3D vyöhykemallinnus uudistaa GTK:n mineraalipotentiaalikartoitusta

Malmigeologia on GTK:n kansainvälisesti tunnettu vahvuusalue ja malmigeologisen tutkimuksen toimintamallin kehittäminen on ollut perinteisesti eräs GTK:n keskeisistä tavoitteista. Malmigeologiaan painottuva kallioperän vyöhykemittainen (belt scale) mallinnus on näin ollen luonteva osa-alue GTK:n kansainvälisessä profiloitumisessa. Kallioperän vyöhykemittainen mallinnus ja sen kehittäminen on ollut GTK:n suunnitelmissa jo vuosia. Eteneminen on kuitenkin ollut hajanaista ja hidasta johtuen kokonaissuunnitelman ja arkkitehtuurimallin puutteesta. GTK:n lisäksi vyöhykemittaisen mallinnuksen haasteisiin liittyviä kysymyksiä pohditaan ainakin Kanadassa (Geological Survey of Canada) ja Australiassa (Geoscience Australia). Nykyaikainen käsitteellisiin malmimalleihin ja mineraalisysteemiajatteluun perustuva malminetsintä vaatii pohjatiedoksi geologisten ja malmigeneettisen prosessien sekä malminetsintämenetelmien tuntemusta. Näiden perusteella voidaan luoda esimerkiksi vyöhykemittaisen malminetsintävaiheen mineraalisysteemin mukainen etsintäkonsepti. Tätä seuraavan vaiheen avaruudellinen ja/tai numeerinen mallinnus perustuu tähän malminetsintäkonseptiin, saatavilla oleviin soveltuviin digitaalisiin mittaus- ja havaintoaineistoihin, sekä geologisiin ja numeerisiin tulkintoihin ja olemassa oleviin geometrioihin (esimerkiksi 3D malleihin).

Vuonna 2018 GTK:ssa nostettiin yhdeksi yhteiseksi tavoitteeksi 3D-Suomi [1]. Tässä visiossa GTK:n maa- kallioperän tuotantoprosessit tuottavat jatkossa kattavasti myös mallinnustietoa. Tavoitteeseen liittyen toteutettiin ”3D vyöhykemallinnuksen menetelmäkehitys”–projekti, jonka kohteena oli vyöhykemittainen kallioperägeologinen 3D mallinnus painopisteenä mineraalipotentiaalikartoitus [2]. Projektin päätavoitteina oli esittää vyöhykemallinnuksen prosessikuvaus ja kuvata ideaalinen vyöhykemalli. Lisäksi tehtiin kooste vuonna 2019 käynnissä olevista projekteista joissa tuotetaan kallioperägeologisia vyöhykemalleja, sekä yhteenveto viime vuosina GTK:ssa tuotetuista malleista.

GTK:ssa on tehty ja tehdään kallioperä- ja malmitutkimusta useassa eri mittakaavassa alueellisesta, vyöhykemittaisiin ja kohteellisiin. Kaikissa tutkitaan osin samoja prosesseja ja tuotetaan samoja tuotoksia, eikä terävää rajaa näiden välille ole tarpeellista vetää. Eri mittakaavaisella tutkimuksella on kuitenkin ero toiminnan tarkoituksen kannalta. Alueellinen kallioperäkartoitus pyrkii tuottamaan tietoa kivilajien ja kivilajiyksiköiden jakautumisesta ja sijainnista. Tämän tiedon pohjalta tuotetaan tulkittua tietoa kallioperän synnystä ja kehityksestä sekä näihin vaikuttaneista tekijöistä. Kohteellisen kallioperä- ja mineraalipotentiaalikartoituksen tavoitteena on paikallistaa mineraaliesiintymä ja tuottaa tietoa kohteen kallioperästä, rakenteesta ja mineralisaatiosta. Näiden kahden mittakaavaan väliin jää vyöhykemittainen kallioperä- ja mineraalipotentiaalikartoitus, joka tuottaa tietoa mineraalisysteemin mukaisesti rajatun alueen kallioperästä, sen rakenteesta sekä näihin vaikuttaneista tekijöistä. Tämän tiedon pohjalta tuotetaan (eri malminetsintästrategioiden mukaisia) käsitteellisiä mineraalisysteemimalleja, geologisia 2D ja 3D malleja sekä mineraalipotentiaalisuusarvioita. Mallien julkistamisen tarkoituksena on lisätä alueen kiinnostavuutta ja sitä kautta etsintäaktiivisuutta ja investointeja alueella.

GTK on linjannut keskittyvänsä ensisijaisesti vyöhykemittaisen kartoituksen tavoitteistoon. Painotus voi projektikohtaisesti olla enemmän alueellinen tai kohteellinen. Toimintaprosessina vyöhykemallinnusta ei voi erottaa mineraalipotentiaalikartoituksen kokonaisuudesta. Vyöhykemallinnuksen toimintaprosessin ohjaus ja johtaminen on osa mineraalipotentiaalikartoituksen toimintaprosessin ohjausta. Tavoitteena on optimoida tuotosten asiakasvaikuttavuus ja niiden tuottamisen kustannukset. Projektien koko elinkaaren kattava, aktiivinen ja asiantunteva operatiivinen johtaminen on olennainen osa tavoiteltua toimintamallia (Kuva 1).

Kuva 1. Vyöhykemallinnuksen ohjauksen ja toteutuksen suhde. [2]

Vyöhykemallinnus on vaiheittain etenevä, iteratiivinen tiedonkeruun ja monimenetelmäisen mallinnuksen tutkimusprosessi (Kuva 2). Ensimmäisessä vaiheessa projektisuunnitelmassa määriteltyjen aluerajausten, valitun mineraalisysteemin ja asetettujen tavoitteiden pohjalta kerätään kaikki saatavissa oleva soveltuva geologinen, geofysikaalinen ja geokemiallinen aineisto. Aineiston laatu ja käyttökelpoisuus arvioidaan. Samoin kootaan ja arvioidaan aiemmat tulkinnat (kallioperäkartat, geologiset julkaisut, aiemmat 3D mallit). Kootun aineiston pohjalta luotu alustava vyöhykemalli voi aineistotiheydestä riippuen olla kohtuullisen tarkka geologinen malli tai alustava konseptuaalisen tason malli. Ensimmäisen vaiheen mallin tavoitteena on visualisoida aineistoja ja luoda alustava 3D käsitys kallioperän rakenteista. Lisäksi tavoitteena on selvittää mitä elementtejä voidaan mallintaa jo olemassa olevalla aineistolla ja sitä kautta ohjata jatkotutkimusten suunnittelua. Kolmannessa vaiheessa määritetään mitä tutkimusmenetelmiä (kartoitus, mittaukset, näytteenotto ja analytiikka) tarvitaan että päästään projektille määritettyihin tavoitteisiin. Jatkotutkimussuunnitelma väliarvioidaan ja esitetään vaihtoehdot joiden perusteella projektin ohjausryhmä ja johto päättää millä resursseilla ja miltä osin suunnitelma voidaan toteuttaa. Neljännessä vaiheessa suoritetaan suunniteltu tiedonkeruu sekä kerätyn aineiston käsittely ja prosessointi. Alkumallin ja kerätyn jatkotutkimusaineiston perusteella luodaan vyöhykemalli. Mallinnuksen tulokset arvioidaan suhteessa asetettuihin tavoitteisiin. Mikäli ilmenee tarvetta lisätutkimuksille, tehdään uusi jatkotutkimussuunnitelma ja sen arviointi kuten edellä kolmannessa vaiheessa. Tulosten, käytettävissä olevien resurssien ja väliarvioinnin pohjalta johto lopulta määrittelee siirrytäänkö loppuraportointiin, vai toteutetaanko jatkosuunnitelman toimenpiteet (Kuva 2).

Kuva 2. Vyöhykemallinnuksen tutkimusprosessin vuokaavio. [2]

Kallioperägeologisella 3D mallilla kuvataan kallioperän litologisia, rakenteellisia, metamorfisia ja mineralogisia yksiköitä sekä näiden geofysikaalisia ja geokemiallisia ominaisuuksia, sekä malmipotentiaalia kolmessa ulottuvuudessa. Vyöhykemallinnuksessa laaditaan geologinen 3D vyöhykemalli josta voidaan edelleen siirtyä jalostettuihin mineraalisysteemi- ja mineraalipotentiaalimalleihin. Lähtökohtaisesti vyöhykemittainen geologinen malli sisältää samat kohteet kuin vastaavissa 2D-karttateemoissa (DigiKP) on esitetty (Kuva 3). Sekä karttateemat ja 3D mallit voidaan yhteisten kohteiden osalta linkittää GTK:n ylläpitämään yksikkö- ja rakennenimistöön (FinstratiKP ja Finstruct), jolloin tuetaan kansallisesti yhtenäistä käytäntöä ja varmistetaan kansainvälinen yhteentoimivuus (esim. INSPIRE; OneGeology). Mineraalisysteemin mukaista mallia voidaan laajentaa tarvittavilla lisäkohteilla (esim. muuttumisvyöhykkeet), joita ei – ainakaan vielä – ole 2D-karttateemoissa kuvattu.

Kuva 3. Vyöhykemallin sisältämät elementit ja atribuutit ideaalitapauksessa. [2]

Sujuva 3D mallinnuksen työprosessi edellyttää aiempien mallien ja niiden pohjana olevan aineiston jatkokäytettävyyden varmistamista. Yleisellä tasolla keskeisintä on geologisen 3D mallinnuksen yhteisten käsitemallien (vyöhykemallit, kuorimalli, kohteelliset mallit) sekä toimivien, määriteltyjen päivityskäytäntöjen käyttöönotto. Teknisemmällä tasolla vyöhykemalleilla tulisi olla toimivat rajapinnat GTK:n olemassa oleviin tietokantoihin kuten DigiKP, Finstrati, Finstruct, ja METSO, jolloin tarpeettomalta kohteiden monistumiselta voidaan välttyä. Työväline tähän on GTK-tasolla määritelty tietoarkkitehtuuri. Merkittävä tulevaisuuden haaste on 3D mallien tietokantaratkaisu, miten mallit tallennetaan, millainen rajapinta malleilla on muihin tietokantoihin, miten mallit tuotteistetaan ja julkaistaan.

Projektin tuloksena tuotettu raportti [2] on koottu asiantuntijaryhmällä, jolla on yhteenlaskettuna usean vuosikymmenen kokemus mallinnuksesta sekä GTK:n tietokantojen ja toimintaprosessien kehittämisestä. Raportti ei ole tarkoitettu toimintakäsikirjaksi, vaan se on tehty tukemaan 3D-Suomi kehitystyötä ja antamaan pohjaa mineraalipotentiaalikartoitusprojektien yhteydessä tehtävälle mallinnustyölle.

Viitteet:
[1] Eklund, M. 2018. 3D-Suomi yhteiseksi tavoitteeksi. Geofoorumi. Geologian tutkimuksen sidosryhmälehti 1/2018. s. 3. Geologian tutkimuskeskus. http://verkkolehti.geofoorumi.fi/fi/2018/05/25/3d-suomi-yhteiseksi-tavoitteeksi/
[2] Niiranen, T., Kohonen, J., Aatos, S., ja Laine, E. 2019. 3D-Vyöhykemallinnuksen menetelmäkehitys, loppuraportti. Geologian tutkimuskeskus, tutkimusraportti 100/2019. 31 s., 2 Liitettä. http://tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/100_2019.pdf

Teksti:
Tero Niiranen
Jarmo Kohonen