Batholit

7.15.6.1 Složení podzemní vody a solné tekutiny v žulovém batolitu Lac du Bonnet, Manitoba, Kanada

Batholit Lac du Bonnet je 2,6 miliardy let starý granit na západním okraji Kanadského štítu, asi 100 km východně od Winnipegu v Manitobě. Byl podrobně studován, protože se zde nacházela kanadská podzemní výzkumná laboratoř (URL) a byl výzkumným zařízením kanadského programu pro ukládání vysoce radioaktivního jaderného odpadu. Zařízení bylo uzavřeno v roce 2010 po 25 letech provozu.

Více než 100 vrtů bylo vyvrtáno až do hloubky 1 km do žuly za účelem studia změn v geologii, mechanice hornin, hydrogeologii a geochemii horniny. Vzorky podzemních vod v puklinách, poruchách a horninové matrici byly odebírány různými technikami (Gascoyne, 2002, 2004; Ross a Gascoyne, 1995) a ukázaly zřetelnou zonálnost s hloubkou.

Malé podzemní vody jsou obecně zředěné (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3 vody a občas vykazují známky mísení s Ca-Mg-HCO3-SO4 podzemními vodami z jílovitých nadložních sedimentů, které často pokrývají žulu. Hlubší podzemní vody jsou buď zředěné Na-Ca-HCO3 vody, nebo obsahují významné koncentrace Cl a SO4. S větší hloubkou se vyskytují vody Na-Ca-Cl-SO4 s rostoucí salinitou. Nejslanější zlomové podzemní vody v oblasti se vyskytly v hloubce přibližně 1000 m a mají salinitu až 51 g L- 1.

Naproti tomu ionty, jako je HCO3, vykazují s rostoucí salinitou postupný pokles, z povrchové hodnoty ~250 na < 10 mg L- 1. V případě HCO3 se jedná o ionty, které se s rostoucí salinitou snižují. Sírany se zvyšují na maximální hodnotu přibližně 1000 mg L- 1 a ve slanějších tekutinách mají tendenci klesat. Tyto charakteristiky naznačují kontrolu rozpustnosti málo rozpustnou minerální fází (kalcitem, resp. sádrovcem).

Podzemní vody mají také proměnlivé pH v závislosti na hloubce. Pro hloubky 0-200 m byl stanoven velký rozsah pH (6,5-9,3), přičemž nižší hodnoty odrážejí vliv kyselých doplňovacích vod, které jsou bohaté na rozpuštěné organické látky a CO2 z půdní zóny. Pod 200 m leží většina podzemních vod v rozmezí pH 7,5-8,8. Redoxní potenciál podzemních vod (měřený jako Eh pomocí elektrodového senzoru) vykazuje obecný trend poklesu Eh s hloubkou (od +500 mV na povrchu po <-100 mV v hloubce). Redox je řízen dvěma hlavními procesy: oxidací rozpuštěných organických látek v mělčích zónách a redoxním párem Fe(II)/Fe(III) v minerálech, jako je pyrit (sulfid Fe), biotit (křemičitan Fe) a magnetit (oxid Fe), v hloubce. Bylo zjištěno, že vysoká koncentrace uranu v přípovrchových podzemních vodách je jasným indikátorem redoxního potenciálu. Podzemní vody v hloubce nad přibližně 200 m v podloží mají obsah uranu od 50 do 1000 μg L- 1, zatímco pod 250 m obsahují < 10 μg L- 1.

Většina mělkých a zředěných podzemních vod (tj. s nízkou koncentrací chloru) v oblastech doplňování zásob obsahuje 3H na úrovni nejméně 10 TU. Současný obsah 3H ve srážkách je přibližně 15 TU. To naznačuje, že tyto podzemní vody měly relativně krátkou dobu zdržení v systému toku a většina z nich byla doplněna během posledních ~ 50 let nebo přinejmenším obsahují určitý podíl vody, která se doplnila v posledních 50 letech. Několik podzemních vod v hloubkovém rozsahu 50-250 m obsahuje výrazně více než 20 TU a může naznačovat přítomnost podzemních vod, které se dobíjely během zkoušek atmosférických atomových bomb v období 1953-63.

Vztah mezi δ2H a δ18O pro místní srážky, zaznamenané v Gimli, Manitoba, za období 1976-79 (δ2H = 8 δ18O + 7,47) je blízký vztahu pro globální meteorické srážky. Všechny podzemní vody leží blízko této linie, což naznačuje, že jsou meteorického původu. Zředěné podzemní vody mají izotopové složení moderních srážek (δ18O = – 13 ‰ až – 14 ‰). Toto rozmezí lze považovat za složení podzemních vod doplňovaných během teplých klimatických období, jako je to současné. Naproti tomu brakické podzemní vody (v rozmezí Cl 200 až ~ 8000 mg L- 1) mají až o 7 ‰ nižší hodnoty δ18O, což naznačuje, že se do podloží dostaly během chladnějšího klimatu, a to buď v glaciálu, nebo postglaciálu možná před 10 000 lety. Tento typ podzemních vod se vyskytuje v hlavních propustných poruchových zónách v oblasti v hloubkovém rozmezí 200-600 m (obr. 14).

Při větším zasolení mají podzemní vody hodnoty δ2H a δ18O srovnatelné s hodnotami moderních podzemních vod. Z toho se usuzuje, že tyto slané vody byly doplněny během teplého klimatu, podobného současnému, a protože jsou podkladem slaných vod studeného klimatu, jsou pravděpodobně starší.

Podzemní vody odebrané ze subvertikálních zlomů u povrchu a v poruchových zónách až do hloubky ~500 m mají hodnoty δ13C, které se pohybují mezi -21 ‰ a -11 ‰ a hodnoty 14CDIC mezi 6 a 80 pmC. Kromě poklesu obsahu 14C s rostoucí hloubkou lze v těchto údajích pozorovat jen málo trendů. Doplňující Na-Ca-HCO3 vody mají hodnoty δ13C mezi – 18‰ a – 11‰ a Na-HCO3 a slanější Na-Ca-Cl podzemní vody v hlubších zlomových zónách mají rozmezí od – 21‰ do – 14‰, přičemž velká většina z nich se pohybuje přibližně mezi – 17‰ a – 13‰.

Naproti tomu 14C vykazuje výraznější kolísání v celém režimu proudění: Obsah 14C v dobíjejících se vodách Na-Ca-HCO3 se pohybuje od 80 pmC v blízkosti hladiny do přibližně 10 pmC ve větších hloubkách. Podzemní vody Na-Ca-HCO3 a Na-Ca-Cl vypouštěné podél zlomových zón mají obsah 14C mezi 5 a 54 pmC. Tyto údaje naznačují, že 14C je užitečný parametr pro rozlišení mezi mělkou, rychle cirkulující podzemní vodou a hlubší vodou v poruchových zónách, kde je cirkulace pomalejší a omezenější, podobně jako zjištění uvedená Tullborgem a Gustafssonem (1999). Bohužel kvůli problémům s kontaminací moderními zdroji 14C (např. atmosférou a zbytkovou vrtnou vodou s vysokým obsahem 14C) a kvůli vlivu interakcí mezi vodou a horninou je 14C málo užitečný při určování doby zdržení hlubších, slaných podzemních vod.

Nejnověji se podařilo odebrat pórové tekutiny z neporušené horninové matrice granitu pomocí vzhůru skloněných vrtů na úrovni 420 m URL. Tyto vody jsou vysoce slané (~ 90 g L- 1) CaCl2 tekutiny, které mají jedinečnou izotopovou signaturu. Hodnoty δ2H i δ18O se pohybují kolem – 15 ‰, což je složení, které je řadí výrazně vlevo od linie meteorických vod a také nad a vlevo od nejslanějších důlních vod kanadského štítu.

Vysoký obsah 2H v pórových tekutinách naznačuje, že by mohly pocházet z neředěných bazických solanek, jejichž δ2H se blíží 0 ‰. Výměna 18O s horninovou matricí posune tyto tekutiny doleva, ze složení typického pro sedimentární solanky, do jejich současné polohy za linií meteorické vody. Pórové tekutiny z řídce rozpukané šedé žuly jsou v batolitu Lac du Bonnet zjevně jedinečné a v řadě aspektů se liší od slaných podzemních vod vyskytujících se v puklinách. Jejich chemický a izotopický charakter konzistentně naznačuje dlouhou dobu setrvání těchto tekutin v horninové matrici.

Pro vysvětlení původu podzemních vod v puklinách některé geochemické důkazy (vysoké poměry Na/Ca, nízké poměry Br/Cl a hodnoty δ34S rozpuštěného SO4 mořského typu) naznačují, že bazické Na-Cl solanky mohly do granitu pronikat puklinovými zónami a během dlouhých geologických období se vyvíjet směrem k podzemním vodám s převahou Ca. Je tedy možné, že pórové tekutiny jsou ve skutečnosti bazické solanky pocházející z těchto přilehlých puklinových tekutin, které se geochemicky a izotopicky vyvíjely až do současného složení po dobu až 109 let. Tyto pórové tekutiny mají stejné hodnoty 87Sr/86Sr jako celé horniny, což je v systémech voda/hornina velmi vzácné. To naznačuje izotopickou a možná i chemickou rovnováhu mezi tekutinou a horninou (Mclaughlin, 1997). Dosažení takové rovnováhy však naznačuje dlouhou dobu pobytu fluid v hornině.

.