Kallioperän suuntautuneiden rikkonaisuusrakenteiden lineamenttitulkintaa

Transkriptio

1 Kallioperän suuntautuneiden rikkonaisuusrakenteiden lineamenttitulkintaa Marit Wennerström, Meri Liisa Airo ja Maija Kurimo Geologian tutkimuskeskus Abstract Aeromagnetic data contain information on linear trends of great variety representing varying size, regional importance and different geological reasons. An automatic method was looked for locating magnetic lineaments to help the lineament analysis. Two methods are introduced: 1) finding trend lines from flight line data and 2) utilizing horizontal gradient measurements from the original survey data. Testing these two methods was carried out in correlation with geological field data. The magnetic lineaments interpreted by these two methods correspond to the general location and orientation of geologically observed fracture zones and point out even very weak geological indications in aeromagnetic data. It has become evident that well defined magnetic lineaments often correspond to a parallel joint set in the field. The structures in which these joints are located have a complex geological history and the control of ductile and other brittle deformation to these fractures is under examination. 1. JOHDANTO JA TAUSTAA Lentogeofysiikan aineistojen tulkintamenetelmien kehittäminen on ollut tärkeänä osana kallioperän hauraan rakenteen tutkimuksissa Porin alueella vuosien aikana ja Helsingin seudulla vuodesta 1999 eteenpäin. Geofysikaalisella aineistolla on kahtalainen merkitys tässä lähinnä taajamaluonteisiin alueisiin keskittyvässä tutkimuksessa. Sitä käytetään geologisten havaintojen tukena rakennegeologisessa tulkinnassa ja sen avulla pyritään ennakoimaan kallioperän rakenteita uusilla tutkimus tai kartoitusalueilla aiemmin hankitun kokemustiedon perusteella. Havaintojen keruun mittakaava taajaan rakennetuilla alueilla pyritään rajaamaan siten, että saadaan riittävä aineisto kuvaamaan kallioperän rikkonaisuuden luonnetta. Lentogeofysiikan aineiston tulkinnan hyväksikäyttö havaintojenkeruun suunnittelussa vähentää tarvittavien havaintojen määrää. Helsingin seudun taajamakartoituksessa on pistetiheys ollut n. 1 piste km 2 :llä. Suoritettujen tarkistusten mukaan (verrattu tiheästi koottuun rakoaineistoon) Pääkaupunkiseudun vastaava pistetiheys on ollut riittävä rakoilun pääsuuntien esille saamiseksi. Jotta pistetiheys voidaan pitää sopivan alhaisena, ja siten säästää kenttätyöresursseja, lentogeofysikaalisten tulkintamenetelmien kehittäminen edelleen on erityisen välttämätöntä. 269

2 2. KALLIOPERÄN HAURAAN RAKENTEEN TUNNISTAMINEN Kylmä kallioperä reagoi jännitystilan muutoksiin muodostaen mm. hauraita heikkousvyöhykkeitä ja rakoilua. Kalliolohkot hiertyvät toisiaan vastaan siirroksissa, ja lohkojen sisällä murtuminen ilmenee rakoina. Heikkousvyöhykkeet näkyvät maastossa yleensä painanteina ja erilaisissa kaukokartoitusaineistoissa lineamentteina. Yksittäisten rakosuuntien paikallistaminen lentogeofysikaalisin menetelmin tulee tuskin koskaan olemaan realistista. Raot esiintyvät kuitenkin usein ryhminä ja tietyt rakosuunnat ovat ominaisia tektonisesti rajautuvilla alueilla. Näitä systemaattisia rakokuvioita voidaan jäljittää mm. aeromagneettisista aineistoista johdetuilta kartoilta tai aineistoista tuotetuista suunta analyyseistä. 3. AEROMAGNEETTISEN AINEISTON SUUNTA ANALYYSI RAKOILUSUUNTAUSTEN TULKINNASSSA JA MAASTOVERTAILU Kallioperän heikkousvyöhykkeet tulevat esiin magneettikenttäkartoilla lineaarisina, kapeina vyöhykkeinä, jotka rikkovat magneettikentän jatkuvaa kuviota. Heikkousvyöhykkeisiin liittyy useimmiten magneettikentän paikallinen minimi, joka johtuu kallioperän magneettisten mineraalien määrän tai magneettisuuden vähenemisestä kemiallisten muutosten seurauksena. Tämä muutos voi olla voimakkuudeltaan hyvin pieni ja siksi vaikeasti silmin havaittavissa, mutta laskennallisesti sitä voidaan korostaa erilaisin menetelmin. Magneettikentän pysty ja vaakagradientti ovat tavallisimmin käytetyt menetelmät pienten kentänmuutosten analysoimiseen. Suomessa on käytettävissä lentokoneesta mitattua aeromagneettista aineistoa, joka kattavuutensa ja korkean resoluutionsa ansiosta on erinomaisen käyttökelpoista tehtäessä tulkintoja kallioperän rakenteiden alueellisesta systematiikasta. Tiheästi mitatusta aineistosta saadaan yleistämällä jatkuvuuksia pienille yksityskohdille ja voidaan tarkastella niiden ryhmittymistä ja jakautumista tutkimusalueella. Menetelmä 1. Rakoiluvyöhykkeiden suuntauksien ennustamiseksi magneettikenttäaineistosta olemme todenneet vaakagradienttimenetelmän erittäin informatiiviseksi. Vaakagradientti (oikeammin differenssi) tuo esiin pieniä geologisia piirteitä, jotka välttämättä eivät näy magneettisissa kartoissa. Tarkastelu tehdään alkuperäistä mittausaineistoa hyödyntämällä lentolinjoittain. Ensin lasketaan kentän muutoksen paikka ja suunta mittausprofiililla, ja siitä lasketaan muutoksen kulun suunta. Poikittaisgradientti lasketaan yhdeltä mittauslinjalta käyttäen vasenta ja oikeata siivenkärkimagnetometrien erotusta. Pitkittäisgradientti lasketaan linjan suunnassa. Näistä voidaan edelleen laskea ns. yleisgradientti seuraavalla kaavalla: MagHorizGrad = dx 2 + dy 2, missä dx = pitkittäisgradientti dy = poikittaisgradientti. 270

3 Esimerkki menetelmästä vaihe. Tikut osoittavat kentän muutoksen (vaakagradientin) paikan ja suunnan pitkin lentolinjaprofiileja. Linjaväli kuvan alueella on 200 m. Analyysissä käytetään molempia siivenkärkimagnetometrejä; lahes vaakasuorat kaksoisviivat kuvaavat magnetometrien todellista reittiä pitkin lentolinjaa. Kaksoisprofiilit ovat magnetometrien mittaustulokset. 2. vaihe. Gradientin suunnista lasketut kulun suunnat noudattavat paljolti kallioperäkartalla esitettyjä liuskeisuuden kulun suuntia. Selkeästi suuntautuneissa kivissä yksi päärakosuunta 271

4 yleensä sijoittuu liuskeisuustasolle. Tämän voidaan ennakoida näkyvän toistuvana samansuuntaisena gradientin suuntauksena mittauslinjalta toiselle. Menetelmä 2. Toinen tapa analysoida magneettikentän suuntauksia ja erityisesti niiden jatkuvuuksia on tehdä ns. suunta analyysi alkuperäiselle aeromagneettiselle mittausaineistolle käyttäen valmisohjelmaa Oasis Montaj (Geosoft ltd). Analyysissä kentän eri suuntausten keskinäistä jakautumista ja painottumista tarkastellaan sektoreittain. Tarkastelu perustuu siihen, että useammalla vierekkäisellä mittausprofiililla muutoksen sama suuntaus toistuu. Menetelmää kehitettäessä on testattu suuntaikkunoiden kokoa ja sitä, kuinka pitkiä ja miltä säteeltä suuntausten pitää olla, jotta ne parhaiten kuvaavat odotettuja tutkimusalueelle tyypillisiä rakoilun suuntia. Esimerkki 1 menetelmästä 2 ja maastovertailu. Magneettikentän suunta analyysi. Aeromagneettisessa aineistossa esiintyvien jatkuvuuksien (vähintään 500 m) kulun suunnat verrattuna maastohavaintoihin rakoilun pääsuuntauksista. Kuvaan valittiin kaksi kulmaikkunaa o ja o. Tutkimusalueella esiintyy systemaattisesti kaksi rakosuuntaa NE ja NW. Nämä jakautuvat vielä tarkemmassa tarkastelussa kahteen ryhmään: NE ja NNE sekä NW ja WNW. Tummemmat viivat osoittavat maastohavainnoista koottuja jyrkkien rakojen kulkusuuntia. Ne sijoittuvat jopa paikallisesti usein samaan suuntaan profiileilta tulkittujen lineamenttien kanssa. 272

5 Esimerkki 2 menetelmästä 2. Rakoilusuuntien ennustaminen suunta-analyysin perusteella. Mittausprofiililta (lentolinjalta) toiselle jatkuvat suuntaukset vastaavat maastohavaintojen mukaan alueella yleisesti esiintyviä rakoilusuuntia. A. Voimakkaasti migmatiittiutuneessa, syväkivimäisessä graniittisessa kivessä näkyy hauras rikkoutuminen selkeästi. Profiileilta tulkituista suunnista yksi vastaa ryhmänä esiintyvien terävien, leikkaavien rakojen kulkusuuntaa. B. Suuntatulkinnassa esille tullut NW-suunta näkyy paljastumalla ainoana, selkeänä rakosuuntana. Kuvan oikeassa reunassa näkyvät mafiset sulkeumat ovat liikkuneet suunnassa, joka vastaa rakojen kulkusuuntaa. Raot ovat todennäköisesti asettuneet aiemmin syntyneisiin heikkoussaumoihin. Paksu, lyhyt nuoli osoittaa pohjoissuunnan. Pitkät nuolet ovat yhdensuuntaisia paljastumakuvassa ja suuntatulkinnassa A-kuvassa ja B-kuvassa keskenään. 4. YHTEENVETO Vaakagradientti- ja suunta-analyysimenetelmiä on testattu Helsingin ja kehyskuntien alueella toteutetun taajamakartoituksen yhteydessä, missä se on toiminut hyvin ennustettaessa kallioperän rakennepiirteiden pääsuuntauksia ja suunniteltaessa maastokohteita lähempää tarkastelua varten. Geofysikaalisten tulkintatuloksien hyödyntäminen edellyttää geologisten lähtökohtien 273

6 ymmärtämystä, ja siksi parhaiten toteutuu geologin ja geofyysikon yhteistyönä. Menetelmän avulla voidaan hahmottaa kallioperän ehjempiä ja rikkonaisempia osa alueita, millä on merkitystä mm. kaavoituksen, ympäristönhuollon ja kalliorakentamisen kannalta. LÄHTEET Pajunen, M., Airo, M L., Wennerström, M., Niemelä, R. and Wasenius, P., 2001a. Preliminary report: The "Shear zone research and rock engineering" Project, Pori area, southwestern Finland. In: Autio, S. (ed.), Geological Survey of Finland, Special Paper 31, Pajunen, M., Elminen, T., Airo, M L. and Wennerstöm, M., 2001b. Structural evolution of bedrock as a key to rock mechanical properties. In: Rock Mechanics. A challenge for Society. Proceeding of Regional Symposium EUROCK A.A. Balkema. Rotterdam, Pajunen, M., Airo, M L., Elminen, T. ja Wennerström, M., 2001c. Kallioperän rakennettavuusmalli taajamiin parametrisointi ja mallinnus. Raportti K.21.42/2001/1. Pajunen, M., Airo, M. L., Elminen, T., Niemelä, R., Salmelainen, J., Vaarma, M., Wasenius, P. ja Wennerström, M., 2002a. Raportti I. Menetelmänkehitys ja ohjeistus. Kallioperän rakennettavuus malli taajamiin projekti. Geologian tutkimuskeskus. Raportti K.21.42/2002/5. 95 s. Pajunen M., Airo M. L., Elminen T., Niemelä R., Salmelainen J., Vaarma M., Wasenius P. ja Wennerström M., 2002b. Raportti II. Rakennettavuuskartan selitys. Kallioperän rakennettavuus malli taajamiin projekti. Geologian tutkimuskeskus, Espoo. Julkaisematon raportti K.21.42/2002/6. 42 s. Pajunen, M., Airo, M. L., Elminen, T., Niemelä, R., Salmelainen, J., Vaarma, M., Wasenius, P. ja Wennerström, M., 2002c. Kallioperän rakennettavuuskartta 1 : Espoo, Helsinki, Vantaa. Kallioperän rakennettavuusmalli taajamiin projekti. Geologian tutkimuskeskus, Espoo. Julkaisematon kartta K.21.42/2002/7. Pajunen, M., Airo, M. L., Elminen, T., Niemelä, R., Salmelainen, J., Vaarma, M., Wasenius, P. ja Wennerström, M., 2002d. Raportti III. Projekti pähkinänkuoressa. Kallioperän rakennettavuusmalli taajamiin projekti. Geologian tutkimuskeskus, Espoo. Raportti K.21.42/2002/4. 28 s. 274