Alustava hydrogeologinen tulkinta Outokummun Sukkulansalon alueesta

Transkriptio

1

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ydinjätteiden sijoitustutkimukset GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Nuclear Waste Disposal Research Tiedonanto YST -67 Report YST-67 Runar Blomqvist, Lasse Ahonen ja Veikko Hakkarainen Alustava hydrogeologinen tulkinta Outokummun Sukkulansalon alueesta Abstract: Preliminary hydrogeological interpretation of deep groundwater in the Outokumpu area Raportti Säteilyturvakeskuksen tilaamasta tutkimuksesta Espoo 1989

3 .. Runar Blomqvist, Lasse Ahonen and Veikko Hakkarainen, Pdmmaq hydrogeological inteeon of deep groudwalw in the Outokumpu area. Geological Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research, Report YST pages, 16 Figures + 2 Tables, 6 Appendices. The distribution, chemical composition and evolution of deep groundwater in the Sukkulansalo area at Outokumpu has been studied, based on sampling from previously existing explorational drill holes. A simple tube sampler technique was used, but some of the results were also obtained using a double packer sampler. The drill holes sampled are oriented in a crosssection (1 x 1 km2) perpendicular to the strike of the Outokumpu association rocks, which consist of interbedded black schists, skarn rocks, quartz rocks, carbonate rocks and serpentinites surrounded by mica schists and gneisses. Based on water chemistry and total dissolved solids (TDS), four main types of water have been recoqnized: 1) fresh Na-Ca-HCO,, 2) brackish Na- Ca-C1 (TDS 1,3-1,4 gll), 3) saline Ca-Na-C1 (TDS 5,5-15 gll) and 4) a more saline Ca-Na-(Mg)-C1 (TDS gll). The less saline water types in the drill holes are underlain by more saline ones, but occasionally, saline waters have also been recorded close to surface. Based on 6180 values a heavier and lighter saline water layer have also been identified. The lower heavier type has 6180 values close to the present-day fresh bicarbonate waters in the bedrock, and, accordingly, sirniliar climatic conditions for the recharge periods are suggested. The lighter type presumably have water components representing a colder recharge period, as do also the brackish water type, for which a considerable glacial melt water component is proposed. Saline waters in connection with the serpentinite have elevated Mg concentrations and stable isotope values deviating from the meteoric water line, which are interpreted to be caused by extensive water - rock interaction phenomena. The distribution of several different water types in a limited cross-sectional area indicate restricted conditions of groundwater mixing, which also is supported by preliminary hydraulic conductivity measurements. However, the relatively ductile schists, together with the fracture pattern controlled by the schistosity, seem to enhance a preferential hydraulic communication in directions parallel with lithological units. On the other hand topographical features and surficial groundwater conditions also seem to exert some control on the distribution of groundwater types. Based on available hydrogeological, structural and lithological data, a two-dimensional model for the distribution of groundwater types in the Sukkulansalo area is presented. Runar Blomqvist Lasse Ahonen Veikko Hakkarainen Geological Survey of Finland SF Espoo, Finland ISBN ISSN

4 Runar Blomqvist, Lasse Ahonen ja Veikko Hakkarainen, Alustava hydrogeologimn tdinta Outokumamu Sukkuhsalon alueesta. Geologian tutkimuskeskus, Ydinjatteiden sijoitustutkimukset, Tiedonanto YST sivua, 16 kuvaa + 2 taulukkoa, 6 liitettii. Outokummun Sukkulansalon alueella on tutkittu kalliopohjavesien esiintymisti, koosturnusta ja kehittymistii. Tulokset perustuvat letkumenetehndla otettuihin vesinaytteisiin vanhoista m syvisti kairausrei'istii, jotka sijaitsevat Outokumpu - jakson kulkua vastaan kohtisuorassa tasossa (1 x 1 km2). Jakso koostuu vuorottelevista mustaliuske -, karsikivi -, kvartsikivi -, kar - bonaamkivi - ja serpentiniittikerroksista, jotka sijaitsevat kiilleliuske - ja kiillegneissiymp~stossii. Osa tuloksista on varmistettu kaksoistulppamenetelmdla pumppaamalla naytteitii kallion raoista. Liuemeiden suolojen (TDS) pitoisuuksien perusteella alueella on nelja vesi- tyyppia: 1) makea elektrolyyttikoyhii Na - Ca - HCO, - vesi, 2) lievkti suo - lainen Na-Ca-C1-vesi (TDS 1,3-1,4 gll), 3) suolainen Ca-Na-C1- vesi (TDS 5,5-15 gll) ja 4) voimakkaasti suolainen Ca-Na-(Mg) -C1- vesi (TDS gll). Kairausrei'issii eri vesityypit esiintyviit syvyyden mukaan siten, ettii suolaisemmat tyypit sijaitsevat viihemmiin suolaisten tyyppien alapuolella. Suolaisia vesia on tavattu my& 1iihelU maanpintaa. Veden arvojen perusteella suolaisia vesiii on kahta eri tyyppia. Reikien alaosissa on raskaampi vesityyppi (6"O-mot: - 12, ,9) ja ylem- piina kevyempi (6180-mot: - 14, ,9). Raskaampi vesityyppi vastaa kallioperiin nykyisia bikarbonaattivesia, joten se niw muodostuneen nykyisia ilmasto - olosuhteita vastaavissa oloissa. Kevyempi suolainen vesi edustaa, tai siina on vesia, jotka edustavat nykyisti kylrnempiiii muodostumisvaihetta. Lieviisti suolaisen veden 6'80-tulokset viittaavat jwuden sulamisvesien mukana oloon. Serpentiniitin yhteydessii vedet ovat Mg - rik - kaita ja niiden stabiilien isotooppien arvd poikkeavat hieman meteorisen veden arvoista, minkii on tulkittu viittaavan voimakkaaseen kiven ja veden vdiseen vuorovaikutukseen. Alueen eri vesityyppien selva ero#uminen toisistaan osoittaa, ettii vesien sekoittuminen on ollut vusti. Osin vesityyppien rajapimat korreloivat litologisten pikiyksikoiden kanssa. Outokurnpu-jakson plastiset kivilajit, serpentiniitit ja mustat liuskeet, sekii n&hh liittyvat vettii johtavat rakenteet edistiivat eristettyjen muodostuman suuntaisten kallioakviferien syntymistii. Toisaalta topografiaeroilla ja pintahydrologialla on myos vaikutusta vesityyppien esiintymiseen ja rajapintoihin. Sukkulansalon alueesta on vesityyppien esiintymisen ja geologisen rakenteen perusteella laadittu kaksiulotteinen hydrogeologinen malli. Kaksoistulpparnenetelmiilla tehtyjen pumppausten perusteella on arvioitu testivdin kallion vedenjohtavuutta. Alustavien tulosten mukaan kallioperiin kes - kirniiiiriiinen vedenjohtavuus niyltiiii alhaiselta. ISBN ISSN

5 Tiissii raportissa esitetiiiin tutkimustulokset Siiteilyhuvakeskuksen lokakuussa 1988 Geologian tutkimuskeskukselta tilaamasta tutkimuksesta "Kallio/pohjavesi -vuorovaikutuksen tutkiminen heterogeenisissa kivilajiym~stiiissiv"' Tutkimuksen tavoitteena on saada vertailevaa tietoa kalliopohjaveden koos- tumuksesta seka kallioperiia ja pohjaveden viilisestii vuorovaikutuksesta sellaisissa kivilajiympibistiiissii, joista thhhetkisten ydinjiitteiden sijoituspruk - katutkimusten yhteyde& on saatu vain viihzin tietoa. Tutkimus perustuu osaltaan uusien niiyueenottomenetelmien kliyttijiin seki tulosten tulkimoissa sovellettuihin uusiin tyiimenetelmiin, joiden kehittelya on osaksi rahoitettu tiimiin tutkimuksen varoilla, mutta joihin my& on kiiy- tetty huomattavasti Kauppa - ja teollisuusministerion energhosaston Geologian tutkirnuskeskukselle kanavoimia ydinjiitealan tutkirnusvaroja (osahanke: G - 3. Pohjavesitutkimukset). Lisiiksi laitekehittelya on tuettu yhteispohjoismaisen ydinjatealan yhteistyijelimen NKA/KAV:n varoin. Tihiin tutkimuksen Siiteilyturvakeskuksen nimeiimlinil ohjaajana on toiminut tarkastaja Kai Jakobson ja Geologian tutkimuskeskuksen vastaavana tutkijana TkL Runar Blomqvist.

6 sr,car~s~illmbm ABSTRACT JOHDANTO 1. Tausta 2. Naytteenottimen toimintaperiaate ja rakeme TUTKIMUKSET OUTOKUMMUN SUKKULANSALON ALUEELLA 1. Vesiniiy&teenotto 2. Kallion vedenjohtavuuden mwtys 3. Painekorkeusmittaukset SUKKULANSALON ALUEEN HYDROGEOLOGINEN TULKINTA 1. Kalliopohjavesityypit 1.l. Vesityyppien esiintyminen 1.2. Luokittelu kemiallisen koostumuksen perusteella 1.3. Luokittelu veden stabiilien isotooppien perusteella 2. Vesityyppien esiintymiseen vaikuttavat tekijiit 2.1. Kallion ominaisuudet 2.2. Topograficaemt ja vesityyppien rajapintojen siirtymiset 2.3. Suolaisuuden alkuperii ja kehittyminen 3. Sukkulansalon alueen hydrogeologinen rakenne LIITELUETTELO JA LII'ITEET

7 Tiedot syviilla kiteisessii kallioperiissii olevan pohjaveden koostumuksesta ja siina vallitsevista olosuhteista ovat viime vuosiin asti olleet melko satunnaisten havaintojen varassa. Edellytykset systernaattisen tiedon hankkimiselle syntyiviit vasta kiiytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustutkimusten siirtyessii valikoitujen sijoitusalueiden tutkimiseen, jolloin kohteelliset kairaukset ja niitii seuraavat hydrologiset seka hydrogemkemialliset tutkimukset olivat mahdollisia. Sarnaan aikaan luotiin rimakkaiset edellytykset laajarnittaiseen tiedon hankintaan kallioperhtm pohjavesioloista Geologian tutkimuskeskuksen aloittaessa syvien kalliopohjavesien tutkimuksen, jossa kiiytem mahinetsimibii tehtyja pitkiii kairanreikia. Maassamme rnalmiaiheita on tutkittu varsin erilaisissa geologisissa ympiiristtiissii ja siten mahdollisuudet monipuolisen kuvan saamiseen kalliopohjaveden koostumuksesta ja olosuhteista gemlogisesti ja litologisesti erilaisilla alueilla ovat olernassa. Sateilytu~akeskuksen vuonna 1986 Geologian tutkimuskeskukselta tilaaman tutkimuksen tavoitteena oli kallioperiin ja pohjaveden viilisen vuorovaikutuk- sen tutkiminen alueella, jossa geologinen ympiiristti on monipuolinen ja edustaa kaytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen tutkimuksiin valituista ensimmziisistii alueista poikkeavaa ympibistiiii. Kohteen valinnassa pziiidyttiin Outokummun Sukkulansalon alueeseen. Eritykn hyv& pidettiin sitii, ettii alueella on kairattu useita syvia kairareikiii (kuva I), jolloin edellytykset kalliopohjaveden koostumuksen ja kallioperiin kemiallisten olosuhteiden tutki - miselle olivat hyvat. Lisiiksi alueellisesti kattava kairanre!ikiiverkosto antoi mahdollisuudet kalliopohjavesiolosuhteiden kaksi - ja kolmiulotteiseen esittii - miseen. Kesiin 1986 aikana toteutettiin laaja ntiytteenofto-ohjelma Sukkulansalon ja Per#ilahden kairausprofiilien syvistii rei'istii (Blomqvist & al. 1987). Tiimiin lisiiksi tutkittiin vastaavien reikien rakomineraaleja. Alustavat vesikemian tulokset osoittivat alueen hydrologisesti vmin monipuoliseksi. Jo aiernmin todetun kerrosrakenteen lisiiksi (Nurmi & al. 1985), jossa makean veden alla

8 on suolapitoisuudeltaan erilaisia kloridivesia, tavattiin myös reikiä, joiden vesi oli kauttaaltaan suolaista kallion pintaan saakka. Toisaalla yhdessä lyhyessä reiässä esiintyi vain resenaia bikarbonaattivettä. Sekä mineralogiset havainnot etta eräät veden isotooppikoostumuksessa havaitut piirteet tukivat päätelmää, että kiven ja veden väiiset reaktiot ovat vaikuttaneet suolaisen kailiopohjaveden koosturnuksen muodostumiseen. Vuoden 1987 jatkotutkimuksessa (Halonen & Blomqvist 1988) täydenuettiin ja varmistettiin Sukkuiansaion alueella saatuja tuloksia sekä arvioitiin suolai- sen veden alkuperää ja kehittymistä strontiumin isotooppitutkimusten sea Kuva 1. Outokummun Sukkulansalon tutkimusalueen geologinen poikkileik - kaus (Outokumpu Oy:n julkaisemattoman aineiston perusteella).

9 (ks. Smalley & al. 1988) ja kemiallisen tasapahomallituksen avulla. Tiilliiin tutkittiin my& vesityyppien sekoittumista kairanrei'issa sekii kiinnitettiin huomiota siihen, ettii en vesityyppien vasten rajapintojen korkewtet eriiissii kairarei'isa saattoivat vaihdella huomattavasti en tutkimuskerroilla. Kairanreikien vesiniiytteisiin perustuvien tulosten varmentarniseksi ja alueen hydrologisten olosuhteiden tarkentamiseksi paadyttiin ratkaisuun, jossa painotettiin tuolloin Geologian tutkimuskeskuksessa kokeilussa olleen kaksoistulppaniiytteenottimen jatkokehittelya. Nyt kiisilla oleva tutkimus on jatkoa Siiteilyturvakeskuksen tilaamille, vuosina 1986 ja Outokummun alueella tehdyille tutkimuksille*. Tka tutkimuksessa (1) kuvataan uuden paineenmittauslaitteistolla varustetun tulppanaytteenottimen edelleenkehittiimistii ja kliytt&i vesiniiytteenotossa, (2) tar - kastellaan laitteistolla tehtyja hydraulisia tutkimuksia ja niiden tulkintaa Ou- tokummun Sukkulansalon alueella, (3) kuvataan kemialliseen koostumukseen ja isotooppitutkimusten tuloksiin perustuen Sukkulansalon alueella esiintyviit kalliopohjavesityypit sekii (4) arvioidaan eri vesityyppien kehitystii ja esiin- tymiseen vaikuttavia tekijoitii ja edellisten perusteella (5) esitew alustava hydrogeologinen malli Outokummun Sukkulansalon alueesta. Raportin lopussa tehw lyhyt yhteenveto tiihjin memessii saaduista tuloksista ja esitew niikemykset siitii, miten tutkirnushanketta voitaisiin jatkaa tavoitteenasettelun saavuttamiseksi. Tulppaniiytteenotthen kiiyttijiinoton tarkoituksena on ollut monipuolistaa vesi~ytteenotton mahdollisuuksia ja tiiydentiii 1etkUnS;ytteenottimella saatua kuvaa kalliopohjavesikemias&. Pumppaamalla vesiniiyte reikiiii leikkaavista rakovyohykkeistii pyritiiiin selvittiimiiiin esimerkiksi reikzivedessii havaittujen *) Vaikka &sii tutkimuksessa kayte& jo aiemmin raportoituja tuloksia ei &hi~~ raportteihin (Blomqvist et al. 1987; Halonen & Blomqvist 1988) ~Ui~iillisesti viitata.

10 koostumuserojen alueellista luonnetta. Pumppaus~ytteenotolla saadaa~~ my& veden hapetus - pelkistyspotentiaalin ja liuenneen hapen pitoisuuden mittaus oleellisesti edustavammaksi. Samoin se rnatadollistaa niiytteenaton suuria ve - sirngiria vaativiin analyyseihin. Koko kairareiiin tutkiminen ja niiytteenotto tulppan4ytteenottimella on kuitenkin letkuprofiilimenetelmiiiin verrattuna hidas prosessi seki alttiimpi kii~ijuuttumisiin ja teknisiin hiiiriiiihin. Naytteenotto tulppaniiytteenottimella edellyttiizi riittiviisri vettiijohtavan ram tai rakovyohykkeen liiythistii. Toisaalta on my& tiirkeiiii tuntea rakovyiihykkeesd rnahdollisesti tapahtuvan virtauksen laatu ja mwa. Naytteenoton kannalta ensisijaisia ovat ne rakovyilhykkeet, jotka tuovat vettii reikiiiin. Tiimiin takia on ennen niiytteenottoa tutkittu kairareiiin veden painekorkeusjakaurnaa. Vettiijohtavan ram tai rakovyiihykkeen etsiminen on eritykesti lyhyilla tulppavileillii merkittiiva dytteenottoa hidastava tekija. Rakovyiihykkeiden paikallistarnisessa kiiytew apuna mm. kairasydiinten kivilaji- ja rakokartoituksia seu rei'istii tehtyja lihnpiitilaluotauksia. Kevyen, pieniin (46 mrn) reikiin soveltuvan tulp~~nottimen idemiiti ja kehittely alkoi Marcus Laakmharjun toimesta yhteispohjoismaisen ydinjiitealan yhteistyiielimen NKAJKAV rahoituksen turvin vuonna Kehitystyii on jatkunut my& usean muun rahoitusliihteen turvin (Geologian tutkimuskeskus, Kungliga Tekniska HLigskolan, Tukholma, Siiteilyturvakeskus seu Kauppa- ja teollisuusministerio). Laitteiston ensirnmiiinen varsinainen tutkimusty6 tehtiin Outokummun Sukkulansalon alueella, jossa nyt raportoitavan Wily- turvakeskuksen tilauksen varoin on tehty vesidiytteenottoa ja hydraulisia testeja kairarei'issii OKU-740 ja OKU-737 vuosien 1988 ja 1989 aikana. Kayttokokemustea perusteella laitteistoa on tiinii aikana kehitelty monilta osilta. Vuoden 1989 aikana laitteiston veden ulostulolinjaan yhdistettiin lapi- virtauskemosto, jossa veden ominaisuuksien mittaukset tapahtuvat. Mittarien elektrodit on yhdistetty kannettavaan mikrotietokoneeseen, joka tallentaa tiedot. Keh 1989 aikana vaihdettiin my& tulppien kumityyppia. Laitteiston painetiiviyteen ja venttiilien toimintavarmuuteen vaikuttavia muutoksia on tehty molempien kayttiikesien aikaua.

11 Naytteenottimen toiminta perustuu veden paineella tiiytetttiviin kumitulppiin (packer), joiden avulla voidaan eristiiii haluttu osa kairareiiistii kallioraoista tulevan veden pumppausta ja hydraulisia mittauksia varten. Kuvassa 2 esitetiih kaavio laitteistosta. Naytteenotin lasketaan reikiiiin halutulle syvyydelle paineenkestiiviin polyarni - diletkun varassa. Yksittiiset letkut ovat 50 m:n pituisia ja ne liitew yhteen painetta ja vetoa kestiivilla helmiliittimilla. Ylaosassa letku jakautuu kahteen noin 50 m:n pituiseen haaraan. Haarautumiskohdan on oltava selviisti vedenpinnan tason alapuolella. Toinen baara on liitetty painesiitimen ja kellokytkimen kautta ulkoiseen paineliihteeseen (kompressori tai painepullossa oleva kaasu). Toista, hanalla varustettua haaraa myiiten vesi now yl6s ja virtaa mittauskemoston liipi. T W haara on varustettu takaiskuventtiililla, joka estiiii nousevaa vetti painumasta takaisin alas. Kaksihaaraisen letkun haarautumiskohdan liiheisyydessii on painemittarin anturi, joka on kaapelin vilityksella yhteydessii maanpinnalla olevaan painemittariin. Painemittari ilmoittaa anturitason paineen vesimetreinii (m,& Tulppasysteemin ylbsassa on takaiskuventtiili, joka ohjaa tulppien tiiyttijvaiheessa paineen tiiytt6letkustoon. Tayttijletkussa oleva takaiskuventtiili estii tiiyttopaineen purkautumisen takaisin. Mittausten jueen tulpat tyhjennevethidla letkustoa, jolloin tyhjemyshana avautuu. Tyhjemyshana on vaijerin viilityksella kytketty yliitulpan ylaosassa olevaan joustavaan liitokseen. Kun niiytkenotin lasketaan reikk, pihee vesi ylatulp alapuolella olevasta vedenottoaukosta letkuun. Vedenpinta letkussa n o w sarnalle tasolle kuin reizisd ja tulppien viilinen paine on sama kuin ulkopuolella vallitseva hydrostaattinen pine. Tulppien tiiytt6vaiheessa niiytkenattohana pidew suljet - tuna ja paine painaa veden letkusta tulppiin. Vedenpinnan alenemista voidaan seurata painemittarista. Kytkettiiessii pine pis, avautuu paineletkusta yhteys ulkoilmaan ja ylzitulp alla olevasta aukosta piiiisee uutta vetti letkuun nos-

12 Kuva 2. Kaaviokuva tulppanäytteenottimesta (Laaksoharju et al. tekeilla).

13 taen vedenpinnan letkussa jiilleen alkuperklle tasolle. Pumppausta jatketaan kunnes painemittarista voidaan todeta, ettei tulppiin eniiii meae vettii. Tulp- pien tiiwpaine on 6-7 baria. Kun tulpat on tiiytetty, avataan ulostuloletkun ham, jolloin yliios~n letkusto tyhje~etih. Painekorkeusmittauksissa miwtettign tutkittavan tulppavtilin pahe mittaamalla korkeus nollatamsta, jolle vedenpinta letkussa asettuu tulppien ollessa suljettuna. Koska eri reikien hydraulisia korkeustasoja ei verrata keskenih, voidaan kussakin reibsii nollatasoksi valita vapaan vedenpinnan korkeus. Outokummun alueen mittauksissa meneteltiin seuraavasti. Tulppalaitteisto laskettiin halutulle syvyydelle. Emen tulppien tiiyttij3i osa vedestii puhallettaan ulos letkuston haarautuneesta ylaomsta ja ameuaan vedenpinnan palautua alkuperziiselle korkeudelle; tarvittava odotusaika on noin 5 minuuttia. Tulppien tiiyton jiilkeen puhallettiin jtilleen osa vedestii ulos letkusta ja seurattiin vedenpinoan kohoamista testivtilin pietsometrisen paineen edellytthille tasolle. Oclotusaika vaihtelee yleensii 15 minuutista 2 tuntiin. Mikiili ensisijaisena tarkoituksena on paikallistaa selvia sis2i2in- tai ulosvirtaustasoja reiw, saattaa dla tarkoituksenmukaista kim pelkiistiiiin yhtii tulppaa. Painemittauksessa on huomioitava mahdolliset tiheyden muutokset. Siten suolaisen veden puolelle siirryttliessii joudutaan koko letkuston vesimika vaihtamaan uutta tilannetta vastaavaksi, koska muuten tiheydeltiib erilaisen rnakean ja suolaisen veden miiriisuhde muuttuu jatkuvasti mittaustapabmaan liittyvien pumppausvaiheiden aikana. Vesiniytetti pumpattaessa ulkoinen painelzihde tyontiii letkun ylilosassa olevan veden ulos niiytteenottoe. Kun pahe vapautetaan, nousee letkuun uutta vetti3 ylwpan alapuolisesta aukosta. Pumppausta ohjataan kellokytkimen avulla. Vedenpinoan vaihtelua letkussa voidaan seurata painemiuarista ja siiiitiii sen perusteella pumppaus- ja vapaavaiheiden pituudet opimaalisiksi. Pumppauksen aikana yluevan veden ph -, Eh-, 0, - ja sihkiinjohtoky - kyarvoja voidaan seurata liipivirtauskemostoon sijoitettujen pittauselektrodien

14 avulla. Mittarit on kytketty signaalinmuuntimen vilityksella kannettavaan mikrotietokoneeseen, joka tallentaa lukemat halutuin viiliajoin. Vesinaytteenoton onnistuminen edellyttiiii hyviiii vedenjohtavuutta tulppaviilillii olevista kallioraoista. Kiiytettikssii 25 metrin tulppaviiliii, on tulppien viilinen vesitila noin Edustavan rakovesiniiytteen saanti edellyttiiii tiimiin m&irain pumppaamista moninkertaisena. Useissa tapauksissa tiimii ei riitthiia6miin vedentulon vuoksi ole kiiytibnossii mahdollista. Virtaaman ollessa riittihiwn edustavaan vesinaytteenottoon pyrittiiin pumppauksen perusteella kuitenkin arvioimaan kallion vedenjohtavuutta tutkittavalla viililla. T M edellyttiii painemittarin lukeman taltiointia tiheiisti, kiiytinn6ssii viihinttiiin kataden sekunnin vilein. Vastaavalla pumppusperiaatteella toimivia tulppaniiytteenotrimia on kiiytetty kallion vedenjohtavuuden mittaamiseen (Holmes 198 1). Vakioalipaineella tapahtuvaa pumppausta voidaan pi- analogisena rnenetelmiinii vakioylipai- neella tapahtuvalle injektiotestille ja tulosten tubwsa piiteviit sarnat penaaueet. Tulosten tulkinnan kaunalta edullisinta olisi suorittaa pumppaus joko vakio- alipaineella tai vakiovirtaamalla. Kiiytetyssii kellolaiteohjauksessa vakioita ovat pumppaus - ja vapaavaiheiden pituudet. Pumppauksen alkuvaiheessa ne jou - dutaan siitbih manuaalisesti virtauksen mukaiseksi, mistii aluksi seuraa pumppausalipainetason vaihtelua. Useimmiten pumppauksen kuluessa saavute - taan tasapainotilanne, jossa vedenpinnan vaihtelu asettuu kahden vakioarvon villiin. SUthiilla nousuvaihe riittiivb lyhyeksi, saadaan paine -ero pump - paussyklin siszilla pieneksi verrattuna kokonaisalipaineeseen, jolloin tulosten tulkinnansa voidaan ki- oletusta vakioalipaineesta. Pumppausvaiheen jiillreen seurataan vedenpinnan nousua. Tiilliiin voidaan my& palautumiskayriin jyrkyyden ja siti edeltivh pumppauksen virtaaman avulla laskea tutkittavan tulppaviilin keski-iiinen vedenjohtavuus. Palautu - miskiiyrain perusteella voidaan myos arvioida testiosuuden painekorkeustaso.

15 1. ve9naytbeemtto OUTOKUMMUN SuKKUUWW ALUEELLA Vesinäytieitä otettiin pumppaamalla kesän 1988 aikana kairareiästa OKU ja kesän 1989 aikana kairarei'istä OKU-740 ja OKU-737. Esimerkkejä seurattujen rnitiausarvojen muuaumisesta purnppauksen kuluessa esitetetään kuvassa 3 ja liitteissä 1-3. Pumpattujen vesinäytteiden kemialliset k m tumukset kairareiän OKU-740 osalta ovat taulukossa 1. - Outokumpu Dh 740, m Electric conductivity rns/m) log.scale 1000~ e Water amount ( I ) and sample nurnber (T) Time Kuva 3. Eh:n, ph:n ja sähkönjohtavuuden muuttuminen ajan mukana syvyydeltä m pumpatussa vedessä reiässä OKU-740. Kuvaan on lisäksi merkitty pumpattu vesimäärä sekä vesinäytteiden oton ajankohdat. Vertailun vuoksi kuvassa on esitetty reikävedestä samalta syvyydeltä kesalla 1987 mitatut Eh-, ph- ja sähkönjohtavuusarvot (mustat ympyrät).

16 Taulukko 1. Kemiallisen koostwnuksen muutos purnppausajan mukana kairanreiän OKU eri syvyyksiltä. D tunnus ana1,- aika itoisuus (411) Alk. Eh ph 02 'oht. vesiriiiui nwro (iin) a Na Sr C1 SM h K Fe Si U (ml) (EY) (qlll ldli) (1) Syv ys i, ~47f P P P P P reikäpituus HX) i, aika 8,6 9, ,9 11, ,o 14, ,O 12, ,6 1JI ,l 12, S v ys i, reikäpituus i, aika 17,6,1989 ~!2! , 5, , P ,l 0, P ,J 1012 JOO ,O 1,24 5,31 O,JO 0,67 t1 1,2 0, P P ,1 9, ,8 15 7,o 1,34 5,31 0,18 O,66 t5 8,l 0,O P ,4 10,l ,6 13 6,9 1,34 5,65 0,31 0,65 t4 8,2 Olo S v ys i, reikäpituus i, aika 15,6,1989 ~Id ,6 17, ,O 17 8,2 0,17 4,U 0,28 0, Syvyys i, reikäpituus i, aika 18,6,1988 6,O 14,l ,4 6,3 0,M 0,49 0,49 8, I 6,l ,O 6,4 0,09-0,34 0,48-8, ,l 14, ,2 6,5 0,12-0,36 0,45-8, ,l 15,o ,4 6,5 0,13-0,33 0,45-8, ,l 15, ,6 6,4 OI , ,3 15,o ,7 6,5 0,17-0,45 0,45-8, ,4 14, ,7 6,5 0,08 - OJ8 0,45-8, Syvyys ml reikäpituus i, aika ,I 60,7 3,5 0, ,6-7,1 0,030 0,98-7,J - 76, , ,8 64,4 3,6 OI li6 - ]II 0,027 1,O - ]II 79, ,6 67,O 3,6 0, l,6-7,l 0,037 0,96-7,3-86, ,5 73,I 3,6 0, ,7-7,O 0,014 1,O - 7,2-94,l 100 Syvyys i, reikäpituus i, aika 21,6, O ,7 3,o ,4 4,2 7,2 0,046 1,M - 7,4-21, ,6 20, , ,2 2,8 6,6 0,079 1,14-7,5-23, lo,6 20,6 2,5 0, ,l 2,5 6,4 0,087 1,15-7,5-24, , ,4 0, ,l 2,2 6,3 0,087 1,14-7,6-25,4 95

17 Pumppausten kesto pisimrnilliiin oli 5-6 tuntia tulppaviilia kohti. Ennen tulppanaytteenottimella tehtya veden pumppausta, kairarei'istii otettiin vesi~ytteet my& letkunziytteenottimella eri vesikerrosten rajapintojen selvittiimiseksi. Kairareiiin OKU -740 osalta pumppausta yritettiin taulukossa 1 esitettyjen tes - tiviilien lisiiksi useilta muilta osuuksilta, esimerkiksi metrin seka rnetrin syvyyksiltii, mutta veden tulo osoittautui nib& kohdin liian vwseksi. Pumppauksen kuluessa selvimmin muuttuvat parmtrit ovat veden hapetuspelkistyspotentiaali (Eh) seki liuenneen hapen pitoisuus. Pumppauksen lopussa seka liuemeen hapen pitoisuus ettii Eh:n arvot olivat vastaavalta syvyydelti-i letkuniiytteenottimella saatuja arvoja selviisti alhaisemmat (ks. kuva 3 ja liitteet 1-3). Tiima viittaa siihen, etti avoimessa reiiissii veteen liukenee happea, joka virtauksen tai diffuusion vaikutuksesta kulkeutuu reikiiii my&n alas*. Eh - mittauksessa saatuun eroon vaikuttaa my& osaksi se, ettii mittauselektrodin tasapainottuminen redox -elektrolyyteikdyhiissii liuoksessa edellyttiiii suuren vesimiiiiriin virtausta elektrodin ohi kuten Wikberg (1987) on todennut. Liuenneen hapen mittauksessa yhtenti ongelmana oli paineen dennunisen aihe- uttama kupliminen mittauskemostossa. Tiitii ilmicstii saath vaime~ettua ra- kentarnalla paisuntasiiilid mittauskemostoa edeltiiviiiio letkustoon. Kuvassa 4 on yleiskuva pumppauksesta reiiistii OKU-737 tulppaviililla m. Osakuvassa (A) on graafinen esitys painemittarin lukernan vaihtelusta pumppauksen eri vaiheissa. Tulppien tslytw edeltiiii puhallusvaihe (a), jonka jiilkeen vedenpinnan annetban tasaantua reiiissii olevan vedenpinnan tasolle. Tulppien tiiyativaihe (b) 6 barin ylipaineella ilmenee korkeina (n. 80 m,d mittarilukemina. Tiimiin jiilkeen sewaa pumppausvaihe, joka kuvassa niihdziiin ti- paineenvaihteluna (c). Purnppausvaiheen kiiyriin alataso (vapaavaihe) kuvaa veden pinnan nousua letkussa, yliiarvo (tyovaihe) muodostuu paineanturin ylapuolella olevan vesipatsaan painon ja pumppauksessa kaytetyn tyopaineen

18 (5 bar) summasta. Pumppausvaibeen painevaihtelut on esiteay yksityiskohtai- semmin osakuvassa D. Pumppauksen paatyaya paineen palauttmhn taltioidaan testiväiin painekorkeuden edellyttamaue tasolle (d). Keskimääräinen pump- pausaiipaiae (osakuva B) saadaan suodattamalla pois työpaineen aiheuttamat piikit ja laskemalla keskiarvo kunkin pumppaussyklin sisäisistä painelukemista. Virtaama lasketaan pumppauksen vapaavbn aikaisen vedenpinnan nousun perusteella. Lyhyellä aikaväiillä vedenpinnan nousu on Iahes hwwbta ja nousuvaiheen kulmakeitoimelle lasketaan todennäköisin arvo pienimmän neliösum - - Kuva 4. Painekäyrii ( md pumppauksen kuluessa (osakuva A). Vaiheet ulospuhallus ja vapaan saavuttaminen tdppien ollessa auki (a), tulppien täyttö (b), pumppaus (c) ja painetason paiautuminen pumppuksen jälkeen (d). Keskimaarainen alipaktaso pumppauksessa on vedenpinnan ylä- ja alatason keskiarvo (osakuva B). Virtaama pumppausajan funktiona on laskettu vedenpinnan vaihtelusta Wussa (osakuva C). on esitetty suurea.net - tuna pahearvojen oskillointi pumpausvaibeessa.

19 man menetelmiilla. Virtaama, joka on luonteeltaan jaksoittaista, saadaan kertomalla kulrnakerroin putken sisiipuolisen poikkileikkauksen pinta - alalla ja otta - malla huomioon ulospuhallusvaiheet, jolloin vedenpinta letkussa ei nouse. Laskettu virtaarna ja sen muuttuminen ajan mukana on esitetty osakuvassa (C). Liitteessi (4) on esitetty kairareiiistii OKU-737 mitattujen pumppausten alipaineet ja vastaavat virtaama-arvd ajan funktiona. Useissa pumppauksissa saavutettiin stationaarinen tila, jossa pumppausalipaine (HJ ja virtaarna (Q) ovat liihes vakid. Testiviilin vedenjohtavuus on tiillbin suoraan verrannollinen virtaarnaan ja kihtikn verrannollinen pumppausalipaineeseen. Alustava arvio vedenjohtavuudelle (K@) saadaan kaavasta (1). Jossa H, on pumppausalipaine (m,& ja L on tulppaviili (m). Kaava on yksin kertaistettu stationaarisen virtaustilan analyysissii yleisesti kiiytetystii Moyen kaavasta (2) (ks. Almkn & Persson 1984), jossa vakion (C) arvo 25 metrin tulppaviililla on noin 1.22 kaavan (3) perus- teella (d = kairareitin side). C = (1 + h(l / d)) / (2 x 3.14) (3) Kallion vedenjohtavuutta on tiissii tyw arvioitu my& paineen palautumisen pewsteella ns. Hornerin rnenetelmzili kiiyttiien (ks. esim. W n & Persson 1984, ~ikiis 1984). Painearvd esitem diagrammina, jossa abskissana on log(t / (t,+ t), missa t on palautumisvaiheen alusta kulunut aika ja t, on palau- tumisvaihetta edeltibyt pumppausaika. Diagrammista saadaan paineen muutos (Ap) metreina logaritmista aikadekadia kohti. Kun turnetaan virtaama pump- pauksen loppuhetkella (QS, voidaan vedenjohtavuus laskea kaavasta (4). K = (0,183 x Q+J / (Ap + L)

20 Liitteessii 5 on esitetty kairareiiissii OKU-737 tehtyjen pumppausten perusteella laaditut Horner-diagrammit ja taulukossa 2 on yhteenveto edellii kuvatuilla tavoilla lasketuista vedenjohtavuusarvoista. Taulukko 2. Yhteenveto lasketuista vedenjohtavuusarvoista ja arvioiduista painekorkeuksista kairareiiissa OKU Q ja H, ovat statiodibitilaoletuk - sessa kaytetyt virtaama- ja painearvot, joista I(, on laskettu. Painekorkeusar - voissa sekii Homer - menetelmiilla lasketuissa vedenjohtavuusarvoissa (K,-) liihtiitietona ovat liitteen 5 Horner-diagramrnit. reikapituus Q "fa, K, (m) m i n, painekorkeus m K~js) (m/s) (m) Pumppausalipaineen ja virtaaman muuttuminen ajan mukana vaihtelee eri testiviileilla. Virtausolosuhteiden tulkintaa hiiritsee jonlrin verran se, ettii pumppauksen aloituksessa on kliytetty kahta eri tap. Osa pumppauksista on aloitettu tyhjenmla letku, jolloin saavutetaan nopearnmin vakioalipainetilaane. Osassa purnppauksia letku oli alkutilanteessa vesitiiytteinen ja pumppausalipaineen annettiin kasvaa kunnes se saavutti tasapainotilan. Kaytetylle pumppausrnenetelmiille on ominaista tietty iwsiiuivyys pumppausta ohjaavan kellolaitteen ollessa Wtty liihes testiviilin vedenjohtavuutta vastaavaksi. Purnppausalipaineen kasvu kasvattaa virtausta, miki puolestaan hidastaa alipaineen kasvua. Virtauksen viiheneminen pumppauksen kuluessa kasvattaa alipainetta, mitii kasvava virtaama pyrkii jiilleen kompensoimaan. Tiimii johtaa paine - virtaarna - kiiyttiiytymisessii havaittuun suhteellisen nopeasti vakiintuvaan &nnesstationaariseen tilaan (ks. liite 4, testiviilit m, m). Nopeimrnin vakiopainetilanne on kehittynyt testiviilillii rn, joasa on havaittavissa my& selva virtauksen viiheneminen ajan kuluesw. Tilanne on

21 analoginen tyypilliselle vakiopaineessa tehdylle injektiokokeelle, jolloin veden - johtavuus on miiiiritettiivissii virtaaman kiihteisarvon muutnunisesta logaritmisella asteikolla esitetyn ajan suhteen (ns. l/q-menetelmti, ks. esim. kkiis 1984). Liitteesd 6 on esitetty l/q-diagrammi testiviilille m. Diagrammista laskettu vedenjabtavuuden arvo, 2 x on liihes sama, kuin vakiovirtaamaoletukseen perustuva K, - arvo. Vastaavaa virtaaman kiiyttiiytymistii on havaittavissa my& testiviililla m. Kyseisen testiviilin paine - virtaama - kiiyttiiytyminen on kuitenkin tul- kinnan kannalta ongelmallinen. Pumppauksen alussa vedentulo oli hyvii ja kas- voi alipaineen kasvaessa, mutta kiiiintyi sen jiilkeen nopeaan laskuun kasvavasta alipaineesta huolirnatta. TZihiin voi olla selityksenii se, ettii vesi on pumpattu rajoitetusta vesivarastosta. Toisena vaihtoebtona on huomattavan suuren suh - teellisen hydraulisen alipaineen omaava rajoittamaton varasto. Hydraulisen testauksen kannalta oleellinen tekninen VirhelZihde on virtaus tulppien ohi. Testiviililla m pumppaus lopetettiin tulppien irtoarnisen takia, joka ilmeni iikillisenli alipaineen pienenernisenii ja virtauksen kasvuna. Tulppaviilin m paine-virtaama -kiiyttiiytymiaen on poikkeuksellinen sikiili, etti vakioalipaineessa virtaarna kasvaa ajan mukana. T M viittaa teknisen virhekomponentin, liihinnti lisihtpiin tulpan ohi virtauksen viihittiiseen mukaantuloon. Eri menetelmin lasketut vedenjohtavuuden numeroarvot poikkeavat melko sel- vkti toisistaan. Homer - rnenetelmiilla lasketut arvot ovat suurirnmillaan dekadia pienernmiit kuin Moyen kaavalla lasketut mot. Stationiiiiriseen virtaustulkintaan perustuvalla Moyen kaavalla saadaan yleeasiikin suurempia vedenjohtavuuden arvoja kuin Homerin menetelmiilla. Ruotsissa tehdyssii injektiotestin tuloskiisit- telyn vertailussa Moyen kaavalla saatiin keslrimiiiirin 2-3 kertaa suurempia vedenjohtavuusarvoja kuin Homer - meaetelmlillii, mutta suuruusluokaltaan 10 - kertaisiakin eroja esiintyi (Andersson & Persson 1985). Kairareiiin OKU ylaosan kallion vedenjohtavuus on niiiden testien perus - teella keskimilzirin suhteellisen alhainen. Samaa menetelm kawn Numrni-

22 Pusulan Palmotussa mitattiin huomattavasti suurempia kallion vedenjohtavuuk - sia. Laskettujen vedenjohtavuusarvojen vertailu muilla menetelmilla (esim. injektiotestein) miibitettyihin arvoihin edellw menetelmien ja tulkintojen tarkempaa analyysia ja lisiitestausta. Reilissii OKU-740 tehtiin systemaattisesti painekorkeusmittaukset kevliiin 1988 aikana ( ja ) seka kevliiin 1989 aikana ( ). Ensimmiiisen kesiin mittaukset tehtiin piiiiasiassa yhtii tulppaa ka-n. JZilkimmiiisella mittauskerralla kaytettiin kaksoistulppia ja laitteisto oli lisiiksi varustettu tiedonkeruuyksikolla. Esimerkki rnittaustapahtuman vaiheista ja painekorkeustuloksista annetaan kuvassa 5. Tuloskayriln alussa dkyva painepulssi (a) johtuu letkun osittaisesta tyhjentiimisestii. Sen jiilkn sewaa paineen nopea palauturninen reikiiveden pinnan tasolle (b). Seuraavana niikyy tulppien tiiwvaihe (c), jonka jiilkeen letkusta on poistettu vettii ja odotettu paineen kohoamista testiviilin painekorkeustasolle. Mittaustuloksissa (kuva 6) ei ole havaittavissa merkittiviii yli - eikii alipainekohtia. Reih yliiosassa vallitsee vapaan reiiin painekorkeuteen verrathrna lieva alipaine, joka vastaa muutaman kymmenen senttimetrin vesipatsasta. Mimuksia ei tehty makean ja suolaisen veden vaihettumisalueelta veden tiheysmuutoksen takia. Osa tuloksista jouduttiin hylkiiimiib tulppien heikon kiinnittymisen takia, mika tuli ilmi vasta tulosten tarkasteluvaiheessa. T W reim tehtyjen mittausten jiilkeen tulpparnateriaalia ja kiinnitysrakennetta muutettiin, jolloin tulppien tiiviys parani. Edelliikuvatulla paineenmittausmenetelmiillii selvitetlih ensisijaisesti, onko tut- kittava testiviili yli- vai alipaineinen vapaan kairareiiin painetasoon verrattuna. Painekorkeuden kehittyminen tulppien sulkemisen jiilkeen on pitlriiaikainen prosessi ja riippuvainen mm. kallion vedenjohtokyvystii ja varastovaikutuksesta. Painekorkeus matetih hydraulisten testien yhtey- yleensii ekstrapolointi - tekniikkaa kiiyttikn. Tavallisin menetelmi on painekorkeuden arviointi Homer -

23 diagrammilta ekstrapoloimalla paineenpalautumisaika äihttömäksi (ks. esim. Almén & Persson 1984, Äikäs 1984). Menefelmän iämo1ettamuksina on, etta muodostuma on äärettömän suuri, purnppausaika riittävän pitkä eikä muodostuman Iäpäisevyys ole liian pieni (Almén & al. 1986). Taulukossa 2 on esitetty myös edelläkuvatulla ekstrapolointitekniikalla kairareiän OKU yläosalle arvioidut painekorkeudet. Menetelmien erilaisuuden takia saadut lukuarvot eivät ole suoraan vertailukelpoisia kuvassa 6 esitettyjen reiän OKU painekorkeusarvojen kanssa. Yksityiskohtana voidaan mainita, että reiän OKU testiväliltä m saatiin Homer -diagrammilta ekst- rapoloimalla 20 metrin alipaine ja välittömästi hdppien kiinniaarnisen jäikeen mitattiin jo 8 metrin alipaine. Tämän suuruusluokan paine-eroja ei reiässä OKU-740 ole havaittu lainkaan, joten reikien väliset painekorkeuserot eivät ' Kuva 5. Esimerkki painekorkeusmittauksesta kairareiässä OKU - 740, reikäpi - tuudella m. Pystyakselilla on painemittarin lukema (m,,a, vaakaakselina on aika (min). MerLinnat: (a) ulospuhallus letkun tyhjentämiseksi, (b) painetaso tulppien ollessa auki, (c) tulppien täyttö, (d) painelukema tuippien ollessa suljettu eli mitrausväiin painekorkeus.

24 23 pelkästään voi olla käytetystä tulkintamenetelmäsiä johtuvia. Toisaalta on syytä korostaa, että pietsometrisen paineen palautuminen (muodostuminen) kestää kauan kallion vedenjohtavuuden ollessa hyvin alhainen ja sekä ekstrapolointi - tekniikka että välittömän paineen mittaus saattavat tällöin antaa harhaanjohtavia tuloksia. Painekorkeusmittaus tulisikin suorittaa osana laajempaa mittausohjel- maa, jonka penisteella virtaussysteemin luonne ja muut hydrauliset pararnetrit analysoidaan. HYDRAULIC HERD icmi HYDRAULIC HE90 i cm 1 I P N N P N N 0 N 0 W 0 P 0 ln ul I m m 0 m 0 m.o 0 w 0 1.h 0 A N 0 id 0 0 id 0 O 8 1 N P 0 0 N 0 N B Kuva 6. Painekorkeus syvyyden funktiona kairareiässä OKU-740 kevääiiä 1988 yksitulppamittauksen perusteella (A) ja kevääilä 1989 kaksoistulppamenetelmällä 25 metrin tulppaväiilla (B). Nollatasona on vedenpinuan taso kairateiässä. Testivalit, jossa painekorkeuden mittausta ei tehty tai se ei onnistunut, on merkitty kysymysmerkillä.

25 SUKKULANWN ALUEFW HYDROGEOIDGINEN TULKINTA 1. Kauiop&& VesityypQien e4mqmkm Outokummun Sukkulansalon alueella esiintyy liuenneiden suolojen pitoisuuksien perusteella (TDS) neljä toisistaan selvästi poikkeavaa pohjavesityyppiä (kuva 7): 1) makea bikarbonaattivesi, 2) lievästi suolainen Na-valtainen kioridivesi (TDS 1,3-1,4 gll), 3) suolainen Ca- valtainen kioridivesi (TDS 5,s - 15 gll) ja 4) voimakkaasti suolainen Ca-valtainen kioridivesi (TDS gn). Vii - meksi mainitussa tyypissä olevat korkeat magnesiumpitoisuudet (0,l %) selit- tynevät kairareiän vaikutuspiirissä olevan serpentiniitin koostumuksen perus- teella. Makeaa bikarbonaaitivettä on kahta tyyppiä. Kairareiäa OKU-729 vesi ; 3./ Na-Ca -CI water 5. Kun 7. Kalliopohjavesityyppien esiintyminen Outokummun Sukkulansalon alueella (Blomqvist et al. 1987, Halonen & Blomqvist 1988).

26 on pinnallista vettä muistuttavaa, kun kareikien OKU ja OKU bi - karbonaattivesissä ovat kohonneet sulfaatiipitoisuudet (25-40 mgll), johtuen ilmeisesti näiden reikien yrnparistössä runsaasti esiintyvien ~~dimineraalien hapettumisesta. Eri pohjavesityypit esiintyvät kairanrei'issä useiden satojen metrien pituudella siten, että suolaisemmat ja tiheydeltääu suuremmat vesityyppit sijaitsevat aina vahemman suolaisen kerroksen alapuolella, kuten kuvassa 7 on esitetty. Näiden tutkimusten ja muualta maastamme saatujen uusien kalliopohjavesiä koskevien tulosten perusteella (kuva 8) on veden tulkittu esiintyvän kiteisessä kallioperässä yleisesti kerrosrnaisesti (Nurmi et al. 1988; Blomqvist et al. 1989). Koska kuitenkin valtaosa kallioperäsä olevasta vapaasta vedestä liittyy sen huokoisiin rakoihin, ruhjeisiin ja ruhjevyöhykkeisiin, yleensä pohjaveden esiiniyminen kalliossa on paikallisesti rakenteiden kontrolloimaa. (fracture zone) Chloride, mgll Kuva 8. Kalliopohjaveden suolaisuuden vaihtelu syvyyden funktiona valikoiduissa kairareikätapauksissa. Kuva Blomqvistin (1989) mukaan.

27 Tihiin mennessa tehdyt tutkimukset perustuvat muutarnaa poikkeusta lukuunot - tarnatta Nurmen & Kukkosen (1986) kuvaaman niiytteenottimen kayttijiin. Tha on takaiskuventtiililla varustettu letkujono, jolla saadaan yhtiijaksoisen vesinliyte kairareiiin koko pituudelta. Niiiden tulosten varmentamiseksi kliytettiin tiissii tutkimuksessa liasi uutta kaksoistulppanaytteenotinta. Kaksoistulppanaytteenottimella saadut tulokset osoittavat, ettii kairareikiiii OKU-737 ympkoivksii kalliossa on metrin syvyydella (tulppavalilla) sarnaa suolaista vetti kuin reikisd on rnaanpinnalta alkaen (siella hieman laimearnpana) 610 metrin syvyydelle asti (ks. kuva 9). Geologisen reikiikuvauksen mukaan (Hakanen 1981) on mustaliuske rikkonaista aivan tbh nliytteenottoviilin alareunassa, jossa sydlinhukkaa on yhteed 1,W metrin matkalla. Koska muista rikkonaisista kohdista ei ole havaintoja tiilla syvyydella, on saatu vesinayte todemiikoisirnmin periisin juuri tiistii rikkonaisesta kohdasta. Muualta reiiin ylaosasta ( m) ei systemaattisista tutkimuksista huolimatta riittimattom vedentulon vuoksi saatu lim edustavia vesiniiytteitii. Siten toistaiseksi jiii edelleen avoimeksi se, kuinka liihellii kallion pintaa tiissii tapaukseessa suolaista vetti todellisuudessa esiintyy. Se, ettii suolaista vetti on kairareibsii aivan pintaan asti, tarkoittaa tiisisd tapauksessa ilmeisesti sitii, etti suolaista vettii on myos kallion pintaa liihellii olevissa raoissa. K -arvojen perusteella (ks. taulukko 2) saattaisi reikaviililtii m loytya rako, josta tuleva vesirnwa olisi riittiva kayte&ssii lyhyehkiii tulppaviilia. Kairanreiiin OKU-740 tapauksessa todettiin kedla 1988, etti kallion raoista metrin syvyydeltii pumpatussa vedessi on sarnanlaista bikarbonaat - tivetti kuin itse kairareibsii samalla syvyydella (siihkonjohtavuus 25 ms/rn). Tiilloin oli makean veden alaraja kalliossa noin metrin syvyydella, silla pumppausviililla m saatiin makean ja suolaisen veden vaihet- tumisalueeseen liittyviiii mwtovetti (&onjohtavuus 90 ms/m). Myos itse kairareiiin vesi oli lievkti suolaista tiilla syvyydella (40 ms/m) (ks. kuva 9). Seuraavan kesiin pumppauksissa (1989) saatiin metrin syvyydella suolaista vetti (siihkonjohtavuus ms/m), jolloin my& kairareikisd tiilla syvyydella oleva vesi oli suolaista (&onjohtavuus ms/m). Suo- laisen veden rajapinta oli mittausajankohtien viililla (noin vuoden aikana) siirty-

28 nyt ylöspäin muutama kymmenen metriä kalliossa, mikä myös oli nähtävissä kairareiässä tapahtuneena veden rajapinnan siirtyrnisenä. Kuvan 9 esimerkkien perusteella ovat kallion raoista pumpatut vedet ja vastaavalla syvyydellä kairareiässä olevat vedet suolaisuudeltaan keskenään hyvin samanlaisia. Lisäksi jo aikaisemmin kairareikien vesissä todetut makean ja suolaisen veden rajapintojen väliset siirtymiset (ks. Halonen & Blomqvist 1988) näyttävät myös tapahtuvan varsinaisessa kalliossa reiän ympärillä. Nämä esi- Johtokyky (ms/m) Kuva 9. Kairareikien OKU -737 ja OKU -740 vesien sähkönjohtavuusarvot syvyyden funktiona kesinä 1988 ja 1989 sekä kairarei'ista pumpattujen vesinäy#ei&n sähkönjohtavuudet. Reiästä OKU -740 pumpattujen vesinäyt&eiden sähkönjohtavuudet (pumppauksen päättyessä) on vuoden 1988 d ta merkitty avoimella kolmiolla ja vuoden osalta mustalla kolmiolla; reiän OKU osalta on käytetty saatuja tuloksia (tähti). Kairareikävesien sähkönjohtavuudet ovat reiän OKU-740 osalta mittausten (pisteviiva) ja mittausten (yhtenäinen viiva) mukaan sekä reiän OKU osalta mittausten (katkoviiva) mukaan.

29 merkit viittaavat siihen, ettii kairareilriizi ei tarvitse pi- ympzir6iviistii kalliosta hydrologisesti tiiysin poikkeavana erillisenii yksikkonii, vaan kalliopohjavesisysteemin kanssa vuorovaikutuksellisena osana. Yleistiiviit, pidemmiille meneviit johtopiiitakset edellyttiviit kuitenkin vastaavia mittauksia useammassa kohteessa. Mielenkiintoinen on my& havainto, jonka mukaan suolaista vettii sisiiltiiviin raon alapuolelta esiintyy viihemmiin suolaista vettii, kuten voidaan todeta reiiisd OKU -740 kesiilla Tiilloin pumpatessa vettii metrin syvyy- &la saatiin noin 20 % viihernmiln suolaista vettii kuin piiiviiii aikaisemmin purnpattaessa metrin syvyydeltli (ks. taulukko 1). T W voi johtua esimerkiksi kyseisilla purnppausviileilla sijaitsevien vettii johtavien rakojen erilaisista hydraulisista yhteyksistii ja niiihin liittyvistii vesityyppien sekoittumisista. Lyhyella tulppaviilillii tehtiiviit hydrauliset mittaukset ja vesiniiytteenotto saattaisivat antaa lisiiselvitystii asiaan. Kairareiiissii OKU-737 on reiiin avausta edeltiiva, kesiin 1986 vesitilanne palautunut odotusten mukaisesti ja kairareiiin vesi on suolaista pintaan asti. Auki - kairauksen aiheuttama pinnallisen veden kontamido oli havaittavissa kaira- reiiin vedessii 220 mebin syvyydelle asti. Kontaminoituneen veden korvautumi - nen muodostumasta periiisin olevalla vedella kesti 1-2 vuotta. TZimii havainto antaa viitteitii kairareiiin ympiitilla olevien kivilajien heikosta vedenjohtavuudesta ja on yhteensopiva mitathjen vedenjohtavuusarvojen kanssa (taulukko 2). Seuraavassa tarkastellaan Sukkulansalon alueen kalliopohjavesia ja luokitellaan ne eriiiden tiirkeimpien kationien (Ca, Na ja Mg) suhteiden perusteella. Kolmiodiagrammiesityksestii (kuva 10) voidaan ensiksi todeta, ettii liue~eiden suolojen pitoisuuksien perusteella tehty alueen kalliopohjavesietyyppien luokitus on piiiipiirteissiiiin my& havaittavissa Ca -, Na- ja Mg- suhteiden perusteella. Diagramrniesityksen perusteella vesityyppien piilitejiisenia ovat: 1) kairareiiin OKU rnakea bikarbonaattivesi, joka edustaa Na - valtaista v ea ja on

30 lähellä meriveden ionisuhteita, 2) kairareikien OKU ja OKU pohjaosien Ca- Na- C1 -vesi, joka edustaa Ca - valtaista vettä sekä 3) alueen pin - nalliset vedet (Sukkuianjoki ja Viinijärvi), jotka edustavat alueen Mg - valtai - simpia vesiä. Huomionarvoista on, että kaksoistulppanäytteenottimella kallion raoista pumpatut vesinäytteet ovat ionisuhteiltaan samanlaisia kuin itse kairaus- reikien vesinäytteet. Kolmiodiagrammitar~lun perusteella suolainen Ca - Na - C1- vesi koostuu kahdesta tyypistä, siiiä reikien OKU ja OKU vesien Ca/Na - suhde poikkeaa reikien OKU- 741 ja OKU-737 vastaavasta suhteesta. Reiän OKU yläosan vesi on Ca/Na - suhteeltaan edellä mainittujen kairareikien vesien ja reiän OKU-729 Na- rikkaan veden suhteiden väiissä ja voidaan siten hyvin tulkita olevan makean Na - rikkaan veden ja suolaisten Ca - Na - Ci- vesien ' LEGEND Saline waters Fracture water samples 1. Dh 741 and bottorn part of Dh 740: rn, rn 2. Dh 740, 737 and bottorn part and rn of Dh 740: rn 3. Dh 551 (upper part) i 4. Bottom part of Dh 741 and 740 Fresh waters y) 5. Dh 741 (upper part) 6. Dh 740 (upper part) 6.'. ', '\$t't' 7. Dh Lake Viinijärvi 9. River Sukkulan - joki Kuva 10. Sukkulansalon alueen kalliopohjavesityyppit esitettyinä Ca:n, Na:n ja Mg:n moolisuhteiden perusteella. Meriveden koostumus on merkitty tähdellä.

31 vdinen sekoitus. Sarnoin voidaan tulkita myos eri Ca- Na - C1- vesien olevan sekoituksia. Reikien OKU ja OKU bikarbonaattivedet ovat ionisuh - teiltaan alueen pimallisten vesien ja suolaisten vesien vdilla, joten myos niiiden keskiniiiset riippuvuussuhteet ovat mahdollisia. Tgisd yhteydesd ei voida yksi - tyiskohtaisemmin tarkastella Sukkulansalon alueella vallitsevia sekoittumissuh- teita, silla tiimii edellyttiiisi useiden muiden kemiallisten komponenttien ja iso- tooppisuhteiden sarnanaikaista tarkastelua ja niiinollen monirnuuttuja - analyysia. Veden stabiilien isotooppien suhteita (6D, 6180)* on tutkittu ja analysoitu kai- kista tihiin tutkimukseen kuuluvista Sukkulansalon alueen kairareikien eri vesi- tyypeistii. Seuraavassa kuvataan kahden tutkimusreih (OKU ja OKU - 551) tutkimusten tulokset. Niiiden reikien tulokset muodostavat parhainman yhteniiisen aineiston, koska ne perustuvat yhden naytteenoton aikana saatuun aineistoon ja yhden laboratorion yhteniiiseen mittaussarjaan (Centrun voor Isotopen Onderzoek, Groningen, Hollanti). Kairareiin OKU -737 vesi koostuu vuoden 1986 tutkimusten perusteella pin - nalta alkaen suolaisesta Ca-Na- C1 - vedestii (TDS: 5,5-7,O g/l), jonka alla reiin pohjaosassa on edellisen kaltainen suolaisempi vesikerros (TDS: 14 gll). Alaosastaan tukkeutunut kairareika avattiin alkuvuonna 1987 raskasta kairaus - kalustoa kayttien (ilrnan huuhteluvettii) ja kesiikuussa kairareiiia vedesti tehtiin uusi naytteenotto. Tdloin todettiin reiiin ylaosaan muodostuneen alueen, jossa veden suolapitoisuus oli selvzisti pienentynyt edellisen vuoden tasosta. Ilmeisenii syyna oli kairaustankojen tilavuuden aiheuttama reih veden osittainen purkau - tuminen maanpimalle ja korvautuminen rnaakerroksissa tai kallion ylaosassa olleella makealla vedella. *) 6 "0 = 1000 x ((18~/160)niyoc -(i80/160)sl10w)) 6D = vastaava 2~~-suhde; / (18~/'6~)SMOW SMOW = Standard Mean Ocean Water

32 Veden hapen isotooppisuhteen (6"O) perusteella kairareibsii on erotettavissa kolme aluetta (kuva 11). Reiiin yliiosassa pintaveden kontarninoimalla osalla hapen isotooppisuhde pienenee lineaarisesti suolaisuuden kasvaessa. Reiiin kes - kiosassa suolaisen veden alueella 6 "0 - arvo pysyy tasaisena ollen Reiiin pohjaosassa voirnakkaammin suolaisen veden alueella 6"O-arvo muuttuu raskaammaksi ollen - 13, ,7. Kairareiiin OKU vesi koostuu ylziosassa lieviisti suolaisesta Na - Ca - C1- vedestii (TDS 1,3-1,4 gn). Reiiin alaosan vesi on suolapitoisuudeltaan reiiin OKU-737 keskiosan kaltainen (sivu 30); samoin ovat myiiskin sen 6"Omot. Reiiin ylaosassa vedea 6"O-mot (- 16,s) ovat selkeiisti pienempiii kuin reih alaosassa (kuva 12). Hapen isotooppisuhteen niiin alhaista arvoa ei Sukkulansalon alueella ole muualla tavattu eiu tiettiiviisti sellaista ole myiiskiih havaittu muualta Suomen syvistii pohjavesistii. Arvot edellyttiiviit nykyistii keskilhpiitilaa selviisti kylrnempia olosuhteita, jotka saattavat olla yhteydessli viimeisen jwkiin sulamisvaiheeseen. Tallinnan alueella proterotsooisista muodosturnista saaduista kalliopohjavesistii on miiibitetty vielii alhaisempia 6"O arvoja (- 19,5), joiden on tulkittu edustavau Femoskandian manne rjiiiitikh sulamisvesia (Ferronsky et al. 1983). Tiimiin perusteella ja huomioiden se, ettii kairareiiin OKU-551 yliiosan vedet ovat lieviisti suolaisia, tulkitaan niiiden olevan sekoituksia, joissa jziiitikiiitymisvaiheen sulamisvesien 1isiiLsi on mukaua alueelle tyypillisia suolaisia vesia. Outokummua alueen kalliopohjavesistii miihitetyt veden stabiilien isotooppien suhteet on koottu oheiselle 6D - 6"0 -diagrammille (kuva 13). Diagramrnista havaitaan ensinniilrin, ettii valtaosa alueen niiytteistii sijoittuu meteorisen veden alkuperii osoittavalle GMWL - suoralle (Global Meteoric Water Line). Vain serpentiniittimuodostumaa yhteydessii olevat suolaiset vedet reikien OKU -740 ja OKU pohjaosassa poikkeavat meteorisen veden isotoooppisuhteista ja sijaitsevat GMWL-suorao ylapuolella. Tiissii suhteessa ne vastaavat Kaaadaa kilven alueelta tavattuja voimakkaasti suolaisia brine-vesia, joiden alkupera on tarkasti viela selvi#iim2itt2i (Frape & Fritz 1982; Fritz & Frape 1982; Frape et al. 1984; Frape & Fritz 1987).

33 1 -.--, T r n r- OKU graph~te 1 schist, - 1 &a:rj >Gc,k; 1 VIC0 schist Kuva 11. Vedyn ja hapen iwtooppisuhteet sekä tritiumin ja kloridin pitoisuudet kairareiib OKU pohjavesissä kesäkuun 1987 näytfeenoton perusteella. 1 1 OKU schist LOO L 4-l 1 Kuva 12. Vedyn ja hapen isotooppisuhteet sekä tritiumin ja kloridin pitoisuudet kairareiän OKU pohjavesissä kesäkuun 19a7 näytteenoton penisteella.

34 1 Kuvan 1 3 isotooppisuhteiden ja kuvan arvojen jakauman perusteella Sukkulansalon alueen kalliopohjavedet jakautuvat neljään piiäryhmään. Ensim - mäisen ryhmän muodostavat kairareiän OKU yläosan näytteet, joiden 6"O-arvot ovat - 16, ,6. Toisen ryhrnh muodostavat kairareikien OKU ja OKU-740 ylemmät suolaiset vedet ja reiän OKU -737 yiäosan Ca-Na-C1-vesi, joissa 6"O-arvot ovat -14, ,9. Alueen suolaisirnrnissa vesissä, jotka esiintyvät edeliä mainittujen neljän reiän alaosissa, 6"O-arvot - ovat suurempia kuin - 13,9 siten, että suolaisuuden lisiiäntyessä 6"O-arvot pyrkivät myös kasvamaan. Viimeiseen ryhmään kuuluvat vedet ovat alueen kairareikien bikarbonaattivesiä, joiden 6"O-arvot ovat osittain paaillekkäisia alueen suolaisimpien vesien muodostaman ryhmän kanssa ollen - 13, ,l. Outokumpu, Su kkulansalo X OKU - 7L1 185 '60 + OKU - 7L0 186 OKU ~ I 0 OKU h OKU %o (SMOW) Kuva 13. Sukkulansalon kalliopohjavesien bd - 6"O -diagramrni. Kuvaan on merkitty myös Perttiiahden tutkimusprofiilin kuuluvan reiän OKU-745 tulokset sekä meteorisen veden isotooppisuhdeaa kuvaava GMWL-suora.

35 Veden isotooppisuhteiden perusteella saatu kuva on yhteensopiva veden ke - mialliseen koostumukseen perustuvaan vesityyppien esiintymisen kanssa. Isotooppisuhteet osoittavat kuitenkin selvästi, että suolaista kloridivettä on kahta tyyppiä, joista raskaampi tyyppi esiintyy reikien pohjaosissa. Tähän vesityyppiin kuuluvat myös serpentiniitin yhteydessä olevat Mg-rikkaat kloridivedet, jotka sijoittuvat meteorisen veden koostumusta osoittavan suoran ulkopuolelle ja joissa veden koostumus näyttää olevan Mg-rikkaan kiven koostumuksen vaikutiacna. Kairareikien pohjaosissa oleva raskaampi meteorinen vesi on lähellä nykyisten bikarbonaattivesien hapen isotooppisuhteita. Näiden suolaisten vesien voidaan siten ajatella muodostuneen nykyisten ilmasto-olosuhteiden kaltaisissa oloissa. Täilöin ylempänä oleva, isotooppisuhteiltaan kevyempi suolainen vesi edustaisi nykyistä kylmempää muodostumisvaihetta tai siinä olisi mukana sellaisessa vaiheessa syntyneitä komponentteja. Kuva 14. 6"O - arvojen perusteella erilaisten kalliopdijavesityyppien esiintymi - nen Sukkulansalon alueella.

36 Useimmat tutkitut reiiit lavistiiviit ns. Outokumpu - jakson liuskeita, jdka koos - tuvat mustaliuskeista, kvartsikivistii, karsikivid ja serpentiniiteistii rnelko ohui - na kerroksina. Kairaustietojen perusteella ne ovat usein my& rikkonaisia. Niiitii kivilajeja ympiiroi sekii litologisesti ettii rakenteellisesti homogeenisempi kiille- gneissi. T~tisissa pumppauksissa liuskejakson vedenjohtavuus on muutarnaa ruhjekohtaa lukuunm osoittautunut heikoksi. TiihZin saatiaa vaikuttaa liuskejakson kivilajien, erityisesti mustaliuskeiden ja serpentiniittien suurehko plastisuus, jolloin vettiijohtavia rakoja ei piizise muodostumaan. Huomionarvoista on, ettii Outokumpu-jakson kivilajien keskhiiiiriiinen vedenjohtavuus on sel- viisti alhaisempi kuin Nummi - Pusulan Palmotun tutkimuskohteessa, jossa sarnalla menetelmlilla mitattiin vedenjohtavuuksia graniitti - migmatiittiympiiris - tosd (Ahonen at al. 1990). Sukkulansalon alueella vesityyppien rajapimat korreloivat osin litologisten piiii- yksikoiden kanssa. Ilrneistii on, etti kivilajien liuskeisuuden suuntainen rakoilu yh&ssii tiiviiden ja suhteellisen plastisten kivilajien (mustaliuskeet ja serpen- tiniitit) kanssa muodostavat rakenteellisen rajan eri vesityyppien esiintymiselle sarnoin kun ne edistiiviit muodostuman suuntaisten kallioakviferien muodosturnista. Hyva esirnerkki rakenteellisesta rajasta on kairareiiissii OKU run - saan 650 m:n kohdalla oleva ruhjoutunut due, jonka molemmin puolin on reiiissii selvlisti erilaiset vesityypit. Merkittiiva kallion ylernmissii osissa olevan pohjaveden virtaukseen vaikuttava tekija on alueellinen topografia yhdesd sadannan ja uuden pohjaveden muodosturnisen kanssa. Suolaiset syviit pohjavedet ovat kuitenkin piiiiosin pinnallisen hydrologisen kierron ulkopuolella. Muutokset pinnallisen veden painekentiissii saattavat kuitenkin vaikuttaa alla olevan suolaisen veden rajapiman asernaan.

37 Kairareiälle OKU-740 on dlut tyypillistä makean ja suolaisen veden rajapinnan sijainnin suuri vaihtelu (Halonen & Blomqvist 1988). Alimmillaan rajapinta oli vuoden 1988 toukokuussa lähes 600 metrin syvyydessä. Korkein mitattu raja- pinnan taso on noin 250 metrin syvyydessä (toukokuu 1987). Rajapinnan siir- tyminen voidaan selittää hydrostaattisen tasapahoperiaatteen avuila. Tämä ns. Ghyben - Herzberg -tasapahomallin on todettu pätevän merien rantavyöhyk - keissä (Bowen 1986). Mallin soveltaminen Outokummun Sukkuiansaion alueelle (kuva 15) perustuu oletukseen, etiä kairareiässä OKU-737 pintaan tuleva, to- dennäköisesti Outokumpu-jakson liuskeiden kontrolloima suoiainen vesi pysy reiän vaikutusalueella paikoillaan, jolloin suolaveden yläpinnan taso säilyy lähes vakiona Ob) ja topografian kontrolloirna makean veden pinta (wt) reiässä OKU on suolaisen veden ylintä pintaa korkeammalla (23. Kuva 15. Ghyben -Henberg -mallin mukainen makean ja suolaisen veden rajapinnan tasapainoehto soveliettuna Outokummun Sukkulansaloa alueella.

38 Kun suolaisen veden tiheys on pa ja makean veden tiheys on pf saadaan tasa- painoehto kuvan 15 vesityyppien rajapinnoille seuraavasti: jolloin Kyseessii oleville vesille pf = 1 ja p, = 1.008, mistii seuraa, ettii rnakean veden pinnan nousu yhdella metrilla siirtii suolaisen ja makean veden rajapin- nan tasoa 125 metrilla alaspiiin (2, = 125 x zj. Suolaisia kalliopohjavesia on Suomessa kuvattu hyvin monentyyppisisd kivilajiympkistoissa (Nunni et al. 1988; Blomqvist et al. 1989) ja veteen liuemeiden suolojen alkuperbtii on esitetty useita hypoteeseja, joista Nurmen et al. (1988). ja Srnalley'n et al. (1988) artikkeleissa on yhteenvedot. Useirnmat niikemykset korostavat pitkiiaikaista kiven ja veden viilistii vuorovaikutusta suolaisen veden kehityksessa (ks. Frape et al. 1984; Frape & Fritz 1987), jolloin vaikuttavana ilmiona on kiven mineraalien tasapainottuminen vastaamaan alhaisen lhpiitilan tasapaino - olosuhteita. Tiilloin kyseessii on ensisijaisesti korkeammassa lhpii - tilassa muodostuneiden mineraalien muuttumisen ja niihin liittyvien sekundaaristen mineraalien syntymisen yhteydesd tapahtuvat ionien vapautumiset. Osa ioneista siirtyy vesifaasiin, johon ne geokemiallisen luonteensa mukaisesti ri - kastuvat. Kiven ja veden vdisten rapautumisreaktioden liwi on korostettu myos fluidisulkeumien merkitystii suolaisuuden liihteenii (ks. Nordstrom et al. 1989) seka esitetty merivettii ja sedirnenttisia brineja eriiiinii suolaisuuden alkuperha (esim. Fontes et al. 1989). Piiiosa thiin tutkimuksen syvistii kairarei'istii lavisw Outokurnpu-assosiaation kivilajeja, joiden on tulkittu olevan alkuperiilw merellisia (Koistinen 1981).

39 Alueen suolaisten kalliopohjavesien nykyiset koostumukset poikkeavat kuitenkin selviisti meriveden koostumuksesta kuten kuvasta 10 niihdiiiin. Toisaalta on todettu strontiumin isdooppitutkimusten (Smalley et al. 1988) ja ionien suhteiden perusteella (Nub et al. 1988) eri mineraalien ja veden viilisten tasapainottumisreaktioiden huomattavasti muokanneen veden kemiallista koostumusta, jobin suolaisuuden alkuperiin arvioiminen ionisuhteiden perusteella muodostuu entistii ongelmallisemmaksi ja useissa tapauksissa saattaa tulkinta rajoittua viimeksi tapahtuneiden geokemiallisten prosessien arviointiin. Kiven ja veden viilisestii vuorovaikutuksesta on Outokummun alueen kalliopohjavesid niihtiivisd useita selvia piirteitti. Strontiumin pitoisuuksien kasvu ja sen isotooppisuhteen pieneneminen veden suolaisuuden kasvaessa on tulkittu plagioklaasin rapautumisen tulokseksi (Smalley et al. 1988). Tapahtumaan liittyy muiden plagioklaasissa olevien kationien osittainen liukeneminen (erityisesti Ca:n ja Na:n). Edelleen magnesiumvaltaiseen serpentiniittiin (Me > 30 %) rajoittuvien kairareikien OKU ja OKU vedet ovat alueen muita vesia selviisti magnesiumrikkaarnpia (Blomqvist et al. 1987; Nurmi et al 1988). Suolaisten vesien kehittymisen kannalta kloridin alkuperiiii on yleensii pi&tty ongelmallisena, vaikka klooria itse kivessii usein onkin - kiteisen kiven va- Msen vesitilavuuden huomioon ottcben - riittiiviisti saatavilla (ks. Smalley et al. 1988). Outukummun Sulkkulansalon alueen suolaiset vedet muodostavat tiiltii osin osaksi poikkeavan ympiristan, sillii Outokumpuassosiaatioon kuuluvien serpenthiittien kloridi - ja bromidipitoisuudet on todettu poikkeuksellisen kor - keiksi (RehtijZinri 1984). Yhdesd tutkimusprofiilissa olevien serpentiniittiliivis - tysten bromidin ja kloridin keskiarvopitoisuudet olivat 63 mgll ja 4200 mgtl, mitka suuruusluokaltaan ovat liihella tis& tutkimuksessa esitettyjen Ca-Na- C1- vesien pitoisuuksia (taulukko 1). Yhdessii kairausreiissii (OKU - 24A) olivat bromidin ja kloridin keskiarvopitoisuudet serpentiniitissii niinkin korkeat kun 193 mgll ja mgll, mitka suuruusluokaltaan ovat samat kun tiimtin tutki - muksen suolaisimmassa vedessii tavatut pitoisuudet (reitin OKU alaosissa). On mielenkiintoista todeta, ettti serpentiniitin BrIC1-suhde (0,015-0,016) on kaksinkertainen alueen suolaisten vesien vastaavaan suhteeseen (0,0078-0,0085) verrattuna, miki vuorostaan on kaksinkertainen meriveden BrlCl-

40 suhteeseen (0,0035) verrattuna. Outokummun alueen serpentiniittien, suolaisten vesien ja meriveden (Br: 67 mgll; Cl: mgll) bromin ja kloorin sekii pitoisuudet e#ti ionisuhteet ovat suuruusluokaltaan liihella toisiaan, minkii perusteella my& genettiset ykydet ovat mahdollisia. Rehtijlirvi (1984) on tutkirnuksessaan todennut kloorin korreloivan vohakkasti serpentiniitissii olevan rautarikkaan serpentiinimineraalin kanssa ja lisziksi esiin- tyvh rikastuneena ainakin kahdessa muussa mineraalifaasissa ja piiiityykin to- tearnukseen, e#ii halogeenirikkaat liuokset ovat kulkeutuneet serpentiniittimas- siivien liipi jo proterotsooisella aikakaudella. On ilmeistii, ettii Outokummun alueen serpentiniitit ovat kiven ja veden viilisten vuorvaikutusreaktioiden perus- teella kohottaneet kloridin ja bromidin - kuten my& magnesiurnin - pitoi- suuksia niiden yhteydessfi olevissa suolaisissa vesissii. Serpentiniitin verraten vwsen tilavuuden huomioon ottaen (my& Sukkulansalon alueella) niiden merkitys alueellisen suolaisuuden lisjiiijiinii j&ee kuitenkin marginaaliseksi ja siten halogenidien alkupera niiyttiiii tibiikin tapauksew j2iiiviin arvailujen va- raan. Outokummun alueen kivilajien merellinen muodostumisym~~ siihen liittyvine korkeine bromi - ja klooripitoisuuksineen on siniinsii yksi kaukainen, mutta serpentiniitin esimerkin perusteella kuitenkin mahdollinen liihtiikohta. Sukkulansalon hydrogeokemiallisen mallin laadinnassa on kalliopohjaveden ke- miallisen koostumuksen lisiiksi kaytetty kriteerinii stabiilien isotooppien suhteita (6180, 6D) ja kallioperiin rakennetta selrii koosturnusta. Laadittu malli esittiizi nykyiseen tietlitnykseen perustuvan yhteenveton alueen vesityyppien esiintymi - sesti (kuva 16) ja saattaa uusien tulosten perusteella muuttua. Reiiin OKU ylaosan vedet, jotka poikkeavat selviisti ympiirbivien kairareikien vesistii, on tlissii mallissa osin rajattu kivilajirajojen suuntaisten rakenteiden mukaisesti ja osin kivilajeja leikkaavien rakenteiden perusteella. Hankkeen jatko - ohjelrnassa pyriw thrnentiimlilin vesityyppien rajoja geofysikaalisen maanpinta - aineiston avulla sekli uusilla kaksoistulppamenete~ perustuvilla dytteenotoilla.

41 Kuva 16. Sukkulansalon alueen tutkimusprofiiiin hydrogeokemiallinen malli. Lähtötietoina on käytetiy kaiiiopohjaveden koostumusta, veden stabiilien isotooppien suhteiden arvoa ja alueen gedogista rakennetta. Selitykset: 1. Makea HCO, -vesi, 2. Lievästi suolainen Na-Ca-Ci-tyyppinen murtovesi, 3. Suolainen Ca- Na -Ci - vesi, 4. Edellistä sudaisempi Ca- Na- Ci -vesi, joka veden isotooppisuhteiden penisteella on muodosninut edellistä iämpimhmkä oloissa, 5. Voirnakkaaai suoiainen Ca-Na-Mg-Ci-vesi (TDS: 27 gll). Outokummun Sukkuiansaion alueella on tutkittu kalliopohjavesien esiintymistä, koostumusta ja kehitystä. Tulokset perustuvat vuosina piihsiassa letkunäytteenoa~meneteimäiiä otettuihin vesinäytieisiin, jotka ovat peräisin Ou - tokurnpu-muodostuman kulkua vastaan kohtisuorassa tasossa sijaitsevista kai - rausrei'istä. Saadut tuiokset on osin varmennettu kaksoistuippanäytteenotthella purnppaamalla näytteitä kallion raoissa olevasta pdijave&stä.

42 Sukkulansalon alueella esiintyy liuenneiden suolojen pitoisuuhien (TDS) pe- rusteella nelja toisishum selviisti poikkeavaa pohjavesityyppia: l) makea Na- Ca-HC0,-vesi, 2) lievbti suolainen Na-Ca-C1-vesi (TDS 1,3-1,4 gll), 3) suolainen Ca- Na- Cl- vesi (TDS 5,s - 15 g/l) ja 4) voimakkaasti suolai - nen Ca-Na- C1 -vesi (TDS g/l), jossa on korkeat magnesiumpitoi - suudet (0,l 96). Cam, Na:n ja Mg:n ionisuhteiden perusteella kairausreikien suolaiset kloridivedet voidaan edelleen luokitella alaryhrniin. Kairausrei'isd eri vesityypit esiintyviit syvyyden mukana siten, ettii suolaisernrnat tyypit sijaitsevat viihernmiin suolaisten tyyppien alapuolella. Kaksoistulppamenete~lii saadut tulokset osoittavat edellhahitun tilanteen liittyviin yleensii my& rakojen ja ruhjeiden yhteyteen. Veden isotooppisuhteisiin perustuva luokittelu korreloi yleensii kemialliseen koosturnukseen perustuvan luokittelun kanssa. Suolaisista kloridivesistii on kui - tenkin isotooppisuhteiden perusteella erotettavissa kaksi toisistaan selvlisti poik- keavaa tyyppia. ReiW OKU-729 lukuunottamatta on tutkimusprofilin kaikki- en reikien alaosissa hapen isotooppisuhteiden perusteella raskaampi vesityyppi kuin ylempzinii reiw (6 "0 -mot ylemw: - 14, ,9; mot alempana: - 12, ,9). Alempaan, raskaampaan vesityyppiin kuuluvat myos serpentiniitin yhteym esiintyviit Mg-rikkaat kloridivedet, joissa veden koostumus ja meteorisen veden isotooppikoostumuksesta poikkeavat isotoop - pisuhteet viittaavat voimakkaaseen kiven ja veden viiliseen vuorovaikutukseen (ks. Nurrni et al. 1988; Smalley et al. 1988). Isotooppisuhteiltaan raskaampi suolainen vesityyppi on hapen arvojen perusteella liihella alueella olevien bikarbonaattivesien arvoja, joten tiimlin suolaisen kalliopohjaveden voidaan tulkit. muodostuneen nykyisiii ilmasto - olo - suhteita vastaavissa oloissa. Tiilloin kairarei'issii ylemw sijaitseva, isotoop- pisuhteiltaan kevyempi suolainen vesi edustaisi nykyistii kylmempiiii muodostu- misvaihetta tai siinii olisi joukossa tiillaisessa vaiheessa suotautuneita vesia. Kairausreiiin OKU ybsassa todettu lievm suolainen mwtovesi on hapen isotoppisuhteiden perusteella selvm edellisili alhaisempi, mink4 on tulkktu osoittavan jwuden sulamisvesien mukanaoloa.

43 Kaikki edella kuvatut kalliopohjavesityypit esiintyviit Sukkulansalon tutkimus- profiilissa alueella, joka kooltaan on noin 1 x 1 km2. Viiden, kemialliselta koostumukseltaan ja isotooppisuhteiltaan selviisti erilaisen vesityypin esiintymi - nen dnkin pienellii alueella viittaa ainakin tietyissii suunnissa rajattuun veden kiertoon, mitii myh alustavat vedenjohtavuus~tyksetukevat. Sukkulansalon alueelle tyypillinen piirre - suolaisia vesia tavataan my@ libellii maanpin- taa - tukee omalta osaltaan havaintoja kallioperiin heikosta vedenjohtavuudes- ta. Vesityyppien rajapintojen on Wosin todettu korreloivan hyvin litologisten yksikoiden ja niiden kulua suuntaisten rakenteiden kanssa. Yhtenii syyna tiihiin on Outokumpuassosiaatiolle tyypillisten, vettii heikosti liipiiisevien pladsten kivilajien (mustaliuskeet ja serpentiniitit) veden kiertoa rajaava vaikutus. Toi- sena syyni on muodostwnan kulun ja kallioperiin liuskeisuuden suuataan bel- pohkosti kehittyvien rakojen veden virtausta edistiiva vaikutus. Ilmeisesti kulun suuntaisia, toisistaan eristewa vesiyhteyksia on muodostunut eri geologisina aikoina. Kylmia ilmasto-olosuhteita kuvaavien isotooppitulosten perusteella vaikuttaa siltii, ettii tiillaisia yhteyksia on my& muodostunut maanpintaan asti viimeisen jwuden jiilkeisenii aikana. Sukkulansalon tutkimusprofiilista on alueen geologisen rakenteen ja vesinziytbiden koosturnuksen sekii isotooppisuhteiden perusteella laadittu vesityyppien esiintymistii kuvaava kaksiulotteinen malli. Malli perustuu kairareiklivesistii saatuihin tuloksiin joita eriiiltii osin on tarbttu kaksoistulpjmmenetelmiilla kallionraoista pumpatuilla niiytteilla. Mallin varmistarninen ja kehittiiminen kolmiulotteiseksi edellyttiiii kuitenkin lisiiti vesiniiytteitii kallion raoista. Tdla hetkella suuri osa kaytiissii olevista vesitiedoista on saatu letkumenetel- mdla otetuista niiytteistii. Tietoa on monin paikoin syytii varmistaa ja tiiydenthil tulppaniytteenotinmenetel~a. ReiiissZi OKU olevien vesityyppien esiin - tymistii reikiiii ympiir8iviin kallion raoiw olisi jatkoss8 tarpeen selvittii kaksoistulpparnenete~lii, jotta kylmia ilmasto - olosuhteita osoittavan kallioakvi - ferin laajuus, muoto ja ikiikysymykset (C" - menetelmiillii) voitaisiin miiiirittii. Samanaikaisesti saadaan tulppanaytteenmella my& Wriintynitiintii kallio- pohjavettii paremmin kuvaavia Eh - arvoja ja O, - pitoisuuksia, joilla on merki -

44 tysti tehtiiessii lopullista arviota Sukkulansalon alueen kalliopohjavesien omi- naisuuksista seka jatketraessa termodynaarniseen hsapainomallitukseen perustu - via kivi -vesi -vuorovaikutustutkimulrsia. Reiiin OKU-737 ylaosan mustaliuskevaltaisella osalla on saatu alustavia ve- denjohtavuustietoja. Reiiin keskiosassa on useiden satojen metrien rnatkalla homogeenista kiillegneissia, joka vastaavalla menetelma mitatnura soveltuisi hyvtiksi vertailuaineistoksi. Alueen hydrologisen kehityksen selvittiimiseksi on tarpeen yksityiskohtaisesti analysoida vesien sekoittumkilmioitti. TUiiin olemassa olevaa kemiallista ja isotooppikemiallista analyysiaineistoa olisi voitava &itella samanaikaisesti, mikii aineiston laajuuden vuoksi edellyttiiii monimuuttuja-analyyttisten menetelmien soveltamista tyohiin. Hydrogeologisen rnallin tarkentamiseksi on lisiiksi syytii pyrkia paikantarnaan aluetta karakterisoivat ruhjevyiihykkeet rakenteellisen ja geofysikaalisen tulkinnan avulla. Alueen kalliopohjavesiolojen historiaa voidaan parhaiten selvi- monipuoli - sella rakotiiytetutkimuksella, josta on jo olemassa alustavaa (ks. Smalley et al. 1987; Halonen & Blomqvist 1988). Jatkossa pyri- yksityiskohtaisernmin muiriwnun rakotiiytteiden muodostwnisolosuhteita ja -ailoja. Kalliopohjavesien esiintymisestii ja kayttiytymisestii Outokumpujakson dueella on tiihlin menne& jo saatu paljon uutta tietoa, joka my& soveltuu vertailuaineistoksi Suomessa kiiynnissii oleville kiiytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus - alueiden tutkimuksille. Outokumpujaksolle tyypillisten kivilajien (mustaliuskeet, karsi - ja kvartsikivet sekii serpentiniitit) vaikutuspiirin ulkopuolelta, esimerkiksi tyypilliseltii kiilleliuske- tai kiillegneissialueelta, ei vielii ole riittiiviisti tietoa kaytettzivissii. Selvite- kalliopohjavesien suolaisuuden kehittymistii ja alku - periii tdlaiselta alueelta saadulla tiedolla olisi kuitenkin suuri merkitys. Tiimlin vuoksi pyriw uudelleen selvitthih mahdollisuuksia saada Outokummun alueelta tutkimuskiiyttijtln kairausreikii, joka soveltuisi tiihiin tarkoitukseen.

45 Ahonen, L., Hakkarainen, V. & Blomqvist, R., Hydrauliset mittaukset ja vesinaytteenatto Numrni - Pusulan Palmotun analogiakohteesta vuonna Gelogian tutkimuskeksus, Ydinjiitteiden sijoitustutkimukset, Tyiira - portti Almkn, K-E., Andemson, J-E., Carlsson, L., Hansson, K. & Larsson, N-O., Hydraulic testing in crystalline rock. A comparative study of single- hole test methods. SKB Technical Report TR 86-27, 179 s. Almkn, K-E. & Persson, O., Determination of hydraulic conductivity in Lavia borehole, Finland. Nuclear Waste Cornmision of Finnish Power Companies, Report YJT 84-20, 46 p. Andersson, J -E. & Persson, O., Evaluation o f single hole hydraulic tests in fractured crystalline rock by steady state and transient methods. SKB Technical Report TR 85-19, 18 p. Blomqvist, R., Geochemistry of deep groundwaters of the Precambrian crystalline basement of Finland - implications for nuclear waste disposal studies. Paper presented at "Radioactive Waste Disposal - The Geologists' Responsibility". Submitted for Geologiska Fareningens i Stockholm Fiirhandlingar. Blomqvist, R., Halonen, S., Pacholewski, A. & Lindberg, A,, Waterrock interaction in non-granitic crydine bedrock environments: Results of the investigations in the Outokumpu area. Geological Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research, Report YST -56, 34 p. and 26 appendi - ces (in Finnish with English summary). Blomqvist, R., Lahenno, P.W., Lahtinen, R. & Halonen, S., Geochemical Profiles of Deep Groundwater in Precambrian Bedrock in Finland. In: Proceedings of Exploration '87. Third Decennial International Conference on Geophysical and Geochemical Exploration for Minerals and Groundwater, ed. by G.D. Garland. Ontario Geological Survey, Special Volume 3, Bowen, R., Groundwater. Elsevier Applied Science Publishers, Ltd, London and New York, 427 p. Ferronsky, V.1, Vlasov, L.S., Esikov, A.D., Polyakov, V.A., Seletsky, Yu.B., Punning, Ya-M.K. & Vaikmiie, R.A, Relationships between climatic changes and variations in isotopic composition of groundwater, precipitation and organic soil in the Quarternary Period. In: Paleoclirnates and Paleowaters: A Collection of Environmental Isotope Studies. IAEA, Vienna,

46 Fontes, J.C., Louvat, D. & Micheld, J.L, Some constraints on geochemistry and environmental isotopes for the study of low fractwe flows in crystalline rocks: The Strip case. Pp in Isotope Techniques in the Study of the Hydrology of Fractured and Fissured Rocks. hte!rnational Atomic Energy Agency (IAEA), Vienna. Frape, S.K. & Fritz, P., The chemistry and isotopic conposition of saline groundwaters from the Sudbury Basin, Ontario. Can. J. Earth Sci. 19, Frape, S.K. & Fritz, P., Geochemical trends from groundwaters from the Canadian Shield. In: Saline Water and Gases in Crystalline Rocks, ed. by P.Fritz and S.K.Frape. Geol. Assoc. Canada Spec. Paper 33, Frape, S.K., Fritz, P. & McNutt, R.H., Water-rock interaction and chemistry of groundwaters from the Canadian Shield. Geochimica et Cosmochimica Acta 48, Fritz, P. & Frape, S.K., Saline groundwaters in the Caaadiaa Shield - A first overwiev. Chemical Geology 36, Hakanen, P., Outokummun Sukkulansalon kairareiiia OKU geo - loginen reikiiraportti. Outokumpu Oy, Helsinki, 12 s. Halonen, S. & Blomqvist, R., Water - rock interaction in non -granitic crystalline bedrock environments: New results of investigations in the Outokumpu area. Geological Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research, Report YST-63, 40 p. and 4 appendices (in Finnish). Holmes, D.C., Hydraulic testing of deep boreholes at Altnabreak: Development of the testing system and initial results. Institute of Geological Sciences, Natural Environment Research Council, Report ENPU 8 1-4, 64 p. Koistinen, T. J., Structural evolution of an early Proterozoic strata - bound Cu - Co - Zn deposit, Outokumpu, Finland. Royal Soc. Edinburgh Trans., Earth Sci. 72, Laaksoharju, M., Ahonen, L. & Blomqvist, R., tekeillii. A portable double packer water sampler and hydraulic equipment for slim drillholes. Nordstrom, D.K., Lindblom, S., Donahoe, R.J. & Barton, Ch.C., Fluid inclusions in the Strip granite and their possible influence on the groundwater chemistry. Geochemica et Cosmochemica Acta 53, Nurmi, P. & Kukkonen, I., A new technique for sampling water and gas from deep drill holes. Can. J. Earth Sci. 23, Nurmi, P., Kukkonen, I. & Lahermo, P., Geochemistry and origin of saline groundwaters in the Fe~oscandian Shield. Applied Geochem. 3,

47 Nurmi, P., Kukkonen, I., Lahermo, P., Salmi, M. & Rahkola, P., Preliminary results of groundwater sampling in deep drill holes at Outokumpu, Kerimiiki, Parainen and Liminka. Geological Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research, Report YST-50, 25 p. and 34 appendices (in Finnish). Rehtijiinri, P., Enrichment of bromine and chloride in Proterozoic serpentinites from the Outokumpu Cu -Co Ore District, Finland. Econ. Geol. 79, Smalley, P.C., Blomqvist, R., Lindberg, A. & Raheim, A., Sr - isotope evidence for old saline waters in a deep borehole at Outokumpu, Finland, in Third International Symposium on Observation of the Continental Crust through Drilling. Abstracts, p. 81. Mora and Orsa, Sweden. Smalley, P.C., Blomqvist, R. & RBheim, A., Sr isotopic evidence for discrete saline components in stratified groundwaters from crystalline bedrock, Outokumpu, Finland. Geology 16, Wikberg, P., The chemistry of deep groundwaters in crystalline rocks. The Royal Institute of Technology, Department of Inorganic Chemistry, Stockholm, 58 p. ~ikiis, T., Final disposal of spent fuel: Hydraulic testing of the bedrock. Nuclear Waste Commisim of Finnish Power Companies, Report YJT 84-09, 63 p.

48 Liite 1. Veden Eh:n, ph:n, siihkonjohtavuuden ja happipitoisuuden muuttuminen pumppausajan mukana reiiisd OKU-740 syvyydeltii m otetussa vesi~ytteesd. Kuvassa on esitetty my& pumpam vesimiiira sekii vesinaytteiden oton ajankohdat. Vertailun vuoksi kuvaan on merkitty samalta syvyydeltii kedla 1987 reikiivedestii mitatut Eh - (musta nelio) ja ph -mot (musta ympyra). Liite 2. Veden Eh:n ja ph:n muuttuminen pumppausajan mukana reizissii OKU-737 syvyydeltii m detussa vesiniiytteessii. Kuvassa on esitetty my& pumpam vesimiiiira seka painekiiyra. Vertailun vuoksi kuvaan on merkitty samalta syvyydeltii kedla 1987 reikiivedestii mitatut Eh- (musta nelio) ja ph - m ot (musta ympyra). Liite 3. Veden Eh: n, ph:n ja siihk6njohtavuuden muuttuminen pwnppausajan mukana reisissii OKU-737 syvyydeltii 1% m otetussa vesinaytkessii. Kuvassa on esitetty my& pwnpattu veshiira seka painekiiyra. Vertailun vuoksi kuvaan on merkitty samalta syvyydeltii k eda 1987 reikiivedestii rnitatut Eh- (musta nelio) ja ph -mot (musta ympyra). Liik 4. Pumppausalipaineen ja virtaaman muuttuminen ajan mukana reim OKU tehdyissii pumppauksissa. Liik 5. Reikd OKU-737 tehtyjen pumppausten jiilkeisten paineiden palautu - misvaiheiden perusteella laaditut Horner-diagramrnit. Liae 6. Reiktii OKU-737 syvyydeltii m tehdystii pumppauksesta laadittu 1 /Q - diagrammi.

49 Liite 1. JOHTOKYKY. B SOL 100L 150L 1

50 Liite 2.

51 JOHTOKYKY

52 Liite 4. reikapituus: 25-50m vert. syvyys: LL. Time (min)

53 Liite 4. (2/8 Time (min)

54 Liite 4. reikapituus; m vert.syvyys: 74-98m Time (min)

55 Liite 4. reikäpituus: m vert.syvyys: m Time (min)

56 Liite 4. reikäpituus: m vert.syvyys: m Time (min)

57 Liite 4. reikäpituus: m vert.syvyys: m Time (min)

58 Liite 4. (7/8) reikäpituus: m, ensimmäinen pumppaus vert.syvyys: m Time (min)

59 Liite 4. reikapituus: m, toinen pumppaus vert.syvyys:196-22lm Time (min)

60 Liite 5. (1/3 1 reikapituus 25-50m (syv m) -5 n -10 w -15 v -20 rn Q) v - rn w reikapituus 50-75m (syv.49-74m) c

61 Liite 5. (2/3) reikapituus m (syv n reikapituus m (svv, m)

62 Liite 5. (3/3) reikäpituus m (syv m) ' reikäpituus m - -ie5-50 (syv m) rn

63

64