Development and application of the magnetotelluric method to study the crustal structure of central Finnish Lapland

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>In this thesis, the magnetotelluric (MT) method has been applied to study the crustal geoelectric structure of central Finnish Lapland and new advances in MT data analysis have been realized. MT data acquired in 2014 display pronounced 3D effects, reflecting the complex tectonic history of the bedrock in the area. Particularly anomalous, so-called extreme data are observed in the northern part of the study area. A definition for extreme MT data is given by the condition where the determinant of the real and/or imaginary part of the impedance tensor becomes negative. Physically, such data are associated with reversal of, for example, the electric field as compared to its direction for a one-dimensional resistivity structure. The behaviour of the phase tensor and the determinant average of the impedance tensor, for instance, have been analysed in the case of extreme data. 3D conductivity models derived using the ModEM code display high crustal conductance (thousands of siemens) in the vicinity of the Central Lapland Greenstone Belt, the Peräpohja Belt and the Kuusamo Belt. A remarkable feature is an arc-shaped conductor inside the northern part of the Central Lapland Granitoid Complex, which continues into the Central Lapland Greenstone Belt in the north. The conductive structures in the models could represent deeply buried graphite and sulphide bearing metasedimentary rocks or reactivated Archaean shear zones. The conductors in the northern and southern parts of the study area are separated by a resistor coinciding with the Central Lapland Granitoid Complex. A possible explanation for the observed pervasive E–W principal direction of the phase tensor data in the study area could be the failed rift suggested in other studies.</p><p>In addition to the magnetotelluric studies in central Lapland, as a methodological development, an express approach where time-domain electromagnetic (TEM) data are transformed and subsequently used in 2D MT determinant inversion is presented. The methodology is applied in a simple geoelectric setting located in Greece but can in principle be extended to the more complex geological environments encountered in the Fennoscandian shield.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Tässä tutkielmassa magnetotelluurista (MT) menetelmää on sovellettu maankuoren tutkimukseen Lapin keskiosissa ja MT-mittaustulosten analyysiä on kehitetty. Vuonna 2014 suoritettujen MT-mittausten tulokset sisältävät voimakkaita 3D rakenteiden vaikutuksia, mikä heijastaa alueen kallioperän monimutkaista tektonista historiaa. Erityisen anomaalisia, niin kutsuttuja MT-äärivasteita havaitaan tutkimusalueen pohjoisosassa. MT-äärivasteeksi määritellään sellainen impedanssitensori, jonka reaali- tai imaginaariosan determinantti on negatiivinen. Fysikaalisesti äärivasteet liittyvät esimerkiksi sähkökentän suunnan kääntymiseen päinvastaiseksi verrattuna sen käyttäytymiseen kerrosmaisessa sähkönjohtavuusrakenteessa. Muun muassa vaihetensorin ja impedanssitensorin determinanttikeskiarvon käyttäytymistä on analysoitu äärivasteiden tapauksessa. ModEM-käänteismallinnuskoodilla luodut 3D sähkönjohtavuusmallit sisältävät korkeita konduktanssin arvoja (useita tuhansia siemensejä) Keski-Lapin vihreäkivivyöhykkeen, Peräpohjan liuskealueen ja Kuusamon liuskealueen lähettyvillä. Erityinen piirre on kaaren muotoinen johde Keski-Lapin granitoidikompleksin pohjoisosassa, jatkuen pohjoiseen Keski-Lapin vihreäkivivyöhykkeelle. Sähkönjohtavuusmallien johteiden on tulkittu edustavan syvälle työntyneitä grafiitti- ja sulfidipitoisia sedimenttisyntyisiä kiviä tai uudelleen aktivoituneita arkeeisia hiertovyöhykkeitä. Tutkimusalueen pohjois- ja eteläosien johteita erottaa Keski-Lapin granitoidikompleksin kohdalle sijoittuva eristävä rakenne. Mahdollinen selitys tutkimusalueella hallitsevalle vaihetensorien itä–länsi-suuntaukselle on toisaalla esitetty keskeytynyt repeämä (failed rift).</p><p>Lapin keskiosien tutkimusten lisäksi tutkielmassa on kehitetty tulkintatapa, jossa aika-alueen sähkömagneettisen menetelmän (TEM) mittausaineisto muunnetaan käytettäväksi 2D MT käänteismallinnuksessa. Lähestymistapaa kokeiltiin sähkönjohtavuusrakenteeltaan yksinkertaisessa, Kreikassa sijaitsevassa geologisessa ympäristössä, mutta se on periaatteessa laajennettavissa myös haastavampiin Fennoskandian kilven geologisiin ympäristöihin.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Autio, U. A., & Smirnov, M. Yu. (2020). Magnetotelluric array in the central Finnish Lapland I: Extreme data characteristics. Tectonophysics, 794, 228613. <a href="https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228613">https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228613</a></p></li><li><p>Autio, U. A., Smirnov, M. Yu., Smirnova, M., Bauer, T. E., & Korja, T. (2020). Magnetotelluric array in the central Finnish Lapland II: 3-D inversion and tectonic implications. Tectonophysics, 794, 228574. <a href="https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228574">https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228574</a></p></li><li><p>Autio, U., Smirnov, M. Yu., Savvaidis, A., Soupios, P., & Bastani, M. (2016). Combining electromagnetic measurements in the Mygdonian sedimentary basin, Greece. Journal of Applied Geophysics, 135, 261–269. <a href="https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.10.014">https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.10.014</a></p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Autio, U. A., & Smirnov, M. Yu. (2020). Magnetotelluric array in the central Finnish Lapland I: Extreme data characteristics. Tectonophysics, 794, 228613. <a href="https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228613">https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228613</a></p></li><li><p>Autio, U. A., Smirnov, M. Yu., Smirnova, M., Bauer, T. E., & Korja, T. (2020). Magnetotelluric array in the central Finnish Lapland II: 3-D inversion and tectonic implications. Tectonophysics, 794, 228574. <a href="https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228574">https://doi.org/10.1016/j.tecto.2020.228574</a></p></li><li><p>Autio, U., Smirnov, M. Yu., Savvaidis, A., Soupios, P., & Bastani, M. (2016). Combining electromagnetic measurements in the Mygdonian sedimentary basin, Greece. Journal of Applied Geophysics, 135, 261–269. <a href="https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.10.014">https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.10.014</a></p></li></ol></div>