Spurenelementgehalt der Saale – ein Vergleich der Analysenergebnisse aus den Jahren 1950 und 1996

ZusammenfassungAnalog zu den Saalewasseruntersuchungen von F. Heide und Mitarbeiter in den Jahren 1950–1960 wurden in den Jahren 1995/1996 die Konzentrationen von 34 Elementen gelöst im Wasser und 33 Elementen gebunden an Schwebstoffe bestimmt. Der Thüringer Fluss Saale verfügt bei Jena über eine mittlere Wasserführung von 23 m3/s. Die Flusswasseruntersuchungen in der Saale bei Jena haben das Ziel, den Transport der Elemente über den Fluss in das Meer zu erfassen. Die Wiederholung der Untersuchungen nach 40 Jahren kann einen Einblick geben auf anthropogene Veränderungen im Fluss. Einschränkend auf die Bewertung verschiedener Spurenelement-Analysendaten wirken systematische Analysenfehler der in den 50iger Jahren überwiegend verwendeten photometrischen Methoden. Ohne Berücksichtigung derartiger Fehlbestimmungen können die Elemente in 3 Gruppen eingeteilt werden: (a)Elemente mit Jahresmittelwerten von<50% bezogen auf die von 1950. In Lösung – Al, As, Ba, Fe, Pb, Zn. Gebunden an Schwebstoffe – As, B, Cr, F, K, Li, Mn, Na, Si, Sr, Ti, U.(b)Jahresmittelwerte welche im Bereich von 50–150% übereinstimmen. In Lösung – Ca, Co, Cr, F, K, Li, Mn, Na, Si, Sr, Ti, U. Gebunden an Schwebstoffe - Hg, Cr, Cu, Sc, Sr, Ti.(c)Elemente, die 1996 Jahresmittelwerte > 150% von den 1950er Werten aufweisen. In Lösung - B, Mg, Ni, Rb, Sc. Gebunden an Schwebstoffe - Ba, Ni, P, Zr.Nicht allein Abwässer können den Fluss mit erhöhten Elementgehalten belasten, sondern auch der saure Regen und die Verwendung von Kunstdünger in der Landwirtschaft. Ein interessantes Ergebnis zeigen die Alkalien und Erdalkalien, deren Gehalte entsprechend ihres Löslichkeitsproduktes im Flusswasser angestiegen sind.Der Landabtrag kann nur für den Teil der gelöst transportierten Fracht kalkuliert werden, die gebunden transportierte Fracht ist durch die unzureichende Erfassung der Hochwasserereignisse unterbewertet.Ein Vergleich der im Fluss transportierten Elemente mit der mittleren chemischen Zusammensetzung der oberen Erdkruste ergibt, dass neben den von [Goldschmidt (1934). Geochemie im Handbuch der Naturwissenschaften, 2. Aufl. Bd 4 Gustav Fischerverlag Jena, S 902] erkannten thallassophilen Elementen weitere Elemente, auch Schwermetalle, dem Meer zugeführt werden, eine Elementfraktionierung, welche die geochemischen Kreisläufe beeinflusst. Im Ergebnis unserer Untersuchungen erfolgt bei den thallassophilen Elementen U, Sn, Cd, As, Zn und Se der Elementtransport in gelöster und bei U, Cr, Li, B, Ba, Se, Mn, Cu, P, Sn, Cd, Rb, Pb, S und Zn auch in gebundener Form in Schwebstoffen und führt zu erhöhten Konzentrationen dieser Elemente im Meer. Terraphile Elemente wie Cs, Co, Sc, Ni, Ti, Fe, Al und K werden auf dem Festland angereichert. Neben der Differentation der Elemente im Magma erfolgt eine Elementdifferentiation über die Verwitterung der Gesteine und den fluviatilen Transport ins Meer.

Thirty four elements dissolved in water and 33 elements bound in particulate matter were analysed in the small river Saale (Thuringia, Germany, MQ=23 m3/s) in 1996 and the results were compared with those obtained in 1950 (44 elements). Monthly sampling was used to eliminate fluctuations caused by seasons and weather. Comparison of the element contents of a river over a 40-year-time span provides interesting insight into the anthropogenic change in the catchment area of the river with regard to „global change”.Without taking into consideration systematic errors, the analysed elements can be divided into three groups:(a)Elements whose average annual analytical values in 1996 were lower by >50% than those in 1950: Al, As, Ba, Fe, Pb, Zn (in solution), and As, B, Cr, Li, Mn, Pb, Se, Sn, U (suspended).(b)Elements whose average annual analytical values in 1996 are in the range of those in 1950, i.e., are within 50–150%: Ca, Co, Cr, F, K, Li, Mn, Na, Si, Sr, Ti, U (in solution), and Hg, Cr, Cu, Sc, Sr, Ti, Zn (suspended).(c)Elements whose average annual analytical values in 1996 were higher by >150% than those in 1950: B, Cd, Mg, Ni, Rb, Sc (in solution), and Ba, Ni, P, Zr (suspended).The increases in the element concentrations are not only caused by wastewater. Acid rain and fertilizer affect the pH and the electrolyte status of soils and cause mobilization of elements. This can be a reason for the increase in the alkalies and alkaline earth. For most elements are higher and lower values were found in 1996 and are only partly caused by systematic errors in the methods used in 1950. Taking into consideration of the natural fluctuations some element values 1996 equal or are lower (Tabelle 10and 12). Because of the 100–200% RSD (12 samples per year), it is almost impossible to decide whether the deviations are due to analytical errors or to natural causes. The bound part of the elements is considered to be the suspended portion (seston=particulate matter) and, for one and the same element the suspended portion is equal or higher than the portion in solution. In the case of natural plant stock in the catchment area, the erosion is small. The increase in farming caused a higher soil erosion in the river. Storm precipitation causes short-term (1–2 h) peaks in the suspended load with values 2–3 orders of magnitude higher. In the case of monthly sampling, such peaks are unlikely to be detected. This produces values of suspended loads that tend to be too small. Increases of the bounded elements together with the elements in solution cause increases of eutrophication in the ocean.The contents of elements transported in solution and in particulate form in the river Saale are not equal to the element contents of the upper earth crust. Weathering and the fluviatil element transport cause a fractionation of the thallassophile (enriched in ocean) and therraphile elements (enriched in continents). Thallassophile elements are Mg, Ca, Sr, B, As, U, Sn, Cd, Zn, Se (transported in solution) and U, Cr, Li, B, Ba, Se, Mn, Cu, P, Sn, Cd, Rb, Pb, S and Zn (transported in seston) and therraphile elements are Cs, Co, Sc, Ni, Ti, Fe, Al, and K. As a result a fractionation in thallassophile and therraphile elements results and influences the geochemical cycles like magmatic differentiations.