Schwermetall-Indikatoren

Gesteinsmagnetische Indikatoren für  Schwermetallgehalte in Böden und Sedimenten

Magnetische Parameter sind empfindliche Indikatoren für Variationen der Art, Korngrösse und Konzentration magnetischer Partikel in Böden und Gesteinen. Ein wesentlicher Vorteil der geophysikalischen Methode ist die Möglichkeit der kostengünstigen Erweiterung und Verdichtung von Informationen über Umweltbelastungen.

Viele Schwermetall-Emissionen sind hochmagnetische Partikel, die mit Hilfe der magnetischen Suszeptibilität und anderer Parameter rasch und eindeutig nachgewiesen werden können. Durch anthropogene Beeinflussung kann die magnetische Suszeptibilität von Sedimenten und Böden um ein Vielfaches der natürlichen Grössenordnungen erhöht werden. Untersuchungen von Böden und Sedimenten zeigten statistisch signifikante Zusammenhänge zwischen der magnetischen Suszeptibilität und bestimmten Schwermetallkonzentrationen, jeweils in Abhängigkeit von der Grösse und chemischen Zusammensetzung der für die Schwermetallanomalie verantwortlichen Partikel. Insbesondere bei partikulärem Schwermetall-Eintrag (Staub, Verbrennungsrückstände, Klärschlamm) kann die magnetische Suszeptibilität als Indikator für die Schwermetallbelastung herangezogen werden.

Die Messung der magnetischen Suszeptibilität kann an beliebigem Probenmaterial im Labor, aber auch direkt im Gelände durchgeführt werden. Diese Untersuchungsmethoden werden mit Erfolg seit Jahrzehnten in der interdisziplinären Umweltforschung angewandt. Mit vergleichsweise geringem Aufwand können dabei kontaminierte Horizonte eingegrenzt und das Ausmaß der Anreicherungen abgeschätzt werden.


IVUS: Identifikation vermeidbarer und unvermeidbarer Schadstoffquellen am Beispiel der Kläranlage Leoben (Reinhaltungsverband Leoben, Amt d. Stmk. Landesregierung im Rahmen der EU Regionalförderung, 2005 - 2007)

Magnetische Parameter von Strukturmaterial-, Klärschlamm- und Kompostproben aus der Kläranlage Leoben wurden bestimmt, um deren Einsatzmöglichkeit als Indikatoren für umweltrelevante Schwermetalle im Raum Leoben zu untersuchen. Die Ergebnisse der magnetischen Untersuchungen stimmen mit jenen der chemischen Analysen gut überein. Zwischen den analysierten Schwermetallen und den magnetischen Parametern konnte ein ausgeprägter Zusammenhang gefunden werden.
Magnetische Messmethoden können chemische Analysen und mineralogische Untersuchungen nicht ersetzen, stellen jedoch als Indikator für Schwermetallemissionen eine rasche und ökonomische Beurteilungsgrundlage dar.


Gesteinsmagnetische Indikatoren für Bodenbelastung (FWF P16314, 2003 - 2006)

Poster Hanesch werwaswo 2004

Magnetische Messungen von Bodenproben der österreichischen Bodenzustandsinventuren der Bundesländer Kärnten, Steiermark, Burgenland, Nieder- und Oberösterreich wurden für die Erstellung von Karten der Magnetisierbarkeit in unterschiedlichen Bodentiefen herangezogen. Die Böden werden nicht nur von Emissionen, sondern auch von natürlichen magnetischen Mineralen beeinflusst. Die Bestimmung der naturgegebenen Normalwerte ermöglicht eine über-regionale Interpretation solcher Karten, die bislang nur mit detaillierten Kenntnissen über die Geologie und Bodentypen eines Untersuchungsgebietes möglich war.

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MAGPROX: Screening and monitoring of anthropogenic pollution over central Europe by using MAGnetic PROXies (2000 - 2004)

In Kooperation mit 3 Partnerinstituten in Deutschland, Polen und der Tschechischen Republik wurden überregionale Karten der magnetischen Suszeptibilität von Waldbodenstandorten erstellt und die Fernverfrachtung von magnetischen Partikeln untersucht.

Partner:

  • Geophysics Working Group, Institute of Geology and Paleontology, University of Tuebingen, Germany
  • Geophysical Institute, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague, Czech Republic
  • Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences, Zabrze, Poland

MAG-NET: A European Network for Mineral Magnetic Studies of Environmental Problems (1999 - 2003)

Forschungsnetzwerk im Rahmen des EU-Mobilitätspogrammes zur Erkundung des Potentials mineralmagnetischer Methoden für die Umwelt- und Klimaforschung.

Partner:

  • Lancaster University,  UNITED KINGDOM
  • University of Liverpool, UNITED KINGDOM
  • Universidad Complutense Madrid, SPAIN
  • CEREGE, Aix en Provence, FRANCE
  • Ludwig-Maximilians-Universität München, GERMANY
  • Istituto Nazionale di Geofisica, Roma, ITALY
  • Utrecht University, THE NETHERLANDS
  • Southampton Oceanography Centre, UNITED KINGDOM
  • ETH Zürich, SWITZERLAND

SusMap: Einsatz geophysikalischer Messmethoden als ökonomische Indikatoren für geogene und anthropogene Schwermetallanreicherung in Böden (Bund-Bundesländer-Kooperation, 1997 -2000)

In Kooperation mit dem  Landwirtschaftlichen Versuchszentrum Steiermark sollten grundlegende Erkenntnisse zur Einsetzbarkeit geophysikalischer Messmethoden für die flächenhafte Erfassung von Schwermetallanreicherungen in Böden gewonnen werden. Die Grundlage für die Erstellung der Karten der magnetischen Suszeptibilität bilden die Messungen aller Proben der Bodenzustandsinventuren der Bundesländer Steiermark, Niederösterreich und Burgenland. Der Datenpool umfasst 1254 Standorte mit Oberboden- und Unterbodenproben, sowie 760 zusätzliche Standorte mit Oberbodenproben.
Die Volumensuszeptibilität wurde in den Probenarchiven bestimmt, ohne die Probenbehälter zu öffnen. Für spezielle Labormessungen der massenspezifischen Suszeptibilität wurde eine repräsentative Anzahl von Teilproben entnommen. Im Magnetiklabor der Montanuniversität erfolgte die Bestimmung der charakteristischen magnetischen Parameter.
Praktisch alle Anomalien der Suszeptibilität im Oberboden sind gleichzeitig auch Bereiche mit nachweislich erhöhten Schwermetallgehalten. Die Differenz der Suszeptibilität zwischen Oberboden und Unterboden ist ein Maß für die Anreicherung magnetischer Phasen in bestimmten Horizonten.
Die Anwendung der Methode im Feldeinsatz wurde in zwei Testflächen erprobt. Die Anomalienmuster der magnetischen Suszeptibilität zeigen generelle Übereinstimmung mit der Hauptwindrichtung und Talachse. Aufgrund der Resultate in den Testflächen Veitsch und Leoben kann festgestellt werden, dass die magnetische Suszeptibilitätkartierung als eine kostengünstige Methode für die flächige Erkundung von Industrieimmissionen einsetzbar ist.


Publikationen

Fran?iškovi?-Bilinski, S., Scholger, R., Bilinski, H., Tibljas, D. (2014): Magnetic, geochemical and mineralogical properties of sediments from karstic and flysch rivers of Croatia and Slovenia.
Environmental Earth Sciences, Vol. 72, 10: 3939-3953.

Fran?iškovi?-Bilinski, F., Bilinski, H., Scholger, R., Tomaši?, N. & Maldini, K. (2014): Magnetic spherules in sediments of the karstic Dobra River (Croatia).
Journal of Soils and Sediments, Vol. 14: 600-614.

Hanesch, M. (2009): Raman spectroscopy of iron oxides and (oxy)hydroxides at low laser power and possible applications in environmental magnetic studies.
Geophysical Journal International, Vol. 177: 941-948.

Hanesch, M., Rantitsch, G., Hemetsberger, S., Scholger, R. (2007): Lithological and pedological influences on the magnetic susceptibility of soil: Their consideration in magnetic pollution mapping. 
Science of the Total Environment, Vol. 382: 351-363.

Maier, G., Scholger, R., Schön, J. (2006): The influence of soil moisture on magnetic susceptibility measurements.
Journal of Applied Geophysics, Vol. 59: 162-175.

Fialova, H., Maier, G., Petrovsky, E., Kapicka, A., Boyko, T., Scholger, R. & MAGPROX Team (2006): Magnetic properties of soils from different geological and environmental settings. 
Journal of Applied Geophysics, Vol. 59: 273-283.

Hemetsberger, S. & Scholger, R. (2006): Umweltmagnetik im Raum Trofaiach bis Eisenerz (steirische Eisenstrasse).
Mitteilungen des naturwissenschaftlichen Vereins Steiermark, Band 135: 13-24, Graz.

Amereih, S., Meisel, T., Scholger, R., Wegscheider, W. (2005): Antimony speciation in soil samples along two Austrian motorways by HPLC-ID-ICP-MS.
Journal of Environmental Monitoring, Vol. 7: 1200-1206.

Hanesch, M. & Scholger, R. (2005): The influence of soil type on the magnetic susceptibility measured throughout soil profiles.
Geophysical Journal International, Vol. 161: 50-56.

Maier, G. & Scholger, R. (2004): Demonstration of connection between pollutant dispersal and atmospheric boundary layers by use of magnetic susceptibility mapping, St. Jacob (Austria).
Physics and Chemistry of the Earth, Vol. 29: 997-1009.

Boyko, T., Scholger, R., Stanjek, H. & MAGPROX-Team (2004): Topsoil magnetic susceptibility mapping as a tool for pollution monitoring: repeatability of in-situ measurements.
Journal of Applied Geophysics, Vol. 55 (3-4): 249-259.

Hanesch, M., Scholger, R., Rey, D. (2003): Mapping dust distribution around an industrial site by measuring magnetic parameters of tree leaves.
Atmospheric Environment, Vol. 37: 5125-5133.

Hanesch, M. & Scholger, R. (2002): Mapping of heavy metal loadings in soils by means of magnetic susceptibility measurements.
Environmental Geology, Vol. 42: 857-870.

Sager, M. & Scholger, R. (2002): Magnetic Susceptibility Measurements as a Rapid Screening Method for Fertilizers.
Journal of the Korean Institute of Mineral and Energy Resources Engineers, Vol. 39, 5: 307-313, Seoul.

Schibler, L., Boyko, T., Ferdyn, M., Gajda, B., Höll, S., Jordanova, N., Rösler, W. and MAGPROX-TEAM (2002): Topsoil magnetic susceptibility mapping: Data reproducibility and compatibility, measurement strategy.
Studia Geophysica et Geodaetica, Vol. 46: 43-57, Prague.

Hanesch, M., Scholger, R. & Dekkers, M. (2001): The Application of Fuzzy C-Means Cluster Analysis and Non-Linear Mapping to a Soil Data Set for the Detection of Polluted Sites.
Physics and Chemistry of the Earth (A), Vol. 26, 11-12: 885-891.

Hanesch, M. & Scholger, R. (2000): Analysis of heavy metal pollution in soils by means of non linear mapping and fuzzy C-means cluster analysis.
Geologica Carpathica, Vol. 51, 3: 198-199, Bratislava.

Bityukova, L., Scholger, R., Birke, M. (1999): Magnetic susceptibilty as indicator of environmental pollution of soils in Tallinn (Estonia).
Physics and Chemistry of the Earth (A), Vol. 24, 9: 829-835.

Scholger, R. (1998): Heavy metal pollution monitoring by magnetic susceptibility measurements applied to sediments of the river Mur (Styria, Austria).
European Journal of Environmental and Engineering Geophysics, Vol. 3: 25-37.