New insights into the sedimentological-geophysical research of interlobate glaciofluvial complexes in western Finland

Abstract

Interlobate eskers are the largest esker landforms in Finland. They formed in complex depositional conditions during the deglaciation of the Scandinavian ice sheet ca. 10 000 years ago. Their deposits can be 100 m thick, and they consist of high variety of sedimentary structures in large-scale depositional units. The significance of these large landforms to society is great as they host significant groundwater resources and sand and gravel deposits. In addition to protective legal procedures, thorough research and understanding of esker characteristics and groundwater conditions is vital for the sustainable use of eskers. The key to esker characterization is the use of a sedimentological approach for the recognition of the sedimentary structures and for the interpretation of the depositional conditions which formed the esker, as well as geophysical methods with adequate depth penetration. The combination of these two methods allows the characterization of large-scale architectural esker elements such as the coarse-grained esker core, overlapping esker fans and deformation structures (MUKHs) which form the basic hydrogeological units of the eskers. The reliable locating of these elements influencing the groundwater flow is essential in terms of groundwater utilization. In addition, knowledge on bedrock level and the variations in bedrock topography are needed to obtain the correct thickness of the esker deposits.

The detailed sedimentological characterization of the Lohtaja-Kivijärvi esker revealed a new type of esker formed between two ice lobes, an ice-lobe margin esker. In the case of this esker, the interlobate environment was altered by the readvance of the neighboring ice lobe, and therefore this esker is not purely an interlobate esker. This esker challenges the assumption of thick and extensive eskers being formed between two ice lobes due to its modest extent and thickness. In addition, its depositional characteristics revealed changes in the ice dynamics as well as in the meltwater flow patterns. Researching thick interlobate esker deposits down to the bedrock level has not succeeded so far because the depth penetration of the available geophysical methods in Finland has not been adequate. The results of the first landstreamer-based high resolution seismic reflection pilot surveys in Finland on complex and thick interlobate esker deposits are represented. The results show the applicability of the landstreamer-based high-resolution seismic reflection method in the characterization of the interlobate esker architectural elements and bedrock level and topography variation. The combined use of the sedimentological approach and geophysical methods (ground penetrating radar and high-resolution seismic reflection) is recommended for the comprehensive understanding of thick and complex interlobate esker deposits and in the future potentially for large ice-marginal landforms like the Salpausselkäs.

Saumaharjut ovat Suomen suurimpia harjumuodostumia. Ne syntyivät monimutkaisissa kerrostumisoloissa Skandinavian jäätikön sulamisvaiheen aikana noin 10 000 vuotta sitten. Niiden kerrostumat voivat olla 100 m paksuja, ja ne muodostuvat suuren mittakaavan kerrostumisyksiköistä ja niiden lukuisista erilaisista kerrostumisrakenteista. Näiden maaperämuodostumien merkitys yhteiskunnalle on huomattava niiden sisältämien pohjavesiresurssien sekä hiekka ja soravarojen vuoksi. Lisäksi niillä on geologista ja maisemallista arvoa. Lainsäädännöllisten toimien lisäksi harjujen ominaisuuksien ja pohjavesiolosuhteiden perusteellinen tutkimus ja ymmärrys ovat elintärkeitä harjujen kestävälle käytölle. Tämä voidaan saavuttaa harjujen suurten mittakaavan arkkitehtuuristen elementtien, kuten karkean harjuytimen, päällekkäisten harjuviuhkojen ja deformaatiorakenteiden (piilosupparakenteet), luonnehtimisella. Näiden pohjaveden virtauksen kannalta keskeisten rakenteiden luotettava paikantaminen on keskeistä pohjaveden hyödyntämisen kannalta. Lisäksi tarvitaan tietoa kalliopinnan tasosta ja vaihteluista kallionpinnan topografiassa, jotta harjukerrostumille saadaan oikea paksuus.

Lohtaja-Kivijärvi-harjun yksityiskohtainen sedimentologinen luonnehdinta paljasti uuden tyyppisen, kahden jääkielekkeen välissä syntyneen harjun, jääloobin reunan harjun. Jääkielekkeiden välinen saumaympäristö oli muuttunut toisen jääkielekkeen uudelleenetenemisen myötä, ja siksi tämä harju ei ole puhtaasti saumaharju. Tämä harju haastaa pienen laajuutensa ja paksuutensa takia oletuksen siitä, että kahden jääkielekkeen väliin syntyvät harjut ovat paksuja ja laajoja. Lisäksi sen kerrostumisominaisuudet paljastivat muutoksia jäätikködynamiikassa sekä sulamisvesien virtauskuvioissa. Saumaharjujen jopa 100 metriä paksujen kerrostumien sisäisten rakenteiden tutkiminen kalliopintaan saakka ei ole onnistunut tähän mennessä, koska Suomessa saatavilla olevien soveltuvien geofysikaalisten menetelmien (maatutkan) syvyysulottuvuus ei ole siihen riittänyt. Tämä väitöskirjatyö esittelee Suomen ensimmäisen landstreamer-perusteisen tarkan resoluution heijastusseismisen pilottiluotauksen tulokset monimutkaisilta ja paksuilta saumaharjukerrostumilta. Tulokset osoittavat landstreameriin perustuvan tarkan resoluution heijastusseismisen menetelmän soveltuvuuden saumaharjujen arkkitehtuuristen elementtien sekä kallioperän tason ja topografian vaihtelun tarkasteluun. Sedimentologisen lähestymistavan ja geofysikaalisten menetelmien (maatutka ja tarkan resoluution heijastusseismiikka) yhteiskäyttöä suositellaan, jotta saavutetaan kokonaisvaltainen ymmärrys monimutkaisista saumaharjukerrostumista ja mahdollisesti tulevaisuudessa suurista reunamuodostumista, kuten Salpausselistä