R,"115TOKAPPAL GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS M 19/3432/-80/2/60 Koskee : 3343 3344 3433 4321 l '~)".Paltamo Olli Äikäs 5.12.1980 GEOKEMIALLISTEN NÄYTTEIDEN URAANIPITOISUUDEN MÄÄRITYS KAINUUN - YLÄ-SAVON MUSTALIUSKE-SERPENTINIITTIJAKSON TUTKIMUKSESSA VUONNA 1980 I Menetelmäkuvaus ja alustavat tulokset
SISÄLLYS Sivu 0 Johdanto 1 0.1 Työn tarkoitus 1 0.2 Uraani mustaliuskeissa 1 1 Näytteiden radioaktiivisuuden mittaus ja uraanin 2 analysointi 1.1 Näytteen kulku 2 1.2 Säteilymittauslaitteisto 2 1.3 Mittauksen virhelähteet 2 Alustavat tulokset 4 2.1 Säteilymittauksen ja uraanipitoisuuden vastaavuus 4 2.2 Uraanipitoisuudet näytelajeittain 4 3 Tulosten tarkastelu 5 3.1 Säteilymittauskokeilun arviointi alustavien tulosten 5 perusteella 3.2 Tarvittavat kohteelliset jatkotutkimukset 6 4 Yhteenveto Kirjallisuusviitteet 7 Liite 1. Ohje geokemiallisten näytteiden säteilymittausta varten.
0 Johdanto 0.1 Työn tarkoitus Kainuun ja Ylä-Savon mustaliuskemuodostumiin liittyy läheisesti uraanimineralisaatioita Paltamossa (Nuottijärvi), Sotkamossa (Losonvaaran alue), Rautavaaralla (Moisio) ja Nilsiässä (Temo). Vuonna 1980 tällä alueella tehtyyn mustaliuske-serpentiniittijaksen tutkimukseen (Talvitie j.a..muut 1980) liitettiin tältä pohjalta myös geokemiallisten näytteiden radioaktiivisuuden mittaus sekä uraanipitoisuuden määritys. Malmiosaston uraaniryhmälle tutkimus oli samalla menetelmäkokeilu, jossa haluttiin saada kokemusta suurten näytemäärien tutkimisesta - tietyt virhelähteet tiedostaen - ryhtymättä kuitenkaan massiiviseen näytteiden analysointiin. 0.2 Uraani mustaliuskeissa Mustaliuskeeksi luokitellut kivilajit sisältävät uraania keskimäärin 8 ppm pitoisuuden vaihdellessa rajoissa 3-250 ppm. Mariinisten mustaliuskeiden keskimääräinen uraanipitoisuus on 20 ppm. Yli 20 ppm uraania sisältäviä mustaliuskeita pidetään poikkeuksellisen uraanipitoisina (Swanson 1961, Bell 1978). Outokummun alueelta Kainuuseen ulottuvassa mustaliuske-serpentiniittijaksossa (Talvitie ja muut 1980) on aikaisemmin määritetty uraanipitoisuuksia Sotkamon Talvivaaran Cu-Ni-Co-Zn-anomaalisesta mustaliuskeesta, jossa tyypilliset pitoisuudet ovat 10-30 ppm (Ervamaa 1980). Jakson eteläosan mustaliuskeissa Outokummun alueella uraanipitoisuudet ovat anomaalisia : Peltolan (1960) ilmoittaman 17 näytteen keskipitoisuus on 51 ppm ja vaihteluraja 8.5-120 ppm. Varsinaisena uraanimalmina mustaliuske tulee kysymykseen vain erikoistapauksessa, esimerkiksi Ruotsin Ranstadissa, missä alunaliuskemuodostumassa tunnetaan 300 000 tonnia uraania sisältävä esiintymä, jossa keskipitoisuus on 300 ppm uraania.
- 2 - Mustaliuskeiden ja yleensä grafiittipitoisten liuskeiden suurin merkitys uraaninetsinnän kannalta on niiden kyky sitoa itseensä uraania syngeneettisesti. Geologisissa prosesseissa näistä muodostumista mobiloitunut uraani.voi rikastua varsinaisiksi malmeiksi (vrt. Australia ; Bell 1978). Uraanin suhteen anomaalisten liuskevyöhykkeiden paikantaminen voi johtaa tällaisen sekundäärisesti rikastuneen uraanimalmin löytymiseen. Toisaalta, jos muita metalleja sisältävään liuskeeseen liittyy anomaalinen uraanipitoisuus, voidaan uraania saada sivutuotteena edellyttäen että rikastustekniset ja metallurgiset ongelmat hallitaan. 1 Näytteiden radioaktiivisuuden mittaus ja uraanin analysointi 1.1 Näytteen kulku Näytteiden esikäsittelyyn liitettiin gammasäteilymittaus kuivatuista, kokonaisista näytteistä. Mittaustulokset kirjattiin kenttäkorttiin, ja tietyn anomaliakynnyksen ylittäneestä näytteestä pantiin jauhatuksen jälkeen gramman suuruinen erä uraanianalyysiin toimitettavaan ampulliin. Ampullit lähetettiin geokemian osaston Väli- Suomen laboratorion kautta Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen reaktorilaboratorioon, missä näytteen uraanipitoisuus määritettiin viivästyneiden neutronien laskemiseen perustuvalla "Rapiduran"-menetelmällä (Rosenberg ja muut 1976). Tulokset saatiin listauksena uraaniryhmän geologille Kuopioon sekä reikänauhana geokemian osastolle Otaniemeen. Näytteet palautetaan puolen vuoden karanteeniajan jälkeen geokemian osastolle Väli-Suomeen. 1.2 Säteilymittauslaitte.isto Gammasäteilyn mittaamiseen näytteistä käytettiin Nuclear Enterprises Scaler/Timer ST 3-laskinta, joka oli
3 yhdistetty skintillometrin anturiin (Wallac, 2"). Mittaustilanteessa sekä anturin tuikeaine että näytepussi. oli sijoitettu seinämiltään viiden senttimetrin vahvuiseen lyijykammioon (kuva 1). Uraani- ja toriumpitoisuuksiltaan tunnetuista näytteistä kootun referenssinäytesarjan avulla mittauslaitteiston säädöt sovitettiin niin, että erotuskyky oli optimaalinen alueella 10-100 ppm : mittausaika 30 sekuntia, jännite 1100 V, pulssien määrä sekä energiataso rajoittamaton. Laitteistolla mitattiin siten totaalisäteilyä. Referenssinäytesarjan perusteella valittiin anomaliakynnykseksi 150 pulssia/30 sek., mikä vastasi noin 10 ppm uraanipitoisuutta referenssinäytteisaä (liite l ; kuva 2). 1.3 Mittauksen virhelähteet Mittaustilanteen olennaisimmat virhelähteet olivat näytteiden sisältämän uraanin mahdollinen. epätasapaino hajoamistuotteiden kanssa. Uraanisarjan pääasi:alline.n.gammta-säteilijä on Bi-214 ; ellei näyte ole radiometrisessä tasapainossa, saadaan esim. pelkkiä tytäralkuaineita sisältävistä näytteistä säteilymäärään nähden liian alhaisia uraanipitoisuuksia. Toisaalta hydromorfiset uraanianomaliat saatetaan menettää kokonaan. koska laitteisto toimi totaalisäteilymittarina, lisäävät näytteiden sisältämä kalium-40 ja torium säteilymittauksen ja uraanipitoisuuden keskinäistä hajontaa Muita virhelähteitä ovat näytteiden pieni massa sekä näytemäärän vaihtelu laitteiston mahdollinen käynti gammasäteilyn satunnainen luonne ilmiönä kosmisen säteilyn vaikutus mittaushuoneen radioaktiivisuus (mahdolliset radioaktiiviset näytteet) lyijysuojaan näytteistä jäänyt pöly Ympäristön ja laitteiston vaikutusta mittaustilanteeseen seurattiin mittaamalla referenssilukemat säännöllisesti koko tutkimuksen ajan (tyhjä lyijykammio/ref.näyte = 35 ppm U/ ref.näyte = 50 ppm U ; kuva 2) Olennaisia muutoksia ei näissä mittauksissa havaittu.
2 Alustavat tulokset 2.1 Säteilymittauksen ja uraanipitoisuuden. vastaavuus Mittauksen virhelähteet huomioonottaen. voitiin säteilymittauksen ja määritettyjen uraanipitoisuuksien väliseen suhteeseen odottaa suurta hajontaa. Säteilylukemien ja uraanipitoisuuksien lineaarinen regressio esimerkiksi Paltamon - Sotkamon ja Rautavaaran alueiden pedogeokemiallisissa näytteissä osoittaa kuitenkin kohtalaisen hyvää vastaavuutta (kuva 3). Aineiston tilastollisessa tarkastelussa on huomattava, että saadut uraanipitoisuudet eivät edusta koko näytemäärää vaan siitä radioaktiivisuuden avulla valittua, alunperin vinoa otosta. Näytelajeittain ja alueittain tarkasteltujen uraanipitoisuuksien jakaumat ovat silti lähinnä lognormaalisia, suurten rapakallionäytemäärien osalta lähes normaalisia. Gammasäteilyyn perustuvan anomaliakynnyksen käyttäminen riittää aiheuttamaan regressiosuorien kulmakertoimen poikkeamisen referenssinäytesarjaan sovitetun suoran kulmakertoimesta (kuvat 2 ja 3). 2.2 Uraanipitoisuudet näytelajeittain Mustaliuske-serpentiniittijakson tutkimuksessa kertyneistä geokemiallisista näytteistä toimitettiin uraanianalyysiin yhteensä 837 näytettä. Noin puolet tästä määrästä oli kallionäytteitä, kolmasosa rapakallionäytteitä ja loput moreeni- ja hiekkanäytteitä. Mustaliuskevyöhykkeistä otettujen kallionäytteiden keskipitoisuudet (8-11 ppm U ; taulukko 1) vastaavat mustaliuskeiden tavallisia uraanipitoisuuksia. Suurimmat pitoisuudet, 35-53 ppm U, havaittiin karttalehdeltä 3433 01, Sotkamon Kokkomäen uraani-fosforiesiintymän lounaiselle jatkeelle sijoittuvista mustaliuskepaljastumista.
5 Rapakallionäytteiden uraanipitoisuus, on olennaisesti korkeampi kuin kallionäytteiden (taulukko 1), mikä. voi johtua uraanin rikastumisesta rapakallioon tai - todennäköisemmin - siitä, että näytteet on otettu kokonaan eri vyöhykkeestä tai kerroksesta kuin kallionäytteet. Paltamon alueen rapa kallionäytteiden keskipitoisuus, 18 ppm U, on sinänsä lähes anomaalinen mustaliuskeille, Sotkamon ja Rautavaaran näytteiden taso on selvästi alhaisempi (14 ja 11 ppm U). Suurimmat rapakallioissa tavatut uraanipitoisuudet, 44-78 ppm, sijoittuvat Paltamon alueen karttalehdille 3432 11 B ja 12 A (kuva 4). Alustavan tarkastelun perusteella korkeat uraanipitoisuudet seuraavat korkeita sinkki ja/tai kupari-nikkelipitoisuuksia. Kaikille tutkimuksessa kertyneille moreeninäytteille laskettu keskipitoisuus on 5 ppm U. 3 Tulosten tarkastelu 3.1 Säteilymittauskokeilun arviointi alustavien tulosten perusteella Menetelmäkokeiluna tutkimus on ensimmäisessä vaiheessa, josta saatujen tulosten avulla tehdään mm. muutamilta näytelinjoilta systemaattinen näytteiden analysointi uraani-, torium- ja kaliumpitoisuuksien ja -suhteiden selvittämiseksi sekä mahdollisen radiometrisen epätasapainon toteamiseksi. Kuitenkin jo ensimmäisen vaiheen tuloksista voidaan todeta, että gammasäteilymittauksella seulottu suuri näytejoukko on tuottanut useita mielenkiintoisia uraanianomalioita, jotka muuten olisivat saattaneet jäädä huomaamatta tai jotka massa-analysoinnissa esiintulleina olisivat aiheuttaneet kokonaan toista luokkaa olevat kustannukset. Saaduilla anomalioilla.on merkitystä sekä uraaninetsinnän että mustaliuskemuodostumien tutkimuksen kannalta.
6 3.2 Tarvittavat kohteelliset jatkotutkimukselle Tulosten tarkastelu ja saatujen anomalioiden arviointi on vasta alustavaa. Useimpien anomalioiden tutkiminen vaatii lisäanalyyseja olemassaolevista näytteistä sekä monessa tapauksessa näytteenoton tihentämistä joko Cobrakalustolla. tai paineilmaporakoneella. Lupaavimmat anomaliat sijoittuvat Paltamon alueelle, karttalehdelle 3432 11 B, jossa esimerkiksi Haapaselän anomaliat (kuva 4) ovat erityisen mielenkiintoisia : rapakallionäytteissä on useiden korkeiden uraanipitoisuuksien keskittymä liittyneenä korkeisiin sinkkipitoisuuksiin (maksimi 77 ppm U/0.5 % Zn). Irtomaapeitteiden paksuuden vuoksi anomalian selvittäminen tuskin onnistuu muuten kuin tutkimusluontoisella syväkairauksella. 4 Yhteenveto Kainuun - Ylä-Savon mustaliuske-serpentiniittijakson tutkimukseen liittyen määritettiin anomaalisesti radioaktiivisten lito- ja pedokemiallisten näytteiden uraanipitoisuuksia. Litogeokemiallisten näytteiden uraanipitoisuudet osoittautuivat tyypillisiksi mustaliuskeille yleensä. Erityisesti Paltamon alueen rapakallionäytteistä havaittiin lähes anomaalinen pitoisuustaso sekä useita korkeita uraanipitoisuuksia, jotka antavat aihetta tarkempiin kohteellisiin jatkotutkimuksiin. Tutkimuksen yhteydessä'kokeiltu säteilymittauslaitteisto osoittautui soveliaaksi tämän tyyppiseen analysoitavien näytteiden valintaan ; lausunto menetelmän sopivuudesta laajempaan käyttöön voidaan kuitenkin antaa vasta lisätutkimusten valmistuttua.
7 Kirjallisuusviitteet Bell, R.T. 1978 : Uranium in black shales - a review. sivut 307 329 teoksessa Kimberley, M.M (toim.), Short course in uranium deposits : their mineralogy and origin. Mineralogical Association of Canada, Short course handbook, vol. 3. Ervamaa,P,. 1980 : Talvivaaran nikkeli-kupari-sinkkiesiintymä. Geologi 32, 93 (tiivistelmä). Peltola,E., 1960 : On the black schists in the Outokumpu region in eastern Finland. Bull. Comm. Geol. Finlande 192. Rosenberg, R.J., Pitkänen, V. and Sorsa, A., 1976 : An automatic uranium analyser based on delayed neutron counting. Proc. 1976 International Conference Modern Trend in Activation Analysis, MUnchen, F.R. Germany, 13 to 17 September 1976, pp. 131-139. Swanson, V.E., 1961 : Geology and geochemistry of uranium in marine black shales. A review. U.S.G.S. Prof. Pape r 356-C. Talvitie J., Damsten, M., Heino, T., Niemelä, M., Vanne, J., Äikäs, O. ja Tervo T., 1980 : Väliraportti Kainuun ja Ylä-Savon mustaliuske-serpentiniittijakson malmitutkimuksista vuonna 1980. Geologinen tutkimuslaitos, raportti M 19/3432/-80/1/10.
Kuva 1. A. Pulssi-laskin Nuclear Enterpises Scaler/Timer ST 3. B. Lyijykammio, jonka sisään on asennettu laskimeen yhdistetty skintillometrin anturi. Kuva 2. Lineaarinen ja eksponentiaalinen (katkoviiva) käyräsovitus referenssinäytesarjan (Liite 1 ; näyte 3 on jätetty pois) säteilyintensiteetille ja uraanipitoisuudelle. Kuvioon on lisätty seurantamittauksessa saatujen pulssimäärien keskiarvot ja -hajonnat. Kuva 3. Pedogeokemiallisten näytteiden säteilyintensiteetin ja uraanipitoisuuden sirontakuviot ja regressiosuorat korrelaatiokertoimineen Paltamon-Sotkamon ja Rautavaaran alueilta. Kuva 4. Kartta pedogeokemiallisten näytteiden uraanipitoisuuksista Paltamon Haapaselän ja Vehmasmäen alueilla. Taulukko 1. Kainuun - Ylä-Savon mustaliuske-serpentiniittijakson tutkimuksessa saatujen uraanipitoisuuksien keskiarvo, keskihajonta ja mediaani näytelajeittain ja alueittain esitettynä.
Kuva 2
Kuva 3
Kuva 4. Vehmasmäki
Näytelaji/alue/karttalehti N x PPm s PPm med PPm. LITO : Paltamo 3432 11 78 11 6 11' soma Sotkamo 3344 06 283 8 3433 01,02,04,06, 6 6 3431 10 Rautavaara 3344 07 60 11 6 11 PEDO : Paltamo 3432 08,11,12 126 18 11 15 rapakallio Sotkamo 3344 06 42 14 7 14 Rautavaara 3343 11 108 11 7 9 3344 4321 07 04 PEDO : moreeni kaikki alueet 65 5 4 3 N näytteiden lukumäärä uraanipitoisuuksien aritmeettinen keskiarvo s uraanipitoisuuksien keskihajonta med lognormaalisen jakauman mediaani Taulukko 1
Liite 1 GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS Ohje Eeokemiallisten näytteiden Malmiosasto/uraaniryhmä säteilymittausta varten OPÄ 15.4.1980 1 (3+1) MOREENINAYTTEIDEN SHEILYMITTAUSKOKEILU Kokeilun tarkoitus Kainuussa ja Ylä-Savossa vuoden 1980 aikana suoritettavan laajan geokemiallisen tutkimuksen moreeninäytteiden radioaktiivisuus mitataan systemaattisesti näytteiden esikäsittelyn yhteydessä. Tarkoituksena on tutkia koko suuri näytemäärä mahdollisimman vaivattomasti ja riittävän tarkasti ilman oleellista vieraiden palvelujen osuuden kasvattamista. Tähän asti ei geokemiallisten tutkimusten moreeninäytteiden uraanipitoisuutta ole systemaattisesti tutkittu juuri analysointikustannusten takia. Mittauslaitteisto Kokeilussa käytettävä laitteisto on hankittu aikanaan geokemian osaston orgaanisten näytteiden radioaktiivisuuden mittausta varten Pohjois-Suomeen Laitteiston vaatimukset ovat samat sekä orgaaniselle että moreeninäytteille : taustasäteilyn osuus pitää saada mahdollisimman pieneksi ja pulssien laskentaaika riittävän suureksi, jotta erotuskyky riittää alhaisia uraanipitoisuuksia sisältäville pienille näytteille. Kajaanissa sijaitsevaan esikäsittelyvaunuun on sijoitettu lyijysuoja ( seinämien paksuus 5 cm), skintillometrin anturi (Wallac, 2" kide) ja anturin lähettämiä pulsseja mittaava laskin (scaler/timer ST 3, Nuclear Enterprises). Sekä kide että näyte ovat mitattaessa lyijysuojan sisällä. Porasoijanäytteistä kootun vertailunäytesarjan avulla mittauslaitteistoa kokeiltiin ja säädettiin (10.4.-80) siten, että sen erotuskyky olisi mahdollisimman hyvä alueella 10-100 ppm U. Mittausaika on 30 sekuntia, jännite 1100 V, pulssien määrä rajoittamaton ja energiakynnys minimissään (laite mittaa kokonaissäteilyä, eikä uraania ja toriumia voida erottaa toisistaan).
2 Mittaus Ennen mittauksen aloittamista laitteiston on syytä antaa "lämmetä" muutamien minuuttien ajan. Lyijysuoja on puhdistettava pölystä paineilmalla säännöllisesti ja erityisesti likaisten tai vuotavien pussien mittaamisen jälkeen. Mittauspaikalla ei myöskään saa säilyttää voimakkaasti säteileviä näytteitä. Anomaaliset näytteet Tulosten seuranta mittaaminen : avaa lyijysuojan kansi ja aseta näytepussi anturin päälle sulje kansi nollaa scaler (RESET) käynnistä mittaus (START) lue tulos ja merkitse se kenttäkorttiin näytteen kohdalle (katkoviivalle tai vasempaan reunaan) vaihda lyijysuojaan uusi näyte ja jatka mittausta nollauksen jälkeen samaan tapaan Jokaisen täyden kenttäkortin alkaessa tehdään kontrollimittaus, jonka tulokset merkitään kenttäkortin yläreunaan : t - lyijysuoja tyhjänä 4 - vertailunäyte 4 5 - vertailunäyte 5 Näytteiden purkitusvaiheessa laitetaan yksi mittalusikallinen (1 g) jauhetta VTT :n purkkiin niistä näytteistä, joiden mittaustulos on 150 p/30 sek tai suurempi. Purkit numeroidaan näytenumerolla ja lähetetään Savilahteen. Laboratoriossa näytteet numeroidaan juoksevalla uraanianalyysinumerolla ja toimitetaan sopivina sarjoina Esko Räisäselle Otaniemeen. Analyysitulokset saadaan VTT :ltä listoina ja reikänauhoina. Tuloslistat ja lähetyslistan kopio toimitetaan uraaniryhmän kautta näytteenotosta vastaavalle geologille, reikänauha geokemian osastolle, Analyysituloksia ja kenttäkortteihin merkittyjä mittaustuloksia tulisi seurata sekä laitteiston käynnin havaitsemiseksi että mahdollisten alueellisten säteilytason nousujen takia. Tarkastelun
voisivat tehdä työstä vastaava geologi ja uraaniryhmän geologi esimerkiksi kuukausittain tai työkohteiden mukaan. Anomaalisten uraanipitoisuuksien vaatimista jatkotutkimuksista tehdään suunnitelmat tarpeen mukaan tapaus kerrallaan. ILUZ ~_5 Olli Äikäs Liite Vertailunäytesarjan uraani- ja toriumpitoisuudet ja mittaustulokset. Jakelu Geökemia/Savilahti Sirkka Hynynen Timo Heino Jouko Vanne Esko Räisänen