Kaivannaisalan yksikkö - Oulu Mining School

Geologia ja mineralogia

Geologian ja mineralogian tutkimushankkeet keskittyvät pääasiassa Suomen arkeeisen ja varhaisproterotsooisen kallioperän syntyyn ja kehitykseen ja niihin liittyviin geologisiin prosesseihin. Tulosten keskeiset soveltamisalueet liittyvät erilaisten geologisten muodostumien tutkimukseen, taloudellisesti merkittävien esiintymien paikantamiseen ja hyödyntämiseen sekä erilaisten ympäristökysymysten hallintaan. Magmaattisia prosesseja ja mafisia intrusiivikiviä ja myös kallioperän suprakrustisia kiviä on tutkittu intensiivisesti. Fennoskandian kilven alkaligraniitit, alkalikivet ja karbonatiitit muodostavat myös yhden tutkimuskohteen. PGE-, Cr- ja Ni-malmiesiintymät ovat olleet keskeisessä asemassa mineraalisten luonnonvarojen tutkimuksessa. Viime aikoina on tutkimustyötä kohdennettu myös varhaisproterotsooisiin muodostumiin liittyviin Au-, Zn-Pb- ja W-mineralisaatioihin. Maankuoren kehitykseen, paleosedimentologiaan, tektoniikkaan, rakennegeologiaan ja metamorfiseen petrologiaan liittyvät kysymykset ovat olleet myös useiden tutkimusprojektien kohteina. Yhteistyö suomalaisen teollisuuden kanssa erilaisina petrologian ja soveltavan mineralogian sovellutuksina muodostaa myös yhden merkittävän tutkimussektorin.

Maaperägeologia

Maaperägeologian opetuksen ja tutkimuksen painopisteet ovat geotieteissä erityisesti kvartäärigeologiassa ja malminetsintää tukevassa maaperägeologiassa sekä globaali-ilmastonmuutoksen ja ympäristön tutkimuksessa. Kvartäärigeologia luo pohjan pohjoisten alueiden maaperän hyödyntämiselle ja tutkimukselle. Koska Suomen kallioperä on 97 % erilaisten maaperäkerrosten peittämää, kvartäärigeologisten prosessien tuntemus on tärkeää. Se lähtee rapautumisesta, glasiaaligeologiasta ja kvartääristratigrafiasta sekä maaperämuodostumien ja maa-ainesten esiintymisen ja ominaisuuksien tunnistamisesta. Ne ovat perusedellytys alueella toimimiselle ja niitä tukevat maaperän raaka-ainevarojen ja pohjavesien tuntemus sekä maaperän hyödyntäminen mineraalisten luonnonvarojen etsinnässä ja erilaisten maankäyttömuotojen perustana. Pohjoisille ja erityisesti arktisille alueille kohdistuvat ilmaston ja luontaisen ympäristön tilan muutospaineet ovat osa globaalia tutkimuskenttää, jossa geotieteillä on merkittävä rooli. Maaperägeologiassa näihin kysymyksiin pääsee perehtymään kaikilla opetuksen tasoilla perus- ja syventävästä opiskelusta tohtorikoulutukseen saakka kuin myös vahvaan tieteelliseen osaamiseen pohjautuvan perus- että soveltavan tutkimuksen kautta.

Maaperägeologisessa perustutkimuksessa yksiköllä on vahva tutkimuspanos ja käytännönläheinen ote. Opinnäytetöissä pyritään elinkeinoelämän ja tutkimuslaitosten kanssa verkottuneisiin projekteihin, joissa opiskelijat pääsevät soveltamaan osaamistaan todellisiin tutkimuskysymyksiin. Jatko-opinnot ja muu tutkimustoiminta on kansainvälistä ja monitieteellistä liittyen mm. pohjoisten ja arktisten alueiden pitkän ajan ilmastonmuutostutkimukseen ja ympäristögeologisiin haasteisiin sekä mineraalivarojen etsintämenetelmien kehittämiseen. Näillä tutkimusaloilla toimitaan verkottuneesti ja vuorovaikutteisesti elinkeinoelämän, tutkimuslaitosten ja muiden yliopistojen kanssa hyödyntäen oman perusrahoituksen lisäksi erilaisia yhteisrahoitteisia rahoituslähteitä ja yritysten toimeksiantoja. Maaperägeologiassa soveltava tutkimus liittyy muun muassa maaperägeologisten malminetsintämenetelmien käytännön sovelluksiin, hiekka-, sora-, pohjavesi- ja turvevarojen arviointiin ja hyödyntämiseen sekä ympäristönsuojeluun liittyviin tutkimuksiin. Soveltavaa tutkimusta suoritetaan yhteistyössä esimerkiksi valtion sektoritutkimuslaitosten, alueellisten ympäristökeskusten, luonnonvarakeskuksen ja yksityisten yritysten kanssa.

Geokemia

Geokemia tutkii maapallon ja sen eri osien kemiaa. Tavoitteena on selvittää maapallon ja sen kehien kemiallinen koostumus sekä alkuaineiden ja niiden isotooppien kiertokulku luonnossa. Tärkeitä sovellutuksia ovat malminetsintä- ja ympäristögeokemia sekä isotooppigeokemia. Geokemian opetus tukee lähinnä geotieteiden, mutta myös muiden koulutusohjelmien tavoitteita. Geokemiallista tietoa ja taitoa tarvitaan malminetsintä-, suunnittelu-, ja ympäristönsuojelutehtävissä, terveydenhuollossa sekä vesien, maaperän, kallioperän, malmien, maannoksen, biosfäärin, ilman, meteoriittien, avaruuden, kuiden ja planeettojen tieteellisessä tutkimuksessa. Geokemiallisen analytiikan merkitys on erityisen suuri malminetsinnässä, malmien invennoinnissa sekä kaivostoiminnassa.

Kaivostekniikka

Kaivostekniikka on insinööritieteiden ala, jonka soveltaa mekaniikkaa (erit. kalliomekaniikkaa) ja konetekniikkaa, sekä muita tieteenaloja ja teknologiota kuten fysiikkaa, materiaalitiedettä, kemiaa ja liiketaloutta mineraalien saamiseksi hyötykäyttöön kallioperästä. Kaivostekniikka liittyy läheisesti rikastustekniikan, geologian, metallurgian ja geotekniikan aloihin. Kaivannaisalan tiedekunnassa kaivostekniikan tutkimus keskittyy seuraaviin teemoihin: kaivostoiminnan optimointi ja menetelmäkehitys, kiviaineksen lujuus, poraus- ja kairaus, louhinta ja murskaus, tunnelointi, tärinän vaimennus, tuenta, kiviainesmassojen luokittelu, kallioperän halkeilu ja seismiset tapahtumat, ilmanvaihtojärjestelmien ja kaivosturvallisuuden kehittäminen, kaivostoiminnan taloudellisuus sekä energiajärjestelmien ja resurssien tehokkuus.

Rikastustekniikka

Rikastustekniikan tutkimuksessa keskeisenä toiminnanohjaajana on pyrkimys prosessien optimointiin ja tehostamiseen. Tavoitteena on energia- ja resurssitehokkuuden parantaminen ja hallitut prosessikokonaisuudet. Rikastuksen kemiallisten ja fysikaalisten ilmiöiden ymmärtäminen sekä tutkittavien malmien mineralogian tuntemus luovat perusedellytykset kestävän kehityksen mukaiselle prosessikehitykselle.

Sovellettu geofysiikka

Sovelletussa geofysiikassa tutkitaan geofysikaalisten menetelmien käyttöä erityisesti geologisten luonnonvarojen etsinnässä ja kartoituksessa sekä maankamaran pintaosien ympäristö- ja insinööritieteellisissä sovelluksissa. Keskeinen tutkimusala on myös laskennallinen geofysiikka, jossa keskitytään geofysikaalisten mittaustulosten tulkintaan oleellisesti liittyvän moniulotteisen numeerisen mallintamisen ja inversion tutkimukseen. Lisäksi tutkitaan geologisten luonnonvarojen syntyyn ja esiintymiseen liittyvää maapallon kuoren ja ylävaipan rakennetta, koostumusta ja kehitystä.

Oulun yliopiston kaivannaisalan tiedekunnan sovelletulla geofysiikalla on käytettävissään laaja valikoima erilaisia mittauslaitteita tutkimuksen ja opetuksen tarpeisiin. Jotta mittausaineistoja voidaan hyödyntää on tärkeää, että niiden tulkintaan on käytettävissä tietokoneohjelmistoja. Monet geofysiikan ryhmän tulkinta- ja mallinnusohjelmista ovat omatekoisia, mutta erityisesti opetuksessa pyritään käyttämään yleisesti käytössä olevia ohjelmistoja.

Mittauspalvelut

Geofysiikan ryhmä toimii yhteistyössä yliopiston muiden laitosten ja useiden tutkimuslaitosten kanssa ja tarjoaa sovelletun geofysiikan mittauslaite-, tutkimus- ja tulkinta-apua. Mittauslaitteet ja palvelut ovat vuokrattavissa myös yliopiston ulkopuolisille tahoille. Mittauksia ja tulkintaa suoritetaan henkilökunnan sekä opiskelijoiden toimesta. Yhteistyöhankkeissa, kuten esim. pro gradu -töissä, on laitteiden käyttö maksutonta. Mahdollisuuksien ja tarpeiden mukaan voidaan suorittaa myös harjoitustöitä eri menetelmillä.

Geofysiikan mittauslaitteet

Magneettikentän mittaus: Geometrics G858, (Cs) absorptiomagnetometri, totaalikenttä ja gradienttimittaus (2 anturia), tarkkuus 0.01 nT, sisäinen muisti, GPS-yhteys. Kallioperäkartoitus ja malminetsintä, arkelogia. Lisätietoa.

Painovoima: Scintrex CG5 (staattinen kvartsijousi); tarkkuus 0.001 mgal. Maa- ja kallioperän rakenne-tutkimukset. Lisätietoa.

Seisminen refraktioluotaus: Geometrics Geode; 24 kanavaa, 120 m levitys, vasara ja maaperähaulikko. Maaperä-, kallionpinta ja pohjavesitutkimukset. Lisätietoa.

Maatutkamenetelmä (GPR): Malå Ramac; ProEx & CUI + 100, 250 & 800 MHz suojatut antennit, 50 MHz RTA ja 50 & 200 MHz suojaamattomat antennit. Maaperä-, turve- ja pohjavesitutkimukset. Lisätietoa.

Sähköiset mittaukset (DC ja IP): IRIS Syscal Pro switch, 72 elektrodia 4 x 18 elektrodia, 5 m:n liitäntäväli ( http://www.iris-instruments.com/syscal-pro.html) Maaperä- ja pohjavesitutkimukset sekä malminetsintä. Lisätietoa perinteisestä luotauksesta ja profiloinnista.

AMT/MT-luotaus: FMTU2007-laitteisto (2+1 kpl), luonnon oman SM kentän aikasarjana tapahtuva mittaus ja aineiston prosessointi. Malminetsintä ja sähköiset syvärakennetutkimukset. Lisätietoa AMT-menetelmästä.

TEM-luotaus (pulssi-EM): AEMR TEM-Fast 48 HPC; yhden silmukan järjestelmä, max. 100x100 m silmukka. Kallio- ja maaperätutkimukset sekä malminetsintä. Lisätietoa.

VLF-menetelmä ja VLF-R -menetelmä: Geonics EM16-R (2 kpl); Asemat mm. GBR, FUO, JXZ, DHO38. Maa- ja kallioperän rakennetutkimukset. Lisätietoa VLF- ja VLF-R -menetelmistä.

Mini-Slingram: Gefinex 200S; minimikytketty dipoli-dipoli järjestelmä, L=0.9 m, f=47.5 kHz. Metallinpaljastin.

Omapotentiaalin mittaus (SP): Fluke-yleismittarit, polarisoitumattomat CuSO4-elektrodit. Johderakenteiden kartoitus. Lisätietoa.

Muut laitteet: maastotietokoneet, korkeusvaaitus ja etäisyysmittaus, datankeruulaitteet, GPS-paikannus, radiopuhelimet, akut, kaapelit, metalli- ja CuSO4-elektrodit, jännitemittarit, "suskismittari", ym.

Ohjelmistot

ESRI ArcGIS paikkatietojärjestelmä, Encom Modelvision (grav.+magn.) & Profile Analyst, AEMR TEM-Researcher, Geode seismiset ohjelmat, Roadscanners Geodoctor & DECO Radexplorer maatutkaohjelmat, Sandmeier ReflexW (seism.+GPR). Lisäksi monia omia mallinnus-, tulkinta- ja prosessointiohjelmia. Muita ohjelmia mm. Golden Softwaren Grapher, Surfer ja Voxler.

Petrofysiikan laboratorio

GTK:n valmistamassa petrofysiikan laboratoriossa on laitteisto kivinäytteiden tiheyden määrittämiseksi sekä magneettisen suskeptibiliteetin ja sähkönjohtavuuden (induktiiviseksi) mittaamiseksi.

Geokemian laboratoriossa suoritetaan kivi- ja maaperänäytteiden liuotusta, mineraalien separointia, erilaisia titrauksia, adsorptiotutkimuksia sekä analyysitoimintaa käyttäen FAAS-, GAAS, XRF-, XRD-, FTIR-, LECO- ja spektrofotometrisiä menetelmiä. Ne soveltuvat kiinteiden aineiden ja nesteiden monipuoliseen analysointiin.

Geotekninen laboratorio on kaivannaisalan tiedekunnan ja vesi- ja ympäristötekniikan yhteinen laboratorio, jossa tehdään geoteknisiä perusmäärityksiä maaperänäytteille ja teollisuuden sivutuotteille, kuten rikastushiekat, tuhkat ja kuonat, käyttäen esim. paisuntakoe-, kolonnikoe- ja routakoelaitteistoa ja ödometriä. Määritettäviä ominaisuuksia ovat mm. rae- ja rakenneominaisuudet, hydrauliset ominaisuudet, leikkauslujuus ja kokoonpuristuvuus. Myös vesien happi-isotooppimääritykseen on olemassa oma mittauslaite.

Tila toimii myös geomekaaniikan, geoympäristötekniikan ja maaperägeologisten kurssien harjoituslaboratoriona.

Materiaalianalyysikeskuksessa on yliopiston tutkijoiden käytössä useita analyysilaitteita. Geologisessa ja rikastusteknisessä tutkimuksessa keskeisimpiä laitteita ovat:

Elektronimikroskoopit:

• Zeiss Sigma kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskooppi (FESEM)
• Jeol JXA-8200 röntgenmikroanalysaattori (EPMA)

Röntgentutkimuslaitteet:

• Siemens D5000 röntgendiffraktometri (XRD)
• Bruker AXS S4 Pioneer röntgenfluoresenssispektrometri (XRF)

Ohuthielaboratoriossa valmistetaan kiinteistä materiaaleista (kivet, betoni, kuona jne.) ohuthieitä, kiillotettuja ohuthietä sekä kiillotettuja nappeja mikroskooppista ja mineraalianalyyttistä tutkimusta varten. Yksiköllä on noin 12000 ohuthieen kokoelma käsittäen pääasiassa näytteitä aikaisemmista tutkimusprojekteista 1960-luvulta alkaen.

Kivien, malmien, kuonien ja muiden kiinteiden aineiden koostumuksen ja rakenteen tutkimuksessa mikroskoopeilla on suuri merkitys. Yksikössä on opetuksessa käytettävän mikroskooppiluokan lisäksi tutkimuskäytössä korkeatasoisia polarisaatiomikroskooppeja, kuten Zeiss Axionplan 2 ja Olympus BV60.

Oulu Mining School Tutkimuskeskuksessa on maailman ensimmäinen yliopistoympäristöön rakennettu jatkuvatoiminen automatisoitu koerikastamo. Tutkimus- ja tuotantolaitos kattaa mineraalien rikastamon mittakaavassa 1:2500, ja se perustuu Pyhäsalmen kaivoksen rikastamoon. Vuonna 2012 käyttöön otettu koerikastamo tarjoaa innovatiivisen ympäristön rikastusteknisten yksikköprosessien opetukseen ja tutkimukseen. Koerikastamo myös edistää Oulun yliopiston pyrkimyksiä kansainväliseksi mineraalitekniikan tutkimuksen edelläkävijäksi.

Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) ja Suomen yliopistojen geotieteiden laitokset perustivat vuonna 2007 yhteisen isotooppitutkimuslaboratorion GTK:n Espoon aluetoimistoon. Vuonna 2014 laboratoriota laajennettiin niin, että tämä Suomen geotieteiden tutkimuslaboratorio (SGL) sisältää nykyään seuraavat laitteet:

•LA-MC-ICP-MS (laserablaatiomassaspektrometri, laser ablation multicollector inductively coupled plasma mass spectrometer)

•LA-HR-ICP-MS (korkearesoluutioplasmaspektrometri, high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometer)

•FESEM (kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskooppi, field emission scanning electroprobe)

Samoin GTK ja yliopistojen geotieteiden yksiköillä on mahdollisuus käyttää pohjoismaiden rahoittaman NORDSIM-yhteislaboratorion laitteita. NORDSIM-laboratorio sijaitsee isotooppigeologian laboratoriossa Ruotsin luonnonhistoriallisessa museossa Tukholmassa ja on perustettu Cameca 1280 ion microprobe -instrumentin ympärille.

Geologian tutkimuskeskus (GTK) on työ- ja elinkeinoministeriön alainen sektoritutkimuslaitos, jossa on useita satoja työtekijöitä jakautuneena neljään aluetoimistoon (Espoo, Kuopio, Kokkola, Rovaniemi). Yhteistyö GTK:n ja Oulun yliopiston välillä on tiivistä käsittäen opetuksellista yhteistyötä, yhteisiä tutkimushankkeita sekä GTK:n ja yliopistojen geotieteiden laitosten yhteisen tutkimuslaboratorion, ks. Suomen geotieteiden tutkimuslaboratorio (SGL).

VTT on moniteknologinen valtion sektoritutkimuslaitos.

Merkittävimpiin kaivos- ja rikastustekniikan alan yhteistyökumppaneihin kuuluvat: Metso, Sandvik, Normet, Schneider Electronics.

Kaivosalan yrityksiä, joiden kanssa on tehty yhteistyötä viime aikoina, ovat mm. Outokumpu (Kemi-kaivos), Terrafame Oy, Anglo American (Sakatti), Agnico Eagle (Kittilä), Boliden (Kevitsa, Kylylahti), First Quantum (Pyhäsalmi), Yara ( Siilinjärvi), Sotkamo Silver (Taivaljärvi), Gold Fields Arctic Platinum (Suhanko)