Evaluation of Pleistocene groundwater flow through ...

2 downloads 0 Views 925KB Size Report
Aug 17, 2013 - S. Geological Survey, Geology and Environmental Change Science Center, Denver Federal Center,. Denver CO 80225, [email protected].
Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Online Supplement to Chemical Geology Manuscript 

Evaluation of Pleistocene groundwater flow through fractured tuffs  using a U‐series disequilibrium approach, Pahute Mesa, Nevada, USA      1*

2

James B. Paces , Paul J. Nichols , Leonid A Neymark3, Harihar Rajaram4      1

U.S. Geological Survey, Geology and Environmental Change Science Center, Denver Federal Center,  Denver CO 80225, [email protected]  2

Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Colorado, Boulder,  Colorado, [email protected]  3

U.S. Geological Survey, Mineral and Environmental Resources Science Center, Denver Federal Center,  Denver CO 80225, [email protected]  4

Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Colorado, Boulder,  Colorado, [email protected]                  *To whom inquiries should be addressed:              This supplement contains a number of figures and tables referenced in the published paper.  They  provide additional information supporting the discussion and conclusions described in the main text. 

Page 1 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Sample Descriptions  Table S1. Descriptions of sampled core intervals.  Description 

Borehole 

Interval 

PM‐1 

1990 – 1990.3 

PM‐1 

2366.4 – 2366.6 

PM‐1 

2820.5 – 2820.6 

PM‐1 

3140.5 – 3140.7 

Fine‐grained, yellow/green/cream‐colored, altered tuff. Hard, coarse  breccia fragments from broken zone. Minor secondary minerals on  surfaces  Creamy/pink‐colored, partially‐welded lithic tuff. Reasonable unfractured  with low porosity  White, partially‐welded tuff with coarse pumpice fragments. Unfractured  with low porosity  Light‐cream‐colored bedded tuff.  Unfractured with low porosity 

PM‐1 

3456.4 – 3456.6 

Light‐pink lithic tuff. Unfractured with low porosity 

PM‐1 

5597.5 – 5597.7 

PM‐1 

5779.6 – 5779.9 

PM‐1 

5996.5 – 5996.8 

PM‐1 

6079 – 6079.2 

PM‐1 

6084 – 6084.3 

PM‐1 

6614 – 6614.2 

UE‐19fS 

2553.9 – 2554.2 

UE‐19fS 

3375 – 3375.3 

UE‐19fS 

3552.1 – 3552.5 

UE‐19fS 

4303.1 – 4303.5 

UE‐19fS 

4913.3 – 4913.7 

UE‐19fS 

5211.4 – 5212 

UE‐19fS 

5214.5 – 5214.7 

UE‐19fS 

5516.6 – 5516.8 

UE‐19fS 

5815.6 – 5815.9 

UE‐19gS 

2136 – 2136.6 

UE‐19gS 

4054 – 4057 

UE‐19gS 

4657.5 – 4657.9 

Dark‐pink welded tuff. Large core fragment is bounded by intersecting  fractures with thin secondary clay and Mn‐oxide mineral coatings present  on surfaces  Maroon welded tuff. Large core fragment has sub‐vertical fracture with  red clay coating  Maroon welded tuff. 2‐cm‐thick sliver of core is bounded by high angle  fractures.  Surfaces have a thin coating of dark reddish minerals (possibly  clay?)  Maroon welded tuff with abundant fractures. Sample consists of coarse  breccia fragments. Minor secondary minerals present on fracture surfaces  Dark maroon welded tuff with abundant fractures. Sample consists of  coarse breccia fragments with thin secondary mineral coatings (Mn‐oxides  and reddish clay?)  Brick‐red, densely welded tuff. Largely intact sample with little to no  fractures  Creamy‐red lithic tuff. Longitudinal fractures with Mn Ox mineralization  Purple/red welded tuff. Large fragment bounded by horizontal and  vertical fractures with minor secondary minerals  Purple/red welded tuff with high angle fractures. 2.5‐cm‐thick sliver  bounded by fractures with no secondary mineralization  Purple welded tuff. Vertical fractures lined with Mn Ox  Grey welded tuff with small pumpice fragments. Sliver bounded by high  angle fractures with minor clay minerals  Purple/red welded tuff. 2‐cm‐thick sliver bounded by verticle fractures  coated with secondary mineralization  Purple/red welded tuff. 2.5‐cm‐thick sliver bounded by high angle  fractures with abundant MnOx and white clays  Welded lithic tuff, highly altered to bright green chlorite(?). Small breccia  fragments  Highly altered sperulitic tuff or volcanic breccia with red and green  mottled appearance. Breccia fragments include surfaces with thin  secondary mineral coatings  Dark colored welded tuff with abundant 1‐ to 5‐mm pores. Highly altered  tabular breccia fragments typically 0.5‐cm thick  Green/tan altered highly brecciated tuff. Interval has very low recovery.  Clay minerals present on fracture surfaces  Dark altered tuff. Large fragments from broken zone. Fracture surfaces 

Page 2 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

have secondary clay minerals present.  Bright‐green welded tuff with abundant Fe‐Mn oxides.  Physically intact  with very low permeability.  Grey welded tuff with small white pumpice. Sample consists of thumb‐ sized breccia fragments from a broken zone within an otherwise intact  interval  Zeolitized lithic tuff. Fist‐sized core with vertical longitudinal fracture.  Little to no minerals on fracture surfaces  Green/brown, hard (welded/altered?) tuff. 5‐cm‐thick fragment contains  vertical fractures with minor secondary minerals 

UE‐19gS 

4814.3 – 4814.5 

UE‐19gS 

4907.8 – 4908 

UE‐19gS 

5302.5 – 5302.8 

UE‐19gS 

5641 – 5641.4 

UE‐19gS 

6279 – 6279.3 

UE‐19i 

2419 – 2419.2 

UE‐19i 

2890.5 – 2809.6 

UE‐19i 

3407 – 3407.2 

UE‐19i 

3533 – 3533.3 

UE‐20f 

2626.15 – 2626.4 

UE‐20f 

2845.4 – 2845.6 

UE‐20f 

2848.7 – 2849 

UE‐20f 

3030.4 – 3030.6 

UE‐20f 

3607.3 – 3607.4 

Maroon highly altered tuff. Mn Ox and clay/zeolites present throughout  sample  Welded tuff with multiple fractures containing thin coatings of secondary  minerals  Tan‐colored welded tuff. Longitudinal fracture contains thin surface  coating of secondary minerals and a thin bleached zone  2.5‐cm‐thick slab of light‐greenish tan‐colored partially welded tuff.  Strongly zeolitized.  Secondary minerals are present on both fracture  surfaces along with thin bleached zones  Welded tuff. Sample consists of breccia fragements with variable amounts  of secondary minerals on fracture surfaces  Black vitrophyre with sub‐horizontal partings. Core is cut by longitudinal  fracture with minor secondary mineral coating 

UE‐20f 

3704.4 – 3704.7 

1.3‐cm‐thick slab of pink/tan‐colored welded tuff bounded by fractures  with white, clay‐like mineralization on surfaces 

UE‐20f 

3904.2 – 3904.3 

UE‐20f 

4159.8 – 4160 

Partially‐welded lithic tuff with light to moderate zeolitization.  Relatively  unfractured  White, bedded tuff with little or no fractures 

UE‐20f 

4740.7 – 4741 

Pink, welded tuff. Sample consists of coarse breccia fracgments. One  fracture surface has noteable coating of white clay‐like minerals 

UE‐20f 

5290.7 – 5291 

Densely welded tuff containing a longitudinal fracture but no obvious  secondary mineralization 

Purple welded tuff. Large breccia fragments from broken zone. Minor  secondary minals on fracture surfaces  White bedded tuff with low permeability  Cream/white, very fine‐grained welded Tuff. Core fragment bounded by  verticle and horizontal fractures with Mn oxides on fracture surfaces  Maroon brecciated tuff. Large, breccia fragments from broken zone.  Minor Mn oxides and clay present on fracture surfaces 

   

Examples of Pahute Mesa core classified by sample type  Figure S1 shows photographs of core which were sampled to represent three different types of  material including intact core interiors (a, b, and c), brecciated core that was broken by natural rather  than drilling processes as evidenced by altered and thinly coated outer surfaces of breccia fragments (d,  e, and f), and discrete fracture surfaces (g, h, and i).  Each core box is approximately 0.8 m in length.   Arrows point to where samples were taken.   

Page 3 of 16 

Paces_ChemGeol_Sup ppl.docx 

Online Supplement

08/177/2013 

Figure S1 1:  Photograp phs of core  classified d by sample tyype.        Intact core interiors  a)  PM‐‐1:  6614.0–66 614.2’  19gS:  4814.3––4814.5’  b) UE‐1 c) UE‐2 20f:  4159.8–4 4160.0’ 

Brecciateed core  d)  PM‐‐1:  6079.0–60 079.2’      6084.0–6084.3’  e) UE‐1 19gS:  6279.0––6279.3’  f) UE‐2 20f:  3030.4–3 3030.6’ 

Discrete fractures  g)  UE19fS:  3552.1––3552.5’  h) UE‐1 19fS:  4303.1––4303.5’  i) UE‐1 19fS:  4913.3––4913.7’      5211.4––5212.0’      Page 4 of 16

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Examples of Discrete Fracture Surface Minerals  Figure S2 shows scanning electron microscope images of a selected number of discrete fracture  surfaces from Pahute Mesa core.  (a) Secondary electron image of core PM‐1, 5597.5‐5597.7’ fracture  surface dominated by illite and smectite; (b) Secondary electron image of core PM‐1, 5996.5‐5996.8’  fracture surface dominated by botryoidal silica (opal/quartz/cristobalite), and small platelets of  kaolinite, illite, and Mn‐smectite; (c) Secondary electron image of core PM‐1, 6084.0‐6084.3’ fracture  surface dominated by feathery smectite on left side of image, and bumpy chlorite + silica on right side of  image; (d) Secondary electron image of core UE‐19fS, 4913.3‐4913.7’ fracture surface dominated by  tabular books of kaolinite; (e) Secondary electron image of core UE‐fS, 5211.4‐5212.0’ consisting entirely  of kaolinite; (f) Backscatter electron image of core UE‐19gS, 4657.5‐4657.9’ showing relatively  unmineralized surface with irregular tablets of quartz and feldspar with a fibrous clusters of secondary  chlorite (light‐colored phase) and clusters of granular illite between grains constituting substrate, (g)  Secondary electron image of core UE‐20f, 2848.7‐2849.0’ fracture surface dominated by fibrous  mordenite with flecks of equigranular ilite/smectite.                                        Figure S2 (following page):  Scanning electron microscope images of discrete fracture surfaces from  Pahute Mesa core 

Page 5 of 16 

Paces_ChemGeol_Sup ppl.docx 

Online Supplement

08/177/2013 

  Page 6 of 16

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Analytical Methods  Porosity:  Porosity measurements were made by standard point counting methods using polished  petrographic thin sections (30 µm thick) that were vacuum‐impregnated with blue‐stained epoxy prior  to mounting.  Measurements were made by visual inspection under a petrographic microscope using a  magnification of 200x.  A mechanical stage was used to provide a rectilinear grid with 1 mm x 1 mm  point spacing.  A total of 1,000 counts were made for each thin section sample.  Each point was  classified either as “void”, corresponding to pore space if the distinctive blue coloration was observed,  or “solid”, corresponding to crystalline matrix if no blue coloration was present. Uncertainties for  porosity measurements are estimated at 20% of the value reported.  Rock digestion:  Approximately 80 to 140 mg of powdered material were digested for chemical and  U‐series isotope analyses.  Digestion methods followed those given by Weis et al. (2006).  Aliquots were  weighed in PFA Teflon™ beakers and combined with approximately 0.5 ml of 15 N HNO3 and 3.0 ml of  concentrated HF, capped tightly, cooked overnight on a 135°C hotplate.  After drying, salts were treated  with 0.5 ml 15 N HNO3 plus 0.5 ml 9 N HCl, capped, and heated at 135°C for several hours prior to drying  a second time. Remaining salts were dissolved in 5 ml of 6 N HCl and allowed to equilibrate on a 130°C  hotplate overnight.  Solutions were transferred into 15 ml tubes and centrifuged at 10,000 rpm.  Any  residual gel was further digested with 9 N HCl and 15 N HNO3 , redissolved in 6N HCl, and added to the  initial solution.  After complete digestion, gravimetric solutions of 6 N HCl were split into two separate  aliquots for chemical analyses by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS) and isotope  analysis by thermal‐ionization mass spectrometry (TIMS).  The aliquot for TIMS was weighed and spiked  with approximately 0.04 grams of a mixed 236U/229Th tracer solution and allowed to equilibrate overnight  on a hot plate.  After the HCl was evaporated, the sample was redissolved in 1 ml of 7 N HNO3.   Rare Earth Element analysis:  Concentrations of rare earth elements (REE) were determined on  splits of the digested rock powders described in the preceding paragraph using a PlasmaQuad‐III  inductively coupled plasma mass spectrometer (ICPMS) at U.S. Geological Laboratories in Denver,  Colorado, USA.  The external precision and accuracy of the REE concentrations are routinely evaluated  by analyzing the USGS rock standards BCR‐1 and G‐2.  Resulting concentration for rock standards  typically were within 10% of the accepted values.  Analyses of unknown samples yield smooth,  chondrite‐normalized REE patterns that are similar to previously published data from the same units  (Broxton et al., 1989).  Chemical separation and purification:  U and Th were separated and purified using standard ion  chromatography methods and AG 1‐×8 (200‐400 mesh) resin.  Digested samples were loaded onto 7 N‐ HNO3‐equilibrated columns and washed with 3 column volumes of acid to remove most of the matrix.   Th was then captured and U cleaned by switching to 6 N HCl.  Purified U was then eluted using 0.05 N  HNO3.  Typically, Th would require a second round using smaller amounts of resin to obtain an  adequately purified product.  Total‐chemistry process blanks for this digestion and purification  procedure are approximately 50 pg of U and 100 pg of Th, which typically constitute less than 0.05% of  the U and Th present in the sample.  Mass spectrometry:  Purified U salts were loaded onto rhenium ribbons making up the evaporation  side of double filament assemblies.  Ratios of 234U/235U, 236U/235U, 230Th/229Th, and 232Th/229Th were  measured using a single electron multiplier operating in a peak jumping mode on a Thermo Finnigan  Triton™ mass spectrometer equipped with a retarding potential quadrupole (RPQ) filter that increases  abundance sensitivity to ~20 ppb at mass 237.  Ratios were corrected for spike addition as well as mass  fractionation, and blank subtraction.  A NIST U standard (SRM 4321B) was used to correct for instrument  drift by normalizing values measured for unknowns by the same factor derived from analyses of SRM 

Page 7 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

4231B run in the same magazine (typically within analytical uncertainty of the certified value).   Measured 234U/235U and 230Th/229Th atomic ratios were converted to 234U/238U AR and 230Th/238U AR using  decay constants published by Cheng et al. (2000; 234=2.8262×10‐6 yr‐1; 230=9.158×10‐6 yr‐1) and Jaffey et  al. (1971; 238=1.55125×10‐10 yr‐1), assuming that U has a 238U/235U composition of 137.88 (Steiger and  Jäger, 1977).  Analytical errors given for measured 234U/238U AR values are reported at the 95%  confidence level and include within‐run uncertainties (counting statistics) plus uncertainties propagated  from blank, spike, and mass fractionation corrections, as well as external error derived from multiple  analyses of a U isotope standard (SRM 4321B).  Replicate analyses of the NIST SRM 4321B U isotope standard (certified value of 234U/235U =  0.007294 ±0.000028) yielded a long‐term average value of 0.0072932 ±0.0000136 (2×standard  deviation, or 2SD; N=136).  Replicate analyses of a solution of 69‐million‐year U ore from the  Schwartzwalder mine (Ludwig et al., 1985) that is assumed to be in radioactive secular equilibrium  yielded a long‐term 234U/238U AR = 0.9982 ±0.0025 (±2×standard deviation, or 2SD; N=103) and  230 Th/238U AR = 0.9940 ±0.0094 (±2SD; N=83).  Replicate analyses of IRMM‐036 Th isotope standard  (certified 232Th/230Th atomic ratio = 321,230 ±8,050) yielded a long‐term average value of 322,080  ±3,020 (±2SD; N=35).  Replicate analyses of USGS rock standard BCR‐1 processed using the same  methods yielded long‐term concentrations values of 1.69 ±12 (2SD; N=6) for U and 5.77 ±0.44 (±2SD;  N=6).  Although these values are systematically lower than accepted values by approximately 3.5%  (1.75±0.12 µg/g U and 5.98 ±0.06 µg/g Th; Gladney et al., 1990), Th/U concentration ratios are identical  (3.417 for accepted values, 3.415 for mean measured values).  Isotope ratios measured for the same  BCR‐1 analyses yield mean values of 1.003±0.002 (±2SD) for 234U/238U AR and 1.010±0.009 (±2SD) for  230 Th/238U AR.  An additional factor of 0.9% was added in quadrature to the overall uncertainty estimate  for 230Th/238U AR to account for this external error.  This increased the overall uncertainties from original  estimates of approximately 0.6 to 1% for most determinations to values between 1 and 1.4%. 

Page 8 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Uranium characteristics of groundwater from Pahute Mesa and adjacent areas  Uranium concentrations and isotopic compositions for groundwater samples from the Nevada  National Security Site were determined at the USGS Denver Radiogenic Isotope Laboratory using the  same methods described in the main text.  Results from sites within the Pahute Mesa tributary flow  system (Figure 7 of Fenelon et al., 2010) and closest to cored boreholes sampled in this study were used  to derive the median 234U/238U AR value assigned as the composition of the input source in open‐system  isotope‐evolution simulations (Table S2a).  Samples from farther downgradient, or from other regional  groundwater flow systems are included for comparison (Table 2b).    Table S2a. U concentrations and 234U/238U activity ratios for groundwater samples from boreholes in close proximity to cored boreholes sampled for fracture/matrix studies (red symbols on Figure 1). Borehole ID

Latitude (° N), NAD83

UE-19h ER-20-6#1

Mean values U 234U/238U conc., AR µg/L

Longitude (°), NAD83

Date collected

37.342751

-116.374447

12/12/1999

21.0

0.08

6.718

0.022

37.260151

-116.421661

12/17/1996

3.09

0.02

4.221

0.010

ER-20-6#1

37.260151

-116.421661

8/27/1997

3.04

0.02

4.431

0.019

ER-20-6#1

37.260151

-116.421661

5/14/1998

3.09

0.02

4.395

0.012

ER-20-6#2

37.259881

-116.422055

11/27/1996

3.11

0.02

4.542

0.013

ER-20-6#3

37.259137

-116.422425

12/16/1996

2.45

0.02

4.647

0.012

ER-20-6#3

37.259137

-116.422425

5/13/1998

2.57

0.03

4.867

0.060

U-20 WW

37.251357

-116.430171

11/5/1997

2.31

0.02

4.773

UE-20bh 1

37.244910

-116.410058

12/8/1999

0.896

0.004

U-20n, upper zone

37.242582

-116.421101

7/27/1998

2.65

0.02

U-20n, lower zone

37.242582

-116.421101

9/21/1998

2.40

0.02

ER-20-7

37.212988

-116.479999

9/24/2010

8.14

0.04

3.046

0.004

ER-EC-1

37.206256

-116.530633

2/1/2000

9.22

0.03

3.487

0.010

ER-EC-1

37.206256

-116.530633

6/3/2003

9.26

0.02

3.503

0.006

ER-EC-1

37.206256

-116.530633

4/2/2009

9.21

0.10

3.498

0.005

ER-EC-11

37.197491

-116.495651

5/18/2010

1.76

0.12

4.041

0.007

ER-20-4

37.195349

-116.441162

9/20/2011

1.72

0.02

5.355

0.009

1.72

5.355

ER-20-8-2

37.192969

-116.475021

12/17/2009

2.52

0.02

3.875

0.006

2.52

3.875

ER-20-8

37.193032

-116.474867

6/27/2011

2.71

0.02

3.669

0.004

2.73

3.85

ER-20-8

37.193032

-116.474867

8/8/2011

2.76

0.02

4.039

0.006

ER-EC-6

37.188716

-116.497574

2/10/2000

5.58

0.02

3.698

0.009

ER-EC-6

37.188716

-116.497574

6/10/2003

5.30

0.02

3.676

0.007

5.41

3.68

ER-EC-6

37.188716

-116.497574

4/9/2009

5.34

0.06

3.667

0.080

ER-EC-12, upper zone

37.173236

-116.492882

11/27/2011

2.40

0.02

6.392

0.010

2.40

6.392

0.0012

3.951

0.010

0.01

3.951

0.10

4.060

0.006

6.86

4.060

2.52

4.04

U conc. ( µg/L), ±2σ

ER-EC-12, lower zone

37.173236

-116.492882

3/26/2012

0.0104

ER-EC-13, upper zone

37.169313

-116.549195

7/12/2012

6.86

Median

Page 9 of 16 

234

U/238U AR, ±2σ

20.97

6.718

3.07

4.35

3.11

4.542

2.51

4.76

0.012

2.31

4.773

3.682

0.027

0.90

3.682

4.036

0.013

2.52

3.52

3.009

0.008 8.14

3.046

9.23

3.50

1.76

4.041

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Table S2b. U concentrations and 234U/238U activity ratios for groundwater samples from boreholes not in close proximity to those sampled for fracture/matrix studies (green symbols on Figure 1). Location/Borehole

Latitude (° N), NAD83

Tolicha Peak Well, USAF

Longitude (°), NAD83

Date collected

37.308353

-116.782067

11/12/1997

U-12s

37.228287

-116.216690

8/22/2006

0.986

0.053

ER-12-4

37.219578

-116.184023

8/15/2005

0.0977

0.0004

ER-12-4

37.219578

-116.184023

4/25/2006

0.383

0.016

2.093

0.006

ER-12-4

37.219578

-116.184023

9/25/2008

0.343

0.002

2.039

0.004

ER-12-3

37.194968

-116.214996

7/6/2005

1.90

0.02

2.206

0.005

ER-12-3

37.194968

-116.214996

9/17/2008

1.92

0.03

2.152

0.003

ER-12-1

37.184856

-116.185093

12/8/2004

1.61

ER-12-2

37.171475

-116.123383

4/1/2003

0.0166

U conc. ( µg/L), ±2σ 2.53

0.01

234

U/238U AR, ±2σ

4.039

Mean values U 234U/238U conc., AR µg/L

0.016

2.53

4.039

2.204

0.006

0.99

2.204

2.125

0.011 0.2745

2.0859

1.91

2.18

0.02

7.054

0.024

1.61

7.054

0.0002

6.280

0.560

0.02

6.280

0.61

2.894

4.04

2.86

8.04

4.51

5.95

6.067

8.40

12.64

4.80

5.04

3.28

6.41

WW 8 (USGS HTH-8)

37.165536

-116.290033

11/4/1997

0.609

0.010

2.89

0.15

ER-EC-4

37.158805

-116.631953

8/17/2000

4.07

0.02

2.835

0.009

ER-EC-4

37.158805

-116.631953

6/24/2003

4.01

0.02

2.880

0.006

ER-EC-2A

37.144937

-116.568272

7/27/2000

9.16

0.04

4.034

0.021

ER-EC-2A

37.144937

-116.568272

7/8/2003

6.92

0.02

4.994

0.010

UE-18r

37.134701

-116.445596

12/9/1999

5.95

0.02

6.067

0.016

ER-18-2

37.103935

-116.373762

3/21/2000

8.35

0.03

12.655

0.036

ER-18-2

37.103935

-116.373762

6/17/2003

8.45

0.27

12.631

0.022

ER-EC-8

37.102789

-116.632176

7/12/2000

4.88

0.02

5.051

0.014

ER-EC-8

37.102789

-116.632176

7/1/2003

4.72

0.02

5.038

0.010

ER-EC-5

37.084493

-116.565453

5/25/2000

3.27

0.02

6.404

0.017

ER-EC-5

37.084493

-116.565453

7/15/2003

3.29

0.02

6.41

0.17

ER-OV-01

37.084383

-116.681175

11/8/1997

9.43

0.03

3.704

0.010

9.43

3.704

ER-OV-06A

37.084383

-116.681175

11/8/1997

5.24

0.02

3.254

0.009

5.24

3.254

3.28

4.04

Median

 

Page 10 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Rare Earth Concentration Data  Rare‐earth element concentrations were determined at U.S. Geological Survey Radiogenic Isotope Laboratory for several samples of intact‐ interior and brecciated core, as well as samples from three wafer profiles that include scraped fracture surfaces as well as subjacent matrix.   Determinations were made by quadrapole ICP‐MS on the same rock digestions used to determine uranium‐series isotopes.  Analytical uncertainties  are estimated to be better than ±10% of the given values.  Chondrite data are from Table 1 of Anders and Grevesse (1989).  Table S3. Concentrations (in µg/g) of rare-earth elements from selected whole-rock samples of intact interior and brecciated core as well as samples from wafer profiles.  Borehole

Depth interval (ft)

Sample type

La

Ce

Pr

Nd

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

PM-1

2820.5 – 2820.6

Intact interior

36.1

75.1

9.26

31.7

7.00

0.33

6.21

1.00

6.12

1.20

3.51

0.54

3.61

0.54

PM-1

3140.5 – 3140.7

Intact interior

61.9

121

12.5

41.5

7.24

0.78

5.81

0.89

5.27

1.00

2.92

0.45

2.82

0.42

PM-1

3456.4 – 3456.6

Intact interior

53.4

109

12.9

45.3

9.20

0.21

7.88

1.36

8.23

1.67

4.91

0.75

4.89

0.74

PM-1

6614 – 6614.2

Intact interior

57.4

125

14.8

53.0

12.2

0.18

11.5

2.14

13.7

2.77

8.34

1.31

8.01

1.28

PM-1

6079 – 6079.2

UE-20f

3904.2 – 3904.3

UE-20f

4159.8 – 4160

UE-20f

3030.4 – 3030.6

PM-1 PM-1 PM-1 PM-1 PM-1 PM-1

6084 – 6084.3 6084 – 6084.3 6084 – 6084.3 6084 – 6084.3 6084 – 6084.3 6084 – 6084.3

UE-19fS UE-19fS UE-19fS UE-19fS UE-19fS UE-19fS UE-19fS UE-20f UE-20f UE-20f UE-20f UE-20f UE-20f UE-20f

Breccia

59.3

119

16.0

58.2

14.0

0.21

13.7

2.56

16.6

3.44

9.88

1.56

9.32

1.49

Intact interior

54.2

97.1

10.9

37.3

6.31

0.65

5.26

0.78

4.55

0.86

2.54

0.37

2.46

0.37

Intact interior

30.5

59.7

6.74

22.7

4.48

0.39

3.89

0.63

3.90

0.74

2.20

0.33

2.16

0.32

Breccia

30.9

62.7

7.19

24.6

4.94

0.31

4.29

0.67

4.11

0.81

2.39

0.37

2.43

0.36

Fracture surface Wafer 1 of 18 Wafer 2 of 18 Wafer 4 of 18 Wafer 9 of 18 Wafer 16 of 18

106.1 67.3 60.8 62.7 67.4 73.7

334.8 152.0 132.0 139.8 154.0 160.0

33.57 18.54 16.59 17.26 18.35 20.67

120.7 68.3 61.2 64.5 67.9 75.2

22.4 17.0 14.7 15.4 16.1 17.2

0.22 0.24 0.21 0.22 0.23 0.23

13.9 17.7 15.2 15.5 16.1 16.7

2.09 3.29 2.81 2.80 2.93 3.06

12.1 21.8 17.8 17.8 18.8 20.0

2.38 4.46 3.70 3.63 3.81 4.11

6.82 13.1 10.9 10.7 11.3 12.4

0.99 1.92 1.62 1.59 1.67 1.90

6.39 12.6 10.7 10.8 11.2 12.4

0.92 1.83 1.54 1.59 1.65 1.80

5211.4 – 5212 5211.4 – 5212 5211.4 – 5212 5211.4 – 5212 5211.4 – 5212 5211.4 – 5212 5211.4 – 5212

Fracture surface Wafer 1 of 6 Wafer 2 of 6 Wafer 3 of 6 Wafer 4 of 6 Wafer 5 of 6 Wafer 6 of 6

35.1 94.0 101.4 97.9 101.0 103.3 117.6

19.2 215 232 215 194 205 256

8.61 23.3 26.0 24.6 25.2 25.5 29.3

24.5 84.0 95.0 89.7 90.3 91.2 105.2

3.23 16.8 18.6 17.6 17.5 17.7 20.4

0.16 0.31 0.31 0.30 0.27 0.30 0.36

2.65 15.2 16.4 15.4 15.3 15.4 18.2

0.48 2.63 2.75 2.64 2.55 2.56 3.04

2.94 16.0 16.9 16.2 15.7 15.8 18.8

0.60 3.27 3.45 3.35 3.22 3.23 3.88

1.85 9.64 10.4 9.87 9.81 9.87 12.0

0.28 1.46 1.60 1.51 1.47 1.53 1.79

1.99 9.83 10.8 10.4 10.3 10.4 12.4

0.30 1.53 1.68 1.61 1.62 1.61 1.92

2848.7 – 2849 2848.7 – 2849 2848.7 – 2849 2848.7 – 2849 2848.7 – 2849 2848.7 – 2849 2848.7 – 2849

Fracture surface Wafer 1 of 12 Wafer 2 of 12 Wafer 3 of 12 Wafer 5 of 12 Wafer 6 of 12 Wafer 8 of 12

20.7 25.0 19.3 63.3 18.3 17.9 20.8

402 62.7 36.2 124 32.3 33.0 37.2

7.18 5.27 4.02 12.7 3.55 3.56 3.82

32.5 17.8 13.2 42.6 11.4 11.3 12.1

16.0 3.35 2.06 7.17 1.67 1.68 1.60

0.89 0.48 0.25 0.53 0.26 0.29 0.26

31.4 3.45 1.54 5.60 1.24 1.24 1.15

7.17 0.62 0.21 0.81 0.17 0.19 0.17

54.2 4.19 1.18 4.27 0.98 1.12 1.09

11.4 0.84 0.21 0.73 0.19 0.23 0.24

32.7 2.45 0.62 1.97 0.60 0.74 0.81

4.65 0.34 0.10 0.26 0.087 0.11 0.13

29.9 2.40 0.65 1.54 0.73 0.97 1.09

4.31 0.34 0.10 0.23 0.12 0.15 0.17

0.29

0.763

0.117

0.572

0.183

0.069

0.249

0.043

0.302

0.0693

0.198

0.03

0.2

0.03

Mean concentrations for C1 chondrites*

  Page 11 of 16 

Chondrite-normalized concentraon

1000

a)

Online Supplement 

100

10

Intact interior & brecciated core samples 1 1000

La Ce Pr Nd

UE-20f: 3904’ UE-20f: 4160’ UE-20f: 3030’

Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

c)

Fracture surface Wafer 4/6 Wafer 1/6 Wafer 5/6 Wafer 2/6 Wafer 6/6 Wafer 3/6

100

10

1

b)

Fracture surface Wafer 1/18 Wafer 2/18 Wafer 4/18

100

10 Wafer 9/18 Wafer 16/18

1 1000

UE-19fS: 5211’ La Ce Pr Nd

08/17/2013 

1000

PM-1: 2821’ PM-1: 3141’ PM-1: 3456’ PM-1: 6614’ PM-1: 6079’

Chondrite-normalized concentraon

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

PM-1: 6084’ La Ce Pr Nd

d)

Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Fracture surface Wafer 1/12 Wafer 2/12 Wafer 3/12

Wafer 5/12 Wafer 6/12 Wafer 8/12

100

10

1

UE-20f: 2849’ La Ce Pr Nd

Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

 

Figure S3:  Chondrite‐normalized rare‐earth element plots of rock matrix for intact interior and brecciated  samples  from  boreholes  PM‐1  and  UE‐20f  (a),  and  for  fracture‐surfaces  and  associated  subjacent  matrix  from  three  separate  wafer  profiles  (b,  c,  and  d).    Data  are  from  Tabl  e  S3  (online  supplement)  and  normalized to concentrations in chondrite meteorites reported in Anders and Grevesse (1989).  Grey fields  represent range of values observed for whole‐rock compositions shown in (a). 

 

Analytical Solutions to Open‐System Isotope Evolution Equations   Differential equations describing the change in U‐series isotope activities with time are given in  Section 4.3.2 of Dequincey et al. (2002) and Appendix B of Ma et al. (2010).  These equations assume  that U is mobile and can be added to or removed from the solid phase at constant rates through time.   The equations are formulated to include a term that combines all processes leading to the input of U  (F234 and F238 activity input rates, in atoms yr‐2), a term that combines all processes leading to the  removal of U (k234 and k238 leaching rate constants, in yr‐1), and a term that accounts for radioactive  decay of each isotope (238, 234, and 230 decay constants, in yr‐1).  Th is considered geochemically  immobile in the oxidizing groundwater that flows through the saturated zone beneath Pahute Mesa;  therefore, terms for F230 or k230 are considered to be zero.    Equations for the rate of change of each isotope were solved by hand and verified using MATLAB™  to derive the number of atoms at time t based on the number of atoms present in the system initially  (238U0, 234U0, and 230Th0).  The following solutions were derived:   

Page 12 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 









Online Supplement 



1

08/17/2013 

 

  ∙







1



 

 





∙ 1









 

  where b238 = k238+238 and b234 = k234+234, and where Q238 and Q234 represent atomic input rates  (F238/238 and F234/234, respectively).  Atomic abundances can be converted to activity ratios by  multiplying by the decay constants:       ∙ ∙



 

 

∙ ∙

 

    In practice, values for initial isotope abundances in the solid phase were assigned based on U  concentrations observed in the rock and the assumed isotopic composition of the starting material  (either 234U/238U AR = 230Th/238U AR = 1.0 for secular equilibrium or 234U/238U AR = 4.0 and 230Th/238U AR =  0.0 for newly formed fracture minerals).  Values for input activities (F238 and F234) were then determined  by adjusting groundwater U concentrations until the F238/(238U)0 reached values targeted in individual  simulations, with F234 adjusted to the value required by the assumed input activity ratio (i.e., 4 for  Pahute Mesa groundwater).  In addition to F238/(238U)0, the leaching rate constant for 238U (i.e., k238) and  amount of fractionation during leaching (i.e., k234/k238) were allowed to vary for any given simulation.   Model results identical to those given by Dequincey et al. (2002) were obtained when the same input  parameters were used.  

Page 13 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

Simulations of Open‐System Uranium‐Series Isotope Evolution  Results for a number of simulations involving open‐system evolution of U‐series isotopes are given  in the main text and figures 6 and 7.  The following figures show additional results intended to simulate  transient behavior in some samples of discrete‐fracture and wafer‐profile samples. 

1

/ 238U AR

2 1

/ 238U AR

2

234U

0 4

1

2 1

k234/k238 = 4 k238 = 5×10-5 Q238 /(238U)0 = 1×10-5 Q238 /(238U)0 = 5×10-5 Q238 /(238U)0 = 1×10-4 Q238 /(238U)0 = 5×10-4 Q238 /(238U)0 = 1×10-3

0

1 230Th

2

3

4 7 10

F234/F238 = 4.0 k238 = 1×10 -5 -5 k238 =238 5×10 F238 (U)/0 = 1×10-7 -5 238 F238 /( U)0 = 5×10

3

0

3

0

1

2

0 4

k234/k238 = 4 k238 = 1×10-5 Q238 /(238U)0 = 1×10-6 Q238 /(238U)0 = 1×10-5 Q238 /(238U)0 = 5×10-5 Q238 /(238U)0 = 1×10-5 Q238 /(238U)0 = 5×10-4

3

/ 238U AR

1

2

234U

2

1

3

/ 238U AR

3

0 4

234U

4

k234/k238 = 4 k238 = 1×10-6 Q238 /(238U)0 = 1×10-6 Q238 /(238U)0 = 5×10-6 Q238 /(238U)0 = 1×10-5 Q238 /(238U)0 = 5×10-5 Q238 /(238U)0 = 1×10-4

234U

234U

/ 238U AR

4

1

2 7

0

4

F234/F238 = 2 .0 k238 = 5×10-5 F238 /(238U)0 = 5×10-5

1

2

3

230Th

/ 238U

AR

4

4

/ 238U AR

 

Figure S4.  Simulations for open‐system U‐series isotope evolution for a solid phase starting at  secular  equilibrium  (plots  on  left  side)  as  well  as  the  composition  of  newly  formed  mineral  precipitated  from  groundwater  (plots  on  right  side),  and  then  subjected  to  open‐system  addition and removal of U using equations given in the previous section.  Simulations shown on  the  left  side  used  fixed  values  for  fractionation  of  input  and  output  processes  (i.e.,  F234/F238  =  k234/k238 = 4) and variable values for the intensity of input and removal (variable parameter is  color  coded  to  resulting  evolution  curve).    Simulations  shown  on  the  right  side  used  a  fixed  value for the leaching rate constant and intensity of atomic U input (k238 = Q238/(238U)0 = 5×10‐5  yr‐1)  and  allowed  fractionation  in  the  input  term  to  vary  (F234/F238  =  4  in  upper  plot  and  2  in  lower plot) along with fractionation in the output term (k238/k238 values from 1 to 10). 

Page 14 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

 

234U

/ 238U AR

4 k234/k238 = 3.5 Q238 /(238U)0 = 1×10-5 k238 = 1×10-7 k238 = 1×10-6 k238 = 1×10-5 k238 = 2×10-5 k238 = 3×10-5 k238 = 5×10-5

3 2 1

k238 = 1×10-5 238 F238 (U)/0 = 1×10-7

/ 238U AR

2

234U

0 4

1

3

k234/k238 = 3.5 Q238 /(238U)0 = 1×10-6 k238 = 1×10-7 k238 = 1×10-6 k238 = 1×10-5 k238 = 2×10-5 k238 = 3×10-5

234U

/ 238U AR

0 4 3

k234/k238 = 3.5 Q238 /(238U)0 = 1×10-7 k238 = 1×10-7 k238 = 1×10-6 k238 = 1×10-5 k238 = 2×10-5

2 1 0

0

1 230Th

2

3

/ 238U AR

4  

Figure S5.  Simulations for open‐system U‐series isotope evolution for a solid phase starting at secular  equilibrium that is subjected to open‐system addition and removal of U using equations given in the previous  section.  Simulations used fixed, nearly‐equal values for fractionation of input and output processes (i.e.,  F234/F238 = 4 and k234/k238 = 3.5) and allowed values for the intensity of input and removal to vary (variable  parameter is color coded to resulting evolution curve).   

 

Page 15 of 16 

Paces_ChemGeol_Suppl.docx 

Online Supplement 

08/17/2013 

References  Anders, E., Grevesse, N., 1989. Abundances of the elements: meteoric and solar.  Geochim. Cosmochim.  Acta 53, 197–214.  Broxton, D.E., Warren, R.G., Byers, F.M., Scott, R.B., 1989, Chemical and Mineralogic Trends Within the  Timber Mountain‐Oasis Valley Caldera Complex, Nevada: Evidence for Multiple Cycles of Chemical  Evolution in a Long‐Lived Silicic Magma System.  J. Geophys. Res. 94, 5961‐5985.  Dequincey, O., Chabaux, F., Clauer, N., Sigmarsson, O., Liewig, N., Leprun, J.‐C., 2002.  Chemical  mobilizations in laterites: Evidence from trace elements and 238U‐234U‐230Th disequilibria.  Geochim.  Cosmochim. Acta, 66, 1197–1210.  Gladney, E.S., Jones, E.A., Nickell, E.J., Roelandts, I., 1990, 1988 Compilation of elemental concentration  data for USGS basalt BCR‐1.  Geostandards Newsletter 14, 209–359.  Fenelon, J.M., Sweetkind, D.S., Laczniak, R.J., 2010.  Groundwater flow systems at the Nevada Test Site,  Nevada: a synthesis of potentiometric contours, hydrostratigraphy, and geologic structures.  U.S.  Geol. Survey Prof. Paper, 1771, 54 p.  Weis, D., Kieffer, B., Maerschalk, C., Barling, J., Williams, G.A., Hanano, D., Pretorius, W., Mattielli, N.,  Scoates, J.S., Goolaerts, A., Friedman, R.M., Mahoney, J.B., 2006.  High‐Precision Isotopic  Characterization of USGS reference materials by TIMS and MC‐ICP‐MS.  Geochem., Geophys.,  Geosyst. (G‐cubed) 7, 30 p. 

Page 16 of 16