Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset 2016

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS MIV Espoo 62/2016 Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset 2016 Hanna Leväniemi

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Tekijät Leväniemi, Hanna Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset ja tulkinnat 2016 Tiivistelmä Lempään gabrolla on tehty geofysikaalisia tutkimuksia vuosina 2013-2016. Tässä raportissa täydennetään mittausten kuvaus vuoden 2016 mittausten osalta sekä tehdään yhteenveto gabron geofysikaalisista malleista ja ominaisuuksista. Geofysikaalisesti gabro erottuu ympäristön granodioriitista korkeamman tiheytensä perusteella, ja gabron dimensiot on alustavasti mallinnettu gravimetristen profiilien perusteella. Gabrokivi on melko epämagneettista, mutta muodostuman keskellä on voimakas magneettinen anomalia. Sen aiheuttaa serpentiniittiytynyt peridotiittinen kivi, jolla on myös gabroon verrattuna alhainen tiheys sekä kohonnut johtavuus. Magneettisen inversion perusteella peridotiittinen osio on ainakin pintaosistaan melko pysty. Peridotiittisen muodostuman keskiosassa on sähkönjohtavuusanomalia, jonka dimensioita on mallinnettu numeerisesti. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) gabro, geofysikaaliset menetelmät, magneettiset menetelmät, painovoimamenetelmät, mallinnus, petrofysiikka Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Häme, Forssa, Tammela, Lempää Karttalehdet L422 Muut tiedot Arkistosarjan nimi arkistoraportti Arkistotunnus 62/2016 Kokonaissivumäärä 16 s. Kieli suomi Hinta - Julkisuus julkinen 1.1.2017 Yksikkö ja vastuualue MIV Hanketunnus 50402-20066 Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys Hanna Leväniemi

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 Sisällysluettelo 1 Johdanto 1 2 Maastomittaukset 1 2.1 Slingram-mittaukset 3 3 Kairauksiin liittyvät tutkimukset 5 3.1 Petrofysiikan mittaukset 6 4 Mallinnus 10 5 Yhteenveto 14 5.1 Jatkotoimenpiteet 15

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 1 1 JOHDANTO Tammelan ja Forssan kuntien rajalla sijaitseva Lempään gabro (Kuva 1) on ollut vuosina 2013-2015 Geologian tutkimuskeskuksen Etelä-Suomen yksikön Etelä-Suomen teollisuusmineraali- ja malmipotentiaali hankkeen tutkimuskohteena. Tutkimusten alkuvaiheessa geofysiikan maastomittauksia tehtiin UM:n GTK:n Afganistankoulutushankkeessa. Vuonna 2016 tutkimuksia jatkettiin GTK:n valtakunnallisessa Ni-Cu tutkimusprojektissa. Alueellinen geofysiikka, kohteen tausta ja vuosien 2013-2015 tutkimukset on kuvattu raportissa Leväniemi (2016a). Tutkimuksia jatkettiin vuonna 2016 sähkömagneettisella slingram-maastomittauksella sekä kairareikätutkimuksilla. Lisäksi vuodelle 2016 on suunnitteilla AMT- ja seismiset mittaukset, joka tullaan kuitenkin raportoimaan erikseen. Kuva 1. Lempään gabron sijainti alueellisella kallioperäkartalla. 2 MAASTOMITTAUKSET Vuonna 2016 Lempäällä tehtiin systemaattinen monitaajuus-slingram-mittaus (Kuva 2). Lisäksi paikattiin aiempaan magneettiseen mittaukseen jäänyt aukko yhden linjan profiilimittauksena (Kuva 3), mikä ei käytännössä muuttanut magneettista karttakuvaa. Mittausten tekniset parametrit on kuvattu Taulukossa 1.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 2 Taulukko 1. Vuoden 2016 maastomittaukset. Slingram Magneettinen Laitteisto Linjaväli Linjasuunta Pisteväli Linjaston pituus Apex Maxmin II 50 m NS 20 m 19.8 km taajuudet: 0.4, 1.7, 3.5, 14 khz GSM19W 50 m NS Jatkuva 1.2 km Overhauser mittaus Kuva 2. Slingram-mittauksen linjoitus.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 3 Kuva 3. Magneettisen mittauksen linjoitus. 2.1 Slingram-mittaukset Slingram-mittauksissa havaittiin anomalia lähinnä linjoilla L7-L11 (Kuva 2); voimakkaimmillaan anomalia on linjalla L7 Piippusaaren kohdalla, siitä länteen linjalla L6 anomalia pienenee voimakkaasti, ja itään pain anomalia hiipuu muutaman linjan matkalla. Linjojen L7-L11 kolmea alinta taajuutta mallinnettiin numeerisesti Maxwell-ohjelmiston Platesohutlevyalgoritmilla. Anomalian muoto on slingramille melko epätyypillinen: negatiivisten anomalioiden välissä on erittäin voimakas positiivinen anomalia. Mallilevyinä käytettiin lähes vaakoja levyjä, joiden tuottama vaste vastaa mittausaineistoa suurelta osin (Kuva 4). Ohutlevyillä mallinnetaan johteen yläpintaa, mutta johteen syvyysdimensiota ei saada arvioitua. Levyjen konduktanssina eli johtavuus-paksuus-tulona käytettiin arvoa 30 S ja niiden linjan suuntainen pituus oli 180 m (pl. L7, jolla levyn konduktanssi 5 S ja linjan suuntainen pituus 105 m).

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 4 Kuva 4. Slingram-mittausten (observed) vertailu ohutlevymallinnuksen tuloksiin (calculated) alimmilla taajuuksilla linjalla L7. Yläkuvassa reaalikomponentti, alakuvassa imaginaarikomponentti. Etäisyysnumerointi linjalla kasvaa etelästä kohti pohjoista. Mallinnetut ohutlevyt (Kuva 5) sijaitsevat lähes vaaka-asennossa (kaade 7.5 astetta kohti pohjoista) linjojen keskiosassa ja niiden eteläpäässä sijaitsevan yläpinnan syyvys on 30-35 m maanpinnasta. Linjalla L7 johdelevy nousee lähelle maanpintaa levyn länsipäässä (mallinnuksessa käytetty levy ulottuu kuvasta hieman poiketen linjan L6 yli länteen; linjaa L6 ei mallinnettu eikä sillä ole levyä vastaavaa anomaliaa, joten mallinnuksessa käytetyllä levyllä

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 5 on todennäköisesti yksinkertaistettu monimutkaisempaa rakennetta, joka ei todellisuudessa ulotu linjalle L6). Kuva 5. Mallinnettujen ohutlevyjen sijainti viistosti ylhäältä etelästä katsottuna. 3 KAIRAUKSIIN LIITTYVÄT TUTKIMUKSET Vuonna 2016 kohteeseen kairattiin kolme reikää (Taulukko 2). Reikien sijaintia suunniteltiin geofysiikan mittaus- ja tulkintatulosten perusteella, mutta maanomistajaluvitus ja maastoolosuhteet rajoittivat reikien sijoittelua. Rei'illä saatiin lävistettyä voimakas magneettinen anomaliajakso (Kuva 6). Tavatut kivet ovat lähinnä ultramafisia (kairausraportti Kärkkäinen et al. 2016, valmisteilla), ja malmiutumisen kannalta paras reikä on R49, jossa tavattiin runsaasti (ainakin) magneettikiisua pirotteena ja verkostona reiän puolivälisyvyyden jälkeen. Taulukko 2. Vuoden 2016 kairareikien tiedot. Koordinaatisto EUREF-FIN. Reikätunnus X Y Z (m) Pituus (m) Suunta ( ) Kaltevuus ( ) Maata (m) L4222015R49 6754389.5 319471.4 119.5 301.70 180 40 8.05 L4222015R50 6754411.9 319525.1 119.9 300.15 180 40 5.60 L4222015R51 6754419.2 319525.2 120.1 198.15 360 40 10.30

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 6 Kuva 6. Vuonna 2016 kairatut reiät R49-R51 sekä vuoden 2014 kairaus (L4222014)R35 magneettisella ja pohjakartalla. Magneettinen aineisto on naparedukoitu. 3.1 Petrofysiikan mittaukset Rei'istä mitattiin tiheydet ja magneettiset suskeptibiliteetit Lopen kairasydänvarastolla. Tiheysmittaus tehtiin Lopen vaakalaitteistolla ja suskeptibiliteetit mitattiin KT-20 käsimittarilla: kultakin mitatulta syvyydeltä mitattiin tyypillisesti 5 mittausta eri kohdista näytettä, ja lopullisena tuloksena on käytetty on näiden mittausten keskiarvoa. Sekä syvyyksien että suskeptibiliteettien todettiin laboratoriossa suoritettujen toistomittausten perusteella pitävän käyttötarkoitukseensa nähden hyvin paikkansa laboratoriomittauksiin nähden. R49:n alkuosasta ei saatu tallennettua kaikkia KT20-suskeptibiliteettimittauksia, mutta tässä esitettyä aineistoa on täydennetty vertailun vuoksi mitatuilla laboratoriomittauksilla. Rei'istä on lisäksi otettu palanäytteitä erillisiin suunnatun remanentin magnetoituman ja magneettisen mineralogian tutkimuksiin. Nämä tutkimukset ovat vielä kesken ja raportoidaan erikseen. Alustavat remanenssin intensiteetit esitetään kuitenkin jo tässä raportissa. Rei'ästä R50 mitattiin GTK:n reikämittauslaitteistolla (Forss 2013) jatkuvana mittauksena insitu suskeptibiliteetti, gamma-gamma tiheys, ominaisvastus ja luonnon gammasäteilyn intensiteetti. Reiässä R49 laitteistoa ei saatu laskettua reikään huonosti reikään jääneen suojaputken vuoksi. R51 on toistaiseksi mittaamatta.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 7 Koosteet petrofysiikan mittaustuloksista rei'ittäin on esitetty kuvassa 7. Reiän R49 alkuosassa sekä reiän R50 keskiosassa tiheydet ovat mafisille kiville alhaisia, n. 2700 kg/m 3. Tämä viittaa kiven serpentiniittiytymiseen. Muuten mafisten ja ultramafisten kivien tiheydet ovat korkeita, 3100-3300 kg/m 3. Erityisesti reiässä R50 nähdään alhaisen tiheyden yhteydessä tasainen korkea suskeptibiliteetti (~ 100000 SI) ja alentunut ominaisvastus (eli kasvanut johtavuuskyky). Nämä ominaisuudet sopivat serpentiniitille, jolla magnetiittipitoisuutensa vuoksi on usein korkea suskeptibiliteetti ja kivi voi olla kohtalaisen johtavaa muista ultramafisista kivistä poiketen. Pohjoiseen suuntautuva (Kuva 6) reikä R51 alkaa voimakkaasta magneettisesta anomaliajaksosta, mutta reiän loppuosassa tavataan epämagneettista gabroa. Myös kiven tiheys laskee hieman alkuosan pyrokseniiteista (gabron tiheys 2900-3000 kg/m 3 ). Tiheys-suskeptibiliteetti kuvaajasta (Kuva 8) nähdään kaksi trendiä: tiheydet kasvavat gabroista pyrokseniitteihin, mutta lähtevät madaltumaan serpentiniittiytymisen vaikutuksesta ultramafisilla kivillä. Gabrojen suskeptibiliteetit ovat pääasiassa 2000 10000 SI, eli korkeintaan kohtalaisia kohteen magneettiseen kokonaisanomaliaan nähden. Ultramafisilla kivillä suskeptibiliteetit ovat gabroihin nähden yli kymmenkertaisia. Joillakin korkean tiheyden näytteillä on myös korkeita suskeptibiliteetteja, mutta serpentiniittiytyminen kasvattaa kivien suskeptibiliteettia (primäärinen ja sekundäärinen magnetiitti?). Ultramafisten kivien remanentin magnetoituman suhde indusoituun magnetoitumaan eli Q- suhde on n. 0.5-1 (Kuva 9). Tämä tarkoittaa, että remanenssi ei ole merkittävä magneettisen anomalian aiheuttaja vaan magneettisen anomalian suuruus riippuu enimmäkseen suskeptibiliteetista. Gabroilla Q-suhteet ovat korkeampia, mutta toisaalta gabrojen aiheuttama kokonaismagnetoituma jää edelleen huomattavasti pienemmäksi kuin ultramafisten kivien.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 8 Kuva 7. R49-R51 kivilajit ja petrofysikaaliset ominaisuudet. D = tiheys (kg/m 3 ), K_uSI = magneettinen suskeptibiliteetti ( SI), log_res = insitu-ominaisvastus ( m) logaritmisella skaalalla esitettynä, Sulphides = kairareikäraportoinnin malmiutumistieto (1 = pirote, 2 = pirote ja verkosto, 3 = verkosto, juoni).

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 9 Kuva 8. Kairareikien R49-R51 petrofysiikan näytteiden tiheys-suskeptibiliteetti -kuvaaja.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 10 Kuva 9. Kairareikien R49-R51 petrofysiikan näytteiden Q-suhde-suskeptibiliteetti -kuvaaja. 4 MALLINNUS Edellä esitettyjä tuloksia ja aineistoja voidaan käytää tarkentamaan ja varmentamaan kohteesta tehtyjä geofysikaalisia mallinnuksia. Magneettinen inversiomalli (Leväniemi 2016a) on mittausaineistosta mallinnettu 3D-malli kallioperän suskeptibiliteettijakaumasta. Geofysiikan inversiotuloksille on ylipäätään ominaista, että ne kuvaavat yhtä mahdollista fysikaalisen ominaisuuden jakautumamallia, mutta eivät välttämättä juuri sitä, mikä kohteessa vallitsee. Tämän vuoksi inversiomalliin on syytä lisätä ns. rajoitteita tai malli on validoitavat mahdollisuuksien mukaan todellisen mittausaineiston avulla. Lempään inversiomalli sopii hyvin yhteen uusien kairareikien kanssa. Kairareikäprofiililla R50-R51 (Kuva 10) inversiomallin korkeat suskeptibiliteetit osuvat hyvin yhteen reiän R50 (ainakin osin serpentiniittiytyneiden) duniitti-peridotiitti-oliviinipyrokseniitti -kivien kanssa, joissa myös kairareikämittausten mukaan on korkeimmat suskeptibiliteetit. Inversiomallin antamat suskeptibiliteetit ultramafisen kiven kohdalla ovat n. 0.1 0.17 SI, vastaavassa kohdassa mitatut arvot ovat luokkaa 0.08-0.1 SI, mutta kun otetaan huomioon remanentin magnetoituman tuoma lisä magnetoitumaan (Q=0.5-1), inversiomallin antamat "efektiiviset" suskeptibiliteetit sopivat hyvin yhteen petrofysiikan mittaustulosten kanssa.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 11 Kuva 10. Kairareikien kivilajien ja mitattujen suskeptibiliteettien vertailu magneettiseen inversiomalliin kairareikäprofiililla R50-R51. Jos oletetaan, että inversiomallin voimakas magneettinen anomalia edustaa kauttaaltaan ultramafisimpia kiviä, mallista voidaan luoda näitä kiviä edustava 3D-volyymikappale rajaamalla siitä pelkästään arvon k=0.1 SI ylittävät suskeptibiliteetit. Inversion perusteella ko. kappaleen syvyys on alle 500 m (tosin inversiossa kappaleen alapinnan syvyys on haasteellisin ratkaistava) ja kappaleen asento on lähes pysty. Syvin kohta asettuu vuoden 2016 kairausten länsipuolelle, suurinpiirtein Piippusaaren kohdalle.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 12 Kuva 11. Magneettinen inversiomalli rajattu arvoon k>0.1 SI katsottuna etelälounaasta (vasemmalla) ja lännestä (oikealla). Kohteen poikki on vedetty muutama gravimetrinen ristiprofiili, joiden perusteella on mallinnettu gabron laajuutta olettaen muodostuman suhteelliseksi homogeeniseksi keskiarvotiheydeksi +330 kg/m 3 ympäröivään granodioriittiin nähden (Leväniemi 2016) (jos siis granodioriitin tiheys olisi 2670 kg/m 3, gabromuodostuman tiheys mallissa olisi 3000 kg/m 3 ). Gravimetrinen malli viittaa melko pyöreään kappaleeseen, joka kaatuu 70 asteen kaateella lähes kohti kaakkoa (suuntaan 140). Malli on itäosastaan auki. Kuvassa 12 on esitetty gravimetrisen mallin ylä- ja alapinta (yhtenäinen viiva indikoi kohtia, joissa mittauslinja ylittää mallin). Magneettisesta inversiomallista leikattu, ultramafisia/serpentiniittiytyneitä kiviä edustava k>0.1 SI mallikappale sijaitsee keskellä korkean tiheyden kappaletta. Gabromuodostuman koko on mallin perusteella DigiKP:n (v 1.0) gabroa laajempi.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 13 Kuva 12. Gravimetrisen mallin ja magneettisen inversiomallista leikatun kappaleen k>0.1 SI dimensiot pohjakartalla. Slingram-aineistolle mallinnettu ohutlevymalli (ks. Kuva 5 ja siihen liittyvä teksti) sopii hyvin yhteen magneettisesta inversiomallista leikatun "ultramafisen" mallikappaleen kanssa (Kuva 13). (Tässä yhteydessä kannattaa ottaa huomioon, että ohutlevymallinnuksessa mallinnetaan johteen yläpintaa, johteen syvyysdimensiota ei saada mallinnettua.) Vaikka serpentiniitti on reiän R50 petrofysiikan mittausten perusteella melko johtavaa, ei slingram-anomalia ja siitä johdettu ohutlevymalli kuitenkaan ulotu magneettisen kappaleen kulun suunnassa kuin sen keskiosiin. Reiässä R50 kiisujen määrä ei ollut yhtä korkea kuin reiässä R49 (josta ei saatu mitattua johtavuusprofiilia), eikä kiisujen aihettamaa johdeanomaliaa voida petrofysiikan perusteella arvioida luotettavasti. On kuitenkin mahdollista, että ohutlevyllä mallinnettu taso liittyy muodostuman ultramafisessa osiossa olevaan kiisuuntumaan (joskin reiässä R49 parhaat kiisuutumat ovat kairareikäraportoinnin perusteella syvyydellä > 140 m, mikä on slingramin syvyysulottuvuuden tavoittamattomissa). Vastusluotausmittausten tulkintatulos (Taija Huotari-Halkosaari) tuntuu ainakin osittain liittyvän serpentiniittiin, mutta näissäkin tuloksissa anomalia kasvaa kohti länttä (Leväniemi 2016).

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 14 Kuva 13. Magneettinen inversiomalli (k>0.1 SI), slingram-aineistosta mallinnettu ohutlevymalli ja vastusluotausmittauksen (ERT) linjalta 3 tulkittu ominaisvastusleikkaus (vaaleanpunainen=johtavin, sininen=resistiivisin alue) esitettynä kairareikien kanssa. Katsontakulma lounaasta. 5 YHTEENVETO Lempään gabrolla on tehty magneettisia, gravimetrisia, vastusluotaus-, IP- ja petrofysikaalisia mittauksia ja aineiston mallinnuksia vuosina 2013-2016. Mittausten alkuvaiheessa tutkimukset liittyivät Ulkoministeriön GTK:n Afganistan-koulutushankkeeseen, mutta myöhemmin niitä on jatkettu Etelä-Suomen teollisuusmineraali- ja malmipotentiaalihankkeessa sekä valtakunnallisessa Ni-Cu tutkimusprojektissa. Gravimetrisen mallinnuksen perusteella voidaan rajata laaja (halkaisija n. 1.5 km), pyöreähkö gabromuodostuma. Muodostuman keskiosassa on voimakas itä-länsi suuntainen magneettinen anomalia (pituus n. 800 m). Kairasydännäytteiden petrofysiikan mittausten perusteella anomalian aiheuttaja on lähelle pintaa tuleva ainakin osittain serpentiniittiytynyt ultramafinen kivi. Magneettisen inversion perusteella ultramafinen osio on melko pysty ja sen syvyys on alle 500 m. Serpentiniittiytyneissä osissa kiven tiheys on laskee huomattavasti ja kiven johtavuus kasvaa. Sähköisten ja sähkömagneettisten mittausten perusteella serpentiniitti voi aiheuttaa osan tulkituista johtavuusanomalioista, mahdollisesti yhdessä kairauksissakin tavattujen kiisujen kanssa. Mallinnuksen perusteella johtavuusrakenne nousee lähemmäs pintaa nykyisten kairausten länsipuolella Piippusaaren seudulla.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 15 5.1 Jatkotoimenpiteet Lempään kohteesta n. 5 km päässä sijaiseva Särkisuon mineralisoitunut gabro on geofysikaalisesti melko samankaltainen: tiheydeltään ympäristöstään erottuvan mutta melko epämagneettisen gabron keskiosissa on korkean magnetoituman ultramafisempi osio (Leväniemi 2016b). Samankaltaisuuden vuoksi Hämeen vyöhykkeen gabroilta on poimittu gabroiksi luokitelluilta kallioperäalueilta anomalioita, jotka erottuvat selkeästi voimakkaan magneettisina, ja näiden ylitse vedetään painovoima-, magneettiset ja sligram-maastoprofiilit 2016-2017 aikana (Kuva 14). Kuva 14. Uusien kohteiden tutkimusprofiilien sijainnit. Tämän lisäksi Lempään kohteella tehdään AMT-tutkimus syksyllä 2016 kohteen johderakenteiden ja niiden syvyysulottuvuuksien tarkentamiseksi. Tutkimuksesta vastaa geofyysikko Ilkka Lahti. Alueella on käynnissä alueellinen painovoimamittaus (4-6 p/km 2 ), joka tulee tarkentamaan yleistä kuvaa Forssan seudun gabrojen rakenteesta ja dimensioista. Tällä hetkellä mittaus yltää pohjoisen suunnasta juuri Lempään gabron pohjoisosaan.

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 62/2016 16 Alueella on yhteistyössä Oulun yliopiston kanssa suunniteltu heijastusseismistä mittausta, jolla pyritään saamaan lisätietoa gabron kontakteista ympäröivään granodioriittiin sekä muodostuuman sisäisestä rakenteesta. Kirjallisuus Forss, H. 2013. GTK:n "langaton" reikämittauslaitteisto. In: Lahti, M. (toim.) Sovelletun geofysiikan XIX neuvottelupäivät 24.-25.9.3024, Eurajoki. Vuorimiesyhdistys, Sarja B, Nro 96. Leväniemi, H. 2016a. Lempään gabron geofysikaaliset tutkimukset 2013-2015. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti 137/2015. 22 s + 1 liite. Leväniemi, H. 2016b. Särkisuon gabron geofysikaaliset tutkimukset 2014-2015. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti 136/2015. 14 s + 26 liitettä.