Tulevaisuuden energia- ja infraratkaisut rakentuvat kallioperän rikkonaisuustiedolle
Kallio- ja tunnelirakentaminen ovat tärkeä osa yhteiskunnan infrastruktuuria. Vihreän siirtymän myötä geoenergian monipuolisempaan hyödyntämiseen tähtäävät hankkeet ovat kasvussa. Näissä suunnitelmissa tiedot kallioperän rikkonaisuudesta, rakosysteemien ja siirroslinjojen sijainnista ja laadusta sekä niihin liittyvästä kalliopohjavedestä ovat ratkaisevia. Ensiarvoisen tärkeitä nämä tiedot ovat ydinjätteiden loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuden kannalta.
Kallioperän rikkonaisuutta tutkitaan Geologian tutkimuskeskuksessa (GTK) kahdessa toisiaan tukevassa projektissa. KYT KARIKKO -projekti keskittyy ydinjätteiden loppusijoituksen turvallisuuteen. Sen tutkimusalue on rajattu Etelä-Suomeen, geologiselta ympäristöltään Olkiluodon kaltaisille alueille. GTK:n oma Kallioperän rikkonaisuus -projekti mahdollistaa laajemmat tutkimukset ja monipuolisen tutkimuslinjakirjon.
Tutkimuskohteena kallioperän hauraiden rakenteiden skaalautuminen
Kallioperän hauraiden rakenteiden, eli rakojen ja siirrosten, skaalautuminen on tutkimuskohteena KYT KARIKKO -projektissa. Eri mittakaavoissa tehtyjä havaintoja vertailemalla arvioidaan rakojen ominaisuuksien skaalautumista ja havaintojen samankaltaisuutta. Voidaanko esimerkiksi kalliopaljastumalla näkyvän rakoilun pituuksien ja tiheyden jakauman perusteella ennustaa tilannetta isommassa mittakaavassa, josta ei saada samanlaista havaintoaineistoa?
Tutkimusalueina ovat olleet Loviisan ja Inkoon seutu sekä Ahvenanmaa, jossa sijaitsevat Suomen suurimmat kalliopaljastumat. Alue tarjoaa verrattomat puitteet tehdä rikkonaisuustutkimusta.
Rakosysteemeitä mallinnetaan ennustamalla rakoilun pituuksien ja tiheyden jakaumat eri skaaloihin, joista dataa ei ole saatavilla. ”Pyrkimyksenä on vähentää epävarmuutta, joka liittyy aina malleihin”, kertoo projektipäällikkö Nicklas Nordbäck GTK:lta.
Uusien LiDAR-aineistojen avulla isoja rakenteita voidaan tutkia lineamenttitulkinnalla, eli tutkimalla topografiassa havaittuja pitkänomaisia, viivamaisia piirteitä. Tulkintaa tehdään eri mittakaavoissa, jolloin voidaan selvittää lähtöaineistot, missä mittakaavassa isoja rakenteita voidaan tutkia ja mitä epävarmuuksia skaaloihin ja aineistoihin liittyy. Samalla selvitetään, miten hyvin lineamenttidataseteistä saadaan irti käyttökelpoista tietoa.
Suuria datasettejä on saatu käyttöön kartoittamalla alueita drone-menetelmällä. GIS-ohjelmistolla kuva-aineistot on järjestetty ja tuotettu digitaalinen aineisto analysoitavaksi. Tutkimukset ovat opettaneet drone-menetelmien tarkoitukseen soveltuvaa käyttöä, mutta myös niiden rajoituksia esimerkiksi lentokorkeuteen liittyen. Tutkijat ovat selvittäneet, miten laajoja alueita pitää kuvata, jotta saatu aineisto edustaisi määritettyä kalliomassaa ja miten tulkita kalliopaljastumia ympäröiviä alueita, joista ei ole dataa saatavilla.
”Olemme edistäneet tuottamiemme rakokarttojen analysointimenetelmiä muun muassa kehittämällä python-pohjaisia koodeja, joilla pystymme helposti irrottamaan datasta tietoja ja parametrejä”, Nordbäck kertoo.
Tulossa: lineamenttitietokanta ja tulkinnan automatisointi
Kallioperän rikkonaisuus -projektissa tehtiin koko Suomen kattava lineamenttitulkinta mittakaavassa 1:500 000. Tässä mittakaavassa nähdään isot rakenteet, jotka auttavat ehjien kallioblokkien ja rikkonaisuusvyöhykkeiden sijaintien määrittämisessä. Tulkinnassa käytettiin LiDAR, geofysiikka ja batymetri (eli merenpohjan) topografia-aineistoja.
Näin syntyi kokonaan uusi, yhtenäinen tietoaineisto: lineamenttitulkintatietokanta. Tietokanta julkaistaan vuoden 2022 loppuun mennessä Geo.fi -tietoaineistopalvelussa. Tulossa on myös julkaisu, jossa kuvataan miten aineisto on tulkittu. Tietokantaa voi käyttää lähtöaineistona, kun suunnitellaan esimerkiksi jatkotutkimusten kohdentamista infrarakentamisessa.
Lisäksi kehitetään lineamentti- ja rakotulkinnan automatisointia, jossa kuvista voidaan tunnistaa missä rako kulkee. Automatisointia tarvitaan, sillä nyt jokaisen erillisen tulkinnan tekee tutkija.
”Automatisointiin tarvittava koodi saatiin Turun yliopistolta, jossa tehdään ihmisen luiden kuvantamista ja paikallistetaan luunmurtumia. Saimme koodin käyttöömme ja lähdimme kehittämään sitä edelleen GTK:n aineiston pohjalta”, kertoo projektipäällikkö Jon Engström GTK:lta.
Koodi noukkii kuvista tietoja, muttei vielä tunnista kaikkia rakoja, eikä saa irrotettua riittävästi tietoa heikompilaatuisista kuvista. Jatkokehitystä tarvitaan, jotta automaatio saadaan tieteelliseen tuotantokäyttöön.
Pieni rakoilu, suuri määrä vaikuttavia tekijöitä
Kallioperän rikkonaisuuden tutkimuksessa perehdytään kallioperän rakoilun syntyyn ja käyttäytymiseen vaikuttavien tekijöiden, muun muassa litologian eli kivilajien vaihtelun vaikutusta. Ahvenanmaan rapakivialue valittiin yhdeksi tutkimuskohteeksi, sillä isotrooppisessa kivilajissa on helpompi ymmärtää, miten rakoilu syntyy.
Tutkimuksessa on vertailtu kallioperän rakoilua Ahvenanmaalla ja Inkoon Kopparnäsissä, missä kallioperän monimutkaisempi koostumus ja rakenne heijastuvat rakoiluun. Yhtäläisyyksiäkin on löytynyt, ja ymmärrys rakoilun käyttäytymisestä on kasvanut.
Myös käsitys eroosion ja hauraiden rakenteiden yhteisvaikutuksesta on parantunut. Esimerkiksi depressio kallioperässä viittaa lähes aina hauraaseen rakenteeseen, joka aiheuttaa laakson ja muut maastonmuodoissa näkyvät pienemmät painanteet. Siirrokset näissä painanteissa häiritsevät jännityskenttää, joten lähiympäristöön myöhemmin syntyneiden rakosettien suunnat voivat vaihdella paikallisesti. Lisäksi on otettava huomioon kallioperän mekaaninen heterogeenisuus, kuten foliaatio ja muut heikkouspinnat, jotka vaikuttavat rakoiluun.
”Kalliopaljastumalla näkyvään pieneen rakoiluun vaikuttavien tekijöiden suuri määrä on tullut projektien aikana hyvin esiin. Silmin nähtävä pieni rakoilu ei välttämättä kerro kovinkaan paljon kokonaisuudesta, jos ei ymmärretä mitä ympärillä olevassa kallioperässä tapahtuu”, selventää Engström.
Syvän kallioperän tutkimus ydinjätteen loppusijoituksessa
GTK:n Sijoituspaikkatutkimukset-ryhmän yhtenä tehtävänä on tutkia ydinjätteen loppusijoituksen geologisia tekijöitä. ”Suomessa ydinjätteet loppusijoitetaan kiteiseen kallioperään. Siinä on huomioitava rakoilu, jännitystilat ja niihin liittyvät siirrokset, pohjaveden hydrologia sekä hydrogeokemia”, kertoo ryhmäpäällikkö Taina Karvonen.
Loppusijoituksessa olennaista on paikallistaa vanhat rakenteet ja siirroslinjat. ”Paikanvalinnassa on aina etsitty vanhojen siirroslinjojen, ruhjevyöhykkeiden ja yksittäisten pitkien rakojen välistä, mahdollisimman vähän rakoillutta kallioblokkia”, Karvonen kertoo.
Suomi sijaitsee tektonisesti vakaalla kilpialueella, joten tulevaisuudessa mahdollisesti tapahtuvat liikunnot ovat vanhoissa siirroksissa ja todennäköisesti hyvin pieniä. Tämän vuoksi on tärkeää, että loppusijoituskapselit sijoitetaan ehjiin kallioblokkeihin siirrosten väliin.
Ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuudessa puhutaan ajanjaksosta, joka on pituudeltaan 100 000 ‒ 1 miljoonaa vuotta. Tutkimalla menneisyyttä voimme käsitellä suunnattoman pitkien aikojen tapahtumia ja ennustaa tulevaa. Kallionlohko, joka on ollut jännitystilojen ja liikuntojen suhteen stabiili viimeiset pari miljoonaa vuotta, on todennäköisesti stabiili myös seuraavat miljoona vuotta.
Kiteisessä kallioperässä veden virtaus on rakokontrolloitua, joten rakoverkostot ja niiden yhteydet toisiinsa pitää hahmottaa hiukan loppusijoitustason alapuolelta aina maanpinnalle asti. Loppusijoitussyvyydessä pohjaveden geokemian on oltava sopiva loppusijoitukseen ja geokemialliset pohjavesiolosuhteet mahdollisimman vakaat, jotta kapselit ovat turvassa korroosiolta. Tämä edellyttää, että tunnetaan pohjaveden liike rakoverkostossa sekä syvemmän pohjaveden geokemia, sillä syvältä saattaa aikojen saatossa kummuta suolaista pohjavettä ylöspäin.
Pintavesi ei saa päästä tunkeutumaan loppusijoitussyvyyteen loppusijoituspaikan ollessa avoinna ‒Suomessa noin 100 vuoden aikajänteellä, eikä tulevaisuudessa sulkemisen jälkeenkään. Olosuhdemuutokset, esimerkiksi tulevat jääkaudet, ja niiden aiheuttama kallioperän painuminen ja sulamisvedet on otettava huomioon. On pohdittava virtausreittejä loppusijoitussyvyyden ja maanpinnan välillä ja varmistettava, etteivät radionuklidit pääse kulkeutuman rakoverkostoa pitkin ylöspäin elinympäristöihin, jos kapseliin tulisi vuoto.
”Tutkimusmenetelmiä, joita nyt kehitetään KARIKKO ja Kallioperän rikkonaisuus projekteissa samoin kuin saatuja tutkimustuloksia, voidaan soveltaa ja hyödyntää muissakin kiteisen kallioperän kohteissa. Ne palvelevat loppusijoituksen lisäksi muun muassa infrarakentamista ja geoenergian hyödyntämiseen tähtääviä hankkeita”, Karvonen lisää.
Aiheesta enemmän
- Kaikki GTK:n verkkoaineistot samassa paikassa: Geo.fi verkkoaineistopalvelut – kaiken geotiedon koti >
- Tutkimusprojekteissa kokeiltuja ja kehitettyjä menetelmiä droonien hyötykäyttöön luonnontieteellisissä tutkimuksissa: Droonit tutkimuskäytössä >
- Kolmiosaisessa blogisarjassa esitellään GisSOM-ohjelmiston käyttöä ja kehitystä: GisSOM-ohjelmisto monimuuttuja-aineiston klusterointiin ‒ GisSOM >
