Molekyylisen vedyn alkuperä kallioperässä

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202011204531
Title: Molekyylisen vedyn alkuperä kallioperässä
Author: Silvennoinen, Joel
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202011204531
http://hdl.handle.net/10138/321775
Thesis level: master's thesis
Abstract: Vetyä (H2) on havaittu maailmanlaajuisesti suuria määriä syvällä kallioperän halkeamissa olevissa pohjavesissä. Sen alkuperä ja vuorovaikutusprosessit kallioperässä tunnetaan huonosti, mutta niiden selvittäminen on tärkeää mm. kallioperän hyödyntämiseen tähtääviin projekteihin, kuten ydinjätteen loppusijoitukseen liittyvien riskien tunnistamiseksi. Päämääränä oli tutkia H2 määrän ja fraktioitumiskertoimen α (H2O–H2) mahdollista korrelaatiota ympäröivän kallioperän litologian kanssa. Lisäksi perehdyttiin tieteellisten julkaisujen kautta matalissa lämpötiloissa H2 tuottaviin prosesseihin tarkoituksena selvittää isotooppigeokemiallisin menetelmin, että voiko α (H2O–H2) antaa vihjeitä H2 alkuperästä. Tutkimusaineistoon kuului aiemmin Suomessa kerättyä dataa H2 liittyen Porin, Pyhäsalmen, Juuan ja Outokummun syväkairarei’istä, joiden litologioissa on vaihtelua. Myös kaasujen suhteelliset tilavuudet, veden stabiilit isotoopit, lämpödata, veden pH, kaasujen H2/He -suhde olivat tarkastelussa. Osana tutkimusta kesällä 2019 suoritettiin uusi vesi- ja kaasunäytteenotto Porin Pinomäen kairareiästä letkuprofiilimenetelmällä ja suoritettiin samalla kenttämittauksia. Saadut vesi- ja kaasunäytteet analysointiin ionikromatografisilla ja spektrometrisilla menetelmillä. Tuloksiin sovellettiin mm. isotooppigeogemiallinen analyysi käyttäen H2O–H2 -systeemiä geotermometrinä. Pinomäen kairareiän vesianalyysien tulokset vahvistivat aikaisemmat tutkimukset kahdesta selkeästi erilaisesta vesikerroksesta. H2 pitoisuus (0,4 %) erosi huomattavasti aiemmin mitatusta (28 %). H2 oli isotooppikoostumukseltaan hyvin köyhtynyttä 2H suhteen ja mitatut arvot -816…-848 ‰ VSMOW ovat alimpien maailmalla mitattujen joukossa. Tutkimuksen kairareikien H2 koostumukset osoittivat isotooppianalyysin perusteella tasapainottumista pohjaveden suhteen lähinnä Outokummussa. α (H2O–H2) arvot vastasivat osittain H2 fraktioitumista sitä tuottavissa prosesseissa, mutta selkeää yhteyttä ei löytynyt ja toisaalta monet prosessit saattavat tuottaa samankaltaisia arvoja. H2O–H2 -systeemi tasapainottuu verrattain nopeasti geologisella aikaskaalalla, jolloin mahdollinen informaatio H2 alkuperästä menetetään. Toisaalta koska kairareikien H2 ei ollut tasapainottunut, niin tutkimusaineiston kairareikien kallioperässä voi tulkita olevan mahdollisesti aktiivisia H2 tuottavia prosesseja. Suoraa korrelaatiota ei havaittu myöskään litologian ja H2 määrän tai α (H2O–H2) kanssa, paitsi Juuassa, jossa litologia, α (H2O–H2), veden pH ja H2/He -suhde yhdistettynä korkeaan H2 pitoisuuteen (12,8 %) viittaisi vahvasti serpentinisaatioon H2 lähteenä. Näytteenottoon syvistä ja kapeista kairarei’istä sisältyy haasteita liittyen varsinkin alkuperäisten olosuhteiden säilyttämiseen ja kaasukontaminaation välttämiseen. Jatkotutkimuksia ajatellen voisi olla hyödyllistä lisänäytteenottojen lisäksi tutkia esim. reaktorikokeilla erilaisten H2 tuottavien prosessien vaikutuksia H2 isotooppifraktioitumiseen.High amounts of H2 have been observed worldwide in deep bedrock aquifers. Sources and interaction processes of H2 within bedrock are poorly known so far, but recognizing those are important on order to identify risks related to various deep bedrock utilizing projects, such as repository of the nuclear waste. Aim of this study was to investigate if there is a correlation between H2 or fractionation factor α (H2O–H2) and the lithology of the host rock. In addition, several proposed low temperature H2 producing processes were reviewed via literature in order to investigate if α (H2O–H2) might help to identify the source of H2. In this study, H2 isotope data collected in previous studies in Finland from Pori, Pyhäsalmi, Juuka and Outokumpu deep bore holes representing various lithologies were used. In addition to α (H2O–H2), other parameters such as relative gas volumes, isotopic composition of water, temperature data, water pH, H2/He ratio of gasses were summarized. As part of the study, in the summer of 2019 new sampling was conducted in the Pinomäki borehole, in Pori by using tube sampling method and also field measurements were applied. Samples were later analyzed with ion chromatographic and spectrometric methods. In the results, isotope geochemical analyses were applied by using H2O–H2 system as a geothermometer. Results of the water analysis from Pori borehole were consistent with previous studies thus confirming two distinct water layers. Volume of H2 (0,4 %) differed considerably when compared with the previous study (28 %). Results of the isotopic composition of the hydrogen gas revealed extremely low values from -816 to -848 ‰ relative VSMOW which are among the most depleted δ2H-H2 values ever measured in the world. According to isotope analysis, in most of the boreholes in the study, except Outokumpu, H2 is not in equilibrium with groundwater when compared to in situ temperatures. α (H2O–H2) values were partially in similar range as fractionation related to some specific hydrogen forming processes, but there wasn’t a clear connection and values from different processes were overlapping each other. H2O–H2 system re-equilibrates relatively fast in a geologic timescale, which means that the possible isotopic fingerprint of H2 origin is lost. On the other hand, since H2 was clearly in a disequilibrium state, it might indicate the presence of possible active H2 forming processes. There wasn’t any clear correlation with host rock lithology and H2 concentration nor α (H2O–H2) either, except in Juuka, where lithology, α (H2O–H2), pH, and H2/He ratio summoned with high H2 volume (12,8 %) strongly indicates serpentinization as origin of H2. There are many challenges in the sampling of deep and narrow bore holes, especially related to the intention of preserving original conditions and also preventing gas contamination. In addition to further H2 sampling, recommendations for further studies include studying H2 producing reactors to investigate the effect of different H2 forming process to the isotope fractionation of H2.
Subject: Vety
Geokemia
Syvä kallioperä
kalliopohjavesi
ydinjätteen loppusijoitus
serpentinisaatio
radiolyysi
syvä biosfääri
Discipline: none


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Silvennoinen_Joel_Pro_gradu_2020.pdf 4.538Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record