Särkisuon gabron geofysikaaliset tutkimukset Hanna Leväniemi

Transkriptio

1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Etelä-Suomen yksikkö Espoo 136/2015 Särkisuon gabron geofysikaaliset tutkimukset Hanna Leväniemi

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Tekijät Hanna Leväniemi KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja Geologian tutkimuskeskus Raportin nimi Särkisuon gabron geofysikaaliset tutkimukset Tiivistelmä Tammelan kunnassa sijaitseva Särkisuon gabro on ollut Myllykoski Oy:n Ni-Cu tutkimuskohteena 1970-luvulla. GTK jatkoi tutkimuksia ; tässä raportissa kuvataan alueella suoritetut geofysikaaliset tutkimukset. Alueella suoritettiin magneettisia, painovoima- ja EM-mittauksia sekä petrofysikaalisten ominaisuuksien kartoitus kairareikäsydänten ja mittausten avulla. Painovoimamittausten perusteella mallinnettu gabromuodostuma ei ole kaikilta osin magneettista; petrofysiikan perusteella keskeisen tutkimusalueen suurin magneettinen anomalia aiheutuu ultramafisesta kivestä, joka voidaan alustavasti rajata suskeptibiliteettimittausten perusteella. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) geofysikaaliset tutkimukset, painovoimamenetelmät, magneettiset menetelmät, petrofysiikka, gabro Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Tammela, Särkisuo Karttalehdet L4222 Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistoraportti Arkistotunnus 136/2015 Kokonaissivumäärä 14 s + 26 liitettä Kieli suomi Hinta - Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue ESY 211 Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

3 Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 ALUEELLA SUORITETUT GEOFYSIKAALISET MITTAUKSET Maastomittaukset Petrofysikaaliset tutkimukset Laboratoriomittaukset Petrofysiikan reikämittaukset 6 3 MALLINNUS Painovoimamallinnus Magneettinen mallinnus 11 4 YHTEENVETO 13 KIRJALLISUUSLUETTELO LIITTEET: Liite 1. IP-mittaus vuonna Liite 2. Ominaisvastusluotaus vuonna Liite 3. Magneettinen mittaus vuonna Liite 4. Painovoimamittaus vuonna Liite 5. Maxmin-mittaus vuonna 2015, 440 Hz reaalikomponentti. Liite 6. Maxmin-mittaus vuonna 2015, 440 Hz imaginaarikomponentti. Liite 7. Maxmin-mittaus vuonna 2015, 1760 Hz reaalikomponentti. Liite 8. Maxmin-mittaus vuonna 2015, 1760 Hz imaginaarikomponentti. Liite 9. Maxmin-mittaus vuonna 2015, 3520 Hz reaalikomponentti. Liite 10. Maxmin-mittaus vuonna 2015, 3520 Hz imaginaarikomponentti. Liite 11. Maxmin-mittaus vuonna 2015, Hz reaalikomponentti. Liite 12. Maxmin-mittaus vuonna 2015, Hz imaginaarikomponentti. Liite 13. Kairareikä L R29geofysikaaliset mittaustulokset Liite 14. Kairareikä L R30 geofysikaaliset mittaustulokset Liite 15. Kairareikä L R31 geofysikaaliset mittaustulokset Liite 16. Kairareikä L R32 geofysikaaliset mittaustulokset Liite 17. Kairareikä L R33 geofysikaaliset mittaustulokset Liite 18. Kairareikä L R34 geofysikaaliset mittaustulokset Liite 19. Kairareikä L R41 geofysikaaliset mittaustulokset

4 Liite 20. Liite 21. Liite 22. Liite 23. Liite 24. Liite 25. Liite 26. Kairareikä L R42 geofysikaaliset mittaustulokset Kairareikä L R43 geofysikaaliset mittaustulokset Kairareikä L R44 geofysikaaliset mittaustulokset Kairareikä L R45 geofysikaaliset mittaustulokset Kairareikä L R46 geofysikaaliset mittaustulokset Kairareikä L R47 geofysikaaliset mittaustulokset Kairareikä L R48 geofysikaaliset mittaustulokset

5 1 1 JOHDANTO Tammelan kunnan alueella sijaitseva Ni-Cu kriittinen Särkisuon gabro (Kuva 1) on ollut Geologian tutkimuskeskuksen Etelä-Suomen yksikön Etelä-Suomen teollisuus- ja malmipotentiaali hankkeen tutkimuskohteena vuosina Aiemmin aluetta on tutkinut Myllykoski Oy 1970-luvulla. Tässä raportissa kuvataan kohteessa suoritetut geofysikaaliset tutkimukset. Kohteen tarkempi kuvaus ja geologiset tutkimukset on raportoitu erillisessä geologisessa kohderaportissa (K. Kojonen, valmisteilla). Kuva 1. Alueen kallioperäkartta, Särkisuon sijainti merkitty mustalla ympyrällä. Sisältää Maanmittauslaitoksen aineistoa. 2 ALUEELLA SUORITETUT GEOFYSIKAALISET MITTAUKSET 2.1 Maastomittaukset Särkisuon alueella oli vuonna 1975 suoritettu magneettinen ja gradienttijärjestelmän IP-mittaus 50 m linjavälillä ja 20 m pistevälillä, paikoin tihennettynä 10 metriin (Huopaniemi 1975a). Näistä IP-mittauksen osalta löydettiin GTK:n arkistosta vielä alkuperäiset mittausmuistiinpanot, joista aineisto saatiin numeeristettua (liitteet 1-2). Magneettisesta mittauksesta oli säilynyt ainoastaan paperikartta, jossa mittaustulos oli esitetty melko harvoina sama-arvokäyrinä (Huopaniemi 1975b).

6 2 Särkisuolla suoritettiin vuosina uusia geofysikaalisia mittauksia (Taulukko 1). Mittausten tarkoituksena oli tarkentaa kuvaa alueen yleisgeologiasta sekä mafisen rakenteen rajaaminen. Magneettinen ja gravimetrinen mittaustulos (Kuva 2 ja Kuva 3) liittyvät mafis-ultramafiseen muodostumaan; sähkömagneettisessa maxmin-mittauksessa kunnon signaali saatiin varsinaisesti vasta korkeilla taajuuksilla, ja johtavuusrakenteet on tulkittu liittyvän maapeitteeseen. Maastomittausten kaikki komponentit on esitetty karttoina liitteissä Magneettinen Gravimetrinen Sähkömagneettinen Mittausajankohta Laitteisto Overhauser CG-3 MaxMin (0.4, 1.7, 3.5, 14 khz) Linjaväli m 50 m + poikkiprofiili m Pisteväli n. 1 m (jatkuva mittaus) 20 m 20 m Linjaston pituus km 7.5 km 6.4 km Taulukko 1. Särkisuon geofysikaaliset maastomittaukset Gravimetrisen mittauksen perusteella muodostuman voidaan tulkita olevan laajempi kuin mitä vanhojen geofysikaalisten karttojen ja kairausten perusteella oletettiin. Kairaukset kattavat muodostuman lounaisosan, mutta raskaamman massan voidaan tulkita jatkuvan vielä usean sata metriä nykyisten kairauskoordinaattien koillispuolelle. Uudet painovoimamittaukset eivät kata muodostumaa kokonaisuudessaan. Muodostuman poikki kulkee kaakko-luode suuntainen painovoimaminimi, joka saattaa merkitä muodostumaa halkovaa ruhjetta ja mahdollisesti myös ruhjeeseen sijoittuvaa paksumpaa maakerrosta. Magneettiset maksimianomaliat sijoittuvat muodostuman etelä- ja keskiosiin.

7 3 Kuva 2. Magneettinen mittaus Särkisuolla vuonna Kairareiät merkitty ympyräsymbolilla.

8 4 Kuva 3. Gravimetrinen mittaus Särkisuolla vuonna Kairareiät merkitty ympyräsymbolilla. 2.2 Petrofysikaaliset tutkimukset Laboratoriomittaukset Kahdeksasta kairarei'istä poimittiin yhteensä 209 näytettä (Taulukko 2). Näytteistä mitattiin GTK:n geofysiikan laboratoriossa tiheys, magneettinen suskeptibiliteetti, remanentin magnetoituman intensiteetti sekä vuoden 2015 kairasydännäytteistä galvaaninen ominaisvastus. Mittausmenetelmät ja laitteistot on kuvattu lähteessä Airo & Säävuori (2013). Kairareikä Kairausvuosi Näytteet (kpl) L R L R L R L R L R L R L R L R Yhteensä 209 Taulukko 2. Petrofysiikan kairasydännäytteet.

9 5 Kun näytteet jaotellaan kivilajiloggauksen mukaisesti, voidaan tiheys-suskeptibiliteetti diagrammin (Kuva 4) perusteella todeta, että mafisten ja ultramafisten kivien tiheysjakauma on laaja, noin kg/m 3. Keveämmässä päässä jakaumaa mafisten kivien tiheydet menevät päällekkäin sivukiven l. kiillegneissin tiheyksien kanssa; pääosalla kiillegneissinäytteistä on kivelle tyypillinen tiheys ~ kg/m 3, mutta myös yksittäisiä korkeampia tiheyksiä esiintyy. Pegmatiitit erottuvat omana ryhmänään, joka tiheys- ja suskeptibiliteettiarvot ovat alhaisia. Tiheysjakauman raskaassa päässä kivet ovat pääasiassa gabroja. Gabrot ovat suskeptibiliteettiensa perusteella pääasiassa paramagneettisia, ts. eivät aiheuta merkittäviä magneettisia anomalioita. Magneettisten anomalioiden lähteitä ovat kuvaajan perusteella pyrokseniitit ja peridotiitit. Myös grafiittiliuskeet voivat synnyttää magneettisia anomalioita. Pyrokseniittien ja peridotiittien osalta kuvaajassa on nähtävissä trendi, johon liittyy kasvava suskeptibiliteetti ja laskeva tiheys. Trendi liittyy mahdollisesti serpentiniittiytymiseen, jossa sekundäärisen magnetiitin määrä on kasvaa ja kiven tiheys laskee. Kuva 4. Petrofysikaalisten kairasydännäytteiden suskeptibiliteetti-tiheys diagrammi. Maastomittauksissa mitatut magneettiset anomaliat voivat aiheutua kahdesta magnetoitumakomponentista: indusoidusta magnetoitumasta, jonka suuruus on suskeptibiliteetista riippuvainen ja jonka suunta on maapallon magneettikentän suuntainen, tai kiven remanentista eli jäännösmagnetoitumasta, jonka suunta saattaa poiketa nykykentän suunnasta ja jonka intensiteetti ei riipu suskeptibiliteetista. Remanentin magnetoituman suhdetta indusoituun magnetoitumaan kuvataan ns. Köningsbergin suhteella (Q); suhdeluku Q=1 tarkoittaa, että indusoitu ja remanentti magnetoituma ovat yhtä suuria, ja Q>1 tarkoittaa, että remanentti magnetoituma on kohteessa vallitseva magnetoitumatyyppi. Remanentilla magnetoitumalla on merkitystä numeerisessa mallintamisessa: jos remanentin magnetoituman osuus kokonaismagnetoitumas-

10 6 ta on merkittävä (Q>1) ja magneettista aineistoa halutaan mallintaa luotettavasti, on suskeptibiliteetin lisäksi otettava huomioon remanentin magnetoituman intensiteetti ja suunta. Kuvassa 5 on esitetty näytejoukon suskeptibiliteettijakauman yläpään näytteiden suskeptibiliteetit ja Q- suhteet. Pyrokseniittien ja peridotiittien Q-arvot sijoittuvat pääasiassa arvovälille Q=1-3, mutta matalamman suskeptibiliteetin näytteillä Q-arvot nousevat jopa yli kymmeneen. Remanentilla magnetoitumalla on vaikutusta mittausalueen magneettisten anomalioiden syntyyn. Remanentin magnetoituman suunnan määrittämiseksi kohteen kairarei'istä on otettu suunnattuja lisänäytteitä, mutta mittaustulokset eivät ehdi mukaan tähän raporttiin. Alustavan mallinnuksen perusteella kuitenkin vaikuttaa siltä, että ainakin peridotiittisen materiaalin remanenssi olisi epästabiilia ns. viskoosiremanenssia, joka on tyypillistä magnetiitille tai suuren raekoon magneettikiisulle ja joka mallinnuksessa näkyy efektiivisesti indusoivan kentän suuntaa vahvistavana komponenttina, ts. remanentin magnetoituman suunta ei poikkea maapallon magneettikentän suunnasta. Kuva 5. Petrofysikaalisten kairasydännäytteiden suskeptibiliteetti-q diagrammi Petrofysiikan reikämittaukset Kaikista kairarei'istä mitattiin myös petrofysiikan reikämittaukset GTK:n kalustolla (Forss, 2013) poislukien reiät L R41 ja L R43, jotka olivat osittain tai kokonaan tukossa. Kuvan 6 esimerkistä nähdään, että reikämittausten (log) kalibrointi verrattuna laboratoriomittauksiin (lab) on erityisesti tiheyksien osalta hieman epätarkka, mutta antaa kuitenkin oikean mittaluokan tuloksia. Kuten edellä laboratoriomittausten kuvaajien yhteydessä käsiteltiin, magneettinen suskeptibiliteetti on korkeimmillaan pyrokseniittien yhteydessä. Gabrojen ja pyrokseniittien välinen tiheysero on melko pieni, kuitenkin siten, että gabroilla tiheys on n. 100 kg/m 3 suurempi. Pegmatiiteilla tiheys on laboratoriomittausten perusteella n kg/m 3, ja luonnon gammasäteily on mafisista kivistä poiketen koholla. Galvaaninen sähkönjohtavuus on ajoittain hieman koholla.

11 7 Kuva 6. Esimerkki reikäkuvaajasta: reikä L R42. Kairareikien reikäkuvaajat on esitetty liitteissä (värikoodaus sama kuin kuvan 6 esimerkissä; kairareikien R46-R48 geologinen loggaus ei ollut valmis tätä raporttia kirjoitettaessa). Geofysikaalisten para-

12 8 metrien arvot noudattavat eri kivilajiyksiköihin nähden pääasiassa edellä mainittuja periaatteita. Sähkönjohtavuus on korkeimmillaan reiässä R R43, jossa on usean metrin paksuinen grafiittiliuskekerros. Myös muissa kairarei'ssä on tavattu ohuempia grafiittiliuskejuonia, jotka todennäköisesti aiheuttavat osan reikäluotauksissa mitatuista johtavuuksista. Toisaalta johtavuus on koholla myös reiän L R30 ohuen malmilävistyksen kohdalla (samoin kuin tiheys ja suskeptibiliteettikin). 3 MALLINNUS 3.1 Painovoimamallinnus Gravimetrinen aineisto mallinnettiin suoralla (forward) mallinnuksella kairareikätietoja apuna käyttäen. Gravimetrisessa mallissa mafis-ultramafisen kiven tiheytenä käytettiin suhteellista arvoa +220 kg/m 3 (suhteessa sivukiven tiheyteen). Lisäksi mallissa pyrittiin ottamaan huomioon pehmeikön vaikutus gravimetriseen anomaliaan; viiden metrin paksuisella pehmeikkökappaleella käytettiin tiheyttä -800 kg/m 3. Mallinnus tehtiin vain siltä osalta intruusiota kuin painovoima-aineistoa on kattavasti (Kuva 7), kuitenkin siten, että massan jatkuminen linjaston ulkopuolelle otettiin huomioon. Kuva 7. Gravimetriset mittauslinjat ja mallikappaleet linjoilla ylhäältä katsottuna (sininen = pehmeikkö, suhteellinen tiheys -800 kg/m3, ruskea = mafinen/ultramafinen kivi, suhteellinen tiheys +220 kg/m3).

13 9 Tuloksena saadun gravimetrisen mallin mukaan mafis-ultramafisessa kivessä olisi katkos tai ruhje luodekaakko suunnassa Särkisuon alla (Kuva 8); kairareikien R31 ja R42 lopussa lävistetyt kiillegneissit ja pegmatiitit olisivat tässä katkoksessa, ja gabro jatkuisi taas ko. reikien pohjoispuolella. Mallissa intruusio jakautuu läntisillä linjoilla kahteen osaan, ja muodostuman syvyys on suurimmillaan itäisillä linjoilla. Mallin mukaan 1970-luvulla kairattujen malmiutuneiden reikien alla olisi myös vielä mafista kiveä. Kuva 8. Gravimetrinen malli kokonaisuudessaan (ylhäällä) ja leikattuna profiililta E (alhaalla) idästä katsottuna.

14 10 Gravimetrisen mallinnuksen onnistuneisuutta voidaan tarkastella vertaamalla todellista mittausdataa mallikappaleista laskettuun mallivasteeseen. Kuvan 9 vertailussa nähdään, että mallin sovitus mittausaineistoon nähden on hyvä. Tämä ei vielä todista, että malli vastaa yksiselitteisesti geologista todellisuutta, mutta se on yksi mahdollinen malli, jolla mittausaineisto voidaan selittää. Kuva 9. Gravimetrinen mittausaineisto (vasemmalla) ja gravimetrisen mallin tuottama vaste (oikealla). 3.2 Magneettinen mallinnus Kuvan 4 jakaumasta sekä liitteiden kairareikäkuvaajista nähdään, että mafisten ja ultramafisten kivien osalta magneettiset anomaliat liittyvät monissa kairarei'issä pyrokseniitteihin ja oliviinipyrokseniitteihin. Magneettiselle aineistolle ei tehty varsinaista numeerista mallinnusta, mutta kairarei'istä hahmoteltiin kivilajitietojen ja petrofysikaalisten loggausaineistojen perusteella kappale, joka edustaa pyrokseeneihin ja peridotiitteihin liittyviä korkeita suskeptibiliteetteja (Kuva 10). Magneettisella kartalla (Kuva 11) anomalia A aiheutuu tästä rakenteesta. Anomalia B liittyy todennäköisesti grafiittiliuskeen magneettikiisuun ja anomalia C kiisumineralisaatioon. Kuvaan 11 merkittyjen anomalioiden itäpuolisten anomalioiden lähteitä on tavoiteltu rei'illä R32 (Liite 16) ja R33 (kaikkein itäisin) (Liite 17), näistä edellisessä suskeptibiliteetti on koholla reiän alkupäässä ja erityisen korkea piikkimäisesti n. 35 m syyvydessä mafi-

15 11 sessa kivessä lähellä kiillegneissin kontaktia (samassa kohdassa myös johtavuus koholla); jälkimmäisessä suskeptibiliteetti on koholla reiän alaosissa mafisessa kivessä. Kuva 10. Korkean suskeptibiliteetin alueen rajaava kappale luoteesta katsottuna. Kairareikiin plotattu kivilajitiedot sekä punaisella suskeptibiliteettiloggaukset. Kuva 11. Yksityiskohta magneettiselta kartalta.

16 12 Kuvassa 12 on yhdistetty gravimetrinen malli magneettisen aineiston perusteella pääasialliselta kairausalueelta rajattuun ultramafiseen osioon. Kuva 12. Gravimetrinen (violetti) ja magneettinen (vihreä) malli idästä katsottuna; malli leikattu profiililta E. 4 YHTEENVETO Petrofysiikan perusteella gabromuodostuman kivet ovat kauttaaltaan raskaita mutta eivät välttämättä magneettisia; painovoimamittauksista gabro voidaan mallintaa suurempana muodostumana kuin mitä nykyiset kairaukset alueella kattavat. On huomattava, että koska painovoimamittaukset suunniteltiin Myllykoski Oy:n magneettisen aineiston perusteella, ne eivät täysin kata koko muodostumaa, ja mikäli tutki-

17 13 muksia alueella jatketaan, olisi erityisesti painovoima-aineisto täydennettävä kattamaan kunnolla koko muodostuma. Muodostuman itäosan magneettisia lähteiden ominaisuuksia ei tunneta kovin tarkasti, mutta pääasiallisen kairausalueen suurin magneettinen anomalia aiheutuu ultramafisista kivistä. Ultramafinen osio voidaan alustavasti hahmottaa 3D-malliksi suskeptibiliteettimittausten perusteella ja se sijaitsee gabromuodostuman keskiosissa. Sähkömagneettisissa mittauksissa (joiden syvyysulottuvuus on joitakin kymmeniä metrejä) havaittiin heikkoja johteita, jotka liittyvät todennäköisesti maaperään (ja/tai grafiittiliuskeisiin). Muodostuman todettuja sulfidilävistyksiä ei voida tämän hetkisen näkemyksen mukaan erottaa muusta muodostumasta maastogeofysiikan mittausten avulla, mutta erityisesti potentiaalikenttäaineistot ja - mallinnus ovat hyödyllisiä kokonaisuuden hahmottamisessa.

18 14 Kirjallisuus Airo, M.-L. & Säävuori, H Petrophysical characteristics of Finnish bedrock: Concise handbook on the physical parameters of bedrock. Geological Survey of Finland, Report of Investigation p. Forss, H. GTK:n "langaton" reikämittauslaitteisto. In: Lahti, M. (toim.) Sovelletun geofysiikan XIX neuvottelupäivät , Eurajoki. Vuorimiesyhdistys, Sarja B, Nro 96. Huopaniemi, P. 1975a. Selostus tutkimustöistä Tammelan kunnan Mustialan ja Kaukjärven kylissä, Malmikaivos Oy:n valtauksilla Särkijärvi (kaiv.rek.nro 2454/1), Kaukjärvi (kaiv.rek.nro 2454/2) ja Särkisuo 1-3 (kaiv.rek.nrot 2520/1-3). Valtausraportti, Malmikaivos Oy. Huopaniemi, P. 1975b. Selostus tutkimustöistä Malmikaivos Oy:n valtauksilla Särkijärvi, kaiv.rek.no. 2454/1, Kaukjärvi, kaiv.rek.no. 2454/2 ja Särkisuo 1-3, kaiv.rek.no. 2520/1-3. Valtausraportti, Malmikaivos Oy.