Merenpohjan luotauslinjat – satatuhatta kilometriä Itämeren geologiaa

Tutkimaton merenpohja

Tutkimusmatkat Itämerellä alkoivat 1800-luvulla. Meren ilmiöitä pyrittiin ymmärtämään ja selvittämään, mutta veden peittämä merenpohja jäi vuosikymmeniksi arvoitukseksi. Uutena tutkimusalueena Suomessa aloitettiin 1920-luvulla merenpohjan sedimenttien kemialliset tutkimukset. Merentutkimuslaitoksen alaisuudessa pohjanäytteitä kerättiin Suomenlahdelta, Pohjanlahdelta ja pohjoiselta Itämereltä aina Gotlannin syvänteeseen saakka. Tarkkaa tutkimustyötä vaikeutti kuitenkin paikkatiedon epätarkkuus: aluksen tarkan sijainnin määrittäminen avomerellä oli hankalaa, kunnes toisen maailmansodan aikana kehitettyä paikannustekniikkaa alettiin hyödyntää siviilikäytössä.

Sedimenttitutkimuksia jatkettiin Merentutkimuslaitoksessa vuoteen 1955 asti, jonka jälkeen niitä tehtiin myös Geologisessa tutkimuslaitoksessa (nyk. Geologian tutkimuskeskus), valtion luonnontieteellisen toimikunnan rahoituksella. Merentutkimuslaitos osallistui työhön tarjoamalla geologeille Valmetin telakalla Helsingissä 1953 valmistuneen tutkimus- ja kelirikkoalus Arandan resurssit. Merentutkimuksen uusi tieteenala, merigeologia, oli rantautunut Suomeen tuoden mukanaan uusia mullistavia tutkimusmenetelmiä kuten kaikuluotauksen.

Vuonna 1969 Gotlannin saarelta löydettiin merkkejä mahdollisesta öljyesiintymästä. Tämä ei jäänyt suomalaiselta öljynjalostusyhtiöltä huomaamatta. Neste Oy kääntyi Geologisen tutkimuslaitoksen puoleen: löytyisikö öljyä myös Itämeren Suomen talousvyöhykkeeltä? Todennäköisesti ei, mutta absoluuttista varmuutta ei ollut. Merialueet olivat kartoittamatta. Soveltuvaa mittauslaitteistoa, saati koko kenttäkaudeksi työhön varattavaa tutkimusalusta ei ollut. Aranda pyrki olemaan täystyöllistettynä kesät talvet. Neste vastasi nopeasti: kartoitus tuli aloittaa heti. Rahan ei pitäisi olla ongelma. Alkoi luotausaluksen rakentaminen ja varustaminen.

Eikä aikaakaan, kun alukseen oli asennettu merigeologiseen tutkimukseen erinomaisesti soveltuva mittauslaitteisto. Uusi alus sai nimekseen Kaita. Neste-projekti kesti kaikkiaan kolme kenttäkesää, mutta kaupallisesti kannattavia määriä hiilivetyjä ei merenpohjan kallioperän sedimenttikivistä löytynyt. Tutkijoille työ antoi kuitenkin arvokasta tietoa Selkämeren geologiasta. Lisäetuna luotausalus Kaita jäi Geologisen tutkimuslaitoksen käyttöön ja merenpohjan järjestelmällinen kartoitus käynnistyi toden teolla.

Kaikuluotaamalla alkuun – merenpohjan maisema hahmottuu

Vuosikymmenet vaihtuivat ja aluskanta uudistui, mutta mukana sinnitteli T/A Kaita aina viimeisen kenttäkautensa 2004 loppuun jättäen taakseen huikeat 34 627 luotauskilometriä. Kaikilla Geologian tutkimuskeskuksen käytössä olevilla tutkimusaluksilla ‒ Vanha Aranda (1953‒1989), Aranda (1989‒), Kaita, Geola, Kaiku, Geomari ja Gridi ‒ luotauskilometrejä on kertynyt yhteensä vajaat satatuhatta.

Merenpohjan luotauslinjat -aineistoon on koottu tiedot merialueiden luotauksista 1960-luvulta lähtien. Aineisto sisältää paikkatiedot ja kuhunkin luotauslinjaan liittyvää metatietoa perustuen Geologian tutkimuskeskuksen tuottamaan merenpohjan geologiseen aineistoon. Akustis-seismisiin luotauksiin perustuvat menetelmät antavat havainnollisen kuvan merenpohjan muodoista, sedimenttikerrostumien paksuudesta ja sisärakenteista sekä pohjan olosuhteista. Luotauksen merkittävä etu näytteenottoon verrattuna on luotauksen kattavuus. Näytteitä ottamalla saadaan tietoa vain yhdestä pisteestä, kun taas luotausmenetelmät tuottavat alueellisesti katkeamatonta tietoa merenpohjan olosuhteista.

Vaikka ensimmäiset tutkimuskaikuluotaukset tehtiin Itämerellä jo 1950-luvulla, ja luotausaineistoja on kertynyt kymmeniä tuhansia kilometrejä, tietämys mertenpohjista on vielä yllättävän vähäistä. Suomen merialueiden merenpohjasta on geologisesti kartoitettu vasta vajaat 25 % merialueiden käytön suunnitteluun soveltuvalla tarkkuudella. Työsarkaa riittää siis tuleviksikin vuosiksi. Merenpohjan geologinen tieto on tulevaisuudessa yhä tärkeämpää, sillä se on olennainen osa merenhoidon ja merialueiden kestävän käytön suunnittelua. Työ siis odottaa edelleen tekijöitään ‒ merenpohja ei ole vielä paljastanut kaikkia salaisuuksiaan.

Merenpohjan luotauslinjat -paikkatietoaineisto

Merenpohjan luotauslinjat -aineisto on koottu osana muun muassa Geologian tutkimuskeskuksen Tiedonkeruu-ohjelmaa, Euroopan meri- ja kalatalousrahaston rahoittamaa Suomen meritietoportaali ja meritietopalvelut (Itameri.fi) hanketta, sekä CINEA:n (The European Climate, Environment and Infrastructure Executive Agency) rahoittamaa EMODnet Geology hanketta. Merenpohjan geologisissa luotauksissa on hyödynnetty myös kansallisen merentutkimuksen infrastruktuurin FINMARI:n laitteistoja. Merenpohjan luotauslinjat -aineisto on katsottavissa ja ladattavissa GTK:n haku- ja latauspalvelu Hakussa.

Merenpohjan luotausmenetelmät

Yleisimpiä merigeologisia tutkimusmenetelmiä ovat sedimenttikaikuluotaus, monikeilakaikuluotaus, viistokaikuluotaus ja seisminen reflektioluotaus, joilla kullakin on oma erityinen käyttötarkoituksensa.

Sedimenttikaikuluotain tarjoaa tietoa veden syvyydestä, merenpohjan topografiasta sekä pehmeiden (lieju ja savi) sedimenttikerrostumien paksuudesta ja sisäisistä rakenteista. Korkeataajuisen kaikuluotaimen pystysuuntainen erotuskyky voi olla muutamia senttimetrejä. Koviin pohjakerroksiin, kuten hiekkaan, soraan ja moreeniin, kaikuluotainsignaali ei tunkeudu. Kaikuluotainprofiilista saadaan kuitenkin näkyviin kovan ja pehmeän pohjan välinen raja sekä tietoa esimerkiksi pohjan lohkareisuudesta. Kaikuluotaimen anturi lähettää äänipulsseja merenpohjaan ja vastaanottaa heijastuneita signaaleja sekä pohjasta että sedimenttikerrosten rajapinnoilta. Veden syvyys ja sedimenttikerroksen paksuus lasketaan äänipulssin matka-ajoista. Signaalin tunkeutumiseen vaikuttaa sen taajuus ja pohjasedimentin koostumus; signaalit tunkeutuvat sedimenttiin sitä syvemmälle, mitä matalampi on signaalin taajuus ja mitä pehmeämpi pohja on. Korkeilla signaalin taajuuksilla on heikko äänen tunkeutumiskyky, mutta hyvä erotuskyky. Käyttämällä samanaikaisesti sekä korkea- että matalajaksoista lähetintä saadaan hyvä erottelukyky ja kohtalainen tunkeutuminen pehmeissä sedimenteissä.

Monikeilakaikuluotauksen avulla on mahdollista kartoittaa laajoja alueita, sillä se tuottaa viuhkamaisen peiton merenpohjasta käyttämällä monia yksittäisiä kaikusäteitä. Järjestelmä mittaa akustiselta signaalilta kuluvan ajan lähettimestä merenpohjaan ja takaisin. Matka-aikaa (matkaa merenpohjaan) ja mittauskulmaa hyödyntämällä pystytään päättelemään tarkka paikka ja syvyys jokaiselle kaikusäteelle. Paikka- ja syvyysarvojen muodostaman tiheän pistepilven pohjalta suoritetaan pintamallin muodostus. Näin saadaan jatkuvapintainen 3D-malli merenpohjan maisemasta, jossa pohjan muodot näkyvät varjostettuna ja syvyyden mukaan väritettynä. Malli paljastaa merenpohjan kohoumat, pienet merimontut ja kapeat kanjonit. Kuvien perusteella pystytään arvioimaan esimerkiksi merenpohjan lohkareisuutta ja karkeutta tai alueen luontotyyppejä. Monikeilakaikuluotauskuvissa näkyy millaista jälkeä ruoppaus, ruoppausmassojen läjitys tai pohjatroolaus jättävät merenpohjaan. Kuvista erottuvat myös erilaiset rakenteet, kuten kaapelit ja vesi- ja viemäriputket. Monikeilaluotauksen etuna on sen peittävyys ja lisääntynyt tieto merenpohjan yksityiskohdista.

Viistokaikuluotauksella saadaan akustinen varjokuva merenpohjan pinnasta, tutkimusaluksen molemmilta sivuilta. Pohjasta palaava signaali rekisteröityy vahvana, kun se heijastuu kovasta pinnasta, kuten kalliosta tai lohkareesta. Savi- ja liejupohjat heijastavat ääntä huonosti. Pohjan muodot vaikuttavat paluusignaalin kulkuun. Kuvasta voidaan tulkita eroosio- ja sedimentaatiorakenteita, aallonmerkkejä, merenpohjan kaasu- ja pohjavesipurkausten aiheuttamia rakenteita sekä ihmistoiminnan jälkiä (kaapelit, pohjatroolaus, ruoppaus, läjitys, merihiekan nosto ym.). Viistokaikuluotauksella saadaan hyvin yksityiskohtainen ja tarkka kuva merenpohjan pintarakenteista, pintamaaleista sekä pohjalla olevista kohteista. Menetelmää käytetäänkin paljon muun muassa hylkyjen paikantamiseen. Lohkareet ja merenpohjan pinnalta kohoavat muut kohteet jättävät taakseen akustisen varjon. Varjon pituudesta voidaan laskea rakenteiden korkeus merenpohjasta. Lopputuloksena syntyy kuva, joka muistuttaa paljolti ilmakuvaa.

Reflektioseismisellä luotauksella saadaan tietoa karkeiden sedimenttiyksiköiden (hiekka, sora, moreeni) paksuudesta ja sisäisistä rakenteista. Se antaa myös tietoa kallioperän topografiasta. Reflektioseisminen luotaus soveltuu merenpohjan pinnan alaisen kallion sijainnin tutkimisen lisäksi kallioperän tektonisten elementtien, kuten siirrosten ja ruhjevyöhykkeiden, havaitsemiseen. Luotauksessa käytetään matalataajuisia äänilähteitä ja erillistä vastaanotinta, jolla otetaan vastaan heijastavista rakenteista palaava ääniaalto. Seismiset aallot heijastuvat rajapintoihin, kuten merenpohjaan sekä stratigrafisiin tai litologisiin ja geoteknisiin rajoihin, kerrosten tiheyden ja nopeuden (akustisen impedanssin) muutosten mukaisesti. Äänen nopeuden muutos rajapinnalla ja sedimenteissä aiheuttaa ääniaallon taittumisen, jonka seurauksena osa pulssin energiasta heijastuu takaisin aikaansaaden akustisessa kuvassa havaittavissa olevan rajapinnan. Geologiseen tutkimukseen reflektioseisminen luotaus soveltuu hyvin ja menetelmä onkin ollut käytössä 1960-luvulta lähtien.

Teksti

Ulla Alanen, paikkatietoasiantuntija
Merigeologia ja vesistömuutokset, Ympäristöratkaisut, Geologian tutkimuskeskus

Aarno Kotilainen, tutkimusprofessori
Ympäristöratkaisut, Geologian tutkimuskeskus

Lisätietoa

Jakobsson, M., Gyllencreutz, R., Mayer, L.A., Dowdeswell, J.A., Canals, M., Todd, B.J., Dowdeswell, E.K., Hogan, K.A., Larter, R.D., 2016. Mapping submarine glacial landforms using acoustic methods. In: Dowdeswell, J. A., Canals, M., Jakobsson, M., Todd, B. J., Dowdeswell, E. K. & Hogan, K. A. (eds) 2016. Atlas of Submarine Glacial Landforms: Modern, Quaternary and Ancient. Geological Society, London, Memoirs, 46, 17–40. http://doi.org/10.1144/M46.182

Kankaanpää, H., Kotilainen A., 2008. Itämeri kaikuu historiansa kuviksi. Tiede, 6, 24-27.

Linberg, E., 1928, Åbo sjöfarts historia 3, Ångbåtssjöfarten i Åbo 1836-1928

Poutanen, E.-L., Leppänen, J.-M., 2021. Nautiluksesta Arandaan: suomalaisen merentutkimuksen tarina. John Nurmisen säätiö.

Winterhalter, B., 2016. Prolific decades of marine geology at the Geological Survey of Finland: a historical review, BALTICA, 29, 47–56.

Kansalliskirjaston digitaaliset aineistot: digi.kansalliskirjasto.fi