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Zur Geochemie der Oberflächengewässer des Brockenmassivs / Harz

unter Berücksichtigung der Gewässerversauerung


Zusammenfassung

Diese Arbeit setzt die Untersuchungen, die im Rahmen des 1989 abgeschlossenen BMFT Projektes "Fallstudie Harz" veröffentlicht wurden, in einem Gebiet östlich der Sösemulde fort, so daß alle Bereiche des Hochharzes, vor allem oberhalb 500 m ü. NN in einer Gesamtschau erfaßt wurden. Ziel der Untersuchungen war es, anhand von Wässer-, Bachsediment- und Depositionsanalysen sowohl den atmosphärischen Eintrag und seine Anreicherung im Ökosystem als auch den geochemischen Austrag von Elementen zu ermitteln. Weiterhin sollte die räumliche und zeitliche Entwicklung sowie das Sedimentationsverhalten vieler Haupt- und Spurenelemente in den Jahren 1992 bis 1994 verfolgt werden.

Zur Charakterisierung des geologischen Untergrundes und für die Klärung des Elementverhaltens und der -verteilungen wurden aus dem Gebiet des Brockenmassivs 49 Gesteinsproben, 243 Bachsedimentproben (Fraktion < 63 mm) und 318 Oberflächen-Wasserproben entnommen und auf ihre Haupt- und Spurenelemente analysiert. Zur Ermittlung der atmosphärischen Depositionen wurden 24 Totalisator-Proben in Sankt Andreasberg entnommen. Für die Analysen der Haupt- und Spurenelemente der Gesteine und Bachsedimente wurde die Röntgenfluoreszenzspektrometrie (RFA) angewandt. Zur Bestimmung der Spurenelementgehalte der Gesteins- und Bachsedimentproben, deren Konzentrationen bei der RFA in der Nähe der Nachweisgrenzen lagen, sowie der Kationen der Oberflächenwässer wurde die Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) und für die Bestimmung der Anionen die Ionenchromatographie eingesetzt. Die Ionen Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ der Wasserproben wurden zusätzlich mit der Optischen Emissionspektrometrie mit Plasma-Anregung (ICP-OES) bestimmt.

Die Verteilungen der Elementgehalte in den Bachsedimenten zeigen gegenüber dem geogenen Hintergrund Abreicherungsfaktoren für Al2O3 (0,7), Na2O (0,3), K2O (0,4), Ba (0,7) und Rb (0,3), die auf die Zersetzung von Feldspäten und Auslaugung dieser Elemente zurückgehen. Die Bachsedimente weisen im Vergleich zum geogenen Hintergrund Anreicherungsfaktoren für Cd (19), Cr (12), As (5), Co (5), Cu (5), Pb (5), Ni (4) und Zn (3) auf, die auch die regionalen und lokalen anthropogenen Beeinflussungen anzeigen.

Die sorptiv in den Bachsedimenten gebundenen Gehalte der Metalle sind korngrößenabhängig und lassen sich beim Absenken der pH-Werte relativ leicht aus diesen Bindungen lösen. Dies geschieht besonders bei abnehmenden pH-Werten in einer Höhe zwischen 600 und 500 m ü. NN. Diese Höhenlage, die die horizontale Gewässerversauerungsfront am Brockenmassiv charakterisiert, ähnelt der Gewässerversauerungsfront in der Sösemulde. In dieser Höhe nehmen die Metallgehalte der Oberflächenwässer bedingt durch einen Anstieg des pH-Wertes auf Werte > 5,0 sprunghaft ab und die Schwermetalle reichern sich in den Bachsedimenten an. Diese Front ist dynamisch und schreitet bei Säurezufuhr (Schneeschmelze, Starkregen) talabwärts voran.

Die pH-Werte der Oberflächenwässer liegen zwischen 2,2 und 8,1 mit einem Medianwert von 6,0 deutlich im permanent sauren Bereich (84 % der Messungen). Die atmosphärische metallreiche Säuredeposition ist für niedrige pH-Werte der Oberflächenwässer verantwortlich. Während die SO42--Einträge den größten prozentualen Äquivalentanteil (69,2 % meq/L) der Anionen ausmachen, sind Cl- mit 21,2 % meq/L und NO3- mit 9,6 % meq/L in geringerem Maße vertreten.

Die Konzentrationen von Al, Cd, Co, Cr, Cu, Pb und Zn in den Oberflächenwässern sind stark pH-Wert-abhängig. In einigen Teilen des Arbeitsgebiets werden die Grenzwerte der deutschen Trinkwasserverordnung (TVO-BRD) für Al, Cd, Fe, Mn und Zn um ein Vielfaches überschritten. Die Verteilungsmuster der Seltenerdelemente (SEE) in den Gesteinen und in ihren entsprechenden Oberflächenwässern weisen deutliche Ähnlichkeiten auf und sind ebenfalls pH-Wert-abhängig. Im Gegensatz zu den Wässern aus nichtvermoorten Gebieten haben die Moorwässer niedrigere Konzentrationen an Na, Ca, Mg, Sr, SO42+, Cl- und NO3-. Dagegen sind zahlreiche Metalle und Metalloide, beispielsweise Al, Fe, Mn, Cd, Co, Cr, Pb, Zn, As und SEE im Moorwasser angereichert.

Die Klassifizierung der Wässer nach den prozentualen Anteilen der Hauptionen zeigt chemisch relativ gleichartige Wässer. Bei den meisten Wässern handelt es sich um normal erdalkalische Süßwässer. Die elektrischen Leitfähigkeiten (Minimum 17, Median 87, Maximum 480 mS/cm) zeigen, daß die Oberflächenwässer am Brockenmassiv und seiner Umgebung sehr schwach bis schwach mineralisiert sind. Nur Al erreicht zeit- und gebietsweise Sättigungskonzentrationen gegenüber Gibbsit. Ansonsten haben die Gewässer am Brockenmassiv sehr niedrige Ionenaktivitätsprodukte.

Die Untersuchungen der Niederschläge zeigen, daß die Medianwerte des Säuregrades im Nadelwald-Bestand (pH 3,8) niedriger liegen als im Freiland (pH 4,1). Die elektrischen Leitfähigkeiten der Niederschläge im Waldbestand sind mit einem Medianwert von 130 mS/cm mehr als doppelt so hoch als jene des Freilandes (60 mS/cm) und zeigen damit die Interzeptionswirkung des Waldes an. Die Elementgehalte der Niederschläge sind im Nadelwald-Bestand bei allen analysierten Elementen, abgesehen von Mn, durchschnittlich um den Faktor 3,5 höher als im Freiland.

Insgesamt sind die geringen Lösungsinhalte der Oberflächenwässer in Granitgebieten auf zu geringe Verweilzeiten sowie auf das niedrige Lösungsangebot infolge der langsamen Verwitterung zurückzuführen. Dagegen sind atmosphärisch transportierte Stäube als Hauptquelle der in den Sedimenten des Brockenmassivs und seiner Umgebung angereicherten Metalle anzusehen. Hohe durchschnittliche Jahresniederschlagsraten und damit hohe atmosphärische Säureeinträge, niedrige Pufferkapazitäten sowie die Geringmächtigkeit der Böden über den Graniten bei starker Bodenerosion in exponierten Lagen des Massivs sind die Ursachen für die versauerten Gewässer und Ökosystemschäden im weiten Teilen des Brockenmassivs.


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