Hydrogeologie des StuttgarterMineralwassersystems

Schriftenreihe des Amtes fürUmweltschutz - Heft 3/2006

Landeshauptstadt StuttgartAmt für Umweltschutz

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Im Südwestdeutschen Schichtstufenland treten imOberen Muschelkalk neben den typischen gering-mineralisierten Karstgrundwässern bereichsweiseauch hochkonzentrierte Mineral-Thermalwässer vomTyp Na-Ca-Cl-SO4-HCO3 bzw. Ca-Na-Cl-SO4-HCO3

auf mit Feststoffinhalten zwischen 4 und 6 g/l.Dazu zählen auch die im Stadtgebiet Stuttgart aus-tretenden und 500 l/s schüttenden sog. Bad Cann-statter und Berger Mineral- und Heilquellen. Da sichder hohe gelöste Feststoffinhalt dieser Wässer nichtaus den durchströmten Kalk-, Dolomit- und Ton-steinen des Oberen Muschelkalks ableiten lässt, sindvertikale Wechselwirkungen mit anderen Aquifer-systemen zu folgern. Der Frage der Herkunft desStoffbestands und der Quantifizierung vonMischungsprozessen wird mit der Bestimmung des87Sr/86Sr-Strontium-Isotopenverhältnisses an 37 stra-tigraphisch zugeordneten Gesteins- und 50 Grund-wasserproben aus dem Grund- und DeckgebirgeSüdwestdeutschlands nachgegangen. Die Sr-Isoto-penwerte der unter weitgehend marinen Bedingun-gen abgelagerten Schichtglieder der Trias vom ober-sten Buntsandstein (Myophorienschichten, Röt) biszum Oberen Muschelkalk liegen in der Größenord-nung von 0,7081 bis 0,7096. Dagegen verschiebtsich das Isotopenverhältnis der Gesteine im Keuperzu etwas höheren Werten (0,7079 bis 0,7115).Beide Wertebereiche für das Deckgebirge hebensich signifikant von den deutlich höheren Sr-Isoto-

penverhältnissen des variscischen Grundgebirges ab. Infolge von Wasser-Gesteins-Wechselwirkungenwerden die Isotopensignaturen der Gesteine an dasGrundwasser vererbt. Dadurch zeigen Wässer, dieirgendwann im Zuge der Untergrundpassage mitKristallingesteinen kontaktierten, eine erhöhte Sr-Isotopensignatur. Abhängig vom Mischungsverhält-nis bzw. dem Ausmaß von Verdünnung ist diese miteinem ausreichenden Kontrast zu den Wässern ausden Triasgesteinen (Solen Mittlerer Muschelkalk:0,7080 bis 0,7082; Karstgrundwässer ObererMuschelkalk: 0,7081 bis 0,7085) versehen.

Bei den im Oberen Muschelkalk erschlossenen Stuttgarter Mineralwässern und den Mineralther-men des Albvorlands verschiebt sich mit zunehmen-dem Feststoffinhalt auch das Sr-Isotopenverhältniszu Wertebereichen (0,7102 bis 0,7114), die deutlichoberhalb der Muschelkalk-Gesteinswerte liegen.Dies legt Mischungsbeziehungen nahe, an welchenneben Wässern aus dem Buntsandstein und Mittle-ren Muschelkalk auch solche aus dem kristallinenGrundgebirge beteiligt sein müssen. Das aus Hydro-chemie und Isotopie abzuleitende hydraulischeModell entspricht daher einem intensiven vertikalenGrundwasseraufstieg hochsalinarer Wässer entlangvon Störungszonen (cross formation flow), die sichim Oberen Muschelkalk mit dem Karstgrundwasser-strom durchmischen.

Strontium (87Sr/86Sr)-Isotopie salinarer Mineral- undThermalwässer im Oberen Muschelkalk –

Entwicklung eines GenesemodellsWolfgang Ufrecht & Stefan Hölzl

Zusammenfassung

Hydrogeologie des Stuttgarter Mineralwassersystems –Schriftenreihe des Amtes für Umweltschutz, Heft 3/2006: 49 – 68; Stuttgart 2006.

Anschriften der Verfasser: Dr. Wolfgang UFRECHT, Amt für Umweltschutz Stadt Stuttgart, Gaisburgstr. 4, 70182 Stuttgart, e-mail: wolfgang.ufrecht@stuttgart.de; Prof. Dr. Stefan HÖLZL, Bayerische Staatssammlung für Paläontologie und Geologie,Richard-Wagner-Str. 10, 80333 München.

In den Aquiferen des Südwestdeutschen Schicht-stufenlandes, insbesondere im Buntsandstein, Oberen Muschelkalk und Sandsteinkeuper, kommenin einiger Entfernung zu den Stufenrändern bzw.Schichtausstrichen mineralisierte Wässer vor. ImOberen Muschelkalk, der aus bereichsweise stark

verkarstetem Kalk- und Dolomitstein mit zwischen-geschalteten Tonsteinen besteht, sind geringminera-lisierte Grundwässer mit Ca-HCO3-Charakter (Fest-stoffinhalt 0,5 bis 1,5 g/l) zu erwarten. Einige derdort erschlossenen Wässer sind jedoch vom Typ Na-Ca-Cl-SO4-(HCO3) bzw. Ca-Na-Cl-SO4-HCO3 mit

1. Einleitung

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CHAUDHURI (1978) hat als erster darauf aufmerksamgemacht, dass Strontiumisotope ein wichtiges Werk-zeug zur Erkundung der Herkunft und chemischenEntwicklung von Grundwässern, insbesondere abervon Sole- und Formationswässern sind. Am Beispielvon Ölfeld-Wässern in Kansas und Colorado wies erAnreicherungen in der Lösung von 87Sr gegenüberdem Aquifergestein nach und erschloss aufgrundder isotopischen Prägung des Wassers außerhalbdes betrachteten Systems die hydraulischen Zusam-menhänge und Interaktionen der Wässer. Heute istdie Analyse der Strontiumisotopie fester Bestandteilbei der Untersuchung tiefer Aquifersysteme.Mit der Bestimmung der 87Sr/86Sr-Verhältnisse anGesteinen und Grundwässern aus dem Grund- undDeckgebirge Südwestdeutschlands wird die Daten-basis geschaffen, um Wechselwirkungen zwischenGrundwasserstockwerken zu erkennen und dadurchden Prozess der Mineralisierung der Tiefenwässer zubeleuchten. Dieser methodische Ansatz impliziert,dass signifikante Beziehungen der Strontium-Isoto-pie zwischen den Festgesteinen und den darin zir-kulierenden Wässern bestehen und einzelne hydro-geologische Einheiten tatsächlich charakteristischeStrontium-Isotopensignaturen aufweisen. Isotopen-kontraste in der Gesteinsabfolge der Trias, auf diesich nachgehende Untersuchungen konzentrieren,sind schon aus den häufig wechselnden Bildungs-bedingungen im Germanischen Becken zu erwarten.

Insgesamt wurden die 87Sr/86Sr -Verhältnisse von 37Gesteins- und 50 Grundwasserproben bestimmt. An den Grundwasserproben wurden zusätzlich auch

Strontium-Konzentrationen ermittelt. Von allen Pro-ben liegen hydrochemische Übersichtsanalysen vor.Die Gesteinsproben wurden aus vier Bohrungen (1: Bohrung Ravenstein, Ballenberg, 2: BohrungSüdwestdeutsche Salzwerke AG Heilbronn, 3: Boh-rung Stuttgart 21 Stuttgart-Wangen, 4: BohrungStuttgart 21 Stuttgart-Degerloch) stratigraphischhorizontiert entnommen. Die gekernten Bohrungenumfassen lückenlos die Schichtenfolge vom ober-sten Buntsandstein (Röt) bis zu den Angulaten-schichten des Unterjuras. Die Gesteine des Bunt-sandsteins, Perms und Kristallins konnten in dervorliegenden Arbeit nicht berücksichtigt werden.Hier wird auf Literaturdaten zurückgegriffen. Die Gesteinsproben wurden bewusst nicht gesamt-aufgeschlossen, da soweit als möglich in der Naturablaufende Vorgänge nachgestellt werden sollten.Der natürliche Prozess des Auslaugens (Leaching)von Strontium aus den Gesteinen wurde durch Ver-wendung von destilliertem Wasser und Erhitzenbeschleunigt. Wegen der teilweise hohen Verweil-zeiten des Grundwassers in den Aquiferen wird inder Natur vermutlich sehr viel mehr Strontium ausden Gesteinen freigesetzt, als dies im Labor möglichwar, jedoch ist dies ohne Auswirkung auf die Sr-Iso-topie.

Bei der Auswahl des Probenmaterials aus den Bohr-kernen stand die Erfassung unterschiedlicher litholo-gischer Einheiten im Vordergrund, vorrangig solltefür die Gesteine der Trias ein zeitlich repräsentativesProfil der 87Sr/86Sr-Verhältnisse gewonnen werden.Da die Analyse von nur einer Probe pro Horizont

2. Methodischer Ansatz – Analysenmethoden

Feststoffinhalten zwischen 4 und 6 g/l. Sie unter-scheiden sich damit sehr deutlich vom Karstgrund-wasser. Für den Großraum Stuttgart sind die Wässerzu nennen im Remstal um Beinstein (CARLÉ 1975b),im Neckar-Eyach-Gebiet, im Stadtgebiet Stuttgart(Bad Cannstatter und Berger Mineralquellen;UFRECHT 2002), im Fildergraben (PRESTEL & SCHLOZ

2002) sowie im Bereich der mittleren SchwäbischenAlb einschließlich deren Vorland (VILLINGER 1982). IhrSulfat-, Natrium- und Chloridinhalt ist als allochthonanzusehen. Daher sind Wechselwirkungen mit anderen Aquifersystemen zu folgern. Ein hilfreiches Instrument zur Charakterisierung undHerkunftsbestimmung des gelösten Feststoffgehaltsvon Wässern sowie zur Quantifizierung vonMischungsprozessen sind Strontiumisotope. In dieserArbeit werden 87Sr/86Sr-Analysen an Wässern undGesteinen des Gebietes zwischen Stuttgart und dermittleren Schwäbischen Alb vorgestellt. Zu Ver-

gleichszwecken wurden auch Festgesteine der Germanischen Trias und Tiefenwässer verschiedenerAquifersysteme im Grund- und Deckgebirge Süd-westdeutschlands analysiert. Die Untersuchungensind Bestandteil eines von der LandeshauptstadtStuttgart durchgeführten interdisziplinären Programms zur Genese der Stuttgart-Bad Cannstatterund Berger Mineralwässer (UFRECHT 1998). Die Isoto-penmessungen erfolgten am Institut für Allgemeineund Angewandte Geologie der LMU München, teil-weise im Rahmen einer Diplomarbeit (HORWATH

2000). Die Ergebnisse der hier vorgelegten Isotopenunter-suchungen sind in geringfügig abgewandelter Formauch in UFRECHT & HÖLZL (2006) veröffentlicht wor-den. PRICE et al. (2003) haben die gewonnenen Isotopendaten zum Migrationsverhalten neolithi-scher Bandkeramiker verwendet.

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keine statistische Sicherheit erbringen kann, handeltes sich bei jedem Messergebnis um einen Richtwertfür die betreffende lithologische Einheit (SCHROLL

1975). Dieser Richtwert ist in Bezug auf die Ziel-setzung der Arbeit - Vergleich der 87Sr/86Sr -Verhält-nisse in Wasser und durchströmtem Gestein - ausrei-chend. Erwartungsgemäß werden sich die Isotopen-verhältnisse in marinen Sedimenten besser ausmit-

teln als in denen, die stärkerem kontinentalen Ein-fluss unterlagen.

Die Untersuchung des Grundwassers konzentriertsich auf Proben aus dem Oberen Muschelkalk sowieauf Aquifere im Liegenden (Mittlerer Muschelkalk,Buntsandstein, Kristallin) und im Hangenden (Gips-keuper).

Abb. 1: Übersicht der stratigraphisch horizontiert entnommenen Gesteinsproben in den Bohrungen Stuttgart-Degerloch(12.3), Stuttgart-Wangen (17.4.3), Heilbronn und Ravenstein-Ballenberg. Die Bohrungen erschließen die gesamte Trias abder Röt-Formation des Buntsandsteins sowie den untersten Unterjura (Angulatensandstein-Formation).

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Alle Analysenschritte von der Probenahme bis zurMessung wurden in für die Isotopenanalytik speziellgereinigten Behältnissen und Gerätschaften unterVerwendung aufwändig gereinigter blindwertkon-trollierter Reagenzien (3*-Qualität) und – sofernerforderlich – unter Reinraumbedingungen durch-geführt.

Probenvorbereitung:Gesteinsproben - LaugungsprobenDie unalterierten Gesteinsproben wurden mit einerGesteinspresse zerkleinert und auf eine Korngrößezwischen 0,5 und 2 mm gesiebt. Nach Abtrennungder verbliebenen Staubpartikel durch Spülen mitdestilliertem Wasser wurde das Gesteinsmaterialgetrocknet. Nach Vorversuchen wurde folgende Vorgehensweise festgelegt: Je 12 g Material wer-den mit 60 ml H2O3* versetzt und in abgedecktenBechergläsern für 3 Stunden bei 97°C ausgelaugt.Nach dem Abkühlen werden suspendierte Partikelabfiltriert. Die so gewonnenen Lösungen (Stronti-umgehalte zwischen ca. 0,02 mg/l (Tonsteine) undbis zu 6 mg/l (Gipsstein)) werden unter Zugabe vonwenig 6N HCL3* eingedampft.

WasserprobenProbenahme und Aufbewahrung erfolgten in LDPE-Flaschen. Wegen der verhältnismäßig hohen Stronti-umgehalte konnte bei den Probenahmen aufAnsäuern verzichtet werden. Im Labor wurde jeweils1 ml Wasser entnommen und unter Zugabe vonwenig 6N HCL3* eingedampft.

Strontium-Abtrennung:Der getrocknete Rückstand wurde unter Zugabe von3N HNO3

3* gelöst und davon eine etwa 500 ngStrontium enthaltende Menge in 2 ml fassendenPP-Behältern zentrifugiert. 1 ml der klaren Lösungwurde in PTFE-Proben-bechern eingedampft. DenWasserproben wurde vor dem Eindampfen 0,02 mleiner Tracer-Lösung, die eine genau definierteMenge an hochreinem 84Sr enthielt, hinzugefügt,um zusätzlich eine Konzentrationsbestimmung nachder Isotopenverdünnungsmethode zu ermöglichen.Die Tracer-Zugabe war so berechnet, dass eine hinreichend genaue Konzentrationsbestimmungmöglich war, sich aber durch die Zugabe die87Sr/86Sr-Werte der Proben nicht signifikant verän-dern konnten. Nach dem Eindampfen wurden dieProben in 0,4 ml 3N HNO3

3* aufgenommen und0,5 ml fassenden Trennsäulen zugeführt. DieAbtrennung und Reinigung des Strontiums erfolgtedort nach einer HNO3-Rezeptur in 0,05 ml Sr-spec®

der Fa. Eichrom (USA). Nach der Trennung wurdedie Lösung erneut eingedampft.

Messung der Isotopenverhältnisse:Jeweils 80–100 ng Strontium wurden, gelöst in 1µl2N HCL3*, auf Rhenium-Einbandfilamente geladen,auf welche zuvor 1µl BIRK´scher-Lösung (BIRCK &ALLÉGRE 1978) aufgebracht worden war. Die Mes-sung der Isotopenverhältnisse erfolgte in einemFeststoff-Thermionenmassenspektrometer des TypsFinnigan MAT 261 im dynamischen Modus, beigleichzeitiger Registrierung der Häufigkeiten jeweilsder Massen 88 und 87, 87 und 86, 86 und 85sowie 85 und 84 in Farady-Auffängern. Dabei wurden pro Massenpaar 64 Einzelmessungen in 4Messblöcken durchgeführt. Die Messung der Masse85 diente der Überprüfung auf Rubidium und einerggf. notwendigen Korrektur der 87Sr-Häufigkeit,was jedoch in keinem Fall zu signifikanten Korrektu-ren der Strontium-Isotopenverhältnisse führte. DieMesstemperatur lag zwischen 1300°C und 1400°C,die typischen Signalstärken des 88Sr lagen bei 2,5bis 3,5 V.Die instrumentell bedingte Massenfraktionierungwährend der Messung wurde durch Korrektur aufden natürlichen 88Sr/86Sr-Wert von 8,375 eliminiert.Um systematische Fehler des Messgerätes zu erfas-sen, wurde zu Beginn eines jeden Messtages eininternationaler Isotopenstandard (NBS 987) gemes-sen. Im Messzeitraum betrug der Mittelwert von ins-gesamt 17 Messungen 0,710226, die mittlereAbweichung hiervon betrug ±0,000015. DieserWert stimmt sehr gut mit international akzeptiertenWerten überein. Eine weitere Korrektur der Messer-gebnisse wurde daher nicht durchgeführt. Die Bestimmung der Gesamtblindwerte sowie derMess-Blindwerte ergab, dass signifikante Einflüsseder analytischen Prozeduren auf die Messergebnisseweitestgehend ausgeschlossen werden können.Die Ergebnisse der Einzelanalysen der untersuchtenGesteins- und Wasserproben sind in Tab. 1 und 2zusammengestellt. Die dort genannten analytischenUnsicherheiten für die 87Sr/86Sr-Werte geben dieGenauigkeit der massenspektrometrischen Messun-gen an (2-sigma des jeweiligen Mittelwertes). DieRichtigkeit liegt nach laborinternen Erfahrungswer-ten bei etwa ± 0,0050 % der Messwerte oder bes-ser. Die Richtigkeit der mittels Isotopenverdünnungbestimmten Strontiumgehalte sollte, ebenfalls nachlaborinternen Erfahrungswerten, ±1 % des Mess-wertes oder besser sein.

2.1 Analyse der Strontiumisotopenverhältnisse und –konzentrationen

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lfd.No. Aufschluss Lokalität Aquifer Sulfat

(mg/l)Chlorid

(mg/l)87Sr / 86Sr

2-sigmaabsolut

c(Sr) ges(ppm)

1 Hofrat Seyffer Quelle Stuttgart B/Kr 1722 11447 0,717538 0,000023 3,45

2 Solebrunnen Ludwigsburg-Hoheneck B 4070 9200 0,711047 0,000014 1,06

5 Haalbrunnen Schwäbisch Hall mm 3692 37965 0,708166 0,000022 3,718 Leuzequelle Stuttgart mo 991 1004 0,711121 0,000021 1,219 Inselquelle Stuttgart mo 1204 1452 0,711149 0,000020 1,18

10 Berger Urquell Stuttgart mo 1064 957 0,710229 0,000019 1,08

15 Br. MaurischerGarten Stuttgart mo 631 98 0,708550 0,000017 0,87

21 Kellerbrunnen neu Stuttgart mo 355 51 0,708539 0,000023 0,4334 GWM Mahdental Stuttgart mo 108 48 0,708561 0,000021 0,1435 Br. 2 Fa. Hofbräu Stuttgart mo 193 32 0,708580 0,000020 0,6238 Br. 4 Fa Dinkelacker Stuttgart mo 444 168 0,708818 0,000024 0,7245 GWM 177 Stuttgart mo 709 193 0,709020 0,000017 2,6547 Otto-Therme 1 Bad Überkingen km1-mo 2400 340 0,710214 0,000018 1,2149 Tiefbrunnen Bad Boll km1-mo-mm 1966 1737 0,713444 0,000018 3,8050 Tiefbrunnen Beuren mo 1250 1436 0,710600 0,000010 4,8051 Tiefbrunnen Bad Urach mo 1260 986 0,709789 0,000018 0,8654 GWM 670, Bosch Stuttgart GGS 1330 33 0,708190 0,000019 1,6771 Berg Westquelle Stuttgart mo 843 570 0,709788 0,000022 0,9583 Tiefbohrung Böblingen mo 368 20 0,708666 0,000029 0,3893 Tiefbohrung Böblingen B 660 2710 0,721022 0,000016 1,2594 Tiefbohrung Böblingen Kr 475 2770 0,721985 0,000016 1,29

103 NWB 30 Stuttgart GGS 1187 87 0,708294 0,000021 2,42258 Br. B+B Parkhaus Stuttgart GGS 1550 109 0,708258 0,000020 2,35268 GWM 194 Stuttgart GGS 308 144 0,709001 0,000015 0,36269 Br. 9 Rommelsbach mo 208 3 0,708170 0,000011 4,00289 GWM 205 Stuttgart GGS 215 128 0,708430 0,000009 0,40627 ICE 4a Stuttgart mo 1050 338 0,709310 0,000011 6,90673 GWM 17.1.4 Stuttgart mo 1380 1830 0,711556 0,000020 5,90675 Paulsquelle Bad Mergentheim B-Perm 7620 31270 0,711740 0,000017 4,80

677 Hubbadquelle Ottersweier/Raststatt B-Kr 480 1002 0,714478 0,000020 5,57

678 Schanzenbergquelle Bad Rothefels Kr 121 1967 0,716161 0,000021 0,99679 Friedrichsstollen Baden-Baden Kr 152 1437 0,718210 0,000021 0,76680 Murgquelle Baden-Baden Kr 150 1468 0,718179 0,000019 0,75681 Fettquelle Baden-Baden Kr 154 1450 0,718209 0,000022 0,78682 Quelle 3 Bad Wildbad Kr 32 143 0,720488 0,000018 0,17684 B 1 Bad Herrenalb Kr 609 870 0,718475 0,000019 5,40686 Stahlbadquelle Bad Peterstal Kr 491 42 0,715818 0,000013 5,30688 G1-Bonalwa ad Griesbach Kr 39 7 0,715141 0,000010 0,49691 Hirschquelle 1 Bad Teinach Kr 97 43 0,717794 0,000015 0,11694 Solebrunnen Bad Rappenau mm 2585 158650 0,708174 0,000021 7,21697 Kammer 32/15 Kochendorf mm 4758 189727 0,708025 0,000020 4,49698 Niedernhall Sole Niedernhall B 4675 16612 0,712427 0,000036 9,10699 Karlsquelle 2 Bad Mergentheim B 3535 6340 0,709394 0,000032 5,20702 Donautherme Neu-Ulm Kr-mo 2620 945 0,714511 0,000014 7,80717 TB Ohlsbach Ohlsbach Kr 385 5357 0,713290 0,000018 20,50758 TB Scharnhausen Scharnhausen mo 1400 1720 0,711432 0,000021 6,80

758 TB Scharnhausen,290 m Scharnhausen mo 1400 1910 0,711371 0,000014 7,50

808 GWM S21 5.6/91 Stuttgart km1 3100 3440 0,709269809 GWM S21 5.6/69 Stuttgart km1 3070 2790 0,709279

1000 Meerwasser 0,709060

Tab. 1: Übersicht der untersuchten Grundwasserproben (mit stratigraphischem Bezug) und Ergebnisse der 87Sr/86Sr-Isoto-penbestimmungen. Kr: Kristallin, B: Buntsandstein, mm: Mittlerer Muschelkalk, mo: Oberer Muschelkalk, GGS: Grundgips-schichten, km1: Gipskeuper.

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BohrungEntnahmetiefeje Bohrung [m]

Stratigraphie

Stuttgart-Degerloch (12.3) 2 Unterjura Angulatensandstein8,5 Oolitenbank14,3 Psilonotenschichten

20,5 Oberkeuper Oberer Keuper, Rhät

42,4 Mittlerer Keuper Knollenmergel93,7 Stubensandstein106,3 Stubensandstein123,8 Obere Bunte Mergel144,6 Kieselsandstein149,4 Untere Bunte Mergel177,5 Schilfsandstein185,5 Graue Estherienschichten213,4 Untere Bunte Estheriensch.228,7 Mittlerer Gipshorizont

Stuttgart-Wangen (17.4.3) 44,4 Mittlerer Keuper Mittlerer Gipshorizont55,5 Bleiglanzbankschichten56,7 Dunkelrote Mergel75,3 Bochinger Horizont76,7 Bochinger Bank96,8 Grundgipsschichten

104,5 Unterkeuper Anoplophoradolomit107,5 Untere Graue Mergel114,5 Basisschichten

127,7 Oberer Muschelkalk Künzelsauer Schichten

Heilbronn 80 Oberer Muschelkalk Künzelsauer Schichten96 Tonhorizont beta 2123 Neckarwestheimer Schichten132 Trochitenbank

145 Mittlerer Muschelkalk Ober Dolomitformation155 Obere Sulfatschichten193 Zwischendolomit231 Steinsalzschichten, unteres Salz

243,5 Unterer Muschelkalk Orbicularismergel246,5 Schaumkalkschichten

Ravenstein, Ballenberg 89,8 Buntsandstein Röt, Myophorienschichten89,0 Röt, Myophorienschichten90,2 Röt, Myophorienschichten

Tab. 2: Übersicht der untersuchten Grundwasserproben (mit stratigraphischem Bezug) und Ergebnisse der 87Sr/86Sr-Isoto-penbestimmungen.

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Lithologie 87Sr/86Sr2 sigmaabsolut

Sandstein, feinkörnig 0,712422 0,000017Kalkstein, sparitisch 0,709421 0,000018Tonstein, angewittert 0,710233 0,000012

Tonstein, stark verwittert 0,709997 0,000013

Tonstein, angewittert 0,710006 0,000014Tonstein, rotviolett 0,710814 0,000019Sandstein, feinkörnig, Klasten 0,709703 0,00001Tonstein, schwarzgrau, Rost 0,713959 0,000008Arkose 0,70933 0,000014Gips, knollig, tonig 0,708807 0,000021Sandstein, feinkörnig 0,708646 0,000014Tonstein, schwarzgrau 0,709397 0,000031Gips, knollig, tonig 0,708612 0,000021feinsch. Wechsel Tonstein-Gips 0,708439 0,000022

Gips, massig, grobspätig 0,708079 0,000018Tonstein, grau-grün 0,711299 0,000013Tonstein, dunkelrot 0,710942 0,000013Tonstein, graugrün 0,709193 0,000025Dolomitstein, feinkörnig, grau 0,708415 0,000011Gips, feinkörnig, grauschwarz 0,707925 0,000023

Dolomitstein, feinkörnig, grau 0,710073 0,000026Tonstein, grau 0,711616 0,000021Tonstein, schwarzgrau 0,711588 0,00001

Kalkstein, grau, mikritisch 0,70959 0,000022

Kalkstein, grau, mikritisch 0,708834 0,000024Tonmergelstein, plattig 0,708963 0,00001Kalkstein, mikritisch 0,708378 0,000017Kalkstein, sparitisch 0,708555 0,000016

Dolomitstein, mikritisch 0,708382 0,000016Anhydrit, feinkörnig 0,708264 0,000021Anhydrit, feinkörnig 0,708136 0,000015Steinsalz, spätig 0,708125 0,000018

Kalkstein, mikritisch 0,708056 0,000017Kalkstein, feinsparitisch 0,708955 0,000013

Fasergips 0,70888Gips 0,70852Tonstein 0,70889

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Das kristalline Grundgebirge gehört im zentralenund südlichen Teil des Schichtstufenlands zum Mol-danubikum. Die dort verbreiteten variscischen Granite, die in den Gneissockel intrudierten, zeigen87Sr/86Sr-Gesamtgesteinswerte zwischen 0,709 bis0,904 ((BROOKS et al. 1968; LIEW & HOFMANN 1988).Ähnliche Wertebereiche ergeben die Untersuchun-gen von MATTER et al. (1987) für das nordschweize-rische Kristallin (0,7141 bis 0,8239) und vonHAMEURT & VIDAL (1973) für die mittleren Vogesen(0,7149 bis 0,8038). MÖLLER et al. (1998) analysier-ten variscische Granite in der Gegend von KarlovyVary (Tschechische Republik) und stellten 87Sr/86Sr-Verhältnisse im Bereich von 0,7186 bis 0,7399 fest.Die metamorphen Gesteine des prävariscischen Sockels haben Sr-Isotopenverhältnisse von 0,710 bis0,732 (HOFMANN & KÖHLER 1973).Für Sedimente aus den süddeutschen Permokarbon-trögen liegen keine Angaben zur Strontiumisotopievor. Außerhalb des süddeutschen Ablagerungsraumssind die spätpermischen flachmarinen Karbonateder Bellerophon-Schichten sowie die Evaporite desHaselgebirges mit Strontiumisotopenverhältnissenvon 0,7070 bis 0,7098 (SPÖTL & PAK 1996) belegt.Die Werte für den norddeutschen Zechstein betra-gen im Mittel 0,7070 (KAMPSCHULTE et al. 1998).Der Buntsandstein besteht überwiegend aus denAbtragungsprodukten des Kristallins. Bei der Verwit-terung des variscischen Gebirges und beim Trans-port des Verwitterungsschutts in das GermanischeBecken kam es aber zu einer Differenzierung desprimären Mineralbestands. Plagioklas, der im Kristal-lin als Hauptlieferant für Strontium gesehen wird,fehlt im Buntsandstein weitgehend (RAMSEYER 1987,KRETZSCHMAR 1995). Die aus der NAGRA-TiefbohrungWeiach an Anhydritzement und einer calcitischenCaliche-Knolle gemessenen Isotopenverhältnisse liegen übereinstimmend bei 0,71024 bzw. 0,71042.Sie spiegeln nach MATTER et al. (1987) und PEARSON

et al. (1991) die Sr-Isotopenzusammensetzung vonPorenwässern zur Buntsandsteinzeit wieder. Faser-gips, Gipsknollen und Tone aus den Myophorien-schichten des obersten Buntsandsteins (Röt) weisenWerte von 0,7085 bis 0,7088 auf. Der übereinstim-mende Wertebereich bei den Ton- und Sulfatge-steinsproben zeigt den geringen terrestrischen Ein-fluss, wie er im Mittleren Keuper deutlich wird, undlässt daher auf ein salinar-marines Ablagerungs-milieu während des Röts schließen. Werte in glei-cher Größenordnung beschreiben SPÖTL & PAK

(1996) von untertriadischen Evaporiten der Nördli-chen Kalkalpen (Reichenhall-, Gutenstein- und Wer-fen-Formation), die marine Scyth- und Anis-Sulfaterepräsentieren.

Die Kalke des Unteren Muschelkalks ergeben Sr-Iso-topenverhältnisse von 0,7081 und 0,7090, die Eva-porite und Dolomite des Mittleren Muschelkalksvariieren in ihren 87Sr/86Sr-Verhältnissen zwischen0,7081 und 0,7084, während die untersuchtenKalke und Tone des Oberen Muschelkalks mit0,7084 bis 0,7096 etwas höhere Isotopenverhält-nisse zeigen. Es fällt auf, dass sich zwischen denKarbonaten und den zwischengelagerten Tonsteinen(z.B. Tonhorizonte, Hassmersheimer Schichten) keinesignifikanten Unterschiede ergeben. Insgesamt sinddie im Oberen Muschelkalk bestimmten Isotopen-werte aber etwas höher als die von KORTE (1999) anBrachiopoden gemessenen. Dies liegt in erster Liniedaran, dass der Festgesteinsaufschluss auch den87Sr-reicheren terrigenen Silikatanteil mit einschließt,während die Fossilschale aus dem Meerwasser aus-gefälltes reines Karbonat umfasst. Anhand von stra-tifiziert entnommenen Brachiopoden hat KORTE

(1999) eingehend die Strontiumisotopie des germa-notypen Oberen Muschelkalks untersucht und nurgeringe Schwankungen zwischen 0,70773 und 0,7079 festgestellt. Durch den vermehrten Eintrag kontinentalen Materi-als während des Keupers liefern die klastischenSedimentgesteine durch ihren hohen Anteil anradiogenem Strontium teilweise sehr hohe Isotopen-verhältnisse. Bei den Tonen des Unterkeupers wur-den Werte von 0,71162 und 0,71159 gemessen.Die an Anhydrit, Dolomit, Tonmergel, Ton und Sand-stein aus dem Mittleren Keuper ermittelten Sr-Isoto-penverhältnisse liegen zwischen 0,7079 und0,7097. Eine Ausnahme bilden die analysierten Tonebzw. Mergel aus dem Gipskeuper (Dunkelrote Mer-gel, Bleiglanzbankschichten), den Oberen BuntenMergeln und den Stubensandstein-Schichten, diemit höheren Werten zwischen 0,7108 und 0,714hervortreten. Auch hier deuten die hohen Isotopen-verhältnisse auf einen hohen radiogenen 87Sr-Anteilaus Rb-haltigen Mineralen hin. Die Tone des Oberen Keupers und des Unterjuras(Psilonotenschichten) zeigen sehr ähnliche Sr-Isoto-penverhältnisse von 0,7100 bis 0,7102. Der spariti-sche Kalk der Oolithenbank (Angulatenschichten)weist einen niedrigeren Wert von 0,7094 auf. Durcheinen beträchtlichen Anteil an Rb-haltigen Alkali-feldspäten ist das 87Sr/86Sr-Verhältnis im Angulaten-sandstein auf 0,7124 erhöht.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dassdie Isotopenwerte für die unter weitgehend marinenBedingungen abgeschiedenen Schichtglieder vomobersten Buntsandstein (Röt, Myophorienschichten)bis zum Oberen Muschelkalk in nahezu gleicher

3. Strontiumisotopie der Festgesteine

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Abb. 2: Strontium-Isotopie der Germanischen Trias im Süddeutschen Schichtstufenland und angrenzender Gebiete. � :87Sr/86Sr-Wertebereiche nach BURKE et al. (1982) und KOEPNICK et al .(1990) für die tethyale Trias. � : Meerwasser rezentnach FAURE (1986). Mittelwertbildung der Strontium-Isotopenwerte einzelner Straten nach Daten aus AUBERT, STILLE & PROBST

(2001), BROOKS, WENDT & HARRE (1968), GERMANN, LANG, WERNER & FRIEDRICH (1994), GERSTENBERGER (1991), HAMEURT & VIDAL

(1973), KAMPSCHULTE, BUHL & STRAUSS (1998), KOEPNICK, DENISON, BURKE, HETHERINGTON & DAHL (1990), KORTE (1999), KRAMM &WEDEPOHL (1991), MATTER, PETERS & RAMSEYER (1987), MÖLLER, DULSKI, GERSTENBERGER, MORTEANI & FUGANTI (1998), SPÖTL & PAK

(1996), ZEH & GENG (2001).

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Größenordnung liegen. Dagegen verschiebt sich dasIsotopenverhältnis der Gesteine im Keuper undUnterjura zu etwas höheren Werten. Dieser Trendgeht konform mit der Änderung der Sedimentati-onsverhältnisse im Germanischen Becken, das imKeuper verstärkt epikontinentalen Ablagerungsbe-dingungen unterlag. Die Entwicklung der 87Sr/86Sr-Verhältnisse im Meerwasser steht daher in direktemZusammenhang mit der Relation von marinem undkontinentalem Eintrag, die wiederum durch eustati-sche Meeresspiegelschwankungen bzw. durch tekto-nisch kontrollierte Anbindung des GermanischenRandbeckens an die Tethys gesteuert wird. Dieserüberörtliche Einfluss bestätigt sich auch in dergrundsätzlichen Übereinstimmung der Strontiumiso-topenverhältnisse für andere Gebiete im Germani-schen Becken, aber außerhalb des SüddeutschenSchichstufenlands. Dies belegen Untersuchungenvon MATTER et al. (1987) für die triassischen Gesteineder Nordschweiz. In Abb. 2 sind die Strontiumiso-topenwerte der Karbonate und Evaporite aus demSüddeutschen Schichtstufenland der von KOEPNICK etal. (1990) erstellten 87Sr/86Sr-Meerwasserkurvegegenübergestellt. Letztere repräsentiert eine

Abschätzung der 87Sr/86Sr-Verhältnisse des Meer-wassers der Tethys. Für das Zeitfenster vom Zech-stein bis zum Unterjura ist dort ein Wertebereichvon anfänglich 0,7070 dokumentiert, der schwachansteigend bis zum Keuper etwa 0,7080 erreicht.Dagegen zeigen die im Rahmen dieser Arbeit strati-graphisch horizontiert entnommenen Tonsteine,Karbonate und Evaporite aus Oberstem Buntsand-stein (Röt, Myophorienschichten), Muschelkalk undKeuper im Vergleich mit der Meerwasserkurvegrundsätzlich etwas höhere Werte, die zwischen0,7081 und 0,7105 variieren. Für die marin gesteu-erten Sedimentationsphasen im Germanischen Becken weichen die Sr-Isotopensignaturen also nurunwesentlich von der tethyalen Meereskurve ab. Ein signifikanter Anstieg der Sr-Isotopenverhältnisseerfolgt dann mit der verstärkten Zufuhr terrestri-scher Schüttungen ab dem Keuper. Obwohl es sichbei den Schüttungen im wesentlichen um Abtra-gungsprodukte kristalliner Gesteine des vindelizi-schen Festlandes handelt, erreichen die Isotopen-werte im abgelagerten Deckgebirge aber aus bereitsgenannten Gründen nicht die Größenordnungen,wie sie in den Edukten gemessen werden.

Abb. 3: 87Sr/86Sr-Meerwasserkurve des Phanerozoikums, verändert nach BURKE et al. (1982). Der in der Graphik markiertestratigraphische Ausschnitt wird durch die stratigraphische Abfolge der Bohrungen Stuttgart (Wangen und Degerloch),Heilbronn und Ravenstein-Ballenberg abgedeckt (vgl. Abb. 1 und 2).

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Die analysierten Wässer aus dem Kristallin desSchwarzwalds sowie aus Tiefbohrungen im Schicht-stufenland, die das Kristallin in großer Tiefe erschlie-ßen, zeichnen sich durch hohe Sr-Isotopenverhältnis-se zwischen 0,7132 und 0,7220 aus mit allerdingsstark variierender Strontium-Konzentration undhydrochemischer Charakteristik (Tab. 2). Von MATTER

et al. (1987) wurden Kluftwässer des Kristallins derNordschweiz untersucht, deren Sr-Isotopenverhält-nisse zwischen 0,7144 und 0,7178 liegen. MÖLLER etal. (1998) analysierten Grundwässer variscischerGranite in der Gegend von Karlovy Vary (Tschechi-sche Republik) und stellten 87Sr/86Sr-Verhältnisse von0,7173 bis 0,7240 fest. Aus den einheitlich hohenIsotopenverhältnissen, die signifikant über denender Grundwässer aus dem Deckgebirge liegen,ergibt sich - unabhängig von der Sr-Konzentration -eine eindeutige Isotopen-Charakteristik der kristalli-nen Wässer. Da die Sr-Isotopenwerte der Wässeraber generell unter denen der durchströmtenGesteine bleiben, kann auf eine selektive Mineral-verwitterung im Gesteinsverband geschlossen wer-den. Die Minerale in den Kristallingesteinen besitzenunterschiedliche Sr-Isotopensignaturen. Sr-reiche Pla-gioklase werden bevorzugt, wohingegen Rb-reicheGlimmer und Alkalifeldspäte gegenüber der chemi-schen Verwitterung resistenter reagieren (CHAUDHURI

& CLAUER 1992; MATTER et al. 1987). Im allgemeinenbesitzen Plagioklase weniger radiogene, also niedri-gere Sr-Isotopenverhältnisse als das Gesamtgestein,in jedem Fall aber höhere als die leicht löslichen Karbonate und Evaporite der Trias. STOBER & BUCHER

(2000) weisen anhand des gut korrelierten Ca/Sr-Verhältnisses darauf hin, dass für die Grundwässerim Kristallin des Schwarzwaldes intensive Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen bestehen und die Pla-gioklas-Verwitterung einen entscheidenden Beitragzum Chemismus des Wassers liefert.

Die bei den untersuchten Wässern im kristallinenGrundgebirge des Schwarzwalds festzustellendehydrochemische Vielfalt und in geringerem Maßeauch isotopische Varianz lässt unterschiedliche Ent-stehungsmechanismen vermuten. Neben Wasser-Gesteins-Reaktionen im Kristallin selbst ist auch hierdie Beteiligung fossilen Meerwassers oder einer sali-naren Komponente aus dem Deckgebirge in Erwä-gung zu ziehen. Als weitgehend originäre Kristallin-wässer, aber unterschiedlich tief greifenden Zirkula-tionssystemen angehörend, werden die Wässer derMittelschwarzwälder Mineralwasser- und Kohlen-säureprovinz (686, 688, 691, geringmineralisiert, TypCa-HCO3-SO4; 87Sr/86Sr: 0,7151-0,7177) sowie des

Nordschwarzwälder Granitmassivs (678-681, höhermineralisiert, Typ vorw. NaCl; 87Sr/86Sr: 0,7161-0,7182) angesehen (STOBER 1995). Die Wässer 1und 94 (hochmineralisiert, Typ: NaCl) sind durchTiefbohrungen unter mächtiger Bedeckung des Kristallins mit Sedimentgesteinen erschlossen. Essind Wässer des Na-Cl-Typs mit Feststoffgehaltenvon bis zu 25 g/l. Das Wasser der Tiefbohrung Böblingen (94) weist mit 0,72198 die höchste Sr-Iso-topensignatur aller untersuchten Kristallinwässerauf. Bei Neu-Ulm (702) besteht zwischen dem kri-stallinen Sockel und dem hier direkt darüber liegen-den Muschelkalk keine hydraulische Trennung.Daher ist auch die gemessene Isotopensignaturnicht für den Oberen Muschelkalk spezifisch. STOBER

et al. (1999) schließen für den Wassertyp in Ohls-bach (717) in Verbindung mit dem Chlorid/Brom-Verhältnis von Cl/Br = 292, das dem des rezentenMeerwassers sehr nahe kommt, auf den Einflussvon fossilem Meerwasser von tertiärzeitlichen (?)Ingressionen. Die gegenüber dem Meerwasserhöheren Strontiumisotopenwerte erklären sich mitnachträglich erfolgten Wasser-Gesteins-Reaktionenim Kristallin.

Unabhängig von der primären Quelle für den gelö-sten Stoffbestand haben nahezu alle Kristallin-Wäs-ser eine signifikant hohe 87Sr/86Sr-Signatur > 0,714mit im Mittel um 0,718. Diese ist höher als in terri-genen Keupergesteinen und erst recht höher als inden leicht löslichen Trias-Karbonaten und Evapori-ten. Sollte Wasser aus dem Kristallin an Mischungs-reihen beteiligt sein, ist dessen isotopische Prägungin jedem Fall signifikant und aufgrund des hohenKontrasts zu den Triasgesteinen auch bei geringenMischungsanteilen noch sichtbar.

Im Buntsandstein ist vom Schichtausbiss amSchwarzwaldostrand mit zunehmender Über-deckung nach Osten und Nordosten eine hydroche-mische Entwicklung zu hochmineralisierten Wässernvom Typ Na-Cl-Sole zu beobachten, wie sie Böblin-gen (No. 93, Feststoffgehalt 5,5 bis 6,5 g/l), Stutt-gart (Hofrat Seyffer Quelle, No. 1, Feststoffgehaltbis 30 g/l), Ludwigsburg (No.2), Bonlanden (Fest-stoffgehalt 11 g/l) oder unter der Schwäbischen Albin Bad Urach (TB Urach 3 Unterer Muschel-kalk/Buntsandstein, Feststoffgehalt 26,5 g/l) mitallen Übergängen zu finden ist. Die Entwicklung inder Achse Böblingen-Stuttgart-Ludwigsburg setztsich wahrscheinlich bis in das Zentrum der hochkon-zentrierten Hohenloher Buntsandsteinwässer fort.Die dort von CARLÉ (1956, 1975a) beschriebenen

4. Strontiumisotopie von Wässern im Kristallin undSüdwestdeutschen Schichtstufenland (Deckgebirge)

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NaCl-Salinarwässer weisen Gesamtkonzentrationenvon bis zu 75 g/l. auf.Mit Ausnahme der Probe Böblingen (93) sind die87Sr/86Sr-Verhältnisse der hochsalinaren Wässer (TypNaCl) aus den Sedimentgesteinen des Buntsand-steins mit Werten zwischen 0,7094 (699) und0,7145 (677) generell kleiner als diejenigen der kristallinen Wässer, aber größer als die des MittlerenMuschelkalksalinars. Die untersuchten Buntsand-steinwässer zeigen mit Ausnahme der Hubbadquelle(677) steigende Strontium-Isotopenverhältnisse inVerbindung mit einer Zunahme der Strontium- undder Chloridkonzentration. Die Wertebereiche derWässer im Buntsandstein sind im Sr-Isotopenverhält-

nis vergleichbar mit denen der Bad Cannstatter undBerger Mineralwässer (Oberer Muschelkalk), dieChloridkonzentrationen sind jedoch deutlich höher. Die Ähnlichkeit der Isotopie zwischen dem Wasserder Böblinger Buntsandsteinsole (93) und derbenachbarten Kristallinsole (94) lässt hydraulischeWechselwirkungen im Zuge des Förderbetriebs ver-muten. In der Hofrat Seyffer Quelle (1) ist Buntsand-stein und Kristallin erschlossen. Zudem dürften überStörungen Wässer aus dem Mittleren Muschelkalkstockwerksübergreifend eingebunden sein.Bei einem Vergleich der allerdings nur auf wenigenDaten basierenden Gesteinsisotopenwerte für denBuntsandstein (0,708 bis 0,710, Röt: 0,7085-

Abb. 4: Lage der beprobten Grundwasseraufschlüsse im Schwarzwald-Kristallin und Süddeutschen Schichtstufenland. Diefarbig ausgefüllten Kreissymbole markieren den erschlossenen Grundwasserleiter.

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0,7088) mit den Isotopenwerten für das gelösteStrontium zeigen die meisten Proben mit Ausnahmeder Karlsquelle Bad Mergentheim (699) keine Über-einstimmung. Die Werte für die hochsalinarenBuntsandsteinwässer liegen zumeist darüber. UnterBerücksichtigung der genannten (und bisherbekannten) Gesteinssignaturen weisen die Strontium-isotopenwerte im Wasser auf eine die Isotopensi-gnatur prägende allochthone Komponente hin. Diesschließt jedoch die Beteiligung einer autochthonenSalinarkomponente aus dem Buntsandstein selbstnicht aus, wie sie CARLÉ (1956, 1975a) und FELS et al.(2003) durch den Nachweis von idiomorphen Stein-salzkristallen im Porenraum des Röts ableiten. Bezüglich der Annahme einer Zumischung alloch-thoner Wässer wird eine Mischungsbeziehung 1postuliert, auf der die Wässer des Buntsandsteins alsProdukt einer Mischung liegen. Als deren Endgliederkommen die Wässer des Mittleren Muschelkalksund des Kristallins in Frage. Möglicherweise mussfür die Buntsandsteinwässer im nördlichen Baden-Württemberg die Mischung um ein Zechstein-Gliedergänzt werden, das aber allein mit der Strontium-Isotopie aufgrund zu geringer Kontraste nicht verifi-ziert werden kann. Für die Kristallin-Komponente istanzumerken, dass im nördlichen Baden-Württem-berg der variscische Untergrund dem Saxothuringi-kum zugeordnet wird und dessen Sr-Isotopensigna-turen hier nicht untersucht sind.

Die Wässer des Mittleren Muschelkalks zeichnensich durch niedrige 87Sr/86Sr-Verhältnisse (0,7080 bis0,7082) und hohe Sr-Konzentrationen aus. DieWerte liegen in einem sehr engen Bereich. Die Pro-ben 694 und 697 stammen direkt vom Kontakt-bereich zu den Salinargesteinen (Salzspiegel). ImVergleich dazu ist Probe 5 stark verdünnt, beideGruppen zeigen jedoch unabhängig von der Höheder Mineralisierung die gleiche Sr-Isotopensignatur.Die 87Sr/86Sr-Verhältnisse der analysierten Gesteinedes Mittleren Muschelkalks und die der zugehörigenWässer weisen praktisch identische Werte auf. Dieuntersuchten Wässer können daher als repräsentativfür das Salinar des Mittleren Muschelkalks betrach-tet werden.

Die 87Sr/86Sr-Verhältnisse der geringmineralisiertenKarstwässer im Oberen Muschelkalk (21, 34, 83:identische Werte von 0,7085; 269: 0,7081) entspre-chen exakt den Befunden der Gesteine (0,7083 bis0,7089). Diesen Zusammenhang zeigen die Karst-wässer unabhängig von ihrer Verweilzeit, die imAquifersystem des Muschelkalks sehr unterschiedlichist (z.B. 83: wenige Jahre, 269: ca. 10.000 Jahre;UFRECHT 2002, 2006). Entlang des Keuperstufen-rands und in Keuperrandbuchten, wie z.B. im Stutt-

garter Talkessel, kann zwar im Zuge des Neubil-dungsprozesses aus dem Gipskeuper Sulfat zuge-führt und dadurch der Lösungsinhalt erhöht wer-den. Dies führt jedoch nicht zu einer Veränderungder Sr-Isotopenverhältnisse, da zwischen dem Was-ser im Gipskeuper und dem des Oberen Muschel-kalks kein Unterschied in der Isotopensignaturbesteht. In Gebieten mit höherer Überdeckung sinddie Sulfatgesteine im Gipskeuper nicht der Auslau-gung unterworfen. Sie bilden dort eine wirksamehydraulische Barriere, so dass die Wässer aus demhöheren Mittelkeuper (Sandsteinkeuper) mit ihrenz.T. hohen Sr-Isotopenverhältnissen nicht zur Auf-konzentrierung der Wässer im Muschelkalk beitra-gen. Dies bestätigt sich schließlich auch im nichtvergleichbaren Chemismus beider Systeme.Bei den staatlich anerkannten Heilquellen von Stutt-gart verschiebt sich mit der weiteren Beimischungvon Calciumsulfat, Natriumchlorid und beträchtli-cher Gasgehalte (v.a. freie Kohlensäure) auch dieIsotopensignatur zu höheren Werten zwischen0,7102 und 0,7111 (Aufschlüsse 8, 9, 10, 71, 673;Abb. 4), d.h. deutlich über die des Gipskeupers,Oberen und Mittleren Muschelkalks. Die Wässer derGWM 17.1.4 (673) und TB Scharnhausen (758), diebeide südlich des Cannstatter Quellgebiets den Oberen Muschelkalk im Fildergraben erschließen,weisen die höchsten Sr-Isotopenverhältnisse undzugleich auch den höchsten Feststoffbestand allerAufschlüsse im Oberen Muschelkalk im Raum Stuttgart auf.

Die von Westen aus dem Grundwasserneubildungs-gebiet (Oberes Gäu, Muschelkalkausstrich im RaumSindelfingen ca. 20 km W Stuttgart) im OberenMuschelkalk nach Stuttgart strömenden Karstgrund-wässer werden ab dem Stuttgarter Talkessel zuneh-mend aufkonzentriert. Die zunächst feststellbareErhöhung des Sulfatgehalts ist eine Folge der aktu-ellen Gipsauslaugung im Gipskeuper, der den OberenMuschelkalk überlagert. Erst ab der Kesselmitte nehmen auch die Chloridkonzentrationen zu, gleich-zeitig verschiebt sich das Strontiumisotopenverhält-nis zu höheren Werten. Dieser Prozess der Aufkon-zentrierung erreicht seinen Höhepunkt in den Stutt-garter Mineral- und Heilquellen im Neckartal.

Gegenüber Stuttgart sind im Albvorland gleich hohe(47: Bad Überkingen, 51: Bad Urach und 50:Beuren) bzw. etwas höhere Sr-Isotopenwerte (49:Bad Boll 0,7134, 702: Neu-Ulm 0,7145) bekannt.Die Mineral-Thermalwässer des Albvorlands sindalso isotopisch wie auch hydrochemisch eng mit denStuttgarter Mineral- und Heilwässern verwandt,auch wenn sie hydraulisch nicht miteinander inBeziehung stehen.

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Abb. 5: Vereinfachter geologischer Längsschnitt durch den Stuttgarter Talkessel und das Bad Cannstatter Neckartal (Mine-ral- und Heilquellen), etwa in Strömungsrichtung des Grundwassers im Oberen Muschelkalk. Mit den Parametern Sulfatund Chlorid (mg/l) sowie dem 87Sr/86Sr-Isotopenverhältnis wird die Aufkonzentrierung des Karstgrundwassers in Strö-mungsrichtung dargestellt. 1: Br. 2 Hofbräu, 2: Br. Statistisches Landesamt, 3: Br. 4 und 7 Dinkelacker, 4: GWM 172, 5: GWM 4a, 6: Hirschbrunnen, 7: Berg-Westquelle, 8: Berger Urquelle, 9: Leuzequelle, 10: Inselquelle, 11: Veielquelle, 12: Bohrung Taubenheimer Straße.

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Aus den 87Sr/86Sr-Verhältnissen der untersuchtenGesteine und unter Einbeziehung von Literaturwer-ten lässt sich folgern, dass die Isotopenkontrastezwischen Grundgebirge und mesozoischem Deck-gebirge groß genug sind, um die aus ihnen ableit-baren Wässer jeweils klar zu differenzieren. Die Ver-bindung von Strontiumisotopenwerten und hydro-chemischen Parametern ergibt daher charakteristi-sche Gruppierungen. Diese können Ausgangsgliedervon Mischungsreihen sein, welche die Wechsel-wirkungen von Grundwässern verschiedenener stra-tigraphischer Einheiten beschreiben. Die sich in Strö-mungsrichtung zu den Bad Cannstatter und BergerQuellen hydrochemisch entwickelnden Muschelkalk-wässer (15, 38, 45, 627, 71, 10, 8, 9) zeigen eineZunahme des Strontiumisotopenverhältnisses unddes Chloridgehalts. Um diese Gruppe scharen sichauch die Wertepaare der Mineralthermen aus demAlbvorland. Für ihre Genese ist die Zumischungeines Wassertyps erforderlich, der primär sowohleine höhere Chlorid-Konzentration als auch ein größeres Sr-Isotopenverhältnis aufweisen muss.Wässer, die diese Bedingungen – zunächst unab-hängig von der hydraulischen Konstellation - erfül-len, findet man im Oberen Muschelkalk mit GWMScharnhausen (758) oder GWM 17.1.4 (673). Aufder postulierten Mischungsbeziehung 2 liegend,erfüllen sie diese Voraussetzung grundsätzlich,wenn auch die näher zu den Heilquellen gelegeneGWM 17.1.4 entgegen des hydraulischen Gradien-ten höher konzentriert ist und ein höheres Sr-Isoto-penverhältnis aufweist als die südlich (oberstromig)gelegene TB Scharnhausen. Da die Heilquellen undTB Scharnhausen im Oberen Muschelkalk verfiltertsind, entspricht in diesem Fall das zugrunde gelegtehydraulische Modell einer lateralen Mischung desvon Westen zuströmenden geringmineralisiertenKarstgrundwassers (Mischungsausgangsglied A) mitdem hochmineralisierten Zustrom aus Süden(Mischungsendglied B) entlang der Fildergrabentief-scholle, wie dies PRESTEL & SCHLOZ (2002) vertreten.Da aber der Kontrast (Isotopie und Hydrochemie)des potenziellen "Endglieds" zu den Mischwässern(Mischungsprodukt Heilquellen 8, 9) nur gering ist,muss der von Süden im Fildergraben zufließendeVolumenstrom nach einer einfachen Mischungsrech-nung auf Basis der Chloridkonzentration entspre-chend groß sein und mindestens 160 l/s betragen,um den hydrochemischen und isotopischen Charak-ter der in Bad Cannstatt und Berg mit ca. 250 l/saustretenden höher konzentrierten Wässer (Gesamt-schüttung 500 l/s; ARMBRUSTER et al. 1998) zu erzeu-gen (Chloridkonzentration Mischungsausgangsglied

A: 100 mg/l; Mischungsendglied B: 1700 mg/l;Mischungsprodukt 600 bis 1600 mg/l). Eine Grund-wasserbilanz, die auf numerischen Grundwasserströ-mungsmodellen beruht (PLÜMACHER 1999; HANAUER &SÖLL 2004), belegt aber, dass ein Grundwasserstromdieser Dimension im südlichen Fildergraben auszu-schließen ist und weniger als 25-30 l/s beträgt.Unabhängig von der Richtigkeit des hier postuliertenMischungsmodells für die Bad Cannstatter Heilquel-len bleibt auch für TB Scharnhausen und die GWM17.1.4 der Fakt der hohen und für den OberenMuschelkalk ortsfremden Sr-Isotopensignatur. Es istdaher plausibel, für diese Wässer eine den übrigenMineralwässern vergleichbare Genese anzunehmenund sie insgesamt als Mischungsprodukte zu sehen.Die Frage nach dem hochkonzentrierten Mischungs-endglied ist dann aber erneut zu stellen. Wie die hohen Strontium-Isotopensignaturen in denMischwässern vermuten lassen, resultiert eine zwei-te Möglichkeit der Interpretation aus der Annahmeeiner vertikalen Zumischung tieferer Grundwässeraus Mittlerem Muschelkalk, Kristallin bzw. Bunt-sandstein (cross formation flow), mit jeweils örtlichwechselnden Anteilen. In diesem Fall bilden die BadCannstatter Heilquellen 71, 10, 8, 9 sowie 673 (indieser Reihenfolge nimmt auch die Gesamtkonzen-tration der Wässer zu) eine Mischungsbeziehung 2,deren Endglied C in den Kreuzungsbereich der mitder bereits zuvor postulierten Mischungsbeziehung1 fällt. Die Strontiumisotopensignatur des aufstei-genden Wassers hat am „Schnittpunkt“ ein87Sr/86Sr-Isotopenverhältnis von 0,714 und eineChloridkonzentration von ca. 15.000 mg/l. Danachentstammt das in Stuttgart aufsteigende und in denOberen Muschelkalk infiltrierende hochsalinare Wasser etwa zu zwei Dritteln aus dem MittlerenMuschelkalk und Buntsandstein (sofern es eineeigenständige Buntsandstein-Komponente gibt)sowie etwa zu einem Drittel aus dem Kristallin. DasWasser der Stuttgarter Hofrat Seyffer Quelle (Chloridkonzentration um 12.000 mg/l) kommt die-ser hydrochemischen und isotopischen Charakteri-stik sehr nahe. Allerdings erschließt der Brunnen dieFolge von Kristallin bis Buntsandstein. Über Störun-gen der Fildergrabenrandverwerfung dürfte auchWasser aus dem hier bereits ausgelaugten MittlerenMuschelkalk zugeführt werden.Die Mineral-Thermalwässer aus dem Albvorland ord-nen sich ebenso wie die Wässer aus dem Filder-graben in das Umfeld der für die Bad CannstatterQuellen beschriebenen Mischungsreihe ein. Die gutehydrochemische und isotopische Übereinstimmungdieser höher konzentrierten Wässer im Gesamt--

5. Hydrochemisches und hydraulisches Genesemodell für dieSalinarwässer im Oberen Muschelkalk

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system Oberer Muschelkalk kann somit dahinge-hend interpretiert werden, dass hier Wässer mitjeweils ähnlichem oder gleichem Werdegang vorlie-gen, ohne jedoch hydraulisch in direkter Beziehungzu stehen. Den Sr-Isotopenwerten zufolge vollziehtsich der Prozess der Aufkonzentrierung durch cross-formation flow großräumig in der Bad Cannstatter

Neckartalaue (Cannstatter Becken) und im nachSüden anschließenden Fildergraben und Albvorland.Gleiche Prozesse sind im Mündungsbereich vonAare, Wutach und Rhein isotopisch und mit stock-werksgetrennt gemessenen Potenzialen auchhydraulisch nachgewiesen (PEARSON et al. 1991,SCHMASSMANN et al. 1992).

Abb. 6: Beziehung zwischen dem 87Sr/86Sr-Isotopenverhältnis und der Chloridkonzentration (mg/l) für Grundwässer ausdem Grund- und Deckgebirge (Süddeutsches Schichtstufenland).

Im zentralen Schichtstufenland ist also der ObereMuschelkalk in ein tiefreichendes Grundwasserfließ-system eingebunden, das in den recharge-Gebietenaufgrund fallender Potenziale neben der dominan-ten horizontalen Strömungskomponente im hoch-durchlässigen Oberen Muschelkalk auch eine verti-kale Komponente aufweist und zunächst in dieStockwerke im Liegenden einspeist. Mit Annähe-rung an die Vorflut kehren sich die Potenziale umund erzeugen abhängig vom hydraulischen Wider-stand der Trennschichten einen aufwärts gerichtetenStrom (discharge). Als Gebiet mit nach der Tiefezunehmendem Druck erweist sich das Quellgebietder Bad Cannstatter und Berger Mineralwässer. Dort

reichen die Druckhöhen im Oberen Muschelkalk 10bis 12 m (= 223 bis 225 m ü.NN) über den Stau-spiegel des Neckars. Für das System Buntsand-stein/Kristallin (Hofrat Seyffer Quelle, 1) ist gegen-über dem Muschelkalk eine um 18 m größereDruckhöhe (= 242 m ü.NN) nachgewiesen. DieseSituation ist auch auf die Tiefscholle des Fildergra-bens übertragbar und durch die Potenziale der Bohrung Bonlanden belegt (CARLÉ 1975c). Mangelsgeeigneter Aufschlüsse ist dagegen im Albvorlanddie hydraulische Situation aus den Potenzialen nichteindeutig ablesbar. In Bad Überkingen sind dieDruckhöhen zwischen Buntsandstein/Perm (Josefs-therme) und Muschelkalk ausgeglichen (ggf. mit

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Den Herren Prof. Dr. E. ROGOWSKI, Prof. Dr. T. SIMON

und Dr. H. BRUNNER (†), Regierungspräsidium Freiburg(Landesamt für Geologie, Rohstoffe und BergbauBaden-Württemberg), danken wir für die Bereitstel-lung von Gesteinsproben aus den Bohrungen Raven-

stein-Ballenberg und Heilbronn. Die DB ProjektBauGmbH stellte aus dem Projekt Stuttgart 21 Kernpro-ben der Bohrungen 17.1.4 und 12.3 zur Verfügung.

einem Hinweis auf uneingeschränkten Austauschund Durchmischung im Sinne eines dort zusammen-hängenden Aquifersystems). Unter Berücksichtigungvon Temperatur- bzw. Dichtekorrektur deuten sichauch in Bohrung Urach 3 (Bad Urach, Abb. 5) aus-geglichene Potenziale an (HANAUER & SÖLL 2004).Obwohl verlässliche und widerspruchsfreie Eckdatenfehlen, kann für das Albvorland südlich des Filder-grabens eine Druckumkehr für den Bereich vermutetwerden, der sich im Muschelkalk durch besonderstiefe Potenziale auszeichnet. Die tiefe Schicht kannhier in den Muschelkalk entlasten und auf dieseWeise Grundwasser letztendlich in die Vorflutabführen. Diese schon bei VILLINGER (1982) sowieSTOBER & VILLINGER (1997) beschriebene “Depression”zieht bis in das Alpenvorland hinein. Die aus einemnumerischen Zweischichtmodell ermittelte Fläche, inder die Druckumkehr vorherrscht, deckt sich weitge-hend mit dem Verlauf der genannten Depression(HANAUER & SÖLL 2004). Insofern ist für diese Fläche,in der sich im Muschelkalk die hochkonzentriertenMineralthermen befinden, die aus der Interpretationder Isotopendaten geforderte Potenzialumkehr mitcross formation flow erfüllt, d.h. Hydraulik, Hydro-chemie und Isotopie sind konsistent.

Die Potenzialdifferenzen sind allein kein Maß für dievertikalen Austauschmengen. Eine gleichfallsbestimmende Größe ist die vertikale Wegsamkeitdes Gebirges, insbesondere die der zwischen denGrundwasserleitern eingeschalteten Hemmer. Dieseist durch die lithofazielle Ausbildung der Gesteineund durch ihre tektonische Beanspruchung

bestimmt (UFRECHT 2006). Die Aufstiegsgebiete inStuttgart-Bad Cannstatt liegen am Nordwestrandder Salzverbreitung im Mittleren Muschelkalk, derals aktiver Subrosionsrand gleichzeitig auch die Bar-riere-Funktion der Sulfat- und Salinargesteinebegrenzt. Die in TB Scharnhausen erschlossenenhochkonzentrierten Wässer im zentralen Fildergra-ben fallen etwa mit dem Südrand der Salzverbrei-tung zusammen. Im Bereich der Mineralthermen imAlbvorland geht eine ebenfalls weitgehend dichteSabkha-Folge aus dolomitischen Mergeln, Anhydritund Tonstein (”Sulfatfazies”) nach Osten in eine ausTonstein und Sandstein aufgebaute Randfazies über,die vertikalen Grundwasseraustausch erlaubt.

Unabhängig von der lithofaziellen Ausbildung derGesteine wird die vertikale Gebirgsdurchlässigkeit im gesamten Betrachtungsraum zusätzlich durchmarkante Bruchstrukturen erhöht, die auch in pri-mär geringdurchlässigem Gebirge Wegsamkeitenschaffen können. Wie Strukturanalysen im Stadtge-biet Stuttgart zeigen, kommen als Aufstiegswegevor allem tektonische Trennflächen mit Blattverschie-bungscharakter in Frage. Die Randverwerfungendes Fildergrabens sind dabei ohne Bedeutung. Nicht unterschätzt werden darf in diesem Zusam-menhang der ”Schwäbische Vulkan” im Raum BadUrach-Kirchheim mit seinen ca. 360 Diatremen, dieim Zuge phreatomagmatischer Explosionen im Mit-telmiozän – oft an tektonischen Strukturen ange-lehnt – das Deckgebirge durchbrachen und zerrütte-ten und dadurch ebenfalls vertikale Wegsamkeiteninitiierten.

6. Dank

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