Etelä-Suomen Yksikkö Q/20/2009/30 27.5.2009 Espoo Tampereen seudun lentogeofysikaaliset aineistot TAATA hankkeen osaraportti Hilkka Arkimaa, Heikki Säävuori, Meri-Liisa Airo
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Tekijät Hilkka Arkimaa Heikki Säävuori Meri-Liisa Airo KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 27.5.2009 Raportin laji Sisäinen raportti Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Tampereen seudun lentogeofysikaaliset aineistot TAATA-hankkeen osaraportti Tiivistelmä Lentogeofysikaaliset aineistot ja niistä tuotetut jatkojalosteet ja tulkinnat ovat osa TAATA-hankkeen (Tampereen seudun taajamageologinen kartoitus- ja kehittämishanke) tuotteita. Hankkeen tutkimusalueelta on käytettävissä GTK:n ns. matalalentogeofysikaalista aineistoa, joka on osa koko Suomen kattavaa lentomittausaineistoa. Systemaattinen lentomittauskartoitus koko maasta on tehty lentokorkeudelta 30-40 metriä ja lentolinjojen väli on ollut 200 metriä mitaten magneettisella, sähkömagneettisella ja radiometrisella menetelmällä. TAATA-hankkeen alueella lentomittauksia on tehty vuosien 1977-2007 aikana kaikkiaan kolmenatoista eri ajankohtana. Mittauksista koostuva aineisto on interpoloitu tasaväliseksi pisteverkoksi, jossa pisteväli on 50 metriä. Tätä aineistoa on käsitelty kuvamuodossa tuottaen erilaisia jatkojalostettuja muunnoksia geologista ja rakenteellista tulkintaa varten. Magneettikenttäkartalla korostuvat geologisesti erilaiset vyöhykkeet: Keski-Suomen granitoidivyöhyke pohjoisessa, Tampereen liuskejakso keskivaiheilla ja Pirkanmaan migmatiittivyöhyke eteläosassa. Aeromagneettiseen aineistoon perustuva paikallisten magneettisten anomalioiden kartta kuvaa kallioperän pinnanläheisiä rakenteita. Tällaista karttaa voi käyttää esim. kallioperän ruhje- ja rakoiluvyöhykkeiden kartoittamisessa sekä kallioperän kivilajiyksiköiden sisäisen rakenteen tarkastelussa. Sähkömagneettisesta aineistosta voidaan erotella ja luokitella erilaisia sähköä johtavia alueita. TAATA-alueen sähkönjohdekartassa on korostettu kallioperän johteita kun taas maaperän sähkönjohtavuuden vaihtelut on minimoitu. Kokonaissäteilyn voimakkuus TAATA-alueella heijastaa kivilajivaihtelua alueilla, joissa kallioperä on hyvin paljastunutta. Kokonaissäteilyä havainnollisempi kuva alueen säteilyaineistosta saadaan tarkastelemalla anomaalisen säteilyn karttakuvaa. Magneettiset lineamentit tulkittiin erilaisista geofysikaalisista aineistoista ja verrattiin topografiseen korkeusmalliin ja kallioperäkarttaan. Tavoitteena oli muodostaa yleiskuva alueella vallitsevista kallioperän rakenteiden suuntauksista, ryhmittymisestä ja alueellisesta systematiikasta. Pienemmät lineamentit edustavat kallioperän paikallista rakoilua ja rikkonaisuutta ja ovat yleensä siirros- ja heikkousvyöhykkeitä tai voimakkaamman rakoilun vyöhykkeitä. Sähkömagneettisia lentomittauksia voidaan kairausten lisäksi käyttää pehmeikköjen (savikot ja suot) paksuuden arvioimiseen. Tulkinta perustuu pehmeikköjen muita maalajeja ja kallioperää parempaan sähkönjohtokykyyn. Tuloksena saadaan pehmeikköjen paksuutta alueellisesti kuvaava luokittelukartta, jota voidaan käyttää apuna esim. laadittaessa rakennettavuuskarttoja. Pehmeikkötulkinnassa tarvitaan geofysikaalisten lentomittausten lisäksi apuna maastoluotauksin saatavaa tietoa maakerrosten sähkönjohtavuudesta. TAATA-alueella tehtiin luotauksia 72 kohteessa, joissa sähkönjohtokyky saatiin määritettyä 25 cm välein 1-10 metrin syvyydestä. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Tampereen seutu, lentogeofysiikka, magneettinen menetelmä, sähkömagneettinen menetelmä, radiometrinen menetelmä, pehmeiköt
Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Tampereen seutu, TAATA -alue Karttalehdet Muut tiedot Raportti on osa TAATA-hankkeen raportointia. Aineistot ja tulkinnat on liitetty hankkeen tuottamaan käyttöjärjestelmään. Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Kokonaissivumäärä 32 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Yksikkö ja vastuualue Etelä-Suomen yksikkö, VA215 Allekirjoitus/nimen selvennys Meri-Liisa Airo Hanketunnus 4183000 Allekirjoitus/nimen selvennys
Sisällysluettelo 1 JOHDANTO 1 2 TAATA-ALUEEN LENTOGEOFYSIKAALISET AINEISTOT 2 2.1 Lentogeofysikaalinen aineisto 2 2.1.1 Aeromagneettinen aineisto 3 2.1.2 Aerosähkömagneettinen aineisto 3 2.1.3 Aeroradiometrinen aineisto 4 3 AEROGEOFYSIKAALISET KARTAT GEOTIETO- JÄRJESTELMÄSSÄ 5 3.1 Magneettikenttäkartta 5 3.1.1 Magneettinen rakennekartta 6 3.2 Johdekartta 7 3.3 Säteilykartat 8 3.4 Magneettiset lineamentit 10 3.4.1 Alueelliset lineamentit 10 3.4.2 Paikalliset lineamentit 13 4 PEHMEIKKÖJEN PAKSUUSTULKINNAT JA SÄHKÖNJOHTAVUUS-LUOTAUKSET 14 4.1 Pehmeikkötulkinta 14 4.2 Esimerkkitulkinnat 16 5 YHTEENVETO LENTOGEOFYSIIKAN TULKINNASTA 27 KIRJALLISUUSLUETTELO 28
Q20/2009/30 1 1 JOHDANTO Ote hankesuunnitelmasta (A. Kuivamäki, GTK): Tampereen seutu on maamme toiseksi voimakkain kasvukeskus, jossa väestömäärä tulee Tilastokeskuksen ennusteen mukaan kasvamaan yli 50 000 asukkaalla vuoteen 2040 mennessä (tällöin alueella yli 370 000 asukasta). Alue on siten myös rakentamisen voimakkaimpia painopistealueita Suomessa ja geologisen tiedon tarve alueen suunnittelussa ja rakentamisessa on suuri. Syksyllä 2006 tehdyn tarveselvityksen pohjalta on GTK on käynnistänyt v. 2007 TAATA-hankkeen, jonka tavoitteena on kehittää ja tuottaa geoaineistoihin pohjautuvia tuotteita, palveluja ja aineistoja Tampereen seudun kehittämissuunnitelmia varten. Hanke on osa GTK:n taajamakartoitustoimintaa ja se on tarkoitus toteuttaa yhteisrahoitteisesti GTK:n ja osallistujatahojen kesken (Tampereen, Nokian, Oriveden ja Ylöjärven kaupungit, Pirkkalan, Lempäälän, Vesilahden ja Kangasalan kunnat sekä Pirkanmaan ympäristökeskus, Pirkanmaan Liitto, Tampereen Vesi ja Hämeen tiepiiri). TAATA-hankkeessa keskeisiä kehitettäviä tuotteita ovat eri mittakaavaiset Tampereen seudun maa- ja kallioperän rakennettavuuteen liittyvät tiedot ja niistä työstetyt rakennettavuuskartat. Tuotettavat aineistot liitetään hankkeessa kehitettävään Tampereen seudun GeoTIETOjärjestelmään, jolloin niitä voidaan tarkastella ja hyödyntää vapaasti Internetin kautta. Tarkoitus on kehittää mahdollisuus tietojen suoraan siirtämiseen osallistujien suunnittelujärjestelmiin. Kuva 1. TAATA-hankkeen tutkimusalueen rajaus.
Q20/2009/30 2 2 TAATA-ALUEEN LENTOGEOFYSIKAALISET AINEISTOT Hilkka Arkimaa ja Meri-Liisa Airo 2.1 Lentogeofysikaalinen aineisto Lentogeofysikaaliset aineistot ja niistä tuotetut jatkojalosteet ja tulkinnat ovat osa TAATAhankkeen (Tampereen seudun taajamageologinen kartoitus- ja kehittämishanke) tuotteita. TAATA-hankkeen tutkimusalueelta on käytettävissä GTK:n ns. matalalentogeofysikaalista aineistoa, joka on osa koko Suomen kattavaa lentomittausaineistoa. Systemaattinen lentomittauskartoitus koko maasta on tehty vuosina 1972-2007. Lentokorkeutena on ollut 30-40 metriä ja lentolinjojen väli 200 metriä joitakin tihennysmittauksia lukuun ottamatta. Lentolinjat kulkevat pohjoisesta etelään tai idästä länteen, poikkisuuntaan mittausalueen geologisten rakenteiden pääasiallista suuntautumista. Yhtäaikaisesti on mitattu maan magneettikenttää, maankamaran sähkömagneettista kenttää sekä luonnon gammasäteilyä. TAATA-hankkeen alueella lentomittauksia on tehty hyvin monessa vaiheessa vuosien 1977-2007 aikana (kuva 2). Kaikkiaan kolmentoista eri ajankohdan mittauksista koostuva aineisto on interpoloitu tasaväliseksi pisteverkoksi, jossa pisteväli on 50 metriä. Kuva 2. GTK:n suorittamat aerogeofysikaaliset mittaukset TAATA-alueella (viivalla rajattu). Kunkin alueen mittausvuosi ja lentosuunta esitetty vieressä.
Q20/2009/30 3 2.1.1 Aeromagneettinen aineisto Tätä aineistoa on käsitelty kuvamuodossa tuottaen erilaisia muunnoksia aineistoista geologista tulkintaa varten. Tarkempaa tietoa lentomittausaineistojen saatavuudesta, eri lentomittausalueista ja eri vuosina käytetyistä mittauslaitteistoista löytyy osoitteesta HTwww.gtk.fi/aerogeoTH. Lentomittaustekniikasta, laitteistosta ja aineistojen käsittelystä löytyy lisää informaatiota myös julkaisusta Hautaniemi et al. (2005). Taajama-alueiden tutkimuksissa aerogeofysikaalisia mittauksia on aiemmin hyödynnetty Helsingin seudun KallioINFO-projektissa (Kuivamäki et al., 2004, 2006). Taajama-alueilla geofysikaalinen lentomittausaineisto sisältää informaatiota paitsi maankamaran fysikaalisten ominaisuuksien vaihteluista myös ihmisen toiminnasta (esim. rakennukset, tiet, voimalinjat, kaatopaikat tai pilaantuneet alueet). Maankamaran magneettisuuden vaihtelut johtuvat pääasiassa magneettisten mineraalien - magnetiitin ja magneettikiisun - esiintymisestä kallioperässä heikommin magneettisten silikaattimineraalien ohella. Magneettisesta aineistosta voidaan tulkita kallioperän kivilajivaihteluita sekä kallioperän rakenteita ja rikkonaisuutta vesistöjen ja irtomaapeitteen alla. Erilaiset deformaatiomuodot kuten siirros- ja ruhjevyöhykkeet, poimukuviot ja ylityönnöt aiheuttavat niille tyypillisiä anomaliakuvioita. Syvällä olevat magneettiset lähteet aiheuttavat yleensä laaja-alaisia ja loivapiirteisiä anomaliakuvioita kun taas pinnanläheiset kohteet aiheuttavat teräväpiirteisiä anomaliakuvioita. Ihmisen toiminta aiheuttaa vähiten muutoksia magneettiseen mittausaineistoon. Magneettisen aineiston syvyysulottuvuus on myös laajin lentogeofysiikan muihin aineistoihin verrattuna, sillä anomalian lähde voi olla jopa kilometrien syvyydessä. Poistamalla laskennallisesti alueelliset laaja-alaiset anomaliat saadaan korostettua paikallisia anomalioita, joita voidaan käyttää kallioperän rakennepiirteiden tulkinnassa. Alueellisanomalioita voidaan poistaa mm. käyttämällä lineaarisia suodattimia. Vinovalaisutekniikalla voidaan myös korostaa paikallisia anomalioita. 2.1.2 Aerosähkömagneettinen aineisto Sähkömagneettisissa lentomittauksissa mitataan maankamaran johteeseen indusoitunutta suhteellista sähkömagneettista kenttää, jossa mittaussuureina ovat kentän ns. reaali- ja imaginäärikomponentti. Vuoteen 1995 saakka mittauksia on tehty n. 3 khz:n taajuudella. Vuosina 1996-2006 taajuuksia oli käytössä kaksi: 3 khz ja 14 khz. Sen jälkeen on käytössä ollut neljä taajuutta 0.9, 3, 12 ja 24.5 khz. Syvyysulottuvuus sähkömagneettisilla lentomittauksilla on alle 100 m. Matalammilla taajuuksilla saadaan tietoa syvempää maankamarasta, kun taas korkeammat taajuudet kertovat johtavuuden vaihtelusta maanpinnalla. Reaali- ja imaginaarikomponentista voidaan laskennallisesti tuottaa esim. ns. näennäinen ominaisvastus tai reaali/imaginääri-suhdekartta kuvaamaan maankamaran johteita. Sähkömagneettisilla mittauksilla saadaan tietoa kallioperän sähkönjohtavuudesta ja johtavien kerrosten paksuusvaihteluista. Merkittävimpiä sähkönjohtavuutta aiheuttavia mineraaleja kallioperässä ovat grafiitti ja sulfidit. Maaperä voi olla hyvin johtavaa, jos se sisältää savikoita ja liejukerrostumia. Savimineraalit ja vesipitoisuus ovat syynä siihen, että kallioperän ruhjeet ja rikkonaisuusvyöhykkeet ovat yleensä hyvin erotettavissa aerosähkömagneettisesta aineistosta. Ympäristöstään paremmin johtavina erottuvat myös turvemuodostumat ja vesistöt. Taajamat näkyvät
P Q20/2009/30 4 yleensä johtavina rakennusten, voimalinjojen ja teiden vuoksi, jolloin maankamaran mahdolliset johteet peittyvät niiden alle. 2.1.3 Aeroradiometrinen aineisto Gammasäteilymittausten avulla saadaan tietoa maankamaran radioaktiivisten aineiden, kaliumin, uraanin ja thoriumin pitoisuuksista. Radiometrisissä matalalentomittauksissa spektrometrillä rekisteröidään gammasäteilyä energiaväliltä 0.04-3 MeV. Tuleva gammasäteily jaetaan kanaviin (256 kanavaa vuodesta 1977 lähtien), joista käytetään kolmea energiaikkunaa kaliumin, uraanin ja thoriumin hajoamissarjojen voimakkaimpien säteilijöiden määrittämiseen (kuva 3). Kalium 40 määritetään P PK:n piikistä energiatasolla 1.46 MeV. Uraani määritetään sen hajoamissarjassa 214 olevan P PBi-piikin kohdalta energiatasolla 1.76 MeV ja thorium hajoamissarjassaan olevan 208 PTl:n piikin kohdalta energiatasolla 2.62 MeV. Totaalisäteily mitataan koko energiaväliltä 0.04 3 MeV. Matalalentokampanjan aikana sekä kidetilavuus että kanavien lukumäärä on kasvanut, mikä on parantanut mittausten laatua. Kuva 3. Tyypillinen gammasäteilyspektri. Lähde: Hyvönen et al. 2005. Gammasäteily vaimenee nopeasti maaperässä, joten sillä saadaan tietoa vain pintakerroksista, muutamien kymmenien senttimetrien syvyydeltä. Paljastuneilla tai ohuen maapeitteen alueilla gammasäteilyaineisto voi kuvastaa kallioperän koostumusta. Missä irtomaakerrokset ovat paikallisia, niiden säteilytaso voi epäsuorasti kuvastaa alla olevaa kallioperää. Kosteus vaimentaa tehokkaasti gammasäteilyä, minkä vuoksi vesistöt ja suot näkyvät hyvin gammasäteilykartoilla. Magmakivilajeilla kaliumin, uraanin ja thoriumin pitoisuudet ovat korkeampia happamilla kivilajeilla. Sedimentti- ja metamorfisten kivilajien radioaktiivisuus riippuu lähtömateriaalista ja geologisista prosesseista, joiden läpi ne ovat kulkeneet. Kivilajien savipitoisuus lisää niiden radioaktiivisuutta. Maaperämuodostumista savikot ovatkin yleensä voimakkaita säteilijöitä.
Q20/2009/30 5 3 AEROGEOFYSIKAALISET KARTAT GEOTIETO-JÄRJESTELMÄSSÄ Hilkka Arkimaa ja Meri-Liisa Airo 3.1 Magneettikenttäkartta TAATA-alueen kallioperän yleispiirteet erottuvat hyvin magneettisella totaaliintensiteettikartalla (kuva 4). Magneettikenttäkartalla korostuvat geologisesti erilaiset vyöhykkeet: Keski-Suomen granitoidivyöhyke pohjoisessa, Tampereen liuskejakso keskivaiheilla ja Pirkanmaan migmatiittivyöhyke eteläosassa. Alueen kallioperäaineisto on verrattavissa geofysikaaliseen aineistoon esim. GeoTIETO-järjestelmässä. Osa-alueet poikkeavat anomaliakuvioinniltaan selvästi toisistaan. Kuva 4. Harmaasävykuva magneettisesta totaali-intensiteetistä (TMI). Voimakkaat magneettiset anomaliat on esitetty mustina.
Q20/2009/30 6 3.1.1 Magneettinen rakennekartta Aeromagneettiseen aineistoon perustuva paikallisten magneettisten anomalioiden kartta kuvaa kallioperän pinnanläheisiä rakenteita. TAATA-alueen rakennekartalla (kuva 5) karttakuvaa dominoivat taipuisat anomaliajaksot, jotka alueen eteläosassa liittyvät migmatiittivyöhykkeen poimurakenteisiin ja pohjoisosassa pääasiassa granitoidien sisäiseen rakennevaihteluun. Tampereen liuskejakson itä-läntiset rakenteet ja diabaasijuoniin liittyvät lineaariset luode-kaakko-suuntaiset anomaliat leikkaavat poimurakenteita. Tällaista karttaa voi käyttää esim. kallioperän ruhje- ja rakoiluvyöhykkeiden kartoittamisessa sekä kallioperän litologisten yksiköiden sisäisen rakenteen tarkastelussa. Kuva 5. Paikallisten magneettisten anomalioiden kartta (paikallissuodatettu MTI).
Q20/2009/30 7 3.2 Johdekartta Sähkömagneettisesta aineistosta voidaan erotella ja luokitella erilaisia sähköä johtavia alueita. Kuvassa 6 on korostettu kallioperän johteita TAATA-alueella ja maaperän sähkönjohtavuuden vaihtelut on minimoitu. Kallioperän sähkönjohteita esiintyy pääasiassa Pirkanmaan migmatiittivyöhykkeellä. Alueen nauhamaiset johdeanomaliat korreloivat magneettisten paikallisanomalioiden kanssa ja johtuvat pääasiassa mustaliuskeista tai kiisu- ja grafiittipitoisista välikerroksista kiillegneisseissä. Mustaliuskeet sisältävät grafiittia, magneettista magneettikiisua ja muita sulfidi-mineraaleja, jotka aiheuttavat niiden geofysikaalisen erikoislaatuisuuden. Kuva 6. Sähkönjohtavuuskartta. Värilliset alueet ovat hyviä sähkönjohteita. Pohjakarttana aeromagneettinen rakennekartta.
Q20/2009/30 8 3.3 Säteilykartat Kokonaissäteilyn voimakkuus TAATA-alueella heijastaa kivilajivaihtelua alueilla, joissa kallioperä on hyvin paljastunutta (kuva 7). Ympäristöstään erottuvat pohjoisosan granitoidivaltaiset alueet ja eteläosan migmatiittivyöhykkeellä muutamat kalliolohkot. Kuvan 8 kartalla on aeroradiometrisestä aineistosta rajattu vain voimakkaimmin säteilevät alueet, jotka on esitetty topografisen korkeusmallin päällä. Kalium-, thorium- ja uraanisäteily on eri värein. Kuva 7. Kokonaissäteilyn voimakkuus kasvaa punaisen intensiteetin kasvaessa. Siniset alueet ovat järvialueita.
Q20/2009/30 9 Kuva 8. Ympäristöään voimakkaamman säteilyn alueet esitettynä korkeusmallin päällä. Punainen = kaliumpitoisuus, vihreä = thoriumpitoisuus ja sininen = uraanipitoisuus. Summavärit: valkoinen = K+Th+U, keltainen = K+Th, violetti = K + U, turkoosi = Th + U. Verrattaessa kuvan 8 säteilyaineistoa kallioperäkarttaan nähdään, miten eri alueet liittyvät kivilajeihin. Säteily liittyy joko paljastuneisiin kallioalueisiin tai siihen, että moreenin alla olevaa kivilajia esiintyy runsaasti moreenin joukossa. Etenkin mustaliuskeet helposti rapautuvina leviävät ympäröivään irtomaahan. Tampereen liuskevyöhykkeen pohjoispuolella esiintyy runsaasti happamia syväkiviä, jotka säteilykartalla erottuvat kaliumpitoisuutensa perusteella punaisina alueina. Pirkanmaan migmatiittivyöhykkeellä uraani- ja thoriumpitoisuus dominoi ja alueet tunnistaa sinisen ja vihreän sävyistä. Erityisesti ympäristöään korkeampi uraanipitoisuus liittyy muutamiin alueisiin, joissa esiintyy runsaasti mustaliuskeita. Tiheään asutut alueet, kuten Tampere ja sen kautta kulkevat harjut, aiheuttavat voimakkaita säteilyanomalioita.
Q20/2009/30 10 3.4 Magneettiset lineamentit 3.4.1 Alueelliset lineamentit Taajama-alueilla kallioperän rikkonaisuus ja heikkousvyöhykkeet ovat erityisen mielenkiinnon kohteena, koska niillä on vaikutusta rakennettavuuteen. Magneettikenttäkartalla esiintyvät suoraviivaiset piirteet, ns. magneettiset lineamentit, ovat usein indikaatioita kallioperän rikkonaisuus- tai heikkousvyöhykkeistä. Niiden lisäksi magneettisen lineamentin voi aiheuttaa esim. kivilajiraja tai suoraviivainen geometrinen piirre kallioperässä kuten kalliokynnys. Magneettiseksi lineamentiksi tässä työssä katsottiin: ympäristöään heikommin magneettinen lineaarinen piirre, jolla on pituutta ainakin muutama sata metriä äkillinen lineaarinen magneettikentän voimakkuuden muutos ympäristöään voimakkaammin magneettinen lineaarinen, kapea, jatkuva piirre. Yleisesti kallioperän rikkonaisuutta säätelevät: 1) kallioperän kehityshistorian varhaiset vaiheet, jotka säätelevät alueen kivilajijakaumaa, kivilajien sisäistä rakennetta, hauraampien rakenteiden asettumista sekä kallioperän jakautumista toisistaan poikkeaviin osa-alueisiin; 2) hauraat siirrosvyöhykkeet, jotka ovat kapeita ja jatkuvia kallioperää lohkouttavia rajapintoja ja jotka toisinaan kehittyvät voimakkaan rakoilun heikkousvyöhykkeiksi; 3) rakoilu, joka särkee kallioperää läpikotaisesti, joskin intensiteetiltään epätasaisesti. Magneettiset lineamentit tulkittiin erilaisista geofysikaalisista aineistoista ja verrattiin topografiseen korkeusmalliin ja kallioperäkarttaan. Tavoitteena oli muodostaa yleiskuva alueella vallitsevista kallioperän rakenteiden suuntauksista, ryhmittymisestä ja alueellisesta systematiikasta. Magneettisten lineamenttien pituus voi aiheuttajansa luonteesta riippuen vaihdella muutamasta sadasta metristä useisiin kymmeniin kilometreihin. Yleensä pitkän lineamentin aiheuttaja ulottuu maanpinnasta syvemmälle kuin lyhyen lineamentin. Lineamentit luokiteltiin pituutensa perusteella kolmeen ryhmään: Paikalliset lineamentit (pituudeltaan luokkaa < 1 km) Alueelliset lineamentit (pituudeltaan luokkaa 1-5 km) Geofysikaalisten osa-alueiden rajat (pituudeltaan > 5 km) Aeromagneettisen aineiston perusteella TAATA-alueen kallioperän lohkoutumista osa-alueisiin määräävät koilliseen ja luoteeseen suuntautuvat murrosvyöhykkeet, jotka jatkuvat yli alueen keskeisen itä-läntisen lohkorajavyöhykkeen. Etenkin koillissuunta tulee vahvasti esille verrattuna topografian perusteella tulkittuihin murros- ja heikkousvyöhykkeisiin (kuva 9). Geofysikaalisten osa-alueiden rajat (pituudeltaan > 5 km) rajoittavat koostumukseltaan tai rakenteiltaan erilaisia osa-alueita, jotka poikkeavat toisistaan geofysikaalisesti. Ne ovat tavallisesti suuremman rikkonaisuuden vyöhykkeitä, jotka edustavat alueella yleisiä lineamenttien suuntauksia ja rajoittavat ehjempiä kalliolohkoja. Ne liittyvät useimmiten suuraluegeologisiin piirteisiin.
Q20/2009/30 11 Kuva 9. Pituudeltaan > 5 km magneettiset lineamentit vinovalaistun magneettikenttäkartan päällä. Magneettiset alueelliset lineamentit ovat pituudeltaan luokkaa 1-5 km tai enemmänkin (kuva 10). Ne edustavat voimakkaita kallioperän heikkousvyöhykkeitä, siirroksia ja lohkorajoja.
Q20/2009/30 12 Kuva 10. Magneettiset alueelliset lineamentit magneettikenttäkartalla.
Q20/2009/30 13 3.4.2 Paikalliset lineamentit Paikalliset lineamentit (pituudeltaan luokkaa < 1 km) edustavat kallioperän paikallista rakoilua ja rikkonaisuutta ja ovat yleensä siirros- ja heikkousvyöhykkeitä tai voimakkaamman rakoilun vyöhykkeitä (kuva 11). Ne liittyvät usein kivilajirajoihin ja kallioperän liuskeisuuden suuntautuneisuuteen ja heijastavat topografiaa sääteleviä rakosuuntauksia. Kivilajille tyypilliset ja ominaiset heikkous- ja rikkoutumissuunnat korostuvat magneettisessa aineistossa. Esimerkiksi kerroksellisissa kivissä kerrosten suuntainen ja kerroksellisuutta leikkaava liuskeisuus ovat tyypillisiä heikkoussuuntia, jotka voidaan havaita magneettisina lineamentteina. Kuva 11. Paikalliset magneettiset lineamentit magneettikenttäkartalla (linemanettitulkinta A. Kuivamäki).
Q20/2009/30 14 4 PEHMEIKKÖJEN PAKSUUSTULKINNAT JA SÄHKÖNJOHTAVUUS-LUOTAUKSET Heikki Säävuori 4.1 Pehmeikkötulkinta Pehmeiköillä tarkoitetaan maankamaran hienorakeisia mineraalimaakerroksia sekä turvekerrostumia. Fysikaalisilta ominaisuuksiltaan ne erottuvat karkeammista maalajeista ja kallioperästä yleensä paremmin sähköä johtavina ja kallioperästä lisäksi alhaisemman tiheyden perusteella. Pehmeikköalueilla maaperän rakennettavuuden kannalta oleellisia tekijöitä ovat mm. maaperän kantavuus, maanpinnan kaltevuus sekä kantavan pohjan syvyys. Geofysikaalisten mittausten käyttö pehmeikköjen paksuuden arvioimisessa perustuu tiheyden ja sähkönjohtavuuden ominaisuuden mittaamiseen. Tiheyseroja voidaan havainnoida painovoimamittauksilla ja sähkönjohtavuuseroja sähkömagneettisilla mittauksilla. Laajojen alueiden kartoituksessa on oleellista, että käytettävän mittausaineiston pistetiheys on riittävä. Tähän tarkoitukseen soveltuvat parhaiten geofysikaaliset lentomittaukset, joilla saadaan mitatuksi edullisesti ja nopeasti suuriakin alueita. Geofysikaalisilla lentomittauksilla onkin kartoitettu jo koko Suomen alue käyttäen 200 m:n linjaväliä ja n. 40 metrin lentokorkeutta. TAATA-alueen mittaukset ajoittuivat useille vuosille kuvan 1 mukaisesti. Tulkittaessa sähkömagneettista lentomittausaineistoa tarvitaan lähtötietoina mittaustulosten lisäksi tieto lentokorkeudesta ja maankamaran sähkönjohtavuudesta. Lentokorkeus on mitattu eri vuosina käytetyillä laitteistokokoonpanoilla eri tavoin, ja tulos on aina tallennettu mittaustulosten yhteyteen. Tieto maankamaran sähkönjohtavuudesta on hankittava maastomittauksin. Johtavuus määritettiin TAATA-alueella käyttäen GTK:ssa rakennettua johtavuus-lämpötilaluotainta, jolla pehmeikön johtavuus ja lämpötila saadaan luodattua n. kymmenen metrin syvyyteen (kuva 12). Kuva 12. Johtavuus- ja lämpötilaluotain.
Q20/2009/30 15 Alueilla, joilla pintakerrosta ei pystytty lävistämään luotaimella, suoritettiin mittaus käyttäen GTK:ssa kehitettyä "johtavuusharavaa", jolla saadaan määritettyä lähellä pintaa (< 1 m) olevan kerroksen johtavuus (kuva 13). Maastomittauksia tehtiin vuosina 2007 ja 2008 yhteensä 71 kohteessa, joiden sijainti on esitetty kuvassa 14. Kuva 13. Johtavuusharava. Kuva 14. TAATA-alueen johtavuusluotauspaikat.
Q20/2009/30 16 4.2 Esimerkkitulkinnat Tulkittaessa savikoiden paksuutta sähkömagneettisten lentomittausten ja GTK:ssa kehitetyn tulkintaohjelman avulla käytetään tulkintamallia, jossa savikon alla oleva kallioperä oletetaan huonosti johtavaksi (johtokyky <1 ms/m) (Puranen et al. 1997 ja Puranen et al. 1999a ja b). Kallion päällä voi olla huonosti johtavia mineraalimaakerroksia (esim. moreenia ja hiekkaa). Mallin päällimmäisenä kerroksena on hyvin johtavaa (johtokyky yleensä 10 200 ms/m) savea, jonka paksuutta optimoimalla pyritään tulkitsemaan mittaustulokset. Tulkinta voidaan tehdä käyttäen yhdellä taajuudella tehtyjä mittauksia, mutta tarkkuus paranee jos käytettävissä on mittaustuloksia useammalla taajuudella. Vuodesta 1996 alkaen on GTK:n lentomittauksissa käytetty kahta mittaustaajuutta. Sähkömagneettisen menetelmän käytön edellytyksenä savikoiden paksuustulkinnassa on: - alla olevan kallioperän alhainen sähkönjohtavuus (menetelmä ei sovellu alueille, joilla kallioperässä esiintyy runsaasti sähköä hyvin johtavia mustaliuskeita tai kiisuja) - maakerrosten sähkönjohtokyky (ominaisvastus) on tunnettava riittävällä tarkkuudella. Tulkintaa vaikeuttavia tekijöitä ovat mittausalueen ns. kulttuurihäiriöt, joita ovat sähkölinjat, rautatiet sekä suuret metalliset rakennelmat. Voimakkaasti magnetoitunut kallioperä aiheuttaa muutoksia sähkömagneettisten mittausten reaalikomponenttiin, mikä täytyy tulkinnassa ottaa huomioon. Johtavia mineraaleja esim. kiisuja ja grafiittia sisältävät kallioperän osat ovat tyypillisesti kuluneet ympäristöään matalammiksi ja täyttyneet hienorakeisilla maalajeilla. Pehmeikkötulkinnassa näitä erityyppisiä johteita on vaikeaa erottaa toisistaan, jolloin varsinaisen pehmeikön paksuus tulee yliarvioiduksi. Tulkintaa tehtäessä tutkimusalue jaettiin johtavuusluotausten perusteella viiteen johtavuusluokkaan. Eri vuosina käytettyjen mittauslaitteistojen erilaisuuden vuoksi mittausaineisto jaettiin useisiin osiin. Lopullinen tulkintakartta on kooste näiden osa-alueiden tulkinnoista. Osa-alueiden päällekkäisten reuna-alueiden kohdalla on käytetty keskiarvotettuja tulkintasyvyyksiä. Tulkintatulosta on tarkasteltu seuraavissa kuvissa 15-24 kymmenen kunnan alueella. Kuvissa on esitetty tulkittu pehmeikön syvyys jaettuna viiteen luokkaan: syvyys alle 2.5 m, 2.5 m 4.5 m, 4.5 13 m, 13 m 25 m ja yli 25 m. Tulkintatulosta ei ole esitetty vesistöjen kohdalla eikä maaperäkartalla kalliopaljastumiksi tai moreeniksi merkityillä alueilla. Kuvissa on esitetty myös maaperäkartalla savikoiksi merkittyjen alueiden jakautuminen tulkittuihin syvyysluokkiin. Johtavuus- lämpötilaluotauspaikat on merkitty kuviin violetin värisinä ympyröinä.
Q20/2009/30 17 Kuva 15. Tampereella tehtiin mittauksia kuudessa kohteessa (7, 31, 39, 51, 52, 53. Kohteessa 7 Vaakkolammin itäpäässä luotaus ulottui n. 4 metrin syvyyteen. Pehmeikkö koostui kerroksista, joiden johtavuus vaihteli 10 ms/m ja 45 ms/m välillä. Muissa kohteissa luotaus päättyi pehmeikön tiiviin rakenteen vuoksi alle 2.5 metrin syvyydessä ja johtavuus oli alle 20 ms/m. Tulkinnan mukaan Tampereen alueen savikoista 15 % on yli 13 metriä syviä. Suurimmat tulkitut syvyydet sijoittuvat Tampereen keskusta-alueen läheisyyteen, missä erilaiset kulttuurihäiriöt saattavat kuitenkin vääristää tulkintaa.
Q20/2009/30 18 Kuva 16. Orivedellä tehtiin mittauksia kuudessa kohteessa (32, 33, 34, 35, 37 ja 38. Kohteessa 34 luotaus päättyi 9.5 metrin syvyydessä pehmeikön pohjaa saavuttamatta. Johtavuus oli alle 15 ms/m. Kohteissa 32, 33 ja 35 luotaukset ulottuivat yli kuuden metrin syvyyteen ja päättyivät pehmeikön pohjaa saavuttamatta. Johtavuudet olivat alhaisia keskimäärin alle 15 ms/m. Tulkinnan mukaan alueen savikoista n. 10 % on yli 13 metrin syvyisiä ja vähän yli puolet (55 %) alle 2.5 metrin syvyisiä.
Q20/2009/30 19 Kuva 17. Ylöjärvellä tehtiin mittauksia 13 kohteessa (28-30, 55-63 ja 65. Syvin luotaus tehtiin kohteessa 58, missä luotaus päättyi 9 metrin syvyydessä saavuttamatta pehmeikön pohjaa. Kohteissa 55, 56, 57, 59, 63 ja 65 luotaukset ulottuivat 5-8 metrin syvyyteen saavuttamatta pehmeikön pohjaa. Johtavuudeltaan savikot jakautuivat paremmin johtavaan (n. 20-35 ms/m) ja keskimäärin alle 15 ms/m johtavaan luokkaan. Tulkinnan mukaan alueen savikoista n. puolet (48 %) on alle 2.5 metrin syvyisiä.
Q20/2009/30 20 Kuva 18. Pirkkalassa tulkinta perustuu muutamiin pintamittauksiin sekä lähiympäristössä tehtyihin luotauksiin. Luotausmittauksia ei tehty valittujen kohteiden kovasta pintamaasta johtuen. Alueen savikoista n. puolet luokittuu alle 2.5 metrin syvyisiin.
Q20/2009/30 21 Kuva 19. Viljakkalassa mittauksia tehtiin viidessä kohteessa (23 27). Syvin luotaus tehtiin kohteessa 25 missä päästiin 7.3 metrin syvyyteen tavoittamatta kovaa pohjaa. Kohteissa 23, 24 ja 27 luodattiin 3-4.5 syvyyteen. Savikot ovat tällä alueella huonosti sähköä johtavia, johtavuus on tyypillisesti alle 15 ms/m. Tulkinnan mukaan savikoista 74 % on alle 4.5 metrin syvyisiä.
Q20/2009/30 22 Kuva 20. Vesilahdella tehtiin luotauksia kahdessa kohteessa (1 ja 2, jotka molemmat päättyivät n. kuuden metrin syvyydessä ilman selvää kovan pohjan havaintoa. Johtavuudet vaihtelivat kuivemman pintakerroksen alapuolella 37 ms/m ja 13 ms/m välillä. Suurin osa savikoista (64 %) sijoittuu tulkinnan mukaan alle 2.5 m:n syvyysluokkaan.
Q20/2009/30 23 Kuva 21. Sahalahdella tehtiin luotauksia neljässä kohteessa (18, 20, 21 ja 22). Kohteessa 18 luotaus päättyi kovaan pohjaan viiden metrin syvyydessä ja muissa 3.5 4 metrin syvyydessä. Pehmeikön sähkönjohtokyky vaihteli 15 ja 30 ms/m välillä. Tulkinnan mukaan alueen savikot ovat poikkeuksellisen syviä: 76 % savikkoalueista luokittuu yli 4.5 m:n syvyisiksi. Savikot sijoittuvat vesistöjen suuntaisiin kallioperän ruhjeisiin, joihin saattaa liittyä myös kallioperän johteita. Kallioperäjohteista seuraisi todellista suurempia pehmeikön syvyyksiä tehtyyn tulkintaan. Tulkinnan varmistaminen edellyttäisi lentomittausten yksityiskohtaisempaa ja monipuolisempaa tarkastelua.
Q20/2009/30 24 Kuva 22. Lempäälässä tehtiin mittauksia kahdeksassa kohteessa (3 ja 4 sekä 42 44 ja 46 48). Syvin luotaus tehtiin kohteessa 42, missä päästiin 7.8 metrin syvyyteen. Kohteissa 3, 43 ja 44 luotaus päättyi 4-5 metrin syvyydessä. Savikon johtavuus vaihteli alueella 15 ms/m ja 40 ms/välillä. Tulkinnan mukaan 86 % savikoista on alle 4.5 metrin syvyisiä.
Q20/2009/30 25 Kuva 23. Nokialla luotauksia tehtiin kymmenessä kohteessa (5 ja 6, 40, 41 ja 66-71). Kohteessa 67 luodattiin 8 metrin syvyyteen tavoittamatta pehmeikön pohjaa. Johtokyky vaihteli 13 ms/m ja 33 ms/m välillä. Kohteissa 41 ja 69 päästiin yli viiden metrin syvyyteen ja muissa kohteissa luotaukset päättyivät alle kahden metrin syvyyteen. Savikoiden johtokyky vaihteli alueella 10 ms/m ja 33 ms/m välillä. Tulkinnan mukaan alueen savikoista 22 % on yli 4.5 m syviä
Q20/2009/30 26 Kuva 24. Kangasalla luotauksia tehtiin kymmenessä eri kohteessa (kohteet 8-17). Luodattu pehmeikön paksuus vaihteli 1.2 m ja 5.4 m välillä. Kohtessa 15 luotaus päättyi 5.4 metrin syvyydessä tavoittamatta kovempaa pohjaa. Kohteissa 13 ja 17 luotaus päättyi n. 3 m:n turvekerroksen jälkeen tiiviiseen saveen. Monin paikoin pehmeikkö muodostui turvekerroksista ja niiden alla olevista savista. Saven johtavuudet olivat alle 20 ms/m. Savikoista yli puolet (55 %) sijoittuu matalimpaan alle 2.5 metrin luokkaan.
Q20/2009/30 27 5 YHTEENVETO LENTOGEOFYSIIKAN TULKINNASTA Lentogeofysiikan aineistot tarjoavat monipuolista tietoa maankamaran fysikaalisten ominaisuuksien vaihtelusta. Niiden avulla saadaan kattava kuva maankamaran magneettisista ominaisuuksista, sähkönjohtavuudesta ja gamma-säteilystä, joiden avulla voidaan tulkita ja kartoittaa kallioperän rakenteita ja kivilajivaihtelua peitteisilläkin alueilla. GeoTIETO-käyttöjärjestelmää varten näistä aineistoista tuotettiin jatkojalostetut kartat helpottamaan aineistojen hyödyntämistä. Käyttöjärjestelmässä geofysikaalisia aineistoja on mahdollista verrata muihin geo-aineistoihin ja peruskarttoihin, mikä onkin suositeltavaa koska taajama-alueilla geofysikaalinen lentomittausaineisto sisältää informaatiota paitsi maankamaran fysikaalisten ominaisuuksien vaihteluista myös ihmisen toiminnasta (esim. rakennukset, tiet, voimalinjat, kaatopaikat tai pilaantuneet alueet). Sähkömagneettisten lentomittausten avulla saadaan edullisesti ja nopeasti kartoitetuksi johtavien irtomaiden laaja-alaiset paksuusvaihtelut kohtuullisella tarkkuudella. Lentomittauksissa käytetty linjaväli 200 m asettaa kuitenkin rajoituksia pienimuotoisten rakenteiden tulkinnalle. Tulkintaa voidaan tehdä käyttäen pelkästään alueen sähkömagneettisten mittausten imaginäärikomponenttikarttaa, missä laaja-alaiset ja syvät savikkoalueet näkyvät voimakkaimpina anomalioina. Tarkempaan tulokseen päästään käyttämällä apuna lentokorkeuden sekä reaali- että imaginäärikomponentin huomioivaa tulkintaohjelmaa. Tulkintaohjelmaa käytettäessä on eri vuosina erilaisilla mittauskalustoilla suoritetut mittaukset käsiteltävä erillisinä alueina. Mittausaineistolle on myös tehty eri alueilla toisistaan poikkeavia korjauksia mikä on myös otettava huomioon. Tarkkuus paranee myös kun käytössä on uudemmat kahdella taajuudella suoritetut mittaukset. Pehmeikkö-tulkintakarttoja käytettäessä on muistettava, että tulkinnan tarkkuuteen vaikuttaa aina oleellisesti maankamaran sähkönjohtokyvyn tarkka tunteminen. Mitä paremmin johtavuusvaihtelut tunnetaan, sitä tarkempaan tulokseen paksuustulkinnassa voidaan päästä. Johtavuudet voidaan joko luodata maastossa tai käyttää apuna aikaisemmin tehtyjä luotaus- ja laboratoriomittauksia. Laajempien alueiden pehmeikköjen paksuusvaihtelusta saadaan esitetyllä tulkintamenetelmällä hyvä yleiskuva vähäisemmilläkin maastotöillä, mutta yksityiskohtaisempi tulkinta edellyttää aina enemmän johtavuusmittauksia.
Q20/2009/30 28 KIRJALLISUUSVIITTEITÄ Hautaniemi,H., Kurimo, M., Multala,J., Leväniemi,H. and Vironmäki,J., 2005. In Airo, M-L. (ed.), The Three in One aerogeophysical concept of GTK in 2004. Geological Survey of Finland, Special Paper 39, 21-74. Hyvönen, E., Turunen, P., Vanhanen, H., Arkimaa, H. and Sutinen, R., 2005. Airborne gamma-ray surveys in Finland. Geological Survey of Finland, Special Paper 39, 119-134. Kuivamäki, Aimo (toim.) 2004. KallioINFO-informaatiojärjestelmän kehittäminen yhdyskuntasuunnittelua ja kalliorakentamista varten. Vaihe 1:KallioINFO-käyttöliittymän prototyypin ja 1:20 000 rakennettavuusmallin luonnoksen valmistaminen. Loppuraportti. KallioINFO-projekti. Vaihe I 1. 1. 2003-30-9-2004. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, K 21.42/2004/3, 68 s.,40 liites. Kuivamäki, Aimo (toim.) 2006. GeoTIETO-informaatiojärjestelmän kehittäminen yhdyskunta- ja ympäristösuunnittelua sekä rakentamista varten. Vaihe II: Geo TIETO-käyttöliittymän ja 1:20 000 rekennettavuusmallien viimeistely sekä 1:50 000 rakennettavuusmallien kehittäminen. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, K 21.42/2006/2, 166 s., 29 liites. Puranen, R., Mäkilä, M., Sulkanen, K. and Grundström, A. 1997. A new apparatus for electric conductivity and temperature logging of soft sediments. In: Geological Survey of Finland, Current Research 1995-1996. Geological Survey of Finland. Special Paper 23, 149-155. Puranen, R., Säävuori, H., Sahala, L., Suppala, I., Mäkilä, M. and Lerssi, J. 1999a. Airborne electromagnetic mapping of surficial deposits in Finland. First Break 17 (5), 145-154. Puranen, R., Sahala, L., Säävuori, H. and Suppala, I. 1999b. Airborne electromagnetic surveys of clay areas in Finland. In: Geological Survey of Finland, Current Research 1997-1998. Geological Survey of Finland. Special Paper 27, 159-171.