"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8948
ETF8948 "Mandrijäätumise mõju Balti kilbi lõunanõlva põhjavee kujunemisele: vee isotoop-geokeemiliste trasserite, lahustunud tahkise ja gaaside ning põhjavee integreeritud modelleerimise kompleksuuring (1.01.2011−31.12.2014)", Rein Vaikmäe, Tallinna Tehnikaülikool, TTÜ Geoloogia Instituut.
ETF8948
Mandrijäätumise mõju Balti kilbi lõunanõlva põhjavee kujunemisele: vee isotoop-geokeemiliste trasserite, lahustunud tahkise ja gaaside ning põhjavee integreeritud modelleerimise kompleksuuring
Unraveling the impact of continental ice-sheets on groundwater systems on the southern slope of the Baltic Shield by application of isotope-geochemical tracers in water, dissolved solids and gases, and integrated groundwater modeling
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.2. MaateadusedP470 Hüdrogeoloogia, geoplaneering ja ehitusgeoloogia 1.4. Maateadused ja sellega seotud keskkonnateadused (geoloogia, geofüüsika, mineroloogia, füüsiline geograafia ning teised geoteadused, meteoroloogia ja ning teised atmosfääriteadused, klimatoloogia, okeanograafia, vulkanoloogia, paleoökoloogia100,0
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.201111 040,00 EUR
01.01.2012−31.12.201211 040,00 EUR
01.01.2013−31.12.201311 040,00 EUR
01.01.2014−31.12.201411 040,00 EUR
44 160,00 EUR

AKäesoleva uuringu põhihüpotees on, et jääkilbi all kõrge rõhu tingimustes tekkinud sulavesi sisaldab tänaseni märkimisväärses koguses lahustunud gaase ning väärisgaaside (Ne, Ar, Kr, Xe) analüüs on mõjus vahend mandrijää sulavete identifitseerimiseks ja nende tänapäevase leviku kaardistamiseks. Põhiliseks uuringualaks on Eesti ja Põhja-Läti, kuna see piirkond ühendab sobival moel üsna unikaalseid tingimusi: tegemist on Hilisglatsiaali jäätumise maksimumi lõunaserva n.ö. põhjapoolseima alaga, kus kristalliinsel aluskorral lasuvast Kambriumi-Vendi settelisest põhjaveekihist on varasemate uuringute raames (Karro et al., 2004, Vaikmäe et al., 2001) leitud anomaalselt kõrget gaaside sisaldust. Projekti raames on plaanis koguda mitme ida-lääne ning põhja-lõuna suunalise läbilõikena uusi proove väärisgaaside, H, C ja O stabiilsete isotoopide, 14C ja põhjavee põhi- ning mikrokomponentideanalüüsideks ning töödelda uute analüüside andmeid koos varasema andmestikuga. Esmakordselt Eestis kasutadame põhjavee vanuse hindamiseks 4He ja81Kr nalüüse . Põhjavees lahustunud gaaside ja 4He ning 81Kr analüüsid tehakse koostöös Heidelbergi Ülikooli Keskkonnafüüsika Instituudi ja Berni Ülikooli Kliima- ning Keskkonnafüüsika Keskusega. Paleohüdrogeoloogiliseks modelleerimiseks kasutatakse modifitseeritud RIFT2D koodi, mis võimaldab modelleerida liustiku dünaamikat, soojusülekannet (kaasaarvatud keltsaprotsesse ning sellega seotud pinnase veejuhtivuse muutusi) ja mitmekomponendilist ainete transporti (Person et al., 2003, 2007). Modelleerimine seostatakse tihedalt põhjavee gaasilise koostise jt looduslike trasserite interpretatsiooniga .
Our main working hypotheses behind the proposal is that groundwater formed by basal melting of ice sheets at high fluid pressure carries a very distinct signature of dissolved gas concentrations and that noble gas analysis (Ne, Ar, Kr, Xe) provides a powerful tool to fingerprint and map these waters. Estonia and Northern Latvia will be the prime field area for the study because it combines unique conditions of a location far north of the southern limit of the main stationary line of the Scandinavian Ice Sheet at Late Glacial Maximum with the presence of sedimentary aquifer systems on top of the crystalline Baltic Shield (Karro et al., 2004) and because anomalously high gas contents have been encountered here in the Cambrian-Vendian aquifer during our earlier studies (Vaikmäe et al., 2001). New noble gas, stable isotope, 14C and ionic composition data in Cambrian-Vendian aquifer along several east-west and north-south transects will be collected and combined with the data from our earlier research. 4He and 81Kr will be used to provide age constraints for the relatively old Pleistocene groundwater. Excess air and noble gas analyses will be conducted in cooperation with the Institute of Environmental Physics, University of Heidelberg and with the Climate and Environmental Physics Centre, University of Bern . Paleohydrogeological modeling will be conducted using the RIFT2D code which is being modified to allow for coupling to an ice-sheet model, heat transport (including , permafrost conditions and its associated effect on permeability), ice loading effects and allows multi-species transport modelling (Person et al., 2003, 2007). The modeling will be closely interlinked with the interpretation of gas as other tracer data .
Uuringute tulemused kinnitasid, esialgse hüpoteesi paikapidavust, et Skandinaavia liustiku sulavee infiltratsioonil moodustunud Balti arteesiabasseini BAB põhjavees on vees lahustunud gaaside kontsentratsioon säilinud tänaseni. Samuti selgus, et BAB põhjavesi kujutab endast kolme lähtekomponendi segu: tänapäevased sademed, Skandinaavia liustiku sulavesi ja reliktne soolane Na-Ca-Cl tüüpi vesi.Põhjavee formeerumise mehhanismide täpsustamiseks uurisime esmakordselt ka põhjavees sisalduva sulfaadi päritolu. Sulfaadi hapniku isotoopkoostis (delta 18O SO4) Eesti Cm-V põhjaveeladestiku põhjaosas viitab sulfaadi pärinemisele veeladestiku kivimites leiduva sulfiidi mineraalide oksüdeerimisest. Kõige tõenäoliselt toimus see viimasel jääajal, kui atmosfäärse hapnikuga rikastunud liustiku sulaveed infiltreerusid põhjaveeladestiku. Cm-V põhjavees lahustunud sulfaadi väävli isotoopkoostis (delta34SSO4) on rikastunud veeladestikus levivate sulfiid mineraalide väävli isotoopkoostise suhtes. Lisaks, kaasneb sulfaadi ?34S rikastumisega, Cm-V põhjavees, lahustunud karbonaadi süsiniku isotoopne kergenemine, st 13C sisalduse vähenemine. Neid trende võib selgitada sulfaadi redutseerimisega bakterite vahendusel, mille käigus on toimunud sulfaadi isotoopne fraktsioneerumine. Esmakordselt kasutati Balti arteesiabasseini (BAB) põhjavee vanuse määramiseks 81Kr/Kr mõõtmisel kõige kaasaegsemat ATTA (Atom Trap Trace Analysis) meetodit. Mõõtmised toimusid Argonne Rahvuslikus Laboratooriumis(USA) koostöös Berni Füüsika Instituudiga kasutades nende väljatöötatud põhjaveest 81Kr ekstraheerimismetoodikat. Õnnestus näidata, et BAB sügavpuurkaevude vee vanus jääb vahemikku 3x105 kuni 1x106 aastat, mis kinnitab, et viimase miljoni aasta kestel BAB piirkonda korduvalt katnud jääkilbid ei ole mõjutanud põhjavee kujunemist sedavõrd, et oleks asendanud soolased Na-Ca-Cl tüüpi põhjavee mageda liustikuveega kogu BAB ulatuses. Liustikutekkelise paleopõhjavee kui taastumatu maavara olemasolu BAB põhjaosas on oluline arvestada põhjavee säästliku ja jätkusuutliku majandamise planeerimisel.