Batholith
7.15.6.1 Compoziția apei subterane și fluidele saline din batholitul de granit Lac du Bonnet, Manitoba, Canada
Batholitul Lac du Bonnet este un granit de 2,6 miliarde de ani, situat la marginea vestică a Scutului canadian, la aproximativ 100 km est de Winnipeg, Manitoba. A fost studiat în detaliu deoarece aici a fost amplasat Laboratorul de Cercetări Subterane al Canadei (URL) și a fost o instalație de cercetare a programului canadian de eliminare a deșeurilor nucleare de nivel înalt. Instalația a fost închisă în 2010, după 25 de ani de funcționare.
Peste 100 de foraje au fost forate până la adâncimi de 1 km în granit pentru a studia variațiile geologiei, mecanicii rocilor, hidrogeologiei și geochimiei rocilor. Apele subterane din fracturi, falii și matricea rocii au fost eșantionate folosind o varietate de tehnici (Gascoyne, 2002, 2004; Ross și Gascoyne, 1995) și au arătat o zonare distinctă cu adâncimea.
Apele subterane de adâncime sunt în general ape diluate (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3 și ocazional prezintă indicii de amestec cu apele subterane Ca-Mg-HCO3-SO4 din sedimentele de suprastructură bogate în argilă care acoperă frecvent granitul. Apele subterane mai adânci sunt fie ape diluate Na-Ca-HCO3, fie conțin concentrații semnificative de Cl și SO4. Cu o adâncime mai mare, se găsesc ape Na-Ca-Cl-SO4 cu o salinitate din ce în ce mai mare. Cele mai saline ape subterane de fractură din zonă au fost întâlnite la aproximativ 1000 m adâncime și au o salinitate de până la 51 g L- 1.
Diferența mare de salinitate (două ordine de mărime) între apele subterane din apropierea suprafeței și cele de la o adâncime de 1000 m se datorează în principal creșterii concentrațiilor de Na, Ca și Cl cu adâncimea, iar diferențele dintre fiecare zonă de fractură sunt o indicație a interconectivității limitate a acestor zone (Figura 14). În unele locații, apele subterane de mică adâncime au o semnătură puternică de clorură și indică descărcarea apelor subterane saline mai adânci la suprafață. În aceste zone s-a constatat că există o descărcare localizată de gaz He, un alt indicator, mai sensibil, al descărcării apelor subterane.
Figura 14. Reprezentarea schematică a compoziției apelor subterane din zona de închiriere URL, care arată căile de curgere a apelor subterane și modelele geochimice din zonele de fractură
(reprodus din Gascoyne M, Davison CC, Ross JD și Pearson R (1987) Saline groundwaters and brines in plutons in the Canadian Shield. În: In: Fritz P și Frape SK (eds.) Saline Water and Gases in Crystalline Rocks, Special Paper, vol. 33, pp. 53-68. Ottawa, ON: Geological Association of Canada cu permisiunea Asociației Geologice a Canadei).
În schimb, ioni precum HCO3 prezintă o scădere treptată, de la o valoare de suprafață de ~ 250 la < 10 mg L- 1, pe măsură ce crește salinitatea. Sulfatul crește până la un nivel maxim de aproximativ 1000 mg L- 1 și tinde să scadă în fluidele mai sărate. Aceste caracteristici indică un control al solubilității de către o fază minerală puțin solubilă (calcit și, respectiv, gips).
Ph-ul apelor subterane variază, de asemenea, în funcție de adâncime. Pentru adâncimi de 0-200 m, a fost determinată o gamă largă de pH (6,5-9,3), valorile mai mici reflectând influența apelor acide de reîncărcare care sunt bogate în substanțe organice dizolvate și CO2 din zona solului. Sub 200 m, majoritatea apelor subterane se situează în intervalul de pH 7,5-8,8. Potențialul redox al apelor subterane (măsurat ca Eh cu ajutorul unui senzor cu electrozi) arată o tendință generală de scădere a Eh cu adâncimea (de la + 500 mV la suprafață la < – 100 mV la adâncime). Redoxul este controlat de două procese principale: oxidarea substanțelor organice dizolvate în zonele mai puțin adânci și cuplul redox Fe(II)/Fe(III) din minerale precum pirita (sulfură de Fe), biotita (silicat de Fe) și magnetita (oxid de Fe), la adâncime. S-a constatat că o concentrație ridicată de uraniu în apele subterane din apropierea suprafeței este un indicator clar al potențialului redox. Apele subterane aflate la o adâncime mai mare de aproximativ 200 m în roca de bază au conținuturi de uraniu de la 50 la 1000 μg L- 1, în timp ce sub 250 m conțin < 10 μg L- 1.
Majoritatea apelor subterane de mică adâncime și diluate (adică, cu o concentrație scăzută de clor) din zonele de reîncărcare conțin 3H până la un nivel de cel puțin 10 TU. Conținutul modern de 3H al precipitațiilor este de aproximativ 15 TU. Acest lucru indică faptul că aceste ape subterane au avut un timp de rezidență relativ scurt în sistemul de curgere și majoritatea au fost reîncărcate în ultimii ~ 50 de ani sau, cel puțin, conțin o parte din apa care s-a reîncărcat în ultimii 50 de ani. Câteva ape subterane, în intervalul de adâncime 50-250 m, conțin semnificativ mai mult de 20 TU și pot indica prezența apelor subterane care s-au reîncărcat în timpul testelor atmosferice cu bombe atomice în perioada 1953-63.
Relația dintre δ2H și δ18O pentru precipitațiile locale, înregistrate la Gimli, Manitoba, pentru perioada 1976-79 (δ2H = 8 δ18O + 7,47) este apropiată de cea a precipitațiilor meteorice globale. Toate apele subterane se află aproape de această linie, ceea ce indică faptul că sunt de origine meteorică. Apele subterane diluate au compoziția izotopică a precipitațiilor moderne (δ18O = – 13‰ până la – 14‰). Acest interval poate fi considerat ca reprezentând compoziția apelor subterane reîncărcate în timpul perioadelor climatice calde, cum ar fi cele actuale. În schimb, apele subterane salmastre (în intervalul Cl de la 200 la ~ 8000 mg L- 1) au valori δ18O cu până la 7‰ mai mici, sugerând că au fost reîncărcate în roca de bază în timpul unui climat mai rece, fie glaciar, fie postglaciar, posibil cu 10 000 de ani în urmă. Acest tip de apă subterană se găsește în principalele zone de falii permeabile din zonă, la un interval de adâncime de 200-600 m (Figura 14).
La salinități mai mari, apele subterane au valori δ2H și δ18O comparabile cu cele ale apelor subterane moderne. Se deduce, prin urmare, că aceste ape saline au fost reîncărcate în timpul unui eveniment climatic cald, similar cu cel din prezent și, deoarece stau la baza apelor salmastre de climă rece, sunt probabil mai vechi.
Apă subterană prelevată din fracturi subverticale în apropierea suprafeței și în zone de falie la adâncimi de până la ~ 500 m are valori δ13C care variază între – 21‰ și – 11‰ și valori 14CDIC între 6 și 80 pmC. Cu excepția unei scăderi a conținutului de 14C odată cu creșterea adâncimii, pot fi observate puține tendințe în aceste date. Apele Na-Ca-HCO3 de reîncărcare au valori δ13C cuprinse între – 18‰ și – 11‰, iar apele subterane Na-HCO3 și apele subterane Na-Ca-Cl mai sărate din zonele de fractură mai adânci au un interval cuprins între – 21‰ și – 14‰, marea majoritate dintre ele fiind cuprinse între aproximativ – 17‰ și – 13‰.
În schimb, 14C prezintă o variație mai pronunțată de-a lungul regimului de curgere: Nivelurile de 14C în apele de reîncărcare Na-Ca-HCO3 variază de la 80 pmC în apropierea suprafeței până la aproximativ 10 pmC la adâncimi mai mari. Apele subterane Na-Ca-HCO3 și Na-Ca-Cl care se descarcă de-a lungul zonelor de fractură au niveluri de 14C între 5 și 54 pmC. Aceste date indică faptul că 14C este un parametru util pentru a face distincția între apele subterane de mică adâncime, care circulă rapid, și apele de adâncime din zonele de falie, unde circulația este mai lentă și mai restrânsă, similar cu constatările raportate de Tullborg și Gustafsson (1999). Din nefericire, din cauza problemelor de contaminare cu surse moderne de 14C (de exemplu, atmosfera și apa de foraj reziduală cu conținut ridicat de 14C) și din cauza influenței interacțiunilor apă-rocă, 14C este puțin util în determinarea timpilor de rezidență a apelor subterane saline mai profunde.
Recent, a fost posibilă colectarea fluidelor de pori din matricea de rocă de granit nefracționată cu ajutorul unor foraje înclinate în sus la nivelul de 420 m al URL. Aceste ape sunt fluide CaCl2 foarte sărate (~ 90 g L- 1) care au o semnătură izotopică unică. Atât valorile δ2H, cât și δ18O sunt de aproximativ – 15‰, o compoziție care le plasează cu mult în stânga liniei apelor meteorice și, de asemenea, deasupra și la stânga celor mai sărate ape de mină din scutul canadian.
Conținutul ridicat de 2H al fluidelor de pori sugerează că acestea ar putea proveni din saramuri bazinale nediluate al căror δ2H este aproape de 0‰. Schimbul de 18O cu matricea rocilor va deplasa fluidele spre stânga, de la o compoziție tipică sării sedimentare, la poziția lor actuală dincolo de linia de apă meteorică. Fluidele de pori din granitul cenușiu slab fracturat sunt în mod clar unice în batholitul Lac du Bonnet și diferă sub o serie de aspecte de apele subterane saline găsite în fracturi. Caracterul lor chimic și izotopic indică în mod constant un timp de rezidență îndelungat pentru aceste fluide în matricea rocilor.
Pentru a explica originea apelor subterane găzduite de fracturi, unele dovezi geochimice (rapoarte Na/Ca ridicate, rapoarte Br/Cl scăzute și valori δ34S de tip marin ale SO4 dizolvate) indică faptul că saramurile bazinale de Na-Cl pot fi intrat în granit prin zonele de fractură și au evoluat spre ape subterane dominate de Ca pe perioade lungi de timp geologic. Prin urmare, este posibil ca fluidele din pori să fie, de fapt, saramuri bazinale, derivate din aceste fluide de fractură adiacente, care au evoluat geochimic și izotopic până la compoziția lor actuală, pe perioade de timp de până la 109 ani. Aceste fluide de pori au aceleași valori 87Sr/86Sr ca și valorile rocilor întregi, ceea ce este foarte rar în sistemele apă/rocă. Acest lucru implică un echilibru izotopic și, posibil, chimic între fluid și rocă (Mclaughlin, 1997). Atingerea unui astfel de echilibru sugerează însă un timp de rezidență lung pentru fluide.
.