Chemical and Water-Isotope Composition Unravels the Source and Evolution of the Kittilä Underground Mine Water, Kiistala, Finland - INSU - Institut national des sciences de l'Univers Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Mine Water and the Environment Année : 2023

Chemische und Wasser-Isotopen-Zusammensetzung gibt Aufschluss über Ursprung und Entstehung des Grubenwassers der Kittilä Tiefbaugrube, Kiistala, Finnland

Chemical and Water-Isotope Composition Unravels the Source and Evolution of the Kittilä Underground Mine Water, Kiistala, Finland

La composición química e isotópica del agua desvela el origen y la evolución del agua de la mina subterránea de Kittilä, Kiistala, Finlandia

J. Declercq
  • Fonction : Auteur
W. Harding
  • Fonction : Auteur
T. Jarman
  • Fonction : Auteur
O. Baas
  • Fonction : Auteur
J. Saukkoriipi
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A. van Wageningen
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R. Bowell
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Résumé

Die Bewertung der Umweltauswirkungen von Untertagebergbau erfordert Kenntnisse zum Ursprung des Grubenwassers und zu den geochemischen Prozessen, die dessen chemische Zusammensetzung verändern. Im Untertagebergwerk Kittilä in der Nähe des Dorfs Kiistala in Finnisch-Lappland wurden die chemische und Wasserisotopen-Zusammensetzung herangezogen, um den Beitrag des Oberflächen- und Tiefenwassers zum Bergwerkskomplex und die Quelle des Chloridgehalts im Grubenwasser zu untersuchen. Insgesamt wurden 39 Wasserproben aus Oberflächenanlagen, Flüssen, Grundwasserquellen, Sickerwässern und Bohrlöchern entnommen. Basierend auf der chemischen Zusammensetzung wurden vier Wassertypen identifiziert: (1.) ein Ca-Mg-HCO3-Typ Oberflächenwasser mit niedrigem Gehalt an gelösten Feststoffen (TDS) mit Bezug zu Fluss- und Grundwasser, (2.) ein Ca-SO4-Typ (flaches) Grundwasser mit Bezug zu Sickerwässern, das auch als "Grubenwasser" bezeichnet wird, (3.) ein Na-Cl±SO4-Typ (tiefes) Grundwasser aus Bohrlöchern und (4.) eine chloridreiche (tiefe) Sole mit Anreicherung von Deuterium, ebenfalls aus Bohrlöchern. Wasserproben aus Teichen und untertägigen Pumpstationen zeigen drei verschiedene Vermischungsprozesse zwischen (1) dem Ca-Mg-HCO3-Typ Oberflächenwasser und dem Grubenwasser, (2) dem Grubenwasser und dem (tiefen) Na-Cl±SO4-Typ Grundwasser, und in geringerem Maße (3) Ca-Mg-HCO3-Typ Oberflächenwasser und dem (tiefen) Na-Cl±SO4-Typ Grundwasser. Demgegenüber wurden keine Hinweise auf eine Vermischung mit den tiefen, chloridhaltigen Solen festgestellt, was auf eine Isolierung von den anderen Wassertypen hinweist. Die Wasserstoff- und Sauerstoffisotopenzusammensetzung des Oberflächenwassers und des (tiefen) Na-Cl±SO4-Typ Grundwassers sowie chemische Hinweise legen eine Vermischung der beiden Endglieder nahe. Dies stimmt mit der bekannten Kiistala-Scherzone überein, welche ein Eindringen von Regenwasser in die darunterliegenden Gesteine und die mineralisierte Zone ermöglicht. Der negative Deuteriumüberschuss des Grubenwassers bei gleichzeitiger Sulfatanreicherung deutet darauf hin, dass dieses aus der Vermischung von Oberflächenwasser und (tiefem) Na-Cl±SO4-Typ Grundwasser entsteht, welches wiederum aus der Verdunstung und Sulfidoxidation entsteht. Die Chloridkonzentration des Grubenwassers lässt sich am besten durch ein Mischungsverhältnis von 80% Oberflächenwasser und 20% Tiefengrundwasser erklären. Die lineare Beziehung zwischen den Sulfatgehalten der Grubenwässer und deren isotopische Abweichung von der globalen Meteoric Water Line weist auf eine Korrelation zwischen Verdunstung und Sulfidoxidation in der Kittilä Mine hin, was als neues Instrument zur Bewertung von Wasser-Gesteins-Reaktionen genutzt werden könnte.
Assessing the environmental impacts of underground mines requires that the mine water sources and the geochemical processes that alter their chemical composition be determined. At the Kittilä underground mine, located near the village of Kiistala in Finnish Lapland, we used chemical and water isotope composition to investigate the contribution of surface and deep water to the mine complex and the source of mine water chlorinity. 39 water samples were collected from surface facilities, rivers, groundwater sources, seeps and drill holes. Four types of water were identified based on chemical composition: a surficial Ca–Mg–HCO3-type water with low total dissolved solid (TDS) concentrations represented by river and ground waters; a shallow Ca–SO4-type groundwater represented by seeps, also called ‘mine water’; a deep Na–Cl ± SO4-type groundwater sampled from drill holes; and a deep high-Cl brine with a high deuterium enrichment, also collected from drill holes. Water samples from ponds and underground pumping stations highlight three different mixing processes between the: surficial meteoric low-TDS Ca-Mg-HCO3-type water and the mine water; mine water and the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater and, to a lesser extent; surficial Ca–Mg–HCO3-type water and the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater. In contrast, no evidence of mixing involving the deep high-Cl brines was identified, suggesting that it remains mostly isolated from the other water types. The hydrogen and oxygen isotope composition of the surficial Ca–Mg–HCO3-type water and the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater, together with chemical evidence of mixing, suggests a possible genetic link between the two endmembers. This is consistent with the presence of the Kiistala shear zone facilitating infiltration by shallow meteoric water into the underlying rock mass and mineralized zone. The negative deuterium excess of the mine water concurrent to sulfate enrichment indicates that it forms from the mixing of surficial Ca–Mg–HCO3-type water and deep Na–Cl ± SO4-type groundwater that evolved through evaporation and sulfide oxidation. A mixing ratio of 80% of the surficial Ca–Mg–HCO3-type water and 20% of the deep Na–Cl ± SO4-type groundwater best explains the Cl concentration of the mine water. The linear relationship between the sulfate concentrations of the mine waters and its isotopic deviation from the Global Meteoric Water Line suggests a correlation between evaporation and sulfide oxidation at Kittilä, which could represent a new tool for the assessment of water–rock reactions.
La evaluación del impacto ambiental de las minas subterráneas exige determinar las fuentes de agua de mina y los procesos geoquímicos que alteran su composición química. En la mina subterránea de Kittilä, situada cerca del pueblo de Kiistala, en la Laponia finlandesa, utilizamos la composición química e isotópica del agua para investigar la contribución del agua superficial y profunda al complejo minero y el origen de la clorinidad del agua de mina. Se recogieron 39 muestras de agua de instalaciones de superficie, ríos, fuentes de aguas subterráneas, filtraciones y perforaciones. Se identificaron cuatro tipos de agua en función de su composición química: (1) un agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 con bajas concentraciones totales de sólidos disueltos (TDS) representada por aguas fluviales y subterráneas, (2) un agua subterránea poco profunda de tipo Ca-SO4 representada por rezumaderos, también denominada "agua de mina", (3) un agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 muestreada en barrenos y (4) una salmuera profunda de alto contenido en Cl con un elevado enriquecimiento en deuterio, también recogida en barrenos. Las muestras de agua procedentes de balsas y estaciones de bombeo subterráneas ponen de manifiesto tres procesos de mezcla diferentes entre (1) el agua superficial meteórica de tipo Ca-Mg-HCO3 con bajo contenido en SDT y el agua de mina, (2) el agua de mina y el agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 y, en menor medida, (3) el agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y el agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4. Por el contrario, no se identificaron indicios de mezcla en las salmueras profundas con alto contenido en Cl, lo que sugiere que permanecen en su mayor parte aisladas de los otros tipos de agua. La composición isotópica de hidrógeno y oxígeno del agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y del agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4, junto con la evidencia química de mezcla, sugiere un posible vínculo genético entre los dos miembros finales. Esto es coherente con la presencia de la zona de cizalla de Kiistala que facilita la infiltración de agua meteórica somera en la masa rocosa subyacente y la zona mineralizada. El exceso negativo de deuterio del agua de mina concurrente con el enriquecimiento en sulfatos indica que se forma a partir de la mezcla de agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 que evolucionó por evaporación y oxidación de sulfuros. Una proporción de mezcla del 80% de agua superficial de tipo Ca-Mg-HCO3 y del 20% de agua subterránea profunda de tipo Na-Cl±SO4 explica mejor la concentración de Cl del agua de la mina. La relación lineal entre las concentraciones de sulfato de las aguas de mina y su desviación isotópica de la Línea Global de Agua Meteórica sugiere una correlación entre la evaporación y la oxidación de sulfuros en Kittilä, lo que podría representar una nueva herramienta para la evaluación de las reacciones agua-roca.
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insu-04627979 , version 1 (28-06-2024)

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Citer

V. Milesi, J. Declercq, W. Harding, T. Jarman, O. Baas, et al.. Chemical and Water-Isotope Composition Unravels the Source and Evolution of the Kittilä Underground Mine Water, Kiistala, Finland. Mine Water and the Environment, 2023, 42 (2), pp.330-339. ⟨10.1007/s10230-023-00935-5⟩. ⟨insu-04627979⟩
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