Füüsika tuleb geoloogidele appi

Geofüüsikaks nimetatakse loodusteaduse haru, mis uurib tahke Maa, hüdrosfääri ja atmosfääri füüsikalisi omadusi ning neis toimuvaid protsesse. Seostades maavarad ja geofüüsika, saame rääkida tahke Maa füüsikast ehk teadusharust, mis uurib füüsikaliste meetodite abil Maa sisu. Antud rakenduslik teadusharu on välja kasvanud praktilisest vajadusest maavarade järele. Tahke Maa füüsika koosneb reast uuringumeetoditest, millest igaüks on tundlik mingi kindla Maa koostisosa füüsikalise omaduse suhtes ja mõõdab kindlat füüsikalist välja. Meetodid kasutavad asjaolu, et maavara erineb ümbritsevast keskkonnast lisaks koostisele sageli ka füüsikaliste omaduste poolest. Uuringumeetoditel on eraldiseisev aparatuur ja ka andmete töötlemise viis. Meetodile vastav füüsikaline omadus piiritleb selle kasutusvõimalused.

Meetodid, mida tahke Maa füüsika kasutab, on järgnevad (sulgudes on antud mõõdetav parameeter ning füüsikaline omadus, mille suhtes meetod tundlik on):

• gravimeetria (raskusjõu kiirendus – tihedus);
• magnetomeetria (magnetvälja tugevus ja suund – magneetumus);
• seismomeetria (seismiliste lainete liikumiskiirused – tihedus ja elastsed omadused);
• elektromeetria (pinge ja voolutugevus – elektrijuhtivus või elektrimahtuvus);
• elektromagnetomeetria (reaktsioon elektromagnetväljale – elektrijuhtivus ja induktiivsus);
• geotermika (geotermiline gradient – soojusjuhtivus ja soojusvoog);
• radiomeetria (radioaktiivse kiirguse intensiivsus ja lainepikkus – radioaktiivsete elementide sisaldus).

Rakenduslike geofüüsikaliste uuringumeetodite puhul on sageli huvipakkuv vaid füüsikalise välja lokaalne variatsioon regionaalse välja taustal. Lokaalne variatsioon on põhjustatud maapinnalähedase geoloogilise ruumi füüsikaliste omaduste erinevuste poolt ning võib omada geoloogilist tähendust. Sellist tüüpi lokaalsed variatsioonid on tuntud kui geofüüsikalised anomaaliad. Näiteks oleks Maa raskusjõu kiirendus kõikjal ühesuguse väärtusega juhul, kui Maa oleks liikumatu homogeense tihedusega sfäär. Tegelikkuses tekitab aga iga geoloogilise muutusega kaasnev tiheduse variatsioon hälbe raskusjõu kiirenduse väljas. Selline lokaalne muutus muidu konstantses väljas on saanud nime „gravitatsiooniline anomaalia“. Sarnase mõttekäigu järgi kasutatakse mõisteid „magnetanomaalia“, „radiomeetriline anomaalia“ jne.

Joonis 2. Magnetvälja mõõtmised Kesk-Indias, kasutades TÜ geoloogia osakonna prootonmagnetomeetrit

Anomaalia sõltub kolmest faktorist: I. teda põhjustava materjali ruumalast – mida rohkem sellist geoloogilist materjali, seda tugevam ja suurem anomaalia on; II. materjali asukohast – füüsikalises väljas jälgitav anomaalia eksisteerib sellel kohal, kus esineb teda tekitav materjal; III. füüsikaliste omaduste erinevusest – mida suurem on erinevus anomaaliat põhjustava materjali ja teda ümbritseva keskkonna vahel, seda tugevam/suurem on ka anomaalia.

Joonis 3. Pinnase elektrijuhtivuse mõõtmine (elektriline tomograafia) Tartu Ülikooli geoloogia osakonna geofüüsika välipraktika käigus Soitsjärve (Vooremaa) nõos aastal 2013

Enim arenenud ja enim kasutatav tahke Maa füüsikaline meetod on seismomeetria (joonis 1), mis võimaldab kiiresti ja efektiivselt settebasseinide uurimist – eesmärgiga teha kindlaks nafta, gaasi ja teiste põlevmaavarade lasundite asukoht ja suurus. Metallimaakide uuringuteks sobivad maakide tõenäoliselt hea elektrijuhtivuse ja suure magneetumusega seonduvalt elektromeetria, elektromagnetomeetria ja magnetomeetria (joonis 2), aga võimalik et ka radiomeetria. Liiva- ja kruusalasundeid uuritakse elektriliste (joonis 3) ja elektromagnetiliste meetoditega, põhjavee uuringutel (vett sisaldavate settelasundite uuringutel) toimivad lisaks elektrilistele ka seismilised meetodid. Et paremini mõista, mismoodi näeb maapõu välja tahke Maa füüsikaliste meetodite alusel, on näitena joonistel 4 ja 5 toodud kahe füüsikalise meetodiga saadud pilt maapõuest. Aga huvialused pole mitte ainult maavarad. Tänapäeval on meetoditele leitud rakendust väga erinevates sfäärides – gravimeetria abil uuritakse maakoore vertikaalliikumisi (geodeesia), magnetomeetria abil laamade liikumist (paleogeograafia), elektromagnetilise meetodite abil lokaliseeritakse kommunikatsioone või arheoloogilise väärtusega objekte või uuritakse Marsi pinda. Seda loetelu võib pikalt jätkata.

Joonis 4. Georadari uuringute tulemusena saadud läbilõige Riisipere turbatootmisalalt. Georadar kasutab uuringutel kõrgsageduslikke elektromagnetlaineid, mis peegelduvad keskkondade piiridelt juhul, kui nende keskkondade elektrilised omadused on üksteisest erinevad. Siin annab turbalasundi aluseks olev mineraalpinnas tugeva ja hästi äratuntava peegelduse (markeeritud valgete nooltega); märgata on ka turbasiseseid soo arenguga seostuvaid peegeldusi. Läbilõiget (ülekõrgendusega) toetab puuraugu andmestik.

Joonis 5. Eritakistuse läbilõige elektrilise tomograafia uuringute tulemusena Ida-Virumaalt. Pidevjoon markeerib pinnakatte ja aluspõhja piiri. Punktiiri abil on näidatud karstivööndi asend. Joonis on tugeva ülekõrgendusega.

Erinevalt traditsioonilistest geoloogilistest meetoditest ei paku tahke Maa füüsikalised meetodid informatsiooni lasundi koostise kohta. Meetodid võivad küll anda kaudselt teavet lasundi füüsikaliste omaduste kohta, kuid erinevatel maavaradel võivad olla sarnased füüsikalised omadusted. Meetodite kasutusvõimalus ja resolutsioon vähenevad kiiresti sügavuse suunas. Samas, meetodid pakuvad traditsioonilistele geoloogilistele meetoditele olulist täiendust, võimaldades kirjeldada ja detailiseerida seda ruumi, mis jääb kahe paljandi või puuraugu vahele. Füüsikaliste väljade mõõtmine on keskkonnale ohutu.

Tahke Maa füüsika juured Eestis ulatuvad 19. sajandi esimesse poolde, kui Tartu Ülikooli professor ja rektor Georg Friedrich Parrot (1767–1852) teostas gravitatsioonijõu mõõtmisi Maa kuju selgitamise eesmärgil. Sel ajal hakati kartograafilistel ja navigatsioonilistel eesmärkidel mõõtma ka Eesti maa ja akvatooriumi magnetvälja omadusi. Aastal 1985 paigaldas professor Grigori Vassiljevitš Levitski (1852–1918) Tartu observatooriumi juurde horisontaalpendlid Maa seismilisuse uuringuteks. Levitski tegevust jätkas füüsikaprofessor Johan Vilip (1870–1942), kes konstrueeris seismograafi, mis leidis kasutust nii Tartus kui ka mujal maailmas. Praegusel ajal teostatakse seismoloogilist seiret Eesti Geoloogiakeskus OÜ juhtimisel.

Esimeseks füüsikaliseks meetodiks, mida Eestis maavarade uuringutel kasutati, oli magnetomeetria. Aastatel 1935–1936 uuris Erich Differt (1883–1959) Jõhvi magnetanomaaliat, mille asukoha puurimine aastatel 1937–1939 tõestas magnetilise metallimaagi esinemist kristalliinses aluskorras. Teisele maailmasõjale järgnenud perioodil keskendusid geofüüsikalised uuringud Eesti põlevkivikihindi uurimisele. Seejuures ei uuritud niivõrd põlevkivi ennast, kuivõrd kihindit rikkuvaid tektoonilisi ja karstunud struktuure. Eelmise sajandi keskpaigas kaeti Eesti territoorium aeromagnetilise uuringuga, mille taustaks oli võimalike naftat kandvate struktuuride otsing. Osaliselt on Eesti kaetud ka gravimeetrilise kaardiga mõõtkavas 1:50 000.

Tänapäevane geofüüsika-alane uuringuvõimekus on koondunud Eesti Geoloogiakeskus OÜsse (seismoloogia, gravimeetria, elektromeetria, puuraukude geofüüsikalised meetodid), Tallinna Ülikooli (georadar) ja Tartu Ülikooli (magnetomeetria, seismomeetria, elektriline tomograafia, georadar, kivimite füüsikaliste omaduste mõõtmise labor). Ülikoolides seostuvad tahke Maa füüsikalisi meetodeid rakendavad projektid õppetööga.

Autor

Jüri Plado (PhD geoloogia), geofüüsika ja petrofüüsika vanemteadur ˗ Tartu Ülikooli geoloogia osakond, Ravila 14A, 50411 Tartu

Toimetas Hardi Aosaar