Quantifizierung des CO2-Flusses zur Abbildung magmatischer Prozesse im Untergrund der Westeifel

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Zur quantitativen Bestimmung des Mantel-C-Flusses im Vulkanfeld der Westeifel wurden Mofetten und Säuerlinge untersucht. Es wurden räumliche Zusammenhänge zwischen Fluidfluss, Vulkanismus, Hebung und Tektonik erkannt und geodynamisch interpretiert. Zu Beginn der Arbeit wird anhand der vorhandenen Kenntnisse aus petrologischen Experimenten und aus Untersuchungen von Xenolithen der Eifel, unter Berücksichtigung der Ergebnisse geophysikalischer Untersuchungen, ein konzeptionelles Modell der Magmengenese und des CO2-Transportes vom Mantel bis in die Kruste erstellt. Demzufolge kann CO2 bereits im Mantel, aus intergranularen Schmelzen die passiv im Mantelplume aufsteigen, aufgrund der Druckentlastung entgasen und als freies Fluid aufsteigen. Effektiver ist der Transport bis in die Unterkruste, in Magmen gelöst und in mitgeführten Gasblasen. Anhand numerischer Simulationen zum CO2-Transport im Grundwasser wird gezeigt, dass die Strömungssysteme aufsteigendes CO2 in Richtung der Täler und Quellen transportieren und dass daher keine flächenhaften Austritte abseits der Täler zu erwarten sind. Die zur Ermittlung des C-Flusses erforderlichen Untersuchungen der Wässer und Gase im Gelände werden geschildert, da sie die Grundlage der nachfolgenden Rechnungen und der darauf beruhenden Interpretationen bilden. Die Bilanzierung des C-Flusses berücksichtigt die Kohlenstoffspezies in Lösung und in der Gasphase der industriell genutzten Brunnen, der gefassten Quellen und der ungefassten Austritte. Der Anteil des C-Flusses der bei der Mineralwasserbildung in Form von Karbonaten in den Aquiferen ausfällt, wird anhand eines geochemischen Modells der Mineralwasserentstehung abgeschätzt und mit in die Bilanz einbezogen. Da die Berechnungen auf einer Vielzahl unterschiedlicher Einzelmessungen beruhen, erfolgten Fehlerabschätzungen für die Flüsse der einzelnen C-Spezies. Für den gesamten Mantel-C-Fluss in der West- und Südeifel, der 11.8 mol/s beträgt, ergibt sich ein mittlerer Fehler von 3.1 mmol/s. Dieser Fluss stammt vor allem aus gasreichen industriell genutzten Vorkommen. Die Verbreitung der Mineralquellen folgt lokalen Störungen und zeigt Lineamente, regional bedeutenden Störungen, des Grundgebirges an. Diese Lineamente, auf denen heute CO2 aufsteigt sind teilweise schon alt angelegte Strukturen, die Senkungsräume wie die Trierer Bucht, oder die Wittlicher Senke begrenzen. Die Schlote großer tertiärer Vulkane markieren Kreuzungspunkte derartiger Lineamente. Eines der markantesten reicht von den großen Osteifeler Vulkankomplexen um Wehr und Rieden bis nach Trier. Die häufigste Streichrichtung der Lineare ist NW-SE, parallel zur Erstreckung des Vulkanfeldes und senkrecht zur Hauptrichtung der extensiven Gesteinsspannung. Diese Richtung zeigt sich auch deutlich im geradlinigen Verlauf von Tälern in der Südosteifel und in der Anordnung der Thermalquellen. Karten der C-Flussdichteverteilung wurden mit Hilfe übergreifender Flächenmittel anhand der einzelnen Flusswerte berechnet. Das Maximum der Flussdichte fällt mit dem Zentrum des Vulkanfeldes zusammen und nicht mit dem Hauptverbreitungsgebiet der jüngsten Vulkane im SE des Feldes. Das Zentrum des Vulkanfeldes zeichnet sich ferner aus durch minimale p-Wellengeschwindigkeiten im Erdmantel, Häufigkeitsmaxima der Mineralquellen und der Eruptionszentren, sowie durch differenzierte Vulkanite, in deren Umfeld die maximalen SiO2-Gehalte der Mineralwässer auftreten und erhöhte Aquifertemperaturen anzeigen, möglicherweise ein Hinweis auf krustale Magmenkammern. Das Flussdichtemaximum wird von zwei Mineralquellenzügen verursacht, die einen etwa 8 km breiten, variszisch streichenden Krustenblock flankieren, der die angrenzenden Gebiete um etwa 100 m überragt. Dieser Hebungsbetrag kann mit Intrusionen in der Unterkruste und durch die Aufheizung der Kruste durch Magmen und die aufsteigenden Fluide erklärt werden. Im Vergleich zum zentralen Vulkanfeld fällt dessen jüngerer Südostteil durch niedrigere CO2-Gehalte und Mantel-Heliumanteile in der Gasphase, niedrigere Krustentemperaturen, und durch das Auftreten von Thermalwässern auf. Dieser Unterschied lässt sich durch die Verlagerung der vulkanischen Aktivität nach SE erklären. Während im Zentrum des Vulkanfeldes bereits seit etwa 0.7 Ma Vulkanite gefördert und Magmen in der Unterkruste eingelagert wurden und dort entgasen, differenzieren und die Kruste aufheizen können, sind im SE des Vulkanfeldes, entsprechend der Häufigkeit der Eruptionszentren, geringere Mengen basaltischen Magmas aufgestiegen. Numerische Simulationen der Aufstiegsgeschwindigkeiten von CO2 durch die Unterkruste lassen vermuten, dass Fluide aus Magmen, die während der Tätigkeit der jungen Vulkane (0.01 bis 0.1 Ma) in der Unterkruste eingelagert wurden, größtenteils die Erdoberfläche noch nicht erreicht haben. Der derzeitig niedrige CO2-Fluss im NW und in der Peripherie des Vulkanfeldes, wo nur vereinzelte Säuerlinge, meist mit geringem C-Gehalt auftreten, wird auf die Freisetzung von CO2 aus Schmelzen im Mantel zurückgeführt, die selbst nicht bis in die Unterkruste aufsteigen und CO2 transportieren können. Die Thermalwasservorkommen sind an tiefe Störungszonen hoher Permeabilität gebunden, die einen hohen Grundwasserstrom ermöglichen. Fossile Tiefenwässer des Grundgebirges, zumindest teilweise marinen Ursprungs, können darin aufsteigen und mit erhöhter Temperatur zutage treten. Eine direkte Beziehung der Thermen zu abkühlenden oder entgasenden Vulkaniten ist unwahrscheinlich, sie zeigen aber Lineamente an, die zumindest in der Oberkruste hervorragende Bedingungen für den Aufstieg weiterer Magmen und für phreatomagmatische Eruptionen bieten.