Pohjois-Suomen yksikkö Q23/2009/21 8.4.2009 Rovaniemi Heijastusseismisten FIRE-luotausten tulkinta Keski-Lapin liuskealueella Reflex2DQuick-ohjelmaa käyttäen Erkki Lanne
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 8.4.2009 Tekijät Erkki Lanne Raportin laji Arkisto Toimeksiantaja Geologian tutkimuskeskus Raportin nimi Heijastusseismisten FIRE-luotausten tulkinta Keski-Lapin liuskealueella Reflex2DQuick-ohjelmaa käyttäen Tiivistelmä Raportissa kuvataan FIRE 4, 4A ja 4B luotausten SEG-muotoisten havaintojen tulkintaa Keski-Lapin liuskealueella. Tulkintaohjelmana on käytetty pääasiassa Reflex2DQuick-ohjelmaa, joka mahdollistaa havaintojen erilaisia esitystapoja, havaintojen prosessointia ja tulkintamahdollisuuksia. Esitystavoista mainittakoon mm. rasteri- ja käyräesitykset, zoomaus ja väripaletit. Tulkintavaihtoehdoista tässä työssä käytettiin heijasteiden automaattista ja ohjattua tulkintaa. Jatkokäyttöön tarkoitetut tulokset sisältävät paikannus- ja syvyystietojen ohella myös tiedon heijasteiden intensiteetistä etumerkkeineen. Työ liittyy Kittilän vihreäkivialueen ja Keski-Lapin 3D-rakennetutkimuksiin. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Keski-Lappi, seismiset menetelmät, mallit Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi, Lapin lääni, Kittilä, Muonio Karttalehdet 2723, 2731, 2732, 2741, 2743, 2744, 3722 Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkisto Arkistotunnus Q23/2009/21 Kokonaissivumäärä 6 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Julkinen Yksikkö ja vastuualue Pohjois-Suomen yksikkö/kallioperä ja raaka-aineet Allekirjoitus/nimen selvennys Hanketunnus 2141006 Allekirjoitus/nimen selvennys Erkki Lanne
GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND DOCUMENTATION PAGE Date / Rec. no. 8.4.2009 Authors Erkki Lanne Type of report Archive Commissioned by Geological Survey of Finland Title of report The interpretation of reflection seismic FIRE sounding on Central Lapland schist belt by using Reflex2DQuick program. Abstract In the report the interpretation of reflection seismic FIRE 4, 4A and 4B is described. The research area is the Central Lapland schist belt and the work is associated with the 3D-modelling of Kittilä greenstone belt. The used data is in SEG-format and the used computer program is Reflex2DQuick. The program and data offer versatile alternatives for presentation and processing of the data and computer-assisted interpretation. In this report automatic and manual computer-controlled interpretation has been used. Besides the location coordinates and depths the interpretations include amplitude information of reflections. Keywords Central Lapland, seismic methods, models Geographical area Finland, Lapland Province, Kittilä, Muonio Map sheet 2723, 2731, 2732, 2741, 2743, 2744, 3722 Other information Report serial Archive Total pages 6 Language Finnish Unit and section Northern Finland Office/ Bedrock Geology and Resources Signature/name Archive code Q23/2009/21 Price Project code 2141006 Signature/name Confidentiality public Erkki Lanne
Sisällysluettelo Kuvailulehti Documentation page 1 JOHDANTO 1 2 HAVAINTOAINEISTOT 1 3 TULKINTA 2 3.1 Automaattinen tulkinta 2 3.2 Ohjattu tulkinta 4 4 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ 5 5 LÄHDEVIITTEET 6 KIRJALLISUUSLUETTELO
1 1 JOHDANTO Seismisten luotausten tulkinta on monivaiheinen prosessi, jossa havaintoja joudutaan prosessoimaan moneen kertaan haluttujen ilmiöiden selville saamiseksi. Tässä työssä esitetään SEGmuotoisten FIRE-heijastusluotausten tulkintamahdollisuuksia Reflex2DQuick-ohjelmaa käyttäen. Työ liittyy vuosina 2001-2005 suoritettujen FIRE-luotausten tulkintaan (Kukkonen & Lahtinen, 2006) ja erityisesti Kittilän vihreäkivivyöhykkeen rakennetutkimuksiin. 2 HAVAINTOAINEISTOT Heijastusseismiset FIRE 4, 4A-luotaukset tehtiin Keski-Lapin alueella Rovaniemi-Kittilä-Sirkka- Pokka-tietä ja FIRE 4B-luotaukset Sirkka-Muonio-teitä pitkin. Havaintoaineistoina olivat FIRE 4, 4A ja 4B SEG-muotoiset NMO-pinotut rekisteröinnit. ja migroidut havainnot. Tässä työssä käytetyt NMO-pinotut havainnot ovat aikaväliltä 0-4 sekuntia, joka esim. nopeudella 6km/s vastaa syvyyttä 12 km. FIRE 4 ja 4B havainnot ovat CDP-pisteväliltä 8000-13000 ja FIRE 4B kokonaan eli CDP-väli 181-2733. Koska havaintomäärät olivat varsin suuria käytössä olevaan tietokonekapasiteettiin nähden, havainnot paloiteltiin 1000-2000 rekisteröinnin (trace) sektioihin. Migroitu aineisto oli laajemmalta ja syvemmältä alueelta ja sen vertikaaliargumenttina oli syvyys. Vastaava paloittelu tehtiin 0:sta 12 kilometriin. Koska Reflex2DQuick:stä ei näyttänyt löytyvän helppoa paloittelumahdollisuutta, paloittelu tehtiin KOGEO- tai SEISEE-ohjelmilla (Lanne, 2009). Kuvassa 1 on FIRE-linjojen sijainti alueella KKJY:3350000-3470000; KKJX: 7480000-7570000. Luotaukset on tehty Vibroseis-menetelmällä, jossa maahan syötetään muuttuvataajuinen, useita sekunteja kestävä tärinä. Vastaavasti heijastavista pinnoista saadaan pitkä rekisteröinti. Yksittäisestä heijasteesta aiheutuvasta useita sekunteja kestävästä rekisteröinnistä ei sellaisenaan voida päätellä seismisten aaltojen kulkuaikaa, vaan ne saadaan lähetetyn ja vastaanotetun signaalin ristikorrelaatiofunktiosta. Siten yksittäisen väreen (wavelet) muodosta on hankala päätellä heijasteen kvantitatiivisia ominaisuuksia. Tässä työssä rajoitutaan ainoastaan heijasteen etumerkkiin ja standardisoituun suhteelliseen amplitudiin. Taajuusrajoitettujen signaalien autokorrelaatio- ja ristikorrelaatiofunktioissa on päämaksimin tai -minimin ohella myös sivuminimejä ja - maksimeja Tässä työssä poimittiin myös selvät sivuminimit ja -maksimit, joiden merkitystä rakenteille on arvioitava erikseen. Tulkittujen heijasteiden horisontaalista leveyttä määrittää ns. Fresnel-vyöhyke. Esimerkiksi taajuudella 40 Hz 2 kilometrin syvyydellä se on luokkaa 500 metriä ja 1300 metriä syvyydellä 12 kilometriä. Yksittäisiä kanavia tarvitaan vastaavasti 20:stä 50 kanavaan. Suuremmilla taajuuksilla vyöhyke on luonnollisesti kapeampi, mutta havaintojen tavanomainen ylipäästösuodatus tekee heijastekuvioinnin moniselitteisemmäksi, joten tässä työssä tulkinta perustui pääasiassa mahdollisimman vähän käsiteltyihin havaintoihin.
2 Kuva 1. Tutkimusalueen geologinen kartta. Geologian tutkimuskeskus. Fig 1. Geological map of the research area. 3 TULKINTA Tässä työssä käytetään seuraavia ohjelman monista tulkintamahdollisuuksista automaattista heijasteiden poimintaa ja ohjattua manuaalista poimintaa. 3.1 Automaattinen tulkinta Automaattinen tulkinta tapahtuu siten, että valitulta alueelta poimitaan automaattisesti tapahtumat esim. minimiarvot, kuva 2. Poimintatulokset on mahdollista erotella omilla koodeilla, jotka esim. öljynetsinnässä liitetään tiettyihin stratigrafisiin kerroksiin tai muodostumiin. Tässä työssä koodeja käytettiin maksimien ja minimien erottamiseen toisistaan. Poiminta on mahdollista ulottaa yli kaikkien rekisteröintien valitun aika- tai syvyysintervallin alueelta. Tässä työssä poiminta tapahtui noin 1-2 kilometrin syvyysintervalleissa, jotka menivät osittain päällekkäin. Poimitut
3 havainnot voidaan tallettaa joko ohjelman omiin tai ASCII-muotoisiin formaatteihin. Jatkokäyttöä varten heijasteista talletettiin CDP-pisteeseen sidonnainen matkasuure (yleensä matka sektion alkupisteestä), syvyys, amplitudi ja heijastetyypin koodi. Revidointia ja työn jatkamista varten talletettiin havainnot myös ohjelman omaan talletusmuotoon. Koska poiminta tapahtuu jokaiselta rekisteröinniltä, mukaan runsaasti myös arvoja, jotka eivät liity mihinkään todelliseen heijasteeseen. Sen vuoksi havainnoista on karsittava satunnaiset arvot. Hyväksymällä ainoastaan heijasteet, jotka jatkuvat tietyn matkan annetun vertikaalitoleranssin puitteissa viereisissä rekisteröinneissä, saadaan yleiskuva todellisten heijasteiden olemassaolosta. Menettelyä voidaan pitää eräänä tapana skeletoida (skeletonization) seismisiä havaintoja. Muita tapoja ovat varsinaisiin havaintoihin ja hahmontunnistukseen perustuvat menetelmät, esim. Li et al. (1997). Skeletointi tapahtui ASCII-muotoisista havainnoista tehtävää varten laaditulla tilapäisluontoisella DOS-ohjelmalla. Koska SEG-muotoisissa havainnoissa ei ollut varsinaisia CDP-koordinaatteja, ne liitettiin tehtävää varten laaditulla DOS-ohjelmalla. Lopullinen jatkokäyttöön tarkoitettu tiedosto on ASCII-muotoinen ja se sisältää CDP-pisteen, KKJY- ja KKJXkoordinaatit, heijasteen syvyyden ja amplitudin etumerkkeineen. Kuva 2. Automaattinen heijasteiden poiminta. Huom. satunnaisuus kuvan keskiosassa. Fig. 2. Automatic picking. NB randomness in the center of the picture.
4 3.2 Ohjattu tulkinta Ohjatussa tulkinnassa poimitaan tulkitut heijasteet tai muut rakenteet manuaalisesti. Tässä työssä käytettiin yksittäisten tapahtumien (pääasiassa heijastemaksimit ja -minimit) poimimisessa ohjelman poimintamoodia "continuous pick", jossa hiiren avulla voitiin vetää pitkin tulkittavaa heijastetta. Tapahtumien tarkat sijainnit voitiin korjata joko saman tien tai jälkikäteen, kuva 3. Käytännössä käytettiin hyväksi automaattisesti poimittuja maksimeja ja minimejä, joiden antamien viitteiden avulla ja uusia koodeja käyttäen poimittiin varsinaiset heijasteet. Poimitut ja korjatut heijasteet talletettiin kuten edellä, mutta niitä ei skeletoitu. Esimerkkikuva poimituista heijasteista CDP-väliltä 12000-13000 on kuvassa 4. Kuvassa on esitetty myös mahdollisia epäsuorasti tulkittuja siirros- ja murrosvyöhykkeitä. Kuva 3. Heijasteiden manuaalinen poiminta. Valkeat rastit: manuaalinen ehdotelma; vihreät rastit: ääriarvoihin korjatut havainnot. Fig. 3. Manual picking. White crosses: manual draft; green crosses: corrected pickings
5 Kuva 4. Tulkitut heijasteet CDP-väliltä 11000-12000. Amplitudimaksimit: punainen, amplitudiminimit: sininen. Mustat viivat: epäsuorasti tulkittuja siirros- ja murrosvyöhykkeitä. Fig.4. Interpretated reflections on the CDP intervall 11000-12000. Amplitude maxima: re; amplitude minima : blue. Black lines indirectly interpreted fault and fracture zones. 4 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Koska tapahtumien poiminta tapahtui systemaattisesti koko tutkimusalueelta ja tulkitsijan käsitysten mukaisesti, yksityiskohtaisissa tarkasteluissa olisi syytä verrata tulkintaa myös varsinaisiin havaintoihin. Valtaosa tulkituista heijasteista liittyy tapauksiin, jossa kallioperän seismisissä ominaisuuksissa (tiheys, seisminen nopeus) tapahtuu muutoksia. Yksinkertaisimmillaan kysymys on kivilajikontakteista, jotka esitetyissä tulkinnoissa näkyvät maksimeina tai minimeinä ja joihin mahdollisesti liittyvät näennäiset sivuääriarvot. Jos heijaste on selvästi epäsymmetrinen, kyseessä voi olla välikerros, juoni tms. jonka molemmin puolin on samantapaista ainesta. Tulkinnoissa ei ole erikseen kartoitettu siirros- ja murrosvyöhykkeitä, koska niiden ilmeneminen perustuu epäsuoriin viitteisiin. Osa siirroksista näkyy suoraan heijasteen "niksahduksena", mutta heijasteiden katkeamat voivat myös olla viitteenä siirroksista. Myös muuta heijastekuviointia leikkaavat heijasteet ovat todennäköisesti siirrosten ja murrosvyöhykkeiden aiheuttamia, koska murrosvyöhykkeen rikkoutuneen ja muuttuneen kiven seismiset ominaisuudet poikkeavat ympäristöstä.
6 5 LÄHDEVIITTEET Kukkonen, Ilmo T. (ed.); Lahtinen, Raimo (ed.) 2006. Finnish Reflection Experiment FIRE 2001-2005. Geological Survey of Finland. Special Paper 43. Espoo: Geological Survey of Finland. 247 p. + 15 app. + CD-ROM. Lanne, Erkki 2009. Ilmaisohjelmia seismisten heijastusluotausten tuloskäsittelyä varten. 10 s. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, Q16.2/2009/3. Li, Q., K. Vasudevan, and F. A. Cook, 1997. Seismic skeletonization: A new approach to interpretation of seismic reflection data, J. Geophys. Res., 102(B4), 8427 8445.