Geofysiikan laboratoriopalvelut Geologian tutkimuskeskuksessa

Transkriptio

1 Geofysiikan laboratoriopalvelut Geologian tutkimuskeskuksessa Meri Liisa Airo, Liisa Kivekäs, Tuula Laine, Matti Leino, Satu Mertanen, Heikki Säävuori ja Satu Vuoriainen Geologian tutkimuskeskus Abstract Since the beginning of 2005 three geophysical laboratories at the Geological Survey of Finland (GTK) form a united laboratory, that measures physical properties of rock and soil samples both for scientific and commercial purposes. The three units are (1) the petrophysical laboratory measuring rock densities, porosities, magnetic properties (magnetic susceptibility and intensity of remanence) and electrical resistivities; (2) the paleomagnetic laboratory for rock magnetic measurements and remanence studies and (3) the thermal laboratory. Measurement results provided by the laboratories are stored in countrywide databases, and can be applied both in geophysical, geological, geotechnical studies and in material investigations. All three laboratories highly correspond to international standards regarding both the instrumentation, software for analyzing the measurement results and knowhow for interpreting the measured information. Geophysical laboratories produce fundamental information on the physical properties and behaviour of rocks and soil. 1. GEOFYSIKAALISET LABORATORIOMITTAUKSET Vuoden 2005 alussa yhdistettiin Geologian tutkimuskeskuksessa kolme geofysikaalisia mittauksia tekevää laboratoriota, jotka tuottavat perustietoa kiven ja maa aineksen fysikaalisista ominaisuuksista. Aikaisemmat petrofysiikan, paleomagnetismin ja geotermiikan laboratoriot muodostavat nyt yhden kokonaisuuden nimeltään Geofysiikan laboratoriot. Laboratoriot ovat kansainvälisesti ottaen hyvin varustetut sekä laitteistojen, tiedon analysointiin tarvittavien ohjelmistojen että tiedon tulkintaan tarvittavan osaamisen kannalta. Mittaustuloksia voidaan hyödyntää niin geofysikaalisissa, geologisissa ja geoteknisissä kuin materiaalitutkimuksessa. Tietoa kallioperän ja maa aineksen fysikaalisista ominaisuuksista tarvitaan monenlaisissa sekä tieteellisissä että kaupallisissa sovellutuksissa. Maankamaran tutkimiseksi tehdään 15

2 geofysikaalisia mittauksia ilmassa lentokoneesta, maan pinnalta tai syvemmältä. Lentomittauksissa mitataan maan magneettisen ja sähkömagneettisen kentän sekä radiometrisen säteilyn suuruutta sekä paikallisia ja ajallisia muutoksia. Maastomittauksissa mitataan painovoimakenttää tai tehdään havaintoja esim. maankamaran sähkönjohtavuudesta tai seismisten aaltojen kulkunopeuksista. Näiden mittaustulosten tulkitsemisessa ja ymmärtämisessä tarvitaan todellista mitattua tietoa maankamaran fysikaalisista ominaisuuksista. Fysikaalisia ominaisuuksia voidaan määrittää maastossa kannettavilla mittauslaitteilla, mutta tarkempia määrityksiä varten otetaan näytteitä laboratoriossa mitattavaksi. 2. KIVI JA MAAPERÄNÄYTTEIDEN FYSIKAALISTEN OMINAISUUKSIEN MITTAAMINEN Geofysiikan laboratoriossa voidaan näytteistä määrittää niiden tiheys, magneettiset ominaisuudet, sähkönjohtavuus, seismisen P aallon nopeus sekä huokoisuus. Näytteenotto tiheyden ja magneettisten ominaisuuksien mittauksia varten on nopeaa ja edullista, eikä mitään erityistä preparointia tarvita. Mittauksissa näyte ei vahingoitu tai muutu millään tavalla. Määritetyt parametrit tallennetaan kivilaji ja paikkatietoineen petrofysiikan tietokantaan myöhempää tieteellistä ja kaupallista käyttöä varten. Tiheyden määritys perustuu näytteen punnitsemiseen ilmassa ja vedessä. Vaa'an tarkkuus on 0.1 g ja mittausten toistettavuus keskimääräisen kokoiselle näytteelle (200 cm 3 ) on parempi kuin 0.1%. Näytteen magnetoitumiskykyä (suskeptibiliteetti) mitataan matalan taajuuden (1025 Hz) vaihtovirtasillassa, joka koostuu kahdesta kelasta ja kahdesta vastuksesta. Kelojen akselin suuntaisen mittauskentän voimakkuus vastaa paikallista maan magneettikenttää. Suskeptibiliteetistä voidaan määrittää sen suuruuden lisäksi suuntariippuvuus eli anisotropia. Käytettävissä on myös laitteisto, jolla voidaan tehdä tarkkoja suskeptibiliteettimäärityksiä laajalla lämpötila alueella ( 192 o C 700 o C). Tuloksia voidaan käyttää arvioitaessa näytteen sisältämien magneettisten mineraalien koostumusta. Näytteen pysyvä eli remanentti magnetoituma mitataan fluxgate magnetometrilla, joka on suojattu laitteen ulkopuoliselta magneettikentältä. Mittaustarkkuus on n. 3 x 10 3 A/m heikosti magneettisille näytteille. Remanentista magnetoitumasta voidaan sen voimakkuuden lisäksi määrittää suuntatiedot (deklinaatio ja inklinaatio). Sähkönjohtavuutta voidaan laboratoriossa mitata useilla eri menetelmillä. Mitattaessa johtavuutta useammalla eri taajuudella saadaan määritettyä myös varautuvuutta kuvaava IP arvo. Mitattaessa tavallisia kivinäytteitä käytettään yleensä galvaanisia menetelmiä erilaisin elektrodijärjestelyin. Malminäytteistä, jotka sisältävät hyvin sähköä johtavia mineraaleja, voidaan johtokyky määrittää myös induktiivisesti. Seismisen P aallon nopeus määritetään laboratoriossa kaikuluotainelementtejä käyttäen. Näytteiden on oltava sahattuja ja vedellä imeytettyjä P aaltoa ja galvaanisesti määritettyä sähkönjohtavuutta varten. 16

3 Huokoisuutta määritetään DIN ja ASTM standardien mukaisesti punnitsemalla näyte ensin vedellä kyllästettynä ja uudelleen uunikuivatuksen jälkeen. Tarpeen mukaan määritetään myös imeytymis/kuivumiskäyrät. Näitä mittauksia hyödyntävät mm. kivialan yrittäjät ja kivimateriaalien käyttäjät. Lämmönjohtavuutta, ominaislämpökapasiteettia ja termistä diffusiviteettia mitataan kiven termisten ominaisuuksien määrittämiseksi. Termisiä ominaisuuksia voidaan määrittää myös mineraalikoostumuksen ja laskentamallien avulla. Radiogeeninen lämmöntuotto lasketaan uraani, thorium ja kalium analyyseistä. Termisten ominaisuuksien mittaus liittyy geotermiseen tutkimukseen, geotermisen lämpövuon määrityksiin tai erilaisiin sovellutuksiin, joissa tarvitaan kivien lämpöteknisiä ominaisuuksia (Kukkonen and Peltoniemi, 1998). Näitä ovat esimerkiksi ydinjätteiden sijoitustutkimukset, maalämpö ja rakennuskivitutkimus. Petrofysiikan tietokannassa on tiheys, suskeptibiliteetti ja remanenssin intensiteetin määrityksiä kaikkialta Suomesta, nykyisin yhteensä yli näytteestä. Petrofysiikan tietokantaan perustuvia tilastollisia yhteenvetoja voidaan nopeasti toteuttaa eri kivilajien tai aluekokonaisuuksien vertailemiseksi. Geofysiikan Päivillä on aiemmin esitetty yhteenvedot kaikille tietokannassa esiintyville kivilajeille (Säävuori ja Airo, 2001). Pääosa tietokannan aineistosta on kalliopaljastumilta kerättyjen ns. nyrkkinäytteiden mittaustuloksia. Sellaisilta alueilta, joilta paljastumat puuttuvat, on tietokantaan liitetty myös syväkairausnäytteiden mittaustuloksia. Mittaustulosten lisäksi tietokantaan on tallennettu koordinaatti ja kivilajitiedot sekä mittaustulosten avulla laskettuja arvoja (Säävuori and Hänninen, 1997). Tietokannan ylläpito ohjelmisto tarjoaa myös seuraavat laskennalliset parametrit: Q arvo Efektiivinen ja massasuskeptibiliteetti Indusoitu ja kokonaismagnetoituma Magnetiitti ja rautapitoisuus Maan magneettikentän komponentit näytteenottopaikalla. GTK:ssa käynnistettiin petrofysikaalisen tiedon systemaattinen kerääminen professori Maunu Purasen toimesta 1960 luvulla. Aluksi aineiston hankkiminen rajoittui yksittäisiin tutkimusalueisiin ja geologisiin muodostumiin, ja 1970 luvun loppuun asti pääosa näyteaineistosta koostui GTK:n kallioperäosaston geologien keräämistä näytteistä luvun alussa käynnistettiin laaja systemaattinen näytteenotto ensin Pohjoiskalottiprojektia ja myöhemmin Petrofysiikan ohjelmaa varten. Vuosina toteutetun Petrofysiikan ohjelman tavoitteena oli koko Suomen kattavan petrofysikaalisen näyteverkon luominen (Korhonen et al., 1997). GTK:n geofysiikan osaston oman näytteenoton lisäksi näytteitä on mm. GTK:n muilta osastoilta, Oulun yliopistolta, Ahvenanmaan maakuntamuseolta ja Outokumpu Oy:ltä. Nykyisin näyteverkko sisältää keskimäärin 37 näytettä/ 100 km 2. Mittauskapasiteetti kasvoi kun nyrkkinäytteiden mittaukseen tarkoitetut laboratoriolaitteet rakennettiin Otaniemen lisäksi GTK:n Kuopion ja Rovaniemen aluetoimistoihin. Mittausten tehostamiseksi laboratoriolaitteet liitettiin tietokoneohjaukseen luvun alussa alettiin mitata systemaattisesti 17

4 näytteiden ominaisvastusta, ja nykyisin mitattaviin parametreihin kuuluvat myös P aallon nopeus ja huokoisuus. 3. PALEOMAGNEETTISET TUTKIMUKSET Geofysiikan laboratorion magneettisten mineraalien ja remanenssin tutkimukseen tarkoitetut mittaukset tukevat geologista tutkimusta antamalla tarkennettua tietoa kivien magneettisista ominaisuuksista. Laboratoriolla on hyvät edellytykset tarjota laboratoriopalveluja sekä kivimagnetismin että sovellettujen paleomagneettisten mittausten ja tulkintojen osalta. Vuosittain mitataan myös runsaasti meri ja järvisedimenttinäytteitä näytesarjojen ajoitusta varten. Magnetometrit 2G Squid (3 akselinen) magnetometri (herkkyys 0.02 ma/m, vaihtovirta demagnetointi 160 mt asti) Czech JR 4 kelaspinner magnetometri (herkkyys 0.05 ma/m) Schonstedt Instrument Co:n spinner magnetometri 1 kpl Gtk:ssa valmistettuja kelaspinner magnetometrejä (herkkyys 0.5 ma/m) Molspin Ltd:n fluxgate spinner magnetometri (herkkyys 0.3 ma/m) Demagnetointilaitteet Schonstedt Instrument Co:n vaihtovirta (AF) demagnetointilaite (100 mt asti) Molspin Ltd:n AF demagnetointilaite (100 mt asti) Gtk:ssa valmistettu AF demagnetointilaite, jolla pystytään tuottamaan myös ARM:ää Schonstedt Instrument Co:n terminen demagnetointilaite (700C asti) Gtk:ssa valmistettu terminen demagnetointilaite (700C asti) Suskeptibiliteetin mittauslaitteet Czech KLY 2 kappasilta suskeptibiliteetin, magneettisen anisotropian (AMS) ja magneettisen mineralogian analyyseihin ( C) Gtk:ssa valmistettu kappasilta suskeptibiliteetin mittauksiin Datan käsittely Täysautomatisoitu mittauslaitteisto, josta mittaustulokset suoraan datan analyysiohjelmistoihin monikomponenttianalyysit GMAP Fennoskandian paleomagneettinen tietokanta Suurin osa niistä prosesseista, jotka vaikuttavat kiviin niiden geologisen historian aikana, jättävät jälkensä kivien magnetismiin. Nämä magneettiset jäljet voidaan usein erottaa, tunnistaa ja ajoittaa, koska magnetismi on kivien ainoa sellainen geofysikaalinen ominaisuus, joka voidaan määrittää aikaan sidottuna. Sen vuoksi paleomagneettista ja kivimagneettista tutkimusmenetelmää voidaan käyttää hyvänä työkaluna geologisten prosessien havainnoinnissa. Esimerkiksi kallioperän rakennegeologisissa tutkimuksissa paleomagneettista menetelmää 18

5 voidaan käyttää kallioperän suhteellisten liikuntojen (mm. rotaatio, kallistumat) havainnoinnissa, joita muilla menetelmillä on vaikea mitata. Kallioperän metamorfoositutkimuksissa eri ikäiset magneettiset päällemerkinnät antavat tietoa niistä metamorfisista prosesseista ja lämpötiloista, jotka ovat kiveen vaikuttaneet. Paleomagneettinen mittausmenetelmä, joka edellyttää suunnattujen näytteiden ottoa, on nopea ja edullinen ja voi täten tarjota hyvän keinon saada tietoa suuristakin aineistoista laajoilta alueilta. Käytännössä kaikkien kivien magneettiset ominaisuudet ja magneettiset mineraalikoostumukset pystytään määrittämään nopeasti. Laboratorion palveluja voidaan käyttää laajalti hyväksi mm. seuraaviin tarkoituksiin: Kivilajiyksiköiden korrelointi ja ajoitus magneettisen remanenssin avulla Metamorfisten päällemerkintöjen havainnointi ja ajoitus Fluidiliikkeen ja siihen liittyvien mineralisaation aikaisten magneettisten faasien ja kemiallisten muutosten ajoitus magneettisia päällemerkintöjä käyttäen Tektonisten liikuntojen havainnointi ja suhteellinen ajoitus Magman virtauksen ja deformaation suuntauksen määritys suskeptibiliteetin anisotropian avulla Magneettisen mineraalikoostumuksen määritykset Remanentin magnetoituman suunnat magneettisen anomaliamallinnuksen laadintaan Mannerliikuntojen ja muinaisen paleolatitudin laskeminen, joilla saadaan määritettyä lähdekivien paleolatitudinaalinen kehitys Mantereellisten rekonstruktiomallien ja napavaelluskäyrien analyysit Näiden eri sovellutusten perustana on kivien magneettiset mineraalit. Mineraalien alkuperäinen sekoitussuhde, koostumus ja raekoko saattavat muuttua ajan myötä sekundääristen kemiallisten, lämpötila tai paineen muutosten yhteydessä. Nämä tapahtumat voidaan havainnoida muuttuneina magneettisina ominaisuuksina. Ymmärtämällä kivien magneettisten ominaisuuksien muutosten syyt, voidaan saada sellaista tietoa niistä geologisista tapahtumista, jotka kiviin ovat vaikuttaneet ja jotka monilla muilla menetelmillä jäisivät huomaamatta. Tuloksilla saavutetaan laajempaa geologista ja taloudellista merkitystä. 4. VERKOSTOITUMINEN JAYHTEISTYÖ Geofysiikan laboratorion toiminnan tavoitteena on ylläpitää ja kehittää petrofysikaalisia, paleomagneettisia ja geotermisiä mittausvalmiuksia laadukkaiden tulosten tuottamiseksi sekä tieteellisiin että käytännön tarpeisiin. Laboratorion toimintaa kehitetään tutkimusprojektein, joissa selvitetään teoreettisia ja käytännön kysymyksiä. Mittauspalvelut toteutetaan laatujärjestelmän ja toimintakäskirjan mukaisesti. Muiden vastaavien laboratorioiden kanssa tehdään vertailumittauksia, mm. GTK:n Pohjois Suomen (Rovaniemi) ja Itä Suomen yksiköissä (Kuopio) sekä Helsingin yliopistossa. Petrofysiikan mittauslaitteistoja tiheyden, suskeptibiliteetin ja remanentin magnetoituman mittaamiseksi on toimitettu aikaisemmin Ruotsiin (Sveriges Geologiska Undersökning, Uppsala), Helsingin yliopistoon, Oulun yliopistoon (tiheyttä ja magnetoitumiskykyä mittaava laitteisto) sekä vuoden 2004 lopulla Tansaniaan (Tansanian 19

6 geologinen tutkimuslaitos, Dodoma), missä mittaukset aloitettiin alkuvuodesta Laboratorio osallistuu vuosittain useisiin kansainvälisiin yhteistyöprojekteihin eri maiden yliopistojen ja tutkimuslaitosten kanssa. Tutkimusyhteistyön lisäksi osallistutaan akateemiseen koulutukseen mm. Teknillisen korkeakoulun, Helsigin ja Turun yliopistojen, Åbo Akademin sekä Dar es Salaamin yliopiston kanssa. Kuluvan vuoden aikana Geofysiikan laboratoriota työllistää mittava Outokumpuun kairatun syväreijän näyteaineiston mittaaminen ja tulosten käsittely. Laboratorio osallistuu myös kansainväliseen syväreijän mittaustuloksia hyödyntävään tutkimusprojektiin yhteistyössä Helsingin yliopiston ja NGU:n (Norges Geologiska Undersökning) kanssa. Kotimaisista projekteista mainittakoon Helsingin seudun taajamakartoitus, johon osallistutaan sekä tutkimukselliselta että mittauspalvelujen kannalta. LÄHTEET Kivekäs, L., Physical properties of carbonate marble samples from the Kisko region, southern Finland. In: Autio, S. (ed.) Current Research Geological Survey of Finland. Special Paper 27, Korhonen, J.V., Säävuori, H. and Kivekäs, L., Petrophysics in the crustal model program of Finland. In: Autio, S. (ed.) Current Research Geological Survey of Finland, Special Paper 23, Kukkonen, I.T. and Peltoniemi, S., Relationships between thermal and other petrophysical properties of rocks in Finland. Physics and Chemistry of the Earth 23, Säävuori, H. ja Airo, M L., Suomen kallioperän petrofysikaaliset ominaisuudet: tilastollisia yhteenvetoja. In Airo, M L. and Mertanen, S. (eds.): Proceedings of the XX Geofysiikan Päivät , Helsinki. Geofysiikan Seura r.y. Geological Society of Finland. Säävuori, H. and Hänninen, R., Finnish petrophysical database. In: Korhonen, J. V. (ed.) Petrophysics in potential field interpretation: First Workshop for the Finnish Geophysical Crustal Model Program, August 1997, Espoo, Finland: abstracts. Geological Survey of Finland,