Osa 1. Johdatus Suomen kallioperägeologiaan ja malmigeologiaan / Introduction to bedrock geology of Finland and ore geology

Transkriptio

1 Geologiaa ja mineralogiaa Maaperägeologiaa Geokemiaa Malmigeologiaa Profiilina mineraaliset luonnonvarat, kestävä kehitys ja pohjoisten alueiden globaalimuutos Yhteistyötä teollisuuden ja valtion tutkimuslaitosten kanssa

2 Johdatus Suomen kallioperägeologiaan ja malmigeologiaan / Introduction to bedrock geology of Finland and ore geology Kari Strand, prof. Kaivannaisalan tiedekunta / Oulu Mining School (huone/room PR 242) Thule-instituutti / Thule Institute (huone/room IT 231) P 5 op. 24 h luentoja Kirjallinen kuulustelu Osa 1

3 Tavoitteet Opiskelija tunnistaa ja osaa kuvailla Suomen kallioperän pääyksiköt ja osaa nimetä ne stratigrafisen aseman ja ikäsuhteiden perusteella. Hän osaa yhdistää merkittävimmät kallioperäyksiköt ja niiden rakenneosat tektonisen kehityksen päävaiheisiin. Opintojakson jälkeen opiskelija osaa tunnistaa ja arvioida malmiin liittyviä raaka-ainevaroja, kertoa niiden etsinnästä ja tunnistaa niihin liittyviä ympäristökysymyksiä. 3

4 Sisältö Kronostratigrafian ja litostratigrafian käsitteistö. Suomen arkeeinen ja proterotsooinen kallioperä sekä nuoremmat kallioperäyksiköt. Maankamaran raaka-ainevarat, malmien jaottelu ja yleiset syntyprosessit, malminetsintämenetelmät. 4

5 Johdantoa Arkeeinen aika eli 2500 miljoonaa vuotta vanhemmat tapahtumat Karjalaiset muodostumat eli vanhan mantereen päälle kerrostuneet paleoproterotsooiset sedimentit ja vulkaniitit Svekofenniset kivilajit eli Etelä- ja Keski- Suomen synty paleoproterotsooisena aikana Rapakivet eli Suomen nuorimmat laajaalaiset syväkivi-intruusiot Rapakiviä nuoremmat tapahtumat eli viimeiset 1500 miljoonaa vuotta Neoproterotsooiset ja nuoremmat sedimenttikivet Nuoremmat alkalikivet ja impaktiitit Fennoscandian kilpialue rikas mineraalivaroiltaan ja tärkeimpiä malminetsinnän kohteita 5

6 Oppimateriaalit Luentomateriaali Lehtinen, M., Nurmi, P., Rämö, T. (1998) Suomen kallioperä 3000 vuosimiljoonaa. Suomen Geologinen Seura, Gummerus Jyväskylä, ISBN , s Saatavissa Suomen Geologisen Seuran nettisivulta: Osia teoksesta Craig, J.R., Vaughan, D.J. & Skinner, B.J. (1996) Resources of the Earth - Origin, Use, and Environmental Impact. Prentice Hall, 472 s.

7 Sisältö Suomen kallioperän tutkimuksen historia Geologian peruskäsitteitä Suomen kallioperän yleispiirteet Arkeeinen kallioperä Pohjois-Suomen liuskealueet, kerrosintruusiot ja granuliittialue Karjalaiset liuskealueet Svekofenniset liuskealueet Proterotsooiset orogeeniset syväkivet Rapakivigraniitit Suomen Alkalikivet Peruskallion myöhäiset kehitysvaiheet Meteoriittitörmäyskraaterit Vendikaudesta nykyaikaan Kallioperägeologista sanastoa 7

8 Muita käyttökelpoisia oppikirjoja Focusing on the Precambrian of the Fennoscandian Shield, the book combines the results from modern geological research into a detailed petrologic, lithologic, and structural synthesis and interpretation of the Archean and Proterozoic of Finland (publ. 2005). Catalogue of Finland s mineral deposits and their economic potential (publ. 2015) 8

9 Content Archean rocks Layered mafic intrusions of thetornio-näränkävaara belt Central Lapland greenstone belt Paleoproterozoic mafic dikes in NE Finland Ophiolites Karelian supracrustal rocks Svecofennian supracrustal rocks Svecofennian mafic-ultramafic intrusions Proterozoic orogenic granitoid rocks Paleoproterozoic tectonic evolution Rapakivi granite Sedimentary rocks diabases and late cratonic evolution Kimberlites carbonatites and alkaline rocks Drift history of the Shield Paleoproterozoic carbon isotope excursion History of Finnish bedrock research 9

10 Content A History of Exploration for and Discovery of Finland s Ore Deposits Synthesis of the Geological Evolution and Metallogeny of Finland Magmatic Ni-Cu-PGE-Cr-V Deposits Deposits Related to Carbonatities and Kimberlites Gold Deposits The Hannukainen Fe-(Cu-Au) Deposit, Western Finnish Lapland The Vihanti-Pyhäsalmi VMS Belt Mineral Deposits Related to Granitic Rocks The Talvivaara Black Shale-Hosted Ni-Zn-Cu-Co Deposit in Eastern Finland High-Tech Metals in Finland The Taivaljärvi Ag-Au-Zn deposit in the Archean Tipasjärvi greenstone belt, eastern Finland Uranium deposits of Finland Industrial Minerals and Rocks Exploration Methods The Orogenic Gold Potential of the Central Lapland Greenstone Belt, Northern Fennoscandian Shield Finland s Mineral Resources: Opportunities and challenges for future mining 10

11 Kronostratigrafian ja litostratigrafian käsitteistö Tässä oppaassa on koottuna prekambrisen geologian kannalta keskeisimmät stratigrafiset menetelmät ja annetaan ohjeet ja suositukset käytänteistä ja keskeisen terminologian käytöstä. Merkittävä kehitys stratigrafisissa periaatteissa on ollut korreloitavien epäjatkuvuuksien merkityksen ymmärtäminen kiviseurannoissa ja näiden soveltaminen sekvenssistratigrafiassa. Geologisten yksiköiden kuvaus ja systemaattinen nimeäminen sekä mahdollisen stratigrafisen järjestyksen määrittäminen ovat keskeisiä jokaisen maan kannalta. 11

12 Suomen stratigrafinen komitea Since 2005 the Stratigraphic Commission of Finland provides guidance for stratigraphic procedure, terminology and revision of geological units in Finland 12

13 Stratigraphic Commission of Finland / Suomen Stratigrafinen komitea The creation of geological databases requires solid and uniform classification systems. National and international efforts to harmonize geological information calls for the internationally compatible terminology. The global working environment and the need for global communication, data exchange and interoperability is not more only for leading scientists but for everybody in the broad field of geology. The search of information, especially with modern information technology tools, can be highly improved by consistent terminology and hierarchical classification systems. 13

14 Types of stratigraphy 14

15 MATERIAL CATEGORIES BASED ON PHYSICAL PROPERTIES CONTENT OR LIMITS Lithostratigraphic Units Lithodemic Units Tectonostratigraphic Units Sequence Stratigraphy * Supergroup Group Formation Member (or Lens, or Tongue) Bed(s) or Flow(s) Supersuite Suite Lithodeme Phase (or Zone)* Complex Nappe system + Nappe complex + Nappe Thrust sheet (including small thrust sheet) Sequence # Systems tract # Parasequence # MATERIAL CATEGORIES USED TO DEFINE TEMPORAL SPANS NON-MATERIAL CATEGORIES RELATED TO GEOLOGICAL AGE Chronostratigraphic Units Eonothem Erathem System Stage Chronozone + Geochronologic Units Eon Era Period Age Chron + 15

16 Schematic illustration about the Precambrian bedrock and its lithostratigraphic units (A-H), and their possible classification. 16

17 Litostratigrafisen yksikön muodollinen määritys Määritetään muodostumat, jos tarpeen niin myös ryhmät ja jäsenet Kuvaus, nimi ja mahdollinen viittaus aikaisempiin luokitteluihin Alueellinen esiintyminen, tyyppialue tai - leikkaus Rajapinnat ja paksuus Tulkinnalliset kommentit Litostratigrafiset yksiköt määritellään kerrosten litologian eli fysikaalisten piirteiden kuten koostumuksen, raekoon, rakenteiden ja värin perusteella. suosituksia: GTK:n Opas 55 (2010) ISSC (1976), International stratigraphic guide NACSN (1983), Am.Ass.Petrol.Geo.Bull 67 17

18 Schematic illustration about the Precambrian bedrock and its lithodemic units (A-H), and their possible classification. Deformed and metamorphosed lithodemes may form group (suite, supersuite, complex), which is at higher rank level than lithodeme. 18 The plutonic lithodemes or the dyke lithodemes may form plutonic suite or dyke suite, respectively. Genetically related plutonic and dyke rocks can be grouped as a magmatic supersuite (modified from NSC, 1989).

19 Simplified schematic illustration of the Precambrian mountain chain, from the right foreland to the left nappe region, and its tectonostratigraphic units 19

20 Problems in the field mapping of deformed & metamophosed Precambrian sedimentary rocks Origin of the supracrustals: is it volcanic or sedimentary rock Are structures primary (syndepositional) or secondary (hard-rock tectonic deformation) Direction of younging (top directions) Are rocks folded Major lithostratigraphic contacts tend to become deformation zones You can t do stratigraphy without doing structural consideration 20

21 Diagnostic features and indicators Sedimentary structures are most valuable as no fossils in Precambrian record, however columnar stromatolites and biofilms exists Cross-stratification or grading for top directions Bedding surfaces need to be recognized Clast sizes tell about transport (max. clast size by averaging 10 largest clasts for each clast compositions) Congl./sandstone and sandstone/mudstone ratio Bed-thickness Frost-fractures in glacial and periglacial environment Intraformational conglomerates Soft-sedimentary folds in varved laminates 21

22 Prekambrin määrittelyä ja kronostratigrafinen jako The Precambrian Eon represents almost 90% of Earth s geological history and the known sedimentary rock record reflects c. 85% of geological time. The Precambrian rock record as a whole contains about 75% of global mineral resources, with iron and manganese being almost completely derived from such ancient sediments. One of the "great principles" of Precambrian sedimentation patterns is that the vast majority of Precambrian sedimentary lithologies, their contained structures and their interpreted genetic models almost all have Phanerozoic-Modern counterparts. Throughout Earth history, biogenic processes have contributed significantly to the sedimentary record and to atmospheric changes. The significant length of time represented by the Precambrian (sedimentary) record provides a highly topical window into the evolution of the Earth (particularly, its crustal, continental, geochemical and palaeo-atmospheric development). 22

23 Categories of material units and units defined on the basis of bounding unconformities and physical limits A tectonostratigraphic unit is a body of rock that has been shifted or displaced along a thrust fault, i.e. is located above or between thrusts. Sequence stratigraphy studies the relationships between the architecture of the stratigraphic record and cyclic changes in a base level, where the different depositional trends can be studied and analyzed from variable scales. 23

24 Epäjatkuvuudet Kerrossarjassa saattaa olla merkittäviä aukkoja eli epäjatkuvuuksia, joita syntyy, kun kerrostuminen lakkaa pitkäksi ajaksi tai kun eroosio kuluttaa osan vanhemmista kerrostumista pois. Epäjatkuvuuksista selkeimpiä ja näkyvimpiä ovat kulmaepäjatkuvuudet. Epäjatkuvuus voi näkyä myös keskenään yhdensuuntaisten kerrosten välisenä eroosiopintana. 24

25 Categories expressing or related to geological age, which can be divided into time or material units that formed within a specific time span A chronostratigraphic unit is a synchronous (i.e. simultaneous) bounded body of stratified rock that forms a material reference for all the rocks formed during the same period of time. A geochronological unit is a division of time defined on the basis of boundaries of chronostratigraphical units. 25

26 Geologinen aikataulu (aika ilmoitettu miljoonina vuosina nykyhetkestä taaksepäin) 26

27 Precambrian Time Scale From the time of initial accretion and differentiation (ca Ma) to the first appearance of abundant hardbodied fossils (the onset of the Cambrian Period at 542 Ma), the Precambrian spans 88 percent of Earth history 27

28 Formal subdivisions of the Precambrian in near future can be annotated with key events in Earth s evolution (Episodes, Vol. 27, no. 2) 28

29 29

30 30

31 Lithostratigraphic /Litodemic Units A lithostratigraphic unit is a stratum or body of strata, comprising stratified rocks and superficial deposits, which are distinguished and defined based on lithological properties and stratigraphic boundary relations A lithodemic unit is a non-stratified body of intrusive, volcanic or highly metamorphosed and/or completely deformed rock that lacks primary depositional structures 31

32 Stratigrafisilla luokittelusysteemeillä on rajoituksia pyritäessä soveltamaan niitä Suomen prekambrin geologiaan Luokittelujen soveltaminen on ollut erityisen haastavaa voimakkaasti deformoituneilla Prekambrisilla alueilla, joilla esiintyy monimuotoisia metamorfisten ja plutonisten kivien assosiaatioita. Näistä syistä johtuen stratigrafista luokittelua ja siihen liittyviä käytäntöjä ei ole muodollisesti otettu käyttöön Suomen Prekambristen kivien luokitteluissa. Joillakin alueilla luokitteluja on kuitenkin käytetty jo 1980-luvulta lähtien (Kainuu/ ja Lappi/GTK). 32

33 33 FinStrati ja Suomen kallioperä Geologian tutkimuskeskus (GTK) on julkaissut vuosien aikana toimineen DigiKP-projektin tuloksena saumattoman karttatietokannan Suomen kallioperästä (DigiKP200) sekä FINSTRATItietokannan Suomen kallioperän stratigrafisista yksiköistä. Projektin aikana kuvattiin kansainvälisten sääntöjen mukaan noin 2000 litostratigrafista tai litodeemista yksikköä. Työ tehtiin yhteistyössä Suomen statigrafisen Prekambrin alakomitean kanssa. Tulevaisuudessa GTK ylläpitää FINSTRATItietokantaa yhteistyössä SCF:n kanssa (ks. kuva). Stratigrafinen tietokanta sisältää nykyisessä tilassaan kuvauksen Suomen kallioperän stratigrafisista yksiköistä ja niiden viitetiedon julkaisuihin.