Ikiroudan vaikutukset pohjavesiin

Kansainvälinen Permafrost-hanke tutki vuosien 2000-2008 aikana ikiroudan vaikutusta kalliopohjavesien koostumukseen, pohjavesien virtaustilanteeseen ja kallion fysikaalisiin ominaisuuksiin kiteisessä kallioperässä. Erityisesti ilmiöitä tarkasteltiin käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustilan pitkäaikaispysyvyyden kannalta. Hankkeen aikana kerättiin fysikaalista ja geokemiallista aineistoa ikiroudassa olevalta tutkimusalueilta ja pyrittiin tunnistamaan tärkeimmät näissä olosuhteissa toimivat geokemiallis-fysikaaliset prosessit ja ymmärtämään niiden keskinäisiä vuorovaikutussuhteita.

Tutkimuksiatehtiin kolmessa Arktisessa Kanadassa sijaitsevassa tutkimuskohteessa, joissa on samanlainen geologia ja Kvartäärihistoria kuin pohjoismaissakin: Lupinin Au-kaivos, Ulun Au-etsintäkohde ja High Laken Zn-Cu-etsintäkohde (Kuva 1.). Tutkimusalueilla ikirouta ylettyy 350-540 m syvyyteen. Tutkimusta tehtiin yhteistyössä Kanadalaisen Waterloon yliopiston kanssa vuodesta 2001 alkaen, ja vuodesta 2004 lähtien myös NASA:n Astrobiologian Instituutin IPTAI-ryhmän kanssa.

Tutkimuksia rahoittivat: Geologian tutkimuskeskus, Posiva Oy, SKB (Ruotsi), Ontario Power Generation (Kanada), University of Waterloo (Kanada) ja NASA.

Keskeisimmät tutkimustulokset:

• Pääosa tutkimusalueiden ikiroudasta on syntynyt viimeisen jääkauden jälkeen, eli se on nuorempaa kuin 10 000 vuotta
• Ikiroudan alla ei havaittu poikkeuksellisen suolaisia pohjavesiä
      - Pohjavesien suolaisuudet ikiroudan alla, 540-1300 m syvyydellä vaihtelivat 2-40 g/l
      - Kallioperän pieni huokoisuus ja pieni vesimäärä ei mahdollista jäätymisestä johtuvaa suolojen rikastumista
   
• Pohjavesiin liuenneiden kaasujen koostumuksessa ja isotooppikemiallisissa (C, H) piirteissä on viitteitä metaanijään esiintymisestä. Suoria havaintoja tästä ei kuitenkaan saatu
• Ikirouta vähentää merkittävästi pintavesien imeytymistä kallioperään
• Suurempien järvien alla olevat ikiroudan lävitse ulottuvat talik-rakenteet (sulat vyöhykkeet) ovat yleisiä. Pinta- ja pohjavesien vuorovaikutus on periaatteessa mahdollista niiden kautta, mikäli kalliossa on riittävästi rakoilua virtausreittejä varten ja alueella hydraulinen gradientti virtauksen ylläpitämiseen
• Geokemiallisesti ikiroudanalaiset pohjavesiolosuhteet ovat vakaat
      - Ei merkittävää sekoittumista pintavesien kanssa (syvien pohjavesien C-14 iät noin 26 000 vuotta)
      - Ei liuennutta happea
      - Ei viitteitä paineellisista pohjavesistä tai kaasuista
    

Kirjallisuutta:

Ahonen, L., Onstott, T., McGown, D., Soffientino, B., Bakermans, C., Pratt, L., and Ruskeeniemi, T. 2007. Life under deep permafrost in Lupin mine, Canada. In: 18th International Symposium on Environmental Biogeochemistry, 11th-16th November 2007, Taupo, New Zealand : conference proceedings, S-14.

Ahonen, L., Ruskeeniemi, T., Stotler, R., Frape, S., Lehto, K., Puigdomenech, I., Hobbs, M. and Degnan, P. 2008. Deep permafrost studies at the Lupin mine : hydrogeological and geochemical information for nuclear waste disposal. In: Ninth International Conference on Permafrost, University of Alaska, Fairbanks, June 29-July 3, 2008 : extended abstracts. Fairbanks: University of Alaska, 1-2

Boettig, C., McGown, D., Davidson, M., Onstott, T.C, Soffentino, B., Bakermans, C., Thomashow, M., Miller, S., Balkwill, D., Pratt, L., Ruskeeniemi, T., Ahonen, L. Telling, J., Sherwood Lollar, B., Frape, S. and Stotler, R., 2005. Distribution and diversity of micro-organisms of deep, subpermafrost brine in the Canadian Arctic. Abstract submitted to American Geophysical Union (AGU), 5–9 December 2005, San Francisco, CA, USA.

Frape, S. K.; Stotler, R. L.; Ruskeeniemi, T.; Ahonen, L.; Paananen, M.; Hobbs, M. Y. 2004. Hydrogeochemistry of groundwaters at and below the base of the permafrost at Lupin: Report of Phase II. Ontario Power Generation. Report 06819-REP-01300-10047-R00. 74 p.

Freifeld, B.M., Chan, E., Onstott, T.C., Pratt, L.M., Johnson, A., Stotler, R., Holden, B., Frape, S., Pfiffner, S.M., DiFurio, S., Ruskeeniemi, T. and Neill, I. 2008. Deployment of a deep borehole observatory at the High Lake Project Site, Nunavut, Canada. In: Proceedings of the Ninth International Conference on Permafrost, University of Alaska, Fairbanks, June 29-July 3, 2008. Fairbanks: University of Alaska, 469-474.

Korhonen, Kimmo; Ruskeeniemi, Timo; Paananen, Markku; Lehtimäki, Jukka 2009. Frequency domain electromagnetic soundings of Canadian deep permafrost. In: Proceedings of the Finnish National IPY Conference. Geophysica 45 (1-2), 77-92.

Lambie, K., Frape, S., Stotler, R., Ruskeeniemi, T., and Hobbs, M. 2004. Site characterization techniques using fracture minerals for radioactive waste disposal. 2004 Denver: GSA Annual Meeting November 7–10, 2004. Geological Society of America Abstracts with Programs 36 (5), 358.

McGown, D., Boettiger, C., Davidson, M., Chain, E., Onstott, T.C., Pratt, L., Bakermans, C., Thomashow, M., Miller, S., Balkwill, D., Soffentino, B., Ruskeeniemi, T., Ahonen, L., Telling, J., Sherwood Lollar, B., Frape, S. and Stotler, R. (2006) Species diversity and sulfur metabolism of psychrophiles in a deep subpermafrost brine in the Canadian Arctic. ABSCICON 2006. Washington DC. March 2006.

Onstott, T. C., McGown, D.J.,Bakermans, C., Ruskeeniemi, T., Ahonen, L., Telling, J., Soffientino, B., Pfiffner, S.M., Sherwood-Lollar, B., Frape, S., Stotler, R., Johnson, E.J., Vishnivetskaya, T.A, Rothmel, R and Pratt, L.M. 2009. Microbial Communities in Subpermafrost Saline Fracture Water at the Lupin Au Mine, Nunavut, Canada. Enviromental Microbiology (in print).

Paananen, M. and Ruskeeniemi, T. 2003. Permafrost at Lupin: Interpretation of SAMPO electro-magnetic soundings at Lupin. Geological Survey of Finland, Report YST-117, 22 p. + 4 app. [Kokoteksti]

Pfiffner, S. M., Onstott, T. C., Ruskeeniemi, T., Talikka, M., Bakermans, C., McGown, D., Chan, E.,Johnson, A., Phelps, T. J., Le Puil, M., Difurio, S. A., Pratt, L. M., Stotler, R., Frape, S., Telling, J., Sherwood Lollar, B., Neill, I and Zerbin, B. 2008. Challenges for coring deep permafrost on Earth and Mars. Astrobiology 8 (3), 623-638.

Ruskeeniemi, T., Ahonen, L., Paananen, M., Frape, S., Stotler, R., Hobbs, M., Kaija, J., Degnan, P.,Blomqvist, R., Jensen, M., Lehto, K., Morén, L., Puigdomenech, I. and Snellman, M. 2004. Permafrost at Lupin : Report of Phase 2. . Geological Survey of Finland, YST-119. 89 p. [Kokoteksti]

Ruskeeniemi, T., Paananen, M., Ahonen, L., Kaija, J., Kuivamäki, A., Frape, S., Moren, L. and Degnan P. 2002. Permafrost at Lupin: Report of Phase 1. Geological Survey of Finland, YST-112. 59 p. + 3 app. [Kokoteksti]

Ruskeeniemi, T., Ahonen, L., Paananen, M., Blomqvist, R., Degnan, P., Frape, S. K., Jensen, M., Lehto, K., Wikström, L., Morén, L., Puigdomenech, I. and Snellman, M. 2003. Groundwater under deep permafrost conditions. In: Haeberli, W. & Brandová, D. (eds.) 8th International Conference on Permafrost, Zurich, Switzerland, 20-25 July 2003: extended abstracts reporting current research and new information. Zurich: University of Zurich, 141-142.

Ruskeeniemi, T, Lehtinen, A., Näslund, J. O., Belfadhel, Mahrez B., Aaltonen, I., Claesson Liljedahl, L., Hobbs, M., Pratt, L.,,, Puigdomench, I., Selroos, J. O., and Vähänen, M. 2008. Ice sheet hydrology and its impact on deep groundwaters - research project in western Greenland. In: Congress of the International Polar Year 2007/08 : IPY 07/08 celebration of Finnish geoscientific studies in Polar areas, November 12-13, 2008, GTK, Espoo, Finland : program and abstracts. Espoo: Geological Survey of Finland, 44.

Stotler, R.L. 2008. Evolution of Canadian Shield groundwaters and gases: Influence of deep Permafrost. An unpublished PhD thesis. University of Waterloo. Waterloo, Ontario, Canada, 2008.

Stotler, R.L., Frape, S.K., Ruskeeniemi, T., Ahonen, L., Blomqvist, R., Degnan, P., Jensen, M., Lehto, K., Morén, L. and Snellman, M. 2003. Hydrogeochemistry of crystalline bedrock under deep permafrost conditions. In: Geoscience horizons, Seattle 2003: GSA Annual Meeting and Exposition, November 2-5, 2003. Geological Society of America. Abstracts with Programs 35 (6), 573.

Stotler, R., Frape, S., Shouakar-Stash, O., Ruskeeniemi, T., Blomqvist, R., 2005. Evolution of crystalline shield brines and the application of 37/35 Cl and 81/79 Br analyses. In: Buzek, F. & Novák, M. (eds.) 6th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry, Prague, Czech Republic, September 11-16, 2005 : abstracts. Prague: Czech Geological Survey, 232-233.

Stotler, R., Frape, S., Shouakar-Stash, O., Ruskeeniemi, T., Blomqvist, R., 2006. Methane-halide reactions in shield waters, inferred from δ13C and δ2H of methane and δ81Br and δ37Cl of dissolved ions 16th Annual V.M. Goldschmidt Conference 2006, 27 August - 1 September 2006, Melbourne , Australia.

Stotler, R.L., Frape, S.K., Freifeld, B.M., Holden, B., Onstott, T.C., Ruskeeniemi, T. and Chan, E., 2011. Hydrogeology, chemical and microbial activity measurement through deep permafrost. Ground Water 49 (3), 348-364.

Stotler, R.L., Frape, S.K., Ruskeeniemi, T., Ahonen, L., Onstott, T. C. and Hobbs, M. Y. 2009. Hydrogeochemistry of groundwaters in and below the base of thick permafrost at Lupin, Nunavut, Canada. Journal of Hydrology 373 (1-2), 80-95.

Stotler, R. L.; Frape, S. K.; Ruskeeniemi, T.; Pitkänen, P.; Blowes, D. W. 2012. The interglacial-glacial cycle and geochemical evolution of Canadian and Fennoscandian Shield groundwaters. Geochimica et Cosmochimica Acta 76 (1), 45-67.

Zhang, M. and Frape, S.K. 2003. Evolution of shield brine groundwater composition during freezing. Ontario power Generation, Report No: 06819-REP-01200-10089-R00, 49 p.

Zhang, M., Frape, S., Hobbs, M., Jensen, M., Blomqvist, R. and Ruskeeniemi, T., 2006. Fractionation of chlorine isotopes between ice and groundwater: Identification of freezing processes. 16th Annual V.M. Goldschmidt Conference 2006, 27 August - 1 September 2006, Melbourne, Australia.

Takaisin

Kuva 1. Permafrost-projektin tutkimuskohteet