Batholith

7.15.6.1 Grundwasserzusammensetzung und salzhaltige Fluide im Lac du Bonnet Granitbatholith, Manitoba, Kanada

Der Lac du Bonnet Batholith ist ein 2,6 Milliarden Jahre alter Granit am westlichen Rand des Kanadischen Schildes, etwa 100 km östlich von Winnipeg, Manitoba. Er wurde eingehend untersucht, weil sich dort das kanadische Underground Research Laboratory (URL) befand und eine Forschungseinrichtung des kanadischen Programms zur Entsorgung hochradioaktiver Abfälle war. Die Anlage wurde 2010 nach 25 Jahren Betrieb geschlossen.

Über 100 Bohrungen wurden bis zu einer Tiefe von 1 km in den Granit gebohrt, um Variationen in der Geologie, Felsmechanik, Hydrogeologie und Geochemie des Gesteins zu untersuchen. Grundwässer in Klüften, Verwerfungen und der Gesteinsmatrix wurden mit verschiedenen Techniken beprobt (Gascoyne, 2002, 2004; Ross und Gascoyne, 1995) und zeigten eine deutliche Zonierung mit der Tiefe.

Flache Grundwässer sind im Allgemeinen verdünnte (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3-Wässer und zeigen gelegentlich Hinweise auf eine Vermischung mit Ca-Mg-HCO3-SO4-Grundwasser aus tonreichen Deckgebirgssedimenten, die den Granit häufig bedecken. Tiefere Grundwässer sind entweder verdünnte Na-Ca-HCO3-Wässer oder enthalten erhebliche Konzentrationen von Cl und SO4. Mit zunehmender Tiefe findet man Na-Ca-Cl-SO4-Wasser mit zunehmendem Salzgehalt. Die am stärksten salzhaltigen Kluftgrundwässer in dem Gebiet wurden in etwa 1000 m Tiefe angetroffen und haben einen Salzgehalt von bis zu 51 g L-1.

Im Gegensatz dazu zeigen Ionen wie HCO3 eine allmähliche Abnahme von einem Oberflächenwert von ~ 250 bis < 10 mg L- 1, wenn der Salzgehalt zunimmt. Sulfat steigt auf einen Höchstwert von etwa 1000 mg L- 1 an und nimmt in den salzhaltigeren Flüssigkeiten tendenziell ab. Diese Merkmale deuten auf eine Löslichkeitskontrolle durch eine schwerlösliche Mineralphase (Calcit bzw. Gips) hin.

Der pH-Wert des Grundwassers variiert auch mit der Tiefe. Für Tiefen von 0-200 m wurde ein großer pH-Bereich (6,5-9,3) ermittelt, wobei die niedrigeren Werte den Einfluss von saurem Anreicherungswasser widerspiegeln, das reich an gelösten organischen Stoffen und CO2 aus der Bodenzone ist. Unterhalb von 200 m liegen die meisten Grundwässer im pH-Bereich 7,5-8,8. Das Redoxpotential des Grundwassers (gemessen als Eh mit einem Elektrodensensor) zeigt einen allgemeinen Trend zu einem mit der Tiefe abnehmenden Eh (von + 500 mV an der Oberfläche bis < – 100 mV in der Tiefe). Redox wird durch zwei Hauptprozesse gesteuert: die Oxidation von gelösten organischen Stoffen in den flacheren Zonen und das Fe(II)/Fe(III)-Redoxpaar in Mineralen wie Pyrit (Fe-Sulfid), Biotit (Fe-Silikat) und Magnetit (Fe-Oxid) in der Tiefe. Eine hohe Urankonzentration im oberflächennahen Grundwasser ist ein klarer Indikator für das Redoxpotenzial. Grundwässer oberhalb von etwa 200 m Tiefe im Grundgestein weisen Urangehalte von 50 bis 1000 μg L- 1 auf, während sie unterhalb von 250 m < 10 μg L- 1 enthalten.

Die meisten oberflächennahen und verdünnten Grundwässer (d. h. mit geringer Chlorkonzentration) in Anreicherungsgebieten enthalten 3H in einer Größenordnung von mindestens 10 TU. Der heutige 3H-Gehalt von Niederschlägen beträgt etwa 15 TU. Dies deutet darauf hin, dass diese Grundwässer eine relativ kurze Verweildauer im Fließsystem hatten und die meisten innerhalb der letzten ~ 50 Jahre angereichert wurden oder zumindest einen Teil des Wassers enthalten, das in den letzten 50 Jahren angereichert wurde. Mehrere Grundwässer im Tiefenbereich von 50-250 m enthalten deutlich mehr als 20 TU und könnten auf das Vorhandensein von Grundwässern hindeuten, die sich während der Atombombentests in der Zeit von 1953-63 angereichert haben.

Das Verhältnis zwischen δ2H und δ18O für lokale Niederschläge, die in Gimli, Manitoba, für den Zeitraum 1976-79 aufgezeichnet wurden (δ2H = 8 δ18O + 7,47), liegt nahe an dem des globalen meteorischen Niederschlags. Alle Grundwässer liegen in der Nähe dieser Linie, was bedeutet, dass sie meteorischen Ursprungs sind. Verdünnte Grundwässer haben die Isotopenzusammensetzung von modernem Niederschlag (δ18O = – 13‰ bis – 14‰). Dieser Bereich entspricht der Zusammensetzung von Grundwässern, die in warmen Klimaperioden wie der jetzigen aufgeladen werden. Im Gegensatz dazu weisen brackige Grundwässer (im Cl-Bereich von 200 bis ~ 8000 mg L- 1) um bis zu 7‰ niedrigere δ18O-Werte auf, was darauf hindeutet, dass sie während eines kälteren Klimas, entweder eiszeitlich oder nacheiszeitlich vor möglicherweise 10 000 Jahren, in das Grundgestein eingespeist wurden. Dieser Grundwassertyp ist in den großen durchlässigen Störungszonen des Gebiets in einer Tiefe von 200-600 m zu finden (Abbildung 14).

Bei höheren Salzgehalten weisen die Grundwässer δ2H- und δ18O-Werte auf, die mit denen des modernen Grundwassers vergleichbar sind. Daraus wird gefolgert, dass diese salzhaltigen Wässer während eines warmen Klimaereignisses, ähnlich dem heutigen, angereichert wurden und, da sie unter den Brackwässern des kalten Klimas liegen, wahrscheinlich älter sind.

Grundwässer, die aus subvertikalen Brüchen nahe der Oberfläche und in Verwerfungszonen bis zu einer Tiefe von ~ 500 m entnommen wurden, haben δ13C-Werte, die zwischen – 21‰ und – 11‰ liegen, und 14CDIC-Werte zwischen 6 und 80 pmC. Abgesehen von einer Abnahme des 14C-Gehalts mit zunehmender Tiefe lassen sich nur wenige Trends in diesen Daten erkennen. Anreichernde Na-Ca-HCO3-Wässer weisen δ13C-Werte zwischen – 18‰ und – 11‰ auf, während Na-HCO3- und stärker salzhaltige Na-Ca-Cl-Grundwässer in tieferen Bruchzonen eine Spanne von – 21‰ bis – 14‰ aufweisen, wobei die große Mehrheit von ihnen zwischen etwa – 17‰ und – 13‰ liegt.

Im Gegensatz dazu zeigt 14C eine ausgeprägtere Variation über das gesamte Fließregime: Die 14C-Gehalte im aufladenden Na-Ca-HCO3-Wasser variieren von 80 pmC in der Nähe der Oberfläche bis zu etwa 10 pmC in größeren Tiefen. Na-Ca-HCO3- und Na-Ca-Cl-Grundwässer, die entlang der Bruchzonen abfließen, weisen 14C-Werte zwischen 5 und 54 pmC auf. Diese Daten deuten darauf hin, dass 14C ein nützlicher Parameter für die Unterscheidung zwischen dem flachen, schnell zirkulierenden Grundwasser und dem tieferen Wasser in den Bruchzonen ist, wo die Zirkulation langsamer und eingeschränkter ist, ähnlich wie die von Tullborg und Gustafsson (1999) berichteten Ergebnisse. Leider ist 14C wegen des Problems der Verunreinigung durch moderne 14C-Quellen (z.B. die Atmosphäre und restliches Bohrwasser mit hohem 14C-Gehalt) und wegen des Einflusses von Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen nur von geringem Nutzen für die Bestimmung der Verweilzeiten der tieferen, salzhaltigen Grundwässer.

In jüngster Zeit war es möglich, Porenflüssigkeiten aus der ungebrochenen Granitgestein-Matrix mit Hilfe von nach oben gerichteten Bohrlöchern auf der 420-m-Ebene der URL zu sammeln. Bei diesen Wässern handelt es sich um stark salzhaltige (~ 90 g L- 1) CaCl2-Flüssigkeiten, die eine einzigartige Isotopensignatur aufweisen. Sowohl die δ2H- als auch die δ18O-Werte liegen bei etwa – 15‰, eine Zusammensetzung, die sie weit links von der meteorischen Wasserlinie und auch über und links von den salzhaltigsten Minenwässern des Kanadischen Schildes platziert.

Der hohe 2H-Gehalt der Porenflüssigkeiten legt nahe, dass sie aus unverdünnten basalen Solen stammen könnten, deren δ2H nahe bei 0‰ liegt. Durch den Austausch von 18O mit der Gesteinsmatrix verschieben sich die Fluide von einer für sedimentäre Solen typischen Zusammensetzung nach links zu ihrer derzeitigen Position jenseits der meteorischen Wasserlinie. Die Porenflüssigkeiten aus dem spärlich geklüfteten grauen Granit sind eindeutig einzigartig im Lac du Bonnet-Batholith und unterscheiden sich in einer Reihe von Aspekten von den salzhaltigen Grundwässern, die in Klüften gefunden werden. Ihr chemischer und isotopischer Charakter deutet durchweg auf eine lange Verweildauer dieser Flüssigkeiten in der Gesteinsmatrix hin.

Um den Ursprung der Grundwässer in den Klüften zu erklären, deuten einige geochemische Anzeichen (hohe Na/Ca-Verhältnisse, niedrige Br/Cl-Verhältnisse und marine δ34S-Werte des gelösten SO4) darauf hin, dass basale Na-Cl-Solen durch die Kluftzonen in den Granit gelangt sein könnten und sich über lange geologische Zeiträume zu Ca-dominierten Grundwässern entwickelt haben. Es ist daher möglich, dass es sich bei den Porenflüssigkeiten tatsächlich um basale Solen handelt, die aus diesen angrenzenden Bruchflüssigkeiten stammen und sich über Zeiträume von bis zu 109 Jahren geochemisch und isotopisch zu ihrer heutigen Zusammensetzung entwickelt haben. Diese Porenflüssigkeiten weisen die gleichen 87Sr/86Sr-Werte auf wie das gesamte Gestein, was in Wasser/Gestein-Systemen sehr selten ist. Dies impliziert ein isotopisches und möglicherweise chemisches Gleichgewicht zwischen Fluid und Gestein (Mclaughlin, 1997). Um ein solches Gleichgewicht zu erreichen, ist eine lange Verweildauer der Fluide erforderlich.