Isotopenhydrologie

Im Labor der Isotopenhydrologie werden Isotopengehalte aus Wasser und Wasserinhaltsstoffen bestimmt. Besonders von Interesse sind die stabilen Isotope der Elemente Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Schwefel (S), weil durch diese das Wassermolekül oder wichtige Inhaltsstoffe (Verunreinigungen, natürliche Komponenten) markiert werden. Dadurch lassen sich spezielle Fragestellungen der Hydrologie und Hydrogeologie bearbeiten, oder herkömmliche Verfahren ergänzen, zum Beispiel im Bereich:

• Grundwasserneubildung über Isotopenvariabilität in der ungesättigten Zone
• Einzugsgebietscharakterisierung (z.B. Einzugsgebietshöhe von Quellen und Grundwasser)
• Interaktion von Grundwasser und Oberflächenwasser insbesondere bei hydrologischen Extremen (Hochwasser, Dürre)
• Mischungsanteile von Wässern (Abtrennung von Basisabfluss)
• Paläoklimaforschung (fossiles Grundwasser, Eisbohrkerne)
• Schichtung, Zirkulation und Grundwassereinfluss in Seen
• Künstliche Markierversuche (mit angereichertem Deuterium oder Sauerstoff-18)
• Nachhaltigkeit bei zunehmender Beanspruchung von Grundwasserressourcen

• Prozesse und Bilanzen im Stickstoff-, Kohlenstoff-, und Schwefelkreislauf.

Im Wasserlabor der BGR werden die stabilen Wasserisotope (Sauerstoff-18 (δ18O) und Deuterium (δ2H)) mit Laserspektrometern der Firma PICARRO und über die Isotopenverhältnismessung (IRMS) an einem Gerät der Firma THERMO (TC/EA) gemessen. Die Isotope von Kohlenstoff (13C/12C), Stickstoff (15N/14N) und Schwefel (34S/32S) werden nach Umwandlung über Gasbench (GB) und Elementanalyse (EA) in der Gasphase gemessen.

Isotopenanalyse über Laseranalytik nach dem „cavity ringdown“ Verfahren (PICARRO L2120-i und L2140-i)) Gasmoleküle (z.B. H₂O, CO₂, CH₄, H₂S) zeigen charakteristische Absorptionslinien im nahen Infrarot Bereich. Bei bekannter Wellenlängencharakteristik und unter kontrollierten Versuchsbedingungen (Druck, Temperatur) kann die Lichtabsorption (Peak-Höhe) zur Konzentrationsbestimmung benutzt werden. Durch spezielle Meßtechniken (cavity ringdown oder Kammer-Ausklang Prinzip) wird der Sensitivitätsbereich so weit erhöht, dass die Absorptions-Messung auch für Isotopenanalysen einsetzbar ist. Hierbei wird die Ausklingzeit des Laserlichtes (ring down) nach Abschalten der Laserquelle in der Messkammer gemessen.

Laserspektrometer der FA Picarro mit Verdampfer und Autosampler im Isotopenhydrologie-Labor der BGR Quelle: BGR

Isotopenverhältnismessung (IRMS) mit einem THERMO Delta Advantage und gekoppelter Elementanalyse (EA), Thermopyrolyse (TCEA) und GasBench (GB) Quelle: BGR