Korkean resoluution heijastusluotauksen käyttö pohjavesiesiintymien rakenteen ja hydrogeologisten ominaisuuksien tutkimuksessa Suomessa

Transkriptio

1 Korkean resoluution heijastusluotauksen käyttö pohjavesiesiintymien rakenteen ja hydrogeologisten ominaisuuksien tutkimuksessa Suomessa Loppuraportti FT Joni Mäkinen & FM Elina Ahokangas, Turun yliopisto / maantieteen ja geologian laitos 1. Tausta Tämän tutkimushankkeen tavoitteena oli ensimmäistä kertaa Suomessa selvittää liikkuvalla kalustolla tehtävän matalaseismisen heijastusluotauksen (HRSR eli High-Resolution Seismic Reflection) käyttömahdollisuuksia pohjavesiesiintymien rakenteen ja hydrologisten ominaisuuksien tutkimuksessa. Tämä korkean resoluution (optimioloissa jopa 1-2 m vertikaaliresoluutio) seisminen tutkimusmenetelmä mahdollistaa laajojen ja kerrospaksuudeltaan suurien muodostumien nopean rakennetutkimuksen. Menetelmän korkea resoluutio pyritään saavuttamaan käyttämällä seismisenä lähteenä vibraattoria, jolla on esim. rajäytyksiin verrattuna laajempi taajuuskaista. Perinteisessä heijastusseismiikassa työskentelyä hidastaa geofonien istuttaminen maahan, mikä vaatii myös usean henkilön työpanoksen. Käytettäessä liikkuvaa kalustoa kaikki geofonit on sijoitettu ja yhdistetty toisiinsa nk. streamerin avulla, jolloin koko geofonilevitys liikkuu yhtenäisesti mittauspisteeltä toiselle, mikä nopeuttaa varsinaista mittausta huomattavasti. Geofoneissa ei käytetä perinteisiä piikkejä vaan kontakti geofonien ja maankamaran välillä muodostuu ilman erillisiä toimenpiteitä. Tästä on toisaalta seurauksena rekisteröintien laadun heikentyminen, jota kompensoidaan käyttämällä tekniikkaa ainoastaan kovapohjaisilla alustoilla, kuten sorateillä. HRSR -menetelmä tarjoaa maatutkaa huomattavasti paremman syvyysulottuvuuden ja taittumisluotaukseen verrattuna mahdollisuuden tarkempaan sisäisen rakenteen kuvaamiseen riippumatta seismisiltä nopeuksiltaan erilaisten kerrosten jakaumasta. Tutkimuskohteena oli Säkylänharjun-Virttaankankaan huomattava harjumuodostuma. Alueelle sijoittuva Turun seudun tekopohjavesihanke tarjoaa kallio-, maaperä-, ja pohjavesiolosuhteiltaan vaihtelevan testialueen sekä monipuolisen referenssiaineiston, johon sisältyy myös alueen rakennetta ja sen syntyä kuvaava kerrostumismalli. Lisäksi tutkimuksen tulokset ovat suoraan hyödynnettävissä alueen kolmiulotteiseen hydrogeologiseen malliin, joka toimii perustana pohjaveden 60-kerroksiselle virtausmallille. Virttaankankaan harjuaineksen paksuus on yleisesti m, mutta yltää jopa 100 m syvän kallioperän

2 murroslinjan kohdalla, jonka pohjaosissa sijaitsevat pohjavesiesiintymän vaikeimmin tutkittavissa olevat kerrostumat. Seismisillä heijastusluotauksilla saadaan tärkeää linjatietoa kalliopinnan vaihtelusta ja sen yläpuolisten maalajikerroksien/pääkerrostumisyksiköiden jatkuvuuksista ja paksuuksista, jotka ohjailevat pohjaveden muodostumista ja virtausreittejä. Seismisestä rakennetulkinnasta saadun kerrostumisympäristön tulkinnan perusteella voidaan lisäksi arvioida eri yksiköiden mahdollisia jatkuvuuksia seismisten linjojen ulkopuolella. 2. Menetelmä 2.1. Matalaseismiseen luotaukseen ja laitteistoon perehtyminen Kanadan Ottawassa tutkimusvierailulla Ennen Suomessa toteutettavia mittauksia kävimme tutustumassa heijastusluotauslaitteistoon ja sen käyttöön André Puginin (Geological Survey of Canada (GSC)) isännöiminä Ottawassa, Kanadassa. Matkalle osallistuivat hankkeen yhteyshenkilö FT Joni Mäkinen ja väitöskirjatyöntekijä FM Elina Ahokangas Turun yliopistosta, FT Antti Pasanen ja TkT Heikki Vanhala Geologian tutkimuskeskuksesta sekä FT Kari Moisio Oulun yliopistosta. Perehdyimme matalaseismiseen heijastusluotaukseen ja laitteiston käyttöön kenttäolosuhteissa 2 päivän ajan GSC:n testialueella (John Shaw Rd, Gatineau, Quebec). Testiluotauksessa käytettiin lähes samankaltaista kalustoa kuin itse Virttaankankaan luotauksissa. GSC käyttää normaalissa tuotantokäytössä Hz taajuuskaistaa. GSC:n landstreamer sisälsi 48 kolmikomponenttista geofonia (144 kanavaa), geofonivälinä oli 1,5 m ja lähdepisteiden väli 4,5 m (Pasanen 2011). Kanadan geologiset olosuhteet ovat menetelmän kannalta hyvin suosiolliset. Sedimentit ovat liki maanpintaan asti veden kyllästämiä ja ne koostuvat suurelta osin hienoainespitoisista merisedimenteistä. Niistä saatavat heijastukset ovat voimakkaita ja selviä. Vierailuun kuului lisäksi yhteinen workshop-tapahtuma (Groundwater in unconsolidated sediments), jossa esiteltiin sekä suomalaista että kanadalaista teemaan liittyvää tutkimusta. Tutustuimme lisäksi paikalliseen geologiaan päivän kenttäretkellä.

3 2.2. Luotauksen toteutus Virttaankankaalla Korkean resoluution seismistä heijastusluotausta testattiin liikkuvalla landstreamer-kalustolla Virttaankankaan tekopohjavesialueella välisenä aikana. Luotauskaluston toimitti COWI Consulting Group Tanskasta ja geofyysikko Soren Nielsen vastasi maastomittauksista ja kaluston käytöstä. Linjaston suunnittelusta vastasivat FT Joni Mäkinen, FT Aki Artimo (TSV Oy) ja FM Elina Ahokangas. Laitteiston toimivuus testattiin ennen varsinaista luotausta ajamalla testilinja (linja 3), jonka pituus oli 0,4 km. Luotauslinjoja ajettiin yhteensä 9 kpl ja niiden yhteispituus oli 8,2 km. Sääolosuhteet olivat suotuisat eikä yhtäkään suunniteltua linjaa jäänyt ajamatta sateen takia. Testimittauksista ja luotausohjelmasta vastasi Nielsenin ohella geofyysikko André Pugin (Geological Survey of Canada), joka suoritti aineiston esiprosessoinnin kenttätyöjakson aikana. Hankkeen maastotöissä ja käytännön järjestelyissä avustivat Turun Seudun Vesi Oy:n tutkimushenkilökunta (3 henkilöä), Geologian Tutkimuskeskuksesta pääasiassa 5 henkilöä sekä väitöskirjaohjattava FM Elina Ahokangas. Mittaushankkeen vastuullinen vetäjä Joni Mäkinen vastasi liikenne- ja liikenteenohjauksen järjestelyistä ja työturvallisuudesta. Tätä varten hän suoritti Tieturva I (perustaso) ja Tieturva II (johtotaso) koulutuksen. Lisäksi yleisillä maantieosuuksilla liikenteenohjauksessa avusti kaksi sotilaspoliisia Säkylän varuskunnasta. Aineiston prosessointi jatkui André Puginin toimesta Kanadassa loppuvuodesta Prosessointia varten tarvitut linjojen koordinaattimuunnokset tehtiin Turun yliopistolla. Geologian tutkimuskeskukselta saatiin luotausaineiston topografiakorjauksessa tarvittu laserkeilausmalli ja Turun Seudun Vesi Oy:ltä tulkinnassa tarvittava referenssikairausaineisto. Prosessoidut linjat saatiin Puginilta Suomeen marraskuussa Toukokuussa 2012 tehtiin TSV Oy:n avustamana kolme lisäreferenssikairausta linjoille 1 ja 4. Näiden tietojen perusteella A. Pugin teki tarkistukset ja korjaukset linja-aineistoon Luotauslaitteisto ja käytetyt asetukset Varsinainen landstreamer- luotauslaitteisto muodostuu kahdesta pääosasta (kuva 1): Minibuggymaastotraktorista ja sen perässä vedettävästä landstreamer-letkasta. Traktoriin on rakennettu kiinteästi mm. seismografit, tietokone, näyttö, etäisyysmittaus ja GPS-paikannin sekä Minivib - tärytin (energialähde, kuva 1). Virttaankankaan luotauksessa käytettiin taajuuskaistana Hz, 5+1 s pyyhkäisyä ja 4 m siirtoväliä (lähdepisteiden etäisyys). Landstreamer-letka muodostuu kiinteälle alustalle kiinnitetyistä geofoneista, jotka on kytketty peräkkäin jonoon ja kiinnitetty tukevaan vedettävään nauhaan.

4 Virttaankankaan tutkimuksessa landstreamerin alkuosassa oli yhteensä 48 kpl kolmikomponenttisia geofoneja 1 m välein, joiden perässä oli 74 kpl vertikaalikomponenttisia geofoneja 2 m välein. Käytössä oli siten yhteensä 216 kanavaa, joista kanavat olivat kolmikomponenttisille geofoneille ja kanavat vertikaalikomponentin geofoneille. Landstreamer-letkan kokonaispituus oli 200 m (196 m + offset 4 m täryttimestä ensimmäiseen geofoniin). Luotauksen syvyysulottuvuus on riippuvainen käytetyn letkan pituudesta ja Virttaankankaan tapauksessa tarkoituksena oli, että kalliopinnan taso saavutettiin myös oletettua syvemmältä. A B Kuva 1. A) Landstreamer-letka ja siihen kuuluvat kolmikomponenttigeofonit (keltaiset) sekä vertikaalikomponenttigeofonit. B) Lähikuva ajoneuvon keskellä sijaitsevasta Minivib täryttimestä (halkaisija 1 m). Kuvat: A) Elina Ahokangas 2011 ja B) Joni Mäkinen Käytännön kokemukset luotauksen toteutuksesta Keskeinen osa luotausta oli käytännön käyttökokemuksen saanti koskien laitteiston kasaamista, purkamista ja käyttöä kohteella. Luotaukset onnistuvat ainoastaan tiestöä ja metsäteitä tai isoja polkuja pitkin. Päällystetyn tiealueen ulkopuolella toimiva alusta on kova hiekka- tai soratie, jossa pintamaa ei tärytyksen aikana pääsee liikkumaan. Luotauksen onnistumiseksi landstreamer-letkaa täytyy jatkuvasti valvoa ja tarvittaessa siirtää ja ohjata tiellä. Tämä varmistaa sen, että laitteisto ei pääse juuttumaan alustan epätasaisuuksiin, liukumaan pois tieltä tai kääntymään ylösalaisin. Onnistunut luotaus edellyttää, että kaikki letkassa olevat geofonit ovat kunnon kontaktissa maahan eivätkä pääse kääntymään nurinpäin tai kyljelleen. Lisäksi on noudatettava erityistä varovaisuutta silloin kun laitteisto on siirtymässä. Letkan päälle ei saa astua sen liikkuessa (kaatumis-/takertumisvaara) eikä missään olosuhteissa ajaa sen

5 päältä ajoneuvolla (takertumis-/särkymisvaara). Tämän vuoksi kaikki autoliikenne oli pysäytettävä aina kun ylitettiin teitä ja jokaiseen risteykseen asetettava joku vartioimaan liikennettä. Erityisesti mutkaisilla ja kaltevilla tieosuuksilla letkaa valvovan henkilöstön määrä ja tarve kasvaa. Lisäksi mutkaiset tiet lisäävät luotaukseen kuluvaa aikaa, koska letka ei pääse kulkemaan suorassa. Tien kaltevuus aiheuttaa myös suuremman riskin, että letka pääsee liukumaan ojaan. Näissä tilanteissa on oltava riittävästi henkilöstöä siirtämässä laitteistoa, koska pelkkä letka yksistään painaa satoja kiloja. Tasaisemmalla ja suoremmalla tiellä (riippuen geofoniletkan pituudesta) 3 henkeä on riittävä määrä, alustan kaltevuuden ja tien mutkaisuuden kasvaessa tarvitaan vähintään 5 henkilöä (kuva 2). Kuva 2. Landstreamer-letkan ohjausta epätasaisella ja mutkittelevalla alustalla. Kuva: Elina Ahokangas Kaikkea ylimääräistä liikettä landstreamer-letkan vierellä tulee välttää pyyhkäisytapahtuman aikana, jotta geofonit eivät rekisteröi ylimääräistä meteliä. Rankkasade aiheuttaa voimakasta häiriötä geofoneihin, minkä vuoksi luotausta ei voida tehdä sen aikana. Laitteiston tuonti- ja käyttökustannukset huomioiden on parempi varata 1 2 ylimääräistä luotauspäivää aikatauluun huonon sään varalta kuin seisottaa laitteistoa käyttämättä.

6 3. Tulokset 3.1. Luotausaineiston resoluutiosta Vertikaaliresoluutio on riippuvainen seismisen signaalin aallonpituudesta, johon vaikuttavat signaalin taajuus ja seisminen nopeus. Virttaankankaan luotausaineiston vertikaaliresoluutio on noin 5 m. Tämä tarkoittaa, että tätä etäisyyttä lähempänä olevia rakenteita ei pystytä aineistosta enää erottamaan yksittäisiksi heijasteiksi. Tätä lukemaa on mahdollista parantaa tarkemmalla prosessoinnilla linjojen valituista osista. Tässä vaiheessa linjoja 1 ja 4 on korjattu luotauksen jälkeen tehtyjen referenssikairausten (3 kpl) tietojen perusteella. Erotuskyky on riippuvainen erityisesti korkeammista taajuuksista sekä myös migraation onnistumisesta, koska migraatiolla ei ainoastaan korjata geometriaa todellisuutta vastaavaksi vaan sillä pystytään myös parantamaan resoluutiota. Onnistuneen migraation edellytys on mahdollisimman hyvä ja realistinen nopeusmalli. Virttaankankaan tapauksessa resoluutiota heikentää oleellisesti korkeampien taajuuksien vaimeneminen paksun ja kuivan maaperäkerroksen vaikutuksesta Kallionpinta Virttaankankaan alueella kallionpinta tavoitettiin jokaisella heijastusluotauslinjalla. Sen syvyys vaihteli 6 m jopa 120 m maanpinnasta. Kalliopinnan paikantamiseksi aineiston prosessoinnissa käytettiin ns. maksimienergiapintaa, joka huomioi voimakkaimman heijastajan sektiosta. Paikoitellen kallionpinnan tuottama heijaste oli niin voimakas, että se aiheutti tämän heijasteen moninkertaistumisen (ns. sointiilmiön). Tällaiset kallionpinnat on tulkittu yhtenäisiksi ja tasaisiksi pinnoiksi, joissa ei ole juurikaan rapautumista tai rakoilua. Lisäksi luotauslinjalla 1 kallionpinta oli oletettua korkeammalla, vain 6 m maanpinnasta (kairausvarmistus), mikä osaltaan vaikutti voimakkaan heijasteen syntymiseen. Virttaankankaan itäosassa kulkeva ruhjelaakso havaittiin niin ikään selvästi luotauslinjoilla. Siihen liittyy mahdollisesti paikoitellen vanhempia sedimenttejä, joiden laajuudesta ei ole täyttä varmuutta. Saimme myös viitteitä kallioperän litologisesta vaihtelusta ja rakoilusta luotauslinjojen alueella. Virttaankankaan alla kallioperä muodostuu pääasiassa granodioriitista ja kvartsidioriitista (Veräjämäki 1998). Tutkimusalue sijaitsee noin 10 km päässä Satakunnan hiekkakivialueesta. Tämän tutkimuksen kalliopinnan tason havaintojen ja referenssikairauksen 1 pohjalta mahdollisesti tavatun 1 m paksun hiekkakiven perusteella on oletettavissa, että Virttaankankaan alla on vielä entuudestaan tuntemattomia hiekka-

7 kiven satelliittialueita. Tämän luotauksen tutkimustarkoituksen kannalta kallioperän litologian tuntemuksella ei sinänsä ole suurta merkitystä. Kallioperän rikkonaisuudella on jonkin verran vaikutusta mm. pohjaveden varastoitumisen kannalta, mutta Virttaankankaan akviferin mittakaavassa sen merkitys on vähäinen. Paikoitellen on heijastusaineistossa havaittavissa selvästi rikkonaisempaa kallionpintaa, jossa on voimakasta rakoilua ja rikkoutumista. Näiden kohdalla yläpuolisten, kalliota peittävien sedimenttien tuottamat heijasteet saattavat osittain sekoittua varsinaiseen kalliopinnan heijasteeseen. Kalliopinnan tulkinnassa muita ongelmallisia alueita ovat erityisesti karkean harjuytimen alapuoliset osat. Harjuytimessä on usein erittäin suuria lohkareita, jotka ovat seismistä aallonpituutta suurempia. Tällöin suuri osa aaltoenergiasta absorboituu ytimeen, jolloin sen alapuolelta tuleva kalliopinnan heijaste heikkenee selvästi Harjuydin ja piilosupat Harjun kivinen ydin on yleensä kohtalaisen hyvin erotettavissa heijastusaineistosta, varsinkin jos alueelta on jo tulkintaa tukevaa aiempaa rakennetietoa. Paikoin ydinosan voi tulkita suoraan heijastusaineistosta. Sen muoto on tavallisesti hieman kupolimainen, joskin tämä muoto ei aina erotu suoraan luotauslinjalta. Yksi tapa tunnistaa harjuytimen sijainti ovat sen molemmin puolin sijaitsevat suppakuopat tai Virttaankankaan tapauksessa muinaisen aallokon muokkaamat piilosupat. Ne syntyvät jäälohkareiden hautauduttua sedimenttiin kun jää alkaa vähitellen niissä sulaa. Tällöin jäälohkareen yläpuoliset kerrostumat romahtavat vähitellen sulavan jään paikalle. Suppiin liittyy usein siirroksia, jotka erottuvat mm. maatutkaprofiileissa. Seismisessä profiilissa supat erottuvat kuppimaisina rakenteina, joiden reunojen kontaktit ovat terävät. Piilosuppien erottuminen perustui paljolti niiden häiriintyneeseen sisärakenteeseen ja sen tuottaman heijasteen eroavaisuuteen häiriintymättömästä sedimentistä. Virttaankankaan osalta aineisto vahvisti maatutka- ja kairausaineiston tulkinnalla saatua kuvaa ytimen mittasuhteista ja sijainnista. Erityisen tärkeä havainto pohjavesimallinnuksen ja vedenhankinnan kannalta oli ytimen sijainnin ja muodon hahmottuminen kallioperän syvän murroslinjan kohdalla.

8 3.4. Ydintä peittävät kookkaat viuhkamaiset harjulaajentumat Harjulaajentumien sisäinen rakenne pohjaveden pintaan asti (noin 20 m syvyyteen) on määritetty aiemmin vuonna 2009 GTK:n ja Turun Seudun Vesi Oy.n kanssa yhteistyössä tehtyjen maatutkaluotausten ja TSV Oy:n kairausaineistojen avulla. Harjulaajentumat ovat erotettavissa maatutkaluotaukseen perustuvan sedimentologisen mallin tuntemuksen perusteella. Näiden rajapintojen ja/tai sisärakenteiden ominaisuuksien luotettava erottaminen heijastusaineistosta ei alustavalla prosessoinnilla ole mahdollista. Osasyynä tähän on kerrosten paksuusvaihtelu ja kerrostumien sisäisten rakenteiden monimutkaisuus. Jotta jokin tietty kerros voidaan havaita, on sekä sen ylä- että alapinnasta saatava signaali. Tämä edellyttää, että on olemassa kontrasti kerrosten välisessä seismisessä impedanssissa, eli tiheyden ja/tai seismisen nopeuden on muututtava kerrosten välillä. Signaalia ei myöskään havaita, mikäli kerros on liian ohut suhteessa vertikaaliresoluutioon. Jos saadaan heijaste ainoastaan yläpinnasta, ei kerroksen paksuutta kyetä määrittämään Harjualueen stratigrafia Seismisten luotausten ansiosta saatiin uutta tietoa Virttaankankaan kerrosjärjestyksestä. Virttaankankaan suuressa ruhjevyöhykkeessä on kalliopinnan ja harjuytimen välissä paikoitellen vanhempia moreenimaisia kerrostumia, joiden paksuus on referenssikairauksen perusteella jopa 20 metriä (kuva 3). Harjun varsinainen ydinosa ja sitä peittävät viuhkamaiset harjulaajentumat ovat kerrostuneet niiden päälle. Ruhjeessa olleet vanhemmat sedimentit ovat nostaneet kerrostumisalustan tasoa ylemmäksi kuin mitä se olisi ilman näitä vanhempia sedimenttejä. Tämän johdosta harjun ytimen kulku sekä harjuviuhkojen kerrostumissuunnat ovat muuttuneet verrattuna tilanteeseen, jossa vanhempia alapuolisia sedimenttejä ei ole. Pohjaveden virtauskuvan ja hydrologisten yksiköiden kannalta tällä tiedolla on suurta merkitystä, koska vastaavanlaisia vanhempia sedimenttejä löytyy oletettavasti muidenkin harjujen ydinosien alta.

9 Kuva 3. Heijastusluotauksen P-aalto profiilikuvaajat kallioperän murroslinjan (musta viiva, pohjataso 15 m m.p.y.) poikki viistoon kulkevalta luotauslinjalta 4 ennen referenssikairausta REF_3 (ylhäällä) ja jälkeen (alhaalla). Alakuvasta voidaan erottaa harjuytimen alainen noin 20 m paksu diamiktoni/moreenikerrostuma (yläpintana vihreä viiva) ja sen alla oleva korjattu kalliopinta (yläpintana punainen viiva). Harjuydin (keltainen viiva) näkyy linjalla kahdesti, koska se kääntyy seuraamaan murroslinjaa oikealta vasemmalle.

10 3.7. Pohjavedenpinta, orsivesi Pohjavedenpinta on jossain määrin erotettavissa seismisiltä heijastusluotauslinjoilta. Huomionarvoista oli hienoainespitoisten harjukerrostumien päällä olevien orsivesien erottuminen hyvin S-aaltokuvista. HRSR-luotauksilla on siten hyvä käyttöarvo juuri laajojen hienoainespitoisten kerrostumien ja niihin paikoin liittyvien orsivesiesiintymien alaisten sedimenttien tutkimuksessa. Näissä olosuhteissa maatutkaluotauksella ei saavuteta riittävää läpäisyä. Tällainen kohde on esimerkiksi Hämeenkangas. 4. Johtopäätökset 4.1. Seismisen luotausaineiston keruu ja prosessointi Seismisen heijastusaineiston keruu landstreamer tekniikkaa hyödyntäen on huomattavasti nopeampaa ja vähemmän työvoimaa vaativaa kuin perinteisen heijastusseismiikan käyttö. Perinteisessä heijastusseismiikassa geofonit on istutettava yksitellen maahan koko luotauslinjan pituudelta. Sillä pystytään tekemään käytettävissä olevien geofonien määrästä ja aaltolähteestä riippuen maksimissaan rekisteröintiä työvuorossa (Pasanen 2011). Normaalissa tuotantokäytössä Kanadan geologian tutkimuskeskuksen (GSC) kehittämällä landstreamerilla voidaan mitata jopa 1000 rekisteröintiä työvuorossa. Tutkittavien alueiden tulisi olla topografialtaan melko tasaisia ja niillä tulee olla riittävästi hyväkuntoista tiestöä. Seismistä heijastusluotausaineistoa on mahdollista prosessoida tarkemmin joltakin tietyltä alueelta. Nyt tehdyssä alustavassa prosessoinnissa on käsitelty koko linja ja profiilissa korostuu erityisesti linjan syvempi osa mittakaavasyistä. Luotausprofiilin mittakaavasta johtuen itse irtomaakerroksen osa jää pakostakin pienemmäksi ja erotuskyvyltään heikommaksi visuaalisessa tarkastelussa. Jotta irtomaakerroksesta saadaan yksityiskohtaisempi ja tarkempi kuva, on aineistoa prosessoitava uudelleen siltä osalta linjaa, mistä yksityiskohtaisempaa tietoa tarvitaan. Tällä hetkellä esimerkiksi Geologian tutkimuskeskuksessa on kuitenkin hyvin vähän matalaheijastusseismisen aineiston käsittely- ja tulkintaosaamista, mikä tarkoittaa prosessoinnin koulutuksen lisäämistarvetta.

11 4.2. Seismisen luotausaineiston tulkinta Heijastusluotausaineiston tulkinta osoittautui haasteelliseksi Virttaankankaan kompleksisuuden sekä matalaseismistä heijastusluotausaineistoa koskevan tulkintakokemuksen puuttumisen vuoksi. Seismisen heijastusaineiston prosessointi ja tulkinta on riippuvainen maankamaran seismisten nopeuksien tuntemuksesta. Heijastuluotauksen avulla seismisiä nopeuksia ei saada selville yhtä suoraviivaisesti kuten esim. refraktioseismisessä luotauksessa, vaan näiden nopeuksien määrittäminen muilla menetelmillä (aiemmat tutkimukset esim. refraktioluotaus, muut mittaukset, tuntemus kerrostumien raekokovaihtelusta) helpottaa aineiston prosessointia ja tulkintaa. Aineiston tulkinta vaatii ymmärtämystä muodostuman syntyolosuhteista ja kerrostumisympäristöstä. Tulkinnan onnistuminen vaatii lisäksi edustavan referenssiaineiston sekä rakenteeltaan ja kallioperältään nopeasti vaihtelevilla alueilla tulisi referenssikairausten sijoittua mahdollisimman lähelle ajettua linjaa Seismisen heijastusluotauksen käyttökelpoisuus ja -mahdollisuudet Suomessa Kanadassa maaperäkerrostumia tutkittaessa on käytäntönä aloittaa tutkimukset geofysiikalla, Puginin tutkimusryhmän tapauksessa HRSR-luotauksella. Virttaankankaan alueella haastavin tekijä on syvällä oleva pohjavedenpinta ja paksu kuiva maakerros. Sama ongelma on myös monilla muilla Suomen saumaharjuilla sekä reunamuodostumilla. Syvällä oleva pohjavedenpinta aiheuttaa sen, että korkeimmat taajuudet vaimenevat nopeasti ja vertikaaliresoluutio heikkenee. Saumaharjujen kohdalla haasteeksi muodostuu lisäksi ydinosan sijainti hyvin syvällä, jopa m syvyydessä maanpinnasta. Tällöin on erityisen haasteellista havaita luotettavasti kallionpinta harjun ydinosan alapuolelta. Virttaankankaan tyyppisissä olosuhteissa pääpaino on P-aaltojen tuottaman jatkuvan linjadatan tulkinnassa, joskin paikoin S-aaltojen avulla saatiin tarkempaa tietoa kerrostumien rakenteesta (varsinkin kun pohjavesi oli lähimmillään maanpintaa eli noin 10 m pinnasta). Virttaankankaan luotauskokemuksen perusteella toteamme, että menetelmä on käyttökelpoinen Suomen olosuhteissa. Pääpaino on kallionpinnan tason ja harjujen suurten geometristen rakenteiden hahmottamisessa ja jatkotutkimusten ohjaamisessa. Menetelmä soveltuu hyvin alueille, joilla pohjavesi on lähellä pintaa, jolloin myös S-aaltojen prosessoinnilla ja tulkinnalla saadaan tarkempaa tietoa kerrosrakenteesta. Näiden ohella menetelmä soveltuu erityisesti hienoainespeitteisten harjujen tutkimukseen. Tutkittavien muodostumien kerrospaksuuksien tulee kuitenkin olla riittävät, koska menetelmän yksi

12 keskeinen hyöty on sen hyvä syvyysulottuvuus. Lisäksi olisi hyvä olla aiempaa tutkimusaineistoa, josta on saatavissa alustava käsitys kalliopinnan tasosta sekä muodostuman ominaisuuksista. Luotausten perusteella voidaan tarkemmin kohdentaa tutkimuksia tietyille alueille ja sisällyttää niihin maaperän rakenteita tarkemmin kuvaavat maatutkaluotaukset ja kairaukset. Menetelmän kannalta ideaalisia olosuhteita ajatellen soveltuvia tutkimuskohteita ovat erityisesti lounais- ja länsirannikon savikkoalueet ja niillä sijaitsevat hienoaineksen/moreenin peittämät piiloharjut sekä sedimenttikivialtaat ja niiden yläpuoliset glasiaalisedimentit (Satakuntamuodostuma ja Muhosmuodostuma) (Pasanen 2011). Näillä alueilla glasifluviaalisten kerrostumien tutkimukseen parhaiten soveltuva maatutkaluotaus ei onnistu. Tutkittavia kohteita ovat myös kaikki muutkin harjumuodostumat etenkin niiltä osin, joilla maatutkan syvyysulottuvuus on riittämätön. HRSR-menetelmä ei voi kuitenkaan täysin korvata maatutkaa glasifluviaalisten sedimenttien syntyprosessien ja kerrostumisvaiheiden tutkimuksessa tai rakennemallinnuksessa. Vesihuoltohankkeiden osalta menetelmän käyttöä on harkittava tapauskohtaisesti. Jos alueella on tutkimukseen soveltuvaa tiestöä, niin menetelmän käyttö on perusteltua kun: - tutkittava alue on laaja ja/tai pääosin kerrospaksuudeltaan (> m) suuri (erityisesti jos lähtötiedot vähäiset ja pohjavesi lähellä maanpintaa) - maaperän pintaosassa on laajalti hienoa ainesta tai moreenia, jota maatutka ei läpäise - kalliopinta on maatutkan ulottumattomissa ja tarvitaan jatkuvaa linjatietoa kalliopinnan tasosta ja sen suhteesta yläpuolisiin kerrostumiin tai pohjaveden virtausta sääteleviin suurrakenteisiin - kallioperän ruhjevyöhykkeillä iso merkitys pohjavesivirtaukselle, mutta niiden kerrostumat heikosti tunnettuja Maaperäkerrostumien rakenteen (maatutkasedimentologian) ja siihen vaikuttaneen jäätikködynamiikan korkeatasoisella osaamisella voidaan usein merkittävästi korvata tutkimusaineiston vähäisyyttä. Liikkuvan heijastusseismisen tutkimuksen avulla voidaan saada jatkuvaa linjatietoa sedimenttien sisäisestä rakenteesta syvyyksillä, joihin esim. maatutkalla ei päästä Hankkeen kustannukset ja kustannus-hyöty suhde Hankkeen kokonaiskustannukset olivat (Taulukko 1), josta VVY:n osuus , Renlund säätiön osuus ja Turun seudun Vesi Oy:n osuus Tanskalaisen COWI konsulttitoimis-

13 ton seismisten heijastusluotausten osuus (5 vrk) on , josta henkilöstökulut COWI konsulttitoimiston laitteistovuokrat on saatu noin 50 % oppilaitosalennuksena. Kanadalainen tutkija A. Pugin (GSC) osallistui hankkeen toteutukseen Suomessa ja heijastusluotausaineiston prosessointiin matka- ja majoituskuluja vastaan. Geologian tutkimuskeskuksen ja Turun Seudun Vesi Oy:n henkilökunta osallistuivat hankkeeseen ilman kuluja. Liikennejärjestelyissä tarvittavat kiinteät liikennemerkit saatiin lainaan Destia Oy:ltä ja kaksi sotilaspoliisia Säkylän varuskunnasta toimi liikenteen ohjauksessa ns. ruokapalkalla. Taulukko 1. Hankkeen kustannukset (sis. alv) Pääkustannustekijät Euroa Seisminen heijastusluotaus COWI (5 vrk) Matka- ja majoituskulut Referenssikairaukset 3 kpl (Destia Oy) Aineet ja tarvikkeet Turun yliopisto, yk-lisä Muut kulut 705 Yhteensä Oman heijastusluotauslaitteiston investointikulut olisivat karkeasti arvioiden > euroa. Suurimmat investoinnit tulisivat seismografeista (144 kanavaa) sekä täryttimestä ja ajoneuvosta, johon laitteisto rakennetaan. Laitteella tulisi olla myös miehistö (2-4 hlö), jotka tuntevat laitteen ja mittaustekniikan läpikotaisesti sekä pystyvät huoltamaan sekä kehittämään sitä eteenpäin (Pasanen 2011). Lisäksi aineiston prosessointi ulkopuolisena työnä maksaisi arviolta noin 1000 euroa/päivä. Päivän aikana hankitun linja-aineiston (noin 2 km) prosessointiin kuluu suunnilleen 2 päivää. Näin ollen aineiston prosessointi ulkopuolisen ammattilaisen työnä kustantaa noin 1000 euroa/kilometri. Laitteiston ja geofyysikon vuokraus Tanskasta (ilman prosessointikuluja) tulee maksamaan arviolta noin euroa/5 vrk ja tästä kaluston kuljetuskustannusten osuus on noin viidennes. Heijastusluotauskilometrin hinnaksi vuokratyönä tulee näin karkeasti arvioiden prosessointi (noin ). Lisäksi tulevat vielä tulkintakustannukset, jotka riippuvaisia tutkimuksen toteutustavasta ja heijastusluotaus- ja referenssiaineiston määrästä. Kustannus-hyötysuhdetta voidaan pitää hyvänä, jos verrataan esimerkiksi syvien porakonekairauten/ pohjavesiputkien kustannuksiin. Kustannus-hyötysuhde on kuitenkin harkittava tapauskohtaisesti ja jotta menetelmän kustannustehokuutta ja käytön etuja pohjavesien tutkimushankkeissa vuokralaitteistoa käyttämällä voidaan paremmin arvioida, tulee maassamme tehdä muutamia lisätutkimushankkeita

14 geologialtaan ja lähtöaineistoltaan erilaisissa olosuhteissa. Kustannusten minimoimiseksi tulisi näitä hankkeita suunnitella yhdessä eri toimijoiden kesken. Lisäksi on panostettava heijastusseismisen aineiston prosessointiosaamisen kehittämiseen Aineiston julkaisu, jatkokäsittely ja suunnitellut jatkotutkimukset Hankkeen tulokset tullaan julkaisemaan kansainvälisessä julkaisusarjassa. Käsikirjoituksen teko on parhaillaan käynnissä. Virttaankankaan raaka-aineiston tarkempi prosessointi alkaa yhteistyössä Oulun yliopiston ja Geologian tutkimuskeskuksen tutkijoiden kanssa vuoden 2013 alussa. Virttaankankaalta hankitaan mahdollisesti refraktioseismisellä luotauksella seismisiä nopeuksia tarkempaa nopeusanalyysia jatkoprosessointia varten. Tällä hetkellä valmistelemme seuraavaa matalaseismistä heijastusluotaustutkimusta Hämeenkankaan saumakompleksille. Tutkimuksia varten on vireillä rahoitushakemus Maa- ja vesitekniikan tuki ry:lle ja lisärahoitusta haetaan myös K.H. Renlundin säätiöltä marraskuussa Turussa Joni Mäkinen FT Elina Ahokangas FM Liitteet Turun yliopiston raportti VVY:n rahoituksen käytöstä. Lähdeluettelo Pasanen, A. (2011). Vedettävät heijastusseismiset laitteistot (Seismic landstreamer). Muistio , Geologian tutkimuskeskus. Veräjämäki, A. (1998). Kokemäen kartta-alueen kallioperä. Suomen geologinen kartta 1: Kallioperäkarttojen selitykset, lehti s. Geologian tutkimuskeskus, Espoo.