MT-FIRE - Geofysiikan Seura ry

MT-FIRE –hankkeen alustavia tuloksia kuoren sähkönjohtavuudestaKainuun liuskejakson ja Iisalmen lohkon alueellaK. Vaittinen 1 , T. Korja 1 , P. Kaikkonen 1 , I. Lahti 1 , M. Smirnov 2 ja L. B. Pedersen 21 Fysikaalisten tieteiden laitos, Oulun yliopisto, katri.vaittinen@oulu.fi2 Institutionen för Geovetenskaper, Uppsala UniversitetAbstractIn the MT-FIRE project we have carried out audiomagnetotelluric (AMT) andmagnetotelluric (MT) measurements along the key parts of the FIRE (FInnish ReflectionExperiment) reflection seismic lines. One of the primary aims of the project is a highresolutionstudy of electrical conductivity across the Archaean-Proterozoic border in thecentral Fennoscandian Shield. Results of 2D inversion show that both the Kainuu and SavoBelts are highly conductive and the crust to the east of the Kainuu Belt is very resistivecompared to more conductive crust to the west. Yet the upper part of the Iisalmi complex isresistive but underlain by a highly conductive layer in middle to lower crust.1. JOHDANTOMT-FIRE projektin tarkoituksena on sähkömagneettisin menetelmin täydentää FIREhankkeestasaatavaa tietoa Fennoskandian kilpialueen rakenteesta. Tavoitteena on tuottaaaiempaa huomattavasti yksityiskohtaisempia sekä 2- että 3-ulotteisia malleja maan kuorensähkönjohtavuudesta. Ensisijaisia kiinnostuksen kohteita ovat 1) FIRE-1 linjan ympäristöarkeeisen – proterotsooisen kuoren raja-alueella, 2) Kainuun liuskejakson ja Outokumpujaksonjohteiden mahdollinen jatkuvuus pohjois-etelä-suunnassa syvemmällä kuoressa ja 3)FIRE-3a linjan ympäristö siirryttäessä länsirannikolta Keski-Suomen granitoidikompleksinalueelle.2. MT-FIRE PROFIILITKesän 2003 aikana keskityttiin magnetotelluurisiin (MT) ja audiomagnetotelluurisiin (AMT)mittauksiin FIRE-1 profiililla Kainuun liuskejakson ja Pyhäsalmen välisellä alueella.Kokonaisuudessaan FIRE-1 kulkee maanteitä pitkin Vartiuksesta Kajaaniin, Vieremälle,Pyhäsalmelle ja siitä etelään päättyen Keski-Suomeen. Ongelmaksi sähkömagneettistenluotausprofiilien suunnittelussa ja toteutuksessa muodostui tienvarsien tiheähkö asutus sekämaidontuotantoalueena tunnetun Kainuun ja Pohjois-Savon sähköpaimen-aidat, jotkaollessaan toiminnassa häiritsevät mittauksia oleellisesti. Lisäksi seismiset profiilit ylittävätsähköä hyvin johtavan Kainuun liuskejakson osittain lähes geologisen kulun suunnassa. MTluotaustentekeminen pitkin johtavaa liuskejaksoa ei ole kuitenkaan kovin suositeltava -pahimmassa tapauksessa signaali vaimenee lähes kokonaan jo pintajohteissa ja informaatiosyvemmältä kuoresta jää vähäiseksi. Näin ollen MT-FIRE linjojen paikat jouduttiinvalitsemaan hieman eri perustein kuin seismiset profiilit. Kesän 2004 ohjelmaan kuuluiedellisen kesän mittausten täydentäminen FIRE-1 profiililla sekä uudet mittaukset KokkolastaKeski-Suomeen kulkevalla FIRE-3a profiililla.241

Kuva1. MT-FIRE luotaukset (siniset renkaat), profiilit (a-e) sekä FIRE-heijastusseismisetprofiilit 1 ja 3 (viiva) geologisella kartalla. Pienemmät renkaat ovat aiempia MT/AMTluotauksia.Geologinen kartta Koistinen et al. (2001) mukaan ja FIRE profiilit FIRE WG:n(2002) CMP-koordinaateista.Kuvan 1 kartalla esitetyt MT-FIRE linjat ovat: (1) linja a Kajaanista Iisalmeen (17 luotausta,pituus 60 km; keskimääräinen pisteväli 3.5 km), (2) linja b Vieremältä Pyhäsalmeen (32luotausta, pituus 70 km; keskimääräinen pisteväli 2-4 km) ja (3) linja c (17 luotausta, pituus70 km; keskimääräinen pisteväli 4.2 km), joka ylittää Kainuun liuskejakson koillisestalounaaseen myötäillen vanhaa GGTSVEKA-profiilia ja sen AMT- ja MT-luotauksia (Adam etal., 1982; Kaikkonen & Pajunpää, 1984; Korja & Koivukoski, 1994; Lahti et al., 2005). FIRE-3a profiilin länsiosassa valtatietä 13 pitkin mitattiin MT-FIRE linja e (Veteli – Saarijärvi, 22luotausta, pituus 140 km; keskimääräinen pisteväli 6.4 km). Edellisten lisäksi kesien 2003 ja2004 aikana mitattiin itä-länsisuuntainen linja (MT-FIRE linja d) Iisalmesta Nurmekseen (18242

luotausta, pituus 100 km; keskimääräinen pisteväli 5.6 km). Linja d sijaitsee FIRE-1 ja FIRE-3 profiilien välissä.3. LAITTEISTO JA MITTAUSJÄRJESTELYTKenttämittauksissa käytettiin Uppsalan yliopistossa hiljan kehitettyä MTU-2000 laitteistoa.Sähkökentän mittauksessa käytettiin polarisoitumattomia Pb-PbCl elektrodeja jaelektrolinjojen (dipolien) pituudet vaihtelivat välillä 50 m - 100 m.. Magneettikenttää mitattiinMetronixin induktiokeloilla. Muutamaa luotauspistettä lukuun ottamatta kaikissa MT-FIREpisteissä mitattiin myös magneettikentän vertikaalikomponentti. Mittauksia tehtiinsamanaikaisesti kahdella laitteistolla, joiden etäisyys pyrittiin pitämään suurempana kuin 10kilometriä, jotta aikasarja-aineiston prosessoinnissa käytettävälle referenssi-tekniikalle saatiinmittauspisteestä riittävän kaukana oleva vertailusignaali. Käytännössä mittauspisteparinaineistot toimivat toinen toistensa referenssiaineistoina. Tarkan ajastuksen vuoksi laitteissakäytetään jatkuvasti aikaa monitoroivaa GPS-kelloa.Kussakin luotauspisteessä rekisteröitiin sähkö- ja magneettikenttää 20Hz, 1000Hz ja 3000Hznäytteenottotaajuuksilla. Ajallisesti mittaukset kestivät kussakin pisteessä vähintään 10 tuntia,pisimmillään muutaman vuorokauden. Näin saatiin siirtofunktioiden periodialueeksi 1/300 s –1000 s, joka vastaa tutkimussyvyyksiä vajaan kilometrin syvyydeltä muutamiin kymmeniinkilometreihin sähköä paremmin johtavan kuoren alueella ja jopa 150-200 km:n syvyyteeneristävillä alueilla (itään Kainuun liuskejaksosta). Kuvassa 2 esitetään profiilin c näennäisenominaisvastuksen (ylin) ja impedanssin vaiheen determinantin näennäisleikkaukset (keskellä)sekä vaihedatan kattavuus profiililla (alin). MT-FIRE datan lisäksi näennäisleikkauksissakäytetään GGT-SVEKA luotausten aineistoa. Etenkin alimmasta kuvasta käy ilmi tiheänprofiilin ja laajan taajuuskäytön tärkeys kuoren sähköisissä tutkimuksissa.4. AINEISTON PROSESSOINTI JA INVERSIOAikasarja-aineiston prosessoinnissa käytettiin Uppsalan yliopistossa kehitettyä ohjelmaa(Smirnov, 2003), joka käyttää robustia statistiikkaa häiriöiden vaikutuksen minimoimiseksi.Prosessoinnissa käytettiin aina remote reference (rr) –tekniikkaa mikäli referenssiaineistoa olisaatavilla. Eri näytteenottotaajuuksilla rekisteröidyt aikasarjat prosessoitiin kukin useammallaeri FFT-ikkunanpituudella. Kaikkiaan yhdeltä pisteeltä saatettiin saada useampia kymmeniäsiirtofunktion estimaatteja, jotka etenkin keskiperiodeilla olivat hyvin yhteneväisiä. Aivanpisimpien ja lyhimpien periodien kohdalla syntyi hajontaa. Lopullisiin siirtofunktioihinpäädyttiin keskiarvoistamalla nämä estimaatit. Yleisesti siirtofunktiot, sekämagnetotelluurinen impedanssitensori että tipper, voitiin määrittää kullekin luotauspisteellevälille 1/300 s – 1000 s.Datan inversiossa käytettiin kaksiulotteista inversio-ohjelmaa (Siripunvaraporn ja Egbert,2000). Dimensionaalisuusanalyysin tai induktiovektoreiden perusteella ei voitu todeta alueenolevan kaksiulotteinen, mutta koska toistaiseksi käytössä ei ole tarpeeksi tehokkaita työkalujakolmiulotteiseen inversioon pyritään 2D-approksimaation avulla hakemaan aloitusmalliakolmiulotteista suoraa mallinnusta varten. Edelleen koska geosähköistä kulkua ei pystytty243

244Kuva2. MT-FIRE ja GGT-SVEKA aineiston pohjalta konstruoidut näennäisleikkaukset:näennäisen ominaisvastuksen determinantti (yllä), impedanssin vaiheen determinantti(keskellä) ja datan kattavuus profiililla.

tarkalleen määräämään mittausprofiileilla, käytettiin inversiossa tensorin kierron suhteeninvarianttia impedanssitensorin determinanttia (Pedersen & Engels, 2005) sekä tipperiä.5. TULOKSIA2D inversiomalleissa päästään kohtuullisen hyvään sovitukseen determinantin sekä paikoittaindeterminantin ja tipperin yhteistulkinnan osalta ja saadaan selvästi ratkaistua johteidenyläpinta eli niiden syvyys ja geometria. Sen sijaan johdekerroksien paksuutta ei voidayksikäsitteisesti määrittää eikä aineisto pisimpiäkään periodeja (1000 s) käytettäessä riitävälttämättä kaikkialla johteiden läpäisyyn.FIRE-1 profiilin alueella sekä Kainuun liuskejakso että Savon liuskejakso nähdään selkeinäsähköä hyvin johtavina muodostumina. Kuoren mittakaavassa sähköisesti merkittävä muutostapahtuu Kainuun liuskejakson itäreunan ja liuskejakson etelään kuvitellun jatkeen tienoilla –länsipuolelle jää kuori johteineen, kun taas itäpuolinen kuori on sähköisesti hyvin eristävä.Länsipuolella Iisalmen lohko erottuu kuitenkin yläosistaan selvänä eristeenä kun taassyvemmällä, noin 20 – 30 kilometrin syvyydessä, havaitaan hyvin sähköä johtava kerros.Tämä viittaa siihen, että arkeeinen Iisalmen lohko on noin 20-30 km paksu yksikkö kun taassen alapuolella on johtavampaa proterotsooista materiaalia.LÄHTEETAdam, A., P. Kaikkonen, S.-E. Hjelt, K. Pajunpää, L. Szarka, ja A. Wallner, A., 1982.Magnetotelluric and audiomagnetotelluric measurements in Finland, Tectonophysics,90, 77-90.FIRE WG, 2002. FIRE profiilien CMP-koordinaatit. [http://www.seismo.helsinki.fi/fire/]Kaikkonen, P. ja K. Pajunpää, 1984. Audiomagnetotelluric measurements across the LakeLadoga - Bothnian Bay Zone in Central Finland, Geophys. J. R. Astron. Soc., 78, 439 -452.Koistinen, T., Stephens, M.B., Bogatchev, V., Nordgulen, O., Wennerström, M. &Korhonen,J. 2001. Geological map of the Fennoscandian Shield, scale 1:2 000 000. GeologicalSurveys of Finland, Norway and Sweden and the North-West Department of NaturalResources of Russia.Korja, T. ja Koivukoski, K., 1994. Crustal conductors of the SVEKA Profile in the EarlyProterozoic Fennoscandian (Baltic) Shield, Finland, Geophys. J. Int., 116, 173-197.Lahti, I., Korja, T., Pedersen, L. B. ja the BEAR Working Group 2002. Lithosphericconductivity along GGT/SVEKA Transect: implications form the 2-D inversion ofmagnetotelluric data. Pp. 75 - 78 in Lahtinen, R. et al (eds), 2002. Lithosphere 2002,Second Symposium on the Structure, Composition and Evolution of the Lithosphere inFinland. Institute of Seismology, University of Helsinki, Report S- 42.Pedersen, L. ja Engels, M., 2005. Routine 2D inversion of magnetotelluric data using thedeterminant of the impedance tensor. Geophysics, 70, 33-41.Siripunvaraporn W. ja Egbert G., 2000. An efficient data-subspace inversion method for 2-Dmagnetotelluric data. Geophysics, 65(3), 791-803.Smirnov, M., 2003. Magnetotelluric data processing with a robust statistical procedure havinga high breakdown point. Geophys. J. Int., 152, 1-7.245

246