Groundwater flow paths in the bedrock fracture zones revealed by using the stable isotopes of oxygen and hydrogen in the Talvivaara mine gypsum pond area, Northeastern Finland
| Title: | Groundwater flow paths in the bedrock fracture zones revealed by using the stable isotopes of oxygen and hydrogen in the Talvivaara mine gypsum pond area, Northeastern Finland |
| Author(s): | Kittilä, Anniina |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography |
| Discipline: | Geology |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2015 |
| Abstract: |
Bedrock fracturing is considerably extensive and distinct in Finland, and the fractures that are open, conductive and interconnected usually control the groundwater flow paths in fractured bedrock. This highlights the importance of knowing the locations and hydraulic connections of water conducting fracture zones particularly in mining areas, because they can transport adverse substances outside the mining area. In this study, it is focused on examining possible hydraulic connections of bedrock groundwater by using the stable isotopes of oxygen (δ18O) and hydrogen (δ2H).
The study was carried out in the Talvivaara mining area in Northeastern Finland alongside a project from the Geological Survey of Finland (GTK). After November 2012, when a leakage of acidic, metal-containing waste water occurred in the gypsum ponds, there was an urgent need to study the groundwater transport routes in the bedrock fractures. The aim was to find hydraulic connections between surface water and groundwater, and to study the flow of the groundwater in the fracture zones based on the different isotopic characteristics of waters from different sources and isotopic similarities.
Most of the materials used in this study were obtained from the results of the project from the GTK. These materials included geophysical interpretations of the locations and water content of the main fracture zones and the results from the geochemical analyzes. Together with the interpretations of groundwater flow direction based on hydraulic heads these materials formed a frame for this study. The isotope composition of 39 water samples from bedrock wells, shallow wells and surface water was analyzed using cavity ring-down spectroscopy (CRDS) method.
The surface waters were clearly distinguished based on their evident evaporation signal, but no significant such a signal was observed in the bedrock and shallow groundwaters. However, similarities between groundwater from different depths of same well were found, in addition to similarities between different wells along same fracture zones. Although the isotopes did not indicate surface water contamination, groundwater contamination with smaller amounts of water is possible, in which case the changes in isotope composition are not yet significant, while certain elements have elevated concentrations. A NE-SW oriented fracture zone passing in the center of the study area was concluded to have the most important role in collecting and transporting groundwater outside the mining area.
More detailed interpretations would require regular sampling for a longer period of time to better distinguish naturally and artificially induced changes both in the isotopic but also geochemical compositions. Also the usage of packer tests possibly together with pumping tests would be useful in obtaining more comprehensive image of the groundwater flow in the fracture zones and their hydraulic connections.
Ruhjevyöhykkeet Suomen kallioperässä ovat huomattavan selviä ja laaja-alaisia, ja ruhjeisessa kallioperässä yleensä avoimet, vettä johtavat ja toisiinsa yhteydessä olevat ruhjeet säätelevät pohjaveden virtausta. Tämä korostaa vettä johtavien ruhjevyöhykkeiden sijainnin ja hydraulisten yhteyksien tuntemisen tärkeyttä erityisesti kaivosalueilla, koska ne voivat kuljettaa haitallisia aineita kaivosalueen ulkopuolelle. Tämä tutkielma keskittyy kalliopohjaveden mahdollisten hydraulisten yhteyksien tarkastelemiseen käyttäen apuna hapen (δ18O) ja vedyn (δ2H) stabiileja isotooppeja.
Tutkimus toteutettiin Talvivaaran kaivosalueella Koillis-Suomessa Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) projektin rinnalla. Marraskuussa 2012 sattuneen kipsisakka-altaan vuodon jälkeen, jossa hapanta ja metallipitoista jätevettä vuosi ympäristöön, tarve tutkia pohjaveden kulkeutumisreittejä alueen kallioperässä oli suuri. Tutkimuksen tavoitteena oli etsiä pinta- ja pohjaveden välillä olevia hydraulisia yhteyksiä, ja tarkastella pohjaveden virtausta ruhjevyöhykkeissä isotooppisten samankaltaisuuksien sekä erilaisista lähteistä olevien vesien erilaisten isotooppiominaisuuksien perusteella.
Suurin osa tässä tutkimuksessa käytetyistä aineistoista oli GTK:n projektin yhteydessä saatuja tuloksia. Nämä aineistot sisälsivät geofysikaalisen tulkinnan alueen pääruhjevyöhykkeiden sijainnista ja vesipitoisuudesta sekä geokemiallisten analyysien tulokset. Yhdessä pohjaveden pinnan korkeustietoihin perustuvan pohjaveden virtaussuunnan tulkinnan kanssa nämä aineistot muodostivat rungon tälle tutkimukselle. Isotooppikoostumus analysoitiin ontelovaimenemisspektroskopiaan (CRDS) perustuvalla menetelmällä 39 näytteestä, jotka edustivat kalliopohjavettä, maaperän pohjavettä ja pintavettä.
Pintavedet erottuivat selvästi muista näytteistä niiden haihtumisjäljen perusteella, mutta mitään merkittävää tällaista jälkeä ei havaittu kalliopohjavedessä tai maaperän pohjavedessä. Samasta pohjavesiputkesta eri syvyyksiltä otetuissa näytteissä sekä samassa ruhjevyöhykkeessä sijaitsevissa eri pohjavesiputkien näytteissä oli kuitenkin nähtävissä samankaltaisuuksia. Vaikka pintavesikontaminaatiota ei voitu isotooppien avulla osoittaa, pohjaveden kontaminaatio pienemmillä vesimäärillä on mahdollista, jolloin muutokset isotooppikoostumuksessa eivät vielä näy, mutta tietyt alkuainepitoisuudet ovat koholla. Tärkeimmäksi ruhjevyöhykkeeksi tulkittiin tutkimusalueen keskeltä sen läpi kulkeva koillis-lounaissuuntainen ruhjevyöhyke, joka on todennäköisin pohjaveden kulkeutumisreitti kaivosalueen ulkopuolelle.
Yksityiskohtaisemmat tulkinnat vaatisivat säännöllistä näytteenottoa pidemmällä ajanjaksolla, jotta olisi mahdollista erottaa luonnolliset ja kaivostoiminnan aiheuttamat muutokset sekä isotooppi- että alkuainekoostumuksessa paremmin. Myös packer-testien käyttö mahdollisesti pohjaveden pumppauksen kanssa edistäisi kattavamman ruhjeissa kulkevan pohjaveden virtauskuvan saamisessa ja ruhjeiden hydraulisten yhteyksien tulkinnassa.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Thesis, Anniina Kittila.pdf | 3.531Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4034]