Fluoridverteilungseigenschaften und Wasser-Gestein-Temperatur-Genesemechanismus des geothermalen Wassers der Lushan-Thermalquelle, West-Henan, China.

Fluorid ist ein essentielles Spurenelement für den menschlichen Körper und kommt häufig im Grundwasser vor. Eine angemessene Fluoridzufuhr ist gesundheitsfördernd, eine übermäßige Zufuhr hingegen gesundheitsschädlich (Podgorski und Berg, 2022). So kann beispielsweise eine Fluoridkonzentration von unter 1 mg/l Zahnfluorose vorbeugen und die Knochenentwicklung fördern. Die langfristige Aufnahme von Fluoridkonzentrationen über 1.5 mg/l führt jedoch häufig zu Zahnfluorose, während eine tägliche Fluoridzufuhr von mehr als 6 mg/Tag chronische Erkrankungen wie Skelettfluorose und Fluoridvergiftung hervorrufen kann (Shahid et al., 2010). Fluorid gelangt hauptsächlich über Trinkwasser und Hautkontakt in den menschlichen Körper. Daher legt die Weltgesundheitsorganisation fest, dass der Fluoridgehalt im Trinkwasser nicht höher als 1.5 mg/L sein sollte (WHO, 2017), und gemäß den chinesischen Hygienevorschriften für Trinkwasser (Staatliche Marktregulierungsbehörde, 2022) sollte der Fluoridgehalt im Trink- und Brauchwasser 1 mg/L nicht überschreiten.

In Thermalwasser findet sich aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein sowie Temperatureinflüssen häufig Fluorid. Spurenmengen an Fluorid im Badewasser können gesundheitsfördernde Eigenschaften besitzen, beispielsweise bei der Behandlung von Akne, Ekzemen und anderen Hauterkrankungen. Übersteigt die Fluoridkonzentration jedoch 1 mg/l, spricht man von hochfluoridhaltigem Thermalwasser. Längerer Hautkontakt kann leichte Symptome wie Rötungen und Schwellungen hervorrufen, in schweren Fällen kann es zu lokaler Knochendemineralisierung oder aseptischer Nekrose kommen (Dong et al., 2024; Guo und Fang, 2022; Cong et al., 2025). Daher ist die Untersuchung der Fluoridkonzentration und -verteilung in Thermalwasser von großer Bedeutung für die Entwicklung, Nutzung und Aufbereitung dieses Wassers.

Berichten zufolge kämpfen weltweit über 20 Länder mit erhöhten Fluoridkonzentrationen im Grundwasser oder Geothermalwasser. Daher haben die Verteilung und die Quellen fluoridreichen Wassers großes Interesse bei Wissenschaftlern im In- und Ausland geweckt. Liu Yu et al. untersuchten vier typische Endemiegebiete für Fluorose in der Region Zhangcheng der chinesischen Provinz Hebei und erforschten den Einfluss der geologischen Gegebenheiten auf das fluoridreiche Grundwasser (Liu und Lin, 2024). Ihre Studie ergab, dass das Fluorid im Grundwasser hauptsächlich aus fluoridreichem Gestein, Erzlagerstätten und Böden stammt, während der Fluoridgehalt in Niederschlägen und Oberflächengewässern relativ gering ist. Sun Hongli et al. sammelten 30 Proben von Geothermal- und Oberflächenwasser aus dem Hochtemperatur-Geothermalgebiet Tibets (Sun et al., 2015). Ihre Studie zeigte, dass die Temperatur des Geothermalwassers linear mit dem Fluoridionengehalt korreliert und dass sich Fluorid in alkalischen Umgebungen leichter anreichert. Chae et al. analysierten die Verteilung und die Quellen von Fluorid im Grundwasser im Süden Südkoreas (Chae et al., 2007). Ihre Ergebnisse zeigten, dass das Fluorid im Grundwasser hauptsächlich aus der Auflösung von Fluorit im Grundgestein stammt. Yang Na et al. untersuchten das Grundwasser in einem typischen fluoridreichen Gebiet im Norden von Anhui und vermuteten, dass die Auflösung fluorhaltiger Mineralien wie Fluorit, Topas, Fluorapatit, Glimmer und Amphibol der Hauptgrund für die erhöhte Fluoridkonzentration im Tiefengrundwasser ist (Yang et al., 2017).

Es ist gut belegt, dass die Fluoridbildung im Grundwasser auf langfristigen Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen beruht. Dabei durchlaufen Fluoridminerale im Gestein komplexe chemische Reaktionen wie Auflösung und Ausfällung, Adsorption und Desorption, wodurch das Fluorid aus den Mineralien ins Grundwasser gelangt (Yuan et al., 2024; Wang et al., 2023b). Fluoridgehalt, Löslichkeit und Vorkommensformen variieren in verschiedenen Mineralien und beeinflussen direkt die Fluoridkonzentration im Geothermalwasser (Thomas et al., 1977). Frühere Studien zu fluoridreichem Grundwasser oder Geothermalwasser konzentrierten sich hauptsächlich auf die Fluoridverteilung im Wasser und spekulierten aus wasserchemischer Sicht über dessen Entstehung und die wichtigsten Einflussfaktoren. Aus der Perspektive des Wasser-Gesteins-Systems verfolgten diese Studien die Träger und Vorkommensformen von Fluorid und zeigten dessen Bildung durch langfristige Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein auf. Darüber hinaus steht die Fluorbildung in Geothermalwasser im Zusammenhang mit der Auflösung und Freisetzung von Gesteinsbestandteilen, wird aber auch von der Temperatur beeinflusst. Daher ist es unerlässlich, den Entstehungsmechanismus von Fluorid in Geothermalwasser aus der Perspektive von Wasser, Gestein und Temperatur zu untersuchen und dabei die Temperaturverteilung, den Fluoridgehalt in Gesteinen – insbesondere in fluorhaltigen Mineralen – sowie die verschiedenen Fluoridformen zu berücksichtigen.

Das Geothermalgebiet Lushan in der chinesischen Provinz Henan liegt im Geothermalgürtel der Checun-Lushan-Xiatang-Verwerfung. Von West nach Ost treten fünf bedeutende Thermalquellen zutage: Shangtang, Zhongtang, Wentang, Xiatang und Jianchang, wobei die Temperaturen von Shangtang nach Jianchang abnehmen (Li., 2022). Die Region ist reich an geothermischen Ressourcen und versorgt die Anwohner kontinuierlich mit Wasser zum Heizen, Baden und für touristische Zwecke, wodurch die lokale Wirtschaftsentwicklung gefördert wird. Mit der zunehmenden Nutzung des Geothermalwassers hat sich der Grundwasserabfluss beschleunigt, was zu Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Wassers geführt hat. In den letzten Jahren wurden erhöhte Fluoridwerte festgestellt, die die Trinkwasserqualität des Geothermalwassers beeinträchtigen. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf das Geothermalgebiet Lushan, wo Wasserproben aus verschiedenen Grundwasserleitern und Gesteinsproben aus den geothermalwasserführenden Schichten entnommen wurden. Durch die umfassende Anwendung des Piper-Trilineardiagramms, von Ionenbeziehungsdiagrammen, Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und weiterer Methoden haben wir die Konzentrations- und Verteilungseigenschaften von Fluorid im Geothermalwasser der Region analysiert. Aus der Perspektive des Wasser-Gestein-Temperatur-Zusammenhangs konnten wir den Entstehungsmechanismus des hohen Fluoridgehalts im Geothermalwasser des Untersuchungsgebiets aufklären. Die Forschungsergebnisse dieser Arbeit liefern eine grundlegende Grundlage für die umfassende Nutzung von Geothermalwasserressourcen und die Aufbereitung von fluoridreichem Geothermalwasser.