Lehmikarin appiniitin geofysikaaliset tutkimukset vuosina

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Pohjois-Suomen yksikkö Rovaniemi 7.11.2013 159/2013 Lehmikarin appiniitin geofysikaaliset tutkimukset vuosina 2010-2012 Pertti Turunen Lehmikarin appiniitin aeromagneettinen anomalia lounaasta katsottuna

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Tekijät Pertti Turunen KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 7.11.2013 Raportin laji Työraportti Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Lehmikarin appiniitin geofysikaaliset tutkimukset vuosina 2010-2012 Tiivistelmä Lehmikarin pyöreää aeromagneettista anomaliaa tutkittiin geofysikaalisin mittauksin ja kairauksin vuosina 2010 2012. Tutkimusten tarkoituksena oli selvittää harvinaisten maametallien ja apatiitin esiintyminen appiniitissa. Tässä raportissa selostetaan kohteella tehtyjä geofysikaalisia tutkimuksia. Gravimetrisen ja magneettisen anomalian aiheuttajaksi osoittautui appiniitti-intruusio, jonka tiheys- ja magneettiset ominaisuudet erosivat ympäristön ominaisuuksista selvästi. Painovoima-anomalian mallinnuksen mukaan intruusiolla ei ole syvyysulottuvuutta kairauksessa tavoitettua 100 metriä enempää. REE-pitoisuuksien ja K-, U- ja Th-pitoisuuksista lasketun kokonaisgammasäteilyn välillä on negatiivinen korrelaatio. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Appiniitti, REE, geofysikaaliset menetelmät, petrofysikaaliset ominaisuudet Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Pohjois-Suomi, Rovaniemi, Lehmikari Karttalehdet UTM: U4311D, U4311F, U4312C, U4312E; kkj: 2644 02 Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus 159/2013 Kokonaissivumäärä 19 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Julkinen Yksikkö ja vastuualue Pohjois-Suomen yksikkö, 501 Hanketunnus 2141007, 2551015 Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys Pertti Turunen

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Authors Pertti Turunen DOCUMENTATION PAGE Date / Rec. no. 7.11.2013 Type of report Work report Commissioned by GTK Title of report Lehmikarin appiniitin geofysikaaliset tutkimukset vuosina 2010-2012 [ = Geophysical investigations of Lehmikari appinite in 2010 2012] Abstract The circular aeromagnetic anomaly at Lehmikari was investigated by geophysical surveys and drilling in 2010 2012. The purpose was to investigate if the appinite contained rare earth elements and apatite. This report discusses the geophysical investigations conducted at the site. The appinite intrusion proved to be the causative body for the gravity and magnetic anomaly. In density and magnetic properties, the intrusion differed clearly from the neighboring rocks. According to gravity modeling the depth extent of the appinite does not exceed the drilled 100 m. The correlation between the REE content and the total gamma radiation, calculated from the analyzed K, U and Th contents, was negative. Keywords Appinite, REE, geophysical methods, physical properties Geographical area North Finland, Rovaniemi, Lehmikari Map sheet UTM: U4311D, U4311F, U4312C, U4312E; kkj: 2644 02 Other information Report serial Total pages 19 Language Finnish Unit and section Northern Finland Office, Bedrock Geology and Resources Signature/name Archive code 159/2013 Price Project code 2141007, 2551015 Signature/name Confidentiality Public Pertti Turunen

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Pohjois-Suomen yksikkö Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 JOHDANTO 1 2 MAASTOMITTAUKSET 1 3 PETROFYSIKAALISET MITTAUKSET 2 4 KAIRAUSPROFIILI 4 5 SÄTEILYN JA REEN VÄLISESTÄ YHTEYDESTÄ 5 6 KIRJALLISUUS 6 7 LIITELUETTELO 6 LIITTEET

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 1 1 JOHDANTO Lehmikari sijaitsee Rovaniemen ja Kittilän välisen tien varressa 7 km Lohinivasta Rovaniemelle päin Ounasjoen itäpuolella. Magneettisella lentokartalla on kaksi kaarevaa anomaliaa, jotka muodostavat pyöreän, läpimitaltaan n. 1.5 km olevan kuvion. Sähkömagneettisissa ja radiometrisissä lentokartoissa pyöreä kuvio ei ole selkeä vaan ne kuvastavat ainakin osittain maaston korkeus- ja kosteusoloja. Osa säteilyanomalioista sijaitsee samalla paikalla magneettisten kaarien kanssa, mutta kosteat suonpohjat tekevät anomaliakuvan rikkonaiseksi. Kalium ja torium korreloivat voimakkaasti keskenään kun taas uraanipitoisuus on erittäin matala. Kalium- ja toriummaksimit seurailevat tutkimusalueen läpi menevän Ounasjoen rantoja. Tähän voi olla syynä tulvien levittämät liejut ja hiekat, tai se, että joen rannoilla on rikottu luonnontilaa viljelysten raivauksen takia. Karttalehden 2644 02 keskimääräinen eth/eu-suhde on ~3, mikä on alle maankuoren keskimääräisen arvon 4, mutta ei tarkoita erityistä uraanin rikastumista toriumin suhteen. Lehmikarista 1-3 km länteen on säteilykartoissa laajempi, 2 km läpimitaltaan oleva pyöreä Pirtinvaaran anomalia, joka erottuu säteilykartoissa Lehmikaria paljon vahvempana. Magneettisessa kartassa samoin kuin sähkömagneettisissa kartoissa alue on lähes anomaliaton. Säteilyn intensiivisyys aiheutunee siitä, että vaaralla on runsaasti rakkoja ja lähellä maanpintaa olevia kallioita eikä vesi pääse vaimentamaan säteilyä. Kivien säteilyn taso ei välttämättä ole sen korkeampi kuin Lehmikarissakaan, jossa maanpinnan kosteus on suurempi. Säteilyominaisuuksiltaan Lehmikari ja Pirtinvaara vaikuttavat olevan samanlaisia mutta magneettiselta kannalta paikoilla on eroja. 2 MAASTOMITTAUKSET Geofysikaaliset maastomittaukset tehtiin vuosina 2005 2006 Tapani Mutasen johtaman Magmatismi ja malminmuodostus II-hankkeen puitteissa (Mutanen 2011). Magneettisia ja VLF-R-mittauksia tehtiin vuonna 2005 ja gravimetrausta vuonna 2006 taulukon 1 mukaisesti. Taulukko 1. Lehmikarin geofysikaaliset maastomittaukset. Menetelmä Pisteitä Pinta-ala (km 2 ) Metriä Painovoima 2471 4.9 47000 Magneettinen 5611 3.1 56060 VLF-R 1463 3.1 48640 Ounasjoen aiheuttaman katkoksen takia todellinen pinta-ala on ilmoitettua ~ 0.2 km 2 pienempi. Magnetometrinä oli GSM8 ja gravimetrinä Scintrex CG5-Autograv. VLF-R-laitteena oli Geonics EM 16R ja lähetysasemana DHO38 taajuudella 23.4 khz. Paikannus tehtiin differentiaali-gps:llä.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 2 Gravimetrinen ja magneettinen kartta esitetään liitteessä 1. Painovoimakentässä näkyy kaksi kaarta, itäinen ja läntinen, joista viimeksi mainittu ulottuu joen länsirannalle. Kaarien välillä anomalia katoaa ja kentän arvo laskee ympäristön tasolle. Tämä viittaa siihen, että anomaalinen massa muodostuu kahdesta kaaresta jota eivät ole yhteydessä keskenään. Kaarien eteläosassa massa painovoiman mukaan saattaa muodostaa hevosenkenkämäisen rakenteen. Magneettisessa kartassa näkyy samoja rakenteita kuin gravimetrisessakin, mukaan luettuna keskikuoppa. Magneettisella ja gravimetrisella anomalialla on selvästi yhteinen aiheuttaja. Maanpintakartan taustalla on sinisellä väritetty lentokartta, josta näkyy kentän jatkuminen joen länsipuolelle. Kumpikaan potentiaalikenttäanomalioista ei ole kovin korkea; painovoimassa intensiteettiä on ~ 1.5 mgal ja magnetometrauksessa ~ 2000 nt. Magneettisen anomalian sivuminimit ovat selkeät ja gravimetrisen rinteet suhteellisen jyrkät. Anomalian aiheuttajan yläpinta on lähellä maanpintaa mutta sillä ei ilmeisesti ole syvyysulottuvuutta sataa metriä enempää. Lehmikariin kairatut neljä reikää on merkitty karttoihin. Liitteen 2 VLF-R-kartoista tulee esiin erilaisia rakenteita kuin gravimetrauksesta ja magnetometrauksesta. Punaisella merkityt alueet yläkuvan näennäisessä ominaisvastuskartassa ja alakuvan vaihekulmakartassa ovat merkkeinä johtavien rakenteiden sijainnista. Vaihekulma ei korreloi millään tavalla appiniitti-intruusion kanssa mutta ominaisvastuksen anomaliasta osa sijaitsee painovoiman kyljessä. Reikien R1 ja R2 läheisyydessä olevat ympäristöään johtavammat alueet sijaitsevat kuitenkin viljellyillä pelloilla ja todennäköisesti siellä käytetyt lannoitteet ovat parantaneet pintarakenteiden johtavuutta. Tämä on sopusoinnussa vaihekulman matalien tasojen kanssa. Pohjoista kohti menevä pitkä johdevyöhyke sijaitsee osittain pelloilla tai suolla. Sähkö- ja puhelinlinjat synnyttävät aukkoja VLF-R-mittaukseen. VLF-R-mittaus ei anna lisävihjeitä lehmikarin appiniitin rakenteesta, koska appiniitin ja sen ympäristön kivien välillä ei näytä olevan johtavuuskontrastia. 3 PETROFYSIKAALISET MITTAUKSET Petrofysikaaliset mittaukset tehtiin Rovaniemellä petrofysiikan laboratoriossa. Näytteet valittiin hi-techhankkeessa vuonna 2009 kairatuista kairasydämistä metrin välein täysien syvyysmetrien kohdalta. Mittausmäärät ilmoitetaan taulukossa 2. Taulukko 2. Petrofysikaaliset mittaukset kairansydännäytteistä. Reikä Tiheys Suskeptiivisuus Remanenssi Gamma M264409R1 123 123 123 123 M264409R2 73 73 73 M264409R3 114 114 114 114 M264409R4 115 115 115 425 425 425 237

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 3 Kairauksilla tavoitettiin muutamia gneissihavaintoja lukuun ottamatta vain kolmea kivilajia; appiniittia, graniittia ja syeniittiä. Näiden kivilajien suskeptiivisuus vs. tiheys-kaavio esitetään kuvassa 1 sekä numeroarvot taulukossa 3. Mittaukset todistavat, että sekä gravimetriset että magneettisen anomalian syyksi osoittautuu appiniitti. Tiheysero muihin kiviin nähden on keskimäärin 230 kg/m 3 ja efektiivisen suskeptiivisuuden ero 0.6 dekadia. Nämä ovat riittäviä selkeiden anomalioiden syntymisen kannalta. Taulukko 3. Kairansydännäytteiden petrofysikaalisten parametrien mediaanit. Kivilaji Määrä Tiheys Susk. Remanenssi Q Eff. susk. (-) (kg/m 3 ) (SI) (A/m) (-) (SI) Appiniitti 258 2886 0.08619 1.95 0.56 0.13953 Graniitti 94 2640 0.02221 0.33 0.36 0.02899 Syeniitti 66 2565 0.00754 0.16 0.57 0.01141 Kuva 1. Lehmikarin sydännäytteiden suskeptiivisuus vs. tiheys. Mittaustulokset kustakin reiästä kivilajitietoineen esitetään vielä pylväsdiagrammeina liitteissä 3-6.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 4 Reikien R1 ja R3 sydämistä tehtiin gammaspektrometrisia mittauksia laboratoriossa. Tarkoituksena oli tutkia erottuvatko REE-alkuaineita mahdollisesti sisältävät appiniitit radionuklidipitoisuuksiltaan muista kivistä. Samoista näytteistä, joista oli tehty tiheys-, suskeptiivisuus- ja remanenssin intensiteettimääritykset, mitattiin gammasäteilyn spektrit minuutin pituisina otoksina. Mittaukset olivat semikvantitatiivisia, koska käytössä oli vain kenttäkäyttöön tarkoitettu RS 230BGO-gammaspektrometri. Määritykset tehtiin yhdessä paikassa useiden metrien päässä sydänlaatikoista jolloin taustasäteilyn uskottiin säilyvän vakiona. Koska näytteet olivat erikokoisia, mittaustulokset normeerattiin vastaamaan 250 gramman painoisen näytteen lukemia. Taustasäteilyä mitattiin tasaisin välein ja se poistettiin pitoisuuslukemista ennen normeerauksia. Appiniitille ja graniitille saatiin taulukossa 4 ilmoitetut mediaanilukemat Taulukko 4. Gammaspektrometrauksen antamat radionuklidipitoisuuksien mediaanit. Kivilaji K eu eth (%) (ppm) (ppm) Appiniitit 0.09 0.33 0.44 Graniitit 0.24 0.36 1.15 Mittaustulokset esitetään pylväsdiagrammeina liitteissä 7 ja 8. Taulukosta ja liitekuvista näkee, että sydännäytteiden säteily on erittäin matala. Jokaisen kolmen radionuklidin kohdalla on taustan poistamisen jälkeen runsaasti negatiivisia lukemia. Nämä ovat säteilyn tilastollisen luonteen tuottamia ja kertovat matalasta säteilyn tasosta. Toiseksi kuvista näkee, etteivät appiniitit ja graniitit juuri eroa radioaktiivisuudeltaan toisistaan. Graniitilla radionuklidipitoisuuksien mediaaniarvot, joista on poistettu negatiiviset pitoisuudet, ovat jopa korkeampia kuin appiniitilla. 4 KAIRAUSPROFIILI Kuvassa 2 esitetään kairanreikien R1, R2 ja R3 kautta menevä profiili. Mittaustulokset on interpoloitu geofysikaalisista kartoista. Ylimpänä on VLF-R:n näennäinen ominaisvastus ja vaihekulma, keskellä magneettikentän voimakkuus ja alinna painovoiman Bouguer-anomalia. Näennäisessä ominaisvastuksessa ei ole paljonkaan vaihtelua. Oikeassa laidassa oleva loivarinteinen heikko minimi osuu viljellylle alueelle. Vaihekulman minimi samassa paikassa viittaa samoin johtavaan irtomaahan. Sähkömagneettisissa lentokartoissa näkyy soiden ja peltojen kohdalla oleva vähäinen anomalia samassa paikassa VLF-Ranomalian kanssa. Painovoimassa on vajaan yhden milligalin anomalia, jonka aiheuttajaksi kairauksessa varmistui appiniitti. Kuvassa on alimpana mukana painovoima-anomalian mallinnus. Tiheytenä käytettiin arvoa 2900 kg/m 3 ja taustalle arvoa 2670 kg/m 3. Kuten näkyy, yhteensopivuus mitatun ja lasketun kentän (punaisen ja sinisen käyrän) välillä on hyvä, ja myös mallit ovat sopusoinnussa havaintojen kanssa. Magneettikentän useille anomaliamaksimeille lähes jokaiselle löytyy tukea painovoimasta. Painovoimamallin magneettinen anomalia seurailee magneettista mittausta, mutta tarkka sovitus vaatisi mallien hiomista. Kuitenkin on selvää, että sekä painovoima- että magneettinen anomalia selittyvät samalla mallilla.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 5 Kuva 2. Reikäprofiilin geofysikaaliset anomaliat ja painovoima-anomalian tulkinta. Kuvaan on merkitty myös kolme profiiliin kairattua reikää ja reikien runkoihin on sinisellä lisätty kairansydämistä mitatut tiheydet ja punaisella efektiiviset suskeptiivisuudet. Reiät R1 ja R3 lävistävät appiniitin ja koska mallin tiheys on lähellä mitattua keskitiheyttä ja koska mallin alapinta on sopusoinnussa kairaustietojen kanssa, ei näytä ilmeiseltä, että appiniitilla olisi suurta syvyysulottuvuutta. Geofysiikka ei myöskään anna tukea sille, että kaksi mallia olisivat yhteydessä toisiinsa. 5 SÄTEILYN JA REEN VÄLISESTÄ YHTEYDESTÄ REE-alkuaineet esiintyvät usein mineraaleissa, joissa myös torium ja uraani ovat tavallisia. Lehmikarin appiniitin mineraaleista tällaisia ovat F-apatiitti, monatsiitti, allaniitti, ancyliitti, thoriitti ja zirconi. Kuten liitteiden 7 ja 8 kuvista sekä taulukosta 4 ilmenee, gammaspektrometrauksen antamat sydännäytteiden K-, eu- ja eth-pitoisuudet ovat erittäin matalia. Saman käsityksen saa myös kemiallisista analyyseistä, jotka käsittävät REE-alkuaineiden lisäksi uraanin ja toriumin sekä K 2 O:n pitoisuuksien määritykset. Kuvassa 3 esitetään vaaka-akselilla reikien R1 R4 K-, U- ja Th-pitoisuuksista laskettu gammasäteilyn määrä UR (Unit of Radiation)-yksiköissä ja pystyakselilla totaali-ree-pitoisuus.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 6 Kuva 3. Totaali-REE-pitoisuus vs. kemiallisista analyyseistä laskettu kokonaisgammasäteilyn intensiteetti. Kuvasta näkyy, että REE-pitoisuuden ja gammasäteilyn intensiteetin välillä on negatiivinen korrelaatio. Tämä käy yksiin gammaspektrometristen mittausten antamien eu- ja eth-pitoisuuksien kanssa ja osoittaa, että Lehmikarin tapauksessa gammasäteilymittauksella ei REE:n etsiminen onnistu. 6 KIRJALLISUUS Mutanen, Tapani 2011. Alkalikiviä ja appiniitteja. Raportti hankkeen "Magmatismi ja malminmuodostus II" toiminnasta 2002-2005. 627 s. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, 9/2011. Olli Sarapää, Timo Ahtola, Thair Al-Ani, Sari Grönholm, Antero Karvinen, Niilo Kärkkäinen, Seppo Lahti, Heidi Laxström, Panu Lintinen, Akseli Torppa ja Pertti Turunen 2013. Hi-tech-metallitutkimukset Suomessa vuosina 2009 2012. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, 161/2013. 7 LIITELUETTELO Liite 1. Gravimetraus- ja magnetometrauskartta. Liite 2. VLF-R:n näennäinen ominaisvastus- ja vaihekulmakartta. Liite 3. Reiän R1 petrofysikaaliset mittaustulokset. Liite 4. Reiän R2 petrofysikaaliset mittaustulokset. Liite 5. Reiän R3 petrofysikaaliset mittaustulokset.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 7 Liite 6. Reiän R4 petrofysikaaliset mittaustulokset. Liite 7. Reiän R1 gammaspektrometraustulokset. Liite 8. Reiän R3 gammaspektrometraustulokset.

Lehmikari. Painovoimakartta Liite 1. Lehmikari. Magneettinen kartta

Lehmikari. VLF-R:n näennäinen ominaisvastuskartta Lehmikari. VLF-R:n vaihekulmakartta Liite 2.

Lehmikari. Reiän R1 petrofysikaaliset mittaustulokset Liite 3.

Lehmikari. Reiän R2 petrofysikaaliset mittaustulokset Liite 4.

Lehmikari. Reiän R3 petrofysikaaliset mittaustulokset Liite 5.

Lehmikari. Reiän R4 petrofysikaaliset mittaustulokset Liite 6.

Depth (m) Lehmikari. Reiän R1 gammaspektrometraustulokset Liite 7. Potassium % -0.5 0 0.5-1 Uranium ppm 0 1 2-1 Thorium ppm 0 1 2 0 Soil 20 Appinite Granite 40 Appinite 60 Granite Appinite 80 100 Granite Appinite Granite Appinite Granite Appinite 120 140 Granite Porphyry pegmatite

Depth (m) Lehmikari. Reiän R3 gammaspektrometraustulokset Liite 8. Potassium % -0.5 0 0.5-1 Uranium ppm 0 1 2-1 0 Thorium ppm 1 2 3 0 Soil 20 40 60 Appinite 80 100 Granite Porphyry granite 120 Granite 140