Batholit

7.15.6.6.1 Grundvandssammensætning og saltvandsvæsker i Lac du Bonnet granit batholitten, Manitoba, Canada

Lac du Bonnet batholitten er en 2,6 milliarder år gammel granit på den vestlige kant af det canadiske skjold, ca. 100 km øst for Winnipeg, Manitoba. Den blev undersøgt i detaljer, fordi den var stedet for Canadas underjordiske forskningslaboratorium (URL) og var en forskningsfacilitet i det canadiske program for deponering af højradioaktivt atomaffald. Anlægget blev lukket i 2010 efter 25 års drift.

Over 100 borehuller er blevet boret op til 1 km dybde ned i granitten for at studere variationer i bjergartens geologi, bjergmekanik, hydrogeologi og geokemi. Grundvandet i brud, forkastninger og klippematrixen er blevet prøvetaget ved hjælp af en række forskellige teknikker (Gascoyne, 2002, 2004; Ross og Gascoyne, 1995) og har vist en tydelig zonering med dybden.

Det lavvandede grundvand er generelt fortyndet (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3-vand og viser lejlighedsvis tegn på opblanding med Ca-Mg-HCO3-SO4 grundvand fra lerrige overlejringssedimenter, der ofte dækker granitten. Dybere grundvand er enten fortyndet Na-Ca-HCO3-vand eller indeholder betydelige koncentrationer af Cl og SO4. Med større dybde findes der Na-Ca-Cl-SO4-vand med stigende saltholdighed. Det mest saltholdige brudgrundvand i området er fundet i ca. 1000 m dybde og har en saltholdighed på op til 51 g L- 1.

I modsætning hertil viser ioner som HCO3 et gradvist fald, fra en overfladeværdi på ~ 250 til < 10 mg L- 1, efterhånden som saltholdigheden stiger. Sulfat stiger til et maksimalt niveau på ca. 1000 mg L- 1 og har en tendens til at falde i de mere saltholdige væsker. Disse karakteristika tyder på, at opløseligheden kontrolleres af en tungt opløselig mineralfase (henholdsvis calcit og gips).

Grundvandets pH-værdi varierer også med dybden. For dybder på 0-200 m er der konstateret et stort pH-interval (6,5-9,3), idet de lavere værdier afspejler indflydelsen fra surt opladningsvand, der er rig på opløste organiske stoffer og CO2 fra jordzonen. Under 200 m ligger de fleste grundvandsområder inden for pH-området 7,5-8,8. Grundvandets redoxpotentiale (målt som Eh ved hjælp af en elektrodesensor) viser en generel tendens til faldende Eh med dybden (fra + 500 mV ved overfladen til < – 100 mV i dybden). Redox er styret af to hovedprocesser: oxidation af opløste organiske stoffer i de lavvandede zoner og Fe(II)/Fe(III)-redoxparret i mineraler som f.eks. pyrit (Fe-sulfid), biotit (Fe-silikat) og magnetit (Fe-oxid) i dybden. En høj urankoncentration i grundvandet nær overfladen viser sig at være en klar indikator for redoxpotentialet. Grundvand over ca. 200 m dybde i grundfjeldet har et uranindhold på mellem 50 og 1000 μg L- 1, mens grundvand under 250 m indeholder < 10 μg L- 1.

De fleste lavvandede og fortyndede grundvand (dvs. med lav klorkoncentration) i indvindingsområder indeholder 3H i en mængde på mindst 10 TU. Det moderne 3H-indhold i nedbør er ca. 15 TU. Dette tyder på, at dette grundvand har haft en relativt kort opholdstid i strømningssystemet, og at de fleste er blevet fyldt op inden for de sidste ~ 50 år eller i det mindste indeholder en vis andel af vand, der er fyldt op inden for de sidste 50 år. Flere grundvandsområder i dybdeområdet 50-250 m indeholder betydeligt mere end 20 TU og kan indikere tilstedeværelsen af grundvand, der blev genopfyldt under atmosfæriske atombombeforsøg i perioden 1953-63.

Forholdet mellem δ2H og δ18O for lokal nedbør, registreret i Gimli, Manitoba, for perioden 1976-79 (δ2H = 8 δ18O + 7,47) er tæt på forholdet for global meteorisk nedbør. Alle grundvandsområder ligger tæt på denne linje, hvilket indikerer, at de er af meteorisk oprindelse. Fortyndet grundvand har isotopsammensætning som moderne nedbør (δ18O = – 13‰ til – 14‰). Dette interval kan antages at repræsentere sammensætningen af grundvand, der fyldes op i varme klimatiske perioder som den nuværende. I modsætning hertil har brakt grundvand (i Cl-området fra 200 til ~ 8000 mg L- 1) op til 7‰ lavere δ18O-værdier, hvilket tyder på, at det blev fyldt op til grundfjeldet under et koldere klima, enten istid eller postglacialt for måske 10 000 år siden. Denne grundvandstype findes i de største permeable brudzoner i området i et dybdeinterval på 200-600 m (figur 14).

På højere saltholdigheder har grundvandet δ2H- og δ18O-værdier, der kan sammenlignes med værdierne for moderne grundvand. Det konkluderes derfor, at disse saltholdige vande blev fyldt op under en varm klimabegivenhed, svarende til den nuværende, og da de ligger under brakvand med koldt klima, er de sandsynligvis ældre.

Grundvand prøvetaget fra subvertikale brud nær overfladen og i brudzoner så dybt som ~ 500 m har δ13C-værdier, der varierer mellem – 21‰ og – 11‰ og 14CDIC-værdier mellem 6 og 80 pmC. Bortset fra et fald i 14C-indholdet med stigende dybde kan der kun ses få tendenser i disse data. Genopfyldende Na-Ca-HCO3-vand har δ13C-værdier på mellem – 18‰ og – 11‰, og Na-HCO3- og mere saltholdigt Na-Ca-Cl-grundvand i dybere brudzoner har et interval på mellem – 21‰ og – 14‰, med et stort flertal af dem mellem ca. – 17‰ og – 13‰.

Derimod viser 14C en mere udtalt variation i hele strømningsregimet: 14C-niveauerne i Na-Ca-HCO3-vand, der fyldes op, varierer fra 80 pmC i nærheden af overfladen til ca. 10 pmC i større dybder. Na-Ca-HCO3- og Na-Ca-Cl-grundvandet, der udledes langs brudzonerne, har 14C-niveauer på mellem 5 og 54 pmC. Disse data tyder på, at 14C er en nyttig parameter til at skelne mellem det lavvandede, hurtigt cirkulerende grundvand og dybere vand i brudzoner, hvor cirkulationen er langsommere og mere begrænset, i lighed med de resultater, som Tullborg og Gustafsson (1999) har rapporteret. Desværre er 14C på grund af problemerne med kontaminering fra moderne 14C-kilder (f.eks. atmosfæren og resterende borevand med højt 14C-indhold) og på grund af indflydelsen fra vand-sten-interaktioner kun af ringe nytte til bestemmelse af opholdstiderne for det dybere, saltholdige grundvand.

For nylig har det været muligt at indsamle porevæske fra den ubrudte granitbjergart ved hjælp af opadgående boringer på 420 m niveauet i URL. Disse vande er stærkt salte (~ 90 g L- 1) CaCl2-vand, der har en unik isotopisk signatur. Både δ2H- og δ18O-værdierne er omkring – 15‰, en sammensætning, der placerer dem et godt stykke til venstre for den meteoriske vandlinje og også over og til venstre for det mest salte minevand fra det canadiske skjold.

Det høje 2H-indhold i porevæskerne tyder på, at de kan stamme fra ufortyndede basale saltvand, hvis δ2H er tæt på 0‰. Udvekslingen af 18O med klippematrixen vil flytte væskerne til venstre, fra en sammensætning, der er typisk for sedimentære saltvandssalte, til deres nuværende position hinsides den meteoriske vandgrænse. Porevæskerne fra den sparsomt frakturerede grå granit er klart unikke i Lac du Bonnet-batholitten og adskiller sig på en række punkter fra det salte grundvand, der findes i frakturer. Deres kemiske og isotopiske karakter indikerer konsekvent en lang opholdstid for disse væsker i klippematrixen.

For at redegøre for oprindelsen af det brudholdige grundvand tyder nogle geokemiske beviser (høje Na/Ca-forhold, lave Br/Cl-forhold og marine δ34S værdier af opløst SO4) på, at basale Na-Cl-saltevand kan være kommet ind i granitten gennem brudzonerne og have udviklet sig til Ca-domineret grundvand over lange geologiske tidsperioder. Det er derfor muligt, at porevæskerne faktisk er basale saltvandssalte, der stammer fra disse tilstødende brudvandssalte, og som har udviklet sig geokemisk og isotopisk til deres nuværende sammensætning over perioder så lange som 109 år. Disse porevæsker har de samme 87Sr/86Sr-værdier som værdierne for hele klippen, hvilket er meget sjældent i vand/klippe-systemer. Dette antyder isotopisk og muligvis kemisk ligevægt mellem væske og sten (Mclaughlin, 1997). At opnå en sådan ligevægt tyder dog på en lang opholdstid for væskerne.