Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset Hanna Leväniemi

Transkriptio

1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS GSO Espoo 137/2015 Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset Hanna Leväniemi

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/2015 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Leväniemi Hanna Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset Tiivistelmä Forssan ja Tammelan kuntien rajalla sijaitseva Lempään gabro on ollut GTK:n Etelä-Suomen teollisuusmineraali- ja malmipotentiaali hankkeen tutkimuskohteena vuosina Tässä raportissa kuvataan kohteella hankkeen aikana suoritetut geofysikaaliset tutkimukset. Alueella on suoritettu magneettisia, gravimetrisia ja vastusluotaus- sekä IP-mittauksia. Kohteeseen on kairattu yksi kairareikä, jota on tutkittu petrofysikaalisin mittauksin. Lempään gabro on alueellisestikin katsottuna magneettisilla kartoilla huomattavan voimakas anomalia. Alueelta on vain vähän petrofysikaalisia mittauksia pintanäytteistä, mutta kairauksessa lävistetty ultramafinen, magnetiittipitoinen kivi sopii hyvin suurimman magneettisen anomalian aiheuttajaksi. Muodostuma ei kuitenkaan ole homogeenisesti magneettinen; painovoimamallinnuksen perusteella saadaan käsitys koko muodostuman laajuudesta. Magneettiseen anomaliaan yhdistyy johderakenne, jonka tutkimuksia jatketaan keväällä Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) geofysikaaliset tutkimukset, painovoimamenelmät, magneettiset menetelmät, sähköiset menetelmät, indusoitu polarisaatio, petrofysiikka, gabro Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Tammela, Forssa, Lempää Karttalehdet L422 Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistoraportti Arkistotunnus 137/2015 Kokonaissivumäärä 22 s. + 1 liite Kieli suomi Hinta - Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue ESY 211 Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

3 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/2015 Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 ALUEELLINEN GEOFYSIIKKA 1 3 MAASTOMITTAUKSET Magneettiset mittaukset Painovoimamittaukset IP mittaukset Vastusluotaus 9 4 KAIRAUKSEEN LIITYVÄT TUTKIMUKSET 10 5 AINEISTOJEN YHDISTÄMINEN JA TULKINTA Magneettisen aineiston inversio Gravimetrinen mallinnus Vastusluotaustulokset 19 6 YHTEENVETO 21 KIRJALLISUUSLUETTELO LIITTEET: Liite 1. Kairareiän L R35 petrofysikaaliset näytteet ja mittaustulokset

4 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ JOHDANTO Tammelan ja Forssan kuntien rajalla sijaitseva Lempään gabro (Kuva 1) on ollut Geologian tutkimuskeskuksen Etelä-Suomen yksikön Etelä-Suomen teollisuusmineraali- ja malmipotentiaali hankkeen tutkimuskohteena vuosina Tässä raportissa kuvataan kohteessa suoritetut geofysikaaliset tutkimukset. Kohteen tarkempi kuvaus ja geologiset tutkimukset on raportoitu erillisessä geologisessa kohderaportissa (K. Kojonen, valmisteilla). Kuva 1. Lempään kohteen sijainti alueellisella kallioperäkartalla. 2 ALUEELLINEN GEOFYSIIKKA Lempään kohde sijoittuu lentogeofysiikan aineistossa (Hautaniemi et al. 2005) Forssan lentoalueelle, joka on lennetty vuonna 1984 (Taulukko 1). Lisäksi kohteen länsipuoli kuuluu vuonna 2007 lennettyyn Humppila2 tihennysalueeseen, jossa linjaväli on 75 m. Petrofysiikan aineistotietokannassa (Airo & Säävuori 2013) on yksi tutkimuspiste aivan Lempään muodostuman eteläosasta. Pisteestä on kolme näytettä (Taulukko 2), joista huomattavaa on lähinnä se, että gabronäyte on paramagneettinen, ts. ko. kivi ei aiheuttaisi merkittävää magneettista anomaliaa.

5 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Lentoalue Forssa Lentokone OH-KOG (Twin Otter) Lentoaika Lentosuunta NS Lentolinjaväli 200 m Keskimääräinen lentokorkeus 42 m Laitteisto 3 protonimagnetometria (siivenkärjet, takapuomi) 1-taajuus EM-laitteisto (3 khz) Radiometrinen NaI-kidepaketti 25 l / 120 kanavaa Taulukko 1. Lentomittausparametrit. Näyte 1 Näyte 2 Näyte 3 Kivilaji Gabro Granodioriitti Granodioriitti Tiheys (kg/m 3 ) Magneettinen suskeptibiliteetti (10-6 SI) Taulukko 2. Lempään eteläpuolen petrofysiikan näytepisteen näytteiden ominaisarvot. Lentomagneettisella kartalla (Kuva 2) Lempään gabro ja erityisesti sen pohjoisosa näkyy poikkeuksellisen voimakkaana magneettisena anomaliana, joka rajautuu pohjoisessa Arolanmäen granodioriittiin. Sähkömagneettisella kartalla (Kuva 3) Lempään muodostuman pohjoisosassa on pienialainen johde, joka tosin sijoittuu Sammalkorvensuon alle ja saattaa ainakin osaksi liittyä turpeen olevaan saveen ja liejuun (Stén & Moisanen 1999). Johdemuodostuman vuoksi alue oli kuitenkin yksi esille nousseista kohteista Hämeen alueen johdeanomalioiden kartoituksessa (Leväniemi & Karell 2013).

6 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 2. Lempään sijainti lentomagneettisella kartalla. Kuva 3. Lempään sijainti lentosähkömagneettisella (3 khz reaalikomponentti) kartalla; taustalla magneettisen aineiston varjostuspinta.

7 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ MAASTOMITTAUKSET Maastomittaukset on suoritettu GTK:n Afganistan IKI projektin koulutustyönä kahdessa osassa, syyskuussa 2013 ja syyskuussa 2014 (Taulukko 3). Vuonna 2013 osa mittauksesta tehtiin aluksi teitä pitkin koulutusmielessä; myöhemmin on pyritty systemaattisempaan mittaukseen (Kuva 4). Laitteisto Magneettinen Painovoima IP Vastusluotaus+IP TEM ENVI-MAG (2013) G-858 (2014) Overhauser (2014) Scintrex CG-5 IPR-12 Terrameter SAS4000 SuperSting (2014, 2 linjaa) TerraTEM Linjaväli 50 m hajaprofiilit hajaprofiilit 50 m hajaprofiilit Pisteväli Linjaston pituus 10 m / jatkuva mittaus (n. 1 m) 20 m a=20m, n=2, dipolidipoli 52.5 km 16 km 4.1 km 3.0 km Taulukko 3. Kohteessa suoritetut maastomittaukset. a=5/10 m, gradient array (SuperSting: pooli-dipoli)

8 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 4. Lempään maastomittausten linjoitukset. Vuoden 2013 mittaukset punaisella, 2014 sinisellä. 3.1 Magneettiset mittaukset Muodostuma erottuu magneettisissa mittauksissa ympäristöstään anomaalisena (Kuva 5). Gabron pohjoisosassa on erittäin voimakas itä-läntinen anomalia ja keski- ja eteläosissa magneettisuus on vaihtelevaa.

9 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 5. Magneettinen mittaustulos (maastomittaus(musta rajaus) yhdistettynä lentomittausaineistoon). 3.2 Painovoimamittaukset Painovoimamittauksessa mitattiin kaksi profiilia gabromuodostuman poikki pohjois-etelä suunnassa, yksi suora profiili itä-länsi suunnassa sekä toinen profiili hieman mutkittelevasti tietä pitkin (Kuva 6). Gabromuodostuma erottuu ympäröivästä granodioriitista positiivisena painovoima-anomaliana korkeamman tiheytensä vuoksi.

10 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 6. Painovoimamittaustulos (maastomittaus(musta rajaus) yhdistettynä alueelliseen painovoimaaineistoon). 3.3 IP mittaukset IP-mittauksissa saadaan samalla suoritettua sekä IP- että ominaisvastusmittaus. Voimakkain IP-anomalia (Kuva 7) sijoittuu magneettisen anomalian kohdalle. Ominaisvastus on koholla Sammalkorvensuon alueella (Kuva 8).

11 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/2015 Kuva 7. IP-mittaustulos. 8

12 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 8. Ominaisvastustulos. 3.4 Vastusluotaus Vastusluotausmittauksessa saadaan myös mitattua vastusluotauksen lisäksi myös IP-arvo. Tulokset voidaan tulkita 2D-sektioiksi (Kuva 9). Erityisesti vastusluotaustulokset näyttävät kohonnutta johtavuutta tulkintasektioiden keskiosissa; IP-tuloksissa arvot ovat koholla mutta selkeää rakennetta on sektioista hankalampi tulkita.

13 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 9. Vastusluotausmittauksen IP-tulos (vasemmalla) ja vastusluotaus (oikealla). 4 KAIRAUKSEEN LIITYVÄT TUTKIMUKSET Magneettiseen anomalian itäreunaan kairattiin vuonna 2014 yksi reikä (Kuva 10). Sammalkorvensuo on suuren osan vuodesta liian pehmeä kairauskoneelle, ja kairaus tehtiin "kuivalle maalle" hieman anomalian syrjään. Reikä L R35 kairattiin kohti etelää 45 asteen kaateella. Reiän pituus on m.

14 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 10. Kairareiän L R35 sijoittuminen magneettisella kartalla. Kairareiästä poimittiin yhteensä 14 näytettä petrofysikaalisten ominaisparametrien määrittämistä varten. Näytteiden syvyydet sekä laboratoriomittauksista saadut tulokset on esitetty liitteessä 1. Laboratoriomenetelmät on kuvattu lähteessä Airo & Säävuori (2013). Geologisessa loggauksen (K. Kojonen, geologinen kohderaportti) perusteella kairareiän kivet koostuvat pyrokseniiteista (49%), peridotiiteista (37%) ja duniiteista (14%). Kairauksissa lävistettiin 0.2 m pituinen sulfidimineraaliosio syyvydellä m sekä muutamia parin metrin pätkiä pirotteista kiveä (syvyyksillä m sekä aivan reiän lopussa m). Kivi on magnetiittipitoista. Verrattuna läheisen Särkisuon gabron petrofysikaalisiin näytteisiin (Leväniemi 2015) nähdään, että Lempään kairareiän kivet vastaavat Särkisuon ultramafisia kiviä tiheydeltään ja magneettiselta suskeptibiliteetiltaan (Kuva 11). Särkisuolla gabrokivet eivät ole magneettisia, ja sama saattaa päteä myös Lempään alueella; pelkästään ultramafista kiveä lävistävän kairareiän perusteella tästä ei kuitenkaan ole varmuutta.

15 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 11. Lempään gabron reiän R35 vertautuminen Särkisuon kairareikien kivilajeittain jaoteltuihin näytteisiin tiheys-suskeptibiliteetti diagrammissa. Lempään ultramafisisissa kivissä remanentin magnetoituman osuus kokonaismagnetoitumasta on hieman pienempi kuin Särkisuolla; Lempäällä Königsbergerin suhde on kairareiän kiville noin Q=0.8-2, kun taas Särkisuon ultramafisille kiville Q=1-5 (Kuva 12). Remanenssin suuntia ei ole mitattu, mutta koska magneettisena päämineraalina ultramafisessa kivessä on todennäköisesti suurirakeinen magnetiitti, remanenssi on todennäköisesti indusoivan kentän suuntaista viskoosiremanenssia.

16 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 12. Lempään gabron reiän R35 vertautuminen Särkisuon kairareikien kivilajeittain jaoteltuihin näytteisiin suskeptibiliteetti-q diagrammissa. Reiästä mitattiin myös jatkuva petrofysikaalinen reikämittaus GTK:n laitteistolla (Forss 2013). Kairareikäkuvaajan (Kuva 13) avulla voidaan vertailla R35:n eri petrofysikaalisia mittaustuloksia geologisen loggauksen kivilajeihin. Kuten jo Kuva 11 osoitti, sekä tiheydet että magneettiset suskeptibiliteetit ovat reiässä kauttaaltaan korkeita. Matalimmat tiheydet näyttävät korreloivan korkeiden suskeptibiliteettien kanssa ja osuvan usein yhteen duniittijaksojen kanssa. Galvaanisella resistiivisyydellä ei näytä olevan yhteyttä kairareiän pirotteisiin osioihin, mutta resistiivisyyskäyrästä voidaan tulkita jonkinlainen korrelaatio alhaisten resistiivisyyksien (eli johtavuuden kasvun) ja korkeiden suskeptibiliteettien kanssa. Kiteisessä kallioperässä resistiivisyysarvot < 1000 Ωm (vertaa myös Liite 1) ovat alhaisia mineralisoitumattomalle kivelle; Suomessa gabrokivien resistiivisyydet ovat tyypillisesti luokkaa Ωm ja graniittien Ωm (Peltoniemi 1988). Serpentiniiteille resistiivisyydet voivat kuitenkin olla huomattavasti alhaisempia (< 2000 Ωm). Resistiivisyyskäyrän alhaiset osiot saattaisivat viitata siis oliviinikiven serpentiniittiytymiseen, mikä selittäisi myös yhteyden korkeiden suskeptibiliteettien (sekundäärinen magnetiitti) ja myös alenevan tiheyden kanssa. Yhteys ei toisaalta ole kuitenkaan erityisen ilmiselvä, ja on myös huomattava, että yhden kairareiän perusteella tulkitut tulokset ovat koko kohteen kannalta alustavia ja paikallisia.

17 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 13. Kairareikäkuvaaja. Piikkimäiset mittaustulokset laboratoriomittauksia, jatkuvat profiilit insitukairareikämittauksia (tulokset keskiarvoistettu 1 m liukuvalla ikkunalla). 5 AINEISTOJEN YHDISTÄMINEN JA TULKINTA 5.1 Magneettisen aineiston inversio Magneettinen aineisto tulkittiin 3D-inversion avulla keskeisen anomalian kohdalta (Kuva 14). Inversio ajettiin Geosoft Oasis Montaj'n VOXI-työkalulla (Taulukko 4).

18 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Aluerajaus Alueen koko Verkon koko Regionaalitaso Suskeptibiliteettirajat IGRF-parametrit I = P = (KKJ kaista 2) 2500 x 2500 m 50 x 50 x 20 solua nt SI B = nt I = 73.7 D = 8 Taulukko 4. Magneettisen inversion parametrit. Kuva 14. Inversioalueen rajaus ja seuraavien kuvien poikkileikkausprofiilien paikat. Kaksi inversiomallin poikkileikkausprofiilia (Kuva 15, Kuva 16) osoittavat, että mallin mukaan voimakkaimman anomalian aiheuttaja on melko pysty tai jyrkästi etelään kaatuva kappale, jossa magneettisimman osion syvyys maanpinnasta on alle 500 m. Inversiomallin magneettiset suskeptibiliteettiarvot sopivat

19 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ hyvin yhteen petrofysiikan mittausten kanssa, varsinkin kun huomioidaan todennäköisesti indusoivan kentän suunnassa oleva remanenssi (Q~1), joka sallii malliin petrofysiikan laboratoriomittaustuloksia korkeampia suskeptibiliteetteja. Kun kairauksen perusteella voidaan epäillä korkeimpien suskeptibiliteettien liittyvän ultramafiseen kiveen, poikkileikkauskuvissa rajattu kappale on yksi mahdollinen esitys intruusion ultramafisen osion rajauksesta. Kuva 15. Magneettisen inversion poikkileikkaus profiililla P=

20 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 16. Magneettisen inversiomallin poikkileikkaus profiililla I= Gravimetrinen mallinnus Gravimetrisesta aineistosta mallinnettiin mittausprofiilit (Kuva 6) suorana mallinnuksena yhdellä kappaleella, jonka suhteellinen tiheys ympäristöönsä nähden on +330 kg/m 3 (Kuva 17). Kappale esittää mallissa koko intruusiota. Mallikappaleen kaade on 70 astetta suunnassa 140 astetta. Raskaampi massa jatkuu mallin (ja myös geologisen kartan) mukaan vielä itä-länsi suuntaisen linjan itäosassa ja itäpuolella, aineisto ei kuitenkaan ulotu riittävän pitkälle jatkeen mallintamista varten. Magneettiseen mittaukseen verrattuna (Kuva 18, Kuva 19) gravimetrinen mallikappale ulottuu pidemmälle pohjoiseen kuin magneettinen anomalia. Tämä on mahdollista, mikäli korkeimman magneettisen anomalian pohjoispuolella on vielä epämagneettista gabroa.

21 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 17. Gravimetrinen mallikappale ylhäältä katsottuna (ylhäällä vasemmalla) ja mallinnusprofiilit. Kuva 18. Gravimetrinen mallikappale magneettisen mittausaineiston kanssa esitettynä. Katsontakulma lännestä.

22 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 19. Gravimetrinen mallikappale ja magneettinen inversiomalli poikkileikkausprofiililla I= Vastusluotaustulokset Vastusluotaukset ovat herkkiä maaperäjohteille kuten savelle. Lempään tapauksessa maaperäjohteet voidaan kuitenkin erottaa kallioperävasteista, kun maapeitteen paksuus on iskuporausprofiilien perusteella tunnettu; profiilien keskiosassa maapeitteen paksuus on vain muutamia metrejä ja johteet näyttäisivät tulevan kallioperästä (Kuva 20). Verrattuna magneettiseen inversioon (Kuva 21) vastusluotauksista tulkitut kallioperäjohteet osuvat korkean magneettisuuden alueelle; osioon, joka voidaan petrofysiikan perusteella tulkita ultramafiseksi kiveksi (ainakin kairareiän R35 lähistöllä). Kuvissa matalimpien tulkintaprofiilien syvyys on 70 m maanpinnasta.

23 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kuva 20. Maaperäjohteiden erottelu kallioperäjohteista vastusluotausprofiileilla. Kuva 21. Vastusluotausprofiilit ja magneettisen inversion sama-arvopinta 0.07 SI (lännestä katsottuna).

24 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ YHTEENVETO Lempään gabron geofysikaalisia mittauksia on tehty pääosin GTK:n Afganistan IKI hankkeen koulutustyönä. Tulosten tulkinta ja dokumentointi on tehty Etelä-Suomen teollisuusmineraali- ja malmipotentiaalihankkeessa. Lempään gabromuodostuman pohjoisosassa on voimakas itä-länsi suuntainen magneettinen anomalia. Kairauksen perusteella ko. jakson anomalialähde vaikuttaa olevan ultramafinen, magnetiittipitoinen kivi. Samaan kohtaan sijoittuva IP-anomalia voi selittyä muodostuman magnetiittipitoisuudella. Painovoimamallin perusteella saadaan käsitys koko muodostuman dimensioista; muodostuman eteläosa on vaihtelevasti magneettinen. Eteläosan geologiaa ei ole kattavasti kartoitettu. Voimakkaaseen magneettiseen anomaliaan liittyy myös sähköisissä ja sähkömagneettisissa mittauksissa havaittuja johteita. Johtavuusanomalioiden lähde on vielä lopullisesti varmistamatta. Kohteelle tehdään lisätietoa antava monitaajuus-slingram mittaus jatkotutkimuksena helmi-maaliskuussa 2016.

25 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/ Kirjallisuus Airo, M.-L. & Säävuori, H Petrophysical characteristics of Finnish bedrock: Concise handbook on the physical parameters of bedrock. Geological Survey of Finland, Report of Investigation p. Forss, H. GTK:n "langaton" reikämittauslaitteisto. In: Lahti, M. (toim.) Sovelletun geofysiikan XIX neuvottelupäivät , Eurajoki. Vuorimiesyhdistys, Sarja B, Nro 96. Hautaniemi, H., Kurimo, M., Multala, J., Leväniemi, H. & Vironmäki, J The "Three In One" aerogeophysical concept of GTK in In: Airo, M.-L. (ed.): Aerogeophysics in Finland : Methods, System Characteristics and Applications. Geological Survey of Finland, Special Paper 39, Leväniemi, H Särkisuon gabron geofysikaaliset tutkimukset Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti 136/ s. Leväniemi, H. & Karell, F Geophysical Indications of VMS Deposits in the Häme Volcanic Belt. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti 152/ s. Peltoniemi, M Maa- ja kallioperän geofysikaaliset tutkimusmenetelmät. Otakustantamo, Hämeenlinna. Stén, C.-G. & Moisanen, M Forssan suot ja turpeen käyttökelpoisuus. Geologian tutkimuskeskus, turvetutkimusraportti s.

26 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 137/2015 Liite 1 Kairareiän L R35 petrofysikaaliset näytteet ja mittaustulokset Syvyys (m) D K J R galv 0.1 Hz R galv 10 Hz R galv 500 Hz PL PT > > > > > > > > > > > > > > > > > > D = tiheys (kg/m3) K = magneettinen suskeptibiliteetti (10-6 SI) J = remanentin magnetoituman intensiteetti (ma/m) R galv = galvaaninen ominaisvastus (Ωm); > = yli mittausasteikon (resistiivinen) PL = IP-vaste laskettuna 0.1 ja 10 Hz taajuuksista (%) PT = IP-vaste laskettuna 10 ja 500 Hz taajuuksista (%)