Moderni tutkimus malminetsinnässä – uusia laitteita ja menetelmiä

Teksti: J. Tapio

Tämä blogikirjoitus on jatkoa aiemmalle kirjoitukselle geologian tutkimusmenetelmistä, jonka pääsee lukemaan seuraavan linkin kautta: http://nikoli.org/modernit-tutkimusmenetelmat-malminetsinnassa-hyperspektrikamerat/
Kallioperägeologiaa pystytään tutkimaan monessa eri mittakaavassa. Mielestäni on käytännöllistä puhua ainakin aluetason, paikallistason, paljastumatason, näytetason, mikrotason ja analyyttisen tason mittakaavoista. Mahdollista on esimerkiksi tarkastella koko Pohjois-Suomea lentokoneesta tehdyn magneettisen mittauksen avulla (kuva 1), siirtyä jalkaisin maastoon jollekin tietylle alueelle, ottaa 10m x

Kuva 1. Pohjois-Suomen ilmamagneettinen kartta. Copyright: Maanmittauslaitos, National Land Survey of Finland, 2013.

10m olevalta kalliopaljastumalta 10cm x 8cm x 5cm vasaranäyte, teettää näytteestä 0.3mm paksu mikroskooppinäyte (ohuthie) ja tilata alkuaineanalyysi, joka kertoo näytteen tarkan alkuainekoostumuksen. Jokainen näkökulma on tärkeä ja antaa alueesta tai kohteesta tietoa, jota ei toisissa mittakaavoissa pystyisi erottamaan. Tämänkertainen blogiteksti käsittelee eri mittakaavoissa muutamia suhteellisen uusia laitteita ja menetelmiä, joihin olen törmännyt seitsemän kuukauden geologian alan harjoitteluni aikana ja joista on merkittävää hyötyä malminetsinnässä sekä myös yleisemmin geologian alan tutkimuksessa.

Ensimmäisenä kannettava XRF-laite (röntgenfluoresenssianalysaattori, kuva 2), joka on yksi yleisimmin käytössä olevista ja hyödyllisimmistä uusista tutkimuslaitteista geologian alalla ja myös laajemmin. Kannettava XRF/käsi-XRF/p-XRF on pieni, kevyt ja sillä pystyy tekemään ilman esikäsittelyä alle minuutissa alkuaineanalyysin jo muutaman senttimetrin kokoisesta näytteestä. Tästä on suurta hyötyä esimerkiksi rutiininomaisessa kvartsin ja eri maasälpien tunnistamisessa; erityisesti muuttuneissa kivissä tavallisesti punertava kalimaasälpä voi esiintyä erittäin albiitin tai kvartsin näköisenä (vaalea-valkoinen). Lisäksi esimerkiksi tavallisista kiisumineraaleista (rikkikiisu, magneettikiisu, kuparikiisu) saa hyvin helposti mitattua arvokkaampien, mutta vähäisissä määrissä esiintyvien metallien, kuten koboltin, pitoisuuksia, mikä helpottaa kiinnostavien näytteiden valintaa jo tutkimuksien alkuvaiheessa. Samalla tavalla vaikeasti silmällä tunnistettavien mineraalien identifiointia helpottaa huomattavasti, kun saa avukseen pika-analyysin karkeahkot mutta hyvin kuvaavat alkuainesuhteet. Esimerkiksi kobolttihohteen tunnistaminen silmällä on enintäänkin hieman epävarmaa, mutta käsi-XRF:llä havainnon voi varmistaa 30 sekunnissa.

Kuva 2. Tyypillinen kannettava XRF-laite.

Toinen erittäin kiinnostava uutuus geologian alalla on tietokonekerroskuvauksen (CT-/TT-kuvaus) käyttö kairasydännäytteiden sisäisen rakenteen tutkimisessa. CT-kuvaus on useimmille tuttu television sairaalasarjoista tai omakohtaisista kokemuksista ihmiskehon kuvantamisesta, mutta siitä on hyötyä myös geologian saralla. Kerroskuvauksen avulla pystytään tuottamaan 3D-kuvia, joista näkyy aivan uudella tavalla muun muassa kivinäytteiden kerrosrakenteet, poimuttuminen ja eri heikkouspinnat. Voisin mainita taustatietona lukijoille, jotka eivät ole geologeja, tai ovat vasta aloittaneet opintonsa, että näytteeksi valikoitunut kohta kalliota voi usean miljardin vuoden historiansa aikana kokea todella voimakkaita venyttäviä ja puristavia voimia, jotka vääntävät kiven mutkalle (kuva 3). CT-kuva voi osaltaan helpottaa rekonstruktoimaan kivinäytteen ajan kuluessa kokemia voimia ja auttaa ymmärtämään tekijöitä, jotka kontrolloivat arvometallien rikastumista. Youtubesta löytyy useita havainnollistavia videoita tekniikasta: https://www.youtube.com/watch?v=ZC6UxLf4TyQ

Kuva 3. Poimuja kairasydämessä, ja tilanne paperilla mallinnettuna. Poimuakseli merkitty punaisella viivalla

Kokonaan uuden malminetsintämenetelmän kuulin työpaikallani vierailleelta australialaiselta porfyyrimalmien gurulta David R. Cookelta. Hän yhdessä tutkijakollegoineen on ollut 2010-luvulla kehittämässä uutta tapaa etsiä maailmalla erittäin tärkeitä (Cu-Au+-Mo-Sn) porfyyrimalmeja, jotka perinteisesti syntyvät kuumien metallirikkaiden liuoksien kiertäessä syvällä maan kuoressa (>1km) olevan kuuman magmalähteen seurauksena. Porfyyrimalmeista esimerkiksi wikipedian artikkeli https://en.wikipedia.org/wiki/Porphyry_copper_deposit toimii hyvänä tietoaineistona, mutta tässä yhteydessä tärkeintä on tietää, että porfyyrimalmien ympärille syntyy laaja muuttumiskehä seurauksena korkeasta lämmöstä ja fluidien kierrosta.
Uusi menetelmä perustuu erityisesti kloriitti ja epidootti -mineraalien hivenalkuainepitoisuuksien mittaamiseen. Hivenalkuaineet ovat mineraaleissa alkuaineita, jotka esiintyvät hyvin pienissä määrissä eikä niitä esimerkiksi merkitä lainkaan mineraalien kemialliseen kaavaan. Jo vuosikymmeniä on tiedetty ja osattu käyttää hyväksi malminetsinnässä porfyyrimalmien muuttumiskehiä, jotka voivat helposti ulottua 1-2km varsinaisen esiintymän ulkopuolelle. Perinteisesti muuttumiskehän tunnistaminen perustuu mineraaleissa tapahtuneisiin muuttumisiin sekä kallioperänäytteiden alkuaineiden suhteiden muuttumiseen. Nyt kuitenkin erityisesti LA-ICP-MS analytiikan (laser-ablaatio induktiivisesti kytketty massaspektrometri) kehittymisen myötä on tullut mahdolliseksi mitata yhä pienemmältä näytepinta-alalta erittäin matalia alkuainepitoisuuksia. Cooke ja kumppanit ovat osoittaneet, että kun otetaan pisteanalyysejä kloriitti ja epidootti -mineraaleista eri puolilta isompaa tutkimusaluetta, näiden mineraalien hivenalkuainekoostumuksessa tapahtuu systemaattinen muutos etäisyyden kasvaessa porfyyrimalmin ytimestä. Muutos tapahtuu vaihettuen ainakin 4 -5km matkalla mikä siis tarkoittaa, että maa-alue, josta nähdään merkkejä porfyyrimalmien muuttumiskehästä voi jopa kolminkertaistua perinteisestä (vrt. 1–2km, yllä). Tätä voi verrata esimerkiksi puolustusvoimien tutkan kantaman kolminkertaistumiseen, joten kyseessä ei ole mikään marginaalinen edistysaskel, mistä kertoo myös maailman suurimpien kaivosyhtiöiden suuri kiinnostus menetelmää kohtaan. Tekstin lopussa on viitetiedot *Cooke et al. ja *Wilkinson et al. tutkimuksiin, mikäli heidän tutkimuksestaan haluaa enemmän informaatiota.

Kuva 4. Päägeologi, Nikolin alumni, Erkki Vanhanen tutkii kiillotettua ohuthiettä heijastuvassa valossa.

TV-sarjassa Rillit Huurussa (engl. The Big Bang Theory) teoreettinen fyysikko Sheldon Cooper toteaa lakoniseen tapaansa “Geology is not a real science”, ja kauhistuu nähtyään painajaista geologian oppikirjasta. Sheldonin reaktioon kiteytyy hyvin ennakkokäsitys geologeista vaeltamassa autiomaassa keräämässä kiviä tai hakkaamassa hakulla kultasuonta. Todellisuudessa geologian tutkimus on monesta näkökulmasta tapahtuvaa paikoin huipputeknistä salapoliisityötä ja aarteenetsintää, joka vaatii monenlaista tieteellistä osaamista. Toki peruselementtinä ovat kivi ja kallio, mutta ne muodostavat vain yhden mittakaavaan geologian tutkimuksesta. Kuvan 4 myötä täytyy silti sanoa, että jopa yli 40 vuoden kokemuksella geologiasta joskus parhaimpaan tulokseen pääsee laittamalla pussin päähän ja katsomalla pimeään.

”Mente et malleo”, järjellä ja vasaralla.

*Cooke D.R. et al. (2014). New Advances in Detecting the Distal Geochemical Footprints of Porphyry Systems— Epidote Mineral Chemistry as a Tool for Vectoring and Fertility Assessments. Society of Economic Geologists, special publication 18, 127-152.
*Wilkinson J.J. et al. (2015). The chlorite proximitor: A new tool for detecting porphyry ore deposits. Jour. of Geochem. exploration, 152, 10-26. Avoin saatavuus: http://dx.doi.org/10.1016/j.gexplo.2015.01.005