KOPPARNÄSIN TUTKIMUKSET VUONNA 2004

Transkriptio

1 GTK Espoo 2005

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ydinjätteiden sijoitustutkimukset GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Nuclear Waste Disposal Research Tiedonanto YST 122 Report YST 122 KOPPARNÄSIN TUTKIMUKSET VUONNA 2004 Paula Jääskeläinen, Kimmo Korhonen Espoo 2005

3 ABSTRACT Jääskeläinen, Paula. Korhonen, Kimmo Studies at Kopparnäs in Geological Survey of Finland, Report YST-122, 41 pages. ISBN , ISSN This report presents studies made at Kopparnäs, Inkoo, during the year Extensive lineament interpretations were made to the area and the methods included aerogeophysical data, topographical model and airborne photographs. Lineaments were considered to reflect fractured bedrock if for example the aeromagnetic data included a magnetic minimum. From Kopparnäs a lineament that was considered to reflect fractured bedrock, was selected for more detailed study. An advantage for the selected study area was the previous study material and wells located in the site. During the study triple tube drilling was made. The drilling was directed perpendicular to the interpreted fracture zone. The amount of trace color added to drilling water was monitored by sampling at the same time in the nearby well (KU1),. From the samples it was detected that trace color was transported from R-307 to the well KU1 at very early state of the drilling (before 27 m). This indicates that there is a hydraulic connection at shallow depth. After drilling flush pumping was made in the borehole R307 and the electrical conductivities of the flush water from R307 are very high. At about 130 meters length from the drill core there were observed to be a weathered zone of rock, which is probably hydraulically important. Other densely fractured zones appear at the lengths of 60 and 110 meters. Keywords: groundwater, bedrock, fractures, faults, permeability, aerogeophysics, Kopparnäs

4 TIIVISTELMÄ Paula Jääskeläinen ja Kimmo Korhonen Kopparnäsin tutkimukset vuonna Geologian tutkimuskeskus, Tiedonanto YST-122, 41 sivua. ISBN , ISSN Tässä raportissa esitetään Inkoon Kopparnäsin alueella vuoden 2004 aikana tehdyt tutkimukset. Alueelle suoritettiin kattava lineamenttitulkinta eri aerogeofysiikan aineiston, topografisten korkeusmallin ja ilmakuvien avulla. Näiden perusteella valittiin Kopparnäsin niemessä sijaitseva lineamentti tarkemman tutkimuksen kohteeksi. Kyseinen lineamentti tulkittiin rikkonaisuusvyöhykkeeksi mm. magneettisen minimin takia. Tutkimuspaikan etuna olivat myös alueella sijaitsevat vanhat porakaivot sekä alueelta saatavissa oleva vanha tutkimusaineisto. Tutkimuksen aikana suoritettiin kallionäytekairaus kolmiputkitekniikalla valitussa kohteessa. Kairaus suunnattiin kohtisuoraa tulkittua rakennetta vastaan ja samalla seurattiin läheisessä kaivossa (KU1) mm. kairausveteen lisätyn väriaineen määrää kaivovedessä. Näytteistä havaittiin väriainetta kulkeutuneen jo hyvin varhaisessa (< 27 m) vaiheessa kairareiästä (R-307) kaivoon (KU1). Tämän perusteella tiedetään reikien välillä olevan ainakin hyvin pinnassa hydraulinen yhteys. Kairauksen jälkeen suoritettiin huuhtelupumppaus, jolloin havaittiin sähkönjohtavuuden olevan hyvin korkea heti huuhtelupumppauksen alusta lähtien. Kairasydämessä vaikuttaisi olevan 130 metrin reikäpituudella hyvin rapautunut vyöhyke, joka todennäköisesti on hydrogeologisesti hyvin merkittävä. Muita rakotihentymiä ja mahdollisesti hydraulisia vyöhykkeitä oli n. 60 ja 110 metrin reikäpituudella. Asiasanat: kalliopohjavedet, rakoilu, ruhjeet, vedenjohtavuus, aerogeofysiikka, Kopparnäs

5 ESIPUHE Kopparnäsin tutkimukset suoritettiin osana Kansallisen ydinjätehuollon tutkimusohjelman (KYT) "Kallion rikkonaisuusrakenteet ja hydrogeologia" hanketta. KYTtutkimusohjelman hankkeet on rahoitettu Valtion ydinjätehuoltorahastosta (VYR). Hankkeen lähtökohtana on pyrkiä selventämään mitkä erilaiset kallioperän rakenteet ovat merkittäviä vedenjohtavuuden kannalta eri tilanteissa. Vuoden 2004 tutkimuksen aikana valittiin Kopparnäs uudeksi tutkimuskohteeksi, jonka hydrogeologiaa lähdettiin selvittämään. HYVÄKSYNTÄ Olemme tarkastaneet ja hyväksyneet raportin Geologian tutkimuskeskuksen puolesta. Petri Lintinen Toimialapäällikkö Lasse Ahonen Erikoistutkija

6 SISÄLLYS ABSTRACT TIIVISTELMÄ ESIPUHE 1 JOHDANTO KOPPARNÄSIN TUTKIMUSALUE Aikaisemmat tutkimukset Alueen geologiset piirteet LINEAMENTTITULKINNAT Lineamenttitulkinnan lähtökohta Aeromagneettiset tulkinnat Aerosähkömagneettiset tulkinnat Radiometriset tulkinnat Topografiset tulkinnat Tulkinnoissa käytetty aineisto Alueellisen lineamenttitulkinnan vaiheet Lineamenttitulkinnan tulokset KAIRAUS Kairausjärjestelyt Kairauksen ja huuhtelupumppauksen aikana suoritettu näytteenotto Kaivon KU1 veden seurantamittaukset Vesinäytteiden kemialliset koostumukset Huuhtelupumppauksen vedenseuranta KAIRASYDÄNKARTOITUS Kivilajit Rakokartoitus Yhteenveto Kopparnäsin kenttätutkimuksista YHTEENVETO TUTKIMUKSISTA KOPPARNÄSISSÄ VIITTEET... 40

7 1 1 JOHDANTO Suomessa on vanha prekambrinen kallioperä, jonka vanhimmat Arkeeiset osat muodostuivat yli 2500 miljoonaa vuotta sitten. Etelä-Suomen Proterotsooinen maankuori alkoi kehittyä 1900 miljoonaa vuotta sitten Svekofennisen vuorijonopoimutuksen yhteydessä. Tällöin Arkeeista mannerta ympäröineen valtameren sedimentit ja vulkaaniset kivet kävivät läpi voimakasta muodonmuutosta. Syvällä kallioperässä lämpötilan ja paineen vaikutuksessa muodostuneet kivilajit alkoivat käyttäytyä plastisesti ja muodostivat erilaisia virtaus- ja poimurakenteita, ns. duktiileja rakenteita. Myöhemmässä vaiheessa nykyisen eroosiotason tullessa lähemmäksi pintaa ja lämpötilan laskiessa alkoi muodostua hauraita rakenteita, kuten erilaisia siirroksia ja rakoja. Prekambrinen kallioperä on myöhemmin rapautunut ja ollut sedimenttien peittämä, mutta useat jääkaudet ovat hioneet pehmeimmät ja rapautuneimmat osat pois. Kallioperäämme peittävätkin ohuesti kvartäärikauden aikaiset maakerrokset, jotka myötäilevät kallioperän morfologiaa. Jääkausien kuluttavan vaikutuksen vuoksi ei kallioperässämme ole juurikaan laajoja huokoisia sedimenttikerroksia tai rapautumiskuoria, jotka muodostaisivat akvifereja. Toisaalta jääkauden jälkeisen maankohoamisen vuoksi kallioperämme pintaosiin on muodostunut horisontaalisia rakoja. Kiteisessä kallioperässä, jossa huokoisuus on vähäistä, juuri hauraat rakenteet toimivat veden kulkureitteinä ja vesivarastoina. Toisaalta on havaittu, että hauraita rakenteita syntyy usein kohtiin, jotka ovat jo duktiilin muodonmuutoksen muovaamia. Kallioperän kivilajijakauma ja duktiilit rakenteet vaikuttavat paljon siihen, minne nuoremmat ja hauraammat rakenteet purkavat liike-energiaansa. Siirroksia syntyy usein kallioperän vanhoihin heikkousvyöhykkeisiin kuten kivilajien kontaktivyöhykkeisiin, poimujen kylkiin ja lohkorakojen hiertovyöhykkeisiin. Usein oletetaan kartoilta selkeimmin erottuvien lineamenttien olevan parhaiten vettä johtavia. Kartoilta havaitut lineamentit voivat kuitenkin kuvastaa litologisia kontakteja, juonia,duktiileja ja uudelleen kiteytyneitä muodonmuutosrakenteita, eivätkä välttämättä kuvasta vedenjohtavuutta. Suuret ruhjeetkaan eivät välttämättä ole vettä johtavia vyöhykkeitä. Murrosvyöhykkeet ovat voineet syntyä hyvinkin eri olosuhteissa, ne ovat voineet käydä läpi useita eriasteisia deformaatioita ja ne voivat olla sekundääristen mineraalien täyttämiä. Ruhjeet eivät siis välttämättä ole aina vettä johtavia, vaikkakin ne ovat potentiaalisia veden ja aineiden kulkureittejä. Vettä varastoituu parhaiten runsaasti rakoilleeseen kallioon ja ruhjeisiin, joten vedenhankintatarkoituksia ajatellen vettä johtavien ruhjeiden paikallistaminen on oleellisinta. Aineiden kulkeutumista tutkittaessa on taas tärkeää havaita heikommin vettä johtavat rakenteet, joita voivat olla myös yksittäiset raot. Tämän tutkimuksen tavoitteena on löytää uusia keinoja vettä johtavien rakenteiden paikantamiseksi, sekä tutkia miten eri menetelmillä ja niitä yhdistämällä voidaan havaita vettä johtavat rakenteet luotettavasti. Monet menetelmistä keskittyvät vain rakotihentymien ja ruhjeiden paikantamiseen, mutta tämän tutkimuksen tärkein tavoite on etsiä keinoja erityisesti veden virtauskohtien paikantamiseksi rakoilleessa kalliossa. Tutkimuksen kannalta on olennaista selventää, millainen rakoilu on merkittävää vedenjohtavuuden kannalta. Tässä raportissa keskitytään Inkoon Kopparnäsin alueella KYT-hankkeen puitteissa vuonna 2004 tehtyihin tutkimuksiin. Vuonna 2004 alueelle tehtiin kattava lineamentti-

8 2 tulkinta ja porattiin n. 230 m syvä kairareikä sekä neljä uutta porakaivoa. Tutkimuksella tähdätään Kopparnäsin tutkimusalueen kalliopohjavesiä kontrolloivien rakenteiden paikallistamiseen ja kuvaamiseen. Tutkimukset päätettiin kohdistaa Kopparnäsiin, sillä alue on geologialtaan hyvin tyypillinen Etelä-Suomessa ja siellä on aikaisemmin tehty mm. ydinjätteiden loppusijoitukseen liittyvää tutkimustyötä. Aikaisempia tutkimuksia pyrittiin hyödyntämään porakaivojen ja kairareikien sijoittamisessa. Lisäksi alueella on vanhoja tutkimusreikiä joita on mahdollista hyödyntää. Raportissa esitetään tehdyt lineamenttitulkinnat Kopparnäsin alueelta sekä ensimmäiset tulokset tulkitun ruhjevyöhykkeen lävistävästä kairauksesta. Raportissa käydään lävitse reikien sijoitusperusteet sekä esitetään kairauksen aikana saatuja tutkimustuloksia mm. vesinäytteistä.

9 3 2 KOPPARNÄSIN TUTKIMUSALUE Vuonna 2004 suoritettiin hydrogeologisia tutkimuksia Kopparnäsin alueella. Tutkimuksen tarkoituksena on pyrkiä selkeyttämään, mitkä menetelmät ovat käyttökelpoisimpia kallioperän vedenjohtavuuden määrittämiseksi. Vuoden 2004 tutkimuksen aikana käytiin lävitse vanhoja tutkimusaineistoja Kopparnäsissä, suoritettiin lineamenttitulkintoja sekä sijoitettiin kairareikä ja 4 kpl uusia porakaivoja Kopparnäsin tutkimuskohteesta valittuun lineamenttiin. Tulkintatyön tarkoituksena oli kartoittaa Kopparnäsin alueen rikkonaisuusrakenteita hydrogeologisen tutkimuksen tarpeita varten. Kuvassa 1. on esitetty Kopparnäsin tutkimusalue ja sen sijainti Suomen mittakaavassa. Neliöllä on kuvaan rajattuna alue, jossa suoritettiin tarkempia tutkimuksia. Kuva 1. Tutkimusalue ja sen sijainti koko Suomen mittakaavassa. Oikealla karttalehden 2032 alalehdet 4 ja 5, joiden alueelta tehtiin lineamenttitulkinta. Neliöllä rajattuna on Kopparnäsin kenttätutkimusalue.

10 4 2.1 Aikaisemmat tutkimukset Imatran Voima suoritti 1970-luvulla alueella seismisiä mittauksia sekä kairauksia. Kairareiät olivat matalia ja ulottuivat metrin syvyyteen (Imatran Voima Oy 1972, 1974). Myöhemmin ja 80-lukujen vaihteessa Geologian tutkimuskeskus suoritti alueella lisätutkimuksia ydinjätteiden sijoitustutkimuksiin liittyen. Tuolloin alueella tehtiin lisää seismisiä luotauksia ja kairattiin kaksi 80 m syvää porakaivoa iskuporakoneella. Lisäksi Kopparnäsissä suoritettiin yksityiskohtainen rakoilututkimus (Suominen 1984). Porakaivoissa ja kairarei'issä suoritettiin pumppauskokeita ja vedenpinnan korkeuden seurantaa sekä otettiin vesinäytteitä. Porakaivot sijaitsivat noin 100 metriä leveän laakson pohjalla. Niiden paikat oli pyritty sijoittamaan mahdollisimman rikkonaiseen kallioon. Oletettu rikkonainen vyöhyke oli paikannettu seismisten luotausten avulla (Salmi 1985). Kopparnäsin alueella on tehty aikaisemmin matalia kairareikiä, joista kaikki olivat alle 35 metriä. Näistä SK001 SK013 tunnuksilla varustetuista rei'istä on maastossa löydetty vain kolme. Kaikista on kuitenkin kairasydännäyte, joita voi hyödyntää tutkimuksissa. Lisäksi alueelle tehdyistä porakaivoista varsinkin kaivon KU1 vedentuotto on ollut erittäin hyvä. Kopparnäsin vanhaa seismistä tutkimusaineistoa tarkastelemalla havaittiin kallionopeuksien voivan olla peräisin rikkonaisuudesta, mutta rikkonaisuuden kaateesta ei voitu tehdä arvioita olemassa olevan mittausaineiston perusteella. Eräs seismisistä tutkimuslinjoista kulki porakaivon KU1 kautta, jolla tavatut alhaisimmat seismiset nopeudet olivat 4700 m/s. 2.2 Alueen geologiset piirteet Kopparnäsin alue on topografialtaan suhteellisen matalaa, sillä korkein kohta alueella on noin 40 metriä merenpinnasta (N60-järjestelmä), mutta pienpiirteiltään alue on vaihtelevaa. Alueen korkeimmilla kohdilla on silokallioita ja matalampiin kohtiin on kertynyt vaihtelevasti savikerroksia. Noin 2,4 1,8 Ga vanha Etelä-Suomen kallioperä muokkautui monivaiheisessa saarikaariympäristön orogeniassa noin 1,9 Ga sitten (mm. Korsman et al. 1999). Kallioperä on vuosimiljoonien aikana rapautunut ja erityisesti viimeisten satojen tuhansien vuosien aikana kulunut jääkausien vaikutuksesta. Nykyinen eroosiotaso edustaa useiden kilometrien syvyydessä metamorfoitunutta, osittain sulanutta ja uudelleen kiteytynyttä kiveä. Kivilajit ovat tyypillisesti migmatisoituneita ja muodostuvat pääasiallisesti graniitista, granodioriitistä sekä kiillegneissistä (Salmi 1985). Jäätikköjokien kasaamia ns. glasifluviaalisia muodostumia on alueella hyvin vähän, koko karttalehden 2032 alueella vain 0,5 % maapinta-alasta. Alue on ollut veden peittämä jäätikön väistyttyä, jolloin Baltian jääjärvi huuhtoi ja muovasi aluetta (Repo et al. 1970). Tutkimuspaikan kivilajikartta on esitetty pääpiirteittäin kuvassa 2 Laitalan 1961 mukaan. Paljastumakäyntien perusteella tutkimusalueen kivilaji on pääasiassa graniittista, emäksisiä kivilajeja esiintyy jonkin verran saaren eteläosassa etupäässä sulkeumina migmatiitissa. Niemen etelä- ja länsiosassa on paljastumilla havaittavissa diabaasijuonia.

11 5 Kuva 2. Kopparnäsin tutkimusreiät ja kallioperäkartta (Laitala 1961). Vesi- ja tieteemat maanmittauslaitos, lupa nro 13/MYY/05. Liuskeisuuden kulku myötäilee litologiaa ollen pääasiallisesti Itä-länsi suuntaista ja melko pystyä. Lähetyttäessä Porkkala-Mäntsälä ruhjevyöhykettä liuskeisuus taipuu ruhjevyöhykkeen suuntaisesti. Liuskeisuuden myötäisesti esiintyy myös yksi rakosuunta. Kopparnäsissä paljastumilla on näkyvissä useissa paikoissa laattamaisia lohkareita, joita sinne on ilmeisesti kallioperän routimisen takia syntynyt. Alueella vaikuttaisi olevan

12 6 kolme rakosuuntaa Suomisen (1984) raportin mukaan. Selkeimmin erottuu kuitenkin itä-länsi suuntaus. Syvemmistä 80 metrisistä kaivoista ei ole kairasydämiä eikä paljastumakartoituksen perusteella voida selvittää vaakarakoilun määrää. Salmi (1985) arvelee kuitenkin alueen kallioperän terassimaisten pinnanmuotojen perusteella alueella olevan voimakasta vaakarakoilua. Suomisen (1984) raportoiman Kopparnäsin yksityiskohtaisen rakokartoituksen perusteella on pystyjen rakojen lisäksi havaittavissa horisontaalista ja subhorisontaalista rakoilua. Paljastumat ovat suhteellisen ehjiä ja varsinkin niemen lounais-osan kalliopaljastumilla rakoilua on hyvin vähän. Porkkala Mäntsälä ruhjevyöhyke on eräs Etelä-Suomen kallioperän suurista siirrosvyöhykkeistä, jonka syntyminen on vaikuttanut merkittävästi myös Kopparnäsin alueen kallioperään. Ruhjevyöhyke sivuaa tutkimusaluetta etelässä lounais koillis suuntaisesti ja on tulkittu luonteeltaan duktiiliksi Upinniemen ympäristössä (Pajunen et al. 2002). Siirrosvyöhyke on havaittavissa laaksona ja peltojen, järvien ja jokien muodostamana nauhana. Maastossa Porkkala Mäntsälä ruhjevyöhyke on kapea ja laakson reunamilla on myloniitteja melko vähän. Voimakkaimmin ja kataklastisesti hiertyneet rakenteet ovat rapautuneet pois. Ruhjevyöhyke on läpikäynyt useita deformaatioita ja on vanha. Nykyiseen tasoon on tallentunut jälkiä dynaamisesta deformaatiosta, jota on tapahtunut aina Svekofennialaisen orogenian metamorfisesta vaiheesta pinnanläheisiin olosuhteisiin saakka. Siirrosvyöhykkeen Kantvik Espoo osuuden on arveltu alkaneen kehittyä svekofennisen poimutuksen aikaan (Elminen 1999). Vanhin maastossa ja kartoilla näkyvä liikesuunta on Elmisen (1999) mukaan vasenkätistä ja todennäköisimmin melko pystysuoraa, jossa siirroksen länsipuoli on painunut alas. Nuorempien tapahtumien liikesuunnista ei varmoja johtopäätöksiä voida tehdä. Niini (1968) havaitsi Päijänne-tunnelin tutkimuksissa, että Etelä-Suomen SW-NE suuntaisten rikkonaisuusvyöhykkeiden rakotiheys on ruhjeen leveyssuunnassa suuri verrattuna NW-SE suuntaisiin rikkonaisuusvyöhykkeisiin. Tämän havaitsi myös Lipponen (2001). Mahdollisesti jäätikön kulkusuuntaa vastaan kohtisuorassa sijainneet ruhjelaaksot ovat olleet paremmin suojassa jäätikön kuluttavalta vaikutukselta (Niini ja Riekkola 1976).

13 7 3 LINEAMENTTITULKINNAT 3.1 Lineamenttitulkinnan lähtökohta Ydinjätteiden loppusijoituspaikan aluevalintatutkimuksissa kallioperän rikkonaisuuden määrittelemiseksi kehitettiin lineamenttien tulkintaan perustuva luokittelumenetelmä (Salmi et al. 1985). Samaa luokittelumenetelmää sovellettiin mm. Palmotun uraanianalogia-tutkimuksissa kallioperän virtauskuvan mallintamiseksi (Blomqvist et al. 1998). Rakovyöhykkeet jaetaan neljään eri luokkaan rakojen leveyden, pituuden, syvyysulottuvuuden perusteella Taulukko 1:ssa esitettyjen arvojen mukaisesti. Taulukko 1. Rakovyöhykkeiden luokittelu (Salmi et al. 1985). Luokka Leveys (m) Pituus (km) Syvyys (km) I 1000 > 50 > 10 II III IV << 10 0,1 2 << 1,0 Ruhjeiden paikallistamiseen voidaan käyttää monia kaukokartoitusmenetelmiä kuten satelliittikuvia, korkealentoilmakuvia, peruskarttoja, stereoilmakuvia sekä matalalentogeofysiikkaa. Taulukossa 2 on esitelty eri kokoluokan ruhjevyöhykkeiden tulkintaan soveltuvia menetelmiä. Tarkempaan geologiseen paikkatutkimukseen soveltuvat 1: : mittakaavan ilmakuvat. Ilmakuvatulkinta soveltuu melko pienten piirteiden tulkintaan, sillä stereokuvaustekniikka korostaa kolmiulotteista efektiä. Pienemmän mittakaavan rakoilun ja ruhjeisuuden tarkempaan tutkimukseen tulisi käyttää maastokartoitusta, ja maastogeofysiikan mittauksia.

14 8 Taulukko 2. Ruhjevyöhykkeen tulkintaan sopivat kaukokartoitusmateriaalit Kuivamäkeä ja Vuorelaa (1985) mukaillen. Luokka Sopiva tulkintamateriaali I ja II satelliittikuvat ja kartat (1: : ) alustavaan tarkasteluun satelliittikuvat (1: ) III korkealentoilmakuvat (1:60 000) matalalentogeofysiikka (1:20 000) peruskartat (1:20 000) IV peruskartat (1:20 000) stereoilmakuvat (1: :60 000) Aerogeofysikaaliset mittaukset soveltuvat hyvin alustavaan tulkintaan ja paikanvalintaan. Aerogeofysikaalisista menetelmistä erityisesti magneettiset matalalentomittaukset ovat osoittaneet hyödyllisyytensä kallioperän rakenteiden tutkimisessa. Tarkempiin tutkimuksiin aerogeofysiikan aineistojen resoluutio ei yleensä riitä, mutta menetelmien avulla voidaan löytää niitä kohteita, joissa kannattaa suorittaa lisätutkimuksia. Lineamenttitulkinta tehtiin kahdessa eri mittakaavassa. Maanmittauslaitoksen korkeusmallin ja Geologian tutkimuskeskuksen aerogeofysiikan aineistolla suoritettiin karttalehtien ja 05 alueille menetelmäkohtainen lineamenttitulkinta, joiden perusteella nämä tulkitut lineamentit koordinoitiin ja lopuksi linkitettiin (Korhonen 2005). Tällä tulkintatavalla erottuivat parhaiten III-luokan ruhjevyöhykkeet. Karttalehdiltä rajatulle alueelle suoritettiin lineamenttitulkinta ilmakuvien avulla, jolla erottuivat pienemmät piirteet, kuten luokkaan IV kuuluvat ruhjevyöhykkeet. 3.2 Aeromagneettiset tulkinnat Aeromagneettisten mittausten etuna on, että ne kuvastavat kallioperän rakennetta myös vertikaalisuunnassa, sillä myös syvemmällä olevat magneettiset lähteet voivat näkyä anomalioina kartalla. (Airo ja Ruotoistenmäki 2000). Paikallisen geomagneettisen kentän vaihteluita aiheuttavat maankuoren pintaosan petrofysikaalisten ominaisuuksien eli magneettisen suskeptibiliteetin ja remanenssin magnetoituman vaihtelut. Välillisesti vaikuttaa myös kivilajin sähkönjohtavuus, koska tämä määrää ajallisen magneettikentän muutoksen voimakkuuden (Peltoniemi 2003). Anomaliat muodostuvat magneettisten mineraalien, lähinnä magnetiitin ja magneettikiisun, konsentraation vaihtelusta. Erilaiset kuoren kehitysvaiheet ja esiintyvät rakenteet vaikuttavat magneettisten mineraalien esiintymiseen ja anomalioiden voimakkuuksiin, joten magneettista aineistoa tulkitsemalla voidaan saada tietoa myös kallioperän rakenteista. Ruhjeet, siirrokset ja rakoilu näkyvät magneettisilla kartoilla anomalian minimikohtina ja katkeiluna sekä porrasmaisina tasoeroina (Kukkonen 1984). Magneettinen minimi johtuu suskeptibiliteetin pienenemisestä rikkonaisessa kivessä, mutta se voi johtua myös happamista juonikivistä, kuten kvartsi- tai pegmatiittijuonikivistä. Ruhje-

15 9 vyöhykkeiden erottuminen negatiivisena magneettisena anomaliana johtuu magnetiitin rapautumisesta veden ja hapen vaikutuksesta hematiitiksi, joka puolestaan ei ole magneettinen mineraali. Lisäksi kallioperän topografinen painanne voimistaa anomaliaa (Airo ja Ruotoistenmäki 2000). Toisaalta magneettikiisua muodostuu tektonisissa prosesseissa, jolloin siirros voi näkyä myös positiivisena magneettisena anomaliana (Airo ja Ruskeeniemi 1991). Positiiviset lineaariset anomaliat ovat usein emäksisen tai ultraemäksisen intruusion aiheuttamia. Siirrokset voi tunnistaa äkillisinä muutoksina anomaliakuvassa (Peltoniemi 1988), mutta toisinaan ne näkyvät vain anomalian intensiteetin vaihteluna esimerkiksi poimutuksen yhteydessä. Aeromagneettisista kartoista voidaan myös poimia yksittäisen lentolinjan signaali. Tähän sovittamalla erilaisia malleja, voidaan arvioida ruhjeen kaadetta. Tämä kuitenkin onnistuu vain anomalian ollessa riittävän selkeä. Tässä tutkimuksessa magneettisilta kartoilta ruhjevyöhykkeiksi tulkittiin magneettiset minimit. Tämä tulkinta perustui oletukselle, että ruhjevyöhykkeissä on tapahtunut magnetiitin muuttumista paramagneettiseksi hematiitiksi (Henkel and Guzmán 1977), mikä on aiheuttanut magneettisen suskeptibiliteetin laskun ruhjevyöhykkeen kohdalla. Myös askelmaiset intensiteetin muutokset tulkittiin magneettisilta kartoilta ruhjevyöhykkeiksi sillä perusteella, että ne saattavat ilmentää mahdollisia kivilajikontakteja, joihin on voinut muodostua rakoilua (Korhonen et al. 2004). Lisäksi sellaiset piirteet, jotka halkovat yhtä tai useampaa magneettista maksimia tulkittiin ruhjevyöhykkeiksi, sillä ne saattavat ilmentää siirroksia tai muita deformaatiovyöhykkeitä (Korhonen et al. 2004). 3.3 Aerosähkömagneettiset tulkinnat Aerosähkömagneettisilla mittauksilla voidaan havaita ruhjeita, mikäli ne sisältävät johteita kuten vettä tai jos ruhjeiden kohdalla maapeite on paksumpi kuin ympäristössään. Sähkömagneettisesta aineistosta pystytään päättelemään johteen luonne reaali- ja imaginaarikomponenttien suhteesta, eli onko johde hyvä, keskinkertainen tai huono. Lisäksi anomalian epäsymmetrisyydestä voidaan tehdä päätelmiä kaateen suunnasta sekä johteen paksuudesta. (Peltoniemi 1988). Vesipitoisten rakenteiden havaitsemista voivat häiritä vaihteleva maapeitteiden paksuus ja vaihtelut kallioperän kivilajien sähkönjohtavuudessa. Aerosähkömagneettisilla mittauksilla voidaan havaita kallioperän johtavia muodostumia laajoillakin alueilla, mikäli mittaustulosten alueellinen peitto on suuri (Peltoniemi 2003). Kuten magneettisista lentomittauksista, voidaan sähkömagneettisten mittausten perusteella myös tehdä havaintoja rakenteista ja siirroksista anomalioiden jatkuvuuden perusteella. Sähkömagneettisilta kartoilta ruhjevyöhykkeiksi tulkittiin maksimit ja näennäisen ominaisvastuksen kartoilta minimit. Nämä tulkinnat perustuivat oletukselle, että sähkönjohtavuus kasvaa (resistiivisyys laskee) ruhjevyöhykkeiden kohdalla johtuen seuraavista seikoista (Henkel and Eriksson, 1981, Korhonen et al., 2004, ja Soonawala and Hayles, 1986): 1. pohjavesi virtaa ruhjevyöhykkeessä tai hauraan rakoilun siinä aiheuttama kasvanut huokostilavuus on täyttynyt pohjavedellä, 2. ruhjevyöhykkeen kohdalle on syntynyt kulutuksen johdosta painanne, johon on kasautunut johtava maakerros, tai 3. ruhjevyöhyke sisältää johtavia mineraaleja, kuten savea.

16 Radiometriset tulkinnat Radiometrisillä mittauksilla pyritään mittaamaan maankamaran luonnollisen radioaktiivisuuden määrä. Tietyt alkuaineet hajoavat spontaanisti lähettäen samalla joko α-, β- ja/tai γ-säteilyä. Tärkeimpiä luonnon radioaktiivista säteilyä aiheuttavia alkuaineita ovat uraani, torium sekä kaliumin K-40 isotooppi, jotka ovat rikastuneet maankuoren pintaosiin. Luonnon totaaligammasäteilystä tämä on noin 10 %. Radioaktiivisuuden mittaus perustuu useimmiten gammasäteilyn mittaukseen. (Peltoniemi 1988). Maapeitteet ja vesi vaimentavat voimakkaasti gammasäteilyä, joten aivan pienetkin muutokset vaikuttavat mitattuihin intensiteettiarvoihin (Peltoniemi 1988). Radiometrisillä mittauksilla voidaan siis havaita ruhjeita, kuten aerosähkömagneettisilla mittauksillakin, mikäli niiden kohdalla maapeitteiden ja veden määrä lisääntyy. Radiometrisissä mittauksissa ruhjeen tai raon aiheuttavat muutokset näkyvät siis miniminä kartalla. Minimi syntyy myös pelkästään kosteuden vaihtelusta alueella. Radon vapautuu hitaammin alueilla, joissa on kasvillisuutta, sillä tuulen nostama pöly nostaa ilman radonpitoisuutta erityisesti paljastumilla (Peltoniemi 2003). Tämän takia kasvillisuuden peittämillä alueilla on pienempi radon-pitoisuus kuin paljastumilla. Toisaalta uraanipitoisen veden tunkeutuessa ja saostuessa ruhjevyöhykkeisiin on mahdollista, että tällainen ruhje näkyisi maksimina radiometrisissa mittauksissa (Tuominen 1995). Radiometrisiltä kartoilta ruhjevyöhykkeiksi tulkittiin minimit. Tämän tulkinnan perusteena on seuraavat oletukset: 1. ruhjevyöhykkeen kohdalle syntyneeseen painanteeseen kasautunut maakerros vai mentaa säteilyn intensiteettia, 2. ruhjevyöhykkeeseen syntyneen painanteen takia vyöhyke sijaitsee ympäristöään etäämmällä mittausanturista, mikä aiheuttaa säteilyn intensiteetin geometristä vaimentumista, tai 3. ruhjevyöhykkeessä virtaava pohjavesi tai vyöhykkeen kasvaneen huokostilan täyttämä pohjavesi vaimentaa säitelyn intensiteettiä. 3.5 Topografiset tulkinnat Topografisilta kartoilta tulkittiin ruhjevyöhykkeiksi laaksot ja painanteet. Suomessa on runsas, pienipiirteinen topografiavaihtelu, joka ilmentää ohuen irtomaapeitteen alla olevan kallioperän topografiaa. Jääkaudet ovat kuluttaneet peruskalliotamme voimakkaasti, joten rapautuneet ja rikkonaiset kallioalueet tulevat selvästi esiin laaksoina ja painanteina korkokuvassa. Rakotiheys kasvaa laakson keskikohtaa lähestyttäessä, lisäksi laaksojen rakotiheys on sitä suurempi mitä pidempi havaittava painanne on tai mikäli kallioperän painanteet leikkaavat toisiaan. (Niini 1968). Toisaalta ruhjevyöhykkeiden keskiosan rakoilu voi olla mineraalien uudelleen kiteytymisen takia tiivistä tai täytteistä (Jääskeläinen 2005). Korkeusmalli- ja ilmakuvatulkinnoissa pyritään yhdistämään lineaarisia piirteitä, jotka siis voivat johtua ruhjeisuudesta. Näitä kallion rakoilua kuvaavia piirteitä voivat olla erilaiset painanteet, jyrkänteet sekä järvet ja joet. Toisaalta topografiavaihtelu voi osaltaan johtua glasifluviaalisista muodostumista, jotka on pyrittävä erottamaan muista lineamenteista, esimerkiksi maaperäkarttoja tutkimalla. Usein ruhjeiset, matalat painanteet maastossa ovat maakerrosten peittämiä, mitä voidaan hyödyntää myös aerogeofysikaalisissa tutkimuksissa. Toisaalta runsaiden maapeitteiden takia suoraa paljastumahavaintoa ruhjeesta ei yleensä ole saatavissa.

17 11 Ilmakuvat tulkittiin stereoskoopilla hyödyntäen stereokuvatekniikasta aiheutuvaa korostunutta kolmiuloittesta efektiä. Ilmakuvatulkinta on soveltuu parhaiten alueille, joissa kasvillisuus on vähäistä. 3.6 Tulkinnoissa käytetty aineisto Tulkinnoissa käytettiin geofysikaalista ja topografista aineistoa. Geofysikaalinen aineisto koostui GTK:n aerogeofysikaalisesta datasta ja topografinen aineisto käsitti Maanmittauslaitoksen digitaalisen korkeusmallin. Geofysikaalisen aineiston GTK on mitannut vuoden 1996 aerogeofysikaalisten matalalentokartoitusten puitteissa. 1 Lentosuuntana oli NS ja nimellisenä lentokorkeutena metriä. Lentolinjojen väli oli 200 metriä ja mittauspisteiden metriä. Mitatut suureet olivat maan magneettikentän voimakkuus, maankamaran sähkömagneettinen kenttä (taajuuksilla 3125 Hz ja Hz mitattuna) ja luonnon taustasäteily. Tulkinnoissa käytettiin hyväksi kaikkea karttalehden 2032 alalehdillä 4 ja 5 mitattua aerogeofysikaalista dataa. Näiden lisäksi käytettiin sähkömagneettisen kentän avulla arvioitua maankamaran näennäistä ominaisvastusta. Topografisena aineistona käytettiin Maanmittauslaitoksen koko Suomen kattavaa digitaalista korkeusmallia, jonka pikselikoko on 25 metriä. Korkeusmalli on luotu interpoloimalla peruskarttojen korkeuskäyristä saatu maanpinnan korkeus tasaväliseen hilaan, jonka solukoko on 25 m 25 m. 2 Tulkinnoissa korkeusmallista käytettiin vain karttalehden 2032 alalehtien 4 ja 5 alueen kattava osuus, joka muunnettiin YKJ-koordinaattijärjestelmästä KKJ-koordinaattijärjestelmän kaistalle 2. Magneettisesta ja topografisesta aineistosta piirrettiin viisi aurinkovarjostettua värikarttaa. Varjostukset suoritettiin suunnista N, NE, E, SE ja S. Muista aineistoista piirrettiin kustakin vain yksi aurinkovarjostettu värikartta, jotka varjostettiin suunnasta NE. Kaikkien karttojen kohdalla auringon korkeuskulma oli 45 astetta. Stereokuvien perusteella suoritettiin lineamenttitulkinta rajatulta alueelta maanmittaushallituksen (1982) ilmakuvien perusteella. Kuvien mittakaava oli 1: Stereokuvia tarkasteltaessa kolmiulotteinen efekti korostuu, jolloin hyvin pienetkin piirteet erottuvat. Näin saatiin esiin myös pienemmän mittakaavan lineamentit, jotka eivät näy esimerkiksi maanmittauslaitoksen digitaalisessa korkeusmallissa. 3.7 Alueellisen lineamenttitulkinnan vaiheet Alueellinen lineamenttien tulkintatyö käsitti neljä vaihetta ja perustui menetelmään, jota Korhonen et al. (2004) käyttivät Forsmarkin lineamenttitulkinnassa. Tulkintatyön vaiheet olivat: 1. Valmistelevat työt: raakadatan käsittely ja tulkintojen perustana käytettyjen karttojen laadinta. Tuloksena saatiin tulkintojen perustana käytetyt kartat. 2. Menetelmäkohtaisten aineistojen (topografinen, magneettinen, radiometrinen, sähkömagneettinen ja näennäisen ominaisvastuksen data) itsenäiset lineamenttitulkinnat. Tuloksena saatiin ns. menetelmäkohtaiset lineamentit (topografiset, magneettiset, radiometriset, sähkömagneettiset ja näennäisen ominaisvastuksen lineamentit)

18 12 3. Menetelmäkohtaisten lineamenttien koordinointi. Kaikkia menetelmäkohtaisia lineamentteja tarkasteltiin yhdessä ja jos jokin heikkousvyöhyke oli tulkittu lineamentiksi useammassa kuin yhdessä tulkinnassa, valittiin näistä se lineamentti, joka parhaiten kuvasi vyöhykettä ja poistettiin muut samaa vyöhykettä ilmentävät kuvaavat. Tuloksena saatiin ns. koordinoidut lineamentit. 4. Viimeisessä vaiheessa linkitettiin kaikki ne koordinoidut lineamentit, jotka kuvasivat samaa heikkousvyöhykettä. Tuloksena saatiin ns. linkitetyt lineamentit, jotka sisältävät geofysikaalisen ja topografisen aineiston yhdistetyn lineamenttitulkinnan. Tarkempi kuvaus alueellisessa lineamenttitulkinnassa käytetystä menetelmästä on esitetty Korhosen (2005) raportissa Kopparnäsin lineamenttitulkinnoista. 3.8 Lineamenttitulkinnan tulokset Kuvissa 3 12 on esitetty alueellisessa lineamenttitulkinnassa käytetty aineisto, eli aerogeofysiikan aineisto sekä topografinen korkeusmalli. Kukin menetelmä on esitetty ilman lineamentteja sekä heti seuraavassa kuvassa on nähtävissä lineamenttien tulkinnat. Ilmakuvista tulkitut lineamentit on esitelty kuvassa 13. Kuvassa 14 on esitetty aerogeofysiikan aineistosta sekä topografisesta korkeusmallista saadut linkitetyt lineamentit, jotka on jaettu pituuden suhteen eri luokkiin. Kuvasta voidaan havaita lineamenttien olevan lähinnä III ja IV luokan lineamentteja. Kuvassa 15 on esitetty eri menetelmillä tulkittujen lineamenttien suuntajakaumaa ruusudiagrammeilla. Ilmakuvista tulkittujen lineamenttien suuntajakauma on esitetty ruusudiagrammin avulla kuvassa 16. Kuvasta 14 on havaittavissa, että Tutkimusalueella sijaitsee neljä pitkää, pituutensa puolesta luokkaan II (5-10 km) kuuluvia lineamentteja, jotka kaikki ovat itä-länsi suuntaisia. Kopparnäsin niemen kärjessä sijaitsee lineamentti, joka oli havaittavissa kaikilla muilla paitsi sähkömagneettisilla menetelmillä. Lineamentti sijoittuu n. 100 metriä leveään laaksoon, joka siis leveytensä puolesta olisi luokan II tai III lineamentti. Kyseisen lineamentin vieressä sijaitsee myös pienempi, ilmakuvista terävänä erottuva laakso, joka ei kuitenkaan ole muista kartoista nähtävissä selkeästi. Verrattaessa topografisesta korkeusmallista tulkittuja lineamenttien ruusudiagrammia ilmakuvista tulkittujen lineamenttien suuntajakaumaan havaitaan, että Kopparnäsin niemen alueella lineamenttien suuntaus poikkeaa laajemman alueen suuntauksesta. Porkkala-Mäntsälä vyöhykkeen suuntaus ei näy aivan yhtä voimakkaana ilmakuvista tulkituissa lineamenteissa verrattuna topografisiin lineamentteihin. Samoin Porkkala-Mäntsälä vyöhykettä kohtisuoraan vastaan olevat lineamentit eivät erotu ilmakuvista tulkittujen lineamenttien ruusudiagrammissa.

19 13 Kuva 3 Esimerkki topografisten lineamenttien tulkinnan perustana käytetystä aurinkovarjostetusta värikartasta (aurinko paistaa suunnasta NE ja sen korkeuskulma on 45 ). Kartta esittää maanpinnan korkeutta (piirretty Maanmittauslaitoksen luvalla 13/MYY/05).

20 14 Kuva 4 Topografiset lineamentit (valkoiset viivat) kuvan 3 kartalle piirrettynä (piirretty Maanmittauslaitoksen luvalla 13/MYY/05).

21 15 Kuva 5. Esimerkki magneettisten lineamenttien tulkinnan perustana käytetystä aurinkovarjostetusta värikartasta (aurinko paistaa suunnasta NE ja sen korkeuskulma on 45 ). Kartta esittää magneettikentän voimakkuutta.

22 16 Kuva 6. Magneettiset lineamentit (valkoiset viivat) kuvan 5 kartalle piirrettynä.

23 17 Kuva 7 Esimerkki sähkömagneettisten lineamenttien tulkinnan perustana käytetystä aurinkovarjostetusta värikartasta (aurinko paistaa suunnasta NE ja sen korkeuskulma on 45 ). Kartta esittää imaginäärikomponenttia hertsin taajuudella mitattuna.

24 18 Kuva 8. Sähkömagneettiset lineamentit (valkoiset viivat) kuvan 7 kartalle piirrettynä.

25 19 Kuva 9. Esimerkki näennäisen ominaisvastuksen lineamenttien tulkinnan perustana käytetystä aurinkovarjostetusta värikartasta (aurinko paistaa suunnasta NE ja sen korkeuskulma on 45 ). Kartta esittää näennäistä ominaisvastusta, joka on laskettu hertsin sähkömagneettisista mittaustuloksista.

26 20 Kuva 10. Näennäisen ominaisvastuksen lineamentit (valkoiset viivat) kuvan 9 kartalle piirrettynä.

27 21 Kuva 11. Esimerkki radiometristen lineamenttien tulkinnan perustana käytetystä aurinkovarjostetusta värikartasta (aurinko paistaa suunnasta NE ja sen korkeuskulma on 45 ). Kartta esittää totaalisäteilyn intensiteettiä.

28 Kuva 12. Radiometriset lineamentit (valkoiset viivat) kuvan 11 kartalle piirrettynä. 22

29 23 Kuva 13. Kopparnäsin tutkimusalueen ilmakuvista tulkitut lineamentit. Tiet on merkitty punaisella viivalla ja vesistöt sävytetty sinisellä. (vesi- ja tieteemat maanmittauslaitos, lupa nro 13/MYY/05).

30 24 Kuva 14. Pituuden suhteen luokitellut linkitetyt lineamentit (mustat viivat) ja vesialueet (sinisellä väritettynä). Pitkät (> 5 km) lineamentit on piirretty paksuin viivoin, keskipitkät (1 5 km) lineamentit ohuin viivoin ja lyhyet lineamentit (< 1 km) ohuin katkoviivoin.

31 25 a) b) c) d) e) Kuva 15. Menetelmäkohtaisten lineamenttien suuntajakaumat (luokkien leveys on 5 ). a) Topografiset, b) magneettiset, c) sähkömagneettiset, d) näennäisen ominaisvastuksen ja e) radiometriset lineamentit.

32 Kuva 16. Ilmakuvista tulkittujen lineamentien suuntajakauma (luokien leveys 10 ). 26

33 27 4 KAIRAUS 4.1 Kairausjärjestelyt Tutkimusalueen valintaan vaikutti saatavissa oleva vanha tutkimusaineisto, jota voidaan hyödyntää myös myöhemmissä tutkimuksissa. Alueella oli useita matalia (alle 30 m) kairareikiä, joista on saatavilla kairasydännäyte. Kyseisistä rei'istä maastosta voitiin paikantaa kolme. Lisäksi GTK oli porannut aikaisempien tutkimusten yhteydessä kaksi 80 metriä syvää porakaivoa (KU1 ja KU2). Kyseiset kaivot on merkitty kuvaan 17. Erityisesti ilmakuvatulkinnoista tehtyjen lineamenttitulkintojen perusteella oli tutkimusalueella havaittavissa selkeä itä-länsi suuntaus. Tämä samainen suuntaus on havaittavissa mm. Suomisen (1984) raportoimasta rakokartoituksesta sekä lineamenttitulkinnoista. Alueen rakohavainnoista tehtyjen stereografisten projektioiden mukaan vallitseva kaade oli pysty (Suominen 1984). Stereografisissa projektioissa oli myös muutamia havaintoja vaakarakoilusta ja Salmi (1984) epäili alueen terassimaisten muotojen perusteella alueella olevan runsasta vaakarakoilua. Koska havaintoja mahdollisen ruhjeen kaateesta ei ollut, oletettiin muun havaitun rakoilun perusteella ruhjeen olevan lähes pysty. Geometrisen tarkastelun avulla pyrittiin arvioimaan mahdollisen ruhjeen lävistyssyvyyttä. Tarkastelussa arvioitiin miten kairareiän eri kallistukset vaikuttivat lävistyssyvyyteen eri ruhjeen kaateilla (Jääskeläinen 2005). Tarkastelun perusteella päädyttiin kallistamaan kairareikä 65 kulmassa, kohtisuoraan tutkittavaa lineamenttia vastaan. Tutkimusreikä R-307 suunnattiin suuntaan 330 olettaen ruhjeen kaateen olevan etelään. Reikä sijoitettiin lähelle kaivoa KU1, jotta sitä voitaisiin hyödyntää myöhemmin hydrogeologisissa tutkimuksissa ja geofysikaalisissa reikämittauksissa. Kairaukset suoritettiin ns. kolmiteränäytteenotto-kalustolla (Triple tube coring). Kyseisellä kairausmenetelmällä saadaan myös rakotäytteet talteen ja kairasydän säilyy ehjempänä verrattuna muihin kairausmenetelmiin. Kairaus suoritettiin NQ3-kalustolla. Kopparnäsin reiän R-307 halkaisija on 75,7 mm. Maapeitteitä kairareiän R-307 kohdalla oli 6 metriä, mutta kallion rikkonaisuuden takia maakairausta jatkettiin 8 metriin, jotta maaputki saatiin kallioon kiinni. Kairauksen alusta alkaen huuhteluveden menekki oli runsasta. Vettä ei noussut maan pinnalle koko kairauksen aikana.

34 28 Kuva 17. Kopparnäsin kairareiän R-307 sijoittaminen (Pohjana peruskarttalehdet ja 05 Maanmittauslaitos, lupa nro 13/MYY/05).

35 29 Kairaukseen tarvittava huuhteluvesi pumpattiin kaivosta KU1. Käytetty huuhteluvesi merkattiin tarkoitukseen sopivalla merkkiaineella, jotta voitaisiin erottaa myöhemmin kairauksessa käytetty huuhteluvesi kalliopohjavedestä. Väriaineena käytettiin natriumfluoresiinia (uraniini). Natriumfluoresiini on orgaaninen väriaine, joka hajoaa valon vaikutuksesta. Tämän vuoksi otetut väriaine-näytteet on suojattava valolta esimerkiksi folion avulla. Väriainelisäyksen tarkoituksena oli toisaalta arvioida porakaivoon jäävän huuhteluveden määrää ja toisaalta seurata huuhteluveden mahdollista kiertoa reikien välillä. Myöhemmin tehtävien pohjavesikemian analyysien edustavuutta voidaan arvioida jäljellä olevan väriainepitoisuuden perusteella. Tutkimuksessa väriaineen tavoitepitoisuus kairauksessa käytetyssä huuhteluvedessä oli 500 µg/l. Kairauksessa käytetyn huuhteluveden analysoitu väriainepitoisuus oli huuhteluvesisäiliöstä otetun näytteen mukaan 530 µg/l. 4.2 Kairauksen ja huuhtelupumppauksen aikana suoritettu näytteenotto Kairauksen aikana kairaukseen käytetystä huuhteluvedestä eli kaivon KU1-vedestä otettiin seuraavat vesinäytteet: U1-U4: 100 ml vesinäyte folioon kiedottuna C1,C2: 100 ml 0,45 µm suodatus + kestävöinti 0,5 ml 60-% HNO 3 :lla 250 ml käsittelemätöntä vettä Kairauksen jälkeen suoritettiin huuhtelupumppaus, jonka tarkoituksena on vähentää soijan määrää kairareiässä sekä raoissa sekä tietenkin saada mahdollisimman hyvin pumpattua pois kairauksessa käytettyä huuhteluvettä. Mikäli kairauksessa joutuu runsaasti vettä kallioperään, ei sitä ole aina mahdollista täysin pumpata pois. Edustavan vesianalyysinäytteen saaminen olisi edellyttänyt huomattavan pitkää pumppausta. Huuhtelupumppausta jatkettiin 39 tuntia ja samalla otettiin näytteitä vedestä, jotta väriaineen määrää voitiin seurata. Pumppaus suoritettiin noin 6 metrin syvyydeltä kairareiässä. Huuhtelupumppauksen aikana suoritettiin seuraavanlainen näytteenotto: H1-H24: 100 ml vesinäyte folioon kiedottuna C3,C4: 100 ml 0,45 µm suodatus + kestävöinti 0,5 ml 60-% HNO 3 :lla 250 ml käsittelemätöntä vettä

36 30 Näytteistä C1-C4 analysoitiin kemiallinen koostumus ja näytteistä U1-U4 sekä H1-H24 analysoitiin väriainepitoisuudet. Lisäksi kairausten aikana kaivon KU1 veden ph:ta ja sähkönjohtavuutta sekä vedenpinnan syvyyttä tarkkailtiin. 4.3 Kaivon KU1 veden seurantamittaukset Kaivon KU1 vedenpinnan korkeutta ja kaivosta pumpatun huuhteluveden sähkönjohtavuutta sekä ph:ta tarkkailtiin. Tarkoituksena oli seurata aiheuttaako veden jatkuva voimakas pumppaaminen muutosta vedenlaatuun tai -korkeuteen. Taulukossa 3 on esitetty kaivoveden pinnankorkeuden mittaustulokset. Vedenpinnan syvyydessä ei tapahtunut huomattavaa muutosta ja pumppausten loputtua pohjavedenpinta palasi muutamassa tunnissa alkukorkeuteensa n. 1,35 metriä putken päästä mitattuna. Taulukko 3. Kaivon KU1 vedenpinnan syvyys putken päästä mitattuna kairausten aikana. pv klo KU1 syvyys (m) , , , , , , , ,30 Taulukossa 4 on esitetty kaivoveden ph- ja sähkönjohtavuusmittaukset ja lisäksi on esitetty vesimittarin lukema, josta näkee kaivosta pumpatun kokonaisvesimäärän (m 3 ). Kaivosta KU1 pumpattiin vettä pois yhteensä 309 m 3. Huuhteluvettä pumpattiin kairareikään R-307 yhteensä 101 m 3, osa vedestä valutettiin maastoon. Kaivovettä käytettiin myös kairakoneen jäähdytysvetenä, joten vettä juoksutettiin koneen käydessä jatkuvasti. Osa pumpatusta vedestä valutettiin maastoon koneen ollessa pysähdyksissä, koska pakkasten takia vettä oli juoksutettava putkien jäätymisen estämiseksi. Kairauksen loppuvaiheessa oli havaittavissa vähäistä sähkönjohtavuuden nousua, mikä on havaittavissa taulukossa 4.

37 31 Taulukko 4. Kaivon KU1:n seurantamittaukset kairauksen aikana. pv klo kairaussyvyys (m) sähkönjohtavuus µs/cm ph Näyte nro Vesimittari (m3) ,4 C1, US , ,55 U , , ,39 U , ,51 U ,67 C2,U4 309 Kairausveden merkkiainelisäyksen tarkoituksena oli seurata kulkeutuuko reiän R-307 kairauksessa käytetty huuhteluvesi kaivoon KU1. Tämä varmistaisi hydraulisen yhteyden olemassaolon kairareiän R-307 ja porakaivon KU1 välillä. Kuvassa 18 on graafisesti esitettynä väriainepitoisuus kairauksen aikana. Väriaine [µg/l] Reikäpituus [m] Kuva 18. Väriaineen määrä kaivovedessä (KU1) reiän R-307 kairauksen edetessä. Analyysituloksista voidaan havaita, että väriainetta on kulkeutunut kaivoon jo varhaisessa vaiheessa, joten kairareiän ja porakaivon välillä on hydraulinen yhteys hyvin lähellä kallion pintaa. Ensimmäisessä kaivovedestä otetussa näytteessä, joka on otettu kairauksen edettyä syvyyteen 27 m on jo selvästi nähtävissä kaivoon kulkeutunutta huuhteluvettä. Tällä syvyydellä on siis oltava avointa rakoilua. Pientä kasvua väriainepitoisuudessa on havaittavissa n metrin syvyysvälillä. 4.4 Vesinäytteiden kemialliset koostumukset Anionianalyysit tehtiin käsittelemättömistä 250 ml näytteistä C1-C4, pääkationi- ja hivenaineanalyysit tehtiin 100 ml kestävöidystä näytteistä. Analyysitulokset muutettiin ekvivalenttiarvoiksi jakamalla liuenneen ionin molekyylipainolla ja kertomalla ionin

38 32 varauksella. Näytteiden ionikonsentratiot on esitetty taulukossa 5. Kuvassa 19 on nähtävissä, että huuhtelupumppauksen aikana reiästä R307 otetuissa näytteissä C3 ja C4 pitoisuudet (TDS) ovat selvästi suurempia kuin vastaavat pitoisuudet kaivon KU1 vedestä otetuissa näytteissä. Näytteiden C1 ja C2 pitoisuudet eivät juurikaan eroa toisistaan, joten kaivoveden laadussa ei suuria muutoksia kairauksen aikana tapahtunut. Taulukko 5. Ionikonsentraatiot vesinäytteissä (µeq/l). TDS µeq/l P S Br Cl F SO4 NO3 HCO3 (mg/l) C C C C µeq/l Al B Cu K Li Ca Fe Mg Mn Na C C C C Näyte Kationit (µeq/l) Anionit (µeq/l) erotus (µeq/l) erotus-% C C C C Ekvivalenttikonsentraatio ( µ eq/l) Al Cu Li Ca Mg Na Cl SO4 HCO3 B K P Fe Mn Br F NO3 c1 c2 c3 c4 Kuva 19. Anioni-kationi pitoisuus. Anionit merkitty "kylmillä" väreillä ja kationit "lämpimillä".

39 Huuhtelupumppauksen vedenseuranta Taulukossa 6 on esitetty huuhtelupumppauksen aikana otetuista näytteistä (H1-H24) analysoidut väriainepitoisuudet (µg/l), reiästä pumpattu vesimäärä (m 3 ) sekä huuhteluveden ph ja sähkönjohtavuus. Taulukko 6. Reiän R-307 huuhtelupumppauksen aikana otetut väriainenäytteet. Näyte Väriainepitoisuus µg/l Mittarilukema (m 3 ) Vesimäärä (m 3 ) ph sähkönjohtavuus µs/cm H H H11,C ,78; 6, ;1086 H H24,C ,68; 6, ;1059 Huuhtelupumppauksen aikana sähkönjohtavuus oli erittäin korkea (yli 1000 µs/cm) ja huuhteluvesi haisi pahalle, mutta haju ei todennäköisesti aiheudu kuitenkaan sulfideista. Otetuista vesinäytteissä kerääntyi rautasakkaa näytepullojen pohjalle, joten pohjaveden rautapitoisuus on todennäköisesti suuri. Kairauksessa käytetyn huuhteluveden väriaineen tavoitepitoisuus oli 500 mg/l. Alhaisimmillaan kairauksen jälkeen toteutetun huuhtelupumppauksen väriainepitoisuus oli n. 20 % alkuperäisestä huuhteluveden pitoisuudesta.

40 34 5 KAIRASYDÄNKARTOITUS 5.1 Kivilajit Reiän R-307 kivilajivaihtelu on esitetty kuvassa 23 yhdessä rakoilun kanssa. Kivilaji on pääasiassa graniittia, jota migmatisoi reiän yläosissa kiillegneissi. Muutamia emäksisempiä juonia esiintyy myös joukossa, kuten n. 90 metrin syvyydellä Hornblendiitti. 5.2 Rakokartoitus Kairasydäntutkimuksessa pyrittiin kartoittamaan raot ja katkokset, jonka lisäksi kuvailtiin mahdollisia rakotäytteitä ja niiden runsautta. Raon avoimuutta pyrittiin arvioimaan, jotta helpotettaisiin tutkimusten kohdistamista juuri sellaisiin kohtiin kairareiässä, jotka ovat todennäköisesti hydrogeologisesti merkittäviä. Rako arvioitiin avoimeksi, mikäli nähtiin esimerkiksi ruosteisuutta, voimakasta rapautumista tai rakopinnat muuten antoivat aihetta epäillä avoimuutta. Toisinaan karbonaattien esiintyessä arvioitiin rako avoimeksi. Mikäli kairasydämessä esiintyi samantyyppisiä rakoja, jotka eivät olleet avautuneet kairauksessa pääteltiin raon avautuneen kairauksen yhteydessä. Kuvassa 20 on esimerkki tällaisesta tilanteesta, jossa kairasydämessä on samansuuntaisia hiusrakoja nuolella merkittynä, kuin mitä vieressä olevat katkokset. Kuva 20. Kairauksessa avautunutta rakoilua 14,2 metrissä. Tosiasiassa kairasydämen perusteella ei voida tehdä varmoja arvioita raon avoimuudesta, sillä raot voivat avautua kairauksen yhteydessä ja kairauksessa käytetty huuhteluvesi voi huuhdella rakotäytteitä pois. Ehkä varmimmin merkkejä vedestä antavat selvästi rapautuneet kohteet, kuten kuvassa 21 esitetyssä n. 10 cm kairareiän osuudessa. Myös ruosteiset raot ovat hyvä indikaatio avoimesta raosta. Osa rakotäytteistä on lähes kiven ikäisiä ja saattavat liittyä myöhäisorogeenisiin prosesseihin. Toisaalta rakomineraaleja muodostuu myös myöhemmissä matalan lämpötilan prosesseissa. Kiviaineksen hitaassa rapautumisessa vapautuvat aineet voivat muodostaa sekundäärisiä savimineraaleja.

41 35 Kuva 21. Rapautunutta kiviainesta n. 132,6 metrin syvyydeltä kairareiässä R-307. Kairasydämestä on havaittavissa hyvin eri tyyppisiä rakoja. Pitkin kairareikää esiintyy kalsiittipitoisia rakoja, useimmiten näitä esiintyi graniitissa. Reikäpituudella m sekä m oli runsaasti kloriittipintaisia rakoja, joissa osa oli haarniskapintaisia. Muutamaan otteeseen esiintyi erikoinen valkoinen, sitkeä (kuitumainen) rakotäyte, esimerkiksi 54,26 metrissä. Ruosteisia rakoja esiintyi pitkin kairareikää, mutta 223 metrissä sekä metrissä esiintyy useita hyvin ruosteisia rakoja, josta eräs on esitetty kuvassa 22. Myös näiden avoimuutta tulisi selvittää. Kuva 22. Ruosteinen rako reikäpituudella 223, 19 m.

42 36 Kuvassa 23 on esitetty reiän R-307 kairasydännäytteestä laskettu rakoilu ja sen jakautuminen eri tyyppeihin. Rakotiheys on laskettu RG-luokituksen mukaisesti aina metreittäin koko reiän pituudelle. Rakoilun suhteen kuvasta on havaittavissa muutamia piikkejä. Taulukon rapautuneet ja rikkonaiset -kategoriassa pyrittiin korostamaan rakenteita, jotka eivät välttämättä olisi rakotiheydessä tulleet esiin. Tähän merkattiin mm. tapahtunut sydänhukka sekä rapautumat. Taulukkoon on merkattu kukin 5 cm:n kairasydänhukkaosuus yhdeksi rakohavainnoksi. Avoimien rakojen merkintä on tehty edellä esitettyjen kriteerien perusteella. Runsainta rakoilu on selvästi ennen reikäpituutta 134 metriä mikä vastaa syvyyttä 121 metriä maanpinnasta laskettuna. Kuvasta 23 on havaittavissa joitakin selkeitä piikkejä rakoilussa 65 m, 86 m, sekä 110 metrin syvyyksillä. Vain neljällä syvyydellä rakotiheys ylittää (täytteiset raot) tiheärakoisen yli 10 rakoa/m raja-arvon. Rakotiheys on suurimmillaan 120 metrin kohdalla. Rapautunutta ja rikkonaista kiveä on havaittavissa eniten metrissä syvyydellä. Paikoin kivi on rapautunut jopa hyvin huokoiseksi (katso kuva 22). Lisäksi juuri ennen rapautunutta kiviainesta oli kairauksessa noin 1,7 m laajuinen sydänhukka. On mahdollista, että sydänhukka on aiheutunut runsaasti rapautuneen kiven hienontuessa kairauksessa. Kokonaisuudessaan kairasydämen rikkonaisuuden indikaatiot vähenivät huomattavasti noin 135 metrin reikäpituuden jälkeen.

43 37 Kuva 23. Kivilajit ja rikkonaisuuden indikaatiot kairareiässä R-307. Katkoviivalla merkattu 1.7m kairasydänhukka. (Jääskeläinen et al. 2005).

44 Yhteenveto Kopparnäsin kenttätutkimuksista Kuvassa 24 on kaavamainen poikkileikkauskuva veden mahdollisista kulkureiteistä kairareiän ja kaivon KU1 välillä. Kuva 24. Periaatekuva huuhtelupumppausjärjestelystä ja veden kierrosta kairareiässä R-307 kairauksen aikana. Kuvaan on merkattu kairareiässä havaittuja rakotihentymiä sekä rapautunut vyöhyke, joista vesi voisi päästä virtaamaan kaivoon. Vettä kulkeutui kaivoon ilmeisesti myös hyvin lähellä pintaa sijaitsevista rakenteista jo ennen 27 metrin syvyyttä, kuten kaivoveden väriaineanalyyseistä voitiin havaita (Kuva 18). Kopparnäsin porakaivot, erityisesti KU1, ovat melko runsastuottoisia ja alueen kallioperässä on rakoilua, joka mahdollistaa veden kerääntymisen laajalta alueelta. Kallion pintaosissa on rakoilu runsasta. Erityisen selkeänä erottui rikkonaisuusvyöhyke metrin reikäsyvyydellä, joka ilmeni kairasydänhukkana ja kiviaineksen rapautuneisuutena. Kuvan 24 mallin mukaisesti rapautunut vyöhyke voisi kuvastaa lineamenttitulkinnassa esitettyä rikkonaisuusrakennetta. Tässä vaiheessa tutkimusta ei vielä tiedetä, kuinka syvälle nämä rapautuneet rakenteet mahdollisesti ulottuvat.

45 39 6 YHTEENVETO TUTKIMUKSISTA KOPPARNÄSISSÄ Tutkimuksen aikana pyrittiin selvittämään mitkä rakenteet kontrolloivat veden liikkeitä Kopparnäsissä. Tätä varten suoritettiin lineamenttitulkintoja sekä hyödynnettiin aikaisempien tutkimusten rakokartoitusaineistoa. Tutkimusalueeksi valittiin laakso niemen kärjessä, jossa lineamenttitulkinnoista havaittiin mm. magneettinen minimi. Laakso on itä-länsisuuntainen ja se sijaitsee vinosti tutkimusaluetta sivuavaa Porkkala-Mäntsälä ruhjevyöhykettä vastaan. Havaittu lineamentti otettittin tarkemman tutkimuksen kohteeksi ja lävistettiin kairaamalla 233 m syvä reikä. Kairareiän arvioitiin leikkaavan ruhjevyöhykkeen noin 200 metrin syvyydessä, olettaen lineamentin kuvastavan suhteellisen pystyä tasomaista rakennetta. Suurimmat rakotihentymät sijaitsivat m, m sekä metrin reikäpituuksilla. Merkittävin rakenne oli kuitenkin metrin kairasydänpituudella havaittu rapautunut vyöhyke, jonka yhteydessä kairauksessa oli 1.7 metrin suuruinen sydänhukka. Lisäksi reiän loppupäässä 220 metrin jälkeen oli useita ruostetäytteisiä rakoja, jotka voisivat mahdollisesti olla hydraulisesti merkittäviä. Erikoista oli, että reiän huuhtelupumppauksessa mitatut sähkönjohtavuudet olivat huomattavan korkeita (yli 1000 µs/cm). Lisäksi huuhtelupumppauksessa otettujen näytteiden ionikonsentraatiot olivat korkeita (TDS 600 mg/l). Näiden sähkönjohtavuuksien alkuperää ja mahdollista rakennekontrollia pyritään myöhemmin selvittämään tarkemmin. Mielenkiintoista on, että noin 80 metrin päässä R-307.stä sijaitsevan kaivon KU1 sähkönjohtavuudet pysyivät alle 200 µs/cm koko kairauksen ajan. Tutkimusten perusteella voitiin todeta, että Kopparnäsissä on ruhje tutkitun lineamentin kohdalla. Ainakin alueen kallioperän pintaosissa on hyvin vettä johtavaa rakoilua, mikä todennäköisesti kontrolloi kaivoihin kerääntyvän veden määrää. Syvemmällä sijaitsevien rakenteiden vedenjohtavuutta ei tässä vaiheessa voida varmuudella arvioida, mutta todennäköisesti 132 metrin syvyydellä havaittu rapautunut rakenne on vettä johtava. Porakaivojen ja kairareiän R-307 avulla voidaan selvittää entistä tarkemmin alueen hydrogeologiaa. Hydrogeologisen tutkimuksen kannalta hyödyllisiä menetelmiä ovat erityisesti reiän hydraulinen testaus ja monet reikägeofysikaaliset menetelmät.

46 VIITTEET 40 Airo, M-L, Loukola-Ruskeeniemi, K Early Proterozoic metamorphosed black shales in the Kainuu schist belt, eastern Finland - geophysical properties correlated with petrography and geochemistry. In: Autio, S. (ed.) Geological Survey of Finland, Current Research Geological Survey of Finland. Special Paper 12, Airo, M.-L., Ruotoistenmäki, T Magnetic signatures of Finnish Bedrock and Their Relationship with Geological Boundaries. Geological Survey of Finland. ( Blomqvist, R., Kaija, J., Lampinen, P., Paananen, M., Ruskeeniemi, T., Korkealaakso, J., Pitkänen, P., Ludvigson, J.-E., Smellie, J. Koskinen, L. Floría, E. Turrero, M. J., Galarza, G., Jakobson, K., Laaksoharju, M., Casanova, J., Grundfelt, B., Hernan, P The Palmottu natural analogue project - Phase I: Hydrogeological evaluation of the site. European Commission. Nuclear Science and Technology series. Luxemburg. EUR EN. 95 s. + 1 liite. Elminen, T Porkkala Mäntsälä Siirrosvyöhykkeen kuvaus ja tulkinta. Pro gradu. Helsingin yliopisto. Geologian ja mineralogian laitos. 87 s. + 3 liitettä. Henkel,H., Eriksson, L Interpretation of low altitude airborne magnetic and VLF measurements for identification of fracture zones. Subsurface space, proceedings of the international symposium (Rockstore '80), vol. 2, Henkel, H. and Guzmán, M Magnetic features of fracture zones. Geoexploration, vol. 15, no. 3, Imatran Voima Oy Voimalaitospaikkojen esitutkimukset. Kopparnäsin alueen makeavesikysymys. Imatran Voima osakeyhtiö. Rakennusosasto. Raportti N:o Imatran Voima Oy Kopparnäs: Syväkairaukset II sk4 sk13. Imatran Voima osakeyhtiö. Rakennusosasto. Raportti N:o MTT Jääskeläinen, P Kallioperän vettä johtavien rakenteiden tutkimus Kopparnäsin tutkimusalueella. Teknillinen korkeakoulu, Materiaali- ja kalliotekniikan koulutusohjelma, Diplomityö, 73s. Jääskeläinen, P. Lindberg, A., Ahonen, L Kopparnäs R-307. Kairausnäytteen tutkimus. Geologian tutkimuskeskus, Arkistoraportti Y50/2005/1. Korhonen, K. Paananen, M. Paulamäki, S., 2004.Interpretation of lineaments from airborne geophysical and topographic data An alternative model within version 1.2. of the Forsmark modelling project. SKB-P , Svensk Kärnbränslehantering AB. Korhonen, K Kopparnäsin alueen lineamenttitulkinta. Arkistoraportti Q19/2032/2005/1/20.8. Geologian tutkimuskeskus. 30 s. Korsman, K., Korja,T., Pajunen, M., Virransalo, P The GTK/SVEKA transect: structure and evolution of the continental crust in the Paleoproterozoic Svecofennian orogen in Finland. International Geology Review Kuivamäki, A., Vuorela, P Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitukseen vaikuttavat geologiset ilmiöt Suomen kallioperässä, Geologian tutkimuskeskus. Ydinjätteiden sijoitustutkimukset. Tiedonanto s. Kukkonen, I Pinta- ja aerogeofysikaalisten tutkimusmenetelmien soveltaminen käytetyn ydinpolttoaineen sijoituspaikkatutkimuksiin. Geologian tutkimuskeskus. Ydinjätteiden sijoituspaikkatutkimukset. Tiedonanto YST s.

47 41 Laitala, M Suomen Geologinen kartta. Kallioperäkartan selitys. Lehti 2032 Siuntio. 1: Geologinen tutkimuslaitos. 31 s. Lipponen, A Päijänne tunnelin ympäristögeologia- ja riskit. Suomen ympäristö s. Maanmittaushallitus Ilmakuvatoimisto, Helsinki, Ilmakuvakopiot 72115: , , , yht. 12 kpl. Niini, H A Study of Rock Fracturing in Valleys of Precambrian Bedrock. Fennia 97:6. 60s. Niini, H., Riekkola, R Kallion rakennustekniset ominaisuudet. Teoksessa Maa ja kalliorakennus. Suomen rakennusinsinöörien liitto. RIL s. + 2 liitettä. Paananen, M Paananen, Markku Rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeiden ominaisuuksien ja esiintymisen tulkinta loppusijoitusympäristössä. Geologian tutkimuskeskus. Ydinjätteiden sijoitustutkimukset. Tiedonanto YST S liitettä. Pajunen, P., Airo M. L., Elminen, T., Niemelä, R., Salmelainen, J., Vaarma M., Wasenius, P., Wenneström, M Kallioperän rakennettavuusmalli taajamiin: Menetelmänkehitys ja ohjeistus. Geologian tutkimuskeskus. Raportti K / s. + 5 liitettä. Peltoniemi, M Maa- ja kallioperän geofysikaaliset tutkimusmenetelmät. Otakustantamo s. Peltoniemi, M Aerogeofysikaaliset menetelmät. 2. muuttamaton painos. Teknillinen korkeakoulu. Materiaali- ja kalliotekniikan osasto. Insinöörigeologian ja geofysiikan laboratorio. Opetusjulkaisu TKK-IGE-C s. Repo, R., Valovirta, V., Rainio, H Suomen geologinen kartta. Maaperäkartan selitys. Lehti Espoo. 1: Geologinen tutkimuslaitos. 34s. Salmi, M Studies of groundwater flow conditions in crystalline bedrock in southern Finland and its significance to the final disposal of nuclear waste. Ydinjätteiden sijoitustutkimukset. Raportti 42 (YST-42-84). 98 s.+2 liitettä. Salmi, M., Vuorela, P., Kuivamäki, A Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen geologiset aluevalintatutkimukset. Voimayhtiöiden ydinjätetoimikunta. Raportti YJT s. + 4 liitettä + piirroksia. Soonawala, N.M., Hayles,J.G Airborne electromagnetic methods in the concept assessment phase of the Canadian Nuclear Fuel Waste Management Program. In:Palacky, G.J. (ed.), Airborne Resistivity Mapping. Geological Survey of Canada, Paper 86-22, Suominen, V Inkoon Kopparnäsin kallioperän rakoilusta. Geologian tutkimuskeskus. Ydinjätteiden sijoitustutkimukset. Työraportti G s. + 3 liitettä. Tuominen, S Geologisiin ja geofysikaalisiin tutkimuksiin ja koepumppaukseen perustuva Leppävirran vedenhankintaan liittyvä kalliopohjaveden matemaattinen mallintaminen. Teknillinen korkeakoulu. Prosessi- ja materiaalitekniikan osasto. Materiaali- ja kalliotekniikan laitos. Insinöörigeologian ja geofysiikan laboratorio. Diplomityö. 80 s.

48