Zusammenfassung

Aufgrund zunehmender Verschmutzung der Flüsse spielen die Grundwasserressourcen eine entscheidende Rolle in der Wasserversorgung für die rund acht Millionen Menschen, die im Einzugsgebiet des Pra-Beckens in Ghana leben. Allerdings herrscht Unklarheit über die dauerhafte Qualität des Grundwassers. Bisherige hydrochemische Untersuchungen stützten sich in erster Linie auf statistische Ansätze und enthielten keine spezifischen Informationen über die mineralische Zusammensetzung, welche die Grundwasserqualität beeinflusst. Um diese Wissenslücke zu schließen, haben Evans Manu, Marco De Lucia und Michael Kühn vom Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) und der Universität Potsdam ein wegweisendes konzeptionelles hydrogeochemisches Modell für das Einzugsgebiet entwickelt. Es nutzt kombinatorische inverse geochemische Simulationen, um die chemische Entwicklung des Grundwassers entlang eines hypothetischen Fließweges zu erklären. Damit konnte eine Mineralzusammensetzung ermittelt werden, die sehr gut mit den Feldbeobachtungen übereinstimmt. Die hier vorgestellten Modellierungstechniken lassen sich auch für andere Regionen anwenden. Die Ergebnisse dieser Studie wurden als Titelgeschichte in der Zeitschrift „Minerals“ veröffentlicht.

Hintergrund: Die Wasserversorgung im Pra-Becken in Ghana

Das Pra-Becken befindet sich im Süden Ghanas (Westafrika) und umfasst eine Fläche von etwa 23.000 Quadratkilometern. Bisherige Forschungen deuten darauf hin, dass das Becken über ausreichende Wasserressourcen verfügt, einschließlich dichter Flussnetze und Grundwasserreserven, um den derzeitigen und künftigen Wasserbedarf der rund acht Millionen Anwohner zu decken.

„Leider haben illegale Bergbauaktivitäten zu einer starken Verschmutzung der meisten Flüsse geführt, so dass man sich zunehmend auf das Grundwasser als alternative Wasserquelle verlassen muss. Das Verständnis über die Qualität des Grundwassers, insbesondere die regionalen Faktoren, welche die mineralische Zusammensetzung beeinflussen, ist allerdings nach wie vor begrenzt. Das behindert eine wirksame und nachhaltige Bewirtschaftung der Ressourcen“, erläutert Evans Manu, Doktorand am GFZ und Hauptautor der Studie. Der ghanaische Geophysiker arbeitete vor seiner Promotion als Forscher mit dem Schwerpunkt Grundwasser am „Water Research Institute“ des „Council for Scientific and Industrial Research“ in Ghana.

Neuer Ansatz für ein besseres Verständnis der Grundwasserqualität

Vor diesem Hintergrund entwickelte Evans Manu ein Forschungsprojekt für seine Doktorarbeit in der GFZ-Sektion 3.4 „Fluidsystemmodellierung“. Es wurde vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) gefördert. Für die nun als Titelgeschichte im Fachmagazin „Minerals“ gehighlightete Studie arbeitete er mit Marco De Lucia, Wissenschaftler in der Sektion, und Michael Kühn, dem Leiter der Sektion und Professor für Hydrogeologie an der Universität Potsdam, zusammen. Die Forscher haben ein konzeptionell neues Modell des Pra-Beckens entwickelt und ein solches Modell erstmals mithilfe von inversen geochemischen Modellen und Reaktionspfadmodellen getestet, um zu ermitteln, welche Minerale die chemische Entwicklung des Grundwassers wesentlich beeinflussen.

Die aktuelle Arbeit stützt sich unter anderem auf frühere Forschungen von Evans Manu. Mit verschiedenen geophysikalischen Techniken wie der Messung des elektrischen Widerstands sowie elektromagnetischer und geophysikalischer Eigenschaften hat er Grundwasserressourcen in verschiedenen Gebieten Ghanas und darüber hinaus erforscht und bewertet.

„Die vorliegende Studie leistet Pionierarbeit: Sie stellt erstmals eine umfassende Untersuchung dar, die hydrochemische Daten, stabile Isotopenverhältnisse und Informationen aus Gesteinsproben integriert, um die geochemischen Prozesse zu bestimmen, welche die Entwicklung der Grundwasserqualität im Pra-Becken steuern“, sagt Michael Kühn.

Die Entwicklung des konzeptionellen Modells

Im Allgemeinen bilden sich Grundwasservorkommen durch Regen, der versickert und sich vertikal bis zum Grundwasserleiter bewegt. Darin findet vor allem horizontaler Fluss statt, der im Wesentlichen der Topographie folgt. Zwischen dem Wasser, dem Boden und dem Gestein finden geochemische Wechselwirkungen statt.

Für die Analyse von Reaktionen in solchen natürlichen geologischen Systemen aus Gesteinen, Mineralen und Fluiden sind geochemische Modelle unerlässlich. Diese Modelle basieren auf den Grundsätzen der Thermodynamik, Kinetik, Massenbilanz und Fluiddynamik und helfen bei der Quantifizierung geochemischer Prozesse, einschließlich Auflösung, Ausfällung, Sorption und Ionenaustausch, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers steuern.

In einer früheren Studie identifizierten die Wissenschaftler mit Hilfe der hierarchischen Clusteranalyse drei regionale Zonen im Pra-Becken als Grundlage für die hypothetische Nord-Süd-Flussrichtung des Grundwassers, wobei diese den topografischen Bedingungen des Geländes folgt: Die nördliche Zone mit den höchsten Erhebungen ist hier das Hauptanreicherungsgebiet und Regenwasser die Hauptquelle. Es trägt hauptsächlich in der nördlichen Zone bei und ist im mittleren und südlichen Teil vernachlässigbar.

Der kombinatorische inverse Ansatz zur Modellierung der Mineralienzusammensetzung

In einem kombinatorischen inversen Modellierungsansatz wurden zunächst alle plausiblen Zusammensetzungen aus einem Pool von Mineralphasen überprüft, um alle möglichen Kombinationen zu ermitteln, welche die gemessenen Felddaten erklären. Insgesamt wurden 14 mineralische Phasen verwendet: primärer Albit, Anorthit, Plagioklas, Phlogopit, Kalifeldspat und Glimmer, Eisen(III)-Hydroxid und Calcit sowie sekundärer Kaolinit, Ca-Montmorillonit, Chlorit, Quarz, Pyrit und Chalcedon. Die berechneten Modelle wurden im Hinblick auf die Zielkonzentrationen bewertet, um die mit der besten Übereinstimmung herauszufiltern. Die endgültige Ermittlung der prognostizierten Minerale wurde dann mithilfe von Reaktionspfadmodellen dahingehend verfeinert, dass sie die beobachtete Zusammensetzung entlang des Fließpfades erklären konnte. Insgesamt unterteilten die Forscher das Grundwasser in vier Gruppen und fünf Untergruppen, je nach pH-Wert und mineralischer Zusammensetzung.

Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein bestimmen die chemische Entwicklung des Grundwassers

„Trotz der inhärenten großen Heterogenität des hydrochemischen Datensatzes haben die in dieser Studie entwickelten inversen Modelle erfolgreich eindeutige 'beste' Mineralzusammensetzungen ergeben, die mit den Feldbeobachtungen übereinstimmen", resümiert Evans Manu. Die Ergebnisse unterstreichen, dass die Verwitterung von Silikatmineralen, einschließlich Albit, Anorthit, Plagioklas, Kalifeldspat und Chalcedon, die wichtigsten Prozesse sind, welche die chemische Entwicklung des Grundwassers im Pra-Becken bestimmen.

„Insgesamt liefert unsere Studie ein Konzept für die chemische Entwicklung des Grundwassers eines regionalen Einzugsgebiets und damit einen Beitrag für die Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen im Pra-Becken. Darüber hinaus kann unsere numerische Modellierung in ähnlichen Regionen mit großer chemischer Heterogenität des Wassers und begrenztem Wissen über die Mineralogie des Grundwasserleiters angewandt werden", resümiert Michael Kühn.

Originalstudie: Manu, E., De Lucia, M. and Kühn, M., 2023. Water–Rock Interactions Driving Groundwater Composition in the Pra Basin (Ghana) Identified by Combinatorial Inverse Geochemical Modelling. Minerals, 13(7), p.899. DOI: https://doi.org/10.3390/min13070899