Batholit

7.15.6.1 Grundvattensammansättning och salthaltiga vätskor i Lac du Bonnet-granitbatholiten, Manitoba, Kanada

Lac du Bonnet-batholiten är en 2,6 miljarder år gammal granit på västra kanten av den kanadensiska skölden, cirka 100 km öster om Winnipeg, Manitoba. Den studerades i detalj eftersom den var platsen för Kanadas underjordiska forskningslaboratorium (URL) och var en forskningsanläggning för det kanadensiska programmet för slutförvaring av högaktivt kärnavfall. Anläggningen stängdes 2010 efter 25 års drift.

Över 100 borrhål har borrats upp till 1 km djup i graniten för att studera variationer i bergets geologi, bergmekanik, hydrogeologi och geokemi. Grundvatten i sprickor, förkastningar och bergsmatrisen har provtagits med hjälp av olika tekniker (Gascoyne, 2002, 2004; Ross och Gascoyne, 1995) och har visat tydlig zonering med djupet.

Det ytliga grundvattnet är i allmänhet utspätt (TDS < 0,3 g L- 1) Ca-Na-HCO3-vatten och visar ibland indikationer på att det har blandats med Ca-Mg-HCO3-SO4-grundvatten från lerrika sediment i överlagret som ofta täcker graniten. Djupare grundvatten är antingen utspädda Na-Ca-HCO3-vatten eller innehåller betydande koncentrationer av Cl och SO4. Med större djup finner man Na-Ca-Cl-SO4-vatten med ökande salthalt. Det mest salthaltiga sprickgrundvattnet i området har påträffats på ca 1000 m djup och har en salthalt på upp till 51 g L- 1.

Däremot uppvisar joner som HCO3 en gradvis minskning, från ett ytvärde på ~ 250 till < 10 mg L- 1, när salthalten ökar. Sulfat ökar till en högsta nivå på ca 1000 mg L- 1 och tenderar att minska i de mer salthaltiga vätskorna. Dessa egenskaper tyder på att lösligheten kontrolleras av en svårlöslig mineralfas (kalcit respektive gips).

Grundvattnets pH varierar också med djupet. För djup på 0-200 m har ett stort pH-intervall (6,5-9,3) fastställts, där de lägre värdena återspeglar inflytandet av surt påfyllningsvatten som är rikt på lösta organiska ämnen och koldioxid från markzonen. Under 200 m ligger de flesta grundvattnen i pH-området 7,5-8,8. Grundvattnets redoxpotential (mätt som Eh med hjälp av en elektrodsensor) visar en allmän tendens till minskande Eh med djupet (från + 500 mV vid ytan till < – 100 mV på djupet). Redoxen styrs av två huvudprocesser: oxidation av lösta organiska ämnen i de grundare zonerna och Fe(II)/Fe(III)-redoxparet i mineraler som pyrit (Fe-sulfid), biotit (Fe-silikat) och magnetit (Fe-oxid) på djupet. Hög urankoncentration i grundvatten nära ytan visar sig vara en tydlig indikator på redoxpotentialen. Grundvatten över cirka 200 m djup i berggrunden har uranhalter från 50 till 1000 μg L- 1, medan grundvatten under 250 m innehåller < 10 μg L- 1.

De flesta grunda och utspädda grundvatten (dvs. låg klorkoncentration) i återfyllnadsområden innehåller 3H till en nivå av minst 10 TU. Dagens 3H-halt i nederbörd är cirka 15 TU. Detta tyder på att dessa grundvatten har haft en relativt kort uppehållstid i flödessystemet och att de flesta har fyllts på under de senaste ~ 50 åren eller åtminstone innehåller en del vatten som fyllts på under de senaste 50 åren. Flera grundvatten, i djupintervallet 50-250 m, innehåller betydligt mer än 20 TU och kan tyda på förekomst av grundvatten som fylldes på under atmosfäriska atombombsprovningar under perioden 1953-63.

Sambandet mellan δ2H och δ18O för lokal nederbörd, registrerad i Gimli, Manitoba, för perioden 1976-79 (δ2H = 8 δ18O + 7,47) ligger nära förhållandet för global meteorisk nederbörd. Alla grundvatten ligger nära denna linje, vilket tyder på att de har meteoriskt ursprung. Utspätt grundvatten har isotopsammansättningen för modern nederbörd (δ18O = – 13‰ till – 14‰). Detta intervall kan anses representera sammansättningen hos grundvatten som fylls på under varma klimatperioder som den nuvarande. I motsats till detta är det bräckta grundvattnet (i Cl-området från 200 till ~ 8000 mg L- 1) upp till 7‰ lägre δ18O-värden, vilket tyder på att det fylldes på till berggrunden under ett kallare klimat, antingen under en istid eller efter en istid för kanske 10 000 år sedan. Denna grundvattentyp finns i de större genomsläppliga förkastningszonerna i området, på ett djup av 200-600 m (figur 14).

Vid högre salthalter har grundvattnet δ2H- och δ18O-värden som är jämförbara med dem för modernt grundvatten. Man drar därför slutsatsen att dessa salthaltiga vatten fylldes på under en varm klimathändelse, liknande den nuvarande, och eftersom de ligger under de kallt klimatande bräckta vattnen är de troligen äldre.

Grundvatten som provtagits från subvertikala sprickor nära ytan och i förkastningszoner så djupt som ~ 500 m har δ13C-värden som varierar mellan – 21‰ och – 11‰ och 14CDIC-värden mellan 6 och 80 pmC. Förutom en minskning av 14C-innehållet med ökande djup kan få trender i dessa data ses. Återfyllande Na-Ca-HCO3-vatten har δ13C-värden på mellan – 18‰ och – 11‰, och Na-HCO3- och mer salt Na-Ca-Cl-grundvatten i djupare sprickzoner har ett intervall på – 21‰ till – 14‰, med den stora majoriteten av dem mellan cirka – 17‰ och – 13‰.

Däremot uppvisar 14C en mer uttalad variation under hela flödesregimen: 14C-nivåerna i Na-Ca-HCO3-vatten som fylls på varierar från 80 pmC nära ytan till cirka 10 pmC på större djup. Na-Ca-HCO3- och Na-Ca-Cl-grundvatten som släpps ut längs sprickzonerna har 14C-nivåer mellan 5 och 54 pmC. Dessa data tyder på att 14C är en användbar parameter för att skilja mellan det grunda, snabbt cirkulerande grundvattnet och djupare vatten i sprickzoner där cirkulationen är långsammare och mer begränsad, i likhet med de resultat som rapporterats av Tullborg och Gustafsson (1999). På grund av problemen med kontaminering av moderna 14C-källor (t.ex. atmosfären och kvarvarande borrvatten med högt innehåll av 14C) och på grund av påverkan av interaktioner mellan vatten och sten är 14C tyvärr föga användbart när det gäller att bestämma uppehållstiden för det djupare, salta grundvattnet.

Nyligen har det varit möjligt att samla in porvätskor från den obrutna granitberggrunden med hjälp av uppåtgående borrhål på 420 m-nivån i URL. Dessa vatten är starkt salthaltiga (~ 90 g L- 1) CaCl2-vätskor som har en unik isotopsignatur. Både δ2H- och δ18O-värdena är omkring – 15‰, en sammansättning som placerar dem väl till vänster om den meteoriska vattenlinjen och även över och till vänster om de mest salthaltiga gruvvattnen i den kanadensiska skölden.

Den höga 2H-innehållet i porvätskorna antyder att de skulle kunna härröra från outspädda basala saltlake vars δ2H är nära 0‰. Utbytet av 18O med bergsmatrisen kommer att förskjuta vätskorna åt vänster, från en sammansättning som är typisk för sedimentära saltlösningar, till deras nuvarande position bortom den meteoriska vattenlinjen. Porvätskorna från den sparsamt frakturerade grå graniten är helt klart unika i Lac du Bonnet-badoliten och skiljer sig i ett antal avseenden från det salta grundvatten som finns i sprickor. Deras kemiska och isotopiska karaktär indikerar konsekvent en lång uppehållstid för dessa vätskor i bergsmatrisen.

För att förklara ursprunget för det sprickburna grundvattnet tyder vissa geokemiska bevis (höga Na/Ca-förhållanden, låga Br/Cl-förhållanden och δ34S-värden av marintyp för löst SO4) på att basala Na-Cl-salter kan ha trängt in i graniten genom sprickzonerna och utvecklats till Ca-dominerade grundvattnen under långa perioder av geologisk tid. Det är därför möjligt att porvätskorna i själva verket är basala saltlösningar som härrör från dessa intilliggande sprickvätskor och som har utvecklats geokemiskt och isotopiskt till sin nuvarande sammansättning under så långa perioder som 109 år. Dessa porvätskor har samma 87Sr/86Sr-värde som hela bergarten, vilket är mycket sällsynt i vatten/bergsystem. Detta innebär isotopisk och möjligen kemisk jämvikt mellan vätska och berg (Mclaughlin, 1997). För att uppnå en sådan jämvikt krävs en lång uppehållstid för vätskorna.