KARBONAATTIKIVILLE ANALOGISTEN KOHTEIDEN TUTKIMUS GEOTIETOJA INTEGROIMALLA

Transkriptio

1 /, L; :.; 17 -,-; :,:, ; :-,;,i-e Geologian tutkimuskeskus, Esp00 Raportti M16/1992/1 KARBONAATTIKIVILLE ANALOGISTEN KOHTEIDEN TUTKIMUS GEOTIETOJA INTEGROIMALLA KARTTALEHDET Kuosmanen, Viljo Arkimaa, Hilkka Laaksonen, Juhani ~rmanen, Esa Harinen, Ritva Reinikainen, Jukka

2 Taman GTK:n malmiosaston ja Oy Partek Ab:n valisen yhteistutkimuksen tarkoituksena oli maarittaa karbonaattikivien etsintakohteita kuuden 1 : karttalehden alueella Etela-Hameessa. Geologisen ja geofysikaalisen aineiston seka satelliitti- ja ilmakuvien yhteistulkinalla majiitettiin kohteita, jotka olivat anomaliakuvaltaan samankaltaisia tunnettujen kalkkiviitteiden kanssa. Tutkimukseen valittiin nelja viitetietoryhmaa: Karbonaattikivien kallio- ja lohkareviitteet, suoviitteet ja kasvillisuusrehentymat. Viitetietoja kaytettiin laadittaessa malleja sellaisista muodostumista, joita haluttiin loytaa lisaa. Tyo perustui oletukseen, etta mikali alueella esiintyy karbonaattikivia, niiden indikaatiot eri tietojoukoissa eivat valttamattii sijaitse samoilla paikoilla kuin itse kivet. Aineistot kasiteltiin kolmen muuttujan ryhmissa ja kutakin ryhmaa varten "raataloitiin" sille parhaaksi katsottu tulkintamenetelma: Geologisia tietoja kaytettiin visuaalisen tarkastelun pohjana, matalalentomagneettiset, -reaali ja -imaginaarimittaukset tulkittiin Lahinaapuri- ja Maximum Likelihood -menetelmilla, matalalentogammasateilymittaukset K, U ja Th luokiteltiin suhdepiirreavaruudessa seka Landsat TM -kanavat 4, 5 ja 7 luokiteltiin Lahinaapurimenetelmaa ja Mahalanobis-etaisyytta kayttaen. Nain saatiin kolme erityyppista ennustetta karbonaattikiville analogisiksi kohteiksi: Magneettiset ja sahkomagneettiset (M-EM), garnmasateily- ja kasvillisuusrehentymaanalogiat. Nama kolme ennustetta yhdistettyna muodostavat tutkimusalueen karbonaattikiville analogisten kohteiden ennusteen. ' Saatuja ennusteita kaytettiin kohteellisiin tutkimuksiin. Vuonna 1989 rehentymaanalogioista ja M-EM-ennusteista osoitettiin visuaalisesti geologisen ja geofysikaalisen aineiston perusteella 40 maastotarkistuskohdetta, joista karbonaattipitoisuutta tavattiin 3:lla, kalkinsuosijakasveja 10:lla ja kohonneita ph-arvoja 4:lla kohteella. Kuohijoen lansijatkeella ja Padasjoen Hirtniemessa tavattiin karbonaattipitoisuutta moreenissa ja Kuhmoisten Valkjiirvella ohuita karbonaattikivivalikerroksia. Vuonna 1990 maktettiin ennusteista analogiapisteiden maiira pinta-alaa kohden ja valittiin tiheyshuiput maastotarkistuskohteiksi (26 kpl), joista nelja todettiin kalkkiotollisiksi ja kolmessa oli kalkinsuosijakasveja. Vuonna 1991 kohteellisissa tutkimuksissa luokiteltiin rehentyma-, M-EM- ja gamma-analogiat ja valittiin karbonaattikiville otolliset jaksot geologisesti maiiritetylta pienemmalta maastotarkistusalueelta. Ennustetut rehentymaanalogiat (yli 1200 kpl) karsittiin ilmakuvien ja otollisten jaksojen perusteella 83 kohteeksi, joista karbonaattipitoisuutta lohkareissa tai kalliossa havaittiin 12 ja kalkinsuosijakasveja 19 kohteessa. Tehty menetelmdcehitys seka alueelta loydetyt uudet karbonaattikiviviitteet osoittavat, etta tutkimuksia kannattaa jatkaa siten, etta uusilla viitteilla tarkennetaan ennusteita ja naiden tulokset tarkistetaan jalleen maastossa jne. Tyo olisi myos laajennettava koskemaan sellaista aluetta, joka sisaltaa malleiksi sopivia ekonomisia karbonaattikiviesiintymia.

3

4

5

6 2. TUTKIMUKSEN RAKENNE Tutkimusaineisto, joka jaljempha selostetaan tarkemmin, muodostuu geologisista ja geo- kemiallisista kartoista, kolmesta ryhmasta matriisimuotoisia geofysikaalisia karttoja, satelliittikuva-aineistosta seka karbonaattikiviviitteista (kuva 2). L AINEISTORYHMAT JA NllDEN KOULUTUS - (' TULOKSET TUTKIMUSVAIHEET TIEDOT ( ANALOGIAT) 1. Geologiset kartat AB C(X visuaalisia havaintoja 2. Geofysiikka M - EM A B(x - magneettinen anomalia M-EM - - sahkoinen reaali -n- - slhkoinen imaginaari -..- anal. 3. Geofysiikka gamma A B(' gamma- kalium slteily anal. uraani -"- - thorium -*- 4. Landsat TM kuvat A B C D F(' kanava 4 anal. kanava 5 G (' - kanava 7 5. Yhdistetyt analogiat 4 6. Kenttatutkimukset v b I 7. Jatkotutkimukset rajatulla alueella v Maastomittausia kairauskohteet '1 KOULUTUSTIEDOT: Kalliopara Kasvillisuus, maaslot~edol NIR-video-~lmakuval 42 kohteerla A Vanhal kalkk~louhoksel 0 Lehlokarvillisuus G Korkea NIR-he~~aslus kalliooerbv~iltaen B Karbonaaltikivioaljaslumal E ~ ~ l k ~ ~ ~ ~ ~ ~, j ~ ~ c Karbonaatt~kiv~lohkarael F Suot, ~o~ssa korkea OH Ilhelll - rehentymal TM-piksella i Kuva 2. Kaavio tutkimuksen eri aineistoryhmista, koulutwtiedoista seka tuloksista. Kustakin ryhmastii matriisimuotoisia karttoja laadittiin erikseen karbonaattikiviennuste koulutustietojen avulla. Kuvassa 2 vasernrnalla on esitetty aineistot ryhrnitttiin numeroituna. Numerot viittaavat myos tutkimuksen etenemisvaiheisiin. Aineistot tulkittiin k2ytt2en apuna karbonaattikiviin viittaavia havaintoja (kirjaimet A - G kuvassa 2) uusia kohteita etsitttiessa. Tulokseksi tasta tulkinnasta saatiin joukko karttoja, joiden siswirni2 uusia ennustekohteita sanotaan ass8 karbonaattikivianalogioiksi (oikealla puolella kuvassa 2).

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19 19 Viitteille annettiin tutkimuksessa mukana olleiden geologien subjektiivisen arvion perusteella kalkkisuotuisuutta kuvaava tunnusluku (1-100). Vanhojen kalkkilouhosten kalkkisuotuisuutta kuvaava tunnusluku saa arvon 100, muiden karbonaattikivipaljastumien tunnusluku on Karbonaattikivilohkareiden suotuisuus on 15-40, kasvillisuusrehentymien suotuisuus 3-50 seka korkean ph:n soiden suotuisuus Mikali viitetieto kasitti "laajan alueen", sen sisiilta valittiin yksi edustava piste, jolle mabitettiin koordinaatit seka kaistakoordinaatistossa (KKJ) etta yhtenaiskoordinaatistossa (YKJ). Kallio- ja lohkareviitteet (37 kpl) kerattiin Partekin ja Geologian tutkimuskeskuksen tiedostoista (liite 1). Suoviitteet (18 kpl) valittiin Geologian tutkimuskeskuksen suoaineistosta. Valintaperusteena pidettiin rehevaa suotyyppia seka suon kohonnutta ph-arvoa (liite 2). Kasvillisuusrehentymaviitteet (38 kpl, liite 3) kerattiin osaksi Partekin tiedostoista ja osaksi Ympiiristoministeriiin lehtoraporteista (Ympiiristoministerio 1988, 1989). Helsingin yliopiston kasvitieteen laitokselta pyydettiin tietokantahaku kahdestakymmenesta yleisimmasta kalkinsuosijakasvista ja niiden esiintymistii tutkimusalueella. Edellamainittujen viitteiden osajoukkoja kaytettiin koulutustietoina geofysiikan aineistojen luokittelussa. Koulutustiedoilla (engl. training data) tarkoitetaan tassa mittausaineistoja sellaisista muodostumista, joita haluttaisiin loytaa lisaa. Koulutustiedoilla ohjataan tutkimusalueen numeerisen kartta-aineiston luokittelua kalkkisuotuisuuden mukaan. Kasvillisuusrehentymista hankittiin lisaviitetietoja lentovideokuvauksen avulla. Kuvaukset tehtiin yhteistyossa Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen kanssa 42 maastokohteella. Kuvauksessa kaytettiin n&yvan valon ja lahi-infrasateilyn (MR) alueita (kuva 12). Videokuvista tulkittiin kasvillisuusrehentymib: (kuva 13), jotka paikannettiin myos Landsat TM -kuvalta. Rehentymien osoittamista Landsat-kuvien pikseleista valittiin tulkintaa varten 10 uutta koulutusaluetta (liite 4), jotka sijoittuvat tahdella merkityille alueille kuvassa 11.

20

21

22 5. KARBONAATTIKIVIANALOGIOIDEN ENNUSTAMINEN 5.1 Ennustemenetelmien kuvaus Karbonaattikiville analogisia paikkoja etsittiin tassa tyossa seka visuaalisesti tarkastelemal- la geologisia karttoja etta kasittelemalla geofysikaalisia ja satelliittikuva-aineistoja erilaisin atk-tilastomatemaattisin ja digitaalisen kuvankasittelyn keinoin. Kussakin aineistoryhmassa (kuva 2, ryhmat 2-4) etsittiin aluksi kalkkiviitteille tyypilliset muuttujan arvot. Niiista muodostettiin alla selostetut matemaattiset mallit. Mallien avulla kaytiin jokainen aineistoryhma uudelleen lapi ja nain muodostettiin kolme erillista analogia-ennustetta (kuva 2). Ne yhdistettiin lopulliseksi ennustekartaksi, joka sisaltaa tunnetut viitteet ja osoittaa muita naille analogisia paikkoja. Tassa tyossa kaytettiin neljaa en ennustemenetelmaa: 1 Maximum likelihood (ohjelma: Disimp) 2 Lahinaapuri (Nearest Neighbour, Euclidean distance) (ohjelina: Scalex) 3 Luokittelu suhdeavaruudessa (ohjelma: Tri) 4 Mahalanobis-etaisyys (ohjelma: Scalex) Maximum likelihood on yleisesti kaytetty tilastomenetelma (lahes) normaalijakautuneille muuttujille (Milton and Arnold 1990, Fukunaga 1990). Ennustaminen perustuu siihen, etta piirreavaruuteen laaditaan ellipsoidimalli (kuva 14), joka sisdtaa annetut koulutustiedot. Menetelmassa kaikki valitut koulutustiedot mallinnetaan yhdessa Nain saadaan eraanlainen "keskiarvoinen" ennustemalli. Ellipsoidin sisalle jaaneet muut pisteet muodostavat ennusteen. Menetelma perustuu oletukseen, etta kaikki koulutustiedot kuuluvat samaan populaatioon (ellipsoidin sisalle) ja hajonnan aiheuttaa populaation normaalijakautunut sisiiinen vaihtelu seka otantavirhe. Maximum likelihood -menetelmaa sovellettiin magneettisen ja sahkomagneettisen (M-EM) aineiston luokitteluun. Mikdi eri koulutustiedot kuuluvatkin kukin eri populaatioihin tai niiden mittausarvoihin vaikuttavat naapuripikselin ominaisuudet (tasoa laskevasti tai nostavasti), kukin koulutus- tieto taytyy mallintaa erikseen. Tama tehdaan menetelmiilla, jota kutsutaan Lahinaapuri-

23

24

25

26

27

28

29

30 5.4 Landsat TM -rehentymaanalogioiden ennuste On yleisesti tunnettua, etta karbonaattikiviesiinty~na usein rehevoittaa ylnpiiristonsii kasvillisuutta. Pinta- ja pohjavesien virtaussysteemi vaikuttaa oleellisesti rehentymien muodostumiseen. Rehentyma syntyy usein alavaan paikkaan, missa on geomorfologisesti otolliset mahdollisuudet ravinteiden sailymiselle ja humuskerroksen paksuuntumiselle. Rehentymille on luonteenomaista lehtivihreh runsaus. Lehtivihrea heijastaa erityisen hyvin lahi-infrasateilya eri aallonpituuksilla. Taman vuoksi 7-kanavainen Landsat TM - kuva tarjosi mahdollisuuden rehentymien paikallistamiseen. Kevadla 1989 yritettiin Landsat TM -aineiston avulla ennustaa seka kasvillisuusrehentymia etta karbonaattikivikohteita. Talloin todettiin, etta koulutusalueiden sateilyarvoilla oli piirreavaruudessa laaja hajonta. TYman vuoksi tutkimukseen tarvittiin edustavampia koulutustietoja, jotka hankittiin ilmavideokuvauksen avulla. Kesalla 1989 tehtiin lahiinfrailmavideokuvaus 42 alustavasta ennustekohteesta 600 m korkeudesta. Videokuvien perusteella ma2ritettiin tunnettujen karbonaattikiviesiintylnien lahistolta 10 rehentymaa, joiden maarittamien Landsat-pikselien intensiteettiarvot otettiin uusiksi koulutustiedoiksi (liite 4). Landsat TM -kuvan kanavien 1-5 ja 7 sateilyarvojen piirreavaruudet visualisoitiin pareittain. Niiiden tutkimus osoitti, etta kanavat 4, 5 ja 7 ovat merkittavimmat taman tyon kannalta (Laaksonen 1991, s. 53). Videokuvien perusteella maiiritetyt uudet koulutustiedot kanavien 4 ja 5 piirreavaruudessa nahdaan kuvassa 19. Tasta havaitaan, etta uusien rehentyrnien intensiteettien hajonta on pieni ja niiden jakautuman painopiste on erkaantunut histogramrnin maksimista. Mainitut uudet rehentymat mallinnettiin Lahinaapurimenetelmidla. Ennustetulos nahdaiin kuvassa 20. On huomattava, etta saatu tulos liittyy enemman kasvillisuuteen ja kosteusolosuhteisiin kuin litologisiin tekijoihin.

31

32

33

34

35

36

37 6.1 Kohteelliset tutkimukset v ja -90 Kohteelliset tutkimukset pyrittiin teke~naiin prioriteettijiirjestyksessa. Saadut lisatiedot kentalta saattoivat muuttaa priorisointia. Kohteelliset tutkimukset tehtiin seuraavassa jiirjestyksessa: 1. Tutkimusalueen rajaus kallioperiikartoilta 2. Karbonaattikiville otollisten jaksojen valinta matalalentogeofysiikan perusteella 3. Kasvillisuusrehentyma-analogioiden luokittelu 3. Kasvillisuustutkimukset, geologinen havainnointi, lohkare-etsinta ja moreenin kulkeutumistutkimukset kentiilla 5. ph-mittaukset moreenista 6. Geofysikaaliset maastomittaukset: maankamaran tutkaus, magneettinen, gravimetrinen ja sahkoinen mittaus 7. Kairaukset Yksityiskohtaisia tutkimuksia, kuten moreenin kulkeutumistutki~nusta, maankamaran tutkausta, magneettisia, gravimetrisia ja sahkoisia tutkimuksia tehtiin ainoastaan poikkeus- tapauksissa Maastotarkistukset v Vuoden 1989 maastotarkistuskohteet valittiin geologisen tiedon ja geofysikaalisen aineiston visuaalisen tarkastuksen perusteella (kuva 22). Elokuussa 1989 tehtiin GTK:n ja VR:n yhteistyona ilmavideolahi-infrakuvaus kasvillisuusrehentymien paikantamiseksi (Laaksonen 1991). Maastotarkistuskarttoina kenttatoissa kaytettiin 1 : mittakaavaisia peruskarttoja, joihin ennustekohteet (40 kpl) paikannettiin. -

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75 Landsat TM -rehentymien tulkintaan kaytetyt koulutustiedot :*MA ON LISlAUS NllSIA PIKSELEISIA, JOIKA ON 1ULKliTU VAARAvARlVlOEOrUVAUKSCS1A. FARKOIIUKSEhA ERITELLA HE PIISEL11 JO~KA OVA1 VIDEOLFA NAHOYN ~EHEYTYMAN PAALLA. ~OOTSIRAP IES~IN K A Y ~ T A M A IARIESTISNUMEROI ~ MCRKIT~Y JOXAiSCN ALUEEN KOHOALLE LUOKLlTELIIAN MIMEN PERAAN. ilrluiemi VIOL0 I I0 17 POHIOISKARKI. REHENTIMA KARIESSA ilue 1 tunnulluku 148 p~kseie~ta 8 kpl.lahln naapurl luok~tus n o 1-8 Yahalanobls IUO~I~US n ~aytto:~ar.ke.r~~~ K~v~:sarakc,r~v~ Leo-code: Ita Ponjolnen & A~MALA, NIEWEN KARKI LAHELLA LUO~NONSUOJELUALUE~~A VIOED I (1:14:]8) ALuf I. tunnusluku 128, Pckselelta 4 kpl. Lahrnadn nan,rln luak,tu, d n:o Mahalanobl luakltus n:o 9-12 WIRIhIEMI VIDEO I KARPASVWREN REUNA ALUE 2 tunnusluku 118, PlkrelmltS 48 kpl. I AIMALA NIEWENKARKI VANHAN KALKKIESIINTYMAN YUPAR~STA VlOEO I ENSIN ~ULEE 11s~ Es11~l~MAl PAALA OLEVAN KUUSIKON PAIKAN~AHINEN IA SEN IALKEEN KALKKIMAEN PAALLA DLCVA REHEYlYMA IA LOPUKSI KUUSlKON VIERCSSA OLEVA RANlAAN ULOllUVA RCHENlVMA KUUSIKKO ALUE 4.. tunnurluku 218. elkselc&ta 5 kp1.lahlman naanur~n iuok~tus n lol~.o N t t r a k c r Ku~a: arake,r~*l GCO-COO=: Ita Poh]oln#n KALKKIHAKI ---> RANlAAN ALUE 5 tunnusluku 208, P~kselc~ta 9 kpl. RANI& REHEN~VMA ALUE 6, tunnusluku 198, plkselelta 16 kpl. Lahimman naapurln luokltul n:o Mahalanob~s luok~tus n NayttO: arake.r~r~ K~ra:sarake.rlri GCO-code: Ita Pohjo~ntn ' )O

76

77

78

79

80 HAVAINNOT MAASTOTARKISTUSKOHTEILLA Rimmila 232. Riuttankallio Rehentyma sijaitsee ita-lansi -suuntaisen kapean magneettisen anomaliajakson mutkassa, mutta sahkbisesti neutraalilla alueella. Kohteelle sattuu myos muutamia italansi -suuntaisia geofysikaalisia analogiajaksoja. Kohteen lapi kulkevan tien lansipuoli on hakkuualuetta seka ojitettua soistuvaa metsaa. Tien itapuoli on Riuttankalliolle nousevaa kallioista rinnetta. Kasvillisuudeltaan tien lansireuna on lehtipuuvaltaista pusikkoa, jossa kasvaa runsaasti heinikkoa. Ojitetulla suoalueella kasvaa tiheaa koivikkoa. Tien itapuoli on karumpaa mantymetsaa, jossa kasvaa niukernrnin heinikkoa. Alueen lounaisosassa on pieni rinnepainanne, jossa kasvaa nasiab, kuusamaa j a taikinamarjaa. Painanteen reunan kivista ldytyy hieman karbonaattipitoisia rakoja. Alueen itaosan kalliopaljastumat (91-EA-65, 91-EA-66) vaihtelevat emaksisesta happamaan tuffiittiin. Lisaksi tavataan kvartsimaasalpaliusketta ja plagioklaasiporfyriittia. Erityista karbonaattipitoisuutta ei ole havait- tavissa. Rehentym aiheutuu todennakoisesti suon kosteasta maaperasta ja hakkuualueen pusikoitumisesta Salimaki Rehentyma sijaitsee ita-lansi -suuntaisen magneettisen anomalian pohjoisreunassa, mutta sahkoisesti neutraalilla

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119