Suomen maankuoren kivilajikoostumuksen tulkinta seismisistä aineistoista

Aim of this study is to investigate composition of the crust in Finland using seismic wide-angle velocity models and laboratory measurements on P- and S-wave velocities of different rock types. The velocities adopted from wide-angle velocity models were compared with laboratory velocities of different rock types corrected for the crustal PT conditions in the study area. The wide-angle velocity models indicate that the P-wave velocity does not only increase step-wise at boundaries of major crustal layers, but there is also gradual increase of velocity within the layers. On the other hand, the laboratory measurements of velocities indicate that no single rock type is able to provide the gradual downward increasing trends. Thus, there must be gradual vertical changes in rock composition. The downward increase of velocities indicates that the composition of the crust becomes gradually more mafic with increasing depth. Even though single rock types cannot simulate the wide-angle model velocities, it can be done with a mixture of rock types. There are a large number of rock type mixtures giving the correct P-wave velocities. Therefore, the inverse solution of rock types and their proportions from velocities is a non-unique problem if only P-wave velocities is available. Amount of the possible rock type mixtures can be limitted using S-wave velocities, reflection seismic results and other geological and geophysical results of the study area. Crustal model FINMIX-2 is presented in this study and it suggest that the crustal velocity profiles can be simulated with rock type mixtures, where the upper crust consists of felsic gneisses and granitic-granodioritic rocks with a minor contribution of quartzite, amphibolite and diabase. In the middle crust the amphibolite proportion increases. The lower crust consists of tonalitic gneiss, mafic garnet granulite, hornblendite, pyroxenite and minor mafic eclogite. This composition model is in agreement with deep crustal kimberlite-hosted xenolith data in eastern Finland and reflectivity of the FIRE (Finnish Reflection Experiment). According to FINMIX-2 model the Moho is deeper and the crustal composition is a more mafic than an average global continental model would suggest. Composition models of southern Finland are quite similar than FINMIX-2 model. However, there are minor differencies between the models, which indicates areal differences of composition. Models of northern Finland shows that the crustal thickness is smaller than southern Finland and composition of the upper crust is different. Density profiles calculated from the lithological models suggest that there is practically no density contrast at Moho in areas of the high-velocity lower crust. This implies that crustal thickness in the central Fennoscandian Shield may have been controlled by the densities of the lower crustal and upper mantle rocks.

Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää Suomen maankuoren kivilajikoostumusta. Työssä käytettiin Suomessa tehtyjä seismisiä taittumisluotausmalleja sekä kirjallisuudesta saatuja laboratoriomittaustuloksia eri kivilajien seismisille nopeuksille erilaisissa paineissa ja lämpötiloissa. Taittumisluotausmallien ja Suomen kuoren olosuhteisiin muutettujen kivilajien laboratoriomittaustulosten vertailu osoittaa, että yksittäiset kivilajit eivät pysty selittämään taittumisluotausmallien nopeusjakaumaa. Tulosten mukaan kuoressa täytyy olla asteittaista vertikaalista koostumusvaihtelua ja kuoren koostumuksen täytyy muuttua mafisemmaksi syvyyden kasvaessa. Koostumusmuutos ei rajoitu pelkästään kuoren eri kerrosten rajapinnoille, vaan kuoren tulee muuttua vähitellen mafisemmaksi myös eri kerrosten sisällä. Suomen aineistojen vertailu manneralueiden keskimääräiseen P-aallon nopeuden vaihteluun ja koostumukseen osoittaa, että Suomessa P-aallon nopeudet ja maankuoren paksuus ovat suurempia ja kuori koostumukseltaan mafisempi kuin manneralueilla yleensä. Taittumisluotausten nopeusmallit voidaan tulkita erilaisilla kivilajiseoksilla, joissa kivilajien suhteelliset osuudet vaihtelevat syvyyden funktiona. Taittumisluotausmallien kerroksissa havaitut P-aallon nopeusjakaumat voidaan toteuttaa useilla erilaisilla kivilajisekoituksilla, joten yksikäsitteistä ratkaisua ei ole. Ratkaisujen määrää voidaan kuitenkin rajata esimerkiksi S-aaltojen nopeusmallien, heijastusluotausaineistojen ja tutkimusalueen geologisten tietojen avulla sekä käyttämällä kuoren koostumukselle järkeviä litologisia oletuksia. Tämän työn tuloksena esitettiin FINMIX-2-koostumusmalli, jonka mukaan yläkuori koostuu felsisistä gneisseistä ja graniitti-granodioriittista sekä pienistä osuuksista kvartsiittia, amfiboliittia ja diabaasia. Keskikuoressa on graniittista ja tonaliittista gneissiä sekä amfiboliittia. Ylempi alakuori koostuu tonaliittisen gneissin, amfiboliitin, mafisen granaattigranuliitin ja pyrokseniitin sekoituksesta. Alemmassa alakuoressa on hornblediittiä, mafista granaattigranuliittia, pyrokseniittia ja hieman mafista eklogiittia. Tämä koostumusmalli sopii yhteen ksenoliittiaineiston kanssa ja sen avulla voidaan myös selittää FIRE-luotauksissa havaittua heijastavuutta. Etelä- ja Keski-Suomen alueelliset koostumusmallit ovat hyvin samankaltaisia kuin FINMIX-2-malli. Mallien välillä voidaan kuitenkin havaita pieniä eroja, jotka viittaavat alueellisiin koostumuseroihin. Pohjois-Suomen koostumusmallit eroavat etenkin yläkuoren osalta melko paljon Etelä- ja Keski-Suomen malleista. Pohjois-Suomessa kuoren paksuus on myös pienempi kuin Etelä- ja Keski-Suomessa. FINMIX-2-mallille lasketun tiheysprofiilin mukaan paksun kuoren alueella alimman alakuoren tiheydet ovat hyvin lähellä vaipan tiheyksiä Mohon tasolla. Tämä viittaa siihen, että alakuoren ja vaipan kivien tiheydet saattavat olla hyvin merkittäviä kuoren paksuuteen vaikuttavia tekijöitä.