Deep Groundwater Evolution at Outokumpu, Eastern Finland : From Meteoric Water to Saline Gas-Rich Fluid

Abstract

Within Precambrian continental shields, saline, gas-rich groundwaters are found in all over the world from bedrock fractures and pore spaces in the upper crust. Several processes, from seawater evaporation or freezing followed by infiltration to water rock interaction, have been suggested to be responsible for the characteristic features of these waters. In addition to reactions between water and the bedrock, active microbial communities inhabiting these waters, i.e. the deep biosphere, may play a significant role in shaping their surroundings by biogeochemical reactions, especially by contributing to the deep carbon cycle. The origin and evolution of deep groundwater in the 2.5 km deep Outokumpu Deep Drill Hole in eastern Finland was investigated using geochemical and isotopic methods. The sample material included water and gas derived from the drill hole by tube sampling, pumping and pressurized methods, as well as fracture minerals. Similar results were obtained for water samples using different sampling techniques. However, as uncontrolled degassing took place during tube sampling and pumping, it is suggested that pressurized methods should be used for gas sampling. Five water types were discerned along the drill hole, which reflect changes in lithology and indicate isolation from the surface and from each other within the Outokumpu bedrock. An evolutionary model was proposed that includes precipitation and infiltration of meteoric water at warmer than present climatic conditions, a shift in the stable isotopic composition of water and an increase in salinity through water rock interaction between virtually stagnant groundwater and the bedrock, and both the abiotic and biotic formation of hydrocarbons. Two independent lines of evidence from water stable isotopes and the accumulation of radiogenic and nucleogenic noble gases indicated isolation of the Outokumpu Deep Drill Hole groundwaters from the meteoric water cycle from the Eocene-Miocene epochs, placing the evolutionary model in the time frame of millions to tens of millions of years. The results shed light on how deep groundwaters have evolved in geochemical and microbiological processes through time and space. Furthermore, they emphasise the complexity of these environments, as they are being increasingly utilised for underground construction, and provide background information for assessment of the long-term safety of nuclear waste disposal.Suolaisia ja kaasupitoisia pohjavesiä tavataan ympäri maailmaa vanhoilla peruskallioalueilla. Koostumukseltaan ne eroavat selvästi merivedestä ja makeista pohja- sekä pintavesistä ja esiintyvät yleensä syvällä kallioperän raoissa ja huokosissa. Kallioperän lisääntyvä käyttö muun muassa kalliorakentamisessa, ydinjätteiden loppusijoituspaikkana, kaivostoiminnassa ja geoenergian tuotannossa tarkoittaa, että suolaisiin kalliopohjavesiin törmätään yhä useammin ja siten myös tiedon tarve näistä ympäristöistä on jatkuvasti kasvanut. Syvien kalliopohjavesien kehityksestä on esitetty useita toisistaan poikkeavia malleja. Lisäksi syvissä pohjavesissä elävien mikrobiyhteisöjen merkitystä ympäristönsä muokkaajina tunnetaan vielä huonosti. Tässä väitöstyössä tutkittiin syvien kalliopohjavesien alkuperää ja kehitystä Itä-Suomessa, Outokummussa sijaitsevasta, 2,5 km syvästä kairareiästä käyttäen geokemiaan ja isotooppeihin perustuvia menetelmiä. Vesi- ja kaasunäytteet otettiin reiästä käyttäen letkunäytteenottoa, pumppausta sekä paineellisena. Näistä paineellisten menetelmien osoitettiin soveltuvan kaasujen tutkimukseen parhaiten. Lisäksi tutkittiin kallion rakopinnoille kiteytyneitä mineraaleja. Tulosten perusteella Outokummun syväreiän pohjavesi voidaan jakaa viiteen vesityyppiin, joiden koostumus heijastelee kivilajien vaihtelua ja osoittaa vesien kehittyneen eristyksissä sekä toisistaan että maan pinnalta. Syvien pohjavesien kehityksestä laadittiin malli, joka käsittää veden suotautumisen kallioon nykyistä lämpimämmän ilmaston vallitessa, veden koostumuksen muutoksen ja suolapitoisuuden kasvun kivi-vesi - vuorovaikutuksen seurauksena, sekä hiilivetyjen muodostumisen geologisissa ja mikrobiologisissa prosesseissa. Veden isotooppikoostumukseen sekä jalokaasujen kertymiseen perustuvat, toisistaan riippumattomat menetelmät osoittivat, että Outokummun syväreiän vesi on ollut erillään maan pinnan vesikierrosta eoseeni-mioseenikausilta lähtien, keskimäärin 30 miljoonan vuoden ajan. Tulokset valaisevat syvien kalliopohjavesien ajallista ja paikallista kehitystä geokemiallisten ja mikrobiologisten prosessien tuloksena. Syvien pohjavesisysteemien monimutkaisuus tulee ottaa huomioon, kun kallioperää hyödynnetään. Tulokset tarjoavat tärkeää taustatietoa myös ydinjätteiden loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuden arviointiin