Kallion rikkonaisuusrakenteet ja hydrogeologia: Vuosiraportti 2006 Paula Jääskeläinen, Lasse Ahonen, Kimmo Korhonen ja Jarkko Jokinen

Etelä-Suomen yksikkö Y50/2007/17 14.3.2007 Espoo Kallion rikkonaisuusrakenteet ja hydrogeologia: Vuosiraportti 2006 Paula Jääskeläinen, Lasse Ahonen, Kimmo Korhonen ja Jarkko Jokinen

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 Esipuhe Tämä raportti on yhteenveto hankkeen Kallion rikkonaisuusrakenteet ja hydrogeologia toiminnasta vuoden 2006 aikana. Hankkeen rahoitus perustuu Valtion ydinjätehuoltorahaston (VYR) rahoituspäätökseen 10. 3. 2006 (KYT-14-2006) GTK:n tekemän hanke-esityksen (KTM Dno 4/811/2005) ja sen päivityksen (22.2.2006) pohjalta. VYR:n yhteyshenkilö hankkeeseen liittyvissä asioissa on Neuvotteleva virkamies Jaana Avolahti KTM:ssä. GTK:ssa yhteyshenkilönä toimii hankepäällikkö Lasse Ahonen. Tutkimushankkeelle myönnetty rahoitus vuodelle 2006 on enintään 50 000 euroa.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 HANKKEEN TULOKSET 2 2.1 Kopparnäsin tutkimus 2 2.2 Palmotun tutkimukset 5 2.3 Klaukkalan tutkimukset 8 2.4 Mallinnus ja tuloskäsittely 10 2.4.1 Vuorovesi-ilmiön hydrogeologinen mallinnus 10 2.4.2 Aineiston visualisointi 11 2.5 Menetelmäkehitys 12 2.6 Outokummun kalliohydrogeologiset tutkimukset 13 2.7 Seminaari 16 3 HANKKEEN JULKAISUT 17 3.1 Tieteelliset artikkelit ja konferenssiesitelmät 17 3.2 Työraportit 17 3.3 Opinnäytteet 17 4 LOPPUPOHDINTA 18 5 KIRJALLISUUSVIITTEET 19

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 1 1 JOHDANTO Tämä raportti on yhteenveto hankkeen "Kallion rikkonaisuusrakenteet ja hydrogeologia" toiminnasta vuonna 2006. Hankkeen yleinen tavoite ja tarkoitus on tutkia kallion rikkonaisuusvyöhykkeiden ominaisuuksia ja niiden tutkimusmenetelmiä kalliohydrogeologian kannalta. Pyrkimys on näin tukea ydinjätteen geologisen loppusijoituksen turvallisuusperustelujen tarpeita ymmärtää ja kuvata pohjaveden esiintymistä ja liikettä kallioperässä. Hankkeen tekniset tavoitteet määriteltiin seuraavasti (hanke-esityksen päivitys 22.2.2006): Kopparnäsin tutkimus keskittyen uuteen kairattuun reikään R-307 oli reikägeofysiikan, rakoilun ja vesikemian tutkimuksen osalta tehty. Suunnitelmana vuodelle 2006 oli reiän vedenjohtavuusjakauman ja rakoilun vedenjohtokyvyn yksityiskohtainen määrittäminen erovirtausmittauksella. Klaukkalan ruhjetutkimusta varten oli karttatulkinnan ja maanpintageofysiikan perusteella tunnettuun rakenteeseen vuoden alussa kairattu uusi 370 m pitkä kairareikä. Kairasydäntutkimuksen lisäksi reikä suunniteltiin tutkittavaksi reikägeofysiikan, videofilmauksen ja hydraulisen tutkimuksen menetelmin. Outokummun syvän reiän (OKU2500) tutkimus KYT-hankkeen puitteissa käsitti diplomityön, jossa mm. tehdään arvio eri reikägeofysiikan menetelmien soveltuvuudesta vettä johtavien rakenteiden paikantamiseen sekä tehdään ennuste niiden sijainnista. Vuoden alussa opinnäyte oli viimeistelyssä. Syvän reiän hydrogeologisen karakterisoinnin osalta Posiva Oy:n ja GTK:n kesken suunniteltiin yhteistyötä erovirtausmittauksen tekemisestä Posivan laitteistolla, mutta todettiin Outokummun reiän tutkimuksen edellyttävän laitteiston modifiointia. Tämä tutkimus rajautui tällöin toteutuessaankin nykyisen KYT-hankkeen ulkopuolelle. Mallinnustarkastelun painopisteenä oli ensisijaisesti kehittää edelleen valmiuksia mallintaa kallion rakenteita (GIS-ohjelmistot), kalliotilaa (3-D: SURPAC) ja kairareikätutkimuksen tuloksia (WellCad). Erityisesti tarkastelun kohteena ovat kaukokartoitusmenetelmät ja niiden rakennegeologinen informaatio. Seminaari liittyen kiteisen kallion hydrogeologiaan ( State of Art ) suunniteltiin järjestettäväksi syksyllä 2006. Tässä raportissa esitetään yhteenveto hankkeen tutkimustoiminnasta ja tärkeimmistä tuloksista vuonna 2006.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 2 2 HANKKEEN TULOKSET 2.1 Kopparnäsin tutkimus Kopparnäsiin rikkonaisuusvyöhykkeeseen kairattu tutkimusreikä R-307 oli tutkittu vuonna 2005 rakoilun osalta sekä kairasydämestä että videokuvalta, samoin reikägeofysiikan luotaus ja reikäveden analysointi oli tehty. Reiän hydrogeologinen tutkimus tehtiin ns. fluid-loggaus metodilla vaihtamalla reiässä oleva suolainen vesi makeaan heikosti sähköä johtavaan ja seurattiin raoista tulevan veden jakaumaan resistiivisyysmittauksella. Merkittävä havainto oli myös, että resistiivisyysmittauksen kanssa samanaikaisessa fluidin tarkassa lämpötilamittauksessa havaittiin selviä merkkejä lämpötilaeroista eri raoista tulevien vesikomponenttien välillä. Tutkimusreiässä oli tarkoitus tehdä myös erovirtausmittaus, mutta tämä ei rahoituksen puitteissa ollut tarkoituksenmukaista erityisesti koska mittaus olisi edellyttänyt tieuran tekoa reiälle ja koska Posivan virtausmittauskalusto oli suurimman osan aikaa muihin tehtäviin varattuna. Erityisesti tästä syystä kenttätutkimukset keskitettiin Palmottuun, jossa kahdessa reiässä oli kyseinen mittaus tehty. Kopparnäsin videokuva-aineistosta ja sen vertailusta kairasydänaineiston kanssa julkaistiin raportti (Jääskeläinen et al. 2006). Videokuva-aineisto oli laadukasta ja antoi huomattavasti tietoa tutkitun rikkonaisuusvyöhykkeen yksityiskohdista. Tutkimusta jatkettiin edelleen, pyrkien yhdistämää kuvamateriaalista saatua yksityiskohtaista tietoa geofysiikan avulla hankittuihin tietoihin vedenjohtavuudesta. Työssä kuvattiin ja luokiteltiin kaikki rakoilu yksityiskohtaisesti ja verrattiin kairasydänhavaintoja videokuvassa havaittuun rakoilun jakaumaan. Edelleen poimittiin reikägeofysiikan aineiston perusteella tarkasteluun selvästi hydraulisesti aktiiviset raot. Synteesissä voitiin kohdistaa havainnot rakovirtauksista yksittäisiin rakoihin ja rakovyöhykkeisiin. Kuvassa 1 on esitetty rakoilun suuntajakauma syvyyden funktiona videokuvan perusteella. Kuvassa 2 on esitetty avauman mukaan luokitettu rakotiheys syvyyden funktiona videokuvan perusteella ja verrattu sitä kairasydämestä laskettuun katkosten kokonaismäärään.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 3 Kuva 1. Rakoilun orientaatio syvyyden funktiona Kopparnäsin reiässä R-307 (Jääskeläinen et al. 2006). Kuvassa nuppineulan kärki osoittaa rakotason normaalin suuntaa yläpallolle projisoituna. Vaakaakselina on tason normaalin kaade (vasemmalla vaakarakoilu, oikealla pystyrakoilu). Tulosten käsittely on tehty WellCad-ohjelmalla.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 4 Kuva 2. Avonaisuuden mukaan luokitettu rakoilutiheys syvyyden funktiona Kopparnäsin reiässä R-307 videokuvan perusteella (Jääskeläinen et al. 2006). Vaaleanvihreällä merkitty edustaa kairasydämestä laskettua katkosten kokonaismäärää.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 5 2.2 Palmotun tutkimukset Palmotun uraanimineralisaatiota on tutkittu luonnonanalogiana useiden vuosien ajan ja tutkimuspaikalta on saatavana perusteellista hydrogeologista tietoa. Alueella on tehty monipuolista tutkimusta ja rei issä R385 ja R387 on tehty myös erovirtausmittaus (Rouhiainen 1996, Rouhiainen & Heikkinen 1998), minkä vuoksi päädyttiin suorittamaan geofysiikan reikämittauksia reiässä R387. Kuvassa 3 on esitettynä Palmotun tutkimusalue, tutkimusreikä R387 sekä lisäksi kolme muuta tällä hetkellä käytettävissä olevaa reikää. Suurin osa tutkimuspaikan muista rei istä tukittiin kesän 2006 aikana. Palmotun aikaisemmat hydrogeologiset tutkimukset tehtiin pääasiassa vuosina 1995 1997 EUrahoitteisen luonnonanalogiatutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa (Blomqvist et al. 1998). Tutkimuksiin sisältyi vedenjohtavuuden yksireikämittauksia spinner-laitteistolla ja samanaikaista seurantaa ympäristön rei'issä (Jönsson et al. 1995a,b), pumppaus-vuorovaikutuskokeita (Lampinen et al. 1997, Ludvigsson 1997), pitkäaikaista painekorkeusseurantaa tulpatuista väleistä ja avoimista rei'istä (Lampinen 1997), rikkonaisuusvyöhykkeiden arviointia ja luokitusta (Kuivamäki 1997) sekä näihin perustuva paikkakohtainen kalliopohjaveden virtausmallinnus (Koskinen & Kattilakoski 1997). Nyt tutkimuksen kohteena oleva reikä R-387 kairattiin talvella 1998 ja erovirtausmittaus tehtiin pian reiän kairauksen jälkeen. Reikä kairattiin yhteen tutkimuspaikan merkittävistä rikkonaisuusrakenteista eli ns. "Palmottu-ojan ruhjevyöhykkeeseen" likimain rakenteen kulun suuntaisesti (kuva 4). Nykyisen hankkeen puitteissa kesän 2006 aikana tehtiin reiässä geofysiikan mittauksia tarkoituksena kehittää ja tutkia metodiikkaa hydrogeofysiikan käyttöön. Tulokset on raportoitu kahdessa työraportissa, joista toinen kuvaa tutkimukset kattavasti verraten tuloksia sekä aikaisempiin erovirtausmittauksen tuloksiin että kairausnäytteen perusteella tutkittuun litologiaan ja rakoiluun (Jääskeläinen et al. 2007). Toisessa raportissa keskitytään uuteen hydrogeofysiikan tutkimusmenetelmään, jossa reikägeofysikaaliset luotaukset on yhdistetty samanaikaiseen veden pumppaukseen reiästä (Jokinen et al. 2007). Reiässä R-387 tehdyt lämpötilamittaukset osoittautuivat erittäin mielenkiintoisiksi. Erityisesti reiän yläosassa tavattiin runsaasti piikkeinä näkyviä lämpötilaanomalioita, jotka toistuivat mittauksesta toiseen. Tulkinta on, että ne edustavat hydraulisesti aktiivista rakoilua. Lämpötilahavainnot yhdistettynä veden sähkönjohtavuushavaintoihin antavat hyvin yksityiskohtaista informaatiota vettä johtavan rakoilun jakaumasta reiässä. Tuloksista on valmisteilla julkaisu kansainväliseen julkaisusarjaan (Jokinen et al.). Reiässä luodattiin fluidin (reikäveden) ominaisuuksien lisäksi myös kallion sähköiset ominaisuudet syvyyden funktiona (kuva 5). Käytetyt galvaaniset menetelmät olivat resistiivisyysmittaukset kolmella elektrodikonfiguraatiolla (lyhyt- ja pitkänormaali, lateraali), yksipisteresistanssimittaus (SPR) ja omapotentiaalimittaus (SP). Näistä neljä ensimmäistä metodia kuvaavat kallion ominaisvastusta, johon vaikuttavat mm. sähköä johtavien mineraalien määrät kalliossa (sulfidit, grafiitti). Hydrogeofysiikan kannalta merkittävintä on kuitenkin vesipitoisen rakoilun näkyminen resistiivisyysminimeinä (veden ominaisvastus on suolaisuudesta riippuen suuruusluokkaa 0,5 50 ohm-m). Vertailu "flow-logging"-tulokseen ja reiän rakoiluhavaintoihin osoitti, että osa resistiivisyysminimeistä oli selvästi kohdistettavissa tunnettuihin rakoihin, osassa havaintoja taas aivan ilmeisesti sulfidipitoinen kivi vaikutti tulokseen (Jääskeläinen et al. 2007).

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 6 Kuva 3. Palmotun tutkimusalue ja lähellä sijaitsevia tutkimusreikiä. Tutkimusreikä R387on merkitty keltaisella viiskulmiolla (Jääskeläinen et al. 2007). Kuva 4. Havainnekuva reiän R-387 sijainnista Palmottuojan rikkonaisuusvyöhykkeeseen nähden (Jääskeläinen et al. 2007). Kuva on tehty SURPAC-ohjelmalla.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 7 Hyvin merkittävä havainto oli myös selkeiden omapotentiaalianomalioiden korrelaatio rakovirtauksen kanssa (Jääskeläinen et al. 2007). Omapotentiaalidataa ei usein ole hyödynnetty täysin, koska menetelmä on luonteeltaan häiriöaltis johtuen mm. mittausteknisistä seikoista (esim. elektrodin polarisoituminen). Toisaalta menetelmää on menestyksellisesti sovellettu fluidin virtauksen havainnointiin (streaming potential) esimerkiksi patojen vuotoja paikannettaessa. Kuvassa 5 sininen käyrä kuvaa SP-arvon vaihtelua syvyyden funktiona. Noin 80 90 metrin syvyysvälillä on voimakas virtaus reikään, joka näkyy sekä lämpötilamittauksissa että erovirtausmittauksessa (Rouhiainen & Heikkinen 1998). Vastaavasti erovirtausmittauksessa havaittiin syvyysvälillä n. 250 340 m laaja ulosvirtauksen alue, joka myös näkyy hyvin selvästi omapotentiaaliaineistossa. 1 000 000 3000 100 000 2500 Resistivity [Ohm-m] & Resistance [ohm] 10 000 1 000 100 10 2000 1500 1000 500 0-500 Self Potential [mv] 1-1000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Distance in borehole [m] Lateral Long Normal Short Normal Single Point Resistance Self Potential Kuva 5. Galvaaniset mittaukset reiässä R-387 ja reiän kivilajivaihtelut (sininen=kiillegneissi, punainen =pegmatiittigraniitti, sinivihreä pyrokseenigneissi, oliivinvihreä=ultramafinen kivi) (Jääskeläinen et al. 2007).

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 8 2.3 Klaukkalan tutkimukset Klaukkalaan valmistui vuoden 2006 alussa tutkimusreikä. Tutkimuspaikalla ja ympäröivällä alueella oli tehty aikaisemmin rakennegeologista tutkimusta Helsingin seudun taajamakartoitus projektissa, jonka puitteissa on kartoitettu mm. kattavasti rakoilua sekä paljastumilta että tunneleista. Saatavissa olevaa aineistoa on hyödynnetty myös KallioINFO-projektissa (Kuivamäki 2006). Jo heti kairauksen alussa huomattiin kallioperän olevan hyvin rikkonaista, mutta kairauksia jatkettiin 362 metrin syvyyteen saakka, mihin syvyyteen oli rikkonaisuusvyöhyke ennustettu geologisen ja gravimetrisen aineiston perusteella. Merkittävin rakoilun tihentymä ulottuu pinnasta noin 100 metrin syvyyteen (kuvat 6 ja 7). Alkuperäisenä oletuksena oli melko pysty rakovyöhyke, mutta kairaus osoitti merkittävimmän rakoilun olevan loiva-asentoista etelään kaatuvaa jatkuen loivasti vedenpuhdistamon alle. Tulkintoja tarkistettaessa todettiin rakovyöhykkeiden muodostavan porrasmaisia tasanteita alueella. Klaukkalan vedenpuhdistamon ruhje on muiden tutkimusten mukaan oletettavasti vanha aktivoitunut ruhjevyöhyke, jossa havaitaan useita deformaatiovaiheita. Klaukkalan kairareikä pyrittiin TV-kuvaamaan, mutta jo noin 50 m syvyydellä kuvaus jouduttiin keskeyttämään rikkonaisuusvyöhykkeen estäessä kameran kulkemista. Samasta syystä, ainakin toistaiseksi, geofysiikan reikämittaukset jätettiin tekemättä Klaukkalassa. Paikoitellen kairasydämessä havaittiin voimakkaasti rapautuneita jaksoja. Esimerkiksi kairasydämen pituudella 39-43 m on runsaasti näytehukkaa, josta jäljellä vain savisia kappaleita. Sadanviidenkymmenen metrin syvyyden jälkeen rikkonaisuus vähenee huomattavasti. Klaukkalan tutkimustuloksessa merkille pantavaa on erityisesti se aikaisemminkin huomioitu tosiasia, että kartta-, ja muu kaukokartoitusaineisto helposti ylikorostaa oletusta maan pinnalla havaitun rakenteen suhteellisen pystystä suunnasta. Näin esimerkiksi leveähkönä laaksona näkyvä lineamentti saatetaan oletettaa laakson levyiseksi rakennepiirteeksi. Klaukkala ruhjevyöhykkeen tutkimus osoittaa havainnollisesti kuinka kapea rikkonaisuusvyöhyke leikatessaan maanpinnan loivassa kulmassa muodostaa topografiassa leveän lineamentin.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 9 Kuva 6. Klaukkalan reiän R-301 RQD-luku syvyyden funktiona. Kuva 7. Klaukkalan reiän R-301 kairasydäntä. Paikoitellen kairasydämessä oli hyvinkin rikkonaista.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 10 2.4 Mallinnus ja tuloskäsittely 2.4.1 Vuorovesi-ilmiön hydrogeologinen mallinnus Palmotun EU-hankkeen yhteydessä vuonna 1996 kerättiin talteen mielenkiintoinen painekorkeuden vaihteluaineisto, jota ei ole toistaiseksi käsitelty ja julkaistu. Hydraulisen vuorovaikutuskokeen seurantaa varten asennettiin pumppausreiän ympärillä oleviin reikiin tulppavälien painekorkeuksia rekisteröivät anturit. Pumppauskokeen päätyttyä jätettiin painerekisteröinti päälle lähes kolmen viikon ajaksi tallentamaan hydraulisen korkeuden arvoa kullakin välillä 15 minuutin välein. Aineistossa näkyy selvä voimakas vuorokausisykli, joka ilmeisesti liittyy maankuoren vuorovesi-ilmiöön. Vuorovesisignaalin lisäksi aineistossa näkyvät ilmanpainevaihtelut ja joissakin seurantaväleissä on mahdollisesti havaittavissa myös sadannan vaikutusta (kuva 8). Nykyisen hankkeen yhteydessä tehdyn kirjallisuustutkimuksen mukaan tätä maankuoren syklisen elastisen liikkeen aiheuttamaa vaikutusta kalliopohjaveteen voidaan hyödyntää keskimääräisten hydrogeologisten parametrien määrityksessä (esim. Bredehoeft 1967, Ritzi, Jr. et al. 1991). Head (m) 3.00 2.80 2.60 2.40 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 28.08.1996 P10 P9 P8 P7 P6 P5 P4 P3 29.08.1996 30.08.1996 31.08.1996 01.09.1996 02.09.1996 03.09.1996 04.09.1996 05.09.1996 06.09.1996 07.09.1996 08.09.1996 09.09.1996 10.09.1996 11.09.1996 12.09.1996 13.09.1996 14.09.1996 15.09.1996 16.09.1996 17.09.1996 18.09.1996 19.09.1996 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Tidal effect ( gal) Date Kuva 8. Pohjavedenpinnan (head) muutokset Palmotun tulpatuissa havaintoväleissä P3 P10. Vuoksivoima (tidal effect) on esitetty alinna punaisella.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 11 Kuva 9. Vuorovesisignaalin ja vedenkorkeusaineistojen taajuusspektrit. Estimointi suoritettiin diskreettiä Fourier-muunnosta käyttäen. Aineistot Hanning-ikkunoitiin ennen laskuja. Tulosten käsittelyä varten laskettiin kuun ja auringon aiheuttama teoreettinen painovoimavaikutus (vuoksivoima) ajan funktiona. Tämä aineisto analysoitiin laskemalla niistä taajuusspektrit diskreettiä Fourier-muunnosta käyttäen (kuva 9). Suhteellisen säännöllisesti vuorokausirytmissä vaihtelevalle painekorkeusaineistolle laskettiin taajuusspektrit vastaavalla tavalla. Molemmissa aineistoissa kahdesti vuorokaudessa toistuvat signaalit korreloivat. Aineiston jatkokäsittelyssä tarkoituksena on arvioida havainnoidun kalliolohkon hydraulisia ominaisuuksia tulosten perusteella. Tuloksista on valmisteilla käsikirjoitus tarjottavaksi tieteelliseen julkaisusarjaan (Korhonen & Ahonen 2007). 2.4.2 Aineiston visualisointi Palmotun tutkimuspaikan rakennemallin aineisto on ollut hankkeen käytössä ja sitä on hyödynnetty SURPAC-ohjelman avulla 3-D visualisoinnissa (esim. kuva 4). Reikädatan visualisoinnissa on käytetty WellCad-ohjelmistoa (esim. kuva 1).

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 12 2.5 Menetelmäkehitys Vuonna 2006 tehtiin menetelmäkehitystä fluidin sähkönjohtavuuteen ja lämpötilan mittaukseen soveltuvalla GTK:n Wellmac-laitteistolla. Laitteen erotuskyky ja tarkkuus mm. lämpötilamittauksessa on hyvä (0,01 K), joten riittävän hitaassa mittauksessa pienetkin lämpötilaerot on rekisteröitävissä merkittävinä. Pääasiallisena kehityksen kohteena olevana tutkimusideana oli reikäveden lämpötilan ja resistiivisyyden luotaus reikää pitkin reikää samanaikaisesti pumpattaessa. Fluidin resistiivisyyttä (sähkönjohtavuutta) on aikaisemminkin käytetty "merkkiaineena" esim. ns. "fluid-logging" menetelmässä (Kukkonen 1989), joka kuitenkin on hyvin suuritöinen jos reiän koko vesitilavuus pyritään vaihtamaan esimerkiksi ionivaihdettuun resistiiviseen veteen. Tämä ei myöskään geohydrologisesti aktiivisessa reiässä ole välttämättä mahdollista, kuten Kopparnäsissa havaittiin (Jääskeläinen et al. 2005). Reikäveden lämpötilaeroja ja niissä havaittavia muutoksia on myös käytetty indikaatioina kalliopohjaveden liikkeistä (esim. Kukkonen 1985, 1986). Häiriintymättömässä kairareikävedessä kallion ja veden lämpötilat tasapainottuvat helposti ja syvyyden funktiona havaittavat anomaliat voivat liittyä esimerkiksi pitkän aikavälin ilmastonmuutoksiin. Lämpöpulssia ja sen etenemisen seurantaa vedessä voidaan myös käyttää veden virtauksen mittauksessa, kuten tapahtuu Posivan virtausmittauslaitteistossa (Öhberg & Rouhiainen 2000), jossa kallion ja reiän välisiä virtauksia mitataan eristetyillä reikäväleillä. Mittaus saattaa olla suhteellisen vaikeasti toteutettava vaikeissa maasto-olosuhteissa. GTK:n hydrogeofysiikan mittauksen kehitystyön tarkoituksena kehittää sovellutuksia pienellä budjetilla tapahtuvan kalliohydrogeologisen tutkimuksen käyttöön. Nykyisten tutkimustulosten valossa vaikuttaa siltä, että laitteistolla ja sen kehitetyllä sovellutuksella voidaan hyvinkin tarkasti havaita vettä johtavia rakoja ja hydraulisesti aktiivisten rakojen jakaumaa. Kuvassa 10 on esitetty lämpötila- ja resistiivisyysmittaukset Palmotussa kahtena eri ajankohtana. Yhdistämällä näiden parametrien informaatio sekä häiriintymättömissä reikävesiolosuhteissa että pumppauksen aikana saadaan tietoa kallion rakojen hydrogeologisesta käyttäytymisestä. Myös omapotentiaalimittaus eli SP-mittaus tuo lisätietoa kalliorakojen virtausolosuhteista ja menetelmän soveltuvuutta ja merkittävyyttä kalliopohjavesitutkimuksessa tullaan tutkimaan edelleen. Vuoden 2006 lopussa kairattiin hankkeen puitteissa uusi ruhjevyöhykkeen lävistävä tutkimusreikä Vihtiin, josta on myös saatavilla runsaasti uutta tutkimusaineistoa.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 13 Kuva 10. Fluidin resistiivisyys ja lämpötilamittaukset R-387:ssä syyskuun mittauksissa (Jokinen et al. 2007). 2.6 Outokummun kalliohydrogeologiset tutkimukset Outokummun syväreikään liittyen vuoden aikana valmistui opinnäytetyö geofysikaalisten menetelmien käytöstä vettä johtavien rakenteiden tutkimisessa. Opinnäytetyössä geofysiikan menetelmin tulkittiin ja tunnistettiin vettä johtavia rakenteita. Tässäkin ongelmaksi osoittautui litologisten ja hydrogeologisten ilmiöiden erottelu, joka konkretisoitui Outokumpu-assosiaation kivilajiryhmässä, missä vettä johtavien rakenteiden luokittelua ei voinut tehdä samoin kriteerein kuin kiillegneississä. Tämä johtui siitä, että kivilajiryhmä antaa samanlaisen vastineen, kuin vettä johtaville rakenteille määritellyt raja-arvot. (Tarvainen 2006). Outokummun syvän reiän hydrogeologisten havaintojen yhteenveto tehtiin osin tämän hankkeen puitteissa (Ahonen & Kukkonen 2007). Vedenjohtavuusmittaukset, joihin reikägeofysiikan tuloksia verrattiin teki venäläinen kairausyhtiö kairauksen edetessä 500 metrin välein. Hydrauliset testit tehtiin soveltamalla öljynporauksessa yleisesti käytettyä drill-stem testimenetelmää (DST). Testissä tulpan alapuolelta annetaan purkautua vettä tyhjään kairaustangostoon (flow), jonka jälkeen tangoston alapäässä oleva venttiili suljetaan ja seurataan paineen nousua suljetussa tulppävälissä (build-up). Tämä voidaan toistaa muutamia kertoja (kuva 11). Kuvassa 12 on yhteenveto reikägeofysiikan perusteella tulkituista vettä johtavista raoista/rakoilusta (Tarvainen 2006).

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 14 Kuva 11. Esimerkki DST-testin tuloksesta (Outokumpu). Testin vaiheet alareunan palkissa:vihreä = nosto/lasku; musta = pakkerin sulkeminen/avaaminen; sininen = flow; punainen = build-up.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 15 Kuva 12. Reikägeofysiikan perusteella tulkittu rakoilu Outokummun syvässä reiässä (Tarvainen 2006)

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 16 2.7 Seminaari Kalliohydrogeologia-seminaari järjestettiin Geologian tutkimuskeskuksen Sederholm-salissa 17.11. 2006. Seminaariin osallistui kuulijoina ja esitelmöijinä yhteensä n. 60 henkeä, joista puolet oli GTK:n ulkopuolisia. Seminaarin ohjelma oli seuraava: 9:15 Keijo Nenonen, tutkimusjohtaja, GTK: Seminaarin avaus 9:25 Heikki Leinonen, KYT-koordinaattori: KYT2010 Ohjelma 9:40 Lasse Ahonen, GTK: Hydrogeologian rooli geologisessa loppusijoituksessa: KYT-hanke ja GTK:n muut tutkimukset 10:00 Paula Jääskeläinen, GTK: Tutkimukset Kopparnäsissä, Palmotussa ja Klaukkalassa 10:30 Jarkko Jokinen, GTK: Reikägeofysiikan menetelmäkehitys hydrogeologian tarpeisiin 10:45 Marit Wennerström, GTK: Helsingin seudun taajamakartoitus 11:00 Henry Ahokas, Pöyry Environment Oy: Ydinjätteiden loppusijoituspaikkaan liittyvät pohjavesitutkimukset 11:30 Lasse Koskinen, VTT: Hydrogeologinen virtausmallinnus konseptualisointi, vaatimuk set, haasteet Loppukeskustelu

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 17 3 HANKKEEN JULKAISUT 3.1 Tieteelliset artikkelit ja konferenssiesitelmät Ahonen, L. 2006. Bedrock Fracturing and Hydrogeology. In Rasilainen, K. (ed.) 2006. The Finnish Research Programme on Nuclear Waste Management (KYT) 2002-2005. Final Report. VTT Tiedotteita 2337, 119 134. Ahonen, L. & Kukkonen I. 2007. Preliminary hydrogeological studies of the Outokumpu deep borehole. Geological Survey of Finland, Special Paper (submitted Sept. 06). Jokinen, J., Jääskeläinen, P. & Ahonen, L. 2007. Paper to be submitted to Geophysica Jääskeläinen, P., Ahonen, L., Jokinen, J. 2006. Hydrogeological studies of fractured rock at Kopparnäs site, Finland. In: Chudy, K. & Marszalek, H. (eds.) 4th Workshop on Hard Rock Hydrogeology of the Bohemian Massif, Jugowice, SW Poland, 21-23 June 2006: extended abstracts volume. Wroclaw: University of Wroclaw, 19 20. Jääskeläinen, P., Ahonen, L. & Jokinen, J. 2007 (paper submitted Sept 2006). Hydrogeological studies of fractured rock at Kopparnäs site, Finland. Proceedings of the 4th International Workshop "Hard Rock Hydrogeology of the Bohemian Massif", Poland, June 2006. Korhonen, K. & Ahonen, L. 2007. Hydrogeological signals due to Earth tides on crystalline bedrock. (Valmisteilla, tarjotaan vertaisarvioituun kansainväliseen sarjaan). Lipponen, A., Rönkä, E., Leveinen, J. and Ahonen, L. 2007. State- of-the-art in Fennoscandian hardrock hydrogeological research: Cases from Finland. Proceedings of the 2nd workshop of the Iberian regional working group on hardrock hydrogeology. (in print). 3.2 Työraportit 1 Ahonen, L., Jääskeläinen, P., Tarvainen, A.-M., Korhonen, K. 2006. Kallion rikkonaisuusrakenteet ja hydrogeologia: Vuosiraportti 2005. 23 s., 5 liites. Geological Survey of Finland, Archive report, Y 50/2006/1. Ikävalko, O. 2006. Klaukkalan tutkimusreiän M52/2043/04/301 videokuvaus. Kivikonsultit Oy. Työraportti. Jokinen, J., Jääskeläinen, P., Ahonen, L. 2007. New Borehole Method to Detect Hydraulic Structures. 11 s. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/2007/7. Jääskeläinen, P., Ahonen, L., Lindberg, A. 2006. Bedrock fracturing in Kopparnäs R-307: Comparison of video image and drill core log. Data-cd. 13 s. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/2006/2. Jääskeläinen, P., Jokinen, J., Ahonen, L. & Ruskeeniemi, T. 2007. Geophysical measurements in Palmottu R387. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/2007/11. 3.3 Opinnäytteet Tarvainen, A.-M. (2006). Outokummun syväkairareiän vettä johtavien rakenteiden tunnistaminen reikägeofysikaalisin menetelmin. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu, Geoympäristötekniikan laboratorio. 1 GTK:n arkistoraportit on luettavissa GTK:n Web-sivujen kautta (Tietoarkisto=>Arkistoaineistot=>RAPGEO)

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 18 4 LOPPUPOHDINTA Kiteisen kallioperän tyypillinen ominaisuus ydinjätteen loppusijoitussyvyyksiin saakka ja syvemmällekin on rakoilu, jonka määrä syvemmälle mentäessä kuitenkin selvästi vähenee. Veden täyttämät kallioraot ovat se ympäristö, jossa mahdollisesti tapahtuviin prosesseihin suuri osa ydinjätteen loppusijoituksen turvallisuustutkimusta keskittyy. Tällä hetkellä valtaosa tästä tutkimuksesta tapahtuu laboratorio-olosuhteissa tai perustuu geneeriseen mallinnukseen ja konseptualisointiin. Luonnon olosuhteissa tehtävästä kalliohydrogeologian tutkimuksesta Suomessa valtaosan tekee tällä hetkellä Posiva Oy. Tässä raportoitavan GTK:n toteuttaman hankkeen yksi merkittävistä aspekteista on pyrkimys edellisestä riippumattomaan kalliohydrogeologian tutkimukseen kuitenkin pyrkien operatiivisessa toiminnassa mahdollisuuksien mukaan myös yhteistyöhön ja hyödyntämään niitä valmiuksia, joita loppusijoitusorganisaatio omassa toiminnassaan kehittää. GTK:n toteuttama nyt selkeästi kalliohydrogeologiaan keskittyvä hanke on kolmen vuoden kuluessa kehittynyt sekä strategisesti että toimintatavoiltaan: toiminta on fokusoitunut niihin keskeisiin kysymyksiin, joissa uutta tietoa ja edistystä on näyttänyt olevan odotettavissa. Tämä heijastuu myös vuoden 2006 toiminnassa, jossa hankkeen edetessä on tarvittaessa tehty ne muutokset operatiivisessa toiminnassa, joita parhaan mahdollisen hyödyn saaminen tutkimuksesta on näyttänyt edellyttävän. Tutkimuksen merkittävin anti kalliohydrogeologian kannalta liittyykin tutkimuksen kuluessa syntyneisiin oivalluksiin, metodiikan kehitykseen ja oppimiseen, jota on mahdollista siirtää tulevaisuuden tarpeisiin.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 19 5 KIRJALLISUUSVIITTEET Blomqvist, R., Kaija, J., Lampinen, P., Paananen, M., Ruskeeniemi, T., Korkealaakso, J., Pitkänen, P., Ludvigson, J.-E., Smellie, J., Koskinen, L., Floría, E., Turrero, M.J., Galarza, G., Jakobsson, K., Laaksoharju, M., Casanova, J., Grundfelt, B. and Hernan, P. 1998. The Palmottu Natural Analogue Project Hydrogeological evaluation of the site. European Commission, Nuclear Science and Technology Series, Luxembourg, EUR 18202 EN, 95 p., 1 app. Bredehoeft J.D. 1967. Response of well-aquifer systems to earth tides. J. Geophysical. Res. 72(12), 3075 1228. Jönsson, S., Jansson, F., Ludvigsson, J.-E. 1995. Flow meter logging in Palmottu test site. Boreholes R318, R343, R345, R347 and R357. Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB). Geological Survey of Finland, Palmottu Project. Work report, August 1995. 9 p., 5 app. Jönsson, S., Jansson, F. and Ludvigson, J.-E., 1995. Flow meter logging in Palmottu test site. Boreholes R302, R324, R332, R335, R373 and R384. Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB). Geological Survey of Finland, Palmottu Project. Work report, December 1995, 9 p., 6 app. Jääskeläinen, P., Ahonen, L., Lindberg, A. 2006. Bedrock fracturing in Kopparnäs R-307: Comparison of video image and drill core log. Data-cd. 13 s. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/2006/2. Koskinen, L. and Kattilakoski, E. 1997. Modelling of deep groundwater flow under natural conditions at the Palmottu site. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/97/03, 31 p., 22 app. Kuivamäki, A. 1997. Hydrogeological classification of fracture zones of Palmottu area. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/97/02, 9 p., 9 app. Kukkonen, I. 1989. A fluid logging experiment at Kerimäki, eastern Finland. Industrial Power Company Ltd, Working report 89-04, 38 p., 1 table, 24 fig. Kukkonen, Ilmo 1985. Lämpötilamittaukset pohjaveden virtaustutkimuksissa. In: XII Geofysiikan päivät Helsingissä 14.-15.5.1985. Helsinki: Geofysiikan Seura, 177-181. Kukkonen, Ilmo 1986. Lämpötilamittauksia syvistä kairarei'istä. Abstract: Temperature loggings in deep drill holes. Geologian tutkimuskeskus. Ydinjätteiden sijoitustutkimukset. Tiedonanto YST-54. Espoo: Geologian tutkimuskeskus. 24 p. + 33 app. pages. Kuivamäki, A. (toim.) 2006. GeoTieto-Informaatiojärjestelmän kehittäminen yhdyskunta- ja ympäristösuunnittelua sekä rakentamista varten. Vaihe II: GeoTIETO-käyttöliittymän ja 1:20 000 rakennettavuusmallien viimeistely sekä 1:5 000 rakennettavuusmallien kehittäminen. Geologian tutkimuskeskus. KallioINFO-projekti. Raportti K2142/2006/2. Lampinen, P. 1997. Interpretation of hydraulic head measurements at Palmottu. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/97/13, 19 p., 5 app. Lampinen, P., Korkealaakso, J., Kuusela-Lahtinen, A. and Ahonen, L. 1997. Interpretation of hydraulic interference tests at Palmottu. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/97/04, 33 p., 4 app. Ludvigson, J.-E. 1997. Qualitative and quantitative interpretation of cross-hole tests at Palmottu. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/97/09, 29 p., 4 app.

Kallion rikkonaisuus ja hydrogeologia: vuosiraportti 2006 20 Ritzi Jr., R.W., Sorooshian, S. & Hsieh, P.A. 1991. The estimation of fluid flow properties from the response of water levelsin wells to the combined atmospheric and earth tide forces. Water Resources Research, 27(5), 883 893. Rouhiainen, P. 1996. Difference flow measurements at the Palmottu site in boreholes R385 and R386. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/96/06, 10 p., 2 app. Rouhiainen, P. and Heikkinen, P. 1998. Difference flow measurements at the Palmottu site in boreholes R387 and R388. The Palmottu Natural Analogue Project. Geological Survey of Finland, Archive report, Y50/98/03. 13 p., 8 app. Öhberg, A. & Rouhiainen, P. 2000. Posiva groundwater flow measuring techniques. Posiva Oy, Report POSIVA 2000-12.