The use of geological 3D models to unravel Weichselian glacial history in Central Finnish Lapland and their application in groundwater flow modelling

A proper risk assessment is part of mining projects from early stages to mine closure. Publicly companies present these assessments for example, in their Environmental Impact Assessment (EIA) reports. Potential risks related to water circulation can be investigated using groundwater flow modelling. In the present study, series of simple to more complex 3D geological models (GMs) were constructed from a Sakatti Ni-Cu-PGE deposit area in Sodankylä, northern Finnish Lapland to produce a numerical groundwater model. The 3D GMs were constructed utilizing data from outcrop investigations, various types of drillings and data obtained from non-destructive ground penetrating radar (GPR) soundings. In order to shed light on regional glacial history of central Finnish Lapland, outcrop studies, the existing till stratigraphy (GTK database) and LiDAR DEM imageries were used to investigate the sedimentary succession, interpret the depositional environments and reconstruct the Weichselian glacial flow patterns. The results of this study indicate that complex and detailed geological models are beneficial, especially in areas with a high hydraulic gradient, multiple units with differing hydraulic conductivity, and altered upper bedrock zone with variable degrees of weathering. Furthermore, it is essential to identify low conductive units, such as interbedded fine-grained till units, as well as high conductivity units such as fractures and faults, since they affect the location of recharge and discharge areas in hydrostratigraphic flow models. The 3D GMs constructed for the Sodankylä study area illustrate that altered bedrock, including fractured bedrock as well as grus- and clay-type weathered bedrock, is a prominent feature of the study area. The results of this study for example, indicate that fractured bedrock is more than 50 metres thick at the bend of the River Kitinen, while the grus-type weathered unit is on average 6 metres thick and the clay-type weathered unit 2.5 metres thick. Weak glacial erosion in the study area has enabled the preservation of Quaternary sediments spanning from pre-Weichselian, (most likely Saalian), to the Holocene. The thickness of the Quaternary deposits is variable, with an average thickness of approximately 8 metres. The Quaternary deposits consist of at least three separate till units and four interbedded sorted units. The Early Weichselian (MIS 5b) till unit is the most widespread and laterally continuous till unit in the area. The glacial lineations reflect pre-Late Weichselian glacial flow directions rather than rather than subglacially formed ice flow lineations formed during the Late Weichselian. During the Middle Weichselian stadial (MIS 4), the glacier flowed from N/NNE and had an overall weak impact on sedimentation, leaving sparse and thin remains of glacial till. The Late Weichselian glaciation (MIS 2) deposited a thin till cover, which was partly eroded by fluvial processes during the last deglaciation. Flow direction analysis of the till clast fabric suggests a northern location for the ice-divide zone during the Early and Middle Weichselian, and a more W/SW ice-divide position during the Late Weichselian. The optically stimulated luminescence (OSL) age determination suggests ice-free areas in the vicinity of the River Kitinen valley already during the Bølling–Allerød warm period, indicating that ice had retreated from the area at that time patchy ice cover or rapid deglaciation.Laaja riskinarvio on oleellinen osa kaivosprojektia sen eri vaiheissa, malminetsinnästä kaivoksen sulkemiseen. Kaivostoiminnan veden kiertoon ja pohjavesisysteemeihin liittyvät ympäristöriskit ovat merkittäviä. Näihin kohdistuvia riskejä voidaan tutkia pohjaveden virtausmallinnuksen avulla. Nämä pohjaveden virtausmallit pohjautuvat tutkimusalueelta tuotettuun 3D-geologiseen malliin. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin jäätiköitymishistoriaa Sodankylässä sijaitsevan Sakatin Cu-Ni-PGE-esiintymän alueella sekä tuotettiin tutkimusalueelta 3D-geologinen malli numeeristen pohjaveden virtausmallien pohjaksi. Tutkimusaineisto koostui kattavasta maatutka-aineistosta, leikkaushavainnosta, OSL-ajoituksista sekä alueen LiDAR-korkeusmalleista. Lisäksi hyödynnettiin aiemmin julkaistua monipuolista kairaus- ja leikkaushavaintoaineistoa. Yksinkertaisuusperiaatteen mukaisesti yksinkertaisin malli on todennäköisimmin toimiva havaintojen lisääntyessäkin. Tämä tutkimus kuitenkin osoitti, että monimutkaiset ja yksityiskohtaiset geologiset mallit ovat hyödyllisiä erityisesti alueilla, joilla on suuri hydraulinen gradientti, useita vedenjohtavuusominaisuuksiltaan vaihtelevia sedimenttiyksiköitä ja eriasteisesti rapautunutta sekä rakoillutta kalliota. Tämän lisäksi on olennaista tunnistaa matalan vedenjohtavuuden yksiköt kuten hienoainesmoreenit sekä vettä hyvin johtavat raot ja siirrokset, jotka vaikuttavat pohjaveden muodostumis- ja purkautumisalueiden sijainteihin hydrostratigrafisissa virtausmalleissa. Sodankylän tutkimusalueelta tuotetut geologiset 3D-mallit osoittavat rapautuneen ja rakoilleen kallion ylimmän vyöhykkeen olevan merkittävä piirre tutkimusalueella. Rakoilleen kallion ylin vyöhyke yltää paksuimmillaan yli 50 metrin syvyyteen; grus-tyypin rapaumaa on keskimäärin 6 metriä ja savisen rapauman keskipaksuus on 2,5 metriä. Heikko jäätikkökulutus on mahdollistanut myöhäis-Veikseliä edeltävien kvartäärisedimenttien säilymisen, mahdollisesti jopa Saale-jäätiköitymisen ajalta. Kvartäärikerrostumien paksuus tutkimusalueella on keskimäärin 8 metriä. Alueen klastisista kvartäärikerrostumista voidaan erottaa kolme erillistä moreeniyksikköä ja neljä lajittuneen sedimentin yksikköä. Jatkuvin ja paksuin moreeniyksikkö on korreloitu Varhais-Veikseliin (MIS 5b). Keski-Veikselin (MIS 4) jäätiköitymiseen liitetty moreeni on puolestaan hyvin ohut ja pienialainen. Myöhäis-Veikselin jäätiköityminen (MIS 2) kerrosti melko ohuen moreenipeitteen, joka erodoitui osittain jokitoiminnan vaikutuksesta deglasiaation aikana. Tutkimusalueen jäätikkösyntyisten muodostumien suuntaus on yhteneväinen moreenin suuntauslaskuista havaitun varhais-Veikselin jäätikön virtaussuunnan kanssa. Keski-Veikselin jäätiköitymisellä puolestaan vaikuttaa olleen heikko vaikutus alueen sedimentaatioon. Jäätikön virtaussuunta-analyysi moreenien suuntauslaskuista osoitti pohjoista–luoteista sijaintia jäänjakajalle varhais- tai keski-Veikselin aikana ja läntistä sijaintia myöhäis-Veikselin aikana. Eolisista sedimenteistä saatu OSL-ikämääritys viittaa alueen olleen ainakin osittain jäätön jo Bølling-Allerød -vaiheessa