Sr-87/Sr-86 ratios as a tracer for geochemical processes in an unconsolidated sediment aquifer (Liebenau, NW-Germany)

Groundwater of the Quaternary unconsolidated sediments in the catchment area of the waterworks of Liebenau II (NW-Germany) is characterized by heterogeneous distributions of dissolved constituents, In order to determine sources of solutes and to estimate flowpaths, Sr isotope analyses were carried out on groundwater, precipitation, and soil samples. Sr-87/Sr-86 ratios of the groundwater samples vary between 0.708 and 0.719 and allow to discriminate four groundwater levels. The near-surface groundwater level is characterized by low Sr-87/Sr-86 ratios in the range of 0.7099 and 0.7130. At greater depths Sr-87/Sr-86 ratios increase up to a value of 0.7187 in the intermediate groundwater level. Deep groundwaters which can be divided into two levels exhibit a remarkable decrease of Sr-87/Sr-86 ratios. Groundwater of deep level I shows Sr isotope ratios between 0.7118 and 0.7128, whereas deep level II shows Sr-87/Sr-86 ratios of 0.7082 to 0.7087. Differences in the Sr-87/Sr-86 ratios are the result of varying sources of dissolved strontium in the groundwater. These encompass mineral weathering, precipitation, and anthropogenic inputs. Low Sr-87/Sr-86 ratios of 0.710 to 0.713 indicate the influence of precipitation and probably fertilizers on the near-surface groundwaters. At greater depths, groundwater chemistry is dominated by weathering processes. Due to significant differences in the Sr-87/Sr-86 ratios the dissolution of silicate minerals can be distinguished from the dissolution of carbonate minerals. For the intermediate groundwater level a dominant influence of silicate weathering is confirmed by radiogenic Sr-87/Sr-86 ratios between 0.713 and 0.719 and saturation indices < -3.5 for calcite. In contrast, low Sr-87/Sr-86 ratios of 0.708 to 0.709 indicate dissolution of carbonate minerals in the deep groundwater, where saturation for calcite is observed. A schematic diagram of groundwater flowpaths basing on the analyzed Sr-87/Sr-86 ratios, and geochemical parameter is displayed. The main aquifer is represented by gravel-bearing sands which form the base of the Quaternary deposits. A good agreement in the chemical and isotopic composition of groundwater from wells EB9, EB7 and groundwater of the deep level I indicates the dominance of groundwater pumping from depths of 20 to 35 meters. Deep groundwater levels are partially separated from the near-surface groundwater by intercalations of silt and clay lenses in the intermediate aquifer. These intercalations are characterized by a reduced permeability and longer residence time of groundwater. Vertical transport of solutes is partially reduced. This is confirmed by the larger variation of Sr-87/Sr-86 ratios in vertical direction compared to the rather constant isotope ratios in horizontal flow direction.

Grundwässer aus den quartären Lockersedimenten im Einzugsgebiet des Wasserwerkes Liebenau II (NW‐Deutschland) sind durch heterogene Verteilungen der gelösten Inhaltsstoffe charakterisiert. Zur Bestimmung der Herkunft der Lösungskomponenten und zur Ermittlung von Grundwasserfließwegen wurden Sr‐Isotopenuntersuchungen an Grundwässern, Niederschlagswässern und Sedimentproben durchgeführt. Die 87Sr/86Sr‐Verhältnisse der Grundwässer liegen im Bereich von 0.708 bis 0.719 und ermöglichen eine Unterscheidung von vier Grundwasserhorizonten. Unterschiede in den 87Sr/86Sr‐Verhältnissen resultieren aus verschiedenen Quellen des gelösten Strontiums im Grundwasser. Diese sind geprägt durch die Mineralverwitterung, die Niederschläge und anthropogene Einträge. Für den oberflächennahen Grundwasserbereich sind Einflüsse aus den Niederschlägen und vermutlich aus der landwirtschaftlichen Düngung durch niedrige 87Sr/86Sr‐Verhältnisse zwischen 0.710 und 0.713 indiziert. Mit zunehmender Tiefe dominieren Verwitterungsprozesse die Grundwasserchemie. Über das 87Sr/86Sr‐Verhältnis kann zwischen Silikat‐ und Karbonatauflösung unterschieden werden. Im mittleren Grundwasserhorizont bestätigen hohe 87Sr/86Sr‐Verhältnisse zwischen 0.713 und 0.719 und Sättigungsindices < –3.5 für Calcit den Einfluss verwitternder Silikate. Niedrige 87Sr/86Sr‐Verhältnisse von 0.708 bis 0.709 bei gleichzeitig hohem Sättigungsgrad für Calcit sind auf die Auflösung von Karbonatmineralen in den tiefen Grundwässern zurückzuführen.