Origin and Geochemical Evolution of Palaeogroundwater in the Northern Part of the Baltic Artesian Basin

Viimastel aastatel läbi viidud uuringud on näidanud, et tänapäevase (kuni 50 aastat vana) põhjavee kogus on globaalses mastaabis palju väiksem võrreldes vanemas minevikus tekkinud põhjaveega (Gleeson jt., 2016; Jasechko jt., 2017). Põhjavett, mis moodustus minevikus valitsenud kliimas, mis erines oluliselt tänapäevasest kliimast, võib nimetada paleopõhjaveeks. Doktoritöös keskenduti liustikutekkelise paleopõhjavee uurimisele Balti Arteesiabasseini põhjaosas. Varasemad uuringud olid näidanud, et uuringuala sügavaimas Kambriumi-Vendi põhjaveekompleksis on laialt levinud põhjavesi, mis pärineb Pleistotseenis Eesti ala katnud mandriliustike sulavetest. Kuigi varasemad uuringud olid osutanud ka võimalusele, et taolist päritolu põhjavee levik Eesti alal ei piirdu vaid Kambriumi-Vendi põhjaveekompleksiga, ei olnud seda seni põhjalikumalt uuritud. Doktoritöös lähtuti eeldusest, et liustikutekkeline paleopõhjavesi on laialt levinud ka põhjaveekompleksides, mis lasuvad Kambriumi-Vendi põhjaveekompleksi katval Lükati-Lontova regionaalsel veepidemel. Töös keskenduti peamiselt Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksi põhjaveele, aga uusi andmeid koguti ka Siluri-Ordoviitsiumi ja Alam-Kesk-Devoni põhjaveekompleksis esineva paleopõhjavee uurimiseks. Peamisteks töös püstitatud eesmärkideks olid: (1) uurida liustikutekkelise põhjavee ja teiste varasemates kliimatingimustes kujunenud põhjavee esinemist ja paiknemist Eesti aluspõhjas; (2) selgitada paleopõhjavee päritolu ning protsesse, mis on mõjutanud selle keemilise ja isotoopkoostise kujunemist; (3) uurida paleopõhjavee vanust ja (4) kasutada paleopõhjavee koostises salvestunud signaale viimasel jääajal ja selle eel Eesti alal valitsenud keskkonna- ja kliimatingimuste uurimiseks.

Doktoritöös ja sellega seotud artiklites uuriti Eesti põhjavett mitmekesise metoodikaga, et kirjeldada paleopõhjavett ja selle koostist erinevatest vaatepunktidest. Töös püstitatud eesmärkide saavutamiseks uuriti põhjavee keemilist koostist, põhjavee ja selles lahustunud ainete isotoopkoostist (δ2HH2O, δ18OH2O, δ13CDIC, δ34SSO4, δ18OSO4, δ13CCH4, δ13CCH4), põhjavee vanust kirjeldavate radioaktiivsete isotoopide aktiivsust (3H, 14C) ja põhjavees lahustunud gaaside sisaldust (CH4, CO2, He, Ne, Ar, Kr, Xe). Andmete interpreteerimisel kasutati muuhulgas ka geokeemilise modelleerimise tarkvarasid GWB, PHREEQC ja NETPATH. Enamikku kirjeldatud meetoditest kasutati Ordoviitsiumi-Kambriumi, Siluri-Ordoviitsiumi, ja Alam-Kesk-Devoni põhjaveekomplekside põhjavee uurimisel esmakordselt.

Töö tulemused kinnitasid liustikutekkelise paleopõhjavee laialdast levikut Kambriumi-Vendi põhjaveekompleksil lasuvates põhjaveekompleksides. See kajastub eelkõige põhjavee kerges isotoopkoostises. Kõigis kolmes eelpoolnimetatud põhjaveekompleksis leidub kerge isotoopkoostisega vett, mille δ18OH2O väärtused on kuni ~−20‰ ja Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis kohati isegi kuni ~−22,5‰. Need väärtused on oluliselt kergemad Eesti tänapäevaste sademete aasta keskmistest väärtustest (δ18OH2O vahemikus −10,1 kuni −10,6‰; Punning jt., 1997; IAEA/WMO, 2018) või selle infiltratsioonil kujunenud maapinnalähedastes põhjaveekihtides esinevatest väärtustest (δ18OH2O vahemikus −10,9 kuni −12,7‰). Isotoopkoostise erinevused on veenvaks tõendiks minevikus külmemates kliimatingimustes kujunenud põhjavee esinemisest Eesti aluspõhjas. Taolise kerge isotoopkoostisega vesi sai tõenäoliselt kujuneda vaid Pleistotseenis Eesti ala katnud mandriliustike sulavete infiltreerumisel aluspõhja settelistesse põhjaveekompleksidesse. Eriti lai on taolise liustikutekkelise põhjavee levik Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis. Seal on tänapäevastele kliimatingimustele viitav signaal jälgitav vaid kitsal ribal veekompleksi põhjaosas, kus seda kattev karbonaatkivimite kompleks on õhuke või puudub hoopis. Paleopõhjavee lai levik Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis muudab selle palju sarnasemaks Kambriumi-Vendi põhjaveekompleksiga kui sellel lasuvate Siluri ja Ordoviitsiumi karbonaatkivimites esineva põhjaveega. Siluri-Ordoviitsiumi ja Alam-Kesk Devoni põhjaveekompleksides leidub paleopõhjavett peamiselt nende põhjaveekomplekside tänapäevastest toitealadest (Haanja, Otepää, Sakala ja Pandivere kõrgustikud) kaugemal asuvatel aladel, põhjavee voolusüsteemi perifeersetes osades. Neis põhjaveekompleksides on paleopõhjavesi paremini säilinud Läänemere ja Liivi lahe saartel (nt Sõrve poolsaar Saaremaal, Kihnu ja Ruhnu). Meri on sealjuures tõenäoliselt olnud jääajajärgsel ajal oluliseks paleopõhjavee säilimist soodustavaks teguriks.

Paleopõhjavee koostis on pärast selle infiltreerumist teinud läbi mitmeid olulisi muutusi. Peamiseks vete koostist mõjutanud protsessideks on olnud karbonaatsete mineraalide lahustumine, katioonvahetus, orgaanilise aine oksüdatsioon ja segunemisprotsessid. Segunemine on toimunud liustikutekkelise paleopõhjavee, viimase jäätumise eelsetest kliimaperioodidest pärineva põhjavee, põhjaveekompleksides enne liustiku sulavete sissetungi olnud soolasema reliktse põhjavee, tänapäeva sademetest pärineva põhjavee ja kohati ka merevee vahel. Paleopõhjavee dateerimine 3H, 14C ja 4He meetoditega kinnitas, et tänapäevaste väärtustega võrreldes oluliselt kergema isotoopkoostisega vesi Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis on vähemalt 10 000 aastat vana. Põhjavee modelleeritud vanused annavad alust kahtlustada, et vähemasti Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis leidub teatud ulatuses ka Hilis-Weichseli jäätumise eelsest ajast pärinevat põhjavett. Paleopõhjavee keemilise ja isotoopkoostise võrdlus tänapäevaste põhjaveetasemetega viitab sellele, et need põhjaveed ei ole saavutanud tasakaalu pärast-jääaegsete põhjavee voolutingimustega ja nende koostises on endiselt esil Pleistotseenis väljakujunenud mustrid. See on kooskõlas varem Põhja-Ameerikas saadud modelleerimise tulemustega paleopõhjavee käitumisest aladel, kus jääajad ja jäävaheajad on Kvaternaari ajastul tsükliliselt vaheldunud.

Doktoritöö raames uuriti ka Kambriumi-Vendi põhjaveekompleksi paleopõhjavees lahustunud gaaside sisaldust ja päritolu. Seda põhjavett iseloomustab erakordselt suur üleküllastus lahustunud gaaside suhtes (nt. 240% üleküllastus Ar suhtes). Valdav osa põhjavees lahustunud väärisgaasidest (Ar ja Kr) on atmosfäärset päritolu. Suur osa põhjaveekompleksis esinevast metaanist ei ole aga tekkinud põhjaveekompleksis endas, vaid on sinna sisse kantud koos infiltreerunud mandriliustike sulavetega. See on oluline tõend sellest, et Pleistotseeni mandriliustike ees paiknesid enne selle pealetungi bioloogiliselt aktiivsed alad, milles tekkinud orgaaniline aine mattus mandriliustiku alla. Lisaks sellele on suurte koguste bioloogilist päritolu metaani esinemine liustikutekkelistes põhjavetes viiteks selle kohta, et ka tänapäevaste suurte mandriliustike all Gröönimaal ja Antarktikas võib olla säilinud märkimisväärsetes kogustes orgaanilisi setteid, mis jää alt vabanedes võivad mõjutada tänapäevast süsinikuringet ja kliimat.

Liustikutekkelise paleopõhjavee lai levik Eesti aluspõhjas tähendab ka seda, et Eesti põhjavee kasutamist reguleerivad põhimõtted ja seadusandlus vajavad ülevaatamist. Paleopõhjavee lai levik viitab sellele, et aktiivse veevahetuse tsoonis paikneva põhjavee hulk, kust veevõttu kompenseerib tänapäevaste sademete infiltreerumine, võib olla palju väiksem kui varem arvatud. Eesti põhjaveekompleksid, kus paleopõhjavee esinemine on kindlaks tehtud, on tänapäeval olulisteks joogi- ja tarbevee allikateks. Suur osa paleopõhjaveest on väikese soolsusega ja moodustab kvaliteetse põhjaveeressursi. Paleopõhjavee esinemine näitab, et veekompleksid või nende osad, kus selline vesi paikneb, on hästi kaitstud maapinnalt lähtuva reostuse eest. Oma olemuselt on aga tegemist vähemalt inimese eluea piires taastumatu loodusvaraga. Tulevikus tuleks seista hea selle eest, et seda kvaliteetset põhjaveeressurssi majandataks vastutustundlikult ega toimuks selle tarbetut raiskamist (nt kasutamine kastmisveena põllumajanduses, väljapumpamine kaevandustest jne). Paleopõhjavett tuleks ületarbimise eest kaitsta vastava seadusandlusega, mis Eestis praegu suuresti puudub. Mitmetes paleopõhjavett sisaldavates kivimites esineb tuleviku perspektiivis ka potentsiaalselt olulisi maavarasid (nt Kallavere kihistu biogeenne fosforiit Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis). Nende maavarade kaevandamise planeerimisel tuleb taastumatu paleopõhjavee levikuga kindlasti arvestada. 

Abstract

The PhD thesis was designed to study the spatial distribution, origin, geochemical evolution and age of glacial palaeogroundwater in the northern part of the Baltic Artesian Basin (BAB). In this area, groundwater recharged prior to the beginning of the Holocene has been previously observed in various depths and locations. The brine in the deep central parts of the basin (Latvia) has ages >1.3 Ma based on noble gas age tracers 81Kr, 4He and 40Ar (Gerber et al., 2017). In the northern part of the basin (northern Estonia) the distribution of glacial palaeogroundwater originating from subglacial meltwater recharge during the Pleistocene glaciations has been shown to be wide in the deepest Cambrian-Vendian aquifer system (Vaikmäe et al., 2001; Raidla et al., 2009). Despite previous evidence suggesting that the spatial distribution of glacial palaeogroundwater could also be wide in the aquifer systems overlying the Cambrian-Vendian (e.g. Savitskaja et al., 1995, 1996b, 1997), their occurrence, origin and age were not extensively studied until recently.

The main objective of the author was to study the extent to which groundwater originating from the Pleistocene glaciations is spread in the aquifer systems overlying the Cambrian-Vendian aquifer system. Based on previous evidence, the working hypothesis was that groundwater originating from the Pleistocene is far more widely distributed in the northern BAB than previously thought. It could be suspected that confined aquifers in the study area have not reached an equilibrium with modern topographically-driven groundwater flow conditions and still exhibit groundwater flow patterns and composition established in the Pleistocene.

The study of Pleistocene groundwater in the thesis also involved the study of the special characteristics of groundwater in the Cambrian-Vendian aquifer system (high concentrations of noble gases and methane). Those characteristics shed light to palaeoenvironmental conditions during the recharge of glacial palaeogroundwater that provide a starting point for the geochemical evolution of the Pleistocene groundwater in shallower aquifer systems. Understanding the spatial distribution and processes influencing the geochemical evolution of this non-renewable groundwater resource is crucial for predicting the effects of groundwater abstraction on its composition and availability. The results presented in the thesis illustrate the multi-faceted nature of information about pre-Holocene palaeoenvironmental conditions that can be recorded in palaeogroundwater reservoirs.

Glacial palaeogroundwater was studied using a multi-tracer approach utilizing the hydrochemical composition of groundwater, a suite of stable (δ2HH2O, δ18OH2O, δ13CDIC, δ34SSO4, δ18OSO4, δ13CCH4, δ13CCH4) and radioactive isotope tracers (3H, 14C and 4He) together with the study of dissolved gas compositions in groundwater (CH4, CO2, He, Ne, Ar, Kr, Xe). In addition, the geochemical evolution and groundwater age were studied with geochemical modelling using the software programs GWB, PHREEQC and NETPATH. Many of these methods were utilized for the first time in studying groundwater in aquifer systems overlying the Cambrian-Vendian.

The results of the thesis confirmed the proposed hypothesis that glacial palaeogroundwater has been preserved in a number of aquifer systems in the northern part of the BAB. Their presence is revealed mainly by a light isotopic composition that differs markedly from values found in modern precipitation and shallow groundwater in the study area. In the Ordovician-Cambrian, Silurian-Ordovician and Lower-Middle-Devonian aquifer systems groundwater with δ18O values as light as ~−22‰ was found. These values are markedly depleted with respect to the mean value of −11.7‰ found in shallow groundwater originating from modern recharge. Such a wide distribution of glacial palaeogroundwater in the northern BAB is unique in Europe as the closest analogues to this situation can be found in North America.

The occurrence of glacial palaeogroundwater is particularly wide in the Ordovician-Cambrian aquifer system where it has a similarly wide distribution compared to the underlying Cambrian-Vendian aquifer system. In shallower aquifer systems of Silurian-Ordovician and Lower-Middle-Devonian the presence of glacial palaeogroundwater is confined to areas farther down the groundwater flow path. The glacial palaeogroundwater in the northern part of the BAB has gone through significant geochemical evolution after its infiltration involving dissolution of carbonate minerals, cation exchange reactions, oxidation of organic matter and mixing with groundwater originating from modern precipitation, previous interstadials, saline formation water and the Baltic Sea. The dating of glacial palaeogroundwater in the Ordovician-Cambrian aquifer system allowed to identify groundwater originating from three different climatic periods:
(1) the Holocene period (0–10 ka BP); (2) the Late Glacial Maximum (~10–22 ka BP) and
(3) from earlier interstadials (>22 ka BP).

Aquifers containing glacial palaeogroundwater have been shown in a transient state in the study area with respect to modern topographically-driven groundwater flow conditions. This indicates that under natural conditions a significant time period is needed for the deeper aquifer systems to gain equilibrium with groundwater originating from modern recharge in terms of their chemical and isotopic composition. The study of the isotopic composition of methane in the Cm-V aquifer system suggests that the Pleistocene ice sheets advanced over areas where terrestrial vegetation had been only
recently active.

The wide spread of glacial palaeogroundwater in Estonia has important implications for groundwater abstraction and management. A weak connection of glacial palaeogroundwater reservoirs with modern groundwater recharge and with potential anthropogenic contamination makes them a high-quality resource which should be treated as a strategic reserve, to be used only for specific purposes (e.g. potable water). Furthermore, their sustainable use should be protected with appropriate legislation to avoid overexploitation of this non-renewable groundwater resource. In several aquifer systems containing palaeogroundwater, the rocks associated with the aquifer strata contain mineral resources that could have potential economic significance in the future (e.g. biogenic phsophorite in the upper portion of sandstones forming the Ordovician-Cambrian aquifer system). Any future plans for mining these mineral resources need to take into account the renewability of groundwater in the associated aquifer systems.

The results of the thesis show that in areas that have experienced drastic environmental changes during their recent geological history (e.g. the Pleistocene glaciations), steady-state conditions with respect to modern topographically-driven groundwater flow cannot be assumed a priori. As the recent global overviews have shown (Gleeson et al., 2016; Jasechko et al., 2017), the occurrence of palaeogroundwater weakly connected to modern groundwater flow system should be considered a norm, not an exception.