An approach to palaeoseismicity in the Olkiluoto (sea) area during the early Holocene

Olkiluoto Island is situated in the northern Baltic Sea, near the southwestern coast of Finland, and is the proposed location of a spent nuclear fuel repository. This study examined Holocene palaeoseismicity in the Olkiluoto area and in the surrounding sea areas by computer simulations together with acoustic-seismic, sedimentological and dating methods. The most abundant rock type on the island is migmatic mica gneiss, intruded by tonalites, granodiorites and granites. The surrounding Baltic Sea seabed consists of Palaeoproterozoic crystalline bedrock, which is to a great extent covered by younger Mesoproterozoic sedimentary rocks. The area contains several ancient deep-seated fracture zones that divide it into bedrock blocks. The response of bedrock at the Olkiluoto site was modelled considering four future ice-age scenarios. Each scenario produced shear displacements of fractures with different times of occurrence and varying recovery rates. Generally, the larger the maximum ice load, the larger were the permanent shear displacements. For a basic case, the maximum shear displacements were a few centimetres at the proposed nuclear waste repository level, at proximately 500 m b.s.l. High-resolution, low-frequency echo-sounding was used to examine the Holocene submarine sedimentary structures and possible direct and indirect indicators of palaeoseismic activity in the northern Baltic Sea. Echo-sounding profiles of Holocene submarine sediments revealed slides and slumps, normal faults, debris flows and turbidite-type structures. The profiles also showed pockmarks and other structures related to gas or groundwater seepages, which might be related to fracture zone activation. Evidence of postglacial reactivation in the study area was derived from the spatial occurrence of some of the structures, especial the faults and the seepages, in the vicinity of some old bedrock fracture zones. Palaeoseismic event(s) (a single or several events) in the Olkiluoto area were dated and the palaeoenvironment was characterized using palaeomagnetic, biostratigraphical and lithostratigraphical methods, enhancing the reliability of the chronology. Combined lithostratigraphy, biostratigraphy and palaeomagnetic stratigraphy revealed an age estimation of 10 650 to 10 200 cal. years BP for the palaeoseismic event(s). All Holocene sediment faults in the northern Baltic Sea occur at the same stratigraphical level, the age of which is estimated at 10 700 cal. years BP (9500 radiocarbon years BP). Their movement is suggested to have been triggered by palaeoseismic event(s) when the Late Weichselian ice sheet was retreating from the site and bedrock stresses were released along the bedrock fracture zones. Since no younger or repeated traces of seismic events were found, it corroborates the suggestion that the major seismic activity occurred within a short time during and after the last deglaciation. The origin of the gas/groundwater seepages remains unclear. Their reflections in the echo-sounding profiles imply that part of the gas is derived from the organic-bearing Litorina and modern gyttja clays. However, at least some of the gas is derived from the bedrock. Additional information could be gained by pore water analysis from the pockmarks. Information on postglacial fault activation and possible gas and/or fluid discharges under high hydraulic heads has relevance in evaluating the safety assessment of a planned spent nuclear fuel repository in the region.

Tutkimuksessa selvitettiin Olkiluodon ja sitä ympäröivien merialueiden jääkauden jälkeistä maanjäristyshistoriaa kallioperän jäätiköitymissimulaatioiden, merenpohjan akustis-seismisten luotausten ja sedimenttitutkimusten avulla. Olkiluodon saaren kallioperä koostuu pääasiassa syväkivien lävistämistä migmatiittisista gneisseistä. Ympäröivän merialueen pohja muodostuu paleoproterotsooisesta kallioperästä, jonka päälle mesoproterotsooiset sedimenttikivet ovat kerrostuneet. Useat ikivanhat ruhjeet ja raot halkovat alueen kallioperää. Kallioperän käyttäytymistä simuloitiin erilaisten jääkausiskenaarioiden mukaisesti. Kalliolohkojen suurimmat siirtymät liittyivät yleensä suurimpiin jäätikön kuormituksiin. Perusskenaariolla siirtymät loppusijoitussyvyydellä, noin 500 metriä, olivat muutamia senttimetrejä. Merkkejä mahdollisista maanjäristyksistä merenpohjan sedimenttikerrostumissa kartoitettiin akustis-seismisillä menetelmillä. Holoseenin aikaisista kerrostumista löytyi erilaisia liukumarakenteita, siirroksia, maanvyörymiä, turbidiittisia rakenteita ja pohjaveden tai kaasujen purkautumisaukkoja, jotka saattavat olla kytköksissä maanjäristyksiin. Merenpohjan kerrostumissa esiintyvät siirrokset ja purkautumisaukot sijaitsevat kallioperän ruhjeiden läheisyydessä, mikä viittaa ruhjeiden uudelleenaktivoitumiseen jäätikön vetäytymisvaiheessa. Olkiluodon alueella löydetyt savisedimenttien siirrokset ajoitettiin paleomagnetismin, piileväanalyysin ja litostratigrafian avulla syntyneen noin 10 650 - 10 200 kalenterivuotta sitten. Myös muilla tutkituilla merialueilla havaitut siirrokset esiintyvät samalla stratigrafisella tasolla. Merkkejä nuoremmista tai toistuvista siirroksia ei havaittu, mikä vahvistaa käsitystä siitä, että jääkauden jälkeinen seisminen aktiivisuus on ollut suurimmillaan heti jäätikön vetäydyttyä alueelta. Kaasu/pohjavesipurkausten alkuperä ei tutkimuksessa selvinnyt. Luotausprofiilien perustella voidaan päätellä, että osa purkauksista on peräisin savikerrostumista mutta osa voi tulla myös kallioperästä. Lisätietoa purkausten alkuperästä voitaisiin saada purkauskaasujen ja/tai -veden analyyseillä. Tutkimuksessa saatuja tietoja voidaan käyttää hyväksi käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen turvallisuusanalyysin ennusteiden ja oletusten verifioimisessa.