Sodankylän Mutsoivan luonnonkiviesiintymän geofysikaaliset tutkimukset Erkki Lanne

Transkriptio

1 Pohjois-Suomen yksikkö Q19/3731/2007/20/ Rovaniemi Sodankylän Mutsoivan luonnonkiviesiintymän geofysikaaliset tutkimukset Erkki Lanne

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Erkki Lanne Raportin laji Q19 Toimeksiantaja Geologian tutkimuskeskus Raportin nimi Sodankylän Mutsoivan luonnonkiviesiintymän geofysikaaliset tutkimukset Tiivistelmä Sodankylän Mutsoivan luonnonkiviesiintymällä on testattu geofysikaalisten menetelmien soveltuvuutta luonnonkivikohteiden tutkimukseen. Menetelminä käytettiin maanpintamittauksina magneettista, sähkömagneettisia VLF-R ja EM31 ja refraktioseismistä menetelmää. Alueellisena geofysikaalisena aineistona ovat aerogeofysikaaliset havainnot. Ko. kohteessa seismiset nopeudet ovat yleensä yli 5000 m/s, mikä osoittaa kiven olevan ehyttä. Sähköiset ominaisvastukset ovat tuhansia ohmimetrejä, joskin eteläpuolella alue voi olla murrosvyöhykkeen rajaama. Magneettisesti alue on epähomogeeninen, jonka merkitys kiviaineksen tasalaatuisuudelle tulisi selvittää kairarei'istä tehtävillä mittauksilla. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) rakennuskivet, luonnonkivet, seismiset menetelmät, sähkömagneettiset menetelmät, magneettiset menetelmät, radioaktiivisuus, Lappi Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Lapin lääni, Sodankylä, Mutsoiva Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Työraportti Arkistotunnus Q19/3731/2007/20/10 Kokonaissivumäärä 13 s. Kieli suomi Hinta Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue Pohjois-Suomen yksikkö, Kallioperä ja raaka-aineet Allekirjoitus/nimen selvennys Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Erkki Lanne

3 GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND DOCUMENTATION PAGE Date / Rec. no Authors Erkki Lanne Type of report M19 Commissioned by GTK Title of report Geophysical studies at Mutsoiva, Sodankylä, dimension stone deposit in Abstract At Mutsoiva, Sodankylä, geophysical methods were tested for the surveying of dimension stone deposits. Ground measurements were done by magnetic, electromagnetic VLF-R and EM31 and seismic methods. As a regional geophysical data airborne measurements were available. Seismic velocities are usually over 5000 m/s, which indicate sound rock. Electrical resistivities are thousands of ohmmeters, though some hints of fracture zones are possible. Magnetically the deposit is heterogeneous. Its effects to the consistency of rock material should be tested by drill hole measurements. Keywords dimension stones, natural tones, seismic methods, electromagnetic methods, magnetic methods, radioactivity, northern Finland Geographical area Finland, Lapland province, Sodankylä, Mutsoiva Map sheet Other information Report serial Research report Total pages 13 p. Language Finnish Unit and section Northern Finland Office/Bedrock Geology and Research Signature/name Erkki Lanne Archive code Q19/3731/2007/20/10 Price Project code Signature/name Confidentiality public

4 Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 JOHDANTO 1 2 TUTKIMUSALUE 1 3 MENETELMÄT 3 4 TULOSKÄSITTELY JA TULKINNAT Seisminen tulkinta Magneettinen tulkinta VLF-R tulkinta 10 5 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ 12 KIRJALLISUUSLUETTELO

5 1 1 JOHDANTO Hankkeen eräänä tavoitteena oli testata geofysikaalisten menetelmien soveltuvuutta luonnonkiviesiintymien tutkimuksessa. Pohjois-Suomen alueelta testikohteeksi valittiin Sodankylän ja Savukosken rajalla oleva Mutsoivan esiintymä (kuva 1). Menetelmävalikoima koostui niistä kallioperä- ja malmitutkimuksessa käytetyistä menetelmistä, joiden laitteita ja käyttöhenkilökuntaa oli saatavissa. Maastomittauksista vastasi teknisten palvelujen henkilöstö. Seismisissä tutkimuksissa olivat lisäksi mukana geofyysikko Ilkka Lahti ja tämän kirjoittaja. Kuva 1. Tutkimusalueen sijainti. Fig. 1. Location of the research area. 2 TUTKIMUSALUE Aluetta on aiemmin tutkittu mm. Keski-Lapin rakennuskiviprojektissa (Vartiainen 2005). Kivilaji on tummanharmaata kiillegneissiä, jolle ominaispiirteen antaa hiotun pinnan välkehtiminen. Alue on kallioista vaaramaisemaa, jonka jääkausi on puhdistanut. Paljastumia on noin 200x50 metrin alueella. Topografia vaihtelee muutaman metrin jyrkänteistä ja louhikoista lähes vaakasuoraan silokallioon (kuvat 2-4). Geofysikaaliset tutkimukset keskitettiin

6 2 mahdollisimman loivan topografian alueelle. Liuskeisuuden suunta on lähes itä-läntinen ja kaade likimain pysty. Kuva 2. Tutkimusalueen länsipäätä systemaattisen mittauksen alueelta. Kuva pohjoisesta etelään. Kuva: E. Lanne. Fig. 2. Western part of the research area. Kuva 3. Silokalliota tutkimusalueen länsipäässä. Kuva: E. Lanne. Fig. 3. Glaciated rock in the western part of the area.

7 3 Kuva 4. Louhikkoista itäpäätä. Kuva: E. Lanne Fig. 4. Graggy terrain at the eastern part of the research area. 3 MENETELMÄT Alueelta on geofysikaaliset matalalentohavainnot, mutta niiden mittaustiheys (linjaväli 200 m) on liian harva yksityiskohtaisempien päätelmien tekoon. Alueella tehtiin seuraavia mittauksia seuraavilla menetelmillä: magneettinen totaalikenttä, seisminen refraktioluotaus, sähkömagneettiset VLF-R ja EM31. Luonnonkivikohteissa eräs keskeinen menetelmä on maatutkaluotaus. Alueella on tiettävästi tehty myös maatutkaluotauksia, mutta valitettavasti tulokset eivät ole tässä raportissa vielä käytössä. Magneettiset ja VLF-R-mittaukset tehtiin linjoittain käyttäen 5 metrin pisteväliä ja 20 metrin linjaväliä. Systemaattisen mittausalueen ala on 100x160 metriä. Lisäksi mitattiin alueen yli kaksi 500 metriä pitkää ristikkäistä linjaa. EM31-laite on tarkoitettu lähellä pintaa (alle 5 m) olevien johteiden kuten metallirakenteiden malmien tai kemikaalivuotojen paikantamiseen. Tällä alueella maankamara osoittautui niin eristäväksi ettei ko. laitteelle löytynyt käytännön sovelluksia. Seismisiä luotauksia tehtiin viidellä linjalla, joiden pituudet olivat metriä. Geofonivälit olivat yleensä 5 m, paitsi räjäytyspisteiden läheisyydessä, jossa ne olivat 2.5 m.

8 4 4 TULOSKÄSITTELY JA TULKINNAT 4.1 Seisminen tulkinta Kuvaan 5 on merkitty mittauslinjat ja niiden suunnat. Havainnoista poimittiin ensipulssien tuloajat ja ne yhdistettiin kulkuaikakuvaajiksi. Tällä hetkellä ongelmana on sopivien räjäytysnallien puute, jolloin tarkat räjäytyshetket jouduttiin arvioimaan kulkuaikakuvaajien perusteella. Niiden arviointi ei ollut ongelmallista, koska tutkimusalueella irtomaapeite on joko melko ohut tai sitä ei ole ollenkaan. Kuva 5. Seismiset luotauslinjat. Fig. 5. Seismic sounding lines. Kulkuajoissa oli melko paljon satunnaisvaihtelua, mutta se aiheutunee aivan pinnassa olevasta rakoilusta ja kallionpinnan topografiavaihtelusta. Kaukopanoksista lasketut keskimääräiset kallionopeudet ovat yleensä yli 5000 m/s. Kiillegneissin nopeutena se tarkoittaa, että keskimäärin kivi on hyvin ehyttä. Kuvissa 6-10 ovat kalliopinnan tulkinnat eri profiileilla. Profiileissa esitetään myös mahdollisia heikkousvyöhykkeitä (merkitty rasteilla). Niissä seismiset nopeudet voivat paikallisesti olla alle 4500 m/s. RQD-arvoina ne vastaavat %:n arvoja. Rakennuskiveksi se on kuitenkin liian rikkonaista.

9 South North Elevation (m) m/s 5200 m/s 4700 m/s 1000 m/s Distance (m) Kuva 6. Seisminen tulkinta, linja 1. Ehjä viiva: maanpinta, katkoviiva: kallionpinta. : rikkonaisuusvyöhyke. Fig. 6. Seismic interpretation, line 1. Solid line: surface of the ground, cashed line: surface of the bedrock. : fracturing. Elevation (m) South 1000 m/s 5300 m/s North Distance (m) 100 Kuva 7. Seisminen tulkinta, linja 2. Fig. 7. Seismic interpretation, line 2.

10 6 302 South North Elevation (m) m/s 5300 m/s Distance (m) Kuva 8. Seisminen tulkinta, linja 3. Fig. 8. Seismic interpretation, line 3. Elevation (m) West 1000 m/s 5500 m/s 5500 m/s East Distance (m) Kuva 9. Seisminen tulkinta, linja 4. Fig. 8. Seismic interpretation, line 4.

11 7 310 West East Elevation (m) m/s 5700 m/s 5500 m/s m/s Distance (m) Kuva 10. Seisminen tulkinta, linja 5. Fig. 10. Seismic interpretation, line Magneettinen tulkinta Lentomittauksen perusteella kohde sijaitsee voimakkaan anomaliavyöhykkeen paikallisessa minimissä (kuva 11). Kuvassa 12 on maanpintamittauksista laadittu magneettinen kartta sekä mittauspisteet. Kentän vaihteluväli on lähes 2800 nt. Yksityiskohdissaan kenttä vaihtelee satunnaisesti pisteeltä toiselle osoittaen magnetiittipitoisuuden suurta vaihtelua (kuva 13). Tunnettuun esiintymään näyttää kuitenkin liittyvän positiivinen anomalia (väli ). Jos suskeptiivisuusarvot ovat 0.1 SI-yksikön luokkaa, vastaavat ne muutaman prosentin magnetiittipitoisuuksia. Inversiotulkinnan mukaiset mallikappaleet ovat epämääräisen muotoisia, eikä niiden perusteella pidä tehdä yksityiskohtaisia johtopäätöksiä mahdollisista rakenteista (kuva 13). Sekä pohjois- että eteläpuolella olevat minimit samoin kuin mallikappaleet indikoivat suhteellisen matalaa, syvyydeltään alle 100 m olevaa yksikköä.

12 Kuva 11. Magneettinen lentomittauskartta ja maanpintamittausalue. Fig. 11. Airborne magnetic map and ground measurement area.

13 T (nt) Kuva 12. Magneettinen totaalikenttäkartta ja mittauspisteet. Fig. 12. Magnetic total field map and measurement points.

14 10 Kuva 13. Magneettinen inversiotulkinta. Linja: kkj:y= , x= Fig. 13. Magnetic inversion. Line: kkj:y= , x= VLF-R tulkinta Kuvassa 14 ovat näennäinen ominaisvastus ja vaihekulma. Näennäiset ominaisvastukset ovat enimmäkseen tuhansia ohmimetrejä ja vaihekulmat alle 45 astetta. Vaikka isossa osassa mittausaluetta kallio on paljastuneena, alle 45 asteen vaihekulmat indikoivat, että kallion ominaisvastus kasvaa syvemmällä. Kartta osoittaa, että systemaattisen mittausalueen eteläreunassa ominaisvastukset laskevat, joka saattaa aiheutua joko suosta tai mahdollisesta kallioperän murrosvyöhykkeestä. Koska ominaisvastusten ja vaihekulmien yhdistelmistä on vaikea tehdä päätelmiä kentän aiheuttajista, tässä työssä kokeiltiin näennäisen ominaisvastuksen muunnosta ominaisvastukseksi ja syvyydeksi. Magnetotelluriikasta muunnostyyppi on tuttu Niblett-Bostick-muunnoksena (Niblett ja Sayn-Wittgenstein 1960, Bostic 1977). Muunnos toimii hyvin, jos eristävän kerroksen alla on johtavampaa materiaalia. Tässä tapauksessa vastusrakenne on kuitenkin päinvastainen. Berdichevsky ja Dmitriev (1976) ovat esittäneet relaation, joka soveltuu tapaukseen, jossa johtavan pinnan alla on eristävämpää materiaalia. Käyttäen em. relaatioita VLF-R-havainnoista voidaan laatia vastus-syvyys-muunnos, joka voidaan esittää joko karttoina tai eräin oletuksin pseudoleikkauksena (Lanne, julkaisematon käsikirjoitus). Kuvassa 15 VLF-R-havainnot on esitetty pseudoleikkauksena. Kuvan vertikaalisyvyys on 100 m. Jos muunnos tulkitaan kaksikerrosmalliksi, syvyysarvot ovat aivan liian suuria esim. irtomaa-kallio-rajapinnan määräämiseksi. Vaikka numeroarvoihin pitää suhtautua varauksin, vertailu seismisen tuloksen kanssa osoittaa syvyysarvojen kuvaavat kvalitatiivisesti irtomaapeitteen paksuusvaihtelua. Eräässä toisessa havaintoaineistossa, jossa oli kairaustietoa, muunnoksessa saadut syvyysarvot

15 11 olivat noin kaksinkertaisia verrattuna irtomaapaksuuksiin. Ominaisvastusmuunnoksen matalat ominaisvastukset saattavat liittyä myös kallioperän murrosvyöhykkeisiin Rhoa (Ohmm) Kuva 14. VLF-R kenttä. Näennäinen ominaisvastus ja vaihekulma. Fig. 14. VLF-R field. Apparent resistivity and phase angle.

16 12 Seismic line Log(Rho(z)) Kuva 15. VLF-R pseudoleikkaus. Linja kkjy= Väritys: ominaisvastusvaihtelut, Kolmiot: syvyysparametri. : mahdolliset rikkonaisuusvyöhykkeet seismisen tulkinnan mukaan. Fig. 15. VLF-R pseudosection. Line kkjy= Resistivity-depth transformation. 5 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Geofysikaaliset tutkimukset tukevat aiempaa käsitystä tutkimuskohteesta. Pintarakoilusta huolimatta kivi vaikuttaa ehyeltä. Tarkempi selvitys tulisi tehdä maatutkaluotauksin sekä maanpinnalta että kairanrei'istä. Alueen eteläreunassa saattaa olla esiintymän kokoa rajaava murrosvyöhyke. Tarkempi selvitys tulisi tehdä kairauksin. Kallioperän magneettisissa ominaisuuksissa on suurta vaihtelua, jonka vaikutus kiviaineksen tasalaatuisuuteen tulisi selvittää. Lentomittauksessa alueeseen liittyy lievästi kohonnut, uraanista aiheutuva säteily. Kivinäytteistä mitatut säteilytasot eivät kuitenkaan poikenneet happamien kivien tyypillisistä säteilytasoista. Sekä lento- että maanpintamittausten perusteella kivet ovat sähköisesti eristäviä. Kuitenkin VLF-R-mittauksessa saatiin havaintojen käsittelyn perusteella viitteitä mahdollisesta murrosvyöhykkeestä, jota tukee myös magneettikentän minimi sekä paikallisesti matalammat seismiset nopeudet. Tutkimusalueella käytetyt menetelmät toimivat odotetulla tavalla. Koska tutkittava alue on pieni verrattuna esim. malminetsintäkohteisiin, havaintopisteväli on myös pieni, jolloin maan pinnan topografia voi aiheuttaa rajoituksia geofysikaalisten menetelmien käytölle. Myös monien menetelmien spatiaalinen erotuskyky on riittämätön kiven tasalaatuisuuden tai eheyden tutkimiseen. Jos kallio on paljastunutta niin kuin tässä tapauksessa, sähköisistä tai sähkömagneettisista menetelmistä galvaanisten menetelmien käyttö on joko mahdotonta tai ainakin vaatii erityisjärjestelyjä. Periaatteessa jatkuva sähköinen vastusluotaus olisi kuitenkin erittäin sopiva ko. tutkimuksiin.

17 13 Lähdeviitteet Berdichevsky, M. N. and Dmitriev, V. I Basic Principles of Interpretation of Magnetotelluric Sounding Curves, in A. Adam (ed.),geoelectric and Geothermal Studies, KAPG Geophysical Monograph, Acad. Kiado, Budapest, pp Bostic, F A Simple Almost Exact Method of MT-analysis, inworkshop on Electrical Methods in Geothermal Research, U.S. Geological Survey, Contr. No Niblett, E. R. and Sayn-Wittgenstein, C Variation of Electrical Conductivity with Depth by the Magnetotelluric Method, Geophysics 25, Vartiainen, Risto Keski-Lapin rakennuskiviprojekti Loppuraportti. 9 s., 33 liites. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, M 10.1/2005/1/86.