GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ydinjätteiden sijoitustutkimukset. Raportti kauppa- ja teollisuusministeriön rahoittamasta tutkimuksesta

Transkriptio

1

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ydinjätteiden sijoitustutkimukset Tiedonanto YST - 69 Markku Paananen SAHKOISET LUOTAUKSET, GEOFYSIKAALISET REIKAMITTAUKSET JA HYDRAULISET TESTIT PASMAJARVEN POSTGLASIAALISELLA SIIRROKSELLA Raportti kauppa- ja teollisuusministeriön rahoittamasta tutkimuksesta Abstract: Resistivity soundings, geophysical borehole measurements and hydraulic tests at Pasmajarvi postglacial fault, Northern Finland.... Espoo, marraskuu 1989

3 Markku Paananen, Resistivity soundings, geophysical borehole measurernents and hydraulic tests at Pasmajarvi postglacial fault, Northern Finland. Geological Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research, Report YST-69, 25 pages, 9 pictures, 2 tables and 28 appendices. ABSTRACT The aim of this study was to investigate the geological structure of the Pasmajarvi postglacial fault using resistivity soundings, and to interpret the hydraulic tests and geophysical measurements carried out i n shallow boreholes i n the vicinity of the fault. The Pasmajarvi fault, located in Kolari, Northern Finland was found by airphoto interpretations i n the 1960s. The fault, which i s 4 km long, has a strike of 50' with a scarp height of 5-12 rn. On the basis of drilling data and geophysical ground measurements, the fault dips 50'-65' to the southeast near the fault scarp. Previous studies revealed that the fault i s located in a contact of fractured granite and more intact rnica gneiss. As there is a significant petrophysical contrast between the hanging Wall and the footwall sides, the fault can be detected by resistivity sounding. The soundings were carried out at nine points on the hanging Wall side and at one point on the footwall side using the Schlurnberger configuration. The distance between the sounding points on the hanging Wall side was 50 m and the greatest electrode distance from one point was 500 m. The data were interpreted with the aid of a layered earth model. The results of the soundings indicate that the fault dips about 25'-30' to the southeast over a lateral distance of 450 m from the fault scarp. Thus the dip of the fault i s probably not constant and becomes rnore gentle with increasing depth. However, the greatest depth of the fault i s not yet known. The structural model of the fault i s not fully ambiguous because the layered earth model i s only a rough approximation of a structure that may be much more complicated. The findings of the water consurnption tests were interpreted with the aid of Moye's equation. The water conductivity values in the boreholes are very high (10- '-10-~ m/s), indicating strongly fractured rock mass. In borehole 1, the water conductivity values decrease significantly at a depth of 34 m. It i s likely that the drill hole intersected the lower contact of fractured zone at this depth. Borehole 2 shows no sign of decreasing water conductivity at the bottom.

4 In borehole 1 (depth under 34 m), the apparent fracture porosity values calculated from the water conductivities are usually 1.5-4%. A t the bottom of the borehole the fracture porosity is less than 0.1%. In borehole 2 fracture porosities are usually lower than in borehole 1, about %. Geophysical measurements in borehole 2 (resistivity of rock and resistivity and temperature of water) revealed that the rock mass in the vicinity of the fault is fractured. Resistivity values are about ohmm (short normal) and the apparent fracture porosity values calculated from resistivity measurements are 1-15%. Although resistivities are clearly less than 1000 ohmm below a depth of about 63 m a significant increase in resistivity occurs below 70 m. This may indicate a more intact rock mass. According to the drill core data, mica gneiss begins at m, a depth that is interpreted as the lower contact of the fractured zone associated with the fault. Fracture porosity values calculated from resistivity data are much higher than those calculated from water conductivity. This is probably due to the mineral conductors and surface conductivities. On the other hand, the water conductivities are average values of sections 3 m long and sharp local changes in fracture porosity may escape detection when this method is used. Markku Paananen Geological Survey of Finland SF ESPOO Finland ISBN ISSN

5 Markku Paananen, Sähköiset luotaukset, geofysikaaliset reikämittaukset ja hydrauliset testit Pasmajarven postglasiaalisella siirroksella. Geologian tutkimuskeskus, Ydinjätteiden sijoitustutkimukset, tiedonanto YST-69, 25 sivua, 9 kuvaa, 2 taulukkoa ja 28 liitetta. Tämän työn tarkoituksena on tutkia Pasmajarven postglasiaalisen siirroksen rakennegeologisia ominaisuuksia sahköisin luotauksin seka tulkita siirrosvyöhykkeeseen kairatuissa rei'issa tehdyt hydrauliset testit ja geofysikaaliset mittaukset. Pasmajarven siirros sijaitsee Kolarin kunnassa karttalehdellä ja se on löydetty 60-luvulla maaperakartoitusta va.rten tehdyn ilmakuvatulkinnan yhteydessa. Siirroksen pituus on 4 km, suunta 50' ja törmän korkeus 5-12 m. Aikaisemmissa tutkimuksissa siirroksen kaateeks i sen pintaosissa on saatu kairausten ja geofysikaalisten maanpintamittausten perusteella 50'-65' kaakkoon. Kaateen kayttaytymisesta syvemmalla e i kuitenkaan ole tarkkaa käsitystä. Aikaisempien tutkimusten perusteella Pasmajärven siirros muodostaa selkeän petrofysikaalisen kontrastin rikkonaisen graniittisen kattopuolen ja ehjemman kiillegneissivaltaisen jalkapuolen välillä, joten periaatteessa se on havaittavissa sahköisillä luotauksilla. Luotaus suoritettiin 9 pisteessä siirroksen kattopuolella Schlumberger-elektrodijarjestelmalla. Saadut luotaustulokset viittaavat siihen, etta siirroksen kaade syvemmalla on loivempi kuin aikaisempien pintahavaintojen perusteella tulkittu e l i noin 25'-30'. Kaade siis todennaköisesti loivenee syvyyden kasvaessa. Luotaustulosten perusteella saatu rakennegeologinen malli e i kuitenkaan ole täysin yksikasitteinen johtuen lähinnä epatarkkuuksista kerrosmallitulkinnoissa ja johtavuusrakenteesta, joka todennaköisesti on monimutkaisempi kuin tulkintamalli. Kairausten yhteydessa tehdyt vesimenekkikokeet tulkitt i i n käyttäen Moyen kaavaa. Lasketut vedenjohtavuudet ovat varsin suuria e l i luokkaa ~ m/s, mikä viittaa voimakkaasti rakoilleeseen ja ruhjoutuneeseen kiviainekseen. Vedenjohtavuus pienenee KR1:ssä selvästi reikapituuden 34 m jalkeen, joten todennaköisesti talla syvyydellä siirrokseen liittyvän ruhjoutuneen vyöhykkeen alakontakti tulee lavistetyksi. Myös KR2:n geofysikaalisten reikämittausten (veden lämpötila, veden ominaisvastus ja kiven ominaisvastus) perusteella kivi on rikkonaista. Mitatut ominaisvastukset ovat pieniä, n ohmm lyhytnormaalimittauksella ja lasketut naennaiset rakohuokoisuudet 1-15%. Ominaisvastukset ovat syvyyden n. 63 m jälkeen selvasti

6 alle 1000 ohmm, mutta lyhytnormaalimittauksessa havaitaan aivan luotausprofiilin lopussa n. 70 metrista alkaen lähes dekadin kasvu ominaisvastuksessa. Tamä voi olla indikaatio kiven muuttumisesta vähitellen ehjemmaksi. Koska vedenjohtavuus KR2:n pohjalla ei kuitenkaan pienene (viimeinen testivali m), ei siirroksen jalkapuolen ehjempaa kiillegneissia ole vielä kunnolla tavoitettu. Kairasydantarkastelun perusteella kiillegneissi alkaa syvyydellä m, mikä on tulkittu ruhjoutuneen vyöhykkeen alakontaktiksi. Ominaisvastusmittausten perusteella lasketut rakohuokoisuusarvot ovat huomattavasti korkeampia kuin hydraulisten testien perusteella lasketut. Syynä voivat olla mineraaliset johteet ja pintajohtavuusilmiöt, jotka pienentävät mitattua ominaisvastusta enemmän kuin pelkkä rakohuokoisuus. Toisaalta lasketut vesimenekit ovat keskimaaraisiä arvoja 3 m testivalille, jolloin terävät paikalliset rakohuokoisuuden muutokset jaavat huomaamatta. Markku Paananen Geologian tutkimuskeskus ESPOO ISBN ISSN

7 ABSTRACT 1. JOHDANTO PASMAJARVEN SIIRROS Maavastusluotaus Mallitus Tulosten tulkinta Geofysikaaliset reikamittaukset Hydrauliset testit Vesimenekkikokeiden tulkinnasta Vesimenekkikokeiden tulokset Rakohuokoisuuden laskeminen resistiivisyys- mittausten ja hydraulisten testien perusteella YHTEENVETO KIRJALLISUUSVIITTEET LIITTEET

8 1. JOHDANTO Kallioperän käyttäytymisellä lohkoliikunnoissa on merkitystä korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoituksen kannalta. Uuden siirroksen syntyminen valittuun kalliolohkoon saattaisi jatekapselien rikkoutumisen lisäksi luoda uuden kulkeutumisreitin loppusijoitustilasta biosfäariin. Kallioperän lohkoliikunnoista on mahdollista saada käsitys tutkimalla niistä nuorimpia tunnettuja, ns. postglasiaalisia siirroksia, joiden synty ajoittuu jäätikön vetäytymisvaiheeseen n vuotta sitten. Tärkeintä on selvittää, ovatko neotektoniset liikunnot rikkoneet ennestään ehjaa kalliota vai liittyvätkö ne vanhempiin ruhjeisiin, jotka ovat reaktivoituneet postglasiaaliaikana. Jotta liikuntojen syntymekanismista saataisiin tietoa, on myös postglasiaalisten siirrosten rakennegeologisia ominaisuuksia selvitettävä. Tärkeimmät Suomen havaituista postglasiaalisista siirroksista on löydetty maaperäkartoitusta varten tehdyn ilmakuvatulkinnan yhteydessa (Kujansuu 1964). Niiden läheisyydessä sijaitsevat maanvieremät osoittavat, että postglasiaalisten siirrosten syntyyn on liittynyt huomattavaa seismista aktiivisuutta. Tässä työssä on tutkittu Pasmajärven postglasiaalisen siirroksen rakennegeologisia piirteitä galvaanisilla luotauksilla. Työssä on myös käyty läpi ja tulkittu siirroksen kairauksen yhteydessa tehtyjen hydraulisten testien sekä reikägeofysikaalisten mittausten tulokset.

9 2 2. PASMAJARVEN SIIRROS Pasmajärven postglasiaalinen siirros sijaitsee Länsi- Lapissa Kolarin kunnassa karttalehdellä Siirroslinjan suunta on n. 50 koilliseen ja pituus 4-5 km (kuva 1). Siirroksen kaakonpuoleinen lohko on kohonnut 4-10 m. Aikaisemmissa tutkimuksissa (Kukkonen ja Kuivamäki 1985 seka Paananen 1987) on selvitetty siirroksen rakennegeologisia ominaisuuksia seka sen yhteyttä kallioperän vanhempiin rakenteisiin. Laajan geofysikaalisen mittausaineiston sekä kairausten perusteella siirroksen kaateeksi sen pintaosissa on arvioitu 45'-60' kaakkoon. Siirros on siis rakenteeltaan käanteissiirros. Kaateen käyttäytymisestä syvemmällä ei kuitenkaan ole tarkkaa käsitystä. Kuva 1. Pasiajärven postglasiaalinen siirros ja sen poikki kulkeva sähköinen luotausprofiili.

10 Magneettisten maanpintamittausten mukaan Pasmajärven siirros sijaitsee keskiosassaan kivilajikontaktissa. Kairausten ja paljastumahavaintojen perusteella kattopuoli on lähellä siirrosta graniittia ja jalkapuoli migmatiittista kiillegneissiä. Kattopuolella on kairausten yhteydessä havaittu laajahkojakin gneissiosueita. Sähkömagneettisissa mittauksissa (Slingram 14 khz) on havaittu siirroslinjaan liittyvän johtavuusarvoja, jotka ilmeisesti aiheutuvat vanhempaan ruhjeeseen konsentroituneesta mineraalisesta johteesta. Seismisen refraktioluotauksen ja maavastusluotauksen perusteella siirroksen graniittisempi kattopuoli on rikkoutunut lohkoliikuntojen yhteydessa useiden satojen metrien matkalla. 2.1 Maavastusluotaus Luotauksen tarkoituksena on selvittää Pasmajarven siirroksen rakennetta mahdollisimman syvältä. Aikaisemman maavastusluotauksen perusteella (Paananen 1987) kattopuolen rikkoutunut graniitti ja kiillegneissi on selvästi paremmin johtavaa kuin jalkapuolen ehjempi kiillegneissi. Tulkitut ominaisvastukset ovat kattopuolella ohmm ja jalkapuolella ohmm. Resistiivisyysero voidaan havaita myös petrofysikaalisista mittaustuloksista, joissa kiillegneissit ovat resistiivisempia kuin graniitit. Laboratoriomittauksissa erot ovat kuitenkin pieniä, mikä johtuu kallion johtavuutta dominoivien luonnollisten rakovyöhykkeiden puuttumisesta. Koska siirros ainakin keskiosassaan sijaitsee kahden ominaisvastukseltaan erilaisen kivilajin kontaktissa, se on periaatteessa havaittavissa maavastusluotauksella. Pasmajarven siirroksen kaade ainakin sen pintaosissa on melko pysty, joten vaakakerrosmallin käyttö tulosten tulkinnassa aiheuttaa virheen. Tulkintaa varten laadittiin tietokoneohjelma, jolla tarkastellaan vaakakerrosmallin soveltuvuutta kaltevan kontaktin (45') tulkin-

11 taan. Ohjelma laskee näennäisen ominaisvastuksen kayttaen mm. de Geryn ja Kunetzin (1956) esittämää potentiaalikentan lauseketta Mallitus Teoreettisena mallina käytetään kahta kalliolohkoa, joita rajoittaa kalteva (45O) kontakti (kuva 2). Naennaiset ominaisvastukset on laskettu Schlumberger-elektrodijarjestelmälle siten, että luotaus tehdään kontaktin kattopuolella kulun suuntaisena. Muuteltavia parametreja ovat kummankin kalliolohkon ominaisvastukset seka luotauspisteen horisontaalietaisyys kontaktista. Kuva 2. Teoreettinen malli. Kuvassa 3 on verrattu vaakakerrosmallia ja kaltevaa mallia, kun ylemmän kerroksen resistiivisyys on selvasti suurempi kuin alemman. Kontaktin syvyys luotauspisteen kohdalla on 50 m. Kayristä havaitaan, että kaltevalla ja vaakakerrosmallilla lasketut ominaisvastusarvot eivät oleellisesti eroa toisistaan. Kaltevassa tapauksessa e i kuitenkaan aivan saavuteta alemman kerroksen resistiivisyytta (rooa=1300 ohmm kun roo2=1000 ohmm). Jos kontaktin kaade on korkeintaan 45O ja ylempi kerros resistiivisempi, saadaan vaakakerrosmallia käyttäen siis melko tarkka tulkinta.

12 ELEKTROO 1 VRL,I [ M 1, Kuva 3. Vaakakerrosmallilla (a) ja kaltevalla mallilla (b) laskettu naennainen oiinaisvastus, kun rool=10000 ohii, roo2=1000 ohmm j a kontaktin syvyys on 50 m. Kuvassa 4 on vertailtu vaakakerrosmallia ja kaltevaa mallia, kun ylemmän kerroksen resistiivisyys on selvästi pienempi kuin alemman. Havaitaan, että vaakakerrostapauksessa naennainen ominaisvastus kasvaa jyrkästi kohti alemman kerroksen ominaisvastusta, kun taas kaltevan kontaktin lähellä ominaisvastus kasvaa korkeintaan noin kolminkertaiseksi ylempään kerrokseen nähden. Virran kulku kanavoituu siis hyvin voimakkaasti johtavampaan kattopuoleen, eikä jalkapuolen sähköisistä ominaisuuksista saada kuin suuntaa-antava käsitys. Kaltevan kontaktin (45') syvyys voidaan kuitenkin tulkita melko luotettavasti vaakakerrosmallilla.

13 UI 3 & ioooo (II > 0-3 H 1 -(II Z 1000 x LOO I I I l l l 1 1 l ELEKTRODIVALI (Ml, Kuva 4. Vaakakerrosmallilla (a) ja kaltevalla mallilla (b) laskettu näennäinen ominaisvastus, kun rool=1000 ohim, roo2=10000 ohmm ja kontaktin syvyys on 50 m Tulosten tulkinta Maavastusluotaus suoritettiin yhteistyönä Geologian tutkimuskeskuksen geofysiikan osaston kanssa. Kalustona oli Scintrexin IP-laitteisto. Luotaus tehtiin kairausprofiililla kulun suuntaisena kuvan 5 mukaisesti. Käytössä oli Schlumberger-elektrodijärjestelmä. Luotauspisteiden väli oli 50 m ja suurin elektrodietäisyys luotauspisteestä 500 m. Luotauspisteet 1-9 sijaitsevat siirroksen kattopuolella ja luotauspiste m päässä siirroslinjan jalkapuolella.

14 ji siirroslinja 4 Kuva 5. Luotauspisteiden sijainti luotausprofiililla. Luotaustulokset (liitteet 1-10) tulkittiin T. Jokisen (GTK, geofysiikan osasto) laatimalla ohjelmalla vaakakerrosmalleille. Edellaolevan mallituksen perusteella kontaktin syvyys on mahdollista tulkita melko tarkasti vielä kaltevuudella 45O. Tulkintatulokset on esitetty numeerisesti taulukossa 1 ja rakennegeologisena mallina kuvassa 6. Luotauspisteesta 8 puuttuu tulkinta, koska kerrosmallilla laskettua luotauskayraa ei saatu tyydyttävästi sopimaan mittaustuloksiin. Luotauspisteessa 10 ei ole tehty tulkintaa, koska piste sijaitsee siirroksen jalkapuolella, eikä siihen voida soveltaa samaa geologista mallia kuin kattopuolen pisteisiin.

15 Taulukko 1. Maavastustulkintoja vaakakerrosmallilla. dl ja d2 ovat 1. ja 2. kerroksen tulkitut paksuudet ja rool, roo2 ja roo3 kerrosten 1,2 vastukset.... ja 3 tulkitut ominais- piste dl rool d2 roo2 roo3 n:o rn ohrnrn rn ohrnm ohmrn Kolmannen kerroksen tulkitut orninaisvastuksen ovat kontaktin kaltevuuden vuoksi liian pieniä. Niistä voidaan kuitenkin päätellä, että kolmas kerros (jalkapuoli) on selvästi resistiivisempi kuin toinen kerros (kattopuoli). X = tulkittu kontaktin syvyys luotauspisteessa Kuva 6. Rakennegeologinen malli maavastusluotauksen perusteella. Mallissa on otettu huomioon myös kairauksessa saatu tieto.

16 Koska tulkinnoissa on aina jonkin verran epatarkkuutta ja koska siirrosvyöhykkeen johtavuusrakenne voi olla huomattavasti monimutkaisempi kuin tulkintamalli, ei luotauksen perusteella voi saada täysin yksikasitteista kuvaa kaateen kayttaytymisesta. Kuvaan 6 onkin hahmoteltu tietty alue, jonka sisalla siirrosvyöhykkeen voi otaksua kulkevan. Kaade nayttaa olevan syvemmalla selvästi loivempi kuin kallion pintaosista saadun aikaisemmaan tiedon perusteella on otaksuttu eli n ' kaakkoon. Ilmeisesti siirroksen kaade siis loivenee syvyyden kasvaessa kuten kuvassa 6 on esitetty. Mallissa on otettu huomioon kairasydänten tarkasteluun perustuva tieto, jonka mukaan ehjempi kiillegneissi alkaa KR1:ssa syvyydellä n. 34 m ja KR2:ssa syvyydellä n. 76 m. Verrattaessa luotauspisteen n:o 10 (liite 10) tuloksia muiden pisteiden tuloksiin voidaan myös havaita selvä resistiivisyyskontrasti siirroksen jalka- ja kattopuolten välillä. Alimmat mitatut naennaiset ominaisvastukset ovat jalkapuolella n ohmm ja kattopuolella n. 700 ohmm. Alhaiset ominaisvastukset kattopuolella aiheutuvat lähinnä runsaasta rakoilusta, mikä lisaa kiveä johtavamman pohjaveden tayttamaa tilaa. Myös mahdollisten rakomineraalien olemassaolo saattaa alentaa kattopuolen kiven resistiivisyytta. 2.2 Geofysikaaliset reikaiittaukset VTT:n geotekniikan laboratorio suoritti vuonna 1987 geofysikaalisia reikämittauksia Pasmajarvella kairanreikä 2:ssa. Teknisten vaikeuksin vuoksi kairanreika 1:ta ei ole voitu mitata. KR2:ssa mitatut suureet ovat: - kalliopohjaveden lämpötila - kalliopohjaveden ominaisvastus - sähköinen vastusmittaus 16" normaalijarjestelmalla (lyhyt normaali) - sahköinen vastusmittaus 64" normaalijarjestelmalla (pitkä normaali).

17 Mittaustulokset on esitetty liitteissä Mittaus suoritettiin melko pian kairauksen jalkeen, joten erityisesti lämpötilamittaukset (liite 11) ovat häiriytyneitä. Luotausprofiililla voidaan havaita lähes isoterminen alue välillä m, joka ilmeisesti aiheutuu voimakkaasta virtauksesta alaspäin melko huokoisessa väliaineessa. Virtaus todennäköisesti kanavoituu rakovyöhykkeeseen 50 m kohdalla, missä isoterminen alue päättyy. Kairasydantarkastelun perusteella 50 m jalkeen alkaa ruhjoutunut graniitti, joten gradienttimuutos ilmeisesti liittyy kiillegneissin ja graniitin kontaktiin. Toisaalta isotermisen alueen voivat aiheuttaa myös menneisyyden ilmastomuutokset. Ilman lämpeneminen on muuttanut kallion pintaosan lämpötilaa ja pienentänyt lämpötilagradienttia. Keskimääräinen vertikaaligradientti reian alaosassa on hyvin korkea, n. 44 mk/m, mikä saatta olla indikaatio hyvin huokoisesta materiaalista, jonka lämmönjohtavuus on heikko. Anomaaliset piirteet reikäpituuden 50 m jälkeen saattavat aiheutua rakoihin varastoituneesta kairauksen huuhteluvedestä, joten reikävirtauksia ei voida varmuudella tulkita. Koska lämpötilatulokset 50 metrin jälkeen ovat kuitenkin selvästi rauhattomammat kuin reian alkuosassa, voidaan reian pohjaosan kivi tulkita voimakkaasti rakoilleeksi. Kallion resistiivisyysmittauksilla voidaan kartoittaa tektonisia piirteitä, jotka yleensä dominoivat kallioperän sähköisiä ominaisuuksia. Tavallisimmat kiteiset kivet ovat huonoja johteita, joten niiden resistiivisyys riippuu voimakkaasti kalliopohjaveden määrästä ja laadusta raoissa ja huokosissa. Siten esim. kalliossa esiintyvät raot ja rakovyöhykkeet voidaan havaita resistiivisyysminimeina. Käytettäessä normaalikonfiguraatiota kairanreikämit- tauksissa ovat anomaliakayrät teoriassa symmetrisiä

18 (kuva 7). Kuvasta nähdään myös, että ymparistöaan johtavampien vyöhykkeiden näennäinen paksuus on suuremp i kuin vyöhykkeiden todellinen paksuus. Lisäksi vyöhykkeet, jotka ovat ymparistöaan resistiivisempiä ja ohuempia kuin normaalikonfiguraation elektrodiväli, aiheuttavat resistiivisyysminimin ja jäävät siten huomaamatta s P2 == THIN P1 =' P2 == Kuva 7. Teoreettisia anomaliakayria normaalijarjestelaalle, kun tutkittava vyöhyke on johtavampi (a) ja resistiivisempi (b) kuin ympäristö (Schlumberger Ltd. 1972). Mitatut ominaisvastukset (liitteet 12 ja 13) ovat alhaisia, korkeintaan n ohmm (pitkä normaali) ja n ohmm (lyhyt normaali), mikä aiheutunee kauttaaltaan rikkonaisesta kalliosta. Tätä käsitystä tukevat alueella aikaisemmin tehdyt geofysikaaliset m i t -

19 taukset (Paananen 1987). Alhaisimmat ominaisvastukset pitkänormaalimittauksessa ( ohmm) ovat reian alaosassa n. 60 metrin syvyydestä alaspäin. Kairasydäntarkastelun perusteella (liite 28) tähän alueeseen liittyy ruhjoutunut graniittinen kivi. Myös vesimenekkikokeiden mukaan reian alaosassa sijaitsee laaja vettä johtava vyöhyke. Lyhytnormaalimittauksessa tulosten perustaso on suunnilleen sama kuin pitkanormaalimittauksessa. Tulosten hajonta on kuitenkin huomattavasti suurempi, koska lyhytnormaalijärjestelmä on herkempi pienille paikallisille rakohuokoisuuden muutoksille. Lyhytnormaalimittaukseila reian pohjaosassa havaitaan kolme erillista rakovyöhyketta reikapituuksilla n. 65, 67 ja 69 m. Kahdessa viimeisessa mittauspisteessä noin 70 m reikäpituudella ominaisvastusarvot nousevat lähes dekadilla, joten mahdollisesti ruhjevyöhykkeen alakontakti lavistetaän näillä main. Kairasydantar'kastelun perusteella (liite 28) reian pohja on n. 76 metrista alkaen kiillegneissia. Kairanreiassa olevan veden vaikutusta ei ole poistettu mittaustuloksista, koska vesi on makeaa koko reian pituudelta (ominaisvastukset n ohmm). Kuvasta 8 nähdään, että reiassä sijaitsevalla vesipatsaalla alkaa olla näennäistä ominaisvastusta pienentava vaikutus vasta, kun mitatun ominaisvastuksen ja veden ominaisvastuksen välinen kontrasti on n (lyhyt normaali).

20 Kuva 8. Kairanreiëssa olevan vesipatsaan vaikutus o~inaisvastustuloksiin (Poikonen 1983). 2.3 Hydrauliset testit Pasmajärvella suoritettiin kairauksen yhteydessä kesällä 1987 vesimenekkikokeita kahdessa kairanreiassä. Reikien sijainti, pituus ja kaltevuus ilmenevät taulukosta 2.

21 Taulukko 2. Pasaajarven kairanreiät. reikä x Y pituus halkaisija kaltevuus n:o km km m mm 0 Kairanreika 1 sijaitsee n. 30 m ja kairanreikä 2 n. 90 m siirroksesta kaakkoon. Vesimenekkikoe on hydraulinen testimenetelma, jossa pyritaan maarittamaan kallion keskimääräinen vedenjohtavuus tietyllä testivalilla. Veden syötössa käytetään vakioylipainetta, jonka aikaansaamiseksi tarvittama veden virtaama mitataan. Vesimenekkikoe suoritettiin yleensä 3 m välein ja testivalina oli 3 m Vesiienekkikokeiden tulkinnasta Vakiopainekokeiden tulkintamenetelmia on kirjallisuu- dessa esitetty useita. Naista kolme tärkeintä ovat (Pingoud et al ja Ylinen 1986): - Moyen kaava - Hornerin analyysi - 1/Q-analyysi. Näissä menetelmissä valiaine oletetaan huokoiseksi ja homogeeniseksi. Kuitenkin kiteisessa kalliossa veden kulkeutuminen on anisotropian ja heterogeenisuuden takia monimutkaista ja sitä dominoivat rakovyöhykkeet (kuva 9).

22 Kuva 9. Skeaaattinen esitys kallion rakoilusta ja rakojen geometrisista suhteista (Norton ja Knapp 1977). Koska kallion rakoilun vaikutusta vedenjohtavuuteen on erittäin vaikea arvioida, on yleensä tyydyttävä homogeenisen valiaineen malliin ja keskimääräisen vedenjohtavuuden laskemiseen. Edellä esitetyistä tulkintamenetelrnista käytetään Moyen kaavaa, joka sopii parhaiten tehtyihin vesirnenekkikokeisiin. Yhtalöa voidaan käyttää stationaariselle virtaustilanteelle homogeenisessa huokoisessa valiaineessa. Sen mukaan vedenjohtavuus k on (Ylinen 1986): missä d = veden tiheys g = maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys Q = vakiovirtaama kallioon testivälillä L = testivalin pituus p = testivälissa vallitseva vakioylipaine rw= kairanreiän sade. Kaavan johdossa on tehty heuristinen oletus, että virtaarna kairanreian laheisyydessa etäisyydelle r = L/2 saakka on sylinterisymmetrista ja tata kauempana pallosymmetrista (Pingoud et al. 1988).

23 2.3.2 Vesimenekkikokeiden tulokset Liitteissa on esitetty Moyen kaavalla lasketut vedenjohtavuudet Pasmajarven kairanrei'issa kahdella eri paineella. Kuvista voidaan havaita, että lasketut vedenjohtavuusarvot 3 barin syöttöpaineella ovat yleensä jonkin verran suurempia kuin 5 barin paineella. Tama voi johtua seuraavista syistä: - Vesimenekkikoe suoritettiin 3 barin paineella aina ensimmäisenä. 5 barin painekoetta tehtäessä raot il- meisesti olivat jo osittain täyttyneet vedestä. - Valiaine ei ole homogeenisesti huokoinen, eikä vir- taama todellisuudessa riipu syöttöpaineesta samalla tavalla kuin Moyen kaavassa oletetaan. Lasketut vedenjohtavuudet ovat varsin suuria erityises- ti oletetun siirrostason kattopuolella. KR1:ssa veden- johtavuudet kasvavat valilla 7-34 m arvosta n. 5 10'~ m/s arvoon n. 10-~ m/s. Tämän jälkeen vedenjohtavuudet putoavat jyrkästi ja ovat valilla m noin 2 10-' m/s (3 bar). Ehjempi kiillegneissi on tavoitettu va- lilla m. KR2:n vedenjohtavuuksissa e i voida havaita selvää trendiä. Suurimmat vedenjohtavuudet ovat luokkaa 10-~ m/s. Satunnaiset pienemmät vedenjohtavuudet (10-~ m/s tai alle) aiheutuvat ehjemmista kiillegneissiosueista. Reiän pohjalla vedenjohtavuus e i pienene, joten vaikuttaa siltä, että siirroksen jalkapuolella olevaa ehjäa kiillegneissia ei ole vielä kunnolla tavoitettu. Lasketut vedenjohtavuusarvot ovat erittäin suuria ja viittaavat voimakkaasti rakoilleeseen kallioon erityisesti siirroksen kattopuolella. Tältä osin tulokset ovat sopusoinnussa tehtyjen geofysikaalisten maanpintamittausten kanssa.

24 2.4 Rakohuokoisuuden laskeminen resistiivisyysmittaus- ten ja hydraulisten testien perusteella Kallion näennäistä rakohuokoisuutta on mahdollista arvioida kairanreiässä tehtyjen resistiivisyysrnittausten perusteella, kun tunnetaan rakotäytteen ja kuivan kiven sähköiset ominaisuudet (Grant ja West 1965): missa nf = rakohuokoisuus d, = rakotäytteen ominaisvastus dk = kuivan kiven ominaisvastus dt = kokonaisominaisvastus. Liitteessä 19 on esitetty graafisesti KR2:n näennäinen rakohuokoisuus. Laskut on tehty olettaen kuivan kiven ominaisvastukseksi ohmm. Kuivan kiven ominaisvastuksella e i tässä yhteydessä ole kovin suurta merki- tystä, jos ominaisvastuskontrasti johtavampaan huokos- täytteeseen nähden on suuri. Rakohuokoisuutta voidaan arvioida myös hydraulisten testien avulla. Snow'n (1965) ja Louis'n (1967) mukaan yhdensuuntaiselle virtaukselle pätee: missa k = vedenjohtavuus g = maan vetovoiman kiihtyvyys e = v = S = rakoavauma viskositeetti rakoväli C = suhteellinen rakojen karkeus. Poikosen (1983) mukaan rakohuokoisuus nf voidaan esit- tää muodossa:

25 Ottaen huomioon suudelle lauseke: yhtälöt (3) ja (4) saadaan rakohuokoi- Parametrille C on laboratoriokokeissa maaritetty arvo 4 (Louis 1967). Lavian koereiassa tehtyjen vesimenekkikokeiden tulkinnassa on rakoavaumiksi reiän pintaosissa laskettu arvoja, jotka ovat laminaarista mallia käyttäen yleensä n mm (Ylinen 1986). Koska Pasmajarven siirrosvyöhykkeen rakoavaumista ei ole muuta tietoa, niille oletetaan sama arvo. Rakohuokoisuutta laskettaessa (liitteet 20 ja 21) käytetään siis seuraavia parametreja: - veden kinemaattinen viskositeetti v = ~ m2/s (t = 10 C) - rakoavauma e = ~ m - suhteellinen rakokarkeus C = 4 - maan vetovoiman kiihtyvyys g = 9.81 m/s2, Resistiivisyysmittaucten perusteella lasketut rakohuokoisuudet KR2:ssa ovat 1-15 % (liite 19). Hydraulisten testien perusteella saadut rakohuokoisuudet ovat KR1:- ssa alle 4 % (liite 20) ja KR2:ssa alle 3 % (liite 21). KR1:ssa rakohuokoisuus putoaa 34 m reikäpituudesta alaspäin arvoon n % kiillegneississa. Yleisenä trendina KR1:ssa havaitaan rakohuokoisuuden kasvu syvyyteen 34 m saakka. KR2:ssa vastaava trendi havaitaan syvyydestä n. 50 m alkaen. Resistiivisyysmittauksista lasketut rakohuokoisuudet KR2:ssa ovat huomattavasti suurempia kuin hydraulisten testien perusteella lasketut rakohuokoisuudet. Samanlaisia eroja on havainnut mm. Poikonen (1983) Loviisan Y4- kairanreiän tuloksissa. Erot voivat johtua useista tekijöistä, esim. pintajohtavuusilmiöista tai mineraalisista johteista rakovyöhykkeissa. Nama aiheuttavat

26 sen, että ominaisvastusmittausten perusteella laskettu rakohuokoisuus on liian suuri. Toisaalta Moyen kaavalla lasketut vedenjohtavuudet pitkälle testivälille (homogeenisuusoletus) seka karkea rakoavauman arviointi voivat aiheuttaa virhettä hydraulisten testien perusteella laskettuun rakohuokoisuuteen. Selvästä tasoerosta huolimatta KR2:n naennäiset huokoisuusarvot korreloivat kuitenkin kohtalaisesti keskenään. Kummassakin käyrässä havaitaan selva huokoisuuden kasvu 50 metristä alaspäin. KR1:n ja KR2:n kairasydamista lasketut rakotiheydet on esitetty liitteissä 22 ja 23. Rakennusgeologisen luokituksen (VMY 1982) mukaan rakotiheysarvot edustavat yleensä pienimmilläankin tiheärakoista kalliota (rakoja yli 10 kpl/m). KR1:ssa rakotiheys kasvaa reian alkuosan arvosta n. 20 kpl/m syvyysvalin n m arvoihin, jotka ovat suurimmillaan y l i 100 kpl/m. Reian loppuosa ehjemmässä kiillegneississa rakotiheydet ovat luokkaa kpl/m. Reiässä vuorottelevat graniittiset ja kiillegneissiosueet, eikä ruhjeen oletetun alakontaktin kattopuolella voida havaita, että rakotiheys olisi riippuvainen kivilajista lukuunottamatta syvyysvalin n m ruhjoutuneeseen graniittiin liittyvää suuren rakotiheyden aluetta. Hydraulisten testien perusteella lasketun naennaisen rakohuokoisuuden ja rakotiheyden välinen yhteys on esitetty liitteessä 24. Kuvassa havaitaan selva korrelaatio näiden suureiden välillä (laskettu korrelaatiokerroin on noin 0.62). KR2:n laskettu rakotiheyden perustaso on noin 20 kpl/m ja korkeimmat arvot n kpl/m. Reian kiillegneissivaltaiseen alkuosaan ei liity selvää trendiä. Syvyydestä n. 50 m eteenpäin ruhjoutuneeseen graniittiin liittyy selva rakotiheyden kasvu, joka jatkuu reian pohjalle saakka. Hydraulisten testien ja vastusmittausten perusteella lasketun naennaisen rakohuokoisuuden riippuvuudet rakotiheydestä on esitetty liitteissä 25 ja 26. Vastusmittausten (lyhyt normaali) perusteella

27 saadut tulokset korreloivat hieman paremmin rakotiheyden kanssa kuin hydraulisten testien perusteella saadut tulokset (korrelaatiokertoimet 0.4 ja 0.3). Syynä on todennäköisesti se, että maäritettaessä keskimääräistä vedenjohtavuutta 3 metrin testivälille jäävät hyvin paikalliset rakotiheyden muutokset huomaamatta.

28 3. YHTEENVETO Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää sahköisillä luotauksilla Pasmajarven postglasiaalisen siirroksen rakennetta. Lisäksi työssä tulkittiin vesimenekkikokeet, jotka suoritettiin vuonna 1987 kahdessa siirrosvyöhykkeeseen kairatussa reiassa. Toisessa kairanreiassa suoritettiin myös geofysikaalisia reikamittauksia (veden lämpötila, veden ominaisvastus sekä kiven ominaisvastus lyhytnormaali- ja pitkanormaalijarjestelmilla). Pasmajarven siirros sijaitsee magneettisten mittausten ja kairausten perusteella kivilajikontaktissa ainakin keskiosissaan. Kattopuolen kivi on rikkonaista ja koostuu graniitista ja migmatiittisesta kiillegneissista. Jalkapuolen kivilajina on ehjempi kiillegneissi. Siirroksen kaateeksi sen pintaosissa on saatu aikaisemmissa tutkimuksissa 50'-65' kaakkoon. Koska kaakkoispuoli on kohonnut, siirros on tulkittu rakenteeltaan kaanteissiirrokseksi. Kaateen käyttäytymisestä syvemmällä ei kuitenkaan aikaisemmin ole saatu tietoa. Koska Pasmajarven siirroksen kattopuoli on selvästi rikkonaisempi kuin sen jalkapuoli, muodostaa siirros selkeän petrofysikaalisen kontrastin, joka on periaatteessa mahdollista havaita sahköisin luotauksin. Sähköinen luotaus suoritettiin 9:ssa pisteessä siirrok- sen kattopuolella kulun suuntaisena. Käytössä oli Schlumberger-elektrodijarjestelma. Saadut luotaustulokset viittaavat siihen, että siirroksen kaade syvemmalla on loivempi kuin aikaisempien pintahavaintojen perusteella on otaksuttu eli n. 2O0-35' kaakkoon. Todennäköisesti kaade siis loivenee syvyyden kasvaessa. Kontaktia kyettiin seuraamaan törmasta 450 m päähän, missä sen tulkittu syvyys on 200 m. Luotaustulosten perusteella saatu rakennegeologinen malli ei kuitenkaan ole täysin yksikasitteinen johtuen

29 lähinnä tulkintojen mahdollisista epatarkkuuksista ja monimutkaisesta johtavuusrakenteesta. Kairauksen yhteydessä tehdyt vesimenekkikokeet tulkit- tiin käyttäen Moyen kaavaa. Testivalina o l i 3 m ja tuloksena saatiin kallion keskimaarainen vedenjohtavuus testivälillä. Lasketut vedenjohtavuudet ovat hyvin suuria, yleensä luokkaa 10-~ m/s. Vedenjohtavuus piene- nee KR1:ssä huomattavasti 34 metrista alkaen, joten ilmeisesti näillä main siirrokseen liittyvän ruhjoutu- neen vyöhykkeen alakontakti on lavistetty. KR2:n poh- jalla ei havaita vedenjohtavuuden pienenemista, joten ehjempaä kiillegneissiä ei ole reiassa vielä kunnolla tavoitettu. Geofysikaalisista reikamittauksista KR2:ssa ainakin lampötilatulokset ovat hairiytyneita, koska mittaukset on suoritettu melko pian kairauksen jalkeen. Syvyydellä m havaitaan lähes isoterminen alue, jonka on tulkittu mahdollisesti aiheutuvan voimakkaasta virtauksesta alaspäin huokoisessa valiaineessa. Virtaus ilmeisesti kanavoituu rakovyöhykkeeseen n. 50 m syvyydellä, missä isoterminen alue päättyy. Näillä main reiassa alkaa myös ruhjoutuneen graniitin osuus. Reiän loppuosan voimakas keskimaarainen vertikaaligradientti (n. 44 mk/m) aiheutunee erittäin voimakkaasti rakoilleesta kivestä, jolla on heikko lammönjohtavuus. Ominaisvastusmittausten perusteella kallio KR2:n ymparillä on hyvin rikkonaista (ominaisvastukset n ohmm lyhytnormaalimittaukse11a. Lasketut naennaiset rakohuokoisuudet ovat 1-15%. Rikkonaisin alue reiassa sijaitsee n. 60 metrin jalkeen, missa lyhytnormaalimittauksella havaitaan kolme erillista rakovyöhyketta syvyyksilla n. 65, 67 ja 69 m. Ominaisvastusarvot nousevat dekadilla 70 metrin jalkeen, mikä saattaa olla indikaatio ruhjevyöhykkeen alakontaktista ja ehjemman kiillegneissin alkamisesta.

30 2 3 KIRJALLISUUSVIITTEET Almen, K.E., Andersson, J.E., Carlsson, L., Hansson, K. and Larsson, N.A., Hydraulic testing i n crystalline rock. A comparative study of single-hole test methods. SKB technical report Swedish Geological Company, 179 p. De Gery, J.C. and Kunetz, G., Potentialand apparent resistivity over dipping beds. Geophysics 21, n:o 3, Grant, F. and West, G., Interpretation theory i n applied geophysics. New York, Mc Graw-Hill, 583 p. Kujansuu, R., Nuorista siirroksista Lapissa. Geologi 3-4, Kukkonen, 1. ja Kuivamaki, A., Geologisia ja geofysikaalisia havaintoja Pasmajarven ja Suasseljan postglasiaalisista siirroksista. Geologian tutkimuskeskus, tiedonanto YST-46, 14 s. Louis, C., Strömungsvorgange i n kluftigen Medien und ihre Wirkung auf die Standsicherheit Von Bauwerken und Böschungen i m Fels. Ph.D. thesis, Universitat Karlsruhe. Berentz Verlag, Karlsruhe, 121 p. Norton, D. and Knapp, R., Transport phenomena i n hydrothermal systems : the nature of porosity. American Journal of Science vol. 1277, Paananen, M., Venejarven, Ruostejarven, Suasseljan ja Pasmajarven postglasiaalisten siirrosten geofysikaalinen tutkimus. Geologian tutkimuskeskus, tiedonanto YST-59, 97 s.

31 Pingoud, K., Pitkänen, P., ja Kuusela, A., Kallioperan vedenjohtavuusmittausten tulkinta Kuhmon Romuvaarassa, kairanreiat KR1 ja KR2. TVO/Paikkatutkimukset, työraportti 88-20, 50 s. Poikonen, A., Application of electrical and thermal borehole logging to structural and hydrogeological investigations of crystalline bedrock. Technical Research Centre of Finland, research reports 212, 80 p. Schlumberger Ltd., Log interpretation vol. 1 : Principles. Schlumberger document, 113 p. Snow, D.T., A parallel-plate mdel of fractured permeable media. Ph.D. thesis, University of Califor- nia, Berkeley, 331 p. Vuorimiesyhdistys, Kaivos- ja louhintatekniikan käsikirja, 800 s. Ylinen, A., Lavian koereian vesimenekkikokeiden tulkinta. VTT geotekniikan laboratorio, raportti YJT

32 1-10 Sähköisten luotaustulosten kayrasovitukset KR2:n geofysikaaliset mittaustulokset Moyen kaavalla lasketut vedenjohtavuudet 19 KR2:n ominaisvastustuloksicta lasketut rako- huokoisuudet KR1:n ja KR2:n hydraulisten testien perusteel- la lasketut rakohuokoisuudet KR1:n ja KR2:n kairasydamista lasketut rako- tiheydet 2 4 KR2:n ominaisvastsusmittausten perusteella laskettu rakohuokoisuus rakotiheyden funktiona KR1:n ja KR2:n hydraulisten testien perusteel- la lasketut rakohuokoisuudet rakotiheyden funktiona KR1:n ja KR2:n kivilajit, makroskooppinen tarkastelu

33 PISTE 1 liite 1

34 PISTE 2 liite 2

35 PISTE 3 liite 3

36 PISTE 4 liite 4

37 PISTE 5 liite 5

38 PISTE 5 liite 6

39 PISTE 7 liite 7

40 PISTE 8 liite 8

41 PISTE 9 liite 9

42 liite 10 PISTE 10 IIM M

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61