Batholiitti

7.15.6.1 Pohjaveden koostumus ja suolaiset nesteet Lac du Bonnet -graniittisessa batholiitissa, Manitoba, Kanada

Lac du Bonnet -batholiitti on 2,6 miljardia vuotta vanhaa graniittia Kanadan liuskekentän länsireunalla, noin 100 kilometriä Winnipegistä itään. Sitä tutkittiin yksityiskohtaisesti, koska siellä sijaitsi Kanadan maanalainen tutkimuslaboratorio (URL) ja se oli Kanadan korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoitusohjelman tutkimuslaitos. Laitos suljettiin vuonna 2010 25 toimintavuoden jälkeen.

Graniittiin on porattu yli 100 porausreikää jopa 1 km:n syvyyteen asti, jotta voitiin tutkia kallion geologian, kalliomekaniikan, hydrogeologian ja geokemian vaihteluita. Pohjavesinäytteitä halkeamista, rikkonaisuuksista ja kalliomatriisista on otettu erilaisilla tekniikoilla (Gascoyne, 2002, 2004; Ross ja Gascoyne, 1995), ja ne ovat osoittaneet selkeää vyöhykkeistymistä syvyyden myötä.

Matalat pohjavedet ovat yleensä laimeita (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3-vesiä, ja niissä on ajoittain viitteitä siitä, että ne ovat sekoittuneet graniittia peittävistä savipitoisista sedimenteistä peräisin oleviin, savipitoisista peittävistä sedimenteistä peräisin oleviin, savipitoisista sedimenteistä peräisin oleviin Ca-Mg-HCO3-SO4-maaperän pohjavesiin. Syvemmällä olevat pohjavedet ovat joko laimeita Na-Ca-HCO3-vesiä tai sisältävät merkittäviä Cl- ja SO4-pitoisuuksia. Syvemmällä esiintyy Na-Ca-Cl-SO4-vesiä, joiden suolapitoisuus kasvaa. Alueen suolaisimmat murtopohjavedet on tavattu noin 1000 metrin syvyydessä, ja niiden suolapitoisuus on jopa 51 g L- 1.

Sen sijaan ionit, kuten HCO3, osoittavat asteittaista vähenemistä, pinta-arvosta ~ 250:stä < 10 mg L- 1:een, suolapitoisuuden kasvaessa. Sulfaatti nousee enimmillään noin 1000 mg L- 1 :n tasolle ja pyrkii vähenemään suolapitoisemmissa nesteissä. Nämä ominaisuudet viittaavat siihen, että liukoisuutta säätelee niukkaliukoinen mineraalifaasi (kalsiitti ja kipsi).

Pohjaveden pH vaihtelee myös syvyyden mukaan. Syvyyksillä 0-200 m on määritetty suuri pH:n vaihteluväli (6,5-9,3), jonka alhaisemmat arvot heijastavat happamien, runsaasti liuenneita orgaanisia aineita ja maaperävyöhykkeestä peräisin olevaa hiilidioksidia sisältävien täyttövesien vaikutusta. Alle 200 metrin syvyydessä suurin osa pohjavedestä on pH-alueella 7,5-8,8. Pohjavesien redox-potentiaalin (mitattuna Eh:nä elektrodianturilla) yleinen suuntaus on, että Eh laskee syvyyden myötä (+ 500 mV:sta pinnalla < – 100 mV:iin syvyydessä). Redoxia säätelee kaksi pääprosessia: liuenneiden orgaanisten aineiden hapettuminen matalammilla vyöhykkeillä ja Fe(II)/Fe(III)-redox-pari mineraaleissa, kuten pyriitissä (Fe-sulfidi), biotiitissa (Fe-silikaatti) ja magnetiitissa (Fe-oksidi), syvemmällä. Korkea uraanipitoisuus pinnanläheisessä pohjavedessä on selvä indikaattori redox-potentiaalista. Noin 200 metrin syvyydessä kallioperässä olevien pohjavesien uraanipitoisuudet ovat 50-1000 μg L- 1, kun taas 250 metrin syvyydessä olevien pohjavesien uraanipitoisuudet ovat < 10 μg L- 1.

Useimmissa matalissa ja laimeissa pohjavesissä (ts. alhaiset klooripitoisuudet), jotka sijaitsevat täydennysrakentamisalueilla, on 3H:ta vähintään 10 TU:n verran. Nykyaikainen sademäärän 3H-pitoisuus on noin 15 TU. Tämä osoittaa, että näillä pohjavesillä on ollut suhteellisen lyhyt viipymäaika virtaussysteemissä ja että useimmat niistä ovat täyttyneet viimeisten ~ 50 vuoden aikana tai ainakin sisältävät jonkin verran vettä, joka on täyttynyt viimeisten 50 vuoden aikana. Useat pohjavedet syvyysalueella 50-250 m sisältävät huomattavasti yli 20 TU:ta, mikä voi viitata siihen, että pohjavedet ovat latautuneet ilmakehän atomipommikokeiden aikana vuosina 1953-63.

Gimlissä, Manitobassa, vuosina 1976-79 mitattujen paikallisten sateiden δ2H:n ja δ18O:n välinen suhde (δ2H = 8 δ18O + 7,47) on lähellä globaalin meteorisateen suhdetta. Kaikki pohjavedet ovat lähellä tätä linjaa, mikä osoittaa, että ne ovat meteoriperäisiä. Laimeat pohjavedet vastaavat isotooppikoostumukseltaan nykyajan sademäärää (δ18O = – 13‰ – – 14‰). Tämän vaihteluvälin voidaan katsoa edustavan sellaisten pohjavesien koostumusta, jotka täyttyvät nykyisen kaltaisina lämpiminä ilmastojaksoina. Sitä vastoin murtoveden pohjaveden (Cl-alueella 200 – ~ 8000 mg L- 1) δ18O-arvot ovat jopa 7‰ alhaisemmat, mikä viittaa siihen, että ne on ladattu kallioperään kylmemmän ilmaston aikana, joko jääkauden aikana tai jääkauden jälkeen mahdollisesti 10 000 vuotta sitten. Tätä pohjavesityyppiä esiintyy alueen tärkeimmillä läpäisevillä rikkonaisuusvyöhykkeillä 200-600 metrin syvyydellä (kuva 14).

Korkeammilla suolapitoisuuksilla pohjaveden δ2H- ja δ18O-arvot ovat verrattavissa nykyajan pohjavesien arvoihin. Näin ollen voidaan päätellä, että nämä suolaiset vedet täyttyivät nykyisen kaltaisen lämpimän ilmastotapahtuman aikana, ja koska ne ovat kylmän ilmaston murtovesien alapuolella, ne ovat todennäköisesti vanhempia.

Pinnan läheisyydessä olevista subvertikaalisista murtumista ja jopa ~ 500 metrin syvyydellä sijaitsevista rikkonaisuusvyöhykkeistä otettujen pohjavesinäytteiden δ13C-arvot vaihtelevat välillä – 21‰ – – – 11‰, ja 14CDIC-arvot ovat välillä 6 – 80 pmC. Lukuun ottamatta 14C-pitoisuuden vähenemistä syvyyden kasvaessa näissä tiedoissa on havaittavissa vain vähän suuntauksia. Täyttyvien Na-Ca-HCO3-vesien δ13C-arvot ovat välillä – 18‰ ja – 11‰, ja syvemmillä murtovyöhykkeillä olevien Na-HCO3- ja suolaisempien Na-Ca-Cl-pohjavesien δ13C-arvojen vaihteluväli on – 21‰ ja – 14‰ välillä, ja suurin osa näistä arvoista vaihtelee noin – 17‰ ja – 13‰ välillä.

14C:n arvot sitä vastoin vaihtelevat selvemmin koko virtausjärjestelmän ajan: Latautuvien Na-Ca-HCO3 -vesien 14C-pitoisuudet vaihtelevat 80 pmC:stä lähellä pintaa noin 10 pmC:iin suuremmissa syvyyksissä. Murtumavyöhykkeitä pitkin purkautuvien Na-Ca-HCO3- ja Na-Ca-Cl-pohjavesien 14C-pitoisuudet ovat 5-54 pmC. Nämä tiedot osoittavat, että 14C on hyödyllinen parametri, jonka avulla voidaan erottaa toisistaan matala, nopeasti kiertävä pohjavesi ja syvemmällä oleva vesi rikkonaisuusvyöhykkeillä, joissa kierto on hitaampaa ja rajoitetumpaa, kuten Tullborgin ja Gustafssonin (1999) tutkimustulokset osoittavat. Valitettavasti nykyaikaisista 14C-lähteistä (esim. ilmakehästä ja korkeaa 14C:tä sisältävästä jäännösporausvedestä) aiheutuvien kontaminaatio-ongelmien ja veden ja kallion vuorovaikutuksen vaikutuksen vuoksi 14C:stä on vain vähän hyötyä syvempien, suolapitoisempien pohjavesien viipymäaikojen määrittämisessä.

Nyttemmin on ollut mahdollista kerätä huokosnesteitä halkeilemättömästä graniittisesta kalliomatriisista URL:n 420 m:n korkeudella sijaitsevien, ylöspäin suuntautuvien porakaivojen avulla. Nämä vedet ovat erittäin suolaisia (~ 90 g L- 1) CaCl2-nesteitä, joilla on ainutlaatuinen isotooppipiirre. Sekä δ2H- että δ18O-arvot ovat noin – 15‰, koostumus, joka sijoittaa ne reilusti meteorisen vesirajan vasemmalle puolelle ja myös Kanadan kilven suolaisimpien kaivosvesien yläpuolelle ja vasemmalle puolelle.

Huokosnesteiden korkea 2H-pitoisuus viittaa siihen, että ne voisivat olla peräisin laimentamattomista basaalisista suolavesistä, joiden δ2H on lähellä 0‰. 18O:n vaihto kalliomatriisin kanssa siirtää nesteitä vasemmalle, sedimenttisuolavesille tyypillisestä koostumuksesta, niiden nykyiseen sijaintiin meteorisen vesirajan ulkopuolella. Harvan murtuneen harmaan graniitin huokosnesteet ovat selvästi ainutlaatuisia Lac du Bonnet’n batholiitissa, ja ne eroavat monilta osin murtumissa esiintyvistä suolaisista pohjavesistä. Niiden kemiallinen ja isotooppinen luonne viittaa johdonmukaisesti siihen, että näiden nesteiden viipymäaika kalliomatriisissa on ollut pitkä.

Miksi selittääksemme murtumissa olevien pohjavesien alkuperän, jotkin geokemialliset todisteet (korkeat Na/Ca-suhteet, alhaiset Br/Cl-suhteet ja liuenneen SO4:n merityyppiset δ34S-arvot) antavat viitteitä siitä, että basaaliset Na-Cl-suolasuolaliuokset ovat saattaneet kulkeutua graniittiin murtumavyöhykkeiden kautta ja kehittyä pitkien geologisten ajanjaksojen aikana kohti Ca:n hallitsemiaa pohjavesiä. On siis mahdollista, että huokosvedet ovat itse asiassa basaalisia suolavesiä, jotka ovat peräisin näistä viereisistä murtumavyöhykkeistä ja jotka ovat kehittyneet geokemiallisesti ja isotooppisesti nykyiseen koostumukseensa jopa 109 vuoden aikana. Näissä huokosnesteissä on samat 87Sr/86Sr-arvot kuin koko kiven arvoissa, mikä on hyvin harvinaista vesi-kivisysteemeissä. Tämä viittaa isotooppiseen ja mahdollisesti kemialliseen tasapainoon nesteen ja kiven välillä (Mclaughlin, 1997). Tällaisen tasapainon saavuttaminen edellyttää kuitenkin nesteiden pitkää viipymäaikaa.