Raportti P 34.4/2007/100 GeoSatakunta hanke 01.07.-31.12.2007 Kallioperän rakennegeologiset tutkimukset Satakunnassa - Väliraportti Marit Wennerström, Matti Pajunen ja Pekka Wasenius Espoo 21.12.2007 Siirros- ja rakorakenteita oliviinidiabaasissa, Lappi, Satakunta.
Satakunnan kallioperästä Satakunnan kallioperä koostuu eri ikäisistä muodostumista. Varhaisempi svekofenninen osa kehittyi monivaiheisen saarikaaritörmäyksen ja -romahtamisen seurauksena noin 1.9-1.8 miljardia vuotta (Ga) sitten. Sen kivilajeina ovat erilaiset pintasyntyiset kivet, esimerkiksi kiillegneissit ja metavulkaniitit, sekä syväkivet, kuten granodioriitit ja graniitit (Kuva 1). Myöhemmin nämä kivet ovat deformoituneet voimakkaasti. Tutkimalla eri rakennegeologisia ominaisuuksia sekä metamorfisia ja magmaattisia tapahtumia on saatu suhteellisen hyvä käsitys kallioperän varhaisista tektonisista kehitysvaiheista. Suomessa rapakivet ovat tunkeutuneet maankuoreen proterotsooisen ja mesoproterotsooisen maailmankauden taitteessa, useassa vaiheessa noin 1.67-1.52 Ga sitten. Satakunnan rapakivet kuuluvat nuorempaan rapakivipulssiin. Niiden kehitykseen liittyvä hieman varhaisempi emäksinen magmakivivaihe tuotti ns. subjotunisia diabaasijuonia, jotka leikkaavat terävärajaisesti svekofennistä kallioperää. Rapakivet ovat lähes deformoitumattomia, mutta niissäkin on pieniä merkkejä nuoremmista tektonisista tapahtumista. Satakunnan kallioperän nuorimpia kiviä ovat heikosti metamorfoituneet jotuniset hiekkakivet, jotka kerrostuivat noin 1.3-1.2 Ga sitten, ja post-jotuniset noin 1.25 Ga vanhat diabaasit, hiekkakiveen tunkeutuneet laaja-alaiset lakkoliittimaiset ( sienimäiset ) emäksiset intruusiot. GeoSatakunta-hankkeen aikana tehdyt havainnot osoittavat, että hiekkakivi on paikoin heikosti liuskeinen ja siirrostunut. Kohtalaisen voimakkaita siirroksia tavataan myös oliviinidiabaasissa. Satakunnan kallioperän erityispiirre, post-svekofennisten kivien laaja-alainen esiintyminen, tarjoaa hyvät mahdollisuudet svekofennistä orogeniaa nuorempien, hauraiden tektonisten vaiheiden analyysille. Tutkimusalue on otollinen myös siksi, että alueelta on käytettävissä GTK:n tuottamat yksityiskohtaiset 1:100 000 mittakaavaiset kallioperäkartat ja sieltä on tehty mittava rakennegeologinen pohjatyö, mm. Pietikäisen (1994) väitöskirjassa, GGT-projektissa (Korsman et al. 1999), useissa Olkiluodossa tehdyissä tutkimuksissa (esim. Mattila et al. (in press), Anttila et al. 1999) ja tämän projektin esivaiheessa (Pajunen et al. 2001). Esivaiheessa Satakunnan svekofennisen kallioperän rakenteista koottiin laaja aineisto, jota on ehditty käsitellä vasta alustavasti. Hauraiden rakenteiden osalta analysointi on alussa ja nuorempien, postsvekofennisten kivien tutkimus aloittettiin vasta 2006. Eri-ikäisissä kivissä esiintyviä hauraita rakenteita on tarkoitus korreloida keskenään ja selvittää kallioperän rikkonaisuusrakenteiden syntyyn vaikuttaneita lainalaisuuksia. Tämän avulla päästään hahmottamaan rakenteiden sijaintia ja ominaisuuksia ja edesauttamaan ennusteiden tekemistä alueilla, josta maastoaineistoa ei ole saatavilla. Satakunnassa analyysi tuottaa myös uutta tietoa nuorista geologisista prosesseista, kuten hiekkakivialtaan synnystä ja Kokemäenjoen asemasta. Kartoitus Satakunnan alueella on kartoitettu kallioperän rakenteita, sovelluskohteena kalliorakentaminen, kahdessa jaksossa, vuosina 1998-2000 Hiertovyöhyketutkimus ja kalliorakentaminen hankkeessa sekä GeoSatakunta hankkeessa 2006-2007 (Kuva 1.). Kenttäkauden 2007 aikana kartoitus kohdistui pääasiassa Eteläiseen Satakuntaan ja selvitettiin erityisesti nuoria rakenteita: siirroksia, heikkousvyöhykkeitä ja rakoilua hiekkakivessä, oliviinidiabaasissa ja rapakivessä. Kartoituksessa käytettiin lomaketta, joka on alun perin kehitetty Porin seudulle. Lomakkeessa huomioidaan erityisesti kallioperän rakenteet rikkonaisuuden osalta ja kallioperän kehityksen vaikutus rakenteiden sijoitumiseen. Kartoitukseen osallistuivat Matti Pajunen, Pekka Wasenius ja Marit Wennerström sekä kesäapulaisena
geologian opiskelija Mari Tuusjärvi. Havainnot tallennetaan GTK:n Taajamageologia hankkeiden aikana muokattuun omaan Access-tietokantaan. Kuva 1. Kallioperähavaintopisteet Satakunnassa. Hiekkakivistä kartoitettiin kaikki vielä havaittavissa olevat paljastumat, jotka on eri aikoina löydetty Satakunnan alueelta. Paljastumien tarkka paikka mitattiin GPS:n avulla - aiemmissa kartoituksissa 1980- luvulla havaintopaikat oli merkitty peruskarttojen avulla. Hiekkakivistä mitattiin aiemmin tiedossa olleiden kivilaji- ja kerrosrakenneominaisuuksien lisäksi mahdolliset siirros- ja rakorakenteet. Harjavallan voimalaitoksen alaisesta paljastumasta ja Euran Kiperojasta tehtiin scanline- eli profiilimittaukset, joissa mitattiin ja tutkittiin jokaisen siirrospinnan ja raon tarkka sijainti ja ominaisuudet.
Kuva 2. Tyypillistä loivasti viettävää rakoilua hiekkakivessä, Niemenkylä, Luvia. Valokuva M. Wennerström. Kuva 3. Systemaattista pystyä rakoilua hiekkakivessä Leistilänjärven laskuojassa, Nakkila. Valokuva M. Wennerström. Diabaaseista tehtiin sekä louhoshavaintoja (5 louhosta) että paljastumahavaintoja (59 kpl) (Kuva 1). Lisäksi diabaasista mitattiin 5 profiililta kaikki siirros- ja rakorakenteet, sijainti ja ominaisuudet. Louhoksilta kartoitettiin kaikki siirros- ja rakorakenteet (Kuva 4). Profiilien pituudet vaihtelivat kallion rakenteiden perusteella 3,5-19 metriin (Kuvat 5 ja 8).
Profiilikartoituksessa käytettiin Mira Markovaara-Koiviston 2007 kesällä muokkaamaa GTK:n Hiertovyöhyketutkimus ja kalliorakentaminen hankkeessa alun perin koottua kartoituslomaketta. Jokainen siirros ja rako tutkittiin ja niiden tarkka sijainti profiililla mitattiin suhteessa GPS:llä mitattuihin profiilin alku- ja loppupäihin. Kuva 4. Rakoilua diabaasissa louhoksella, Pato, Laitila. Kivessä näkyy lähes vaaka rakoilu, karbonaattitäytteinen pysty rakoilu keskellä ja oikealla alhaalla kaareva rakoparvi. Valokuva M. Wennerström. Kuva 5. Profiililinja on merkitty kallion pintaan valkoisella teipillä, diabaasi Niemenkylä, Luvia. Valokuva M. Tuusjärvi.
Rapakivestä kartoitettiin siirros- ja rakorakenteet 4 louhokselta, 14 paljastumalta ja 3 profiililta. Rapakivissä mitattuja siirros- ja rakorakenteita verrattiin diabaasien, hiekkakiven ja svekofennisten kivien vastaavanlaisiin rakenteisiin (Kuva 6). Kuva 6. Rako-siirrosrakennetta rapakivipaljastumalla Mannilassa, Eura. Valokuva M. Wennerström. Kuva 7. Profiilimittausta rapakivestä, Lappi. Valokuva M. Tuusjärvi.
Kuva 8. Mittausprofiilit sijoitettiin siten, että mahdollisimman monet erilaiset rikkonaisuusrakenteet saatiin kartoitettua. Diabaasi Reposaaressa, Pori. Valokuva M. Tuusjärvi. Tuloksista Kallioperän havaintoaineistoa on kerätty systemaattisesti siten, että havaintoverkko kattaa erilaiset tektoniset ja litologiset osa-alueet sekä alueen erityisrakenteet (esim. Kynsikankaan siirros, hiekkakiven reuna). Regionaalisen aineiston lisäksi on koottu profiili-aineistoa (scanline) rakoilusta erilaisilta osaalueilta täsmällisten korrelaatioitten tekemiseksi ja harvapisteverkkoaineiston kalibroimiseksi. Aineistosta on tarkoitus saada mahdollisimman monipuolinen kuva hauraiden rakenteiden kehittymisestä ja kinematiikasta (mm. alueellinen stressikenttä ja sen vaihtelut). Maastosta koottiin mahdollisimman yksityiskohtaista tietoa mm. rakojen luonteesta (veto, leikkaus vai niiden yhdistelmä), täytteiden kehittymisvaiheista, liikesuunnista, rakojen avautumisrakenteista jne. Nämä ominaisuudet paljastavat kallioperän nuoremman, hauraan vaiheen kehityshistoriaa ja mahdollistavat alueen kokonaisvaltaisen rikkonaisuusrakenteen hahmottamisen. Emäksisten diabaasimagmojen ja hiekkakiven syngeneettistä syntyä puoltaa rakenteellisesti se, ettei ko. magmoja ole juurikaan hiekkakivialtaan ulkopuolella. Olettaen, että nämä emäksiset magmakivet ovat syntyneet likimain yhtäaikaisesti hautavajoama-altaan kehittymisen kanssa, olisi otaksuttavissa, että ne olisivat myös kokeneet asetuttuaan hautavajoaman kehittymiseen liittyviä tektonisia liikuntoja. Diabaasit ovat Satakunnassa merkittävästi paremmin paljastuneena kuin hiekkakivet, mutta jäykästi käyttäytyvänä (kuten yleensä hiekkakivikin) ne deformoituvat heikosti. GeoSatakunta -hankkeen aikana tehtyjen havaintojen perusteella diabaaseissa on usein merkkejä liikunnoista, jotka ovat tapahtuneet joko rakopintoja pitkin tai joiden siirrossuunnat ovat mitattavissa rakorakenteista (Kuva 9). Ensimmäiset havainnot viittaavat siihen, että diabaasia deformoineet tapahtumat olivat luonteeltaan enemmänkin horisontaalisiirroksia (strike-slip/oblique-slip) ja paikoin jopa ylityöntösiirroksia (thrust/reverse), eivät niinkään rifteille tyypillisiä normaalisiirroksia - (normal-slip).
Kuva 9. Oikeankätinen kierto rakoparvessa, Kallo, Pori. Valokuva M. Pajunen. Alueelta, varsinkin hiekkakiven reuna-alueelta on useita havaintoja nuorista siirrosrakenteista, mm. pseudotakyliiteista (hauraassa siirroksessa kitkan aiheuttaman sulamisen tuottamia siirroskiviä) tai hyvin nuorista siirroksista, jotka deformoivat mm. kallion rapautumispintaa. Jo nyt on selvää, että pääosa svekofennisten kivien hauraista ja puolihauraista rakenteista omaa juurensa jo svekofennisen orogenian loppuvaiheissa. Myöhäiset uudelleendeformoitumiset ovat sittemmin tapahtuneet näitä vanhoja rakenteita hyödyntäen. Tulevaisuus Suomessa nuorien, hauraiden rakenteiden alueellista tutkimusta on toistaiseksi tehty hyvin vähän. Jo alustavatkin havainnot Satakunnan nuorista kivistä osoittavat, että aikaan sidottu hauraiden rakenteiden ja niiden deformaatiokinematiikan tarkastelu antaa uudenlaisen kuvan ko. rakenteiden kehittymisestä. Erot svekofennisten ja post-svekofennisten kivien siirros- ja rakoilurakenteissa tutkimusalueella ilmentävät selvästi myös hauraan rakenteen kehityksen monifaasisuutta. Duktiilien kallioperän kehitysvaiheiden osalta on työn perustana ollut monivaiheisen deformaation tutkimus jo vuosikymmeniä. GeoSatakuntaprojektin tutkimuksissa on tarkoituksena kehittää tätä menetelmää käytettäväksi myös hauraan rakenteen tutkimuksiin. Tavoitteena on luoda kuva hauraiden rakenteiden kehityssarjasta, jotta rakenteitten tunnistaminen ja niiden aseman määrittäminen kävisi mahdolliseksi. Useassa otteessa on tuotu esille, miten kallioperän hyödynnettävyyttä tarkasteltaessa hauraan rakenteen, rakoilun ja siirrosten, merkitys on ensisijalla. Hauraiden rakenteiden monipuolinen tuntemus on täten hyödyksi erilaisten kallioperän rakentamiseen tai muuhun hyödyntämiseen liittyvien yhdyskuntasovellusten sekä arvioiden tekemisessä.
GeoSatakunta-hankkeessa ollaan toteuttamassa 3D-mallinnusta Satakunnassa erilaisista teemoista yhteistyössä Porin korkeakouluyksikön kanssa. Edellä kuvatut tulkinnat ovat välttämättömiä tuotettaessa kallioperän moniuloitteisia malleja. Esitelmä ja julkaisu: Pajunen M., Wennerström M. ja Wasenius P. Satakunnan kallioperän erityispiirteitä. GeoSatakunta nyt Seminaari. 21.8.2007, LiisanPuisto, Pori. Pajunen M., Airo M.-L., Elminen T., Mänttäri, I., Niemelä, R., Vaarma, M., Wasenius P. and Wennerström, M. Tectonic evolution of Svecofennian crust in southern Finland. Geological Survey of Finland, Special Paper. (tulossa). Kirjallisuutta: Anttila, P., Ahokas, H., Front, K., Hinkkanen, H., Johansson, E., Paulamäki, S., Riekkola, R., Saari, J., Saksa, P., Snellman, M., Wikström, L. & Öhberg, A. 1999. Final disposal of spent nuclear fuel in Finnish bedrock - Olkiluoto site report. Helsinki, Finland: Posiva Oy. 206 p. POSIVA 99-10. Korsman, K., Korja, T., Pajunen, M. & Virransalo, P. 1999. The GGT/SVEKA transect: structure and evolution of the continental crust in the Paleoproterozoic Svecofennian orogen in Finland. International Geology Review 41, 287-333. Mattila, J., Aaltonen, I., Kemppainen, K., & Wikström. L. Paulamäki, S., Paananen, M., Gehör, S., Kärki, A., Front, K., Ahokas, T. Geological model of the Olkiluoto site, version 1. Working Report. Posiva Oy, Eurajoki. (tulossa) Pajunen, M., Airo, M.-L., Wennerström, M., Niemelä, R. & Wasenius, P. 2001a. Preliminary report: The Shear zone research and rock engineering project, Pori area, south-western Finland. Geological Survey of Finland, Special Paper 31, 7-16. Pietikäinen, K. 1994. The geology of the Paleoproterozoic Pori shear zone, southwestern Finland, with special reference to the evolution of veined gneisses from tonalitic protoliths. PhD thesis, Michigan Technological University. 130 p.