NovTecEx Uusia malminetsintämenetelmiä herkille pohjoisille alueille

Transkriptio

1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Pohjois-Suomen yksikkö Rovaniemi 37/2015 NovTecEx Uusia malminetsintämenetelmiä herkille pohjoisille alueille Loppuraportti Pertti Sarala (toim.), Tuomo Karinen, Ilkka Lahti, Marja Lehtonen, Maarit Middleton, Markku Pirttijärvi, Heikki Salmirinne, Anne Taivalkoski, Johanna Torppa, Jorma Valkama, Vesa Nykänen Green Mining -ohjelma

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Pohjois-Suomen yksikkö Rovaniemi 37/2015

3 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Pertti Sarala (toim.), Tuomo Karinen, Ilkka Lahti, Marja Lehtonen, Maarit Middleton, Markku Pirttijärvi, Heikki Salmirinne, Anne Taivalkoski, Johanna Torppa, Jorma Valkama, Vesa Nykänen Raportin laji Loppuraportti Toimeksiantaja Tekes, GTK, Oulun yliopisto Raportin nimi NovTecEx Uusia malminetsintämenetelmiä herkille pohjoisille alueille: Loppuraportti Tiivistelmä Tässä loppuraportissa kuvataan Tekesin Green Mining -ohjelmaan kuuluvan Uusia malminetsintä-menetelmiä pohjoisille herkille luontoalueille -projektin (NovTecEx - Novel technologies for greenfield exploration) kehittämistyötä ja sen tulokset. Työ jakautui kahdeksaan tehtävään, joissa kaikissa oli tavoitteena uusien menetelmien ja sovelluksien löytäminen malmipotentiaalin ja malminetsinnän tehostamiseen ja luontoystävällisempien toimintamallien löytämiseksi. Tulokset ovat suoraan hyödynnettävissä malminetsintätutkimuksissa herkillä pohjoisilla luontoalueilla. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Malminetsintä, kehittäminen, geokemia, raskasmineraalit, kannettava XRF, itseohjautuva analyysi, mallintaminen, tiedonlouhinta, objektipohjainen hahmontunnistus, audiomagnetotelluurimenetelmä, geofysiikan lentoaineistot, tulkinta Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Lappi, Pelkosenniemi, Savukoski, Enontekiö Karttalehdet Muut tiedot Tekesin Green Mining -ohjelman projektin Novel technologies for greenfield exploration (NovTecEx) loppuraportti. Tekesin projekti 2795/31/2011. Arkistosarjan nimi Kokonaissivumäärä 57 s. Kieli Suomi Arkistotunnus 37/2015 Hinta Julkisuus Julkinen Yksikkö ja vastuualue Pohjois-Suomen yksikkö, VA 501 Allekirjoitus/nimen selvennys Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Pertti Sarala

4 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND DOCUMENTATION PAGE Date / Rec. no. Authors Pertti Sarala (ed.), Tuomo Karinen, Ilkka Lahti, Marja Lehtonen, Maarit Middleton, Markku Pirttijärvi, Heikki Salmirinne, Anne Taivalkoski, Johanna Torppa, Jorma Valkama, Vesa Nykänen Type of report Final report Title of report NovTecEx Novel technologies for greenfield exploration: Final report Commissioned by Tekes, GTK, Oulu University Abstract Mineral exploration and mapping within thick glacial overburden, peatlands and different conservation areas is demanding, sensitive and expensive. The best practices for mineral exploration (techniques and concepts) from cost and environmental perspectives have been developed in the project Novel technologies for greenfield exploration funded by Tekes. Essential exploration techniques include the concurrent use of geological, geochemical and geophysical surveys. These techniques allow the location and thorough investigation of the geological processes responsible for mineral deposits and indications of ore-forming processes, or in suitable conditions, the direct identification of mineral deposits. The efficiency and success of exploration require not only high quality data processing and interpretation, but also the consideration of environmental aspects, which are particularly important in sensitive northern, sub-arctic areas. The results and methodological advances arising from this project could particularly serve companies and organizations conducting grass roots mineral exploration in a regional scale. The techniques can also be adopted in target-scale exploration. Keywords Exploration, development, geochemistry, heavy minerals, portable XRF, self organising mapping, modelling, data mining, object-based image analysis, audiomagnetotelluric method, geophysical airborne data, interpretation Geographical area Suomi, Lappi, Pelkosenniemi, Savukoski, Enontekiö Map sheet Other information Final report of the Project Novel technologies for greenfield exploration (NovTecEx) that was funded by the Tekes Green Mining -programme. Tekes project 2795/31/2011. Report serial Total pages 57 p. Unit and section Northern Finland Office, 501 Signature/name Language Finnish Pertti Sarala Archive code 37/2015 Price Project code Signature/name Confidentiality Public

5 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 JOHDANTO 1 2 PROJEKTIN TAVOITTEET 2 3 SISÄLTÖ, MENETELMÄT JA VAIHEET Tutkimusalueiden valinta Tutkimusta tukeva näytteenotto Kehittämis- ja tutkimustoiminnan hypoteesit 4 4 PROJEKTIN TEHTÄVIEN KUVAUS JA KESKEISET TULOKSET Tehtävä 1. Moreenigeokemian näytteenottomenetelmän kehittäminen Tehtävä 2. Moreenin mineraloginen tutkimus Tehtävä 3. Kentällä suoritettavat on-site -analyysimenetelmät Tehtävä 4. Tiedonlouhintamenetelmät ja mallinnus Tehtävä 5. Objektiperustaisen hahmontunnistusmenetelmän kehittäminen Tehtävä 6. AMT-menetelmän kehittäminen malminetsintätyökaluksi Tehtävä 7. TEM-lentomittausten 2D tulkinnan kehittäminen Tehtävä 8. Aerogravimetristen gradienttimittausten tulkintamenetelmien kehittäminen Projektin johto Tutkijavierailut 43 5 TULOSTEN YHTEENVETO 44 6 PROJEKTIN VAIKUTUKSET 45 7 RESURSSIT, ORGANISOINTI 46 8 BUDJETTI JA KUSTANNUSTOTEUTUMA 48 9 DOKUMENTOINTI JULKAISEMINEN JULKAISULUETTELO 51

6 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti

7 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 1 1 JOHDANTO Suomi on erittäin potentiaalinen alue uusien malmilöydösten suhteen. Tästä ovat osoituksena lukuisat kaivos- ja malminetsintäprojektit erityisesti Pohjois- ja Itä-Suomessa. Malmipotentiaalin arviointi ja malminetsintä ovat olleet viime vuosina vilkasta, mutta tästä huolimatta on vielä laajoja alueita, joissa perusteellisia tutkimuksia ei ole tehty. Luonnonolosuhteet aiheuttavat haasteita paksujen maapeitteiden, soiden ja rapautuneen kallioperän muodossa. Arktiset ja subarktiset alueet ovat tyypillisesti luonnoltaan haavoittuvia ja suuret alueet Pohjois-Suomessa kuuluvat erilaisten suojeluohjelmien, kuten Natura ohjelman piiriin. Malminetsintä on tällaisilla alueilla vaativaa ja kallista, ja siihen on tämän projektin avulla pyritty löytämään luontoystävällisiä ja kustannustehokkaita ratkaisuja. Keskeisiä malminetsintämenetelmiä ovat geologiset, geokemialliset ja geofysikaaliset tutkimukset. Niiden avulla pystytään tutkimaan ja tunnistamaan malmeja muodostavia geologisia prosesseja ja niistä syntyviä mineralisoitumiin liittyviä viitteitä. Samoja menetelmiä voidaan käyttää malmiesiintymien ja mineralisaatioiden suoraan havainnointiin, mutta tämä edellyttää yleensä suurta näytteenottotiheyttä, runsasta maastotyöskentelyä sekä syväkairausta. Tästä johtuen malminetsintää tehdään useassa eri vaiheessa siten, että näytteenottoa ja mittausta tarkennetaan vaihe kerrallaan. Tämän päätöksentekoprosessin avuksi tarvitaan kvantitatiivisia laskennallisia menetelmiä, joilla voidaan tehostaa ja parantaa kohteiden valintaa. Neuroverkot ja sumeat järjestelmät voivat toimia tässä työkaluna. Jäätiköityneillä alueilla, kuten Pohjois-Euroopassa ja Amerikassa, malminetsinnällisiä tutkimuksia tehdään hyödyntäen maaperää ja siitä otettavia sedimenttinäytteitä. Perinteisiä menetelmiä ovat olleet pintalohkareiden kartoittaminen, moreenigeokemiallinen analysointi sekä raskasmineraalitutkimus. Maaperänäytteitä voidaan kerätä maanpintaosasta, tutkimuskaivannoista tai erilaisilla maakairausmenetelmillä. Geokemiallista näytteenottoa tehdään nykyisin enenevässä määrin iskuporaamalla, jolloin näyte pyritään saamaan moreenikerrosten alaosista ja samalla myös kallion pinnasta. Näytemäärä (n g) riittää kemiallisiin tutkimuksiin, mutta suurempi näyte mahdollistaa myös moreenin mineraalien tutkimisen. Erityisesti raskasmineraalien/indikaattorimineraalien tutkimus on perinteinen, hyväksi havaittu menetelmä mm. kullan ja timanttien etsinnässä. Tässä projektissa maaperänäytteenottoa on pyritty kehittämään ja soveltuvasti testaamaan useamman litran kokoisten moreeninäytteiden ottamiseen moreenipeitteen pohjaosista ja samalla on haettu näytteiden rikastamiseen liittyviä uusia ratkaisuja menetelmän sovelluskohteiden laajentamiseksi muiden malmityyppien tutkimuksessa. Lisäksi isommasta moreeninäytteestä voidaan tutkia moreenin kokonaismineraalikoostumus, mistä voidaan yhdessä kemiallisen koostumuksen avulla päätellä alla olevan kallioperän kivilajivaihtelua ja mineraalipotentiaalia. Perinteinen malminetsintä on ulottunut vain maankuoren pintaosiin metrin syvyydelle. Viimeaikainen tekninen kehitys on tuonut uusia syvemmälle tunkeutuvia geofysikaalisia mittausmenetelmiä kustannustehokkaaseen käyttöön. Maastossa tehtävä AMT-menetelmä on ollut yksi uusista kehittämiskohteista samoin kuin erilaiset lentogeofysiikan mittausdatojen tulkintamenetelmät. Tällaisen suuren datamäärän prosessointi ja mallinnus geologisesti ja malminetsinnällisesti ymmärrettävään muotoon vaatii sekä paljon laskentakapasiteettia että älykkäitä spatiaalisen tiedonlouhinnan työkaluja. Suuren datamäärän laskentatyökalujen rajoitteisiin on haettu ratkaisuja kehittämällä ai-

8 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 2 neiston käsittelyrutiineja sekä optimoimalla laskentaympäristöjä (prosessointiteho, käytettävät algoritmit, neuroverkot ja sumea logiikka). Suomi tarjoaa globaalissa mittakaavassa erittäin hyvän ympäristön tällaiselle tutkimukselle, koska Suomen malmipotentiaali on tunnetusti hyvä, täällä on paljon aktiivisia alan toimijoita ja Geologian tutkimuskeskuksella (GTK) on globaali verkosto alan asiantuntijoiden kanssa. Projektin toteuttamiseksi luotiin tutkimusorganisaatio, jonka rungon muodostivat GTK:n ja Oulun yliopiston Geotieteiden laitoksen yhteinen tutkimusryhmä. Osaamista vahvistettiin kansainvälisen yhteistyöverkoston avulla, johon kuului tutkijoita mm. CSIRO:lta Australiasta ja Geological Survey of Canadasta, Ottawasta, Kanadasta. NovTecEx-hankkeen budjetti on ollut , josta 60 % on tullut Tekesiltä, 13 % tutkimuspartnereilta ja loput 27 % yritysten rahoituksena. Varsinaisen projektirahoituksen lisäksi GTK on panostanut projektiin välillisesti suorittamalla kahdella valitulla alueella tiedonkeruuta geofysikaalisin lentomittauksin sekä erilaisten kairausmenetelmien käytön ja geokemiallisen näytteenoton puitteissa. Tämä tiedonkeruu on tehty erillään tästä TEKES-projektista GTK:n omalla rahoituksella (tiedonkeruun rahallinen arvo on ollut n ). 2 PROJEKTIN TAVOITTEET Projektin päätavoite on ollut teknisten ja tiedollisten edellytysten luominen uusien tehokkaiden malminetsintämenetelmien ja -konseptien kehittämiseksi pohjoisilla, peitteisillä ja kulutukselle herkillä luontoalueilla. Projektissa on keskitytty moreenigeokemian näytteenottomenetelmien ja näytteen mineralogisen ja kemiallisen analyysin kehittämiseen sekä modernien, hyvän syvyysulottuvuuden omaavien geofysiikan menetelmien tuottamien aineistojen tulkinnan kehittämiseen ja integrointiin muiden aineistojen kanssa. Lisäksi on tehty soveltaa tutkimusta entistä tehokkaampien numeeristen datan käsittely- ja mallinnusmenetelmien sekä hahmontunnistuksen hyödyntämiseen geologisten, malmipotentiaalin kannalta merkittävien rakenteiden tulkinnassa. Projektissa on pyritty kehittämään malminetsintämenetelmiä ja -konsepteja sekä testaamaan erilaisia käytännön ratkaisuja uusien malmipotentiaalisten alueiden ja uusien malmiesiintymien tutkimiseksi aiemmin huonosti tunnetuilta alueilta. Erityinen paino on asetettu sille, että malmipotentiaalin arviointia ja malminetsintää suoritetaan mahdollisimman pienillä ympäristövaikutuksilla. Projektissa oli tavoitteena tutkia näitä menetelmiä kahdessa vaiheessa: 1. alueellinen tutkimus ja 2. kohteellinen tutkimus, mutta aika ja resurssit eivät riittäneet kohteellisiin tarkistuksiin. Tutkimuksia on tehty kahdella projektiin valitulla kohdealueella, Savukoski-Pelkosenniemi ja Enontekiö (kuva 1).

9 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 3 Kuva 1. NovTecEx-hankkeen pääasialliset tutkimusalueet Savukoski-Pelkosenniemi- ja Enontekiön alueilla. 3 SISÄLTÖ, MENETELMÄT JA VAIHEET Projektin sisältö jakautui kolmeen osioon: 1) Tutkimusalueiden valintaan, 2) tutkimusta tukevaan näytteenottoon ja 3) kehittämis- ja tutkimustoimintaan. Tässä on kuvattu lyhyesti projektin eri osaalueet ja niiden sisältö. 3.1 Tutkimusalueiden valinta Tutkimusalueiksi valittiin sellaisia kohteita, joissa oli joko aiempaa soveltuvaa aineistoa olemassa tai jossa oli lähinnä GTK:lla aktiivista tutkimustoimintaa menossa. Alueiksi valikoitui Pelkosenniemi-Savukoski-alue, jossa oli vuonna 2011 tehty lentämällä geofysikaalinen painovoimamittaus ja alue on mielenkiintoinen geologisesti sekä Lätäsenon liuskejakso Käsivarressa, missä GTK:lla on ollut jo useamman vuoden ajan aktiivista mineraalipotentiaalin kartoitustoimintaa. Tutkimusalueiden sijainti näkyy kuvassa Tutkimusta tukeva lentomittaus ja näytteenotto NovTecEx-projektin kehittämis- ja tutkimustoiminnan tueksi GTK:n erillisellä rahoituksella tehtiin geofysiikan lentomittauksia ja maa- ja kallioperänäytteenottoa sekä katettiin näytteiden analyysikustannuksia. Käsivarren tutkimusalueella tehtiin vuonna 2012 geofysiikan sähkömagneettinen TEM-lentomittaus, jolla kartoitettiin alueen sähkönjohtavuusrakenteita. Mittausaineistoa on hyödynnetty tehtävissä 4 ja 7. Sen lisäksi tehtiin Pelkosenniemi-Savukoski alueella erilaisilla kairausmenetelmillä näytteenottoa (86 pistettä), tutkimusmontutusta (71 pistettä) ja iskuporausta (320 pistettä) sekä näiden moreeni- ja rapakallionäytteiden kemialliset analyysit (n. 500 analysoitua näytettä) (kuva 2). Lisäksi uudelleen analysoitiin n. 120 moreeninäytettä, jotka oli kerätty 1970-luvulla

10 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 4 alueen etelä- ja keskiosista. Kerättyjä näytemateriaaleja ja analyysituloksia hyödynnettiin tehtävissä 1, 2, 3 ja 4. Analyysi- ja havaintotiedot on tallennettu GTK:n tietokantoihin. Varsinaiset tulosten geologiset ja geofysikaaliset tutkimustulokset julkaistaan GTK:n omissa raporteissa. Kuva 2. Erilaisilla kairausmenetelmillä ja tutkimuskaivannoilla toteutettu näytteenotto Savukoski- Pelkosenniemi-alueella. 3.3 Kehittämis- ja tutkimustoiminnan hypoteesit Geokemiallisten menetelmien kehittäminen o Moreenigeokemia Näytteenottomenetelmien kehittäminen mahdollistaa suurten pohjamoreeni- ja kallioperänäytteiden yhdenaikaisen ottamisen Näytteenotto voidaan tehdä mahdollisimman vähän jälkiä luontoon jättäen

11 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 5 Näytteenottoa ja siihen liittyvää tiedonkeruuta tehostetaan paikkatietotekniikalla, jota käytetään näytetietojen keruuseen ja reitin optimointiin luontoarvot huomioon ottaen. o Indikaattorimineraalit, automatisoitu mineralogia (SEM+EDS FE-SEM) Moreenin mineralogiaa voidaan käyttää välillisesti kallioperän koostumuksen ja mineralisaatioihin liittyvien muuttumisilmiöiden ja aineksen kulkeutumisen arvioimiseen Indikaattorimineraalien automatisoidulla tunnistaminen mahdollistaa aiemman laajemman kuvan moreenin raskaimman fraktion koostumuksesta Moreenin kokonaismineraloginen tutkimus yhdessä kehittyneiden geokemian menetelmien kanssa mahdollistaa uudenlaisen näytteenkäsittely- ja tutkimuskonseptin kehittämisen malminetsinnän tueksi o Kentällä suoritettava analytiikka (kannettava XRF) Kenttäanalyysit vähentävät näytteenoton ja laboratorioanalyysien määrää Mahdollistaa tulosten nopean saannin suoraan kentältä (ns. on-site) ja näytteenoton reaaliaikaisen ohjauksen Tukee moreeninäytteenoton kehittämistä Datan prosessointi ja mallinnus o SOM- ja 3D-mallinnus mahdollistaa geologisen, geofysikaalisen ja geokemiallisen datan integroinnin; yhteistyö australialaisen CSIRO:n (The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) kanssa. Syvälle tunkeutuvat geofysikaaliset mittaustulokset tuottavat aineistoa, jota voidaan käyttää mallinnuksen ja prospektiivisuuskartoituksen ulottamiseen 3Dympäristöön perinteisen datan visualisoinnin ja tulkinnan lisäksi. Mittausmenetelmät tuottavat valtavat määrät digitaalista dataa, jonka kustannustehokas tulkinta edellyttää tehokkaita spatiaalisen tiedonlouhinnan menetelmiä. Rinnakkaisprosessointi on yksi esimerkki laskentaprosessien tehostamisesta. o Objektiperustainen hahmontunnistus Ohjattuja hahmontunnistusmenetelmiä voidaan käyttää esimerkiksi viivamaisten kuvioiden tunnistamiseen digitaalisista korkeusmalleista tai matalalentogeofysiikan datasta. Näin voidaan automaattisesti pyrkiä tunnistamaan esimerkiksi kallioperän hiertovyöhykkeitä, siirroksia tai ylityöntöpintoja, jotka ovat usein hyvin malmikriittisiä alueita. Geofysikaalisten mittaus- ja tulkintamenetelmien kehittäminen

12 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 6 o Audio-Magnetotelluric -menetelmän kehittäminen osana malmipotentiaalin tutkimusta. o Geofysikaalisten lentoaineistojen tulkinta geologisen tutkimuksen tukena Sähkömagneettisten lentomittausaineistojen tulkintaohjelman kehittäminen mahdollistaa aineistojen tehokkaamman analysoinnin. Geofysiikan aineistojen tulkinnan kehittämistä tehdään yhteistyössä Oulun yliopiston kanssa Aerogravimetristen gradienttimittausten tulkintamenetelmiä saadaan tehostettua yhdistämällä lento- ja maanpintamittauksia 4 PROJEKTIN TEHTÄVIEN KUVAUS JA KESKEISET TULOKSET 4.1 Tehtävä 1. Moreenigeokemian näytteenottomenetelmän kehittäminen Suunniteltu työmäärä: 4 htkk Vastuuhenkilö: FT Pertti Sarala Tavoite: -Käytännössä testattu näytteenottomenetelmä ja laitesuositus, jolla saadaan aiempaa suurempi pohjamoreeninäyte sekä näyte kallioperästä. -Tiedonkeruu, navigointi ja reitin suunnittelu/optimointijärjestelmä Johdanto Tehtävässä 1 oli tavoitteena kehittää moreeninäytteenottoa aiempaa edustavampien ja stratigrafisesti kontrolloidumpien moreeni-, rapakallio- ja kallionäytteiden ottamiseksi. Jäätiköityneillä alueilla moreeni on tyypillisin ja pitkään käytetty materiaali maaperän geokemiallisessa tutkimuksessa uusia malmiesiintymiä tai malminetsinnän kannalta potentiaalisia kallioperäalueita etsittäessä. Moreeninäytteenotto olisi hyvä saada toteutettua siten, että näytteet edustaisivat mahdollisimman samankaltaista jäätikön kulutus-, kuljetus- ja kerrostamisprosessia. Kriteerin täyttää yleensä parhaiten pohjamoreenista (=alin moreenipatja) otettu näytemateriaali. Paksujen maapeitteiden ja turpeen tai lajittuneiden ainesten peittämillä alueilla tavoitteen saavuttaminen on kuitenkin usein haastavaa ja näytteenotto vaatii järeämpien näytteenottokoneiden käyttämistä. Moreenipeitteisillä alueilla moreenigeokemia, jossa käytetään seulottua hienoainesfraktiota (<0,06 mm:n fraktio; näytekoko n g) on tyypillisimmin käytetty menetelmä. Kullan ja timanttien etsinnässä on perinteisesti käytetty myös moreenin raskasmineraalifraktiota (ominaispaino >3,3 g/cm3), jossa moreeniaineksesta rikastetaan painovoimaperustaisesti raskain fraktio näyteaineksen mineralogista tutkimusta varten. Tällainen tutkimus vaatii huomattavasti suuremman näytemateriaalimäärän (väh litraa eli yleensä >10 kg) ottamista verrattuna geokemialliseen tutkimukseen.

13 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 7 Timanttitutkimuksissa, joissa indikaattorimineraalien määrä on tyypillisesti alhainen, näytemäärät ovat tyypillisesti useita kymmeniä kiloja, jopa kg. Näin suurien näytteiden saaminen edellyttää yleensä järeitä näytteenottomenetelmiä, joita ovat esimerkiksi tutkimuskaivannot ja maakairaus. Näistä voi jäädä maastoon huomattavia jälkiä. Tämän tehtävän tarkoituksena oli kehittää pohjamoreeninäytteenottoa ja testata erilaisia näytteenottomenetelmiä mahdollisimman tehokkaan, mutta ympäristövaikutuksiltaan vähäisen menetelmän ja alustaratkaisun löytämiseksi. Tavoitteena oli saada perinteisen, pienen moreenigeokemian näytteen sijaan riittävän iso (vähintään 5 litraa eli n kg) ja edustava näyte, joka mahdollistaa myös raskasmineralogisen ja indikaattorimineraalitutkimuksen. Näytteenottosyvyyden tavoitteeksi asetettiin pohjamoreeni 1-2 m kallionpinnan yläpuolelta, minkä ajateltiin edustavan mahdollisimman samantapaista kerrostumisprosessia ja siten antavan parhaimman homogeenisuuden näytemateriaalille koko näytteenottoalueella. Valitulla näytteenottosyvyydellä pyritään myös välttämään paikallisen kallioperän välitön vaikutus moreeniainekseen, mikä lisää näytemateriaalin alueellista vaikutusta. Samassa yhteydessä oli tavoiteltavaa myös saada näyte kalliosta kallion pinnan saavuttamisen varmistamiseksi ja siten stratigrafisen kontrollin lisäämiseksi. Kairausmenetelmissä näytettä oli tavoiteltavaa saada vähintään 3-4 m pitkä kairasydännäyte. Yhtenä tavoitteena oli myös tutkia ja testata reaaliaikaista reitinoptimointia hyödyntäen maastotietokonetta ja metsäkuviotietoja. Näytteenoton etukäteisellä ja tarvittaessa reaaliaikaisella reitin valinnalla pyrittiin minimoimaan näytepisteille kulkemisesta aiheutuvat maasto- ja ennen kaikkea puustovauriot sekä välttämään erityiset ja suojellut luontokohteet. Myös muut kulkua ja toimintaa vaikeuttavat rakenteet, kuten poroaidat, jyrkät maastonkohdat ja vesistöt voidaan ottaa paremmin huomioon ja sitä kautta esimerkiksi nopeuttamaan näytteenottoa. Toteutus Eri näytteenottomenetelmien testaus toteutettiin kuvassa 2 esitetyllä alueella hyödyntäen olemassa olevaa tieverkostoa. Käytettyjä menetelmiä olivat: tutkimuskaivannot, maa+syväkairausmenetelmät (GM100 ja GM200), paineilmakairaus (RC), iskuporaperustainen murskenäytteenotto ja Sonic drill -menetelmä (taulukko 1). Näytepisteet pyrittiin sijoittamaan koko tutkimusalueelle uuden geologisen tiedon keräämiseksi ja kattavan näytepisteverkon aikaan saamiseksi. Kaikilla menetelmillä pyrittiin saamaan saman periaatteen mukaiset näytteet eli jatkuva moreeninäyte (väh. 5 litraa) 1-2 m kallionpinnasta ylöspäin ja kalliosta vähintään 3-4 m kairasydäntä. Tutkimuskaivannoista moreeninäytteitä otettiin lisäksi eri moreenipatjoista ja 5 litran näytteiden lisäksi myös 12 litran näytteitä vertailun tekemiseksi perinteiseen raskasmineraalitutkimukseen. Taulukkoon 2 on kerätty eri menetelmillä saatavien näytetyyppien tietoja peilaten asetettuun tavoitteeseen. Lähes kaikilla menetelmillä pystyttiin ottamaan tavoitellun kokoinen moreeninäyte ja myös kalliovarmistus, tosin kaikilla menetelmillä saatu näyte ei ollut laadukas tai riittävän edustava ja myös startigrafinen kontrolli ei kaikin osin ollut saavutettavissa. Ongelmia oli myös kallionäytteissä, sillä kaikilla menetelmillä saaduista näytteistä ei voinut tehdä kivilajien ja rakenteiden havainnointia.

14 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 8 Taulukko 1. Testatut näytteenottomenetelmät, kairausmetrit ja näytemäärät. Taulukko 2. Näytetyyppien saanti eri näytteenottomenetelmillä. Tulokset Tehtävässä testatuista näytteenottomenetelmistä parhaiten soveltuivat asetettuun tavoitteeseen nähden perinteinen syväkairausmenetelmä käyttäen maakairausta ja SonicDrilling-menetelmä (taulukko 3). Kustannustehokkuuden puolesta tutkimuskaivantojen käyttö on perusteltu menetelmä ohuiden maapeitteiden (<6 m) ja ympäristöltään pintakäsittelyä kestävillä alueilla. Tulosten perusteella hyvinkin erilaisilla alustaratkaisuilla ja näytteenottomenetelmillä varustettujen kairaus- ja näytteenottoyksiköillä pystyttiin saamaan aiempaa huomattavasti isompia moreeni- ja rapakallionäytteitä sekä edustava kallionäyte perinteisen geokemian näytteen sijaan. Tavoitteena ollut näytekoon kasvattaminen riittävän isoksi (vähintään 5 litraa eli n kg) edustavaa indikaattorimineraalitutkimusta (mm. raskasmineraalien) varten toteutui hyvin. Erilaisilla syväkairausmenetelmillä saatiin lisäksi luotettava näyte terveestä kalliosta tai rapakalliosta kallionpinnan varmistamiseksi ja kivilajimäärityksen tekemiseksi. Tutkimuskaivannoissa kallionpinta pystyttiin varmistamaan, mutta näytettä saatiin vain kallion pintaosasta. Lisäksi tehtävässä kehitettiin näytteenoton tiedonkeruuta ottamalla käyttöön maastotietokone, johon räätälöitiin GTK:n tietojärjestelmän kanssa yhteensopiva tallennuskäyttöliittymä. Yhdessä GPSlaitteen kanssa laitetta voitiin käyttää sekä tiedon tallennukseen kentällä että navigointiin. Näytepisteeltä toiselle liikuttaessa voidaan optimaalinen reitti suunnitella etukäteen tai hakea reaaliaikaisesti huomioiden tutkimusalueen metsäkuviot ja luontoarvot. Tämä reitinoptimointi toteutettiin Savukos-

15 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 9 ken-pelkosenniemen alueella hyödyntäen GIS-ohjelmistoa, kiinteistörajatietoja, Metsähallituksen metsäkuviotietoja ja luontoarvoiltaan merkittäviä kohteita ja/tai suojelualuetietoja sekä yksityismaiden lupatietoja. Myös valmiit reitit ja erilaiset esteet, kuten poroaidat voitiin ottaa huomioon liikkumisessa. Metsäkuviotietoja käytettiin etukäteen luokiteltuna, jolloin voitiin välttää kulun kannalta hankalat kuviot ja sitä kautta minimoida puusto- ja taimikkovauriot. Reitinoptimoinnin toteutus on dokumentoitu erillisessä raportissa (Taivalkoski ja Sarala 2013). Taulukko 3. Näytteenottomenetelmien soveltuvuus maa- ja kallioperänäytteiden ottamiseen. Jatkotoimenpiteet ja suositukset Tehtävässä toteutetut tutkimukset ja menetelmätestaukset antoivat positiivisia tuloksia erilaisten näytteenottomenetelmien soveltuvuudesta isojen pohjamoreeninäytteiden ottamiseen ja kalliovarmistuksen tekemiseen. Kuitenkaan mikään testatuista laiteratkaisuista ei kokonaisuutena täyttänyt tavoitteita tehokkaasta ja ympäristöä erittäin vähän kuorimittavasta näytteenottomenetelmästä. Myös kustannustehokkuudessa on parantamiseen varaa useilla menetelmillä. Saatujen kokemusten perusteella suositeltavin laitteistoratkaisu on mahdollisimman kevytrakenteinen, tela-alustainen, maa- ja syväkairausyksiköllä varustettu syväkairausyksikkö, jossa optiona on korkeataajuuskairausyksikkö jatkuvien näytesarjojen saamiseksi sekä maapeitteestä että kallionpinnasta. Varsinaista kairausyksikköä tukemaan tarvitaan lisäksi niin ikään tela-alustainen huuhteluveden kuljetusyksikkö. Joko perinteisen maakairauksen tai SonicDrill-kairauksen jälkeen syväkairausta voidaan tarvittaessa jatkaa perinteisin menetelmin esim. kalliosta havaitun mineralisoituneen kiven syvempien näytteiden ottamiseksi. Näytteenottoa voidaan tehdä tela-alustaisilla laitteistoilla ympäri vuoden, mutta suositeltavinta on työn toteuttaminen talvikautena maanpinnan ollessa jäässä ja lumen peittämä. Tällöin maastoon jää mahdollisimman vähän jälkiä näytteenottopisteillä ja sinne kuljettaessa. Suositellulla näytteenottokonseptilla vähennetään ympäristövaikutuksia, koska samalla kertaa saadaan sekä maa- että kallioperänäytteet, geokemialliset ja mineralogiset näytteet ja näytteenotto voidaan suorittaa ympäristönäkökohdat huomioiden sopivimpana ajankohtana. Myös porauksesta tulevan soijan määrä on vähäinen, koska huuhteluveden määrä pyritään pitämään minimissä mahdollisimman häiriintymättömän näytteen saamiseksi. Jatkotoimenpidesuosituksena on: Edellä mainitun suositeltavan laitteisto- ja alustaratkaisun kehittäminen ja sovellettu testaus erilaisilla luontotyypeillä (suot, tunturialue jne.) ja maaperämuodostuma-alueilla (erilaiset moreenimuodostumat, harjut jne.), tiestön ulkopuolella.

16 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 10 Sonic drilling -kairauslaitteiston saaminen Suomeen (sovellusmahdollisuuksia paljon muussakin tutkimuksessa kuin malminetsinnässä; esim. pohjarakennetutkimukset, ympäristötutkimukset, pohjavesitutkimukset jne.) Metsäkuvio- ja suojelualuetietoihin pohjautuvan reitinoptimoinnin ja maastotallentimen käyttö tulisi saada normaalikäyttöön puustovahinkojen vähentämiseksi ja näytteenoton tehostamiseksi. 4.2 Tehtävä 2. Moreenin mineraloginen tutkimus Suunniteltu työmäärä: 5 htkk Vastuuhenkilö: FT Jukka Marmo ja FT Marja Lehtonen Tavoite: - Tavoitteena kehittää kustannustehokas raskasmineraalinäytteiden esikäsittelyja analysointikonsepti - Automatisoidun mineraalitunnistuksen hyödyntäminen mineralogisen tutkimuksen tehostamiseksi Johdanto ja tavoite Maaperänäytteen tutkimiseen on jo olemassa luotettavat elektronioptiset tutkimusmenetelmät. Sen sijaan malmipotentiaali- ja -viitearviointiin on kehitettävä kustannustehokas ja luotettava näytteiden käsittely- ja tutkimusmenetelmä. Koska kustannustehokkuus edellyttää nopean kemian analytiikan ja vaativan elektronioptisen tutkimuksen yhdistelmän optimoimista, kehitystyössä operoidaan moreenin raskasmineraalikonsentraateilla (= malmipotentiaali- ja malmiviiteinformaation konsentraatti), jotka on kyettävä valmistamaan niin, ettei näytteen mahdollinen potentiaali- ja viiteinformaatio tuhoudu. Samalla on varmistettava näytteen sisältävän raskasmineraalikonsentraatin edustavuus käsittely- ja tutkimusprosessin kaikissa vaiheissa. Kehitystyö kattaa seuraavat vaiheet: 1. Kentältä otettavan näytteen koko 2. Tutkittavan jakeen valinta (<0,06 mm, mm,?) 3. Raskasmineraalikonsentraatin valmistamista ja tutkimusta haittaavien sekundaarimineraalien (esim. götiitti ja pintasaostumat) primääri-informaation säilyttävän poistomenetelmän kehittäminen 4. Raskasmineraalikonsentraatin käsittely ja näytemäärän mitoittaminen kemian analytiikkaa varten (edustavuuden varmistaminen) 5. Raskasmineraalikonsentraation käsittely elektronioptiseen analytiikkaan ja tutkimukseen 6. Automatisoidun mineraalitunnistuksen käyttö mineralogisen tutkimuksen tehostamiseksi Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää nopea ja luotettava malminetsijöitä hyödyttävä näytteenkäsittely- ja tutkimusmenetelmä, jossa kaikkien näytteiden raskasmineraalikonsentraatit analysoidaan kemiallisin menetelmin, joiden tuloksena seuloutuvat malmipotentiaali- ja -viiteindikatiiviset näyt-

17 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 11 teet automatisoituihin, elektronioptisiin mineralogisiin tutkimuksiin. Mineralogisen tutkimuksen avulla voidaan selvittää paljastuneiden indikaatioiden malmigeneettinen arvo (potentiaali) tai käyttää indikaatioita tunnistusmittakaavaiseen tai kohteelliseen malminetsintään. Tässä osiossa yhteistyökumppanina oli Geological Survey of Canada (Ottawa), josta tutkijayhteistyötä tehtiin Dr. Isabelle McMartinin ja M.Sc. Beth McClenaghanin kanssa. Yhteistyö sisälsi tiedonvaihtoa ja tutkijavierailuja sekä Kanadaan että Suomeen ja myös näytteiden vertailututkimusta. Toteutus Tehtävässä kehitettiin uusi näytteiden esikäsittely ja analysointimenetelmä hyödyntäen tunnetusta tutkimuskohteesta Ilomantsista kerättyä näytemateriaalia. Uuteen prosessiin kuului moreeninäytteiden (<1 mm:n fraktion) seulonta ja konsentrointi käyttäen tärypöytää sekä sen jälkeen magnetiittivapaan osakonsentraatin mikroaaltouunitehostettu liotus ennen kemiallista analysointia käyttäen HR-SC-ICPMS-menetelmää. Pitoisuuksien ja tutkimuksen kannalta mielenkiintoiset konsentraatit valittiin tutkittavaksi tarkemmin automatisoidulla mineralogisella tunnistusmenetelmällä (FE-SEM- EDS:llä). Kehitettyä näytteenkäsittely- ja tutkimusproseduuria testattiin ja modifioitiin varsinaisilla Savukosken-Pelkosenniemen alueelta tehtävässä 1 kerätyillä näytteillä sekä kontrolloitiin vertailututkimuksella Kanadassa ODM-laboratoriossa. Tarkempi tutkimusprosessin kuvaus, toteutus ja tulokset on koottu erilliseen raporttiin (Lehtonen ym. 2014; GTK:n arkistoraportti 102/2014) ja tieteelliseen artikkeliin Lehtonen ym. (2015). Tulokset ja johtopäätökset NovTecEx-näytteille suunniteltu näytekäsittely osoittautui tehokkaaksi. Se oli yhdistelmä perinteisistä ja moderneista metodologioista. Hienorakeiset raskasmineraalit saatiin moreenista luotettavasti talteen, ja niiden päämineralogia pystyttiin nopeasti määrittämään LV-SEM-EDS:llä. Tuloksena syntyi raskasmineraalitietokanta Savukosken-Pelkosenniemen näytteenottoalueelle. Yksi projektin haastavimmista osuuksista oli kehittää menetelmä, jolla raskasmineraalikonsentraatit saataisiin kokonaan liuotettua mikroaaltouunitekniikan avulla. Tuloksena kehitetty protokolla on huomattavasti aikaa ja henkilötyötä säästävä perinteisiin liuotusmenetelmiin verrattuna. HR-SC- ICPMS:n analyysivalmiudet mahdollistavat alle ppb-tason hivenalkuainekoostumuksen mittaamisen. FE-SEM-EDS:llä tehdyissä yksityiskohtaisissa mineralogisissa selvityksissä havaittiin jopa alle 1 μm kokoisia yksittäisiä indikaattorimineraalien rakeita tai -sulkeumia. Projektin lopputulokset osoittavat, että modernit tutkimuslaitteet voivat huomattavasti pienentää malminetsintään käytettävien näytteiden alkuperäistä näytekokoa. Tässä tutkimuksessa yleisimmin käytetty näytekoko oli alun alkaen melko pieni (5 l), mutta mineralogiseen määritykseen riittävä. Pieni näytekoko vähentää luonnollisesti näytteenottoon ja -prosessointiin vaadittavaa kapasiteettia, ja edelleen ko. toiminnan vaikutusta ympäristöön. Lisää tutkimustyötä kuitenkin vaadittaisiin optimaalisen näytekoon määrittämiseen erityyppisiin tutkimuksiin, sekä mahdollisten oikoteiden havaitsemiseen näyteprosessointikaaviossa. Jäljelle jäänyt NovTecEx-näyteaineisto tarjoaa tähän erinomaisen tutkimusmateriaalin mahdollisille kehitysprojekteille jatkossa.

18 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti Tehtävä 3. Kentällä suoritettavat on-site -analyysimenetelmät Suunniteltu työmäärä: 8 htkk Vastuuhenkilö: FT Pertti Sarala Tavoite: - Kannettavien analyysilaitteiden soveltuvuuden testaus osana geokemiallisen näytteenoton kehittämistä ja tulosten reaaliaikaista hyödyntämistä Johdanto Ns. on-line kenttäanalysaattorit, kuten kannettavat XRF-laitteet, ovat viimeisten vuosien aikana kehittyneet huimasti ja niiden luotettavuus sekä tarkkuus ovat lisääntyneet merkittävästi. Kaivoksilla ja erilaisten prosessien ohjauksessa kannettavat analysaattorit ovat olleet käytössä jo pidempään, mutta malminetsinnässä laitteiden käyttö on ollut vähäisempää. Yleensä laitteita on käytetty kivien ja kallion alkuainepitoisuuksien määrittämiseen, muttei juurikaan maaperänäytteiden mittaamiseen. Tutkittavia ja testattavia asioita ovat olleet esim. luotettava näytteenkäsittely ja mittaamisprosessi kentällä sekä tiedonsiirto laitteista tietokantoihin. Tehtävässä pyrittiin myös arvioimaan mahdollisuutta hyödyntää kannettavan analysaattorin käyttöä reaaliaikaiseen näytteenoton ohjaukseen. Toteutus Projektille hankittiin kannettava XRF-laite (Olympus Delta 6000), jolla mitattiin moreeni- ja kivinäytteitä Savukosken-Pelkosenniemen alueelta kerätystä näytemateriaalista. Mittausproseduuria kehitettiin lähinnä moreeniainekselle sopivaksi ja mittausjärjestelyillä tutkittiin kannettavan analysaattorin toimivuutta moreenin kemiallisen koostumuksen mittaamiseen kenttäolosuhteissa. Menetelmistä ja tuloksista on kerrottu tarkemmin erillisessä raportissa, joka on julkaistu GTK:n arkistoraporttina 120/2014 (Sarala ym. 2014) ja Special Paper artikkelissa Sarala ym. (2015). Tutkimuksessa mitattiin 100 moreeninäytettä kattaen koko Savukoski-Pelkosenniemi tutkimusalueen. Mittauksia tehtiin kolmella eri esikäsittelyllä: a) luonnon kostea n. < 2 mm fraktio, b) kuivattu n. < 2 mm:n fraktio ja c) kuivattu, jauhettu ja briketöity (eli ns. XRF-nappi). Näistä briketit analysoitiin laboratorio-xrf:llä vertailuaineiston saamiseksi. Lisäksi rinnakkaisista näytteistä analysoitiin <0,06 mm:n fraktio perinteisellä kuningasvesiuuttomenetelmällä käyttäen ICP-AES ja -MS - määritysmenetelmiä. Kannettavalla XRF-analysaattorilla mitattaessa käytettiin laitteessa olevia tehdasasetuksilla olevia SOIL- ja MiningPlus-moodeja. Kummallakin moodilla suoritettiin jokaisesta näytteestä kolme mittausta, joiden laitteen laskemaa keskiarvoa käytettiin lopullisena analyysituloksena. Mittausten kontrolloimiseksi tehtiin duplikaattimittauksia näytteen välein ja lisäksi käytettiin vertailunäytteinä aiemmin mitattua XRF-nappia sekä GTK:n sisäistä projektinäytettä. Laadunkontrolloinnin tulokset on esitetty Special Paper -artikkelissa Sarala ym. (2015).

19 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 13 Tulokset Tulosten perusteella eri menetelmin saadut alkuainepitoisuudet näyttäisivät korreloituvan hyvin keskenään ja erityisesti perusmetallien suhteen kannettavan XRF:n tulokset ovat erinomaisia (kuva 3). Tasoeroista huolimatta korkeat ja alhaiset pitoisuudet näyttävät noudattavan samaa trendiä ja indikoivat anomaalisia pitoisuuksia näytemateriaalin käsittelytavasta ja mittausmenetelmästä riippumatta. Sen sijaan pääalkuaineilla on nähtävissä eroja eri näytteenkäsittelytapojen ja mittalaitteiden välillä (kuva 4). Erityisesti kuningasvesiuutosta tehdyt kemialliset analyysit ovat tasoiltaan selkeästi alhaisempia johtuen ko. alkuaineita sisältävien mineraalien heikosta liukenemisesta kuningasveteen (=osittaisuuttomenetelmä, kun XRF on totaalianalyysimenetelmä). Kuva 3. Boxplot-diagrammeja Cu, Cr, Zn and Fe jakautumisesta eri moreeninäytetyypeillä ja mittausmenetelmillä (pxrf, wet = luonnollinen, kostea näyte, käsi-xrf; pxrf, dry = luonnollinen, kuiva näyte, käsi- XRF; Lab XRF, briq = jauhettu ja puristettu näyte, laboratorio XRF; pxrf briq = labra-xrf-puriste, käsi- XRF; AR, ICP-OES = kuningasvesiuutettu <0,06 mm:n fraktio, ICP-OES).

20 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS NovTecEx - Loppuraportti 14 Kuva 4. Boxplot-diagrammeja Al, Ca, K ja Mn jakautumisesta eri moreeninäytetyypeillä ja mittausmenetelmillä (pxrf, wet = luonnollinen, kostea näyte, käsi-xrf; pxrf, dry = luonnollinen, kuiva näyte, käsi-xrf; Lab XRF, briq = jauhettu ja puristettu näyte, laboratorio XRF; pxrf briq = labra-xrf-puriste, käsi-xrf; AR, ICP-OES = kuningasvesiuutettu <0,06 mm:n fraktio, ICP-OES). Vertailun perusteella voidaan kannettavalla XRF:llä saatuja tuloksia pitää hyvinä ja joiltain osin jopa erinomaisina. Erityisesti on huomioitava, että huolimatta näytteenkäsittelytavasta, tulosten perusteella voidaan selkeästi tunnistaa samansuuntaiset trendit ja saada selville anomaalisimmat näytteet, jotka indikoivat mahdollista mineralisoitumista moreeniaineksen lähtöalueella. Positiivista kannettavan XRF-laitteen käytön kannalta on, että menetelmä toimii myös luonnollisille, kosteille ja esikäsittelemättömille moreeninäytteille, mikä alentaa näytteenkäsittelykustannuksia ja tehostaa malminetsintätutkimuksia. Tulosten pohjalta voidaan todeta kannettavan XRF-analysaattorin toimivan: Erinomaisesti perusmetalleille (Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, V, Zn) Erinomaisesti/hyvin useimmille pääalkuaineille (Al, Ca, K)