Joonas Pärna doktoritöö kaitsmine

Kuupäev: 
04.10.2018 11:00

Asukoht: 
TTÜ NRG-226

Origin and Geochemical Evolution of Palaeogroundwater in the Northern Part of the Baltic Artesian Basin. Paleopõhjavete päritolu ja geokeemiline areng Balti arteesiabasseini põhjaosas

Tööga saab tutvuda TTÜ raamatukogu digikogus.

Lühikokkuvõte:

Lühikokkuvõte Paleopõhjavete päritolu ja geokeemiline areng Balti arteesiabasseini põhjaosas Viimastel aastatel läbiviidud 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 uuringu 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 LükatiLontova regionaalsel veepidemel. Töös keskenduti peamiselt Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksi põhjaveele, aga uusi andmeid koguti ka Siluri-Ordoviitsiumi ja AlamKesk-Devoni põhjaveekompleksis esineva paleopõhjavee uurimiseks. Peamisteks töös püstitatud eesmärkideks oli: (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 (δ2 HH2O, δ18OH2O, δ13CDIC, δ34SSO4, δ18OSO4, δ13CCH4, δ13CCH4), põhjavee vanust kirjeldavate radioaktiivsete isotoopide aktiivsust ( 3 H, 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 OrdoviitsiumiKambriumi, Siluri-Ordoviitsiumi, ja Alam-Kesk Devoni põhjaveekomplekside põhjavee uurimisel esmakordselt. Töö tulemused kinnitasid liustikutekkelise paleopõhjavee laialdast levikut KambriumiVendi põhjaveekompleksil lasuvates põhjaveekompleksides. See kajastub eelkõige põhjavee kerges isotoopkoostises. Kõigis kolmes eelpool nimetatud 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 79 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 3 H, 14C ja 4 He meetoditega kinnitas, et tänapäevaste väärtustega võrreldes oluliselt kergema isotoopkoostisega vesi Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis on vähemalt 10000 aastat vana. Põhjavee modelleeritud vanused annavad alust kahtlustada, et vähemasti Ordoviitsiumi-Kambriumi põhjaveekompleksis leidub teatud ulatuses ka HilisWeichseli 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 80 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 põhjaveeressursi 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.