Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Fossiles Wasser
Fossiles Wasser ist Wasser in tiefen Gesteinskörpern, das seit der Prähistorie – teils auch deutlich länger – keinen Kontakt mehr mit der Erdatmosphäre oder …
Inhalt5 Abschnitte
Definition und Bedeutung
Fossiles Wasser ist Wasser in tiefen Gesteinskörpern, das seit der Prähistorie, teilweise deutlich länger, keinen Kontakt mehr mit der Erdatmosphäre oder Oberflächengewässern hatte. Eine einheitliche Mindestaltersgrenze gibt es nicht. Häufig gilt ein frühholozänes Alter von 10.000 bis 12.000 Jahren als Richtwert.
Meist bezeichnet man damit alte meteorische oder paläometeorische Wässer. Das sind Niederschlagswässer, die vor mindestens mehreren Jahrtausenden versickert sind. Ihre Grundwasserleiter, also wasserführenden Gesteinsschichten, liegen meist mindestens einige hundert Meter unter dem Niveau der Oberflächengewässer oder sind anderweitig weitgehend vom Zufluss von der und Abfluss zur Erdoberfläche isoliert. Auch tief versenkte synsedimentäre Porenwässer werden einbezogen. Diese stammen aus der Zeit, in der der sie enthaltende Gesteinskörper abgelagert wurde, und werden als konnate Wässer bezeichnet.
Das Alter lässt sich durch radiometrische und andere Isotopenuntersuchungen relativ präzise bestimmen. Die Menge oder das bloße Vorkommen bestimmter gelöster Stoffe gibt Hinweise auf die Herkunft des Wassers, also auf einen meteorischen oder konnaten Ursprung. Außerdem lassen sich daraus regionale oder globale Umweltbedingungen zum Zeitpunkt der letzten Teilnahme am Wasserkreislauf beziehungsweise der Versickerung ableiten.
Fossiles Wasser gilt als besonders rein und nahezu frei von anthropogenen Verunreinigungen. Wegen der langen Verweildauer im Untergrund ist es jedoch häufig stark mit Mineralien angereichert. Deshalb eignet es sich nicht immer als Trinkwasser oder zur Bewässerung.
Vorkommen und Abgrenzung
Eine scharfe Grenze zwischen meteorischem und fossilem beziehungsweise tiefem Grundwasser ist vielfach nicht möglich. Im Norddeutschen Tiefland gelten beispielsweise salzreiche Grundwässer in mindestens 250 bis 300 Metern Tiefe unter dem Niveau der Oberflächengewässer als fossiles oder tiefes Grundwasser.
Eine weltweite Auswertung von Wasserproben aus knapp 6500 Grundwasserentnahmestellen in den obersten 1000 Metern der Erdkruste ergab: In Grundwasserleitern ab 250 Metern Tiefe befinden sich im Median mehr als 50 % Wasser, das dort spätestens seit der Pleistozän-Holozän-Wende vor 12.000 Jahren vorhanden ist. Ab 400 Metern Tiefe liegt dieser Anteil im Median sogar über 75 %. Daraus wird konservativ geschätzt, dass 42 bis 85 % der Grundwasservorkommen in den obersten 1000 Metern der Erdkruste fossiles Wasser enthalten. Dazu gehören auch Grundwasserleiter, aus denen Süßwasser für die industrielle Landwirtschaft gewonnen wird.
In einem ungespannten, hydraulisch nicht von der Oberfläche isolierten Grundwasserleiter in humidem Klima wird das Grundwasser regelmäßig neu gebildet. In semiariden bis ariden Gebieten ist die Neubildung dagegen sehr gering. In einem gespannten, hydraulisch weitgehend isolierten Grundwasserleiter kann fossiles Wasser vor allem dann vorkommen, wenn die Entfernung zwischen Neubildungsgebiet und Quelle oder Entnahmestelle viele hundert Kilometer und die zeitliche Distanz etliche tausend Jahre beträgt.
Beispiele besonders alter Grundwässer
Besonders typische Vorkommen liegen in tiefen Aquiferen arider Gebiete, vor allem in der Sahara und auf der Arabischen Halbinsel. Ein herausragendes Beispiel ist der Nubische-Sandstein-Aquifer in der östlichen Sahara. Diese Aquifere sind häufig weniger aus geologischen beziehungsweise hydraulischen als aus klimatischen Gründen vom heutigen Wasserkreislauf isoliert: Wegen der sehr geringen Niederschläge findet kaum oder keine Grundwasserneubildung statt. Das Wasser stammt daher überwiegend aus niederschlagsreicheren Zeiten vor dem Holozän.
Für den Nubischen-Sandstein-Aquifer wurden anhand der kosmogenen radioaktiven Isotope Chlor-36 in Form von Chlorid-Ionen und Krypton-81 Höchstalter von 1 Million Jahren und mehr ermittelt. Die tiefen Grundwässer im semiariden bis ariden Norden Chinas sind dagegen höchstens ungefähr 45.000 Jahre alt. Der tiefe Aquifer im nördlichen Teil der Nordchinesischen Ebene ist an den Rändern nur teilweise hydraulisch von der Oberfläche isoliert und erhält dort Sickerwasser aus Alluvialfächern der großen Flüsse, die aus dem Taihang-Gebirge austreten. Für nicht sehr tiefe Grundwässer im West Canning Basin im Norden von Western Australia wurden mittels Radiokarbonmethode ähnliche Höchstalter wie in Nordchina bestimmt; diese Wässer liegen 82 bis 152 Meter unter GOK, also unter Geländeoberkante.
Das tiefere Grundwasser im Kalahari-Becken wird wegen seiner sedimentologischen und tektonischen Position sowie der vorherrschend geringen hydraulischen Gradienten als „semi-fossil“ bezeichnet. Nördlich des Okavangodeltas wurden im Lower Kalahari Aquifer (LKA), dessen Entnahmestellen 130 bis 250 Meter tief liegen, mit der Chlor-36-Methode überwiegend Grundwasseralter von deutlich über 100.000 Jahren festgestellt.
Das bislang älteste bekannte Grundwasser wurde in Kluftwassertaschen auf der 2900-Meter-Sohle der Kidd Creek Mine in der Superior-Provinz des Kanadischen Schildes gefunden. Radiogene Edelgasisotope, die aus dem Zerfall von Uran und Thorium stammen, ergaben ein mittleres Alter von 1,7 Milliarden Jahren. Das Wasser gehört damit zum Paläoproterozoikum.
Nutzung und Übernutzung
In Regionen mit geringen Niederschlägen und wenigen Oberflächengewässern wird fossiles Wasser häufig zur Trinkwasserversorgung und zur Bewässerung genutzt, sofern es nicht zu viele gelöste Stoffe enthält. Ein Beispiel ist intensiver Ackerbau in der Wüste, der durch Pivot-Bewässerung mit Wasser aus dem Nubischen-Sandstein-Aquifer ermöglicht wird.
Die Nutzung ist problematisch, weil sich fossiles Wasser heute nur in geringem Umfang neu bildet. Tiefbohrungen fördern die Vorräte daher schneller, als sie ersetzt werden können. Unter dem Druck einer wachsenden Bevölkerung und eines steigenden Wasser- und Nahrungsmittelbedarfs können die Vorräte erschöpft werden. Modellierungen unter den realistischsten klimatischen und sozioökonomischen Bedingungen ergaben mögliche vollständige Erschöpfungszeiten von 60 bis 90 Jahren für die nutzbaren Grundwasservorräte auf der Arabischen Halbinsel und von 200 bis 350 Jahren in Nordafrika.
In Nordchina sanken die Grundwasserpegel an Entnahmestellen in tiefen, fossiles Wasser führenden Aquiferen bis 2012 mit bis zu 4 Metern pro Jahr. In der dicht besiedelten Nordchinesischen Ebene verursachte die übermäßige Entnahme in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts lokal erhebliche Landsenkungen. Durch den sinkenden Porendruck wurde das Aquifergestein verdichtet. Außerdem kam es zur Versalzung des Grundwassers, unter anderem durch das Einsickern überlagernder brackischer, also leicht salzhaltiger, Grundwässer.
Natürliche und mögliche anthropogene Belastungen
Fossiles Grundwasser kann trotz seiner meist geringen anthropogenen Belastung wegen einer hohen natürlichen Lösungsfracht oder geogener radioaktiver Stoffe nur eingeschränkt nutzbar sein. Im kambro-ordovizischen Disi-Sandstein-Aquifer im Süden Jordaniens besitzt das Wasser ansonsten Trinkwasserqualität, weist aber eine bis zu 20-fach höhere Aktivität von Radium-226 und Radium-228 auf, als internationale Trinkwasserstandards als unbedenklich einstufen. Für die Nutzung als Trinkwasser wäre eine technisch aufwendige Aufbereitung erforderlich. Das Radium entsteht beim Zerfall von Uran und Thorium in Schwermineralen des Aquifer-Sandsteins. Seine vergleichsweise hohe Konzentration wird damit erklärt, dass der Sandstein nur sehr wenige Tonmineralpartikel enthält, an deren Oberflächen Radium wieder adsorbiert werden könnte.
Die verbreitete Annahme, fossiles Wasser sei grundsätzlich vor anthropogener Verschmutzung geschützt, wird durch Tritiumbefunde eingeschränkt. In Wässern mit einem fossilen Anteil von mehr als 50 % wurden weltweit an ungefähr der Hälfte der untersuchten Entnahmestellen erhöhte Tritiumwerte festgestellt. Natürlich kommt Tritium in der Atmosphäre nur in sehr geringer Menge vor; seit den ersten Tests bestimmter Atomwaffen in den 1950er-Jahren ist sein Anteil jedoch künstlich erhöht. Erhöhtes Tritium in tiefem Grundwasser, dessen Neubildung eigentlich deutlich vor den 1950er-Jahren erfolgt sein müsste, kann deshalb auf eine weiterhin bestehende Verbindung zum Wasserkreislauf hindeuten. Dadurch könnten oberirdisch freigesetzte Schadstoffe innerhalb mehrerer Jahrzehnte in tiefe Aquifere gelangen.
Allerdings ist die Häufigkeit erhöhter Tritiumwerte in Grundwasser mit höchstens 50 % fossilem Anteil genauso hoch wie in Grundwasser mit mehr als 50 % fossilem Anteil. Daher erscheint es wahrscheinlicher, dass viele untersuchte Entnahmestellen nicht ausschließlich weitgehend isolierte tiefe Aquifere fördern. Stattdessen werden vermutlich auch flachere Aquifere erreicht und unterschiedlich alte Grundwässer aus verschiedenen Tiefen vermischt.