Kristina Karvonen: Hyperspektrimittaus − monia mahdollisuuksia geologiseen tutkimukseen

Hyperspektriteknologiaa käytetään mm. kairasydänten mineralogian tunnistamiseen, mutta se on oiva keino myös rakomineraalitutkimuksiin.

Hyperspektrimittaus tarjoaa nopean ja näytettä tuhoamattoman tutkimusmenetelmän perinteiseen mineraalitutkimukseen. Mittauksia voidaan suorittaa myös laboratorion ulkopuolella. Yksinkertaisimmat mittaukset voivat olla pistemäisiä, mutta myös kuvantamiseen on tarjolla hyperspektrikameroita. Menetelmä perustuu sähkömagneettisen säteilyn infrapuna-alueen käyttöön materiaalien ja niiden ominaisuuksien tunnistamisessa. Eri materiaalit heijastavat säteilyä eri tavoin, joten niiden ominaisuuksia voidaan tunnistaa spektrimuotojen perusteella. Hyperspektriskannauksessa spektrometrit keräävät tietoa näkyvillä, lähi-infrapuna (400–1,000 nm), lyhytaaltoinfrapuna (1,000–2,500 nm) ja pitkäaaltoinfrapuna (2,500–15,000 nm) aallonpituuksilla.

Hyperspektrikuvaamista hyödynnetään satelliittikuvauksesta laboratoriomittakaavaan saakka. Käytössä on esimerkiksi kairasydänlaatikkoskannaukseen kehitettyjä laitteita, käsikäyttöisiä pistemittareita, drooneilla lennätettäviä kameroita sekä laboratoriomittakaavassa operoitavia kameroita, jotka kaikki hyödyntävät samaa mittausmenetelmää.

Hyperspektrimenetelmää voisi hyödyntää tunnelityömailla, esimerkiksi rakomineraalikartoituksessa.

Kairasydänmittaukset

Geologian tutkimuskeskuksessa (GTK) on tehty kairasydänten hyperspektriskannauksia vuodesta 2018 lähtien. Vuosina 2021-2022 skannattiin yli 80 km GTK:n kairasydänarkistojen materiaalia malmigeologisesti mielenkiintoisista kohteista eri puolilta Suomea. Työ tehtiin omarahoitteisessa MinMatkaprojektissa, joka oli osa kansallisen digitaalisen kairasydänarkiston (National Digital drill Core Archive of Finland eli NDCAF) rakentamista ja käytön kehittämistä. Tieto skannatuista kairasydämistä löytyy Mineral Deposits and Exploration -karttapalvelusta nimellä ”Hyperspectral drill core image data”. GTK:n fyysiseen kairasydänarkistoon liittyvää, eri menetelmin kerättyä mittausdataa täydennetäänkin jatkuvasti GTK:ssa, ja aineisto sisältää arvokasta tietoa mm. malminetsinnän tueksi.

Hyperspektriteknologian hyödyntämistä malminetsinnässä on tutkittu GTK:ssa muun muassa Business Finland -rahoitteisessa HypeLAP – Hyperspectral Lapland -projektissa (2020-2022), jossa kehitettiin käytännöllisiä sovelluksia malminetsintään käyttämällä korkean teknologian hyperspektrilaitteita. Kohteena oli Keski-Lapin vihreäkivivyöhyke.

Projektin tulokset antoivat viitteitä hyperspektriteknologian avulla havaittavista mineralogisista ja mineraalikemiallisista muutoksista tutkimusalueilla. Paraikaa GTK:ssa on meneillään useita projekteja, joissa vastaavaa teknologiaa hyödynnetään.

Apua rakomineraalitutkimuksiin

Hyperspektriteknologiaa voi käyttää myös savimineraalitutkimuksessa. Perinteiset mineralogiset tutkimusmenetelmät voivat olla hitaita, ja esimerkiksi ohuthieen tekeminen on usein haastavaa, mikäli näyte sisältää savimineraaleja.

GTK:n johtava asiantuntija Heini Reijonen kiinnostui hyperspektrikuvantamisesta jo yli 10 vuotta sitten. ”Olin suunnitellut rakomineraalitutkimusta jo jonkin aikaa. Opiskelukaverin väitöskirjan aihe regoliittien tutkimisesta hyperspektrimittauksen avulla sai itämään ajatuksen hyperspektrimittausten hyödyntämisestä smektiittisavien tutkimisessa”, Reijonen kertoo.

Smektiittejä eli paisuvahilaisia savimineraaleja esiintyy pieninä pitoisuuksina Suomen kallioperässä. Ne ovat useimmiten mineraalien muuttumistuloksena syntyneitä rakomineraaleja. Veden piikki spektrissä on hyvin hallitseva; jos mitattava kohde on märkä, dominoi vesi helposti tuloksia ja vaikeuttaa muun datan tulkintaa. Veden dominoivaa vaikutusta voidaan myös käyttää hyödyksi. Smektiittiryhmän savimineraalien esiintyminen voidaankin havaita veden esiintymisen perusteella. Niissä vesi on mineraalin hilarakenteessa, ja tämä näkyy mittauksissa. Tämä onkin yksi tekijä, mistä voidaan päätellä vesipitoisen savimineraalin esiintyminen kohteessa. Savimineraaleilla on diagnostisia piirteitä spektrissä erityisesti lyhyen infrapunasäteilyn alueella.

Reijonen otti yhteyttä oululaiseen SPECIM:oon (Spectral Imaging Ltd), joka valmistaa hyperspektrikameroita ja prosessiteknologiaa teollisuudelle esim. muovien erotteluun. ”Pääsin SPECIM:oon tekemään laboratoriomittakaavan hyperspektrikuvantamiskokeita rakomineraaleilla. Kun GTK:lle hankitiin käsikäyttöinen spektrometri, ryhdyin tekemään sillä rakomineraalien hyperspektrimittauksia. Siitä se lähti”, Reijonen kertoo.

Oulun laboratoriossa käytössä oli hyperspektrikamera, jolla sai kuvatuksi kerralla ison alueen eli käytännössä koko näytteen pinnan. Käsikäyttöinen laite puolestaan mittaa spektrin pieneltä alueelta, ja sillä saadaan tunnistetuksi dominoivat mineraalit.

”Käsikäyttöisen hyperspektrimittarin käyttö on nopea tapa kerätä tutkimusdataa, ja sitä voi käyttää paikan päällä. Validointinäytteitä on toki syytä ottaa ja tutkia laboratoriossa. Hyperspektrimenetelmällä pystytään kuitenkin lisäämään tutkimuksen kattavuutta. Harvassa projektissa voidaan ottaa sata näytettä ja lähettää ne XRD (röntgendifraktio) -tutkimuksiin laboratorioon.”, Reijonen kuvaa.

Käsikäyttöisellä hyperspektrimittarilla saa näppärästi kerätyksi tutkimusdataa maastossa.

Käsikäyttöinen hyperspektrimittari skannaa halkaisijaltaan 1 cm alueen muutamassa sekunnissa, joten päivän aikana pystyy tekemään satoja mittauksia ja keräämään paljon dataa. Joissain laitteissa on oma mineraalikirjasto, johon se vertaa mittaustuloksia. Siten alustavia tuloksia saa heti. Tätä varten laite on kuitenkin kalibroitava käyttökohteen mukaan. Myös laite pitää valita sen mukaan, mitä haluaa tutkia, sillä eri laitteet mittaavat eri aallonpituuksia.

Käsikäyttöisellä hyperspektrimittarilla saa alustavaa tietoa kiven koostumuksesta.

Tällä hetkellä Reijosella on meneillään bentoniittisaviin liittyvä hyperspektritutkimus. Vasta ilmestyneessä artikkelissa ” Enhanced Identifcation of Fracture Smectites and Other Alteration Minerals Via Short Wave Infrared Reflectance at Two Finnish Crystalline Sites, Olkiluoto and Hyrkkölä” käsitellään muun muassa hyperspektrimenetelmän testausta rakomineraalien tunnistamisessa.

Hyötyjä tunnelityömailla?

Rakomineraalit ja erityisesti smektiittiryhmän savimineraalit ovat tärkeässä roolissa kalliomassan stabiliteettia tutkittaessa. Kallion rakovyöhykkeet ja erityisesti vesipitoiset savet raontäytemineraaleina muodostavat heikkousvyöhykkeitä ja heikentävät kalliomassan geoteknisiä ominaisuuksia. Tästä syystä kalliorakentamisessa tutkitaankin rakomineraaleja esimerkiksi tunnelityömailla. Tunnelisortumia on sattunut Suomessakin paisuvahilaisten mineraalien esiintymisen takia. Esimerkiksi Päijänne-tunnelissa oli aikanaan tällainen tapaus. Myös kansainvälisellä sektorilla kuten Norjassa, tunnelien luvatussa maassa, smektiittitutkimukset ovat olleet arkipäivää jo yli puoli vuosisataa.

Voisiko hyperspektrimenetelmää käyttää kalliorakentamisessa, esimerkiksi rakentamisen aikaisissa tutkimuksissa heikkousvyöhykkeiden ja erityisesti hankalien vesipitoisten savien tunnistamiseen?

”Olisi kiinnostavaa testata käsikäyttöistä hyperspektrimittaria rakomineraali- ja rakoilukartoituksessa esimerkiksi tunnelityömaalla. Tällaista ei ole vielä pilotoitu Suomessa”, Reijonen toteaa. Olemassa olevien kairasydännäytteiden analysointikin voisi olla hyödyllistä sopivissa tutkimuskohteissa.

”Esimerkiksi fotogrammetrian ja hyperspektrikuvantamisen yhdistäminen tunnelityömaalla voisi toimia. Fotogrammetrialla luodulla 3D mallilla voidaan digitoida kalliomassan rakenteet ja hyperspektrillä saadaan tietoa mineralogiasta” Reijonen jatkaa. ▲

TEKSTI: KRISTINA KARVONEN, GTK

Lisää aiheesta: https://www.researchgate.net/ publication/378436359_Enhanced_Identification_of_Fracture_Smectites_and_Other_Alteration_Minerals_ Via_Short-Wave_Infrared_Reflectance_ at_Two_Finnish_Crystalline_Sites_Olkiluoto_and_Hyrkkola