Isotopic fingerprints in surficial waters : Stable isotope methods applied in hydrogeological studies

The driving force behind this study has been the need to develop and apply methods for investigating the hydrogeochemical processes of significance to water management and artificial groundwater recharge. Isotope partitioning of elements in the course of physicochemical processes produces isotopic variations to their natural reservoirs. Tracer property of the stable isotope abundances of oxygen, hydrogen and carbon has been applied to investigate hydrogeological processes in Finland. The work described here has initiated the use of stable isotope methods to achieve a better understanding of these processes in the shallow glacigenic formations of Finland. In addition, the regional precipitation and groundwater records will supplement the data of global precipitation, but as importantly, provide primary background data for hydrological studies. The isotopic composition of oxygen and hydrogen in Finnish groundwaters and atmospheric precipitation was determined in water samples collected during 1995 2005. Prior to this study, no detailed records existed on the spatial or annual variability of the isotopic composition of precipitation or groundwaters in Finland. Groundwaters and precipitation in Finland display a distinct spatial distribution of the isotopic ratios of oxygen and hydrogen. The depletion of the heavier isotopes as a function of increasing latitude is closely related to the local mean surface temperature. No significant differences were observed between the mean annual isotope ratios of oxygen and hydrogen in precipitation and those in local groundwaters. These results suggest that the link between the spatial variability in the isotopic composition of precipitation and local temperature is preserved in groundwaters. Artificial groundwater recharge to glaciogenic sedimentary formations offers many possibilities to apply the isotopic ratios of oxygen, hydrogen and carbon as natural isotopic tracers. In this study the systematics of dissolved carbon have been investigated in two geochemically different glacigenic groundwater formations: a typical esker aquifer at Tuusula, in southern Finland and a carbonate-bearing aquifer with a complex internal structure at Virttaankangas, in southwest Finland. Reducing the concentration of dissolved organic carbon (DOC) in water is a primary challenge in the process of artificial groundwater recharge. The carbon isotope method was used to as a tool to trace the role of redox processes in the decomposition of DOC. At the Tuusula site, artificial recharge leads to a significant decrease in the organic matter content of the infiltrated water. In total, 81% of the initial DOC present in the infiltrated water was removed in three successive stages of subsurface processes. Three distinct processes in the reduction of the DOC content were traced: The decomposition of dissolved organic carbon in the first stage of subsurface flow appeared to be the most significant part in DOC removal, whereas further decrease in DOC has been attributed to adsorption and finally to dilution with local groundwater. Here, isotope methods were used for the first time to quantify the processes of DOC removal in an artificial groundwater recharge. Groundwaters in the Virttaankangas aquifer are characterized by high pH values exceeding 9, which are exceptional for shallow aquifers on glaciated crystalline bedrock. The Virttaankangas sediments were discovered to contain trace amounts of fine grained, dispersed calcite, which has a high tendency to increase the pH of local groundwaters. Understanding the origin of the unusual geochemistry of the Virttaankangas groundwaters is an important issue for constraining the operation of the future artificial groundwater plant. The isotope ratios of oxygen and carbon in sedimentary carbonate minerals have been successfully applied to constrain the origin of the dispersed calcite in the Virttaankangas sediments. The isotopic and chemical characteristics of the groundwater in the distinct units of aquifer were observed to vary depending on the aquifer mineralogy, groundwater residence time and the openness of the system to soil CO2. The high pH values of > 9 have been related to dissolution of calcite into groundwater under closed or nearly closed system conditions relative to soil CO2, at a low partial pressure of CO2.

Tämän tutkimuksen liikkeelle panevana voimana on ollut tarve soveltaa ja kehittää hydrogeologisia tutkimusmetodeja erityisesti vesihuollon ja tekopohjaveden muodostamisen tarpeisiin. Alkuaineiden isotooppien jakautuminen luonnon fysikaalisissa ja/tai kemiallisissa prosesseissa tuottaa isotooppikoostumusvaihteluita ko. alkuaineiden luonnollisiin reserveihin. Tässä työssä hapen, vedyn ja hiilen luonnollista isotooppimerkkiaineominaisuutta käytettiin selittämään matalien maaperän pohjavesimuodostumien hydrogeologisia prosesseja, mihin isotooppimenetelmiä ei ole aiemmin hyödynnetty Suomessa. Tutkimuksessa tuotettu maatieteellisesti ja ajallisesti kattava aineisto pohjaveden ja sadannan hapen ja vedyn isotooppikoostumuksista täydentää käsitystä sadannan isotooppikoostumuksen globaalista jakautumisesta, mutta ennen kaikkea, tarjoaa perustavaa laatua olevan lähtöaineiston kaikkeen veden kiertoa ja vesireservejä käsittelevään tutkimukseen Suomessa. Pohjavesien ja sadannan hapen ja vedyn isotooppikoostumus määritettiin vuosien 1995-2005 aikana kerätyissä näyteaineistoissa. Sadannan ja pohjavesien alueellisista tai vuosittaisista isotooppikoostumusvaihteluista ei Suomen osalta ole tätä ennen ollut saatavilla dokumentoitua tietoa. Pohjavesien ja sadannan hapen ja vedyn isotooppisuhteissa havaitaan selkeä alueellinen jakauma, mikä nähdään raskaampien isotooppien systemaattisena köyhtymisenä kohti pohjoista. Alueellinen isotooppikoostumusvaihtelu on lähes yhdensuuntainen vuoden keskilämpötilamuutokseen kanssa. Pohjaveden ja sadannan vuotuisissa keskimääräisissä isotooppikoostumuksissa ei havaita merkittäviä eroja. Tämä osoittaa, että sadannan isotooppikoostumuksen ja alueellisen lämpötilan välinen yhteys tallentuu myös paikallisiin pohjavesiin. Hapen, vedyn ja hiilen luonnollista merkkiaineominaisuutta voidaan hyödyntää monin tavoin tutkittaessa tekopohjaveden muodostamista, missä pintavettä imeytetään soveltuviin maaperämuodostumiin. Tässä työssä tutkittiin veteen liuenneen hiilen ja sen isotooppien käyttäytymistä kahdessa pohjavesimuodostumassa, joista ensimmäinen sijaitsee Tuusulassa, Keski-Uudellamaalla ja toinen Virttaakankaalla, Lounais-Suomessa. Tekopohjaveden muodostamisen tärkein tavoite on alentaa imeytettävässä pintavedessä olevan orgaanisen aineksen määrää, mikä esiintyy valtaosin veteen liunneena orgaanisena hiilenä (DOC). Hiili-isotooppimetodia hyödynnettiin tarkasteltaessa hapetus-pelkistysprosessien merkitystä DOC:n hajoamiseen imeytymisprosessissa. Tuusulassa maaperään imeytetyn pintaveden alkuperäisestä DOC:sta poistuu kaiken kaikkiaan 81%. Hiilen poistuminen tapahtui kolmessa perättäisessä vaiheessa, joissa tietyt geokemialliset prosessit voitiin jäljittää: Merkittävin osa, 44%, DOC:sta hajosi hapettumalla imeytymisen ja pohjavesivirtauksen alkuvaiheessa. Myöhemmin DOC:n poistumista kontrolloivat mahdollinen pidättyminen mineraalien pinnoille sekä laimeneminen, kun luonnollista pohjavettä sekoittui tekopohjaveteen. Tämä on ensimmäinen kerta, kun isotooppimenetelmiä käytetään DOC:n poistumisprosessien kvantifiointiin tekopohjavesitutkimuksissa. Virttaankankaan maaperämuodostuman pohjavesille ovat tyypillistä korkeat, > 9, pH-arvot, mitä ei ole ennen tavattu vastaavissa matalissa pohjavesissä Suomessa tai maailmalla. Virttaankankaan pohjaveden poikkeuksellisen kemiallisen koostumuksen ymmärtäminen on keskeistä, kun suunnitellaan alueelle tulevaisuudessa rakennettavaa tekopohjavesilaitosta. Isotooppitutkimukset tuottivat suunnittelun tueksi uutta tietoa pohjaveden geokemiallisesta evoluutiosta, pohjavesimuodostuman rakenteesta, maaperän mineralogisesta koostumuksesta sekä mineraaliaineksen alkuperästä. Maaperän kerrostumien havaittiin sisältävän hyvin pieniä määriä Satakunnan hiekkakivimuodostumasta peräisin olevaa kalsiittia. Pohjaveden isotooppikoostumuksissa ja kemiassa havaittiin huomattavia vaihteluja muodostuman eri osissa, mihin vaikuttivat mm. kalsiitin esiintyminen/puuttuminen ja pohjaveden viipymäaika. Virttaankankaan pohjaveden korkeat pH-arvot ovat seurausta kalsiitin liukenemisesta pohjaveteen olosuhteissa, missä maaperän hiilidioksidipitoisuus on hyvin alhainen eli lähellä ilmakehän vastaavaa.