Batholith
7.15.6.1 Groundwater Composition and Saline Fluids in the Lac du Bonnet Granite Batholith, Manitoba, Canada
De Lac du Bonnet batholith is een 2,6 miljard jaar oud graniet aan de westelijke rand van het Canadees Schild, ongeveer 100 km ten oosten van Winnipeg, Manitoba. Het werd in detail bestudeerd omdat het de locatie was van Canada’s Underground Research Laboratory (URL) en een onderzoeksfaciliteit was van het Canadese programma voor de verwijdering van hoogradioactief afval. De faciliteit werd in 2010 gesloten na 25 jaar in bedrijf te zijn geweest.
Er zijn meer dan 100 boorgaten tot een diepte van 1 km in het graniet geboord om variaties in de geologie, gesteente-mechanica, hydrogeologie en geochemie van het gesteente te bestuderen. Het grondwater in breuken, scheuren en de rotsmatrix is met verschillende technieken bemonsterd (Gascoyne, 2002, 2004; Ross en Gascoyne, 1995) en vertoont een duidelijke zonering met de diepte.
Ondieper grondwater is over het algemeen verdund (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3 water en vertoont soms aanwijzingen van menging met Ca-Mg-HCO3-SO4 grondwater uit kleirijke dekafzettingen die het graniet vaak bedekken. Diepere grondwaters zijn ofwel verdunde Na-Ca-HCO3 waters of bevatten aanzienlijke concentraties Cl en SO4. Naarmate men dieper komt, worden Na-Ca-Cl-SO4-wateren met een toenemend zoutgehalte aangetroffen. De meest zoute breukgrondwaters in het gebied zijn aangetroffen op ongeveer 1000 m diepte en hebben een zoutgehalte tot 51 g L- 1.
Het grote verschil in zoutgehalte (twee orden van grootte) tussen grondwaters nabij het oppervlak en op 1000 m diepte is voornamelijk te wijten aan toenemende concentraties Na, Ca, en Cl met de diepte, en de verschillen tussen elke breukzone zijn een indicatie van de beperkte interconnectiviteit van deze zones (Figuur 14). Op sommige plaatsen vertoont het ondiepe grondwater een sterke chloorsignatuur en duidt het op afvoer van het diepere zoute grondwater aan de oppervlakte. In deze gebieden is een plaatselijke lozing van He-gas gevonden, een andere, gevoeligere indicator van grondwaterlozing.
Figuur 14. Schematische weergave van de grondwatersamenstellingen in het URL-leasegebied met de grondwaterstromingspaden en geochemische patronen in breukzones
(overgenomen uit Gascoyne M, Davison CC, Ross JD, and Pearson R (1987) Saline groundwaters and brines in plutons in the Canadian Shield. In: Fritz P and Frape SK (eds.) Saline Water and Gases in Crystalline Rocks, Special Paper, vol. 33, pp. 53-68. Ottawa, ON: Geological Association of Canada met toestemming van Geological Association of Canada).
In tegenstelling daarmee vertonen ionen zoals HCO3 een geleidelijke afname, van een oppervlaktewaarde van ~ 250 tot < 10 mg L- 1, naarmate het zoutgehalte toeneemt. Sulfaat neemt toe tot een maximum niveau van ongeveer 1000 mg L- 1 en heeft de neiging af te nemen in de meer zoute vloeistoffen. Deze karakteristieken wijzen op beheersing van de oplosbaarheid door een spaarzaam oplosbare minerale fase (respectievelijk calciet en gips).
De pH van het grondwater varieert eveneens met de diepte. Voor dieptes van 0-200 m is een groot pH-bereik (6,5-9,3) vastgesteld, waarbij de lagere waarden de invloed weerspiegelen van zure aanvullingswateren die rijk zijn aan opgeloste organische stoffen en CO2 uit de bodemzone. Beneden 200 m liggen de meeste grondwateren in het pH-bereik 7,5-8,8. De redoxpotentiaal van het grondwater (gemeten als Eh met behulp van een elektrodesensor) vertoont een algemene tendens van afnemend Eh met de diepte (van + 500 mV aan de oppervlakte tot < – 100 mV op diepte). Redox wordt beheerst door twee belangrijke processen: oxidatie van opgeloste organische stoffen in de ondiepere zones en het Fe(II)/Fe(III) redoxpaar in mineralen zoals pyriet (Fe-sulfide), biotiet (Fe-silicaat), en magnetiet (Fe-oxide), op diepte. Een hoge uraniumconcentratie in het grondwater nabij de oppervlakte blijkt een duidelijke indicator te zijn van het redoxpotentieel. Grondwater boven ongeveer 200 m diepte in het vast gesteente heeft een uraniumgehalte van 50 tot 1000 μg L- 1, terwijl het beneden 250 m < 10 μg L- 1 bevat.
De meeste ondiepe en verdunde grondwaters (d.w.z. met een lage chloorconcentratie) in heraanvullingsgebieden bevatten 3H tot op een niveau van ten minste 10 TU. Het moderne 3H-gehalte van neerslag is ongeveer 15 TU. Dit wijst erop dat deze grondwaters een relatief korte verblijftijd in het stromingssysteem hebben gehad en dat de meeste ervan in de afgelopen ~ 50 jaar zijn aangevuld, of in ieder geval een deel bevatten van water dat in de afgelopen 50 jaar is bijgevuld. Verscheidene grondwaters, in het dieptetraject 50-250 m, bevatten beduidend meer dan 20 TU en kunnen wijzen op de aanwezigheid van grondwaters die zijn opgeladen tijdens atmosferische atoombomproeven in de periode 1953-63.
De relatie tussen δ2H en δ18O voor lokale neerslag, geregistreerd te Gimli, Manitoba, voor de periode 1976-79 (δ2H = 8 δ18O + 7,47) ligt dicht bij die van de globale meteorische neerslag. Alle grondwaters liggen dicht bij deze lijn, wat aangeeft dat ze van meteorische oorsprong zijn. Verdund grondwater heeft de isotopensamenstelling van moderne neerslag (δ18O = – 13‰ tot – 14‰). Dit bereik kan worden beschouwd als de samenstelling van grondwater dat tijdens warme klimatologische perioden, zoals nu, wordt aangevuld. Brak grondwater (in het Cl-gebied van 200 tot ~ 8000 mg L- 1) is daarentegen tot 7‰ lager in δ18O-waarden, hetgeen suggereert dat het in een kouder klimaat, glaciaal of postglaciaal, mogelijk 10.000 jaar geleden, in het gesteente werd aangevuld. Dit grondwatertype wordt aangetroffen in de belangrijkste doorlatende breukzones in het gebied, op een diepte van 200-600 m (figuur 14).
Bij grotere zoutgehalten hebben de grondwaters δ2H- en δ18O-waarden die vergelijkbaar zijn met die van moderne grondwaters. Men leidt hieruit af dat deze zoute wateren werden aangevuld tijdens een warm klimaat, vergelijkbaar met het huidige, en omdat zij onder de brakke wateren van een koud klimaat liggen, zijn zij waarschijnlijk ouder.
Grondwaters bemonsterd uit subverticale breuken nabij het oppervlak en in breukzones zo diep als ~ 500 m hebben δ13C waarden die variëren tussen – 21‰ en – 11‰ en 14CDIC waarden tussen 6 en 80 pmC. Behalve een daling van het 14C-gehalte met toenemende diepte, zijn er weinig trends in deze gegevens waar te nemen. De δ13C-waarden van het aanvulwater Na-Ca-HCO3 liggen tussen – 18‰ en – 11‰, en de δ13C-waarden van Na-HCO3 en het zouter Na-Ca-Cl grondwater in diepere breukzones liggen tussen – 21‰ en – 14‰, met de grote meerderheid tussen ongeveer – 17‰ en – 13‰.
In tegenstelling daarmee vertoont het 14C-gehalte een meer uitgesproken variatie over het gehele stromingsregime: Het 14C-gehalte in het aanvulwater van Na-Ca-HCO3 varieert van 80 pmC aan de oppervlakte tot ongeveer 10 pmC op grotere diepte. Na-Ca-HCO3 en Na-Ca-Cl grondwater dat langs de breukzones loost, heeft 14C-gehaltes tussen 5 en 54 pmC. Deze gegevens wijzen erop dat 14C een nuttige parameter is om onderscheid te maken tussen het ondiepe, snel circulerende grondwater en het diepere water in breukzones waar de circulatie langzamer en beperkter is, vergelijkbaar met de bevindingen van Tullborg en Gustafsson (1999). Helaas is 14C, vanwege de problemen van verontreiniging door moderne 14C bronnen (b.v. de atmosfeer en residueel hoog-14C boorwater) en vanwege de invloed van water-rots interacties, van weinig nut bij het bepalen van de verblijftijden van het diepere, zoute grondwater.
Recentelijk is het mogelijk geweest om poriënvloeistoffen te verzamelen uit de ongebroken graniet rotsmatrix met behulp van opwaarts gerichte boorgaten op het 420 m niveau van de URL. Deze wateren zijn zeer zoute (~ 90 g L- 1) CaCl2 vloeistoffen die een unieke isotopische signatuur hebben. Zowel de δ2H als de δ18O waarden zijn ongeveer – 15‰, een samenstelling die hen ver links van de meteorische waterlijn plaatst en ook boven en links van de meest zoute Canadian Shield mijnwateren.
Het hoge 2H gehalte van de poriënvloeistoffen suggereert dat zij afgeleid zouden kunnen zijn van onverdunde basale pekel waarvan de δ2H dicht bij 0‰ ligt. De uitwisseling van 18O met de rotsmatrix zal de vloeistoffen naar links doen verschuiven, van een samenstelling typisch voor sedimentaire pekel, naar hun huidige positie voorbij de meteorische waterlijn. De poriënvloeistoffen uit het grijze graniet met zijn kleine aantal breuken zijn duidelijk uniek in het Lac du Bonnet batholith en verschillen in een aantal aspecten van het zoute grondwater dat in breuken wordt aangetroffen. Hun chemische en isotopische karakter duidt consequent op een lange verblijftijd van deze vloeistoffen in de rotsmatrix.
Om de oorsprong van de in breuken voorkomende grondwaters te verklaren, zijn er geochemische aanwijzingen (hoge Na/Ca verhoudingen, lage Br/Cl verhoudingen en mariene δ34S waarden van het opgeloste SO4) die erop duiden dat basale Na-Cl pekels via de breukzones het graniet kunnen zijn binnengedrongen en gedurende lange geologische perioden zijn geëvolueerd naar Ca-gedomineerde grondwaters. Het is daarom mogelijk dat de porievloeistoffen in feite basale pekels zijn, afkomstig van deze aangrenzende breukvloeistoffen, die geochemisch en isotopisch zijn geëvolueerd tot hun huidige samenstelling, over perioden zo lang als 109 jaar. Deze porievloeistoffen hebben dezelfde 87Sr/86Sr-waarden als het gehele gesteente, hetgeen zeer zeldzaam is in water/rots-systemen. Dit impliceert een isotopisch en mogelijk chemisch evenwicht tussen vloeistof en gesteente (Mclaughlin, 1997). Het bereiken van een dergelijk evenwicht suggereert wel een lange verblijftijd van de vloeistoffen.