A 3D geological model and geochemical and hydrogeological properties of sediments in Kuusivaara, Sodankylä, Finland
Puumalainen, Topias (2021-05-17)
T. Puumalainen
17.05.2021
© 2021 Topias Puumalainen. Tämä Kohde on tekijänoikeuden ja/tai lähioikeuksien suojaama. Voit käyttää Kohdetta käyttöösi sovellettavan tekijänoikeutta ja lähioikeuksia koskevan lainsäädännön sallimilla tavoilla. Muunlaista käyttöä varten tarvitset oikeudenhaltijoiden luvan.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202105187905
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202105187905
Tiivistelmä
Kuusivaara in Sodankylä, Finland, is the planned site for mining infrastructure for the Sakatti Cu-Ni-PGE mine project by Anglo American plc, and knowledge of the Quaternary sediments in Kuusivaara is needed for the design and planning of the infrastructure. The aim of this thesis was to construct a 3D model of the Quaternary sediments in the Kuusivaara area to define the spatial distribution of the different sediment units within the area. The geochemical and hydrogeological properties of the sediments were also studied.
The sedimentological data used in this study was obtained from test pits, soil drilling and peat coring logs, and ground penetrating radar profiles. A 3D model was created in the Leapfrog Geo software using the sedimentological data. The geochemistry of the sediments was studied with element analyses using aqua regia solution performed on recent sediment samples and archived till samples from 1973 and 1975. The solubility of metals and other substances was tested on a small number of samples using the two-step batch leaching test. The water permeability of the sediments was determined by slug tests in groundwater wells and by using empirical equations to estimate the water permeability based on the grain-size distributions of the sediment samples.
The created 3D model consists of a framework stratigraphy with nine units developed for the study area based on the in situ sedimentological data. The units in the stratigraphy are, listed from the top: peat, surface sand, upper sandy till, gravel, inter-till sand, lower sandy till, silty till, weathered bedrock, and bedrock. In the 3D model, the upper sandy till is widely the only sediment unit overlying the weathered bedrock and bedrock in Kuusivaara. The surface sand is present on the ground surface in limited areas and widely present below the peat on the mire areas south of the Kuusivaara hill. The gravel and inter-till sand are found below the upper sandy till in limited areas, and the lower sandy till is found in most of those areas below the sorted sediments. The silty till is found only south of the Kuusivaara hill, most widely in the wetlands overlain by other sediment units. Pre-glacial weathered bedrock is common in Kuusivaara, but weathered bedrock and bedrock were not discerned reliably in the 3D model.
The surface sand and upper sandy till units are estimated to be the most potential sediment units in the model for excavation as a raw material. The potentially excavatable surface sand masses are estimated at approx. 300 000 t as a < 50 cm surface cover in the western part of the Kuusivaara hill and at approx. 37 000 t as a < 30 cm surface cover in Pinoharju. The potentially excavatable upper sandy till masses in Kuusivaara are estimated at approx. 26 000 000 t without considering the variations in the physical properties of the unit.
The geochemical analysis results show that the heavy metal concentrations of the sediment samples in the grain-size fraction < 2 mm are approx. 50–65 % of the concentrations in the grain-size fraction < 0.06 mm. Two sample populations, all sediment samples combined and samples from the upper sandy till, were compared to the threshold limits in the Government Decree on the Assessment of Soil Contamination and Remediation Needs and the recommended background concentrations for chromium and nickel in Kuusivaara. Generally, the heavy metal concentrations are considerably below the limits in both sample populations, but higher concentrations are found in individual samples. The solubilities of metals and other substances from the samples are low.
The water permeability of the upper sandy till is estimated at 10^(-6)–10^(-4) m/s, with higher values where the unit is washed and coarser. The water permeability of the weathered bedrock is estimated at 10^(-6)–0^(-5) m/s. A few grain-size distribution samples from the other units of the 3D model produced water permeabilities within ranges reported for those sediment facies in literature. Kuusivaara Sodankylässä on suunniteltu sijoituskohde kaivosinfrastruktuurille Anglo Americanin Sakatin Cu-Ni-PGE kaivosprojektissa ja infrastruktuurin suunnittelussa tarvitaan tietoa Kuusivaarassa esiintyvistä kvartäärikerrostumista. Tämä tutkimus pyrki luomaan 3D-mallin Kuusivaaran alueen kvartäärisedimenteistä määrittääkseen alueella esiintyvien eri sedimenttiyksiköiden levinneisyyden. Tämän lisäksi tutkielmassa tutkittiin näiden sedimenttien geokemiallisia ja hydrogeologisia ominaisuuksia.
Tutkielmassa käytetty sedimentologinen aineisto saatiin tutkimuskaivannoista, maaperä- ja turvekairaustiedoista sekä maatutkaprofiileista. Sedimentologisten aineistojen avulla luotiin 3D-malli Leapfrog Geo -ohjelmistolla. Sedimenttien geokemiaa tutkittiin kuningasvesiuutossa alkuaineanalyyseillä, joita tehtiin uusille näytteille ja arkistoiduille moreeninäytteille vuosilta 1973 ja 1975. Metallien ja muiden yhdisteiden liukoisuutta tutkittiin pienellä määrällä näytteitä kaksivaiheisella ravistelutestillä. Sedimenttien vedenläpäisevyydet määritettiin pohjavesikaivoihin tehdyillä slug-testeillä ja arvioimalla vedenläpäisevyyksiä käyttäen empiirisiä kaavoja ja sedimenttinäytteiden raekokojakaumia.
Luotu 3D-malli koostuu yhdeksän yksikköä sisältävästä runkostratigrafiasta, joka luotiin tutkimusalueelle perustuen sedimentologisiin in situ -aineistoihin. Stratigrafiassa on listattuna pinnalta alkaen: turve, pintahiekka, ylempi hiekkamoreeni, sora, moreenien välinen hiekka, alempi hiekkamoreeni, silttimoreeni, rapakallio ja kallio. 3D-mallissa ylempi hiekkamoreeni on laajalti ainut sedimenttiyksikkö rapakallion ja kallion yläpuolella Kuusivaarassa turvepeitteisten suoalueiden ulkopuolella. Pintahiekkaa esiintyy rajatuilla alueilla pinnassa sekä laajalti turpeen alla Kuusivaaran eteläpuolisilla suoalueilla. Sora ja moreenien välinen hiekka esiintyy ylemmän hiekkamoreenin alla rajatuilla alueilla Kuusivaarassa, ja alempi hiekkamoreeni esiintyy useimmilla noista alueista lajittuneiden sedimenttien alla. Silttimoreenia esiintyy vain Kuusivaaran eteläpuolella, laajimmin turvealueilla muiden sedimenttiyksiköiden peittämänä. Pre-glasiaalinen rapakallio on yleistä Kuusivaarassa, mutta rapakalliota ja kalliota ei pystytty erottamaan luotettavasti toisistaan 3D-mallissa.
Pintahiekka ja ylempi hiekkamoreeni arvioitiin mallin potentiaalisimmiksi yksiköiksi, joista voitaisiin kaivaa maa-ainesta raaka-aineeksi. Potentiaalisesti kaivettaviksi pintahiekan massoiksi arvioitiin n. 300 000 t Kuusivaaran länsiosassa < 50 cm pintakerroksena ja n. 37 000 t Pinoharjulla < 30 cm pintakerroksena. Potentiaalisesti kaivettaviksi ylemmän hiekkamoreenin massoiksi Kuusivaarassa arvioitiin n. 26 000 000 t ilman, että yksikön fysikaalisten ominaisuuksien vaihtelua otettiin huomioon.
Sedimenttien geokemiallisten analyysien tulokset osoittavat, että raskasmetallipitoisuudet sedimenttinäytteiden raekokofraktiossa < 2 mm ovat n. 50–65 % verrattuna pitoisuuksiin raekokofraktiossa < 0.06 mm. Kahta näytepopulaatiota, kaikkia sedimenttinäytteitä yhdistettynä ja ylemmän hiekkamoreenin näytteitä, verrattiin Valtioneuvoston asetuksen maaperän pilaantuneisuudesta ja puhdistustarpeen arvioinnista kynnysarvoihin sekä kromin ja nikkelin suurimpiin suositeltuihin taustapitoisuuksiin Kuusivaarassa. Raskasmetallipitoisuudet ovat yleisesti molemmissa näytepopulaatioissa raja-arvojen alapuolella, mutta korkeampia pitoisuuksia esiintyy yksittäisissä näytteissä. Metallien ja muiden yhdisteiden liukoisuudet näytteistä ovat alhaisia.
Ylemmän hiekkamoreenin vedenläpäisevyydeksi arvioitiin 10^(-6)–10^(-4) m/s, arvojen ollessa korkeampia alueilla, joilla yksikkö on huuhtoutunut ja karkeampi. Rapakallion vedenläpäisevyydeksi arvioitiin n. 10^(-6)–10^(-5) m/s. Vähäinen määrä rakeisuusnäytteitä muista 3D-mallin yksiköistä tuotti vedenläpäisevyyksiä, jotka olivat kyseisille sedimenttifasieksille kirjallisuudessa kuvatuilla vaihteluväleillä.
The sedimentological data used in this study was obtained from test pits, soil drilling and peat coring logs, and ground penetrating radar profiles. A 3D model was created in the Leapfrog Geo software using the sedimentological data. The geochemistry of the sediments was studied with element analyses using aqua regia solution performed on recent sediment samples and archived till samples from 1973 and 1975. The solubility of metals and other substances was tested on a small number of samples using the two-step batch leaching test. The water permeability of the sediments was determined by slug tests in groundwater wells and by using empirical equations to estimate the water permeability based on the grain-size distributions of the sediment samples.
The created 3D model consists of a framework stratigraphy with nine units developed for the study area based on the in situ sedimentological data. The units in the stratigraphy are, listed from the top: peat, surface sand, upper sandy till, gravel, inter-till sand, lower sandy till, silty till, weathered bedrock, and bedrock. In the 3D model, the upper sandy till is widely the only sediment unit overlying the weathered bedrock and bedrock in Kuusivaara. The surface sand is present on the ground surface in limited areas and widely present below the peat on the mire areas south of the Kuusivaara hill. The gravel and inter-till sand are found below the upper sandy till in limited areas, and the lower sandy till is found in most of those areas below the sorted sediments. The silty till is found only south of the Kuusivaara hill, most widely in the wetlands overlain by other sediment units. Pre-glacial weathered bedrock is common in Kuusivaara, but weathered bedrock and bedrock were not discerned reliably in the 3D model.
The surface sand and upper sandy till units are estimated to be the most potential sediment units in the model for excavation as a raw material. The potentially excavatable surface sand masses are estimated at approx. 300 000 t as a < 50 cm surface cover in the western part of the Kuusivaara hill and at approx. 37 000 t as a < 30 cm surface cover in Pinoharju. The potentially excavatable upper sandy till masses in Kuusivaara are estimated at approx. 26 000 000 t without considering the variations in the physical properties of the unit.
The geochemical analysis results show that the heavy metal concentrations of the sediment samples in the grain-size fraction < 2 mm are approx. 50–65 % of the concentrations in the grain-size fraction < 0.06 mm. Two sample populations, all sediment samples combined and samples from the upper sandy till, were compared to the threshold limits in the Government Decree on the Assessment of Soil Contamination and Remediation Needs and the recommended background concentrations for chromium and nickel in Kuusivaara. Generally, the heavy metal concentrations are considerably below the limits in both sample populations, but higher concentrations are found in individual samples. The solubilities of metals and other substances from the samples are low.
The water permeability of the upper sandy till is estimated at 10^(-6)–10^(-4) m/s, with higher values where the unit is washed and coarser. The water permeability of the weathered bedrock is estimated at 10^(-6)–0^(-5) m/s. A few grain-size distribution samples from the other units of the 3D model produced water permeabilities within ranges reported for those sediment facies in literature.
Tutkielmassa käytetty sedimentologinen aineisto saatiin tutkimuskaivannoista, maaperä- ja turvekairaustiedoista sekä maatutkaprofiileista. Sedimentologisten aineistojen avulla luotiin 3D-malli Leapfrog Geo -ohjelmistolla. Sedimenttien geokemiaa tutkittiin kuningasvesiuutossa alkuaineanalyyseillä, joita tehtiin uusille näytteille ja arkistoiduille moreeninäytteille vuosilta 1973 ja 1975. Metallien ja muiden yhdisteiden liukoisuutta tutkittiin pienellä määrällä näytteitä kaksivaiheisella ravistelutestillä. Sedimenttien vedenläpäisevyydet määritettiin pohjavesikaivoihin tehdyillä slug-testeillä ja arvioimalla vedenläpäisevyyksiä käyttäen empiirisiä kaavoja ja sedimenttinäytteiden raekokojakaumia.
Luotu 3D-malli koostuu yhdeksän yksikköä sisältävästä runkostratigrafiasta, joka luotiin tutkimusalueelle perustuen sedimentologisiin in situ -aineistoihin. Stratigrafiassa on listattuna pinnalta alkaen: turve, pintahiekka, ylempi hiekkamoreeni, sora, moreenien välinen hiekka, alempi hiekkamoreeni, silttimoreeni, rapakallio ja kallio. 3D-mallissa ylempi hiekkamoreeni on laajalti ainut sedimenttiyksikkö rapakallion ja kallion yläpuolella Kuusivaarassa turvepeitteisten suoalueiden ulkopuolella. Pintahiekkaa esiintyy rajatuilla alueilla pinnassa sekä laajalti turpeen alla Kuusivaaran eteläpuolisilla suoalueilla. Sora ja moreenien välinen hiekka esiintyy ylemmän hiekkamoreenin alla rajatuilla alueilla Kuusivaarassa, ja alempi hiekkamoreeni esiintyy useimmilla noista alueista lajittuneiden sedimenttien alla. Silttimoreenia esiintyy vain Kuusivaaran eteläpuolella, laajimmin turvealueilla muiden sedimenttiyksiköiden peittämänä. Pre-glasiaalinen rapakallio on yleistä Kuusivaarassa, mutta rapakalliota ja kalliota ei pystytty erottamaan luotettavasti toisistaan 3D-mallissa.
Pintahiekka ja ylempi hiekkamoreeni arvioitiin mallin potentiaalisimmiksi yksiköiksi, joista voitaisiin kaivaa maa-ainesta raaka-aineeksi. Potentiaalisesti kaivettaviksi pintahiekan massoiksi arvioitiin n. 300 000 t Kuusivaaran länsiosassa < 50 cm pintakerroksena ja n. 37 000 t Pinoharjulla < 30 cm pintakerroksena. Potentiaalisesti kaivettaviksi ylemmän hiekkamoreenin massoiksi Kuusivaarassa arvioitiin n. 26 000 000 t ilman, että yksikön fysikaalisten ominaisuuksien vaihtelua otettiin huomioon.
Sedimenttien geokemiallisten analyysien tulokset osoittavat, että raskasmetallipitoisuudet sedimenttinäytteiden raekokofraktiossa < 2 mm ovat n. 50–65 % verrattuna pitoisuuksiin raekokofraktiossa < 0.06 mm. Kahta näytepopulaatiota, kaikkia sedimenttinäytteitä yhdistettynä ja ylemmän hiekkamoreenin näytteitä, verrattiin Valtioneuvoston asetuksen maaperän pilaantuneisuudesta ja puhdistustarpeen arvioinnista kynnysarvoihin sekä kromin ja nikkelin suurimpiin suositeltuihin taustapitoisuuksiin Kuusivaarassa. Raskasmetallipitoisuudet ovat yleisesti molemmissa näytepopulaatioissa raja-arvojen alapuolella, mutta korkeampia pitoisuuksia esiintyy yksittäisissä näytteissä. Metallien ja muiden yhdisteiden liukoisuudet näytteistä ovat alhaisia.
Ylemmän hiekkamoreenin vedenläpäisevyydeksi arvioitiin 10^(-6)–10^(-4) m/s, arvojen ollessa korkeampia alueilla, joilla yksikkö on huuhtoutunut ja karkeampi. Rapakallion vedenläpäisevyydeksi arvioitiin n. 10^(-6)–10^(-5) m/s. Vähäinen määrä rakeisuusnäytteitä muista 3D-mallin yksiköistä tuotti vedenläpäisevyyksiä, jotka olivat kyseisille sedimenttifasieksille kirjallisuudessa kuvatuilla vaihteluväleillä.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [37205]