von dem Meerwasserwert im Zechstein auf den heutigen Wert zu erhöhen ist weniger als 251 Ma, also jünger als die Zechsteinablagerungen (unter Annahme das der Rb-Überschuss kurz nach Einschluss der Lösung zustande kam). Zusätzlich zu den 87Sr/86Sr-Verhältnissen weisen auch δ18O sowie δ2H eine starke Abhängigkeit von dem Konzentrationsstadium der Lösungen auf. Die meisten externen Proben zeigen stabile Isotopenzusammensetzungen ähnlich der GMWL (Global Meteoric Water Line). Die Proben mit bekannter interner Herkunft weisen eine Abweichung von der GMWL entlang eines Konzentrations-Bogens auf, welcher durch die Änderung der Aktivität von 18O und 2H mit andauernder Meerwasseraufkonzentrierung zustande kommt. Allerdings kann solch eine Abweichung auch das Resultat einer Auflösung von hydratisierten Mineralen während der epigenetischen Einlagerung der Lösungen sein.