Stable isotope composition of mineral proxies as a record of fluid evolution in fractured bedrock, the Olkiluoto site, Finland

Fluid evolution in fractured bedrock at the Olkiluoto site in Finland was investigated by examining the stable oxygen and carbon isotope composition of secondary calcite and sulfur isotope composition of secondary sulfide minerals. The study site, located on the western coast of Finland, is the planned site for the geological disposal of spent nuclear fuel. Therefore, hydrogeochemical conditions in the deep bedrock are of special interest. The aim of this study was to characterize the latest fracture fillings and use the isotope composition of these fillings as a proxy of past geochemical conditions. In addition to traditional stable isotope analyses, sulfur and carbon isotope variations in the samples were analysed in situ using secondary ion mass spectrometry (SIMS). The results demonstrated a high variability in isotopic composition of mineral grains within a few tens of micrometers. The study material consists of drill core sections hosting fracture infills, obtained from water conducting fractures in hydrologically active zones in the bedrock. Fracture filling calcites were grouped into five groups according to calcite morphology, mineral associations and their relative position in the fracture sequence. The latest fracture fillings were identified from the surfaces of open fractures as clear, platy or euhedral fillings (Group 1) which occasionally contained minor amount of silicate inclusions (Group 2). Massive, older calcite fillings were separated into three groups (Groups 3-5) representing high temperature fluid circulation. Group 3 fillings preceded the late-stage calcite fillings and are interpreted to be associated with a Paleozoic (541-252 Ma) thermal event. Group 5 and Group 4 fillings represent the earliest hydrothermal events in the bedrock, likely related to the rapakivi granite and diabase intrusions of Mesoproterozoic (1600-1000 Ma) age. A characteristic feature of the late-stage fillings (Group 1, 2) is small-scale variations in stable isotope compositions, indicating the influence of microbial processes on groundwater conditions. Furthermore, a comparison with the groundwater data showed that the late-stage fillings are generally not in isotopic equilibrium with the current groundwaters. Based on the results obtained in this work, the following characteristics of the paleogroundwaters representing Group 1-2 mineralizations can be identified: Transitions between geochemically distinct environments can be identified in the shallow bedrock, at depths < 100 m. The upper ca. 30 m were characterized by bacterial sulfate reduction (BSR) and depths < 54 m characterized by methanogenetic activity. A narrow zone existed at the depths of ~34-54 m, where BSR was accompanied by minor methanotrophic activity. After the precipitation of calcite in Groups 1-2, the methanic environment in the depth range of ~60-300 m has been replaced by sulfidic conditions. Changes to this environment were most likely associated with the infiltration events related to deglaciation events and glacioisostatic land movements, which have occurred repeatedly during the Quaternary period (< 2.58 Ma).Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää Suomen länsirannikolla sijaitsevan Olkiluodon saaren kalliopohjavesien geokemiallista kehitystä. Tutkimuskohteelle on rakenteilla ydinjätteiden loppusijoitustilat, joihin on suunniteltu sijoitettavan nyt käytössä olevien ydinvoimalaitosten polttoaineesta muodostuva jäte. Nyt tehty tutkimus antaa arvokasta lisätietoa alueen syvien kalliopohjavesien kehityksestä, jonka perusteella voidaan paremmin ennakoida kallioperän olosuhteiden muutoksia myös tulevaisuudessa. Tutkimuksessa tarkasteltiin muinaisten kalliopohjavesien geokemiallista kehitystä käyttäen hyväksi kallion rakojen pinnoille kiteytyneiden kalsiitin ja sulfidimineraalien stabiilien happi-, hiili- ja rikki-isotooppien suhteita. Stabiilien isotooppien määräsuhteiden vaihtelu mineraaleissa on seurausta niistä olosuhteista, jotka vallitsivat mineraalien kiteytyessä. Isotooppikoostumusten vaihtelun perusteella on mahdollista tunnistaa esimerkiksi pohjaveden liuenneiden ainesten lähteitä ja niissä tapahtuneita muutoksia, sekä erilaisia biogeokemiallisia prosesseja. Tämän lähtökohdan pohjalta tutkimuksessa keskityttiin karakterisoimaan rakopintojen viimeisimmät kiteymät ja käyttäen hyväksi niiden isotooppisuhteiden vaihteluita rakentamaan kuva muinaisesta matalien lämpötilojen pohjavesiympäristöstä. Tutkimuksessa havaittiin rakopintojen viimeisten mineralisaatioiden koostuvan pienistä kalsiitti ja pyriittikiteymistä. Ne ovat osittain kiteytyneet uudelleen aktivoituneisiin rakovyöhykkeisiin, joissa on ennestään ollut massiivisia, hydrotermiseen kiertoon liittyviä raontäytteitä. Tutkimuksessa havaittiin, että myöhäisimmät rakomineralisaatiot eivät ole kiteytyneet nykyisistä kalliopohjavesistä, vaan edustavat aiempaa pohjavesien kiertoa kallioperän raoissa. Myöhäisimpien rakomineralisaatioiden erityispiirre on niiden stabiilien hiili- ja rikki-isotooppikoostumusten voimakas vaihtelu. Tämä vaihtelu on osoitus biogeenisesta toiminnasta, jota on karakterisoinut mikrobien välittämä sulfaatin pelkistys, metaanin tuotto ja pienissä määrin myös metaanin anaerobinen hapetus. Muutos sulfaattia pelkistävästä ympäristöstä metaania tuottavaan on tapahtunut noin 50-60 metrin syvyydellä, mutta merkkejä sulfaatin pelkistyksestä on havaittu vielä 111 metrin syvyydellä. Tulokset osoittavat, että pohjaveden ja sen kuljettamien aineiden kierto kallioperässä on ollut monimutkainen prosessi, joka on pitkälti riippuvainen maan pinnalta kallioperään suotautuvien vesien alkuperästä ja koostumuksesta. Yleisesti voidaan sanoa että mineraaliaineksesta saatu informaation osoittaa biogeenisten prosessien merkityksen kalliopohjavesien olosuhteiden muokkaajina, ja että nämä prosessit ovat aktiivisia erityisesti kallion pintaosiss