Tanhuan gabron geofysikaaliset tutkimukset ja mittaustulosten mallinnus

Tiivistelmä. Keski-Lapin paleoproterosooisen liuskevyöhykkeen mafiset ja ultramafiset kivet ovat potentiaalisia Ni-Cu-Co-PGE ja V-Ti-Fe-Cr malmien suhteen. Tämän tutkielman kohteena oli Savukosken kunnassa sijaitseva Tanhuan mafinen intruusio. Tavoitteena oli luoda Tanhuan Kannusvaaran ja Markkinaselän alueella mitatun magneettisen mittausaineiston pohjalta suskeptibiliteettimalleja sekä painovoima-aineiston pohjalta tiheysmalleja 3D-inversion avulla. Malleja tulkittiin yksin ja yhdessä sekä petrofysiikan mittaustulosten kanssa. Petrofysiikan perusteella luotiin rajoittamattomien mallien lisäksi suskeptibiliteetiltaan ja tiheydeltään rajoitettuja inversiomalleja. Näin voitiin mallintaa intruusion magneettisten osien laajuutta suhteessa intruusion magnetoitumattomiin osiin. Työssä käytetyt geofysiikan ja petrofysiikan aineistot olivat peräisin GTK:lta. 3D-mallinnuksessa käytettiin Geosoft Oasis Montaj ohjelmistoa ja sen VOXI Earth Modelling lisäosaa, joka mahdollistaa potentiaalikenttien kolmiulotteisen suoran ja käänteismallinnuksen. GTK on suorittanut Tanhuan alueella vuosien 2019--2021 aikana kattavasti erilaisia geofysikaalisia mittauksia ja kairannut alueelle vuosina 2019--2020 yhteensä 14 kairanreikää. Aiheen tutkimuksille antoivat Rautaruukki OY:n vuonna 1976 magneettiseen anomaliaan kairaamat kairanreiät, joissa oli viitteitä kobolttipitoisten sulfidien ja kuparin esiintymisestä. GTK:n tutkimusten perusteella Tanhuan mafisen intruusion muodostavat erilaiset magneettiset ja magnetoitumattomat gabrot, magnetoituneet dioriittiset ja graniittiset kivet sekä niitä ympäröivät suprakrustiset kivet. Alueen kivet ovat eriasteisesti metamorfoituneet ja muuttuneet hydrotermisten prosessien vaikutuksesta, minkä takia ne ovat voimakkaasti albiittiutuneita ja biotiittiutuneita. GTK:n tutkimusten perusteella alueen kivissä esiintyy paikoin Co-Cu-(Au) mineralisaatioita, joista merkittävimmät keskittyvät oksidipitoisiin kiviin. Kannusvaaran ja Markkinaselän kairasydämistä oli tutkittu kivinäytteitä GTK:n petrofysiikan laboratoriossa. Kivinäytteistä mitattua tiheyttä, indusoitunutta magnetoitumaa (suskeptibiliteetti) ja remanenssia (jäännösmagnetoituma) havainnollistettiin tässä työssä kuvaajien avulla. Petrofysiikan mittaustulosten perusteella alueella esiintyy tiheitä gabroidisia kiviä, joiden keskitiheys on noin 3,1 g/cm³. Gabroidisista kivistä osa on hyvin magneettisia ja suskeptibiliteettien keskiarvo on noin 0,4 SI näytteillä, joiden suskeptibiliteetit ovat suurempia kuin 0,1 SI. Alueella esiintyy lisäksi alhaisemman tiheyden omaavia suprakrustisia kiviä, joiden keskitiheys on noin 2,7 g/cm³. Alueella tavataan myös gabroidisia kiviä alhaisemman tiheyden omaavia dioriittisia ja graniittisia kiviä, joiden keskitiheys on noin 2,8 g/cm³ ja, joiden suskeptibiliteettien keskiarvo on noin 0,2 SI eli ne ovat myös voimakkaasti magneettisia. Alueen kivissä on lisäksi tavattu huomattavaa remanenttia magnetoitumaa. Kivinäytteiden Königsberger:in-suhteiden (Q-suhde) keskiarvo on noin 1,7. Ilman viittä suurinta arvoa Q-suhteiden keskiarvoksi jää 0,9. Koska Tanhuan alueen gabroidisilla kivillä on suuri tiheysero verrattuna niitä ympäröiviin suprakrustisiin kivilajeihin, gabroidiset kivet näkyvät painovoimakartoissa laajoina positiivisina anomalioina suhteessa niitä tiheydeltään pienempiin kvartsiitteihin ja vulkaniitteihin. Siten painovoimamittauksissa voidaan havaita molemman tyyppiset sekä magneettiset, että ei-magneettiset gabroidiset kivet. Intruusion magnetoituneet kivet erottuvat selvästi magneettisissa lentomittauskartoissa ja systemaattisissa maanpintamittauksissa, jossa anomaliat ovat tuhansien nT luokkaa, ylittäen paikoin jopa 10 000 nT. Mallinnusten perusteella Tanhuan Kannusvaaran ja Markkinaselän alueen positiivisen painovoima-anomalian ja magneettisen anomalian aiheuttavat tiheät ja magneettiset kivilajiyksiköt, jotka osaksi leikkaavat toisiaan -- eli osa kivistä on sekä tiheitä, että magneettisia. Magneettisen ja painovoima-anomaliavyöhykkeen muodostavat pääosin kaksi pohjois-etelä(lounais)-suuntaista epäsäännöllisen muotoista magneettista ja tiheämpää osiota. Magneettisten inversiotulosten perusteella intruusion kaateet näyttävät olevan länteen päin, mutta painovoimainversiomalleissa kaateen suunta ei ole aivan yhtä selkeä. Tiheämpien kivien muodostamat yksiköt ovat laajempia suhteessa kapeampiin magneettisiin osiin. Eri mallien välillä on eroja sekä magneettisten, että painovoimainversiomallien kanssa, erityisesti syvyysulottuvuudessa. Magneettiset osat koostuvat useammasta magnetoituneesta kappaleesta, joissa suskeptibiliteetin suuruus on välillä 0,1--1,7 SI. Suskeptibiliteettimallien perusteella alueen länsipuoleinen N-S suuntainen magneettinen anomaliajakso on noin 3,0 kilometriä pitkä ja itäpuolen noin 1,5 kilometriä pitkä. Magneettisten osien maksimileveys on noin 400--500 metriä. Rajoitettu malli on yleisesti leveämpi kuin rajoittamaton suskeptibiliteettimalli. Magneettiset osiot alkavat läheltä maanpintaa ja ylettyvät pääasiassa 100--0 metriin (merenpinnan yläpuolella) ja enimmillään noin 200--300 metrin syvyyteen (merenpinnan alapuolella). Rajoittamaton suskeptibiliteettimalli jatkuu vielä syvemmälle alueen pohjoisosassa. Rajoittamattomassa tiheysmallissa tiheimmät osat erottuvat osittain erillisiksi kappaleiksi, mutta tiheydeltään rajoitetussa mallissa tiheimmät osat sulautuvat syvemmällä enemmän yhteen. Tiheysmallien perusteella alueen länsipuoleisen painovoima-anomalialähteen leveys vaihtelee noin 250--550 metrin välillä ja se on noin 2,4 kilometriä pitkä. Itäpuoleisen anomalialähteen leveys on noin 300 metriä ja se on noin 750 metriä pitkä. Tiheät osat jatkuvat pituussuunnassa mahdollisesti mallinnusalueen ulkopuolelle. Tiheysjakauma vaikuttaa jatkuvan magneettista syvemmällekin, jopa noin 500 metriin (merenpinnan alapuolella). Tiheysmallien perusteella laajempien tiheämpien yksiköiden välissä on lisäksi pari pienempää tiheämpää kappaletta. Magneettisen aineiston pohjalta lasketun pseudopainovoiman perusteella aivan tutkimusalueen kaakkoisosassa, eteläisimmän painovoimalinjan itäisessä reunassa muodostuma koostuu pääosin vain magnetoitumattomasta, mutta tiheästä osasta. Kairanrei’istä mitattuja suskeptibiliteetteja havainnollistettiin kairanreikinä yhdessä suskeptibilitettimallien kanssa. Luotujen suskeptibiliteettimallien ja kairasydämistä mitattujen suskeptibiliteettien välillä on yhteneväisyyksiä, mutta myös eroja. Suskeptibiliteetiltaan rajoitettu malli vaikuttaa korreloivan hieman paremmin kairasydänten petrofysiikan kanssa.Geophysical studies and 3D modelling on Tanhua gabbro. Abstract. ³The mafic and ultramafic rocks in the Central Lapland Greenstone Belt are potential targets for Ni-Cu-Co-PGE and V-Ti-Fe-Cr mineralizations. This thesis focuses on the Tanhua mafic intrusion located in Savukoski in the Finnish Lapland. The goal of this thesis was to create 3D-inversion models of susceptibility based on magnetic ground data and density models based on ground gravity data measured in the Tanhua Kannusvaara and Markkinaselkä area. The models were interpreted individually, together, and with petrophysical laboratory measurements. In addition to non-constrained models, constrained models were created based on the petrophysical data. The goal was to understand the extent of the magnetic parts of the intrusion in subject to the non-magnetic parts. The geophysical and petrophysical data used were provided by the GTK. Geosoft Oasis Montaj and its VOXI Earth Modelling extension, which can be used for the 3D forward and inverse modelling of potential fields, were used in the modelling. The Geological Survey of Finland has conducted extensive geophysical measurements between 2019--2021 and drilled 14 drillholes in the years 2019--2020. These investigations were motivated by drillholes drilled by Rautaruukki Oy in 1976, indicating cobalt-enriched sulfides and copper. Based on the GTK investigations, Tanhua mafic intrusion is composed of different types of magnetic and non-magnetic gabbros, magnetic dioritic and granitic rocks, with supracrustal rocks surrounding them. Rocks in the area show signs of metamorphosis and alteration due to hydrothermal processes. Hence, they are strongly albitized and biotitized. Based on the GTK investigations, some Co-Cu-(Au) mineralized zones in the rocks have been found. However, the most significant mineralizations are concentrated in the oxide-bearing rocks. Samples from the Kannusvaara and Markkinaselkä drill cores were examined by the GTK in their petrophysics laboratory. In this thesis, susceptibility, remanence, and density of the drill core samples were visualized with charts. The results indicate that the average density of the gabbroic rocks in the area is approximately 3,1 g/cm³. Some of the gabbroic rocks are very magnetic, and the average susceptibility is approximately 0,4 SI for samples with susceptibilities over 0,1 SI. The supracrustal rocks in the area have much lower densities, on average approximately 2,7 g/cm³. There are also dioritic and granitic rocks in the area, which have lower densities than gabbroic rocks, on average approximately 2,8 g/cm³, but they are quite magnetic, having average susceptibilities of approximately 0,2 SI. There is also evidence of remanent magnetization in the rocks. The average Königsberger’s ratio (Q-value) of the rock samples in the area is approximately 1,7. Without the five highest samples, the average Q-value becomes approximately 0,9. Rocks in the Tanhua area have higher densities than the supracrustal rocks surrounding them, thus gabbroic rocks are seen as positive gravity anomalies relative to less dense quartzites and vulcanites. Therefore, it is possible to detect both magnetic and non-magnetic rocks with gravity measurements. Furthermore, the magnetized rocks can be detected in low-altitude airborne magnetic maps and in systematic magnetic ground surveys in which the anomalies are thousands of nT, in some parts even over 10 000 nT. Based on the modelling, the positive gravity anomaly and the magnetic anomaly in the Tanhua Kannusvaara and Markkinaselkä area is produced by dense and magnetic rock units, which partly intersect — meaning some of the rocks are magnetic and dense. The magnetic and gravity anomaly zones are composed primarily of two north--south(southwest) oriented irregularly shaped magnetic and dense sections. Based on the magnetic inversion results, the intrusion appears to dip westwards, but the dip direction is not as evident in the gravity inversion. The dense rock units seem to be wider than the magnetic rock units. The results show differences in the models, in both gravity and magnetic inversions, especially with their depth extensions. The magnetic sections appear to be composed of several separate pieces with susceptibilities between 0,1--1,7 SI. Based on the susceptibility models, the western section of the magnetic N-S anomaly is approximately 3,0 kilometers long, and the eastern section of the magnetic anomaly is approximately 1,5 kilometers long. The maximum width of the magnetic parts is approximately 400--500 meters. The constrained model is generally wider than the non-constrained susceptibility model. The magnetic sections begin close to the surface, continuing approximately to 100--0 meters (above sea level). In some parts, even approximately 200--250 meters in depth (below sea level). In the non-constrained model, the susceptibility continues even deeper in the northern part of the area. In the non-constrained model, the densest sections stand out more as individual pieces, but in the constrained model, they are more merged together. Based on the density models, the western gravity anomaly is produced by an anomalous source of varying width of 250--550 meters, and it is approximately 2,4 kilometers long. The eastern gravity anomaly is produced by an anomalous source of a width of 300 meters and is approximately 750 meters long. The dense sections may probably continue beyond the model area. The dense anomalous sources continue deeper than the magnetic parts, to 500 meters (below sea level). Based on the density inversion models, there are also a couple of smaller pieces of higher relative density. The pseudo gravity calculated from the magnetic data indicates that in the south-eastern parts of the study area, the anomalous source is composed mainly of non-magnetic but dense rock units at the eastern part of the most south line. Susceptibilities measured from the rock samples were also visualized as drill cores and inspected together with the susceptibility models. Based on the results, there appears to be some congruence with the susceptibility models and visualized drill cores but also some differences. The inversion model with the constrained susceptibility seems to be coinciding more with the drill cores