MT-FIRE hankkeen alustavia tuloksia kuoren sähkönjohtavuudesta Kainuun liuskejakson ja Iisalmen lohkon alueella

Transkriptio

1 MT-FIRE hankkeen alustavia tuloksia kuoren sähkönjohtavuudesta Kainuun liuskejakson ja Iisalmen lohkon alueella K. Vaittinen 1, T. Korja 1, P. Kaikkonen 1, I. Lahti 1, M. Smirnov 2 ja L. B. Pedersen 2 1 Fysikaalisten tieteiden laitos, Oulun yliopisto, katri.vaittinen@oulu.fi 2 Institutionen för Geovetenskaper, Uppsala Universitet Abstract In the MT-FIRE project we have carried out audiomagnetotelluric (AMT) and magnetotelluric (MT) measurements along the key parts of the FIRE (FInnish Reflection Experiment) reflection seismic lines. One of the primary aims of the project is a highresolution study of electrical conductivity across the Archaean-Proterozoic border in the central Fennoscandian Shield. Results of 2D inversion show that both the Kainuu and Savo Belts are highly conductive and the crust to the east of the Kainuu Belt is very resistive compared to more conductive crust to the west. Yet the upper part of the Iisalmi complex is resistive but underlain by a highly conductive layer in middle to lower crust. 1. JOHDANTO MT-FIRE projektin tarkoituksena on sähkömagneettisin menetelmin täydentää FIREhankkeesta saatavaa tietoa Fennoskandian kilpialueen rakenteesta. Tavoitteena on tuottaa aiempaa huomattavasti yksityiskohtaisempia sekä 2- että 3-ulotteisia malleja maan kuoren sähkönjohtavuudesta. Ensisijaisia kiinnostuksen kohteita ovat 1) FIRE-1 linjan ympäristö arkeeisen proterotsooisen kuoren raja-alueella, 2) Kainuun liuskejakson ja Outokumpujakson johteiden mahdollinen jatkuvuus pohjois-etelä-suunnassa syvemmällä kuoressa ja 3) FIRE-3a linjan ympäristö siirryttäessä länsirannikolta Keski-Suomen granitoidikompleksin alueelle. 2. MT-FIRE PROFIILIT Kesän 2003 aikana keskityttiin magnetotelluurisiin (MT) ja audiomagnetotelluurisiin (AMT) mittauksiin FIRE-1 profiililla Kainuun liuskejakson ja Pyhäsalmen välisellä alueella. Kokonaisuudessaan FIRE-1 kulkee maanteitä pitkin Vartiuksesta Kajaaniin, Vieremälle, Pyhäsalmelle ja siitä etelään päättyen Keski-Suomeen. Ongelmaksi sähkömagneettisten luotausprofiilien suunnittelussa ja toteutuksessa muodostui tienvarsien tiheähkö asutus sekä maidontuotantoalueena tunnetun Kainuun ja Pohjois-Savon sähköpaimen-aidat, jotka ollessaan toiminnassa häiritsevät mittauksia oleellisesti. Lisäksi seismiset profiilit ylittävät sähköä hyvin johtavan Kainuun liuskejakson osittain lähes geologisen kulun suunnassa. MTluotausten tekeminen pitkin johtavaa liuskejaksoa ei ole kuitenkaan kovin suositeltava - pahimmassa tapauksessa signaali vaimenee lähes kokonaan jo pintajohteissa ja informaatio syvemmältä kuoresta jää vähäiseksi. Näin ollen MT-FIRE linjojen paikat jouduttiin valitsemaan hieman eri perustein kuin seismiset profiilit. Kesän 2004 ohjelmaan kuului edellisen kesän mittausten täydentäminen FIRE-1 profiililla sekä uudet mittaukset Kokkolasta Keski-Suomeen kulkevalla FIRE-3a profiililla. 241

2 Kuva1. MT-FIRE luotaukset (siniset renkaat), profiilit (a-e) sekä FIRE-heijastusseismiset profiilit 1 ja 3 (viiva) geologisella kartalla. Pienemmät renkaat ovat aiempia MT/AMTluotauksia. Geologinen kartta Koistinen et al. (2001) mukaan ja FIRE profiilit FIRE WG:n (2002) CMP-koordinaateista. Kuvan 1 kartalla esitetyt MT-FIRE linjat ovat: (1) linja a Kajaanista Iisalmeen (17 luotausta, pituus 60 km; keskimääräinen pisteväli 3.5 km), (2) linja b Vieremältä Pyhäsalmeen (32 luotausta, pituus 70 km; keskimääräinen pisteväli 2-4 km) ja (3) linja c (17 luotausta, pituus 70 km; keskimääräinen pisteväli 4.2 km), joka ylittää Kainuun liuskejakson koillisesta lounaaseen myötäillen vanhaa GGTSVEKA-profiilia ja sen AMT- ja MT-luotauksia (Adam et al., 1982; Kaikkonen & Pajunpää, 1984; Korja & Koivukoski, 1994; Lahti et al., 2005). FIRE- 3a profiilin länsiosassa valtatietä 13 pitkin mitattiin MT-FIRE linja e (Veteli Saarijärvi, 22 luotausta, pituus 140 km; keskimääräinen pisteväli 6.4 km). Edellisten lisäksi kesien 2003 ja 2004 aikana mitattiin itä-länsisuuntainen linja (MT-FIRE linja d) Iisalmesta Nurmekseen (18 242

3 luotausta, pituus 100 km; keskimääräinen pisteväli 5.6 km). Linja d sijaitsee FIRE-1 ja FIRE- 3 profiilien välissä. 3. LAITTEISTO JA MITTAUSJÄRJESTELYT Kenttämittauksissa käytettiin Uppsalan yliopistossa hiljan kehitettyä MTU-2000 laitteistoa. Sähkökentän mittauksessa käytettiin polarisoitumattomia Pb-PbCl elektrodeja ja elektrolinjojen (dipolien) pituudet vaihtelivat välillä 50 m m.. Magneettikenttää mitattiin Metronixin induktiokeloilla. Muutamaa luotauspistettä lukuun ottamatta kaikissa MT-FIRE pisteissä mitattiin myös magneettikentän vertikaalikomponentti. Mittauksia tehtiin samanaikaisesti kahdella laitteistolla, joiden etäisyys pyrittiin pitämään suurempana kuin 10 kilometriä, jotta aikasarja-aineiston prosessoinnissa käytettävälle referenssi-tekniikalle saatiin mittauspisteestä riittävän kaukana oleva vertailusignaali. Käytännössä mittauspisteparin aineistot toimivat toinen toistensa referenssiaineistoina. Tarkan ajastuksen vuoksi laitteissa käytetään jatkuvasti aikaa monitoroivaa GPS-kelloa. Kussakin luotauspisteessä rekisteröitiin sähkö- ja magneettikenttää 20Hz, 1000Hz ja 3000Hz näytteenottotaajuuksilla. Ajallisesti mittaukset kestivät kussakin pisteessä vähintään 10 tuntia, pisimmillään muutaman vuorokauden. Näin saatiin siirtofunktioiden periodialueeksi 1/300 s 1000 s, joka vastaa tutkimussyvyyksiä vajaan kilometrin syvyydeltä muutamiin kymmeniin kilometreihin sähköä paremmin johtavan kuoren alueella ja jopa km:n syvyyteen eristävillä alueilla (itään Kainuun liuskejaksosta). Kuvassa 2 esitetään profiilin c näennäisen ominaisvastuksen (ylin) ja impedanssin vaiheen determinantin näennäisleikkaukset (keskellä) sekä vaihedatan kattavuus profiililla (alin). MT-FIRE datan lisäksi näennäisleikkauksissa käytetään GGT-SVEKA luotausten aineistoa. Etenkin alimmasta kuvasta käy ilmi tiheän profiilin ja laajan taajuuskäytön tärkeys kuoren sähköisissä tutkimuksissa. 4. AINEISTON PROSESSOINTI JA INVERSIO Aikasarja-aineiston prosessoinnissa käytettiin Uppsalan yliopistossa kehitettyä ohjelmaa (Smirnov, 2003), joka käyttää robustia statistiikkaa häiriöiden vaikutuksen minimoimiseksi. Prosessoinnissa käytettiin aina remote reference (rr) tekniikkaa mikäli referenssiaineistoa oli saatavilla. Eri näytteenottotaajuuksilla rekisteröidyt aikasarjat prosessoitiin kukin useammalla eri FFT-ikkunanpituudella. Kaikkiaan yhdeltä pisteeltä saatettiin saada useampia kymmeniä siirtofunktion estimaatteja, jotka etenkin keskiperiodeilla olivat hyvin yhteneväisiä. Aivan pisimpien ja lyhimpien periodien kohdalla syntyi hajontaa. Lopullisiin siirtofunktioihin päädyttiin keskiarvoistamalla nämä estimaatit. Yleisesti siirtofunktiot, sekä magnetotelluurinen impedanssitensori että tipper, voitiin määrittää kullekin luotauspisteelle välille 1/300 s 1000 s. Datan inversiossa käytettiin kaksiulotteista inversio-ohjelmaa (Siripunvaraporn ja Egbert, 2000). Dimensionaalisuusanalyysin tai induktiovektoreiden perusteella ei voitu todeta alueen olevan kaksiulotteinen, mutta koska toistaiseksi käytössä ei ole tarpeeksi tehokkaita työkaluja kolmiulotteiseen inversioon pyritään 2D-approksimaation avulla hakemaan aloitusmallia kolmiulotteista suoraa mallinnusta varten. Edelleen koska geosähköistä kulkua ei pystytty 243

4 244 Kuva2. MT-FIRE ja GGT-SVEKA aineiston pohjalta konstruoidut näennäisleikkaukset: näennäisen ominaisvastuksen determinantti (yllä), impedanssin vaiheen determinantti (keskellä) ja datan kattavuus profiililla.

5 tarkalleen määräämään mittausprofiileilla, käytettiin inversiossa tensorin kierron suhteen invarianttia impedanssitensorin determinanttia (Pedersen & Engels, 2005) sekä tipperiä. 5. TULOKSIA 2D inversiomalleissa päästään kohtuullisen hyvään sovitukseen determinantin sekä paikoittain determinantin ja tipperin yhteistulkinnan osalta ja saadaan selvästi ratkaistua johteiden yläpinta eli niiden syvyys ja geometria. Sen sijaan johdekerroksien paksuutta ei voida yksikäsitteisesti määrittää eikä aineisto pisimpiäkään periodeja (1000 s) käytettäessä riitä välttämättä kaikkialla johteiden läpäisyyn. FIRE-1 profiilin alueella sekä Kainuun liuskejakso että Savon liuskejakso nähdään selkeinä sähköä hyvin johtavina muodostumina. Kuoren mittakaavassa sähköisesti merkittävä muutos tapahtuu Kainuun liuskejakson itäreunan ja liuskejakson etelään kuvitellun jatkeen tienoilla länsipuolelle jää kuori johteineen, kun taas itäpuolinen kuori on sähköisesti hyvin eristävä. Länsipuolella Iisalmen lohko erottuu kuitenkin yläosistaan selvänä eristeenä kun taas syvemmällä, noin kilometrin syvyydessä, havaitaan hyvin sähköä johtava kerros. Tämä viittaa siihen, että arkeeinen Iisalmen lohko on noin km paksu yksikkö kun taas sen alapuolella on johtavampaa proterotsooista materiaalia. LÄHTEET Adam, A., P. Kaikkonen, S.-E. Hjelt, K. Pajunpää, L. Szarka, ja A. Wallner, A., Magnetotelluric and audiomagnetotelluric measurements in Finland, Tectonophysics, 90, FIRE WG, FIRE profiilien CMP-koordinaatit. [ Kaikkonen, P. ja K. Pajunpää, Audiomagnetotelluric measurements across the Lake Ladoga - Bothnian Bay Zone in Central Finland, Geophys. J. R. Astron. Soc., 78, Koistinen, T., Stephens, M.B., Bogatchev, V., Nordgulen, O., Wennerström, M. &Korhonen, J Geological map of the Fennoscandian Shield, scale 1: Geological Surveys of Finland, Norway and Sweden and the North-West Department of Natural Resources of Russia. Korja, T. ja Koivukoski, K., Crustal conductors of the SVEKA Profile in the Early Proterozoic Fennoscandian (Baltic) Shield, Finland, Geophys. J. Int., 116, Lahti, I., Korja, T., Pedersen, L. B. ja the BEAR Working Group Lithospheric conductivity along GGT/SVEKA Transect: implications form the 2-D inversion of magnetotelluric data. Pp in Lahtinen, R. et al (eds), Lithosphere 2002, Second Symposium on the Structure, Composition and Evolution of the Lithosphere in Finland. Institute of Seismology, University of Helsinki, Report S- 42. Pedersen, L. ja Engels, M., Routine 2D inversion of magnetotelluric data using the determinant of the impedance tensor. Geophysics, 70, Siripunvaraporn W. ja Egbert G., An efficient data-subspace inversion method for 2-D magnetotelluric data. Geophysics, 65(3), Smirnov, M., Magnetotelluric data processing with a robust statistical procedure having a high breakdown point. Geophys. J. Int., 152,

6 246