Geofysikaalisia tutkimuksia Soklissa vuosina 2009-2015

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Geofysiikan sovellukset Rovaniemi 19.1.2016 3/2016 Geofysikaalisia tutkimuksia Soklissa vuosina 2009-2015 Pertti Turunen Soklin magneettinen anomalia pintakuviona ja painovoima-anomalia väreinä

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä 19.1.2016 Tekijät Pertti Turunen Raportin laji Työraportti Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Geofysikaalisia tutkimuksia Soklissa vuosina 2009-2015 Tiivistelmä Raportissa selostetaan Soklin kairansydämistä tehtyjä petrofysikaalisia mittauksia ja arvioidaan Soklin piipun rakennetta gravimetristen mittausten perusteella sekä tarkastellaan gammasäteilymittauksia. Rapautuminen eri rei issä vaihtelee ja ulottuu syvimmillään ~200 metriin saakka, ja se laskee tiheyttä ja suskeptiivisuutta. Kauluksen rapaumavyöhyke näkyy painovoimassa heikkona miniminä ja magnetometrauksessa pienenä maksimina. Aikaisempien tutkimusten perusteella saatu Soklin piipun syvyys 5-6 km on sopusoinnussa painovoimamittausten mallinnuksen kanssa. Tilavuutta piipulla on ~100 km 3, tiheys on sydännäytteiden mukaan 2882 kg/m 3 ja massa on ~300 Gt. Syvyys voi olla tulkittua suurempikin jolloin myös massa kasvaa. Gravimetriset havainnot eivät anna tukea oletukselle piipun poikkileikkauksen pienenemisestä syvyyden mukana. Säteilymittauksilla ohjattiin kenttätöitä mutta ne eivät tuoneet merkittävää lisäinformaatiota lentomittauksiin nähden. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Sokli, petrofysiikka, painovoimamenetelmä, gammaspektrometraus Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Lappi, Savukoski, Sokli Karttalehdet UTM U52, U54 Muut tiedot Arkistosarjan nimi Kokonaissivumäärä 25 Kieli Suomi Yksikkö ja vastuualue Geofysiikan sovellukset, Geofysiikan tutkimus Allekirjoitus/nimen selvennys Pertti Turunen Arkistotunnus 3/2016 Hinta Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Julkisuus Julkinen

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 PETROFYSIKAALISET MITTAUKSET 1 3 GRAVIMETRISET TUTKIMUKSET 5 3.1 PAINOVOIMAMITTAUKSET 5 3.2 Kauluksen alueen tutkimukset 7 3.3 Soklin piipun rakenteesta 12 4 GAMMASPEKTROMETRAUKSET 20

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 1 1 JOHDANTO GTK:n hankkeissa Hi-Tech-metallit (2009-2012) ja Kriittiset mineraalit (2013-2015) tehtiin harvinaisiin maametalleihin sekä fosforiin liittyviä geologisia tutkimuksia Soklin ympäristössä Savukoskella. Geofysikaalisina maastotutkimuksina tehtiin gravimetrausta ja gammasäteilymittauksia sekä laboratoriossa petrofysikaalisia mittauksia kairansydämistä. Merkittävänä apuna oli vuonna 2008 tehty tihennetty matalalentomittaus, jossa sähkömagneettinen kartoitus tehtiin neljällä taajuudella, sekä Geodeettisen laitoksen gravimetrinen kartoitus. Tässä raportissa selostetaan gravimetrisiä mittaustuloksia sekä arvioidaan mitä niistä saadaan irti Soklin piipun syvyysrakenteesta. Lisäksi tarkastellaan Kauluksen geofysiikkaa, petrofysikaalisia mittauksia ja gammasäteilymittauksia. 2 PETROFYSIKAALISET MITTAUKSET Soklin Kauluksen alueen kairansydämistä tehtiin 1921 tiheyden, suskeptiivisuuden ja remanenssin intensiteetin määritystä. Taulukossa 1 ilmoitetaan mittausten määrä kunkin reiän sydämistä. Sarakkeessa Depth ilmoitetaan alimman mitatun näytteen syvyys metreinä ja se on lähellä reiän todellista syvyyttä. Oikeanpuoleisimmassa sarakkeessa on määritysten kokonaismäärä. Tämä luku poikkeaa syvyydestä, koska rapautumisen takia monessa reiässä on sydänhukkaa jopa kymmenien metrien verran. Mittaukset luokiteltiin geologisten raporttien antamien tietojen nojalla kolmeen ryhmään; rapautumattomiin, vähän rapautuneisiin sekä runsaasti tai täysin rapautuneisiin näytteisiin. Taulukon keskimmäisistä sarakkeista ilmenee, että eri tavoin rapautuneita näytteitä on lähes neljä viidesosaa kaikista näytteistä. Taulukko 1. Petrofysikaaliset mittaukset Soklin kairansydämistä. Hole Depth Weathering Σ None Slight Strong R1 140 4 54 7 65 R2 203 85 5 35 125 R3 179 109 7 3 119 R4 220 141 0 13 154 R5 97 0 78 12 90 R6 200 4 62 96 162 R7 43 0 1 15 16 R8 58 0 43 2 45 R9 196 7 160 20 187

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 2 R10 100 0 28 17 45 R16 92 45 28 5 78 R17 103 3 84 13 100 R18 101 0 37 6 43 R19 100 12 80 1 93 R20 96 1 21 21 43 R21 103 3 48 15 66 R22 100 0 56 12 68 R23 100 0 64 12 76 R24 100 4 46 13 63 R25 100 2 34 31 67 R26 100 0 43 18 61 R27 105 5 75 3 83 R28 101 12 30 30 72 Σ 437 1084 400 1921 Taulukossa 2 esitetään pääkivilajien petrofysikaalisten parametrien mediaanit. Pois on jätetty sellaiset kivilajit, joiden määrä on pieni. Taulukon vasemmassa laidassa sinisellä taustalla on seitsemän pääkivilajin rapautumattomien näytteiden lukumäärä sekä tiheyden, suskeptiivisuuden ja remanenssin intensiteetin mediaani. Keskellä on vastaavat tiedot vähän rapautuneista kivistä ja oikealla runsaasti tai täysin rapautuneista. Tiheyden yksikkö on kg/m 3, suskeptiivisuus on SI-järjestelmän mukainen ja remanenssin intensiteetin yksikkö on A/m. Taulukko 2. Pääkivilajien petrofysiikan parametrien mediaanit eri rapautumaluokissa. Rock N Dens Susc Rem N Dens Susc Rem N Dens Susc Rem Not weathered Slightly weathered Strongly weathered Amphibolite 37 2789 0.00080 0.08 84 2686 0.00080 0.07 16 2582 0.00098 0.09 Carbonatite 211 2850 0.02105 0.48 358 2604 0.00106 0.14 161 2595 0.00125 0.11 Fenite 49 2625 0.00054 0.07 512 2636 0.00067 0.07 99 2551 0.00080 0.09 Tonalite 4 2654 0.00044 0.07 54 2596 0.00057 0.06 7 2648 0.00047 0.07 Soevite 108 2935 0.13035 2.02 67 2663 0.00139 0.21 71 2623 0.00364 0.22 Mafite rock 15 2843 0.00091 0.06 4 2684 0.00100 0.08 11 2696 0.00074 0.08 Lamprophyre 6 2908 0.13680 2.84 3 2637 0.03830 0.71

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 3 Tiheyden ja suskeptiivisuuden vaihtelu neljän runsaslukuisimman kivilajin kohdalla esitetään kuvassa 1. Rapautumattomat käytteet esitetään avoimella renkaalla, vähän rapautuneet ristillä ja runsaasti rapautuneet umpinaisella täplällä. Amfiboliitin väri on punainen, karbonatiitin sininen, feniitin vihreä ja söviitin musta. Suskeptiivisuusarvon 10-3 (SI) yläpuolella olevat näytteet, karbonatiitit ja söviitit sekä muutamat lamproiitit, sisältävät magnetiittia. Voimakkaasta rapautumisesta kertoo matalien tiheyksien suuri osuus. Kuva 1. Neljän pääkivilajin suskeptiivisuus vs. tiheys rapautumisasteen mukaan luokiteltuna. Kuva 2 kertoo rapautumisen vaikutuksen tiheyden ja suskeptiivisuuden mediaaneihin havainnollisemmin. Pehmeästi kaartuvat käyrät kuvaavat parametrien muuttumista rapautumattomista avoimista renkaista ristin kautta runsaasti rapautuneeseen. Nuolet kuvaavat rapautumisen lisääntymisen suuntaa. Karbonatiitti ja söviitti eroavat muista kivistä sekä voimakkaan tiheyden että suskeptiivisuuden laskun takia kun magnetiitti muuttuu rapautumisessa ja laskee suskeptiivisuutta sekä osaltaan tiheyttä. Söviitin kohdalla näyttää, että suskeptiivisuus kääntyy kasvuun rapautumisen lisääntyessä. Muilla kivillä muutokset ovat pienempiä erityisesti suskeptiivisuudessa magnetiitin puuttumisen takia. Edestakaiset muuttumiset saattavat aiheutua rapautumisasteen määrittelyn kuvailevasta ja kategorisesta luonteesta. Kymmenienkin metrien lävistys on voitu kuvata yhdellä tavalla rapautuneeksi vaikka osa siitä kuuluisi toiseen luokkaan.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 4 Karbonatiittia ja söviittiä sekä lamprofyyriä lukuuottamatta remanenssin intensiteetti ei juuri muutu rapautumisessa taulukon 2 mukaan. Ilmeisenä syynä on näiden kivien sisältämä magnetiitti ja sen alttius rapautumiselle. Kuva 2. Kuuden kivilajin rapautumisen vaikutus tiheyteen ja suskeptiivisuuteen. Sydännäytteiden petrofysikaalisista mittauksista voidaan arvioida tulkintamallille käytettävä tiheyden arvo. Suora keskiarvo tai mediaani ei sovellu, koska ainakin parin sadan metrin syvyyteen ulottuva rapautuminen laskee tiheyttä. Kuvassa 3 esitetään tiheyden vaihtelu syvyyden funktiona ilman kivilajierittelyä. Syvyydet ovat vertikaalisia etäisyyksiä maanpinnasta. Rapautumisasteet kuvataan eri väreillä, ja heti nähdään rapautumisen tiheyttä alentava vaikutus. Musta porrasviiva kuvaa tiheyden keskiarvoa viiden metrin pätkissä, ja se lähenee sy-

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 5 vyyden kasvaessa tiheysarvoa 2850 kg/m 3. Koska syvimmät näytteet kuitenkin ovat heikosti rapautuneita, on kuviteltavissa, että rapautumattomina niiden tiheys olisi jonkin verran korkeampi. Tulkinnassa on syvälle mallille käytetty tiheyttä 2883 kg/m 3. Suskeptiivisuudessa ja remanenssin intensiteetissä ei havaittu vastaavanlaisia muutoksia. Kuva 3. Tiheyden vaihtelu syvyyden funktiona. 3 GRAVIMETRISET TUTKIMUKSET 3.1 Painovoimamittaukset Soklissa ei ole tehty koko alueen kattavaa painovoimamittausta ja siksi ei voida tehdä luotettavaa tulkintaa karbonatiittipiipun massasta tai rakenteesta. Jonkin verran mittauksia oli kuitenkin käytettävissä, kuten seuraavasta tarkastelusta ilmenee. Geodeettisen laitoksen gridistä laskettu painovoima esitetään väreillä ilmaistuna taustakuviona kuvassa 4, johon on merkattu erivärisillä täplillä viiden eri aikoina eri tarkoituksiin mitattujen painovoimamittausten sijainti. Soklin länsipuolella on 757 km 2 laajuinen APV-mittausalue. Mittauspisteitä on 3955, mistä tulee neliökilometriä kohti viisi pistettä. Kartoitetun alueen itäreuna menee kkj-järjestelmän neloskaistan itäkoordinaattia 4469600 pitkin, mistä on Soklin esiintymän keskukseen lyhimmillään matkaa n. 2 km. Soklin läheisyys näkyy kuvassa 4 anomaliana muutamalla itäisim-

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 6 mällä linjalla. Soklin länsipuolella 5-10 km päässä oleva Tulppion oliviniitti näkyy lähes Soklin vahvuisena anomaliana ja sen vaikutus on otettava huomioon Soklin anomaliaa mallinnettaessa. Mittauspisteet on merkitty vihreinä täplinä kuvan 4 karttaan. Tulppion oliviniitin yli on mitattu kolme painovoimaprofiilia, jotka on merkitty mustina viivoina kuvaan 4. Profiilien yhteispituus on 11600 m ja havaintopisteitä on 583. Soklin vaikutus näkyy heikosti pohjoisimmalla profiililla. Kriittiset mineraalit-hankkeessa mitattiin 16 profiilia Kauluksen alueen rakenteen selvittämistä varten. Kuvan sinisinä merkattujen profiilien yhteispituus oli 39800 m ja havaintopisteitä oli 2190. Kuva 4. Painovoimamittaukset Soklin ympäristössä. APV-mittauspisteet vihreällä, Tulppion kolme profiilia mustalla, Kriittiset mineraali-hankkeessa tehty systemaattinen kartoitus ja kolme profiilia sinisellä, Rautaruukki Oy:n raportista poimitut profiilit keltaisina risteinä sekä Geodeettisen laitoksen gridistä poimitut pisteet mustina täplinä. Taustan painovoimakartta perustuu jälkimmäiseen.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 7 Rautaruukki Oy on tehnyt ainakin kaksi painovoimaprofiilia Soklin magneettisen anomalian ylitse 1970-luvulla. Mittauksia ei ole sidottu valtakunnalliseen tasoon eikä niistä ole muuta tietoa kuin piirros Rautaruukki Oy:n raportissa (Technoexport 1976). Piirroksesta poimittiin profiileilla mitatut arvot ja arvioitiin niiden luoteispään valtakunnallinen taso APV-mittauksen kanssa päällekkäin menevien havaintojen kanssa. Kaakkoispäässä ilmeni kuitenkin ristiriitaa Geodeettisen laitoksen mittausten kanssa eikä niitä siksi käytetty mallinnukseen. Nämä profiilit näkyvät kuvan 4 keltaisina pistejonoina. Kuvaan on merkattu mustina risteinä Geodeettisen laitoksen mittauksiin perustuvasta aineistosta laskettu painovoimaverkko. Pistetiheys on 1 piste /km 2. Kuten kuvasta näkyy, Soklin massiivin mallinnus perustuu lähes täysin tämän materiaalin antamaan informaatioon. APV- ja systemaattisen mallinnuksen kohdalla ei näy yksittäisten pisteiden kohdalla ristiriitoja eri aineistojen välillä, mistä syystä harvahkoonkin pisteverkkoon perustuvaa kokonaiskuvaa voidaan pitää luotettavana. 3.2 Kauluksen alueen tutkimukset Kuvassa 5 esitetään Soklin Kauluksen alueella tehtyjen painovoimaprofiilien sijainnit magneettisella kartalla. Pohjois-eteläsuuntaisten profiilien tarkoituksena oli kartoittaa vyöhykettä, johon kairattiin n. 30 reikää. Kairauksissa tavattiin rapaumavyöhyke, joka kiertää Soklin magneettista anomaliaa ja joka oli mineraalienetsinnän kannalta mielenkiintoinen. Oli odotettavissa, että gravimetrinen mittaus voisi kertoa jotakin rapauman rakenteesta. Kolme itä-länsisuuntaista profiilia leikkaavat kuvan 6 magneettisessa kartassa näkyviä heikkoja anomalioita, joiden arveltiin kertovan jotain Soklin eteläosan rakenteesta, mahdollisesta tulokanavasta. Kuva 5. Soklin Kauluksen painovoimaprofiilit magneettisella lentokartalla.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 8 Kuvan 6 magneettisessa lentokartassa näkyy muutaman kymmenen nanoteslan positiivinen anomalia, joka seurailee pohjoisempana olevan varsinaisen anomalian suuntaa. Alemmassa painovoimakartassa samassa paikassa on puolen milligalin negatiivinen anomalia. Kuva 6. Yläkuvan magneettisella kartalla näkyy hankkeessa tehtyjen gravimetristen mittausten sijainti. Katkoviiva G kuvaa alakuvan painovoimakartan rapauman sijaintia. Kairausprofiileita P1 ja P2 tarkastellaan tuonnempana. Mustat täplät ovat kairattuja reikiä. Kuvan tarkastelusuunta lounaasta koilliseen. Magneettiseen anomaliaan kairattiin useita reikiä ja monien reikien sydännäytteistä tehtiin petrofysikaalisten parametrien määrityksiä. Näitä tarkastellaan kairausprofiileilla P1 ja P2 kuvissa 7 ja 8.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 9 Kuvassa 7 esitetään petrofysiikan parametrien jakauma kuuden reiän kautta menevällä 1500 m pitkällä profiililla. Mittauspisteet on sijoitettu reikien runkoihin, ja mustien täplien puuttumisesta näkee missä ovat merkittävimmät sydänhukka-alueet. Rapautuneen ja rapautumattoman alueen raja on merkattu katkoviivalla. Kolmella vasemmanpuoleisella reiällä on tavattu vain rapautunutta kiveä. Reikien R23 ja R1 väliseltä alueelta ei ole havaintoja ja reikien välillä esitetyt värit ovat interpolointiohjelman tekemiä. Samoin muukin raitaisuus on epävarmaa, koska reikien välimatka on suuri verrattuna näytteenottoväliin. Kuvan yläosassa on sinisellä merkattu lentomittauksen magneettinen mittaustulos ja punaisella maanpintagravimetrauksen tulos, josta on vähennetty arvioitu Soklin massiivin anomalia. Molemmissa mittauksissa on maksimi profiilin pohjoispäässä, missä on lävistetty tiheää ja suskeptiivista materiaalia. Profiilin eteläpäässä matalan tiheyden alueella on painovoimassa minimi mutta magneettisessa pieni maksimi. Nämäkin ovat sopusoinnussa petrofysiikan kanssa. Kuva 7. Tiheys, suskeptiivisuus ja remanenssin intensiteetti kairansydämistä profiililla P1.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 10 Toinen esitettävä profiili muodostuu edellisen länsipuolen rei istä R16, R9, R5, R6, R7 ja R8. Rapautumisrajaa ei ole merkitty kuvaan, koska yksittäisiä havaintoja lukuun ottamatta rapautumattomia näytteitä on vain reiässä R16 syvyysvälillä 28-75 m. Magneettikentässä on paikallinen anomalia vain reiän R6 päällä missä suskeptiivisuuden ja remanenssin arvot ovat koholla. Painovoimassa tällä paikalla on Soklin rengasrakennetta myötäilevä minimikaari. Kuva 8. Tiheys, suskeptiivisuus ja remanenssin intensiteetti kairansydämistä profiililla P2. Kolmesta itä-länsisuuntaisesta profiilista Soklin eteläpuolella esitetään kuvassa 9 keskimmäisellä profiililla tehdyt mittaustulokset sekä sähkömagneettisen lentomittauksen kaksi taajuutta. Painovoimassa on laaja kahden milligalin vahvuinen minimi, jonka ääriarvo sijoittuu magneettisen kartan pitkien anomalioiden väliin. Korkeampitaajuisessa sähkömagneettisessa komponentissa on kaksi anomaliaa painovoimaminimin kahden puolen. Näiden aiheuttaja ei ole ilmeisesti maaperän kosteudessa, koska toinen on rinteessä ja toinen mäen laella. Säh-

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 11 köiset anomaliat sijoittuvat magneettisten anomaliavyöhykkeiden läheisyyteen. Painovoimaminimin syy on toistaiseksi selvittämättä. Rapauma on mahdollinen syy mutta se on ristiriidassa sähkömagneettisen datan kanssa. Kuva 9. Geofysikaalisia mittauksia keskimmäisellä itä-länsisuuntaisella painovoimaprofiililla. Kauluksen alueella tehtiin systemaattinen gravimetrinen mittaus. Profiileja oli 13, niiden välimatka oli 200 m ja pituudet vaihtelivat välillä 2000 3060 m. Bouguer-anomalia esitetään kuvan 6 alaosassa (osana laajempaa kenttää) ja jäännösanomalia kuvassa 10. Jäännösanomalia on laskettu vähentämällä Bouguer-anomaliasta tuonnempana esitettävän Soklin piipun ja sen ympäristön massojen mallinnettu anomalia. Punaisella väritetyillä alueilla painovoima on negatiivinen, sinisillä positiivinen ja nollaviiva on kartassa vihreänä käyränä. Mielenkiintoinen on negatiivinen kaari, joka kiertää Soklin anomaliaa pohjoiskoordinaatin 7520500 tienoilla. Alueen itäosassa anomalia katkeaa mutta ilmestyy takaisin itäisimmillä profiileilla. Laajempi punainen alue sijaitsee edellisen eteläpuolella. Kyseessä voi olla toinen rapaumaalue, mutta erilainen kuin pohjoisempi, koska magneettinen kartta on anomaliaton.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 12 Kuva 10. Kauluksen alueen jäännösanomaliakartta (vasemmalla) ja mallinnustulos (oikealla). Rapaumamallit yhtenäisillä viivoilla ja muut mallit katkoviivoilla. Kuvan 10 oikealla puolella esitetään anomalia, joka syntyy 44 viivoilla tai katkoviivoilla esitetystä mallista. Varsinaisesti on mallinnettu ympäristöä kevyempiä alueita ja katkoviivoilla kuvatut positiivisen tiheyden mallit ovat mukana vain jotta muilla malleilla ei tarvitsisi selittää anomaliaa. Mallien parametreista on optimoitu vain sijaintia ja profiilin suuntaista paksuutta. Tiheyseroja on muunneltu niin että kunkin mallin kohdalla anomalia tulee selitetyksi. Kaikkien mallien kulun suuntainen ulottuvuus on 200 m, samoin syvyysulottuvuus. Yläpinnan syvyys on 5 m. Rapaumamallien keskimääräinen tiheysero ympäristöön nähden on -130 kg/m 3. Kuvasta 3 näkyy, että rapauma ulottuu ainakin syvyydelle 150 m, jossa tiheysero pintaan nähden on n. -200 kg/m 3. Mallinnuksen mukaan näyttää siltä, ettei rapauma ole paljon tässä arvioitua syvempi. Koska mittauksen laajuus on pieni, ei ole tietoa siitä miten kauas rapaumavyöhyke ulottuu ja kiertääkö se Soklin anomalian ympäri. 3.3 Soklin piipun rakenteesta Soklin piipun anomalia hallitsee kuvan 4 painovoimakenttää. Sen länsipuolella n. 5 kk etäisyydellä oleva Tulppion oliviniitin massa on niin laaja ja massiivinen, että sillä on vaikutusta Soklin anomaliaan. Karbonatiitin pintaosien sijaintiin sivumassa ei vaikuta, mutta syvyysulot-

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 13 tuvuus ja syvyyssuuntainen rakenne ovat vaikutukselle alttiimpia. Myös koillispuolella 7 8 km etäisyydellä on laaja mutta matalaintensiteettinen anomalia sekä eteläpuolella kaksi vähäistä anomaliaa. Nämä anomaliat on poistettava mittaustuloksista jotta jäljelle jäävä Soklin piipun anomalia voidaan mallintaa luotettavasti. Kuvassa 11 esitetään painovoimamallinnus kuvan 3 alueelta. Itä-länsi- ja pohjois-eteläsuuntaiset profiilit digitoitiin kartasta kilometrin välein. Tulkintaprofiileja oli 26 ja malleina oli Soklin anomalian kohdalla elliptinen sylinteri ja neljän muun anomalian kohdalla katkaistu pyramidi (frustum), jotka kaikki voivat leventyä tai ohentua vertikaalisuunnassa. Mallien tärkeimmät parametrit esitetään taulukossa 3 ja ylä-, ja alapintojen projektiot maanpinnalla kuvassa 11. Kuva 11. Soklin alueen painovoimamallinnus. Mallikappaleiden projektiot vihreillä viivoilla.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 14 Taulukko 3. Kuvan 11 tulkintamallien parametrit. Malli Tiheys Syvyys Syvyysulottuvuus Kenttäkaade Kulku Tilavuus kg/m 3 m m aste aste km 3 1 2883 19 5940 176 53 105 2 2849 50 3546-4 137 60 3 2810 66 5446-31 139 75 4 2852 141 1000 68 69 10 5 2830 116 1000 26 135 3 Kuvassa 12 esitetään tulkintaprofiilit NS ja kuvassa 13 EW. Sijainnit on merkattu kuvaan 11. Mallikappaleet 2 5 selittävät tärkeimmät anomaliat Soklin lähistöllä. Laskettua kenttää voi verrata kuvan 4 mittaustulokseen. Kaukana olevia pieniä ja matalaintensiteettisiä anomalioita ei ole otettu mukaan, koska niiden vaikutus Soklin alueella on vähäinen. Regionaalitasona on käytetty arvoa -41.6 mgal) Kuva 12. Tulkintaprofiili NS. Punaiset täplät tarkoittavat mittaustulosta ja sininen viiva mallien anomaliaa. Mallien numerot ja tiheydet on merkattu kuvaan. Kuvista 12 ja 13 näkyy sovituksen hyvyys kahdella profiililla. Paremman sovituksen saamiseksi mallien tulisi olla yksityiskohtaisempia, mutta hienonnuksen vaikutus kohdistuisi vain mallien läheisyyteen eikä mielenkiinnon kohteena olevan Soklin anomalian alueelle olisi suur-

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 15 takaan vaikutusta. Tulkintamallien syvyydet, 1 6 km, ovat epävarmoja. Syvyyden kasvaessa tilavuus kasvaa, mutta anomalian voimakkuus säilyy entisellään jos tiheyttä pienennetään. Tälläkään seikalla ei ole paljon vaikutusta kilometrien päässä olevaan Soklin anomaliaan. Kuva 13. Tulkintaprofiili EW. Soklin piipun ympärillä olevien anomalioiden 2 5 vaikutus poistettiin laskemalla mallien 2 5 summa-anomalia ja vähentämällä se mitatusta anomaliasta. Näin saadaan kuvan 14 yläosan kartta, joka esittää Soklin piipun painovoima-anomaliaa. Alakuvassa on sylinterimallin teoreettinen anomalia. Anomalioissa on eroja paikallisessa vaihtelussa, mutta keskianomaliat muistuttavat rakenteeltaan toisiaan. Tulkintamalli ei ole merkittävästi muuttunut taulukon 3 mallista 1: Taulukko 4. Soklin piipun kahden tulkintavaihtoehdon parametrit. Tulkinta Tiheys Syvyys Syvyysulottuvuus Kenttäkaade Kulku Tilavuus kg/m 3 m m aste aste km 3 1 2883 19 5940 176 53 105 2 2882 130 4940 180 59 100 Mallien tilavuuksissa ja syvyystiedoissa on eroja.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 16 Kuva 14. Painovoima-anomalia (yläkuva) ja sylinterimallin tulkinta-anomalia (alakuva).

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 17 Kuva 15. Soklin piipun tulkintaprofiilit NS (yläkuva) ja EW (alakuva). Lukuarvot tarkoittavat tiheyseroa ympäristöön nähden ja todellista tiheyttä.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 18 Tulkinnat on tehty olettaen mallien syvyyssuunnassa säilyttävän saman laajuuden kuin pinnassa. Jos massa kapenee syvyyden kasvaessa, anomalian pinta-alan ja intensiteetin säilyminen edellyttää syvyysulottuvuuden kasvamista. Vastaavasti rakenteen laajeneminen alaspäin mentäessä vaatii syvyysulottuvuuden pienenemistä. On myös mahdollista, että eri mallit käyttäytyvät eri tavalla. Näistä mahdollisuuksista syntyy niin vaikeasti hallittava kokonaisuus, ettei olemassa olevasta datasta voi käytännössä päätellä syvyyssuuntaista käyttäytymistä. Mallinnuksen mukaan Soklin piipun syvyys on 4940 m, pinta-ala 21 km 2 ja tilavuus 100 km 3. Tiheys on 2882 kg/m 3, ja jos ympäristön tiheydeksi oletetaan 2670 kg/m 3, tiheysero on 212 kg/m 3. Tällä tiheydellä massaksi tulee 290 Gt ja ylijäämämassaksi 21 Gt. Jos syvyysulottuvuutta on 5940 m, tilavuutta on 121 kg 3 ja massa sekä ylijäämämassa kasvavat arvoihin 350 Gt ja 25 Gt. Pisimmät kairanreiät Soklissa ulottuvat puolen kilometrin syvyyteen. Tätä suuremmista syvyyksistä saadaan tietoa vain geofysiikan menetelmillä kuten seismiikalla, magnetotelluriikalla ja gravimetrialla. Technoexportin raportissa syvimpien seismisten heijasteiden on tulkittu tulevan 5 6 km syvyydestä. Seismisellä pääprofiililla Pelkosen (1978) tekemissä AMTluotauksissa saatiin johtavuuspinta 4 5 km syvyyteen. Rajapinnat eivät kahdella menetelmällä ole aina samat vaikka monesti seismisiin rajapintoihin liittyy myös ominaisvastuskontrasti. Voidaan joka tapauksessa olettaa, että nämä kaksi tulosta kertovat Soklin piipun syvyysulottuvuuden suuruusluokan. Suuremmista syvyyksistä tiedon saaminen on hankalaa, koska signaali alkaa menettää tehoaan riippumatta menetelmästä. Suurimpana syvyytenä voitaneen Vartiaisen (2012) arviota, että Soklin piipun synnyttänyt massa on peräisin 50 100 km:n syvyydeltä. Seismiset rajapinnat muodostavat puolipallomaisen rakenteen (Vartiainen & Paarma, 1979), mihin ilmeisesti perustuu oletus, että piipun läpimitta pienenee syvyyden mukana. Läpimitan pienenemisestä ei kuitenkaan ole varmaa tietoa eikä sen hankkiminen ole helppoa millään menetelmällä. Painovoimamenetelmä on seismiikan ja magnetotelluriikan veroinen syvien rakenteiden tutkimismenetelmä. Luotettavien tulosten saamiseksi datan on oltava korkealaatuista minkä lisäksi on otettava huomioon ympäristön geologian vaikutus. Kuvassa 16 esitetään sylinterin laskennallisen anomalian muuttuminen silloin kun sylinterin syvyys kasvaa kilometristä kymmeneen kilometriin. Mitä suurempi syvyys ja anomalian aiheuttajan massa ovat, sitä korkeampi on anomalian amplitudi. Kuitenkin syvyyden (ja massan) kasvaminen kymmenkertaiseksi kasvattaa amplitudia vain vähän yli kaksinkertaiseksi samalla kun anomalian huippu siirtyy kaateen suuntaan. Anomalian laajuus kasvaa ja sen epäsymmetrisyydestä voidaan päätellä kaateen suunta ja jyrkkyys. Profiilin on oltava riittävän pitkä jotta syvyysulottuvuutta voisi luotettavasti arvioida. Kahdentoista kilometrin pituinen profiili kuvassa 16 on riittävän pitkä vain jos sylinterin syvyys on alle ~6000 m. Tulkinnan oikeaan osumisen kannalta on välttämätöntä määrittää oikea nollataso; myös sen kaltevuus, koska kaade muuttuu nollatason kaltevuuden mukana. Oman ongelmansa tekee mittauksiin liittyvä kohina ja se mikä katsotaan tulkittavan anomalian kannalta kohinaksi. Soklin tapauksessa on yritetty mallintaa

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 19 ympärillä olevat anomaliat ja vähentää niiden vaikutus mittaustuloksesta, mutta kuten kuvat 14 ja 15 osoittavat, tässä ei ole täysin onnistuttu. Kuvasta 16 ilmenee kuinka vähän mallin syvyyden kasvattaminen esim. kahdeksasta kilometristä kymmeneen kasvattaa anomalian intensiteettiä. Teoriassa jokainen lisäys nostaa anomaliaa, mutta mainitut käytännön rajoitukset rajoittavat syvyysulottuvuuden ratkaisumahdollisuuksia. Samoin käy jos yritetään selvittää sitä supistuuko vai laajeneeko piipun läpimitta syvyyden kasvaessa. Muutosten vaikutus painovoima-anomaliaan voidaan laskea, mutta vastaavanlaisia efektejä saadaan aikaan muillakin mallin parametrien muutoksilla. Kuva 16. Sylinterin syvyyden vaikutus painovoima-anomalian amplitudiin. Musta anomaliakäyrä kuvaa anomaliaa, jonka 100 km syvä sylinteri aiheuttaisi. Ero 10 km syvään malliin on pieni ja se näkyy yleisenä tasonmuutoksena. Käytännössä nollataso ilmeisesti asetettaisiin arvon -34 mgal tienoille, jolloin syvän rakenteen synnyttämä tason nousu selitettäisiin virheellisellä tavalla ja tulkinnasta saataisiin tulokseksi liian matala rakenne.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 20 4 GAMMASPEKTROMETRAUKSET Kuvassa 17 esitetään Soklin ja sen ympäristön magneettikenttäkartta pintakuviona ja toriumin ekvivalenttipitoisuus punaisen värin eri sävyinä. Kuvan tarkastelusuunta on lounaasta koilliseen. Kuvasta näkee, että torium-pitoisuuden maksimi on magneettisen anomalian ympärillä samaan tapaan kuin edellä tarkasteltu jäännösanomalia. Kauluksen alueella on vähäinen maksimi kuvan keskellä sinisen alueen eteläpuolella missä on runsaasti mustia säteilymittauspisteitä. Kuva 17. Soklin magneettinen anomaliapinta sinisellä värillä ja ekvivalenttitoriumanomalia punaisella. Gammaspektrometrauspisteet mustina täplinä. Kauluksen alueella ja muuallakin Soklin ympäristössä tehtiin säteilymittauksia gammaspektrometrilla. Havaintopisteitä oli 5329. Kussakin pisteessä mitattiin koordinaattien lisäksi kaliumpitoisuus prosentteina sekä ekvivalenttiuraani- ja ekvivalenttitoriumpitoisuus ppm:nä. Suurin osa havainnoista tehtiin jalkapelissä ja loput autosta käsin. Autohavainnot erottuvat kaukana toisistaan olevina pistejonoina. Kuvassa 18 vertaillaan lento- ja maanpintamittausten antamia tuloksia toriumin pitoisuuksista Kauluksen alueella. Maanpintamittausalue on hahmoteltu vihreällä katkoviivalla lentomittauskarttaan. Kahdella kartalla on huomattavan paljon yhteisiä piirteitä. Maanpinta-anomaliat ovat pienempialaisia ja jyrkkäpiirteisempiä kuin lentokoneesta, mutta muuten todetaan, että maanpintamittaus ei tuo merkittävää lisäinformaatiota yleiskuvaan. Laajoja alueita ei kannata mitata maanpinnalta jos lentokartoitus on olemassa, mutta pienialaiseen detaljikartoitukseen ne ovat perusteltavissa. Punainen katkoviiva rajaa systemaattisen gravimetrauksen alueen ja musta gravimetrisen rapauman sijainnin. Rapaumavyöhyke näkyy lentokartassa parhaimmillaan heikkona haa-

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 21 muna, mahdollisesti suopohjaisen maanpinnan vaimentamana. Gravimetrausalueen luoteiskulmassa toriumin määrä kasvaa huomattavasti. Kuva 18. eth-pitoisuus lentomittauksessa (yläkuva) ja maanpintamittauksessa (alakuva). Vihreä katkoviiva rajaa maanpintamittausalueen ja punainen gravimetrausalueen. Musta katkoviiva seuraa gravimetrista rapaumakaarta.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 22 Vielä kuvassa 19 esitetään eth/eu-suhde kuvan 18 kartan alueelta. Mittaustulosten mukaan torium on rikastunut monikymmenkertaisesti suhteessa uraaniin maankuoren keskiarvoon nähden. Suhdekartta vähentää eri syistä tapahtuvaa vaimennusta paremmin kuin yksittäiset säteilyn komponenttikartat. Kuva 19. eth/eu-suhde Kauluksen alueen gammaspektrometrisissä mittauksissa. Pelkonen, Raimo. 1978. Rautaruukki Oy:n audiomagnetotelluuriset (AMT) tutkimukset kesällä 1977. Outokumpu Oy, OKU_4209, 44 s. Vartiainen, Heikki and Paarma, Heikki. 1979. Geological characteristics of the Sokli carbonatite complex, Finland. Economic Geology, Vol. 74, pp. 1296 1306 Vartiainen, Heikki. 2012. Sokli malmientsintätyömaana ja kaivoshankkeena: Osa 1. Permalink, 187 s. v/o Technoexport. 1976. Selonteko Soklin massiivilla vuonna 1975 tehdyistä kokeellisista seismisistä malminetsintätutkimuksista. Raportti n:o OU 8/76, 57 s. + 1 l.