Natural arsenic and uranium accumulation and remobilization in different geological environments

Banning, Andre; Rüde, Thomas R.

doi:999910166157

Natural arsenic and uranium accumulation and remobilization in different geological environments = Natürliche Arsen- und Uran-Anreicherung und -Remobilisierung unter verschiedenen geologischen Bedingungen

Banning, Andre (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andre Wilhelm Banning

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang175 S. Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Rüde, Thomas R. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-03-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39932
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52248/files/3993.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Arsen (Genormte SW) ; Uran (Genormte SW) ; Urananreicherung (Genormte SW) ; Grundwasser (Genormte SW) ; Anreicherung (Genormte SW) ; Spurenelement (Genormte SW) ; Mobilisation <Bodenchemie> (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Mobilisierung (frei) ; arsenic (frei) ; uranium (frei) ; groundwater (frei) ; mobilization (frei) ; trace element (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Trotz der Tatsache, dass As und U natürlich vorkommende Spurenelemente mit Gesundheitsgefährdungspotential sind, ist über ihre Anreicherungsprozesse in Sedimentgesteinen Deutschlands und möglichem Austrag daraus ins Grundwasser wenig bekannt. Ein systematischer nationaler Überblick zu den geogenen Vorkommen dieser Spurenelemente fehlte bisher. Akkumulationsmechanismen in (potentiell) von erhöhten U- und/oder As-Gehalten im Grundwasser betroffenen Aquiferen sowie deren geologisches Timing wurden charakterisiert. Die fünf in dieser Arbeit untersuchten Gebiete bieten verschiedene stratigraphische und geologische Hintergründe, vor denen die Struktur geogener As- und U-Quellen und -Senken, sowie Umverteilungsprozesse zwischen den Reservoiren erarbeitet wurden. Die Trinkwasserversorgung Mittelfrankens ist abhängig von der Förderung aus dem terrestrischen Keupersandstein, dessen Grundwasser teilweise grenzwertüberschreitende Gehalte an geogenem U and As zeigt. Geochemie und Mineralogie des Aquifermaterials sowie Spurenelementverteilung und -fraktionierung zeigen, dass uranführende Francolit/Hämatit-Einschaltungen im Grundwasserleiter („Aktivarkosen“) die wahrscheinlichste Quelle für U und As im Untersuchungsgebiet darstellen. Der untersuchte Francolit zeigt strukturell und strahlungsbedingt erhöhte Lösungsanfälligkeit; U- und As-Verlust durch Verwitterung konnte nachgewiesen werden. Flachmarine Dogger-Eisenerze aus dem Bereich des Oberrheingrabens zeigen signifikante As-Gehalte, die an in Phasen kondensierter Sedimentation gebildeten Goethit-Ooiden gebunden sind. Eine bevorzugte As-Akkumulation gegenüber Schwermetallen wurde festgestellt. Anreicherungsbedingungen variierten während der Ablagerung in makroskopischem (Aufschluss) und mikroskopischem (Einzelooid) Maßstab. Das Risiko für einen Grundwassereintrag aus diesen Gesteinen wird als eher unbedeutend angesehen. Ein festländischer Paläo-Redoxprozess im späten Tertiär alterierte marine Sande des Santoniums im westlichen Münsterländer Kreidebecken und führte zu deutlichen farblichen und geochemischen Sedimentgrenzen in einigen 10er Metern Teufe, und einer massiven Elementumverteilung. Das Verhalten von As wechselt von homogen Fe-Sulfid-kontrolliert im Liegenden zu extrem heterogen Fe-Hydroxid-kontrolliert oberhalb der Paläo-Redoxgrenze. Frühe Formen hydroxidischer Fe/As-Anreicherungen, die aus der Mobilisierung von der reduzierten Fazies abzuleiten sind, stellen Vorstufen von in den oberflächennahen Sedimenten weit verbreiteten As-reichen Goethit-Konkretionen dar. In der Niederrheinischen Bucht weit verbreitete marine Sedimente des Oligozäns zeigen ebenfalls Merkmale eines Paläo-Redoxprozesses: reduzierte Fe-Phasen in der primären Fazies, oberflächennahe Sedimente mit Fe-Hydroxiden und massiver Umverteilung von Haupt- und Spurenelementen. Deutliche Ähnlichkeiten zur postsedimentären Entwicklung der kretazischen Sedimente, auch hinsichtlich der As-Kontrolle, sind somit zu beobachten. Arsen-Anreicherung wird gegenüber Schwermetallen in Fe-Hydroxid-Konkretionen bevorzugt. Uran liegt bei geringen Konzentrationen in beiden Redoxfazies relativ homogen verteilt vor und ist scheinbar kaum von der oxidativen Umlagerung betroffen. Austräge in das Grundwasser sind vor allem bei Induktion oxidierender Verhältnisse in der reduzierten Fazies zu erwarten. In tiefen Grundwässern des vulkano-sedimentären Beckens um San Luis Potosí im nördlich-zentralen Mexiko wurden grenzwertüberschreitende U- und As-Konzentrationen festgestellt, was zu einer Gefährdung der wichtigsten Trinkwasserressource der Region führt. Hydrogeochemische As/U Signaturen, das Verhalten der Spurenelemente im Zuge von Gesteinsalteration und Hinweise aus z.B. SEE-Verteilung weisen deutlich auf die Lösung felsischer Vulkangläser als Haupteintragsprozess für U und As hin. Der hydrogeochemische Fingerabdruck wird durch Eintrag aus den Beckensedimenten modifiziert. Das gemeinsame Verhalten der beiden inkompatiblen Spurenelemente während der magmatischen Differentiation und anschließende Auftrennung in sedimentären Systemen werden diskutiert. Neben der regionalen Bedeutung der erzielten Ergebnisse können durch geochemischen Vergleich der untersuchten Gebiete Erklärungsansätze für die großräumige geogene As- und U-Verteilung in Deutschland abgeleitet werden. Während die Entwicklung im Pleistozän für die weitgehende Abwesenheit von U und As in Sedimenten und Grundwässern Norddeutschlands verantwortlich ist, wird ihre Verteilung in den zentralen und südlichen Landesteilen durch die Geochemie der Sediment-Provenanz gesteuert. Lediglich hoch felsische Liefergebiete (Moldanubikum) ermöglichen die Erzeugung von erhöhten U-Signalen in sedimentären Systemen während rhenoherzynische Provenanz nur für As-Anwesenheit ausreicht. Beckeninterne Umlagerungsprozesse tragen zum heutigen Verteilungsmuster bei.

Despite the fact that both As and U represent geogenic trace elements potentially toxic to humans, little information is available on the development of their enrichments in German sediments and their potential impact on groundwater quality, let alone a systematic overview of the country´s natural occurrences. This work aims at characterizing accumulation processes in aquifers actually or potentially affected by elevated concentrations of As and/or U, and their timings in geological history. The five selected study areas provide different geological and stratigraphical backgrounds. Identification of As and U sources, and structural derivation of their environmental reservoirs as well as remobilization mechanisms potentially resulting in trace element release to groundwater were assessed. Drinking water supply in Franconia/Northern Bavaria is dependent on groundwater extraction from terrestrial Upper Triassic sandstones where elevated concentrations of geogenic U and As exceeding German drinking water limitations were identified. Characterization of aquifer material in terms of geochemical and mineralogical composition, trace elements distribution on a microscale and their mineralogical fractionation and mobilization behaviour showed that uraniferous francolite/hematite inclusions within the aquifer sandstones (“active arkoses”) represent important sources for U and As in the study area. Francolite exhibits biologically, structurally and radiation-enhanced solubility; loss of both U and As during weathering was documented. Jurassic shallow marine Fe ores from the Upper Rhine Graben exhibit significant bulk As hosted in mainly goethite ooids slowly formed in times of condensed sedimentation. The study indicates that As accumulation was favoured over other potential contaminants, esp. heavy metals. Conditions for As accumulation varied during deposition, visible on a macro- (outcrop) as well as on a microscale (single Fe ooid). However, the risk of As release to groundwater of the region is considered rather insignificant. An oxidative terrestrial paleo redox process during the late Tertiary affected Santonian shallow marine sands in the western Münsterland Cretaceous Basin, resulting in a distinct sediment colour and geochemical boundary in several decametres below ground surface, and massive element redistribution. Arsenic resides in pyrite in the reduced section. Its behaviour changes from homogenous sulfide-control in the unaltered sediments to very heterogeneous Fe hydroxide-control above the paleo redox boundary. Early stages of hydroxidic Fe/As accumulations resulting from mobilization from the reduced sediments represent precursors of high-As goethite concretions, widespread in the near-surface oxidized facies. Widespread Oligocene marine sandy sediments from the Lower Rhine Embayment exhibit features of a paleo redox event: primary Fe(II) phases in a reduced facies, hydroxidic Fe mineralogy and significant major and trace element redistribution in near-surface sediments. Striking similarities to the postdepositional redox history of the Cretaceous sediments became obvious, also in terms of As control. Preferential As enrichment over heavy metals in Fe hydroxide concretions was detected. Uranium is rather homogeneously distributed in low concentrations in both redox facies and little affected by the redox event. The reduced deeper sediments are the more probable candidates for creating elevated As in groundwater. Uranium and As in deep groundwater of the volcano-sedimentary basin around San Luis Potosí/north-central Mexico partly exceed drinking water guidelines and thus endanger the most important drinking water source in the area. The As/U hydrogeochemical signatures, their behaviour during rock alteration and evidence from proxies like REE strongly argue for acid volcanic glass dissolution as the dominating process of U and As release to groundwater. The hydrogeochemical fingerprint is modified by additional mobilization from the sedimentary basin filling. Common behaviour of both incompatible elements during magmatic differentiation and growing drift-apart in sedimentary systems are discussed. Besides the importance of the obtained results for the studied regions, geochemical comparison of all study areas offers additional explanations for the large-scale As and U distribution in Germany. While Pleistocene geology explains their absence in sediments and related groundwater in northern Germany, their distribution in the central and southern parts is controlled by provenance geochemistry. Only highly felsic origin (Moldanubian Variscides) enables creation of elevated U in the systems while Rhenohercynian provenance allows for As presence only. Subsequent intrabasinal redistribution contributes to the present-day situation.

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