RAKENNUSGEOLOGINEN YHDISTYS-BYGGNADSGEOLOGISKA F ...

Heikki Niini 

(with a contribution by Albin Dendewicz) 

KallioperassB oleva pohjavesi 

English summary: Ground water in the bedrock 

Eripainos - Reprint 

RAKENNUSGEOLOGINEN YHDISTYS - 

BYGGNADSGEOLOGISKA F~RENINGEN RY:n 

JULKAISU JA 

PAPERS OF 

THE ENGINEERING-GEOLOGICAL SOCIETY 

OF FINLAND 

VOL 11:84

Rakennusgeologinen yhdistys - Byggnadsgeologiska foreningen ry:n jul kaisuja 

Vol. 11, kirjoitus n:o 84 

Papers of the Eng ineering-Geological Society of Finland. Vol. 11 , No. 84 

HElKKl NllNl 

1. Veden esilntyminen kallioperassa 

VettB esiintyy kallioperassa neljalll 

periaatteellisesti erilaisella tavalla: 

(1) kivisulan eli magman oleellisena 

komponenttina, 

(2) mineraalien kidehilaan kemiallises- 

ti sitoutuneena, 

(3) mineraalien pintaan eri tavoin vaih- 

televalla lujuudella kiinnittyneena, 

(4) vapaana nesteena kallioperan huo- 

kosissa, raoissa ja onkaloissa. 

Pohjavedenpinnan alapuolella vettl 

on kalliossa k8ytanndllisesti katsoen 

kaikkialla jossakin em. muodossaan. 

Kivisulan vesi eli juvenilllnen vesi on 

koko maapallon vesikehan synnyn kan- 

nalta keskeinen. SyvallB kallioperassa 

olevista kivisulan pesakkeista purkau- 

tuu kuumaa vesipitoista ainesta eli 

laavaa maan pinnalle tulivuorista. Sen 

jahmettyessa eli kivisulan ainesten jar- 

jestyessa kiteisiksi mineraaleiksi suu- 

rin osa vedesta vapautuu hdyrynl ilma- 

kehaan ell muuttuu meteorlseksl ve- 

deksi. Osa meteorisesta vedesta jou- 

tuu mydhemmin hydrologisessa kier- 

tokulussa kallion pintaan ja sen onka- 

loihin. Osa tlsta vedesta voi talldin 

aineen laajassa geologisessa kierto- 

kulussa sitoutua rapautuvien tai ker- 

rostuvien muodostumien mineraaleihin 

ja maankuoren poimutusvybhykkeiss~ 

jalleen sulaa magmaksi. 

Geologisesti vallitsee Suomessa jo 

satoja miljoonia vuosia kestanyt rau- 

hallinen ajanjakso, eika meilla siten 

ole tulivuoria. Siksi maamme kallio- 

perassa ei mydskaan esiinny lainkaan 

tulivuorialueille ja tektonisesti rauhat- 

tomille alueille tyypillisia, kuumina 

IBhteinB purkautuvia ns. mlneraalive- 

slil. Maankuori on Suomessa kulunut 

syvalle, niin etta kallioperamme nykyi- 

sessa pinnassa vallitsevat syvakivien 

lahes vedettdmat ja metamorfisten 

kivilajien vahavetiset mineraalit. Peh- 

meiden vesipitoisten mineraalien luon- 

nehtimaa rapautunutta kalliota esiin- 

tyy Suomessa vain paikoin, lahinna 

kallion alavissa, maakerrosten alaisis- 

sa murrosvydhykkeiss~ (Uusinoka 

1975). 

HElKKl NIINI, Dosentti, Fll.trl 

Geoioginen tutkimuslaltos 

Kal lioperassa olev la pohjavesi 

Tarkasteltaessa Suomen kallioperls- 

sl olevaa vetta hydrologisen kierron 

kannalta ei juveniilisella vedella eika 

mineraaleihin eri tavoin sitoutuneella 

tai kiinnittyneella vedelll juuri ole 

merkitysta. Vain vapaana nesteena kal- 

lion onteloissa ja raoissa esiintyva 

vesi - kalllopohjavesi - voi osallis- 

tua veden normaaliin hydrologiseen 

kiertokulkuun ja siten omata kaytan- 

nOllist8 merkitystl. 

2. Kalliopera pohjavesivarastona 

Millaisia pohjavesivarastoja kallio- 

perassl on riippuu kivilajin huokoisuu- 

desta ja kallion rikkonaisuudesta. 

Huokoisuus voi vesipitoisuuden kan- 

nalta olla merkittavan suuri (enemman 

kuin muutamia prosentteja) vain hei- 

kosti kovettuneissa, karkeahkoissa 

kerroskivilajeissa, joita Suomessa ei 

juuri tavata muualla kuin Porin-Sky- 

Ian alueella Satakunnassa (hiekkaki- 

vea). Maamme yleisimmat kivilajit - 

syvlkivet seka kiteiset liuskeet eli 

metamorfiset kivilajit - ovat itsessaan 

kaytanndllisesti ottaen vesitiiviita, jo- 

ten Suomen kallioperassa olevan poh- 

javeden m88ra riippuu yksinomaan kal- 

lion rikkonaisuudesta. 

Veden esiintymisen kannalta on MI- 

Idin oleellista, paltsi rakojen ym. mur- 

tumakohtien maare, erityisesti niiden 

avonaisuus, mike voi vaihdella milli- 

metrin murto-osista muutamiin sentti- 

metreihin. Vetta sislltlvil rakoja on 

ennen kaikkea kallioperan noin 

50 ... 100 m paksussa pintaosassa, 

mutta rakoilun tiheydessa, laadussa ja 

syvyysulottuvuudessa on suuria alu- 

eellisia eroja, jotka eivat kovinkaan 

selvasti korreloi kivilajin kanssa (Niini 

1968 ja 1974). 

Karkeana yleispiirteena voidaan kui- 

tenkin todeta, etta ns. felsiset (eli kan- 

sanomaisesti "vaaleat") syvakivimas- 

siivit ovat useasti pohjavesivarastoina 

parempia kuin useimmat yleiset lius- 

kejaksot ja harvinaisemmat ns. mafi- 

set ("tummat") syvakivet. Tame johtu- 

nee siita, etta felsiset syvakivet ovat 

usein massiiveina laajempia ja homo- 

geenisempia ja niissa on yleisesti kol- 

men toisiaan jokseenkin kohtisuorasti 

leikkaavan rakoparven muodostama 

avoimehko rakosysteemi. Tallainen ra- 

Eripainos: Vesitalous n:o 6, 1977 

koilu koostuu ilmeisesti enimmakseen 

kallion alkuperaisessa jaahtyrnisessa 

tai mydhemmin kivimassojen pois- 

kulumisessa vetojannitysten aikaan- 

saamista raoista. Varsinkin graniitin 

tietyssa karkeassa muunnoksessa, ra- 

pakivessa, tallainen rakoilu tiheine 

vettl runsaasti sislltlvine ja hyvin joh- 

tavine avoimine vaakarakoineen on 

hyvin kehittynyt (Lahermo 1971). Lius- 

kejaksoissa taas usein vallitsevat pu- 

ristuksessa syntyneiden leikkausjan- 

nitysten aikaansaamat tiiviihkbt ja toi- 

siaan harvemmin leikkaavat raot. 

Huomattavimmat pohjavesivarastot 

kallioperassa ovat kuitenkin suurissa 

murros- eli ruhjevylhykkelssll, joissa 

kiviaines on mekaanisesti murskautu- 

nut irtomaalajien tapaiseksl lohkare- ja 

murskemassaksi. Tallaiset vydhykeet 

ovat varsin yleisia ja niita on seka 

erikokoisia etta erisuuntaisia. Ne ilme- 

nevat maastossa usein pitkanomaislna 

painanteina, joiden valiin j8Bvat kallio- 

peran ehjemmat lohkot avokalliorikkai- 

na kohouma-alueina. Koska suuret 

murrosvy6hykkeet ovat samalla paikal- 

lisen kallioperan pinnan allmpia koh- 

tia, pystyy niihin varsinkin pohjave- 

denoton yhteydessa kertymlln uutta 

vetta laajoilta aloilta seka itse kallio- 

perasta etta paella olevista maakerrok- 

sista ja pintavesista. 

Suomen maapera on keskimaarin 

varsin ohut, alle 10 m paksu, ja antoi- 

suudeltaan parhaat maaperan pohja- 

vesiesiintymat, harjut ja reunatasan- 

teet, ovat alueellisesti satunnaisia ja 

suhteellisen vahaalaisia. Kallion mur- 

rosvydhykkeiden ja pinnallisen rakoi- 

lun yleisyyden perusteella olen laske- 

nut, etta enin osa maamme pohjave- 

desta on juuri kallioperassa: sen 

n. 100 m paksun pintakerroksen raois- 

sa ja etenkin murrosvyOhykkeiss8. 

3. Pohjaveden Hike kallioperllssll 

Pohjaveden lilkkumisedellytyksia ja 

todellista liikettl kallion raoissa ei vol- 

da tuntea tarkasti, koska tiedot itse 

rakojenkin esiintymlseste ovat varsin 

vaillinaisia. On kultenkin selvla, etta 

vahankin syvemmllll Suomen luon- 

nontilaisessa kalliossa vesi liikkuu 

Barimmaisen hltaasti, silla maamme 

luonteenomalset korkeuserot ja niista

aiheutuva hydraulinen gradientti ovat 

vBhBisiB. Siksi jo muutaman kymme- 

nen metrin syvyydesta voidaan porauk- 

sissa tavoittaa vettB, joka on pysynyt 

paikallaan useita tuhansia vuosia. 

Veden liikkumista ja vaihtumista kal- 

liossa aiheuttavat ennen kaikkea ihmi- 

sen tekniset toimenpiteet, pohjaveden 

otto kallioporakaivoista sekB vuoto- 

vesien pumppuaminen louhintatiloista, 

jotka kohottavat paikallista hydraulista 

gradienttia voimakkaasti. TBllOin on 

voitu todeta suuria eroja kallion eri 

kohtien vedenlliplilsevyydessa. Rakoi- 

lun epBsBBnnOllisyyden vuoksi kallion 

vedenlBpBisevyyden awioimiseen ei 

juuri voida kByttBB homogeenisiin huo- 

koisiin maalajeihin sovellettuja labora- 

toriomittauksia ja laskennallisia mene- 

telmil, vaan veden liike kalliossa on 

yleensa selvitettBvB empiirisin maasto- 

kokein ja -havainnoin. 

Prekambrisen kallioperBn kivilaji- 

muodost umien keskimBBrBisen veden- 

IBpBisevyyden mittauksia on tehty 

Ruotsissa porakaivoista. Parhaiten 

Suomen kallioperBBn sovellettavia lie- 

nevBt saadut vedenlapeisevy ydet tut- 

kituissa graniiteissa (kg,), gneisseissB 

(kgn) ja algonkisessa (myOhBispre- 

kambrisessa) hiekkakivessa (khk), jois- 

sa kussakin ryhmBssB havaintojen 

pBBosa sijoittuu seuraaville vBleille 

(Carlsson & Carlstedt 1977): 

kgn =I ,9...11 mls; mittauksia120, 

kgr=0,4...10.10-7 mls; mittauksia 74, 

khk= l,5 ... 2,6.10-~m/s; mittauksia 

34 kpl. 

TBllaiset awot ovat kuitenkin vain 

suuntaa antavia, sillB yksittBisessB po- 

rausreiBssB tai louhintakohteessa saat- 

taa vaihtelu helposti olla jopa 1000 ... 

1000 000-kertainen k-awon ollessa vB- 

harakoisessa kohdassa k = lo-" mls, 

kun taas runsaasti rakoilleessa kohdas- 

sa helposti jopa k= mls. 

4. Kalliopohjaveden antoisuus 

Kalliopohjaveden otto tulee kysy- 

mykseen erityisesti sielll, missl: 

- maakerrokset ovat pohjaveden an- 

toisuuden kannalta liian ohuita tai tiivii- 

tB, 

- vettB paikalle kerBBvBt maaperan 

pohjaveden ja pintaveden valuma-alu- 

eet (pohjaveden muodostumisalueet) 

ovat pieniB, tai 

- maaperBssB oleva pohjavesi on laa- 

dultaan huonoa. 

Kalliopohjaveden ottoa varten tawi- 

taan yleensa vBhintBBn muutamia kym- 

meniB metreja syvB porakaivo. Sellai- 

sia onkin runsaasti tehty IBhinnB pien- 

talouksia varten. 

Kallioporakaivojen antoisuus vaihte- 

lee runsaasti kallion laadun mukaan. 

Jotkin reiBt on porattu (ja tultaneen 

yhBkin poraamaan) niin huonoihin 

paikkoihin, ettl vettB saadaan niistB 

liian vBhBn tai ei lainkaan. Antoisuutta 

voidaan tBllOin parantaa - jopa kui- 

vaankin reikBBn saada vettB - rBjByt- 

tBmBllB reiBn ympBryskalliota rikkonai- 

seksi sen pohjaan asetetulla panoksel- 

la. 

Kalliostajatkuvasti saatavan (samoin 

kuin kalliotiloihin kauan vuotavan) kal- 

liopohjaveden mBBrB riippuu luonnolli- 

sesti myOs veden lmeytymlsestli kal- 

lloon. Sen maksimimBBrB taas riippuu 

sadannan ja pintavalunnan IisBksi 

rakojen absorptiokapasiteetista Ca eli 

imeytymis- ja purkautumis- (tai veden- 

otto-) kohdan vBlisen kallio-osueen 

vedenjohtavuuden T (transmissivitee- 

tin) ja hydraulisen gradientin I tulosta: 

Ca=TI. TBtB voivat luonnollisesti ra- 

joittaa kalliopinnan sileys, pBBllB ole- 

vat maalajit ja kallion mahdollinen pin- 

nallinen rapautumiskerros. NiinpB avo- 

kalliopintojen sileys usein edistBB pin- 

tavaluntaa niiltl, ja muualla taas kal- 

lion pBBllB oleva tiivis pohjamoreeni- 

kerros rajoittaa veden imeytymista, 

vaikka kalliossa olisikin runsaasti ra- 

koja. Muodostuman vedenjohtavuus T 

(m21s) riippuu luonnollisesti kallio- 

massan vedenlBpaisevyydestB k (m 1 s) 

ja vettB johtavan kallio-osueen vahvuu- 

desta b (m), joiden molempien luotet- 

tava mittaus on erittBin tyd18stB: 

T= bk. 

Karkeasti ottaen porakaivojen antoi- 

suus vaihtelee vBlillB 250 ... 5000 Ilh, 

mikB edellyttBB vastaavasti yhtB pora- 

kaivoa kohti n. 3...60 hehtaarin laajuis- 

ta pohjaveden muodostumlsaluetta 

(MBlkki 1972, s. 209). Koska IisBksi 

kallion vettB parhaiten johtavat osat 

ovat pitkulaisia vyohykkeitl, saattaa 

pumputtu kalliopohjavesi olla kulkenut 

kilometrejakin pitkiB matkoja imeyty- 

misalueilta purkautumisalueelle (ve- 

denottopaikalle). 

Eri kivilajialueiden keskiantoisuu- 

dessa ei yleensB ole isoja eroja. Natu- 

kan mukaan (1 955, s. 50) normaaleissa 

graniiteissa, gneissigraniiteissa, kiille- 

ja sawivBlkeliuskeissa, IeptiiteissB, 

amf iboliiteissa yms. kallioporakaivojen 

kesklantolsuus on hieman yli 2000 I1 h. 

Vain hiekkakivien (Iahes 3000 Ilh) ja 

rapakivien (n. 3400 Ilh) keskiantoisuus 

on selvBsti suurempi. Kyseinen tutki- 

mus perustui 555 kalliosyvBkaivoon, 

eivBtkB uudemmat tutkimukset ole sen 

tuloksia oleellisesti muuttaneet muulla 

tavoin, kuin ettB vedenantoisuuden 

kannalta kivilajeja merkittBvBmpiB ovat 

niistB jokseenkin riippumattomat suu- 

ret murrosvyOhykkeet. On kuitenkin 

selvB8, ettB porakaivojen mBBrBn li- 

saantyessl - etenkin niiden paikalli- 

sissa tihentymissa - uudemmat pora- 

kaivot voivat joutua kByttBm8Bn sa- 

moja rajallisia vesivarastoja kuin van- 

hemmat eikB myOhemmin tehtBvillB 

aina ole yhtB hyviB paikanvalintamah- 

dollisuuksia kuin aikaisemmin tehdyil- 

IB. Siksi uudempien porakaivojen kes- 

kiantoisuusluvut tullevat pienene- 

mBBn. 

Eri porakaivojen antoisuus ei tunnu 

korreloivan lainkaan niiden syvyyden 

kanssa (Lahermo 1971, s.18), mutta 

luonnollisesti kussakin yksittBisessB 

reiBssB antoisuus kasvaa johonkin 

optimisyvyyteen - yleensB alle 

100 m -, jonka jalkeen syvyyttB IisBt- 

tBessa antoisuuden kasvu on minimaa- 

lista. Kalliokaivojen keskisyvyys Suo- 

messa lienee n. 65 m, mutta tullee em. 

syistB sekB poraustekniikan kehitty- 

misen johdosta varmastikin kasva- 

maan. 

5. KalllopohJaveden laadusta 

Luonnontilaisen kalliopohjaveden 

koostumu kseen vai kuttavat paljon kivilajien 

mineraalit (Jacks 1972). Suomen 

yleisimmBt kivilajit koostuvat valtaosaltaan 

vain muutamista haw0ista 

mineraalelsta - karkeasti kuvattuina 

kvartsista (SiOq), maasBlvistB (K-AItai 

Na-Ca-Al-silikaatteja), kiilteistB 

(OH-pitoisia K-AI- tai K-Mg-Fe-silikaatteja) 

ja amfiboleista(enimm8kseen 

Ca-Al-OH-pitoisia Mg-Fe-silikaatteja). 

NBiden mineraalien alkuaineiden suhteellinen 

runsaus paikallisissa kivilajeissa 

vaikuttaa oleellisesti kalliopohjaveden 

vastaavien alkuaineiden (ionien) 

pitoisuuksiin ja suhteisiin kuten 

esim. ~ a + I (~a+ + K+ )-suhteeseen. 

K-, Na- ja Al-mineraalit ovat luonteen- 

omaisia "vaaleille" syvBkiville ja Mg- 

Fe- ja Ca-mineraalit "tummilie". Kivi- 

lajeissa - varsinkin "tummissa" syvl- 

kivissa ja tietyissB liuskeissa - satun- 

naisempina esiintyvBt kllsut (Fe-S-yh- 

disteitl) aiheuttavat hapettuessaan 

kalliopohjaveteen runsaan SOq---pitoi- 

suuden, samoin kuin kalsiitin (CaC03) 

satunnainen runsaus huomattavan 

IiCO3- ja Cog-- -pitoisuuden. 

Hyvin hitaan IiikkeensB takia kallio- 

pohjavesi on kyennyt yleensB saavut- 

tamaan kallion mineraalikoostumuk- 

sesta riippuvan kemiallisen tasapainon 

nBiden ionien pitoisuuksien suhteen. 

Tasapainotilaa jBrkytettBessB (syvBki- 

vissB) saavutetaan se uudelleen n. 10 

vuodessa (Eriksson & Khunakasem 

1 968). 

Kalliokaivoissa tavataan toisinaan 

CI-pitoista eli suolaista pohjavettll

melko kaukanakin rannikolta. Koska erityisesti savi- ja turvekerrosten - ilman, varastoinnissa kallioon tulee 

kloridi ei ole vBlittOm8sti peraisin kal- kulvuminen aiheuttaa niiden kokoon- kalliopohjaveden paineen samoin olla 

lion mineraaleista, pidetaan sen pienia puristumista ja plnnan palnumista. suurempi kuin sailiOss8 olevan kaasun 

pitoisuuksia sateesta johtuvina ja suu- Kuivuminen itsessaan on haitallista paine, jottei kaasu paase pakenemaan 

ria (yli 200 ppm CI-) maaria entisten esim. kaivoille ja kasvillisuudelle. Pai- rakoja pitkin. 

merivaiheiden fossiilisina iaanteine. numisesta saattaa lisaksi seurata talo- 

Tallainen vesi voi olla tuhansia vuo- 

sia vanhaa. Meren niemilla ja saarilla 

suolaista vetta on aina makean pohja- 

veden alla. Kevyempana makea vesi 

kelluu vain ohuena kuplana suolaises- 

sa pohjavedessa, joten rannan Iahei- 

syydessa on varottava tekemasta liian 

syvia kallioporakaivoja. 

Koska kalliopohjavesi on yleensa 

syvemmalla kalliossa jo saavuttanut 

kyllastymiskonsentraation siihen kal- 

liosta liukenevien mlneraaliainesten 

suhteen, on sen liuottava ja rapauttava 

valkutus enaa minimaallnen. Jatkuvas- 

sa vedenotossa tai vuotovesien pump- 

puamisessa kalliopohjavesi joutuu kui- 

tenkin nopeaan kiertoon, niin etta se 

suhteellisen plan lahestyy laadultaan 

alueen tavanomaista pohjavetta. Siksi 

myOs fossiiliset suolapitoisuudet vahi- 

tellen havi8v8t. Samalla kalliopohja- 

veden laatuun alkaa ylapuolinen maa- 

pera vaikuttaa enemman kuin itse kal- 

liopera. Kalllopera vaikuttaa silti sil- 

loinkin v~lillisesti, sillB paikalliset 

mineraalimaalajit, erityisesti moreeni, 

ovat muodostuneet juuri seudun kal- 

lioperasta. NBin esim. suhteellisen 

runsaasti fluoriittia' (CaF2) sisaltavilla 

rapakivialueilla Kaakkois- ja Lounais- 

Suomessa on kalliostakin pumputta- 

vassa pohjavedessa jatkuvasti rapaki- 

vesta johtuva poikkeuksellisen runsas 

(ja hyOdyllinen) fluoripitoisuus (Laher- 

mo 1971). 

6. Kalllopohjaveden rakennusteknlset 

ja ympllrlst6valkutukset 

Pohjavettl vuotaa kalliosta usein 

runsaasti louhittuihin tllolhin aiheut- 

taen yleensa paljon haittaa itse louhin- 

ta- ]a rakennustOllle ja vaatien usein 

eritylsia kallion tllvlstystolmenplteltli. 

Vuotovedet on myOs pumputtava jat- 

kuvasti pols. Tama aiheuttaa pohja- 

vedenplnnan suppllomaisen laskun 18- 

hialueella, jonka rajojen tarkka magrit- 

taminen on kallioperan ja sit& peitta- 

van maaperan nakymattOm8n rakenteen 

takia hyvln hankalaa, sllla vaikutus- 

alueen ulottuvuudet elvat k8y yksiin 

maanpaallisten valuma-alueiden kans- 

sa. 

Vuotovesien pumppuamlsesta tai 

kalliopohjaveden otosta johtuvalla 

pohjaveden plnnan laskulla puolestaan 

saattaa olla hyvin monltahoiset, enim- 

makseen negatiiviset vaikutukset pin- 

nallisllle rakenteille ja olosuhteille, 

sills paella olevien maakerrosten - 

jen, teiden ym. rakenteiden rikkoutu- 

mista ja pintavalunnan suunnan muut- 

tuminen, mike voi esim. salaojitetulla 

alueella olla tuhoisaa. 

Pumppuamisen takia jatkuvasti lilk- 

keessa oleva ja sen vuoksi sytivytta- 

vliksl muuttunut kalliopohjavesi saat- 

taa helposti rapauttaa kalllon tiettyja 

mineraaleja samoin kuin betoniraken- 

teita. Rakotaytteena paikoin esiinty- 

vB paisuvahilainen savimineraali, 

montmorilloniitti, saattaa myOs ta11Oin 

aiheuttaa kallio- ja betonlrakenteita 

sarkevia haitallisla paisumisilmiOit8. 

Veden esiintymisella pinnallisten 

kalliorakenteiden raoissa on lisaksi 

merkitysta sen jlltymlsen takia. JBa- 

tymisessa veden tllavuus kasvaa, niin 

etta jos vesi peaseen jaatymaan kal- 

liossa olevaan koloon tai rakoon pin- 

nasta alkaen, se kiilaa tayttamaansa 

tilaa suuremmaksi. IlmiO tolmii tehok- 

kaana tunneleiden ja kallioluolien suu- 

osia seka jyrkkia kallioliuskia muren- 

tavana mekanismina, ellel sitB esteta 

erityistoimenpitein. 

Kalliossa olevan pohjaveden suoje- 

tun kannalta on edullista, etta kallio- 

pohjaveden hydraulinen yhteys maa- 

peran pohjaveteen ja pintavesiin on tii- 

viin pohjamoreenikerroksen takia 

enlmmakseen huono. Mahdollisen 

saastumlsen kannalta merkittavimpia 

ovat BristBmBttOmiin kalliotiloihin si- 

joitetut jatteet yms. saastelahteet. 

Suomen prekambrisessa kallioperassa 

jo muutaman sadan metrin syvyydessa 

olevien ehjien lohkojen minimaallnen 

kokonaishuokoisuus ja liikkuvan poh- 

javeden puute tarjoavat kuitenkin var- 

sin turvalliset yleisedellytykset tallais- 

ten jatteiden haittavaikutusten kurissa 

pitamiselle. 

Pohjavedenpinnan ja kalliotilan sy- 

vyystason erotusta vastaavaa hydros- 

taattista painetta voidaan k8ytta hy- 

vaksi kallioon rakennetuissa vuoraa- 

mattomissa neste- ja kaasuslilli6issli. 

TBllOin kalliopohjaveden paineella es- 

tetaan po. aineen karkaaminen kallion 

rakoja pitkin ymp8ristOOn. Kallloluolat 

Oljyn varastoimlseksi tehdaan nimen- 

omaan pohjavedenpinnan alapuolelle. 

Koska vesi on painavampaa kuin Oljy, 

estaa kalliopohjaveden paine Oljyn 

tunkeutumisen kallioon. Vain jos poh- 

javedenpinta peasee laskemaan luolien 

tasoon, voi OljyB paasta rakoja myOten 

karkuun ymparOivaan kallioon ja maas- 

toon. Puristetun kaasun, esim. paine- 

7. Ground water condltlons In bedrock 

and the dlsposal of radloactlve wastes 

(by Albin ~endewicz') and H. Niini) 

The industrial production of nuclear 

power always results in certain undesi- 

rable by-products that are highly radio- 

active and toxic. Due to the long half- 

lives of the actinides, their complete 

destruction requires hundreds of 

thousands of years. Because many 

regions of the earth's surface have 

been geologically stable for extremely 

long periods, it is expected that 

encapsulated wastes, placed deep in 

selected geological formations, can be 

effectively isolated from the bio- 

sphere. 

However, disposal methods will 

require very careful study, development 

and implementation to ensure that the 

rock formations effectively isolate the 

wastes from the biosphere. Hydrogeo- 

logical constraints in the bedrock, 

especially, must be fully understood 

before a prospective site can be 

considered to be safe enough. 

The isolation of high-level radio- 

active wastes is brought about by so- 

called barriers such as the waste 

matrix and the waste container. The 

geologic barrier mainly consists of the 

retention by the geosphere of the 

radionuclides along the existing path- 

ways from the disposal site to the 

surface. Because the only conceivable 

natural way in which the wastes may 

be released into the biosphere is by 

transportation along water-filled frac- 

tures or joints, the key factors to be 

studied are those related to the 

permeability and ion exchange propert- 

ies of the bedrock formations. 

Certain general features listed below, 

typical of Precambrian areas, are 

considered to be favourable at the site 

of a nuclear waste repository: 

- low relief and gently sloping terrain, 

- tectonic stability and low seismi- 

city, 

- homogeneous rock formations, 

- low porosity and permeability of 

the rock mass. 

However, each possible disposal 

site must be carefully evaluated accor- 

'1 Geological Combine "West", Wroc- 

law, Poland. In Flnland during August 

and September 1977 on a scholarship 

from the Finnish Ministry of Labour.

ding to its own unique geological and 

hydrological properties. 

In general, fractures and joints are 

more open and more capable of trans- 

porting ground water near the earth's 

surface than at depths of hundreds of 

metres. Even if the prospective dis- 

posal zone seems to be very dry, 

adequate determinations must be 

performed concerning the water flow 

directions, velocities and volumes in 

all rock formations intervening bet- 

ween the waste emplacement zone 

and the biosphere. In addition, the 

physical and chemical properties of all 

the rocks involved are extremely 

important. They determine such things 

as the dissipation of radiodecay heat, 

the resulting possible convection of 

ground water, the aggressive proper- 

ties of ground water, the effects of 

radiation, the stability of excavated 

openings, and the effective adsorption 

capacities of the rocks. These factors 

may even affect the design of the 

waste form and any man-made barriers 

needed to contain the waste. 

Special methodological and in-situ 

tests are needed for an adequate 

determination of the factors mentio- 

ned. These tests might include met- 

hods such as pumped circulation bet- 

ween boreholes combined with iso- 

topic tracers. and injecting tests using 

less-than-critical pressure and iso- 

lating different depth zones between 

packers. In general, the ground water 

velocities in and around the reposito- 

ries cannot be measured directly. They 

can, however, be estimated since they 

are proportional to the hydraulic 

conductivity, the effective porosity 

and the hydraulic gradient. 

In order to determine the general 

geological and hydrological conditions 

at possible repository sites, ordinary 

surface reconnaissance mapping and 

aerial photographic interpretation 

should be carried out. Appropriate 

geophysical techniques must, of 

course, be used both on a regional 

scale and at the more site-oriented 

level. At the alternative sites, Several 

exploratory holes for various measure- 

ments and tests will also have to be 

drilled before the site of the pros- 

pective nuclear waste repository can 

be selected. Additional technical cont- 

rol tests during the excavation work 

itself are of course needed before the 

final feasibility and reliability of the 

repository can be ascertained. 

murrosvydhykkeiden laadusta, lahinna 

ulottuvuuksista, avonaisuudesta ja nii- 

den hydraulisesta yhteydesta toisiinsa. 

Koska tallaiset seikat eivat suoraan 

nay maan pinnalta kasln maaperan 

peittamalla alueella - jollaista Suo- 

messa lienee 97% pinta-alasta -, on 

niita pyrittava arvioimaan valillisin ha- 

vainnoin la paattelyin, ennenkuin kallii- 

ta porauksia, kaivuja ja pumppuamls- 

kokeita ryhdytaan suorittamaan maas- 

tossa. 

Murrosvydhykkeiden laadusta voi- 

daan saada hyvia vihjeita pelkastaan 

ilmakuvista ja kartoista suoritetulla 

maaston fysiografisten piirtelden tar- 

kastelulla. Tama perustuu siihen, etta 

tietyilla fysiografisilla piirteilla kuten 

laaksojen syvyydella, leveydella, pituu- 

della, muodolla ja suuntauksella on 

todettu olevan korrelaatiota seismisin 

luotauksin ja syvakalrauksin mitatun 

kallion rikkonaisuuden kanssa (Niini 

1968, 1973, Niini & Ehlers 1971, Niini 

& Ekholm 1976 a ja b). 

Kartografisten havaintojen ja mit- 

tausten lisaksi erityisesti tektonisilla 

eli kallion rakennetta koskevilla maas- 

tohavainnoilla on huomattava merki- 

tys. Koska kalllopohjaveden esiinty- 

misen kannalta on avoimilla (veto-) 

raoilla ja tiiviilla (leikkaus-) raoilla 

oleellinen ero, pyrltaan tektonisella 

analyysilla maarittamaan kumpaan ryh- 

maan erisuuntaiset raot ja murrosvyd- 

hykkeet kuuluvat. 

Tektoninen analyysi perustuu silhen, 

etta kalliossa muinoin vallinneet alu- 

eelliset jannitykset ovat maaranneet, 

mihin suuntaan minklnlaisia rak'oja ja 

muita deformaation tuloksia on synty- 

nyt. Tallaisia deformaation jalkia ovat 

mm. siirrokset, juonet, ylitydntdpin- 

nat, haarniskapinnat, jopa mineraalien 

yhteenliittymistapa seka kivilajien lius- 

keisuus ja poimutus. Suuntauksellaan 

ja voimakkuudellaan ne ilmentavat 

muinaisia jlnnltystlloja. Yhteenvetona 

kaikista tallaisista havainnolsta pyri- 

tBBn alueesta luomaan yhtenllinen 

deformaatiomalii, joka puolestaan ll- 

maisisi myds pinnalle nakymllttdmlen 

rakojen ja murrosten laatua, erityisesti 

avonaisuutta. 

Tallaista tektonista analyysia on me- 

nestyksellisesti sovellett u kalliopohja- 

veden esiintymisen selvittamiseen tie- 

tyilla peruskallioalueilla Ruotslssa 

(Larsson 1972). Vaikka todellisten kal- 

liodeformaatioiden moninaisten vaih- 

telujen takia mitaan taydellista defor- 

maatiomallia ei voida koskaan saada 

Carisson, Lelf & Carlstedt, Anders 

(1977): Estimation of transmissivity 

and permeability In Swedish bed- 

rock. Nordic Hydrology 8:2 pp. 

103-116. 

Ellksson, E. & Khunakasem, V. (1968): 

The chemistry of groundwaters. 

Ground Water Problems. Pergamon 

Press, Oxford. 

Jacks, Gunnar (1972): Chemistry of 

groundwater In igneous rock at 

Angered, Gothenburg. Nordic Hyd- 

rology 33, pp. 140-164. 

Lahenno, Pertti (1971): On the hydro- 

geology of the coastal region of 

southeastern Finland. Geological 

Survey of Finland Bulletin 252. 

Larsson, lngemar (1972): Ground water 

In granite rocks and tectonic models. 

Nordic Hydrology 33, pp. 111 -129. 

MILlkkl, E. (1972): Vesigeologla. Ss. 

188-225 teoksessa: Kauranne- 

Gardemeister-Korpela-MBlkki, 

Rakennusgeologia II, TKK:n ylioppi- 

laskunta, Otaniemi. 

Natukka, A. (1 955): Kallioon poratuis- 

ta syvakaivoista. Geologi 7:7, ss. 

48-52. 

Niinl, Heikkl (1968): A study of rock 

fracturing in valleys of Precambrian 

bedrock. Fennia 97:6 ja RGY:n julk. 

3. 

Niini. Heikkl (1973): Stratigraflsla ja 

morfologisia selvityksia Etela-SUO- 

men maapeltteisista laaksoista. Ter- 

ra 85:4, ss. 217-224 ja RGY:n julk. 

10:70. 

Niinl, Heikki (1974): Engineering-geo- 

logical classlficatlon and measure- 

ment of the brokenness of bedrock 

in Flnland. Proc. 2nd Int.Con. IAEG 

Vol. 1, IV, pp. 6.1-6.7. 

Nilnl, Heikkl & Ehlers, Mary (1971): 

Kallioperan ruhjelsuuden fotogeolo- 

gisesta estimoinnista. Geologi 23:2, 

ss. 23-24. 

Niini, Heikki & Ekholm, Matti (1976a): 

Assessing the macroporoslty of 

bedrock using physiographic meas- 

urements in order to evaluate 

ground-water damage caused by 

tunnel construction. Nordlc Hydro- 

logical Conference. Prepr. 11152-60. 

Nlini, Helkki & Ekhoim, Matti (1976b): 

Ground-water damage in connection 

with tunnelling Indicated by physlo- 

graphic and fracture-porosity meas- 

urements. RGY:n julk. 10:74. 

8. Kaillon tutkimlsesta pohjaveden aikaan, saattavat sllti yksinkertaisetkin Uusinoka, Ralmo (1975): A study of 

kannalta tektoniset havainnot helposti saastaB the composition of rock-gouge In 

Kallion vedenjohtavuus ja -varastoi- paljon turhaa porausta ja koepumppua- fractures of Finnish Precambrian 

miskyky riippuvat erity isesti rakojen ja mista kalliopohjavesitutkimuksissa. bedrock. Comm. Phys.-Math. 45:l.

GROUND WATER IN THE BEDROCK 

by Heikki Niini 

Even though the aquifers in Finland 

with the best ground water yield are 

found in certain coarse-grained sur- 

face deposits, most of the ground 

water is still found in the bedrock, in 

the joints, cavities and especially 

fracture zones of its c. 100 m thick 

surface layer. These are found cross- 

hatched in the bedrock in lines of 

various sizes and directions. 'The 

natural movement of ground water in 

the bedrock is very slow due to small 

differences in height and pressure. 

The yield of wells drilled into the 

bedrock varies mostly between 250 

and 5000 Ilh, which correspondingly 

requires a ground water Infiltration 

area of about 3-60 hectares per rock 

well. Slnce, In addition, the parts In 

the bedrock which best conduct water 

are longltudlnal zones, pumped bed- 

rock water may have its source quite 

far away. The effective pumping of 

bedrock ground water - especially in 

conjunction with underground excava- 

tion - can cause a marked drop in the 

ground water table. This is easily 

followed by other damage to the 

environment such as the drying up of 

wells and vegetation, and ground 

settlement. The extent of the area 

affected is not the same as the dis- 

charge area above ground. 

Because of its slow natural move- 

ment, bedrock ground water has to a 

large extent managed to reach the 

saturation level as far as minerals 

dissolved from the various rock types 

are concerned. It has also managed 

in coastal areas to preserve the salini- 

ty caused by earlier contact with 

the sea. After pumping, the bedrock 

water which has reached a certain 

chemical balance is gradually replaced 

by new ground water whose quality 

depends largely on the layers of sur- 

face deposits it filtrates through. 

The hydraulic contact of the ground 

water in the bedrock with that in the 

surface deposits and surface water is 

limited in Finland mostly by a dense, 

less permeable, ground moraine layer 

which helps protect the bedrock 

ground water from pollution. Wastes 

or other sources of pollution placed 

in unlined rock caverns are the most 

serious threats to ground water in the 

bedrock. The unbroken blocks a few 

hundred metres down in the Pre- 

cambrian bedrock, which have a 

minimal total porosity and amount 

of ground water, do, however, offer 

very safe general conditions for 

keeping the detrimental effects of 

wastes at a minimum. 

For studying the occurrence, exploi- 

tation, effects and dependences of 

ground water in the bedrock, the writer 

emphasizes the importance of tectonic 

bedrock observations, measurements 

and analysis. These should be per- 

formed in conjunction with and espe- 

cially before various "normal" hydro- 

logical, geophysical and borehole 

measurements and pumping tests.

RAKENNUSGEOLOGINEN YHDISTYS-BYGGNADSGEOLOGISKA F ...

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?