Batholit

7.15.6.1 A talajvíz összetétele és a sós folyadékok a Lac du Bonnet gránit batholitban, Manitoba, Kanada

A Lac du Bonnet batholit egy 2,6 milliárd éves gránit a Kanadai Pajzs nyugati peremén, a manitobai Winnipegtől mintegy 100 km-re keletre. Részletesen tanulmányozták, mert itt található a kanadai földalatti kutatólaboratórium (URL), és ez volt a nagy aktivitású nukleáris hulladékok elhelyezésére irányuló kanadai program egyik kutatási létesítménye. A létesítményt 25 év működés után 2010-ben bezárták.

A gránitba több mint 100 fúrást fúrtak 1 km mélységig, hogy tanulmányozzák a kőzet geológiájának, kőzetmechanikájának, hidrogeológiájának és geokémiájának változásait. A repedésekben, törésekben és a kőzetmátrixban található talajvizekből különböző technikákkal vettek mintát (Gascoyne, 2002, 2004; Ross és Gascoyne, 1995), és a mélységgel együtt határozott zonációt mutattak.

A sekély talajvizek általában híg (TDS < 0,3 g L-1) Ca-Na-HCO3 vizek, és esetenként a gránitot gyakran borító agyagban gazdag fedő üledékekből származó Ca-Mg-HCO3-SO4 talajvízzel való keveredés jeleit mutatják. A mélyebb talajvizek vagy híg Na-Ca-HCO3 vizek, vagy jelentős Cl- és SO4-koncentrációt tartalmaznak. Nagyobb mélységben egyre nagyobb sótartalmú Na-Ca-Cl-SO4 vizek találhatók. A területen a legsótartóbb töréses talajvizek körülbelül 1000 m mélységben fordulnak elő, és sótartalmuk eléri az 51 g L- 1-t.

Ezzel szemben az olyan ionok, mint a HCO3, a sótartalom növekedésével fokozatos csökkenést mutatnak, a ~ 250-es felszíni értékről < 10 mg L- 1-re. A szulfát kb. 1000 mg L- 1 maximális szintre emelkedik, és a sósabb folyadékokban csökkenő tendenciát mutat. Ezek a jellemzők egy nehezen oldódó ásványi fázis (kalcit, illetve gipsz) oldhatósági kontrolljára utalnak.

A talajvizek pH-ja is változik a mélységgel. A 0-200 m mélységben nagy pH-tartományt (6,5-9,3) határoztak meg, az alacsonyabb értékek a talajzónából származó, oldott szerves anyagokban és CO2-ben gazdag savas feltöltődő vizek hatását tükrözik. 200 m alatt a legtöbb talajvíz a 7,5-8,8-as pH-tartományba esik. A talajvizek redoxpotenciálja (elektródos érzékelővel mért Eh) általános tendencia, hogy a mélységgel csökken az Eh (a felszíni + 500 mV-ról a mélységben < – 100 mV-ra). A redoxot két fő folyamat szabályozza: az oldott szerves anyagok oxidációja a sekélyebb zónákban és a Fe(II)/Fe(III) redoxpár az ásványokban, mint például a pirit (Fe-szulfid), biotit (Fe-szilikát) és magnetit (Fe-oxid), a mélyben. A felszínközeli talajvíz magas uránkoncentrációja egyértelműen jelzi a redoxpotenciált. A felszín alatti vizek körülbelül 200 m mélység felett az alapkőzetben 50 és 1000 μg L- 1 közötti urántartalommal rendelkeznek, míg 250 m alatt < 10 μg L- 1-t tartalmaznak.

A legtöbb sekély és híg talajvíz (azaz alacsony klórkoncentrációjú) a feltöltődési területeken legalább 10 TU szintig tartalmaz 3H-t. A csapadék mai 3H-tartalma körülbelül 15 TU. Ez azt jelzi, hogy ezeknek a talajvizeknek viszonylag rövid tartózkodási idejük volt az áramlási rendszerben, és a legtöbbjük az elmúlt ~ 50 évben töltődött fel, vagy legalábbis az elmúlt 50 évben feltöltődött víz egy részét tartalmazza. Több talajvíz az 50-250 m-es mélységtartományban jelentősen több mint 20 TU-t tartalmaz, ami arra utalhat, hogy az 1953-63 közötti időszakban a légköri atombombakísérletek során feltöltődött talajvizek jelenlétére.

A helyi csapadék δ2H és δ18O közötti kapcsolat, amelyet Gimliben (Manitoba) rögzítettek az 1976-79 közötti időszakban (δ2H = 8 δ18O + 7,47), közel áll a globális meteorikus csapadékhoz. Minden talajvíz közel van ehhez a vonalhoz, ami azt jelzi, hogy meteoros eredetű. A híg talajvizek izotópos összetétele a modern csapadéké (δ18O = – 13‰ és – 14‰ között). Ez a tartomány a jelenlegihez hasonló meleg éghajlati időszakokban feltöltődő talajvizek összetételének tekinthető. Ezzel szemben a brakkos talajvizek (a 200 és ~ 8000 mg L-1 közötti Cl-tartományban) δ18O értékei akár 7‰-rel is alacsonyabbak, ami arra utal, hogy hidegebb éghajlat idején töltődtek fel az alapkőzetbe, akár jégkorszaki, akár jégkorszak utáni, valószínűleg 10 000 évvel ezelőtt. Ez a talajvíztípus a terület főbb vízáteresztő törészónáiban található, 200-600 m mélységtartományban (14. ábra).

A nagyobb sótartalmú talajvizek δ2H és δ18O értékei a mai talajvizekéhez hasonlóak. Ebből arra lehet következtetni, hogy ezek a sós vizek egy, a maihoz hasonló meleg éghajlatú esemény során töltődtek fel, és mivel a hideg éghajlatú brakkvizek alatt vannak, valószínűleg régebbiek.

A felszín közeli szubverzális törésekből és a ~ 500 m mélységig terjedő törészónákból vett talajvizek δ13C értékei – 21‰ és – 11‰ között, a 14CDIC értékei pedig 6 és 80 pmC között mozognak. A 14C-tartalomnak a mélység növekedésével történő csökkenésén kívül kevés tendencia figyelhető meg ezekben az adatokban. A feltöltődő Na-Ca-HCO3 vizek δ13C értékei – 18‰ és – 11‰ között vannak, a Na-HCO3 és a sósabb Na-Ca-Cl talajvizek a mélyebb törészónákban – 21‰ és – 14‰ között mozognak, a nagy többségük körülbelül – 17‰ és – 13‰ között van.

A 14C ezzel szemben az áramlási rendszerben kifejezettebb ingadozást mutat: A feltöltődő Na-Ca-HCO3 vizek 14C-szintje a felszínközeli 80 pmC és a nagyobb mélységekben kb. 10 pmC között változik. A törésvonalak mentén lefolyó Na-Ca-HCO3 és Na-Ca-Cl talajvizek 14C-szintje 5 és 54 pmC között van. Ezek az adatok azt jelzik, hogy a 14C hasznos paraméter a sekély, gyorsan keringő talajvíz és a törésövezetekben lévő mélyebb vizek közötti különbségtételre, ahol a keringés lassabb és korlátozottabb, hasonlóan a Tullborg és Gustafsson (1999) által közölt eredményekhez. Sajnos a modern 14C-források (pl. a légkör és a magas 14C-tartalmú fúróvíz maradványai) okozta szennyezés problémái és a víz-kőzet kölcsönhatások hatása miatt a 14C kevéssé használható a mélyebb, sós talajvizek tartózkodási idejének meghatározására.

A közelmúltban az URL 420 m-es szintjén felfelé lejtő fúrások segítségével sikerült pórusnedveket gyűjteni a töretlen gránit kőzetmátrixból. Ezek a vizek erősen sós (~ 90 g L- 1) CaCl2 folyadékok, amelyek egyedi izotópos jelleggel rendelkeznek. Mind a δ2H, mind a δ18O értékek -15‰ körüliek, amely összetétel jóval a meteorikus vízhatártól balra, valamint a legsósabb Canadian Shield bányavizek felett és balra helyezkedik el.

A pórusfolyadékok magas 2H-tartalma arra utal, hogy azok hígítatlan bazális sós vizekből származhatnak, amelyek δ2H értéke közel 0‰. A 18O cseréje a kőzetmátrixszal balra tolja el a fluidumokat, az üledékes sósvizekre jellemző összetételből a meteorvízhatáron túlra. A ritkán töredezett szürke gránitból származó pórusfolyadékok egyértelműen egyedülállóak a Lac du Bonnet batholitban, és több szempontból is különböznek a törésekben található sós talajvizektől. Kémiai és izotópos jellegük következetesen arra utal, hogy ezek a folyadékok hosszú ideig tartózkodtak a kőzetmátrixban.

A törésekben található talajvizek eredetének magyarázatához néhány geokémiai bizonyíték (magas Na/Ca arány, alacsony Br/Cl arány és az oldott SO4 tengeri típusú δ34S értékei) arra utal, hogy a bazális Na-Cl sók a törési zónákon keresztül kerülhettek a gránitba, és hosszú geológiai idő alatt Ca-dominált talajvizekké fejlődtek. Ezért lehetséges, hogy a pórusnedvek valójában bazális sósvizek, amelyek ezekből a szomszédos törésnedvekből származnak, és amelyek geokémiai és izotópos szempontból a jelenlegi összetételükig fejlődtek, akár 109 éves időszakok alatt. Ezeknek a pórusfolyadékoknak a 87Sr/86Sr értékei megegyeznek a teljes kőzet értékeivel, ami nagyon ritka a víz/kőzet rendszerekben. Ez izotópos és valószínűleg kémiai egyensúlyt jelent a folyadék és a kőzet között (Mclaughlin, 1997). Az ilyen egyensúly elérése a fluidumok hosszú tartózkodási idejét feltételezi.