ALUSTAVAT TULOKSET SYVISTX KAIRAREI'ISTX OUTOKUMMUN,

Transkriptio

1

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ydin-jatteiden si joitus'tutkiinukset Tiedonanto YST-50 Pekka Nurmi, Ilmo Kukkonen, Pertti Lahermo, Martti Salmi ja Pekka Rahkola KALLIOPOHJAVESIEN GEOKEMIA: ALUSTAVAT TULOKSET SYVISTX KAIRAREI'ISTX OUTOKUMMUN, KERIMXEN, PARAISTEN JA LIMINGAN ALUEELTA Raportti kauppa- ja teolli'suusministerion rahoittamasta 'tutkimuksesta Abstract: Geochemistry of groundwater in bedrock: Preliminary results of ground water sampling in deep drill holes at Outokumpu, Kerimaki, Parainen and Liminka ~spoo, jou'lukuu

3 Nurmi, Pekka, Kukkonen, Ilmo, Lahermo, Pertti, Salmi, Martti and Rahkola, Pekka, Geochemistry of ground water in bedrock: Preliminary re'sults of ground-water sampling in deep drill holes at Outokumpu, Kerimaki, Parainen and Liminka. Geological 'Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research, Report YST-50, 25 pages, 34 appendices. ABSTRACT Presented are the results of ground-water sampling and analysis of water and dissolved gases from four drill holes: Outokumpu (vertical depth m), Kerimaki (700 m), Parainen (501 m) and Liminka (780 m). Outokumpu and Kerimaki are located in inland areas, where the holes penetrate mica gneisses and mafic/ultramafic rocks. Parainen and Liminka are in the immediate vicinity of the sea. The Parainen hole penetrates mica and hornblende gneisses and skarn rocks. The Liminka hole penetrates unmetamorphosed silt and shale. The sampling was done using a tube technique that makes it possible to obtain a continuous profile of the water existing in a drill hole. At Liminka,the ground water is saline even at the upper parts of the hole. The salinity increases threefold at depths of m. In the other areas, there is a fresh water layer down to a depth of m, below which the salinity increases from10-to 100-foldat a 100-m depth interval. At Outokumpu, two saline water layers were observed, the zone of alteration between them being at a depth of m. The ph is above 7 in the saline ground waters with the exception of Liminka, where the ph is mainly below 7. The Eh decreases asa function of increasing depth and has negative values in saline ground water. However, at Outokumpu, positive Eh values were registered at the bottom parts of the hole below a negative minimum at m. At Outokumpu, the saline ground water is either Ca-Na-C1 water (upper saline water layer) or Ca-Na- Mg-C1 water (lower saline water layer); at Kerimaki and Parainen, it is Na-Ca-C1 water; and at Liminka, the saline ground water is Na-Ca-C1-SO4 water. The highest concentrations were generally observed at the bottom of the holes: Outokumpu, Ca = 5700, Na = 3200 and C1 = mg/l; Liminka, Na = 8300, Ca = 5500, C1 = and SO4 = 4100 mg/l. At Kerimaki and Parainen, the concentrations are lower. Na, Ca, Mg, Sr, Cl, Br and I concentrations have a positive correlation to the electric conductivity of the ground water, whereas HC03, Si02 and F have a negative correlation to conductivity. At Parainen and Liminka, the SO4 concentrations increase as a function of depth. At Outokumpu and Kerimaki, the SO4 is very low in saline ground water, with no increase as a function of depth. 2 In the S180 - s H diagram, the samples are very near or on the global mean water line (GMWL), with the exception of the lower saline water-layer samples from Outokumpu. They are clearlyabove thegmwl-line. The trit'ium concentrations are low ( TU) at Outokumpu, Kerimaki and Liminka. At Parainen, high tritium concentrations (39-50 TU) were registered.

4 The dissolved gases in saline water consists mainly of methane and nitrogen. However, at Parainen, the gases are atmospheric in composition. Pekka Nurmi Ilmo Kukkonen Pertti Lahermo Martti Salmi Pekka Rahkola Geological 'Survey of Finland SF ESP00 Finland

5 Nurmi, Pekka; Kukkonen, Ilmo; Lahermo, Pertti; Salmi, Martti ja Rahkola, Pekka, Kalliopohjavesien geokemia: a'lustavat 'tulokset syvista kairarei'ista 'Outokuminun, Kerimaen, Paraisten ja Limingan a'lueelta. Geologian 'tutkimuskeskus, ydinjatteiden sijoi'tus'tutkimukset, tiedonanto YST-50, 25 sivua, 34 liitetta. Tassa raportissa esitetaan tulokset pohjaveden ja siihen liuenneiden kaa'sujen koos'tumuksesta neljasta kairareiasta Outokuminun (vertikaalisyvyys 1100 m), Kerimaen (700 m), Paraisten (501 m) ja Limingan (780 m) a'lueelta. Outokuminun ja Kerimaen reiat sijaitsevat sisamaassa lavistaen kiillegneisseista ja emaksisista/ultraemaksisista kivista koos'tuvaa kallioperaa. Paraisten ja Limingan reiat ovat merenrannan valittomassa laheisyydessa. Paraisilla kalliopera koos'tuu kiille- ja sarvivalkegneisseista seka karsikivista ja Limingalla metamorfoi'tumattomasta savikivesta. Naytteet otettiin letkunaytteenottimella, jolla saadaan jatlcuva profiilinayte kairareiassa olevasta vedesta. Limingan reiassa pohjavesi on 'suolaista pintaosista alkaen 'suolapitoisuuden kasvaessa noin kolminkertaiseksi m:n syvyydella. Muissa rei'issa pintaosien makea vesi muut't'uu m:n syvyydella 'suolaiseksi. Sahkonjohtokyky kasvaa alle 100 m:a paksussa vaihettumisvyohykkeessa kertaiseksi. Outokummussa voitiin erottaa kaksi 'suolaisen veden kerrosta, joiden valinen vaihettumisvyohyke on m:n syvyydella. Suolaisten vesien ph on selvasti emaksinen paitsi Limingalla, jossa ph on enimmakseen alle 7. Eh laskee yleensa syvyyden kasvaessa ja saa negatiivisia arvoja 'suolaisessa vedessa 'lukuun ottamatta 'Outokumpua. Siella Eh muut'tuu' uudelleen positiiviseksi reian alaosassa. Suolainen pohjavesi on koos'tumukseltaan Outokummussa joko Ca- Na-C1 -vetta (ylempi 'suolavesikerros) tai Ca-Na-Mg-C1 -vetta (alempi 'suolavesikerros), Kerimaella ja Paraisilla Na-Ca-C1- vetta ja Limingalla Na-Ca-C1-SO4 -vetta. Maksimi'suolapitoi'suudet ovat yleensa reian pohjalla: Outokuminussa Ca = 5700, Na = 3200 ja C1 = mg/l seka Limingalla Na = 8300, Ca = 5500, C1 = ja SO4 = 4100 mg/l. Kerimaella ja Paraisilla veden 'suo~apitoi'suus on selvasti pienempi. Natn, Mg:n, Sr:n, Cl:n, Br:n seka I:n pitoi'suudet korreloivat positiivisesti ja HC03:n, Si02:n seka F:n negatiivisesti sahkonjohtavuuden kanssa. SO4 kasvaa Paraisilla ja Limingalla syvyyden mukaan, mutta on hyvin alhainen sisamaan 'suolaisissa pohjavesissa. 18 B 0-6 H -diagrammissa pohjavesinaytteet asettuvat "global mean water line (GIYWL)" -'suoran laheisyyteen siten, etta raskaiden isotooppien suhteellinen o'suus kasvaa yleensa syvyyden kasvaessa. 'Outokuminun alempi 'suolaisen veden kerros poikkeaa isotooppikoos'tuinuksensa pe'rusteella muista naytteista pisteiden sijoittuessa selvasti GMWL-'suoran yla'puolelle. Trit'ium-pitoisuudet ovat alhaisia (0,6-16 TU) 'lukuun ottamatta Paraisten naytteita (39-50 TU).

6 'Suolaiseen veteen l'iuenneet kaa'sut koos'tuvat paaasiassa metaanista ja typesta. Paraisilla kaa'sun koos'tuinus vastaa kuitenkin ilmakehan koos'tuinusta. Pekka Nurmi Ilmo Kukkonen Pertti Lahermo Martti Salmi Pekka Rahkola Geologian tutkimuskeskus ESP00

7 ABSTRACT TIIVISTELPfi JOHDANTO Outokumpu Kerimaki Parainen Liminka TULOSTEN TARKASTELU JA YHTEENVETO KIITOSMAININNAT LIITTEET

8 1. JOHDANTO Tama tutkimus liittyy Geologian 'tutkimuskeskuksen ydinjatteiden si joi'tus'tutkimusten osaan "Kallion ja poh javesier, geokemia" G Tutkimus on tehty kauppa- ja teolli'suusministerion rahoi'tuksella. Osa rahoituksesta saatiiii Teolli'suuden Voima 0y:sta ja Neste 0y:sta. Ydinjatteiden loppusijoi'tustutkimuksissa on kalliopohjavesien koos'tumuksen ja virtausten 'tunteminen tarkeaa. Taman tycn tavoitteena on syvalla olevien kalliopohjavesien koostumuksen a'lustava selvittaminen erilaisissa geologisissa muodos'tumissa kayttaen hyvaksi jo olemassaolevia kairareikia. Eraana keskeisena tarkoi'tuksena on pohjaveden koos'tumuksen syvyysvaihte'lun tutkiminen. Tahanastiset tiedot syvalla olevien kalliopohjavesien koos'tu- inuksesta ovat pe'rus'tuneet lahinna kallioporakaivoista ja joistakin vuotavista syvakairarei'ista mm. kaivoksissa otet- tuihin pohjavesinaytteisiin. Maassamme on 'runsaasti malmin- etsintahankkeissa kairat'tuja m syvia kairareikia, joiden halkaisija on 46 tai 56 mm. Naiden reikien kayttamisen pohjavesinaytteenottoon on estanyt sopivan naytteenottomene- telman puuttuminen. Geologian 'tutkimuskeskuksen ydinjatteiden sijoi'tus'tutkimuksissa kehitettiin vuonna 1985 yksinkertainen menetelma, jonka avulla saadaan yli kilometrin syvyisista kairarei'ista seka pohjavesi- etta kaa'sunaytteet jatkuvana profiilina (Nurmi ja Kukkonen, 1986). Tama 'tutkimus liittyy Geologian tutkimuskeskuksessa kaynnistettyyn laajaan kallio- pohjavesitutkimukseen, jossa 'tullaan 'suorittamaan pohjavesi- naytteenotto 'Suomen syvista kairarei'ista. Tassa yhteydessa esitetaan a'lustavat 'tulokset vuonna 1985 tutki'tusta neljasta reiasta. Tulosten tarkempi kasittely ja tulkinta raportoidaan er ikseen.

9 2. NXYTTEENOTTO JA ANALYSOINTI Pohjavesinaytteet otettiin kairarei'issa olevasta vedesta letkunaytteenottimella Nurmen ja Kukkosen (1985) kuvaamalla tavalla. Naytteet otettiin paasaantoisesti letkun alimmasta 200 m:sta tehden' useita nostoja ja laskuja alkaen reian ylapaasta. Nayteletku tyhjennettiin 380 ml:n erissa, joka vastaa 10 m reikapi't'uutta. Kustakin 380 ml:n erasta 80 ml kaytettiin kenttamittauksiin (ph ja sahkonjohtavuus), 100 ml 'suodatettiin (0,45pm), hapotettiin ja pullotettiin ja 200 ml pullotettiin sellaisenaan. Valittomasti kunkin noston jalkeen mitattiin Eh letkun alimman kolmen metrin naytteesta kayttaen argonia suojakaasuna. Sahkonjohtavuuden, ph:n ja Eh:n mittaus 'suoritettiin WTW-mittareilla. L'iuosfaasista irronneiden kaa'sujen naytteenotto 'suoritettiin vesitaytteisiin lasiastioihin antamalla kaa'sun syrjayttaa astiasta vetta. Yksityiskohdissaan kaa'sunaytteenotto on hieman vaihdel'lut eri kohteissa. Naytteista analysoitiin 50 m syvyysvalein liitteessa 1 esitetyt ionit. 1sotooppianalyysej;i (a180, 8 * H ja 3 ~ ) teetatettiin 16 valikoidusta naytteesta (Laborator'ium voor Algemene Na'tuurkunde, Ri jk'suniversite.it, Groningen, Hollanti). Kaa'sunaytteista ( 14 kpl) analysoitiin N2, 02, Hz, CH3, C2H6, C3H8, Co2, CO ja Ar (VTT:n poitto- ja voite'luainelaboratorio ja Neste Oy: 11 tutkimuskeskus). Ennen naytteenottoa 'suoritettiin rei'ista lampotilamittaus 2-2,s m:n pistevalilla reikga pitkin tapahtuvien mahdollisten pohjavesivirtausten havaitsemiseksi. 3. TULOKSET Naytteenotto suoritettiin neljasta syvasta kairareiasta, joiden katsottiin e'dustavan erilaisia geologisia ymparistojz niin kallioperan kuin pohjaveden esiintymisen suhteen. Reiat valittiin Outokummun, Kerimaen, Paraisten ja Limingan alueelta (liite 2). Outokummun ja Kerimaen alueet sijaitsevat sisamaassa olevilla

10 liuskejaksoilla Litorina-meren ylapuolisilla seuduilla. Lisaksi esim. Outokummun alueella tiedettiin esiintyvan suolaisia pohjavesia (Hyyppa 1984). Paraisten ja Limingan alueet sensijaan sijaitsevat meren valittomassa lsheisyydessa kuitenkin toiaistaan selvasti poikkeavassa kivilajiymparist6ssa Outokumpu Naytteenotto 'suoritettiin 'Suomen syvimmasta kairareiasta Outokurhun Sukkulansalosta (OKU R741, K , x = 6966,24, y = 460,13, z = 89 m). Reian lahtokaltevuus on 76O, pituus 1297,5 m ja vertikaalisyvyys maanpinnasta 1100 m. Reikahalkaisija on ylaosassa 56 mm ja alaosassa 46 mm. Reian kivilajeina ovat kiillegneissi, inustal'iuske ja ns. Outokumpu- assosiaation kivet (serpentiniitti, karsi, kvartsiitti ja dolomiitti). Ympariston korkeusvaihte'lut ovat alle 15 m. Maapera on moreenia, jonka pak'suus kairauspaikalla on 9,s m. Pohjaveden pinta oli naytteenottoaikana 8,s m:n syvyydella maanpinnasta. Reika on kairat'tu v H'uuhte'luvesi otettiin n. 200 m:n paassa olevasta n m:n kairareiasta. Lampotilamittausten (20.6. ja ) perusteella (liite 3) reikaa pitkin ei tapah'du merkittavia pohjavesivirtauksia, joten pohjavesinaytteita voidaan pitaa hairiytymattomina. Sahkonjohtavuuden pe'rusteella (liitteet 4 ja 5) reiassa on kolme erilaista pohjavesikerrosta: makean veden kerros m (14-15 ms/m), ylempi 'suolaisen pohjaveden kerros m ( ms/m) ja alempi 'suolaisen pohjaveden kerros 1000 m:sta reian pohjaan saakka (yli 3800 ms/m). Kerrosten valiset vaihet'tumisvyohykkeet ovat n. 80 m:n paksuisia. Pohjaveden ph (liitteet 4 ja 6) on makean veden kerroksessa 7,7-8,3. 'Suolaisen pohjaveden ylaosassa (600 m:n ylapuolella) ph on 8,O - 8,4 ja taman alapuolella 8,4 -. 8,7. Kokonai'suudessaan ph-vaihtelu on varsin vahaista.

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43 llovieras KERI- KERI TYYPPI 0151

44

45

46

47

48

49

50 IlOVIERRS RTTU RTTU STYYPPI 0151

51 I 1lOVIERAS attuph attuph TYYPPI 0161

52

53

54 PITOISUUS ( ppm I w + 0 I I w C w v w w N N 0 0 Q 0 0 G3z CD a= 1 0 c ;; zg 0 W u wc- 7J 7 --(D -4 m & P xo 0 -- C1 + D fl- rb- 3 m co =cn ro cn o CD 7 rk cn -- x (-0 3 I -<m m 0 C, - CCb 2 g 0 w b -< DO r rtm (D co ?in I 3 c c- ri30-3 KJ cn C 0 0 m (D (D C C w C C C C 0 C w C w I

55

56

57

58

59

60

61

62