Luikonlahden geofysiikka
Johdanto ja geofysikaalisten tutkimusten tarkoitus
Kaivosympäristöt ovat haasteellisia tutkimusalueita geofysikaalisille mittauksille. Kaivosympäristöt omaavat poikkeuksetta monimutkaisen kallioperägeologisen rakenteen. Tämän lisäksi kaivoksen infrastruktuuri on massiivinen rakennuksineen, rikastushiekka-altaineen ja sivukivi kasoineen. Nämä seikat vaikeuttavat mittausten suorittamista ja tulkintaa huomattavasti sekä saattavat jopa estää joidenkin menetelmien käytön. Kaivosalueilta on yleensä saatavissa runsaasti malminetsinnällistä geofysikaalista aineistoa. Nämä aineistot ovat hyödyllisiä "ennen kuin" -materiaalia ja soveltuvat kuitenkin vaihtelevasti vertailuaineistoiksi, koska niillä on jo alunperin eri käyttötarkoitus. Geofysikaalisia tutkimuksia maailmalla ja Suomessa on tehty joillakin kaivosalueilla pääasiassa 2000-luvulla. Suomessa näistä on ovat raportoineet mm. Carlson et al. (2002) ja Vanhala et al. (2000, 2001,2004, 2005).
Luikonlahden geofysikaalisten tutkimusten tarkoituksena oli selvittää tutkimusalueen kallioperän ruhjeiden sijainti sekä saada tietoa maaperän paksuudesta. Rikastushiekka-altaalla selvitettiin altaan pohjan muotoa ja sisäistä rakennetta sekä patovallien vuotoja (suotautumista). Paikallisesti (Petkellahden pohjukka) selvitettiin (pohja)veden virtaus(suuntia). Tutkimusten pääpaino oli kallioperän ruhjeiden sijainnin ja maaperän paksuuden määrittämisessä. Hankkeessa oli myös tarkoitus jossain määrin testata eri ympäristögeofysiikan menetelmiä ja niiden soveltuvuutta ja käytettävyyttä kaivosympäristötutkimuksissa.
Geofysikaalisten tutkimusten tuloksia käytettiin maaperän ja kallioperän geologisen rakenteen, veden virtauksen ja sitä kautta haitta-aineiden liikkumisen kannalta sekä pinta- ja pohjavesien virtausreittien määrittämisen apuna. Laaditussa geologisessa mallissa kallioperästä kuvattiin kallionpinnanmuoto, maaperän paksuus ja tärkeimpien ruhjevyöhykkeiden sijainti ja kulku.
Kallio- ja maaperän pääpiirteet
Maaperän pääpiirteet Luikonlahden kaivoksen tutkimusalueella ovat laajat moreenipeitteet ja kumpumoreenimuodostumat sekä kaivosalueen länsipuolelta kulkeva lajittuneesta aineksesta koostuva, katkeileva harjusysteemi. Tutkimusalueen koillis- ja länsipuolta hallitsevat suuret kalliopaljastuma alueet (Kuva 1. Huttunen 1990). Alueen korkeustaso vaihtelee 101 metristä mpy Luikonlahden ja Petkellahden rannalla alueen itäosan yli 180 metriin mpy.
Tutkimusalueen kallioperä (kuva 2) on rikkonaista ja sitä halkovat useat ruhjevyöhykkeet (kuva 1), jotka voivat kuljettaa vettä kaivosalueelta ympäristöön.
Geofysiikan menetelmät
Maaperän ja kallioperän rakennetta Luikonlahden kaivosalueella ja sen ulkopuolella on tutkittu kairauksin, käyttäen geofysiikan menetelmiä sekä geomorfologista tulkintaa. Lisäksi maaperän ominaisuuksia on tutkittu laboratoriotutkimuksin. Tulokset esitetään geologisena mallina, jossa eri litologiset yksiköt on eritelty. Tutkimusalueella käytettiin laajasti erilaisia geofysiikan menetelmiä, koska tutkimuksen yhtenä tarkoituksena oli testata eri geofysiikan menetelmiä kaivosympäristötutkimusten tukena.
Lentogeofysiikka
Tutkimusalueen geofysikaaliset matalalentomittaukset on tehty vuonna 1980 (lentoalueet: Outokumpu (4222) ja Juankoski (4311)).
Maatutkaluotaus
Maatutkaluotaus on sähkömagneettinen tutkimusmenetelmä, joka soveltuu maaperän rakenteen tutkimiseen karkearakeisilla sedimenteille maksimissaan 30 metrin syvyyteen saakka. Maatutkaluotausta käytettiin maaperän kerrosjärjestyksen, litologian ja maapeitteen paksuuden selvittämiseen. Tutkimukset suunnattiin karkearakeisille sedimenteille, harjun ja rantakerrostumien läheisyyteen, tutkimusalueen länsi- ja pohjoisosiin sekä moreenialuille. Maatutkaluotausta tehtiin 21 linjaa ja yhteensä n. 9 linjakilometriä.
Seisminen taittumisluotaus
Seisminen taittumisluotaus on yleisesti käytetty geofysikaalinen tutkimusmenetelmä, jossa maaperään lähetetään akustinen pulssi räjäyttämällä tai lyömällä ja pulssin saapumisaikaa geofoneihin havainnoidaan. Menetelmän perusteena on, että osa akustisesta aallosta lähtee kulkemaan maaperän tai maaperän ja kallioperän rajapintaa pitkin ja kääntyy takaisin maanpinnalla oleviin geofoneihin. Havainnoimalla aallon kulkuaikaa ja siten sen nopeutta voidaan maaperästä erottaa eri kerroksia sekä maaperän ja kallioperän rajapinta. Lisäksi kallioperän aallonnopeuden perusteella voidaan arvioida kallion ruhjeisuutta.
Luikonlahden tutkimusalueella seismistä taittumisluotausta käytettiin irtomaakerroksen paksuuden ja ruhjevyöhykkeiden sijainnin selvittämiseen. Alueelle tehtiin 4 profiilia 20 metrin pistevälillä. Profiilien yhteispituus oli n. 5 km.
Painovoimamittaus
Painovoimamittauksessa mitataan maapallon painovoimakenttää (kentän vaihteluja) gravimetrilla. Tunnettaessa maaperän (n. 2000kg/m3) ja kallioperän (n. 2700 kg/m3) tiheydet sekä maaperän paksuus joillakin referenssipisteillä (esim. kalliopaljastuma) voidaan maapeitteen paksuutta mallintaa.
Monielektrodi(tasavirta)-mittaukset
Tasavirtamittaus suoritettiin monielektrodiluotauksena. Luotauksen tavoitteena oli selvittää maapeitteen paksuutta tutkimusalueella, ruhjevyöhykkeiden sijaintia sekä rikastushiekka-altaiden sisäistä rakennetta. Monielektrodiluotauksia tehtiin viisi profiilia viiden metrin pistevälillä rikastushiekka-altailla ja 3 profiilia viiden metrin pistevälillä kaivoksen ympäristössä. Monielektrodiluotauksia tehtiin yhteensä kahdeksan linjakilometriä. Mittaukset suoritettiin ABEM Terrameter SAS 4000 –laitteistolla, joka on 4- kanavainen monielektrodivastusluotauslaitteisto. Laitteen suurin minimielektrodiväli on GTK:n kaapeleilla 5 m, joten maksimilinjapituus yhdellä levityksellä on 400 metriä.
Mittauksissa on käytettävissä 81 elektrodia. Mitattaessa käytettiin monigradienttimenetelmää (ks. Kuva X), joka on pooli-dipoli- ja Schlumberger-järjestelmän eräänlainen yhdistelmä. Järjestelmässä syötetään virtaa maahan kahden ulomman elektrodin avulla ja neljällä elektrodiparilla mitataan syntynyttä potentiaalieroa virtaelektrodien välissä. Kuvasta 1 näemme, että potentiaalielektrodit eivät mittauksessa sijaitse symmetrisesti virtaelektrodien keskellä. Kuvan s-kerroin viittaa mittauksen potentiaalilukemien maksimimäärään yhdellä virran syötöllä. Monielektrodigradienttimittauksessa suurta määrää virtaelektrodiyhdistelmiä käytetään elektrodilevityksen läpikäymiseen usealla eri a:n ja s:n etäisyyksien arvoilla. Laitteella mitattaessa saadaan 4 lukemaa kerrallaan (4-kanavaa), mutta laite käy läpi mittauksen tehdyn ohjelman mukaisesti, jolloin mitattaessa käytetään kaikki 81 elektrodia. Laitteella mitattaessa tasavirtapulssien pituudeksi voidaan määrittää maksimissaan 8 s, jonka sisään mahtuu maksimissaan 10 aikaikkunaa. Syötetyn virran suuruuden säätö on laitteessa automaattinen, mutta virta voidaan määrittää myös manuaalisesti. Virran suuruus voidaan valita väliltä 1-1000 mA. Mitattaessa syöttöjännite on maksimissaan 400 V.
Tulkinnat(inversio) tehtiin 2-ulotteista mallia käyttävällä inversiotulkintaohjelmalla Res2DInv (Loke, M.H., et al., 1996)
Transienttisähkömagneettiset (TerraTEM)-mittaukset
TerraTEM mittaus on maanpinnalta tehtävä aikatason transienttisähkömagneettinen luotaus. Mittauksella selvitettiin rikastushiekka-altaan sisäistä rakennetta. Luotausta tehtiin neljällä profiililla.
Omapotentiaalimittaus
Omapotentiaalimittauksella pyrittiin selvittämään kallioperän ruhjeiden sijaintia sekä pohjavedenvirtausreittejä. Koealueeksi valittiin 700x400 metrin alue kaivoksen ja Petkellahden välissä. Mittauksessa käytettiin 20 metrin pisteväliä ja mitattiin yhteensä 552 pistettä. Omapotentiaalimittauksessa mitataan jännite-eroa”kaukana” (≈1-2 km) sijaisevan vertailuelektrodin ja mittauselektrodin välillä. Mittauksessa maankamaraan EI syötetä virtaa, vaan mitataan ”luonnonkenttää”. Mittaus voidaan tehdä tarkalla vastusmittarilla (esim. Fluke).
Tulokset
Seuraavassa on esitetty pääosa geofysiikan tutkimusten tuloksista sekä arviot niiden käyttökelpoisuudesta kaivosympäristötutkimuksissa.
Lentogeofysiikka
Tutkimusalueen geofysikaaliset matalalentomittaukset on tehty vuonna 1980 (lentoalueet: Outokumpu (4222) ja Juankoski (4311)). Alueen ruhjetulkinta on tehty aeromagneettisen ja -sähköisen aineiston ja korkeusmallin (maanmittaushallitus 25 m) perusteella. Ruhjetulkintaa (Kuvat 5 ja 6) on käytetty hyväksi rakennettaessa geologista mallia ja suunnattaessa geofysiikan tutkimuksia. Aerogeofysikaalinen aineisto on vanhaa ja sen paikannustarkkuus on välttävä (ei GPS); myöskin eri komponenttien mittaustarkkuus ei vastaa nykyaikaista lentomittausta.
Maatutkaluotaus (Antti Pasanen)
Maatutkaluotaus tulkittiin tutkastratigrafian periaatteiden mukaan (Neal, 2004), mutta aineiston siirrossa geologiseen 3D-malliin tulkinta yksinkertaistettiin hydrogeologisesti tärkeiksi litologisten yksiköiden ylä- ja alapinnoiksi (Kuva 7.). Maatutkaluotausten käyttöä ja tulkintaa vaikeutti tutkimusalueen pääasiassa kivinen moreenimaaperä, jossa tutkasignaali on hyvin kohinainen.
Seisminen taittumisluotaus (Heikki Forss)
Seismisen taittumisluotauksen perusteella tulkittiin pohjaveden- ja kallionpinta. Lisäksi kerrosnopeuksien perusteella voitiin arvioida ruhjevyöhykkeiden sijaintia sekä muiden geofysiikan menetelmien luotettavuutta näissä kohdissa. Seiminen taittumisluotaus on luotettava ja kohtuullisen tarkka menetelmä pohjaveden- ja kallionpinnan sekä ruhjeiden paikantamiseen. Sen huonoja puolia ovat menetelmän hitaus ja kalleus.
Painovoimamittaus
Luikonlahden tapaustutkimuksessa painovoimamittauksella selvitettiin irtomaakerroksen paksuutta ja kallioperän ruhjeiden sijaintia. Alueelle tehtiin 12 painovoimamittausprofiilia 20 metrin linjavälillä. Yhteensä noin 15 linjakilometriä. Tulkinnan luotettavuuteen vaikuttaa merkittävästi nollatason (regionaalianomalian) asettaminen ja referenssipisteiden ja kalliopaljastumien käyttö. Tulkinnat onnistuivat kohtuullisesti lukuunottamatta profiilia, joka kulkee Luikonlahden kaivosalueen halki. Profiililta ei voitu luotettavasti tulkita maapeitteen paksuutta monimutkaisen kallioperägeologian takia (regionaalitason määrittäminen ei onnistunut. Myös profiilien 1 ja 2 (kuvat 15 ja 16) pohjoispäiden maaperän paksuustulkinnat ovat osin virheellisiä johtuen väärin tulkitun referenssikairauspisteen käytöstä regionaalitason määrityksessä. Tämä virhe paljastui seismisen taittumisluotauksen tulkinnan yhteydessä.
Monielektrodi(DC)- ja Transienttisähkömagneettiset (TerraTEM)-luotaukset (Taija Huotari-Halkosaari ja Sami Niemi)
Monielektrodi- ja transienttisähkömagneettisten luotausten tulkinta perustuu mittauksesta saatujen sähkönjohtavuusanomalioiden tunnistamiseen. Tutkimuksia tehtiin sekä rikastushiekka-altaalla että sen ulkopuolella (Kuva 22.).
Monielektrodiluotausten tulokset rikastushiekka-altaalta:
Monielektrodiluotausten tulokset kaivosympäristöstä:
Transienttisähkömagneettisten luotausten tulokset:
Omapotentiaalimittaus
Omapotentiaalimittauksesta saatavaa aineistoa ei pystytty käyttämään geologisen mallintamisen apuna vaan sillä pyrittiin kuvaamaan pohjaveden virtaussuuntia Petkellahden pohjukassa. Tulkitussa kuvassa näkyy ympäristöään vetisemmät alueet ja niistä tulkitut pohjaveden virtaussuunnat.
Maaperätutkimukset (Antti Pasanen)
Maapeitteen keskipaksuus maaperän pohjavesiputkiasennusten ja maaperäkairausten perusteella on 5,8 metriä. Geofysiikka kuitenkin osoittaa, että paikoin maapeitteen paksuus voi ylittää jopa 30 metriä, esimerkiksi Petkellehden pohjukan pohjoispuolella. Maaperätutkimuksia on kuvattu tarkemmin kappaleessa http://intra.eracnet.fi/main/index.php/Luikonlahti_geologinen_malli
Mallinnus (Antti Pasanen)
Luikonlahden kaivosalueen maaperän ja kallioperän geologisen rakenteen mallintaminen tehtiin GSI3D-ohjelmalla (Mathers et al. 2011) käyttäen apuna geofysikaalisten mittausten tulkintoja. Mallinnusalueen koko on n. 6,5 km x 2,5 km. Mallinnus on kuvattu kappaleessa: http://intra.eracnet.fi/main/index.php/Luikonlahti_geologinen_malli
Johtopäätökset
Geofysikaalisia mittauksia tehtiin Luikonlahden kaivoksen ympäristössä vuosien 2010 ja 2011 aikana kohtuullisen paljon. Tarkoituksena olikin ”testata” eri menetelmien soveltuvuutta kaivosympäristön tutkimuksiin. Menetelmien soveltuvuutta tarkasteltaessa on huomioitava, että tässä tutkimuksessa geofysikaalisten tulkintojen oli ensisijassa tuotava tietoa maapeitteen paksuuksista sekä kallioperän ruhjeista tutkimusalueella vesien virtausmallin laatimisen tueksi. Toisaalta geofysikaalisia menetelmiä käytettiin myös rikastushiekka-altaan rakenteen selvittämiseksi sekä suotovesien valumareittien paikantamiseksi. Geofysikaalisia menetelmiä on menestyksekkäästi käytetty tämänkaltaisissa tutkimuksissa useilla kaivosalueilla viime vuosikymmeninä (mm. Vanhala et. al, 2000, 2002, 2005,...) Alueellinen ruhjetulkinta tehtiin aerogeofysikaalisesta aineistosta (magneettinen ja sähköinen, vuodelta 1980). Maapeitteen paksuuden määrittämisessä ja ruhjeiden paikantamisessa käytettiin painovoimamittauksia, seismistä taittumisluotausta sekä monielektrodivastusluotauksia. Menetelmät täydentävät toisiaan ja muodostavat suositeltavan kokonaisuuden. Näistä menetelmistä painovoimamittaus on edullisin, seisminen taittumisluotaus kallein. Lisäksi seisminen taittumisluotaus vaatii käytännössä aina maanomistajan luvan, koska seisminen aalto synnytetään räjäyttämällä. Seismistä taittumisluotausta ja monielektrodivastusluotauksia voidaan pitää vaihtoehtoisina, jos kustannuksista halutaan säästää. Sähkömagneettisista menetelmistä (ei käytetty) perinteinen slingram (Max-Min) ja Em-31(8) (”minislingram”) ovat nopeita ja kustannustehokkaita, mutta niiden tulkinta on hankalampaa ja ne ovat häiriö alttiimpia sivilisaatiohäiriöille. Lisäksi sähkömagneettiset menetelmät toimivat huonosti eristävässä ympäristössä. Sähkömagneettiset taajuustason (Sampo EM) ja aikatason (TerraTEM) mittaukset soveltuvat DC-monielektrodivastusluotauksien tavoin (erittäin) hyvin rikastushiekka/jätealueiden rakenneselvityksiin.
Lähdeluettelo
- Bedrock of Finland - DigiKP. Digital map database [Electronic resource]. Espoo: Geological Survey of Finland [referred 13.09.2012]. Version 1.0. Available at:http://www.geo.fi/en/bedrock.html
- Carlson, L., Hänninen, P. and Vanhala, H. [2002]. Ylöjärven Paroistenjärven kaivosalueen nykytilan selvitys. 53 p., 40 app. Geological Survey of Finland, Archive report, S/41/0000/3/2002. (in Finnish).
- Heikkinen, P.M., Räisänen, M.L. [2009 a]. Geochemical Characterisation of Seepage and Drainage Water Quality from Two Sulphide Mine Tailings Impoundments: Acid Mine Drainage versus Neutral Mine Drainage. Mine Water Environ (2009) 28:30–49 DOI 10.1007/s10230-008-0056-2.
- Heikkinen, P.M., Räisänen, M.L. [2009 b]. Trace metal and As solid-phase speciation in sulphide mine tailings – Indicators of spatial distribution of sulphide oxidation in active tailings impoundments. Appl. Geochem. (2009), doi:10.1016/j.apgeochem.2009.03.007.
- Heikkinen, P.M., Räisänen, M.L. & Johnson, R.H. 2009. Geochemical Characterisation of Seepage and Drainage Water Quality from Two Sulphide Mine Tailings Impoundments: Acid Mine Drainage versus Neutral Mine Drainage. Mine Water and the Environment, Vol. 28, s. 30-49
- Huotari-Halkosaari, T.K.T. & Lerssi, J.M., 2012. Electrical Resistivity Tomography and Transient Electromagnetic Survey in Luikonlahti Tailings Impoundment Area. Near Surface 2012 3.-5.9.2012 Paris France. Extended abstract, B24.
- Huttunen, T. 1990. Luikonlahti. Maaperäkartta 1 : 20000, 431104. Geologian tutkimuskeskus, Kuopio
- Loke, M. and Barker, R. [1996]. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, vol. 44, 131-152.
- Neal, A. 2004. Ground-penetrating radar and its use in sedimentology: principles, problems and progress. Earth-Science Reviews 66, s. 261–330
- Räisänen, M.L. and Juntunen, P. [2004]. Decommissioning of the old pyritic tailings facility previously used in a talc operation, eastern Finland. In: Jarvis, A.P., Dudgeon, B.A., Younger, P.I. (Eds.), Int. Mine Water Assoc. Symp. Proc. Mine water 2004 – Process, Policy, and Progress. University of Newcastle, Newcastle Upon Tyne, UK 19-23 September 2004, vol. I, 91-99.
- Saarnisto, M. 2000. Shoreline displacement and emergence of lake basins. Teoksessa: Pajunen, H. (ed.) Carbon in Finnish lake sediments. Geological Survey of Finland, Special Paper 29. s. 25-24.
- Smith R, Edwards, R., Buselli, G. [1994]. An Automatic technique for presentation of coincident-loop, impulse-response, transient, electromagnetic data. Geophysics, vol. 59, 1542-1550.
- Vanhala, H. and Lahti, M. [2000]. Sähköisten luotausten käyttö kaivosympäristötutkimuksissa - tuloksia Hiturasta, Hammaslahdesta ja Otravaarasta. In: Ympäristö, terveys ja turvallisuus kaivannaisteollisuudessa : seminaari 31.10-1.11.2000 Haikon kartanossa : esitysten lyhennelmät. Vuorimiesyhdistys. Sarja B 76. Espoo: Vuorimiesyhdistys, 86-88. (in Finnish).
- Vanhala, H. and Lahti, M. [2001]. Test of resistivity and IP methods for mapping mine tailings - results from Hammaslahti, a closed Cu mine in eastern Finland. 7th Meeting Environmental and Engineering Geophysics, Birmingham, Extended abstracts, 230-231.
- Vanhala, H., Räisänen, M. L., Huotari, T., Valjus, T., Lehtimäki, J. and Suppala, I. [2004]. Characterizing tailings impoundment at the closed Hammaslahti Cu-Zn mine, Finland. Near Surface 2004, Utrecht, Extended abstracts, B035.
- Vanhala, H., Räisänen, M. L., Suppala, I., Huotari, T., Valjus, T. and Lehtimäki, J. [2005]. Geophysical characterizing of tailings impoundment - a case from the closed Hammaslahti Cu-Zn mine, eastern Finland. In: Geological Survey of Finland, Current Research 2003-2004. Geological Survey of Finland. Special Paper 38. Espoo: Geological Survey of Finland, 49-60.