Ravinteet, energia ja kaasut kalliobiosfäärissä Geologian tutkimuskeskus (GTK) Kalliorakentaminen ja sijoituspaikat Ydinjätteen loppusijoituksen mikrobiologia - seminaari, VTT
Syväbiosfääritutkimus GTK:ssa KYT2018 Geologisen, biologisen ja muokatun ympäristön vuorovaikutus Ydinjätteiden geologisen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuus 14 C vapautuminen Kuparin korroosio Kalliopohjavesien geologinen eristyneisyys RENGAS Ravinteet, energia ja kaasut kalliobiosfäärissä Aineistot MIND Mallit Microbiology in nuclear waste disposal Kalliopohjavesien evoluutio ja ikä Aineiden kulkeutuminen kallioperässä Mikrobien energianlähteet Menetelmäkehitys Mikrobiologisen sulfidinmuodostuksen geokemialliset rajat (WP2) Mikrobiologisten prosessien turvallisuusmerkitys (WP3) Haitallisten aineiden synty/ mobilisoituminen Aikaskaalat Mikrobiologian merkitys Riskien tunnistaminen ja hallinta Euratom/ Horisontti2020
Outokummun syväreikä Kairattu 2004 2005 2516 m syvä Ø 22 cm Putkittamaton > 39 m syvyydellä Lämpötila 2,5 km syvyydellä 40 C Kuvat: I. Kukkonen & R. Kietäväinen
Syvät kalliopohjavedet Vapaata vettä ainakin 11 km syvyyteen Kallioperän yläosassa yleensä dynaaminen vyöhyke, jonka paksuus vaihtelee alueellisesti Syvemmällä vedet tyypillisesti suolaisia ( Suomen ennätys Juuassa ~ 170 g/l) Veteen liuenneita kaasuja (CH 4, N 2, He, H 2 ) voi esiintyä runsaasti Pelkistävät, hapettomat olot Viipymäajat jopa > 1 Ga Kanada Fennoskandia Etelä-Afrikka Kietäväinen, väitöskirja 2017
Syväbiosfääri elinehdot Vesi Energiansaanti (esim.) 4 H Metanogeneesi 2 + CO 2 CH 4 + 2 H 2 O Sulfaatinpelkistys 4 H 2 + SO 2-4 + H + HS - + 4 H 2 O (Anaerobinen) metanotrofia SO 2-4 + CH 4 HS - + H 2 O + HCO - 3 Hiilen saanti Hiilidioksidi, asetaatti, metaani Ravinteet, lämpötila, paine ym. Tila Kallioperä Pohjavesi Mikrobitoiminta jättää jälkensä ympäristöön (vesi, kaasut, mineraalit) Geokemia Isotoopit Mikrobit
Biogeokemialliset vuorovaikutukset kallioperässä esimerkkinä hiili ja vety Kietäväinen & Purkamo 2015, Frontiers in Microbiology
Bio-geo-vuorovaikutuksen isotooppigeologiset indikaattorit Terminologiaa Delta-arvo = ä 1 1000 Kevyt isotooppi alhaisempi sidoslujuus mikrobit suosivat alhainen δ Fraktioitumiskerroin (α) faaseille x ja y: = 1000+ 1000+ Yksisuuntaiset ja epätäydelliset reaktiot kineettinen fraktioituminen tyypillisesti suuri α MUTTA: lähtöaineiden isotooppikoostumus ja saatavuus, aineiden kierrätys, systeemin eristyneisyys ym. vaikuttavat (monimutkaistavat asioita)
Rikki syvissä kalliopohjavesissä Sulfidinmuodostuksen tutkimus stabiilien isotooppien avulla Pori 90-140 m Outokumpu 1000 m Pyhäsalmi R-2247 Pyhäsalmi R-2229 Näyte Sulfaatti (mg/l) Sulfidi (mg/l) TDS (g/l) ph H 2 (mm mm) Pori 110 < 0,01 3,1 8,2? Oku 1000 m 2,1 ~0,02 13 9,6 ~0,03 R-2247 330 1,2 79 9,2 1,56 R-2229 145 0,1 43 8,5 0,02
Syvien kalliopohjavesien kaasut Kaksi päätyyppiä: N 2 -valtainen CH 4 -valtainen Kaasupitoisuus kasvaa selvästi siirryttäessä N 2 - valtaisista CH 4 - valtaisiin pohjavesiin viittaa metaanin muodostumiseen in situ Selvä korrelaatio myös kivilajien kanssa Metasedimentit vs. graniittiset kivet Kaasu/vesi suhde verrattuna N 2 :n (vihreä) ja CH 4 :n (sininen) osuuteen Suomen syvien kalliopohjavesien kaasufaasissa. (Kietäväinen & Pedersen 2016, MIND-raportti)
Metaani syvissä kalliopohjavesissä Mikrobiologisen metanogeneesin osuus? Outokumpu: Syvyys (m) CH 4 (mm mm) Arkeonit (solua/l) 1 Viipymäaika (Ma) Metanogeneesi (mmol CH 4 /solu/a) 2 180 13 6240000 10 1,46*10-12 91 500 22 86200 30 1,46*10-12 4 970 32 490000 48 1,46*10-12 34 Mikrobiologinen CH 4 (mm mm,, teoreettinen) Hiilivaje: Hapettuminen: Sekoittuminen: Kietäväinen & Pedersen 2016 MIND-raportti Luokitteludiagrammi Etiope ym. (Icarus, 2013) mukaan 1 Purkamo et al. 2016, 2 Colwell et al. 2008
Metaani syvissä kalliopohjavesissä Kietäväinen et al. 2017
Vety syvissä kalliopohjavesissä Kietäväinen & Pedersen 2016, MIND-raportti H 2 :n pitoisuus syvyyden suhteen (huom. logaritminen asteikko) Pitoisuuden kasvu syvemmälle mentäessä yleinen trendi Jopa 2 mm
Syväbiosfäärin energianlähteet (Outokumpu) Termodynaaminen tarkastelu Reaktion suunta (Gibbsin energia, G r ) Reaktion energiatiheys (E r ) Rikin kryptinen kierto? Grafiitti hiilen/ energianlähteenä?
Yhteenveto: Ydinjätteen loppusijoituksen biogeokemialliset riskit Liittyen erityisesti kaasuihin ja rikkiyhdisteisiin Mikrobitoiminta Kaasujen (H 2, CH 4 ) merkitys elektroninluovuttajina Sulfaatin pelkistys (sulfidin muodostus) Ei-toivottujen yhdisteiden/alkuaineiden vapautuminen (haitalliset, radioaktiiviset, korrodoivat) Hapetus/pelkistysolosuhteiden muutos Virtaus, diffuusio, luonnon flotaatio Paineen muutokset Posiva Oy
Yhteistyössä: MIND project has received funding from the Euratom research and training programme 2014-2018 under grant agreement No. 661880.