ASIAKAS: SAIMAAN AMMATTIKORKEAKOULU, ETELÄ-KARJALAN KIVIKLUSTERI -PROJEKTI

Transkriptio

1 KALLION RIKKONAISUUDEN GEOFYSIKAALISET TUTKIMUKSET GRANIITTILOUHIMOLLA WWE ASIAKAS: SAIMAAN AMMATTIKORKEAKOULU, ETELÄ-KARJALAN KIVIKLUSTERI -PROJEKTI Eero Heikkinen/ Pöyry Finland Oy Pauli Saksa/ Geosto Oy Sami Kurkela/ FCG Oy Aimo Vuento/ Geoneuvo Mikko Ruotsalainen / Saimaan ammattikorkeakoulu

2 0 Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Finland Oy:n antamaa kirjallista lupaa.

3 1 Sisäinen tarkistussivu Asiakas Otsikko Projekti Vaihe Työnumero SAIMAAN AMMATTIKORKEAKOULU, Etelä-Karjalan kiviklusteri -projekti Kallion rikkonaisuuden geofysikaaliset tutkimukset graniittilouhimolla WWE0913 Luokitus Piirustus/arkistointi/sarjanro. Tiedoston nimi Kalliohalkeama kenttämittaus rap v Tiedoston sijainti Järjestelmä Microsoft Word 11.0 Ulkoinen jakelu Sisäinen jakelu Contribution Vastaava yksikkö Revisio Alkuperäinen Dokumentin pvm Laatija/asema/allekirj. Heikki Hinkkanen, Osastopäällikkö A B Tarkistuspvm Tarkistanut/asema/allekirj. Dokumentin pvm Laatija/asema/allekirj. Eero Heikkinen, Geofyysikko Tarkistuspvm Tarkistanut/asema/allekirj. Dokumentin pvm Laatija/asema/allekirj. Tarkistuspvm Tarkistanut/asema/allekirj. Muuttunut edellisestä revisiosta

4 1 Yhteystiedot PL 50 (Jaakonkatu 3) FI Vantaa Finland Kotipaikka Vantaa Y-tunnus Puh Faksi Pöyry Finland Oy

5 1 Tiivistelmä Saimaan ammattikorkeakoulu hallinnoi vuosina Euroopan aluekehitysrahasto rahoitteista (EAKR) Etelä-Karjalan kiviklusteri hanketta, jonka tavoitteena on edistää kivialan liiketoimintaa ja tunnettuutta alueella. Osana hanketta Saimaan ammattikorkeakoulu on tilannut Pöyry Finland Oy:ltä kalliohalkeamien paikallistamismenetelmiä koskevan selvityksen. Aikaisempi selvitys arvioi tutkimusmenetelmien käyttömahdollisuuksia graniittisen luonnonkivituotannon eri vaiheissa. Selvityksen toisessa vaiheessa suoritettiin koemittauksia Mätön graniittilouhimolla Lappeenrannassa. Mittauksissa käytettiin 250 MHz taajuuden maatutkaa (Malå Geoscience), magneettista gradiometriä (Geometrics G-858) ja sähkömagneettista taajuusluotauslaitetta (GSSI EMP-400). Saimaan ammattikorkeakoulu suoritti maatutkauksen ja kartoitti tutkimusalueen. Magneettisen ja sähkömagneettisen mittauksen suorittivat vuokratulla kalustolla yhteistyössä Pöyry Finland Oy ja Geosto Oy. Raportoinnin tekivät Pöyry, Geosto, FCG ja Geoneuvo. Mittaukset tehtiin lähitulevaisuudessa irrotettavan kamin yläpinnalta 45 x 17 m 2 pintaalalla metrin linjavälein. Maatutkan mittaustiheys oli 50 cm ja osittain 25 cm. Alue oli puhdistettu pyöräkuormaajan kauhan avulla irtomaasta ja kalliopainanteet oli pääosin pumpattu kuivaksi. Lisäksi tutkittiin tulevaisuudessa mahdollisesti louhittavaksi otettava 50 x 100 m alue, joka on edelleen maapeitteinen. Mittaus tehtiin 5 m linjavälein (maatutkalla 10 m linjavälein). Kosteat sääolosuhteet hankaloittivat työtä. Tulokset piirrettiin kartoiksi ja poikkileikkauksiksi. Magneettisen gradiometrin ja sähkömagneettisen luotauksen tuloksista tulkittiin todennäköiset kallion viat (raot ja juonet). Maatutkaprofiileista tulkittiin maakerrospaksuus ja havaittavat heijastukset, jotka viittaavat vikoihin. Tiheä kamin alueen tutkamittaus käsiteltiin myös 3D migraation avulla. Tämän perusteella voidaan arvioida kuinka hyödyllinen monikavanaisen tutkan ja tuloskäsittelyn käyttö olisi tämän kaltaisessa kohteessa. Alueilla joista maakerros on pääosin poistettu, voidaan suorittaa tehokkaasti geofysikaaliset kartoitukset ja luotaukset tiheällä linjavälillä. Maatutkamittaus on hitain toteuttaa ( ha/pv). Muut mittaukset voidaan suorittaa nopeudella 1 2 ha/pv. Maatutka soveltuu heijastuksen aiheuttavien vikojen paikannukseen ja jatkuvuuden mittaukseen. Magneettinen gradiometri havaitsee erittäin hyvin kallion mineralogiset vaihtelut ja täytteiset rakopinnat. Sähkömagneettinen luotaus havaitsee rikkonaiset osuudet kalliosta. Maanpinnan tasoon puhkeavat pystyhköt raot saadaan näkyviin kaikilla menetelmillä, tarkimmin magneettisen gradientin avulla. Ainoastaan maatutkan avulla saadaan tietoa loivakaateisista raoista, erityisesti niiden syvyysasemasta. Menetelmiä kannattaa käyttää yhdessä. Ne soveltuvat sekä puhdistetulla pinnalla että maapeitteen läpi käytettäväksi.

6 1 Tiivistelmä Sisällysluettelo 1 YLEISTÄ TUTKIMUSKOHDE MITTAUSKALUSTOT JA TYÖN TOTEUTUS Yleistä Paikannus Maatutkamittaus Magneettisen gradientin mittaus Sähkömagneettinen mittaus MITTAUSTULOKSET JA AINEISTON KÄSITTELY Maatutkatulokset ja käsittely Magneettisen gradientin tulokset ja käsittely Sähkömagneettinen profiilimittaus TULOSTEN TARKASTELU Mittausten tarkkuus, syvyysulottuvuus ja erotuskyky sekä tehokkuus Tutkittujen alueiden rikkonaisuus KEHITYSTARPEET YHTEENVETO LÄHDEVIITTEET...56

7 9 LIITTEET LIITE EM-1. KAMIN ALUEEN SÄHKÖMAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULOSKARTTA IM 10 KHZ (PPM)...58 LIITE EM-2. KAMIN ALUEEN SÄHKÖMAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULOSKARTTA IM 16 KHZ (PPM)...59 LIITE EM-3. KAMIN ALUEEN SÄHKÖAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULOSKARTTA RE 16 KHZ (PPT) LIITE EM-4. KAMIN ALUEEN SÄHKÖMAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULKINTAKARTTA LIITE EM-5. KAMIN ALUEEN PROFIILIKUVAT Y=2 M, 5 M, 8M, 11 M, 14 M JA 17 M...62 LIITE EM-6. ESITUTKIMUSALUEEN SÄHKÖMAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULOSKARTTA IM 2 KHZ...63 LIITE EM-7. ESITUTKIMUSALUEEN SÄHKÖMAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULOSKARTTA, OMINAISVASTUS 7 KHZ LIITE EM-9. ESITUTKIMUSALUEEN SÄHKÖMAGNEETTISEN LUOTAUKSEN TULKINTAKARTTA....65

8 3 1 YLEISTÄ Saimaan ammattikorkeakoulu on tilannut osana Etelä-Karjalan kiviklusteri -hanketta Pöyry Finland Oy:ltä kiven mikrohalkeamien paikallistamismenetelmiä koskevan selvityksen. Louhinnan teknologiaan ja sivukiven määrän vähentämiseen liittyvään Kiviklusteri hankkeen osatehtävään A2: mikrohalkeamien paikallistaminen kuuluva selvitys alkuvuodesta 2011 arvioi geofysiikan tutkimusten soveltuvuutta ja toteutusmahdollisuuksia rajautuen graniittisten syväkivien louhintaan, joka on Kaakkois-Suomen alueella yleisin tuotantomuoto. Tämän raportin jatkoselvityksessä suoritettiin lupaavimmaksi katsotuilla menetelmillä kenttämittaukset graniittilouhimolla. Menetelmiksi valittiin maatutkaluotaus, magneettinen gradienttimittaus sekä sähkömagneettinen profilointi ja taajuusluotaus. Mittauksissa paikannettiin kalliohalkeamia, tavoitteena selvittää niitä louhimon kallioperän kohtia, joiden rikkonaisuus tulee merkittävästi huonontamaan saantia. Tuloksia käyttäen voitaisiin mahdollisesti lisätä louhittavan kiven saantia suunnittelemalla louhinta ehyemmille alueille (esiselvitysvaihe). Irrotuskustannuksia voidaan pienentää jättämällä rikkonaiset kohdat irrotettavaksi halvemmalla menetelmällä. Työssä tutkittiin yksityiskohtaisesti kohde, joka on tulossa irrotukseen lähitulevaisuudessa, sekä suoritettiin esiselvitys laajemmalla myöhemmin louhintaan otettavalla alueella. Mittaukset ja raportointi suoritettiin eri osapuolien yhteistyönä. Lupa suorittaa koemittaukset saatiin LT Granit Oy:n Mätön-louhimolta Lappeenrannassa (Jarmo Tielinen ja Markku Niemi). Markku Niemi osoitti sopivat tutkimuskohteet. Yksityiskohtainen tutkimuskohde sijaitsee louhitun penkereen yläpuolella olevalla tasolla (luonnontilainen kallion pinta), josta kaksi-kolme kamia on tulossa irrotettavaksi lähitulevaisuudessa. Louhimon henkilökunta valmisteli kohteen mittauskuntoon. Maapeite poistettiin pyöräkuormaajan kauhalla ja vesi pumpattiin pois. Louhimon alueen esiselvitystä ei valmisteltu etukäteen millään tavalla. Saimaan ammattikorkeakoulu (Mikko Ruotsalainen, Tuomo Tahvanainen, Sami Laakso ja Lauri Pellinen) tekivät alueella paikalleen mittaukset GPS-kalustolla sekä suorittivat maatutkamittaukset ammattikorkeakoulun maatutkalaitteistolla. Sami Kurkela (FCG Oy) opasti maatutkalaitteiston mittauksissa sekä osallistui työn suunnitteluun ja raportointiin. Aimo Vuento (Geoneuvo) osallistui työn suunnitteluun ja raportointiin. Pauli Saksa (Geosto Oy) osallistui suunnitteluun, mittauksiin ja raportointiin, sekä vastasi sähkömagneettisten luotausten tulkinnasta. Eero Heikkinen (Pöyry Finland Oy) toimi projektipäällikkönä ja toimittajan yhteyshenkilönä, huolehti kalustovuokrauksesta, osallistui suunnitteluun ja raportointiin, sekä vastasi magneettisen gradiometrimittauksen ja maatutkamittauksen tulkinnasta. Työn tilanneen Saimaan Ammattikorkeakoulun yhteyshenkilönä selvityksessä on ollut tutkimusjohtaja Kirsi Taivalantti.

9 2 TUTKIMUSKOHDE 4 Koemittaukset tehtiin LT Granit Oy:n Mätön kylässä Lappeenrannassa sijaitsevalla rapakivigraniitin louhimolla (Pesämäki Pyöreäsuo). Kuvassa 1 on esitetty alueen sijainti ja kohteiden sijainnit alueella. Kuva 1. LT Granit Oy:n Mättö louhimo Lappeenrannassa (Baltic Brown). Louhittava rapakivigraniitti on kauppanimeltään Baltic Brown. Se on karkearakeinen, suuntautumaton, yleisväriltään ruskea viborgiittigraniitti, jonka ulkonäölle ovat ominaisia yksittäiset suuret, halkaisijaltaan mm kokoiset pyöreät kalimaasälpäkiteet, joita ympäröi vihertävä plagioklaasirengas. Kiven mineraalikoostumus on tyypillisesti seuraava: kalimaasälpä 38 %, plagioklaasi 36 %, kvartsi 19 %, biotiitti 3 % ja muut 4 %. Kiven tiheys on 2690 kg/m³. Louhimolla

10 esiintyy vikoina tumman hienorakeisen kiviaineksen rakojuonia, rakopinnoilla näkyvää mustaa hienorakeista massaa, sekä rapakivigraniitille tyypillisiä, sekä loivakaateisia että jyrkkäkaateisia rakoja ja halkeamia. (lähde: Kiviteollisuusliiton internet-sivusto). Kohteeksi osoitettiin kaksi eri tyyppistä paikkaa louhimolla. Kohteena 1 oli yksityiskohtaisia mittauksia varten koneellisesti paljastettuna luonnollinen kallion pinta, joka sijaitsee tämän hetkisen pohjois-etelä -suuntaisen louhintarintauksen yläpuolella (länteen päin). Kuvissa 2 ja 3 on esitetty kohteen pinta sekä viereisen kamin pystyseinä. 5 Kuva 2. Yksityiskohtainen tutkimuskohde louhintarintauksessa. Näkymä Linjaa 1 pohjoiseen. Mittausalue on vasemmalla (länteen).

11 6 Kuva 3. Kamin tutkimuskohde 1. Yllä näkymä etelään. Alla louhintarintaus alapuolelta.

12 Puhdistuksen jäljiltä pinnalla oli osittain puhdasta kalliopintaa, osittain ohuelti maaainesta, ja paikoin pieniä vesilätäköitä. Ennen työn aloitusta kohteeseen rakennettiin maapato estämään viereisen suon veden virtaus kohteeseen, ja aamuisin pumpattiin suurimmat lätäköt kuivaksi. Kohteen louhimon puolella oli irrotettuna ja purkamista odottamassa yksi n. 6 m syvä, 7 m korkea ja 50 m pitkä kami. Kamin selkälinjan suuntaisesti voitiin sijoittaa pohjoiseteläsuunnassa 45 m pitkä ja itä-länsisuunnassa 17 m leveä mittausalue. Alue kattaa kolme kamia itä-länsi -suunnassa. Kohteeksi 2 osoitettiin tähän saakka koskematon, osittain suon peittämä, osittain ohuen maapeitteen peitossa oleva ja paikoin paljastunut alue sivukiven läjitysalueen vierellä. Maa-aines on osittain karkeaa soraa, mahdollisesti paikalleen rapautunutta, ja osittain moreenia. Alue otetaan mahdollisesti tulevaisuudessa louhintakäyttöön. Laajuus on 50 x 100 m 2. Alue on itä-länsi suunnassa 100 m pitkä ja pohjois-etelä suunnassa 50 m leveä. Alueella on pienellä alalla tehty kalliopinnan paljastaminen, josta voidaan arvioida kivilaji ja kiviaineksen laatu sekä rakoilun suuntia. Kuvassa 4 on esitetty osa kohteesta. 7 Kuva 4. Esiselvitys -tyyppinen tutkimuskohde koskemattomalla alueella, linja X = 10 m. Näkymä etelään päin.

13 3 MITTAUSKALUSTOT JA TYÖN TOTEUTUS Yleistä Mätön kohteella mitattiin nk. kamin 45 x 17 m (X x Y) alue ja maapeitteinen esitutkimusalue 100 x 50 m (X x Y). Kamien alueella kallio oli puhdistettu kaivutyön tarkkuudella. Paikoin kallion päällä oli ohuelti moreenia. Kamialueella oli sateista johtuen monia vesilätäköitä. Kamin etureunasta oli lohjennut n. 2 m leveä ja 2 m pitkä kappale, jonka vuoksi reunimmaisia (X: 0 2 m) linjoja jouduttiin siirtämään lyhyeltä matkalta länteen päin. Esitutkimusalueella oli muutamia kalliopaljastumia alueen etelä ja länsiosissa, muuten alue oli maakerroksen peittämä ja pohjoisosassa soinen sekä vetinen. Mittaukset suoritettiin viikolla 39, keskiviikosta perjantaihin Maatutkamittaus suoritettiin loppuun laitevaurion ja korjausten vuoksi. Alueella suoritettiin ensin kohteiden valinta ja mittauspisteiden paikannus. Keskiviikkona iltapäivällä suoritettiin kamin (Kohde 1) tutkimus magneettisen gradientin ja sähkömagneettisella profiilimittauksella. Torstaina suoritettiin kamin maatutkamittaus sekä esiselvitysmittaukset (Kohde 2) magneettisen gradientin osalta. Pääosa esiselvitysalueen sähkömagneettisista mittauksista suoritettiin myös torstaina. Perjantaina aamupäivällä mitattiin loput sähkömagneettisesta profiloinnista. Perjantaina aloitettiin maatutkamittaus. Mittaus keskeytyi tietokoneen vikaantumiseen. Toinen maatutkan keskusyksikkö saatiin käyttöön lokakuussa, ja mittaukset Kohteessa 2 saatiin valmiiksi Paikannus Linjat suunnistettiin, merkittiin linjalangoin, joissa oli matkamerkit ja pisteiden paikannus perustui linjalankojen merkkeihin. Maastoesteistä riippuen tällä tavoin saavutetaan esim. 1 m linjavälillä n. 0.2 m ja 5 m linjavälillä n. 1 m sijaintitarkkuus poikittain linjaan nähden ja n m tarkkuus 50 m linjapituudella (1-2% matkasta). Tarkkuudet ovat riittävät käytännön työssä. Mittaukset paikannettiin yhtenäiskoordinaatistojärjestelmässä (KKJ kaista 3) käyttäen Leica SmartRover tarkkuus-gps laitetta ja tukiasemaa. Kummankin kohdealueen kulmapisteet mitattiin. Kulmapisteiden mittaukseen kului aloituksineen noin kahden - kolmen tunnin työ maastossa (kaksi aluetta). Koordinaatit on esitetty alla Taulukossa 1. Mittausten paikannus tehtiin paikalliskoordinaatistossa. Kohteen origo määritettiin yhteen kulmapisteistä, kamialueella kaakkoiskulmassa ja esiselvitysalueella lounaiskulmassa. Mittaukset sijoitettiin suorille linjoille, jotka merkittiin mittauksen ajaksi ohjainlankaa käyttäen. Korkeusasemaa ei mitattu.

14 Mittauksessa käytettiin paneelissa viittä rinnakkaista ohjainlankaa joka toisella tai joka neljännellä mittauslinjalla, paitsi maatutkalla jokaisella linjalla. Langat siirrettiin mittauksen edettyä paneelin yli. Linjat nimettiin numerojärjestyksessä. Kamin mittauksessa ohjainlangan siirtäminen linjalta toiselle hidastaa mittausta jonkin verran. 9 Taulukko 1. Alueiden kulmapisteiden koordinaatit (yhtenäiskoordinaatistojärjestelmä). Alue Piste Y (itä) X (pohjoinen, m) Z (korkeus, m) Esiselvitys Esiselvitys Esiselvitys Esiselvitys Esiselvitys Kami Kami Kami Kami Esiselvitysmittauksessa harvalla välillä sijaitsevien linjojen merkintä on huomattava työpanos. Linjat on suunnistettava ja merkittävä etukäteen. Tämä työvaihe vie helposti alueen koosta riippuen täyden työpäivän. Tässä työssä käytetty mittausalueen merkintä vei noin puoli päivää. Merkintöjä siirrettiin linjamittauksen välillä, mikä myös hidastaa työtä. Matka pitkin linjaa mitattiin ohjainlangan merkkien perusteella. Maatutkamittauksessa mittauksen rekisteröintiin käytettiin laitteeseen kytkettyä matkapyörää. Laitteistoihin oli liitettävissä tai sisäänrakennettuna differentiaalikorjauksella varustettu D-GPS rekisteröinti. Sijainnin tallennus mittausdatan mukana olisi hyödyllistä. Käytännössä 1 3 m paikannustarkkuus ja tallennuksen muuta mittausta hidastava vaikutus johtivat päätökseen tehdä paikannus paikalliskoordinaatistossa. Kuvien tulostuksessa on käytetty paikalliskoordinaatistoa. Tulokset voidaan tarvittaessa esittää yhtenäiskoordinaatiston mukaisesti.

15 3.3 Maatutkamittaus 10 Maatutkan radioaalto heijastuu kivessä sijaitsevista rajapinnoista. Aaltorintama reagoi kivessä rakojen vesitäytteeseen ja muuttumisreunukseen. Lisäksi heijastuksia voi syntyä kivilajikontakteista. Erilainen kiven tekstuuri havaitaan eri tyyppisinä sirontakuvioina. Kiven ominaisuudet vaikuttavat myös tutka-aallon vaimennukseen (eli syvyysulottuvuuteen). Tutka-aallon nopeus on kivilajiominaisuus. Maatutkamittaus suoritettiin Malå Geoscience AB valmistamalla Ramac laitteistolla. Laitteen omistaa Saimaan ammattikorkeakoulu. Mittauksissa käytettiin 250 MHz suojattua maavasteantennia ja matkapyörää. Kuvassa 5 on esitetty maatutkakalusto toiminnassa. Kuva 5. Maatutkamittaus kamin alueella. Kamin yksityiskohtaisissa rekisteröinneissä käytettiin X3M keskusyksikköä ja maastotietokonetta. Esiselvitysalueen rekisteröinneissä käytettiin ProEx keskusyksikköä

16 ja XV11 monitoria. Mittausten tallennus tehtiin matkapyörällä 5 cm, 10 cm tai 20 cm välein. Mittaukset tehtiin suorilla linjoilla ohjainlankaa pitkin. Lankaan teipillä merkityt matkamerkit tallennettiin tutkamittaustiedostoon markkereina (numero 5) kamin alueella 5 m ja inventointialueella 10 m välein. Mittaukset suoritettiin kaksisuuntaisena, joten joka toinen linjoista on käännettävä käsittelyn yhteydessä. Kamin alueen mittauksista 6 m kamin etureunasta (itäreuna) mitattiin 0.25 m välein ja loput linjat 11 m matkalla 0.5 m linjavälein. Mittausten asetukset on esitetty Taulukossa 2. Tutkadataan tallennettiin metadatana (markkeri) kamin alueella matkamerkin lisäksi vesilätäköiden reunat ja linjalla ylitettyjen rakojen sijainnit. Esiselvitysalueella merkittiin matkamerkin lisäksi suon reuna ja avokallio sekä kohdat, joissa tutka-antenni oli irrallaan maanpinnasta aiheuttaen tuloksiin häiriöitä. Taulukko 2. Mittausten asetukset. Mittaus Kamin mittaus Esiselvitysalueen mittaus Taajuus 250 MHz (suojattu maavasteantenni) 250 MHz (suojattu maavasteantenni) Mittausväli 0.05 m ( m); 0.1 m (6 17 m) 0.20 m Aikaikkuna 523 ns 610 ns Näytteenottotaajuus 2880 MHz 2480 MHz Näytemäärä Näyteväli ns ns Pinoaminen 8 x 16 x 11 Mittausta suoritettiin kamin alueella 2115 m (3.5h). Esiselvitysmittausta suoritettiin 550 m (3 h). Mitatut linjat on lueteltu Taulukoissa 3 ja 4.

17 Taulukko 3. Maatutkalla mitatut linjat kamin alueella. 12 Mittaus Linja (tiedosto) Linja koordinaatti (Y, m) Pituus Suunta (+ pohjoiseen) Rekisteröintejä Kami Linja (0.05 m ptsv) Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja (vajaa linja) Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja (0.05 m ptsv) Kami Linja (0.1 m ptsv) Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja

18 13 Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja Kami Linja (0.1 m ptsv) Taulukko 4. Maatutkalla mitatut linjat esiselvitysalueella. Mittaus Linja (tiedosto) Linja koordinaatti (Y, m) Pituus Suunta (+ pohjoiseen) Rekisteröintejä Esiselvitys DAT_0001_A Esiselvitys DAT_0002_A Esiselvitys DAT_0003_A Esiselvitys DAT_0004_A Inventointi DAT_0005_A Esiselvitys DAT_0006_A Esiselvitys DAT_0007_A Esiselvitys DAT_0008_A Esiselvitys DAT_0009_A Esiselvitys DAT_0010_A Esiselvitys DAT_0011_A Magneettisen gradientin mittaus Magneettikentän mittauksin voidaan paikantaa kalliotilavuudesta eri tavoin magnetoituneiden mineraalien pitoisuuserot. Näitä syntyy kivilajivaihtelun vuoksi esimerkiksi juonikivilajien ansiosta, sekä rakojen ympärillä rakotäytteiden ja kiven

19 muuttuneisuuden vuoksi. Magneettikentän voimakkuus kasvaa voimakkaammin magnetoituneen kohteen lähellä. Kenttävoimakkuus riippuu etäisyydestä magneettiseen kohteeseen. Magneettinen gradientti (kentän muutos matkan suhteen) soveltuu muutoskohtien tarkkaan paikantamiseen. Tulokset esitetään karttamuodossa. Havaittavien kohteiden syvyysulottuvuus riippuu magneettikentän erojen suuruudesta. Parhaiten havaitaan maanpinnan lähellä olevat kohteet, mutta tuloksiin vaikuttaa ominaisuusvaihtelu useiden metrien, jopa kymmenien metrien syvyydeltä. Mittaukset suoritettiin Geometrics Ltd valmistamalla MagMapper G858 magneettisella gradiometrillä. Mittauskalustoon kuuluu kenttäkelpoinen rekisteröintiyksikkö, kaksi cesium-höyrymagnetometriä ja laitteiden kantamista varten valjaat sekä asennustangot. Rekisteröintiyksikköön on ohjelmoitu valmiiksi erilaisia mittauksen toteutustapoja ja asetukset. Tankojen avulla anturit saadaan n. 1 2 m erilleen laiteoperaattorista, ja 1 m etäisyydelle toisistaan halutussa asennossa. Kuvassa 6 on esitetty mittalaite (Geometrics 2001). 14 Kuva 6. Magneettinen cesium-gradiometri MagMapper G-858 (Geometrics, 2001). Kuvassa mittausjärjestely on linjaan nähden poikittainen horisontaaliderivaatta.

20 15 Mittauksessa rekisteröidään jopa 10 kertaa sekunnissa maan magneettikentän kokonaisvoimakkuus (tarkkuus 0.01 nt). Tavanomaiseen magnetometriin verrattuna cesiumhöyrymagnetometrin etuja ovat huomattavasti parempi tarkkuus ja suuri rekisteröintitiheys. Magneettikenttä vaihtelee sekä ajan suhteen, että kivilajivaihtelun vuoksi paikan suhteen. Rekisteröimällä samanaikaisesti magneettikentän voimakkuus kahdella samanlaisella anturilla, voidaan laskea näennäinen magneettikentän gradientti halutussa suunnassa. Magneettikentän ajallinen vaihtelu saadaan poistettua tuloksesta. Gradientti sopii erittäin hyvin paikallisen vaihtelun havaitsemiseen. Suurimmat gradientin arvot saadaan mitattua maan magneettikentän suuntaisella mittauksella, joka Suomessa on vertikaaligradientti. Tällöin toinen anturi on lähellä maanpintaa ja toinen metrin verran sen yläpuolella. Eri suuntaiset gradientit ovat herkkiä eri suuntaisille ja tyyppisille piirteille. Kolmen gradientin mittaus ja niiden yhdistelmien laskenta tuo lisäinformaatiota, mutta kolminkertaistaa mittaukseen kuluvan ajan. Mittaukset suoritettiin rekisteröintiyksikön yksinkertaisen mittauksen (simple survey) tekniikalla. Linjat mitattiin järjestyksessä, edeten joka toisella linjalla vastakkaiseen suuntaan tasaisella nopeudella kävellen. Kamin alueella mittaus on tehty 1 m linjavälein. Mittaukset tehtiin vaakasuoran, linjaa vastaan poikittaisen gradientin mittauksena (anturit samassa tasossa 1 m päässä toisistaan) sekä vertikaaligradientin mittauksena (anturit samalla luotiviivalla 1 m päässä toisistaan). Mittaukset suoritettiin iltapäivällä noin 2 tunnin aikana. Hankalamman maaston vuoksi (puusto ja upottava suo) inventointialueen mittaus tehtiin vaakasuoran, mittauslinjan suuntaisen gradientin mittauksena. Tällöin anturit ovat samalla korkeustasolla (n. 1 m korkeudella maasta) peräkkäin mittauslinjalla, 1 m päässä toisistaan. Linjaväli oli 5 m. Mittaukset suoritettiin iltapäivällä noin 1,5 tunnin aikana. Tallennus suoritettiin ajan perusteella, 10 kertaa sekunnissa. Linjan alussa painettiin aloitusmerkki, linjan lopussa lopetusmerkki ja 5 tai 10 m välein sijaitsevien matkamerkkien kohdilla markkeri. Tulosten tietokoneelle siirron yhteydessä linjat järjesteltiin mittausjärjestyksen, -suunnan ja matkamerkkien mukaisesti tasaväliseksi. Mittauspisteiden väli linjalla on noin cm. Taulukossa 5 on esitetty magneettisen gradiometrimittauksen parametrit.

21 Taulukko 5. Magneettisen gradiometrauksen asetukset. 16 Mittaus/Asetus Kami Esiselvitys Päivä Linjaväli 1 m 5 m Pisteväli n m n m Mittaussuunta pohjois-eteläinen (X) pohjois-eteläinen (Y) Anturiasennot 1: poikittainen vaakaderivaatta 2: vertikaaliderivaatta pitkittäinen vaakaderivaatta Mittauskorkeus 0.2 m 0.2 m Olosuhteet sade voimakas sade mittaustapa jatkuva rekisteröinti 10 Hz jatkuva rekisteröinti 10 Hz 3.5 Sähkömagneettinen mittaus Yksi mahdollisuus tutkia ja paikallistaa kallion laatua, rakovyöhykkeitä ja merkittäviä rakoja, on käyttää sähkömagneettiseen induktioon perustuvia kartoituksia ja luotauksia. Luotaus syvyyssuunnassa voidaan toteuttaa joko geometrisena luotauksena tai taajuusluotauksena. Kallion laatu rakoilu ja mineraloginen vaihtelu vaikuttaa sähkönjohtavuuteen, jonka muutoksia havainnoidaan. Kohdetutkimuksissa käytettiin yhdysvaltalaista GSSI:n EMP-400 Profiler mittalaitetta (kuva 7). Sen kelaväli on 1.21 m ja taajuudet valittavissa väliltä 1 16 khz. Mittausarvoina on kullakin taajuudella sekundaarikentän reaali- (Re) ja imaginaarikomponentit (Im). Nimellinen tarkkuus on ppm (parts per million), käytännössä Im-komponentille noin ppm ja Rekomponentille noin ppm (valmistajan edustajan ilmoituksen mukaan ja käytännössä ilmeisesti ppt (parts per thousand)). Laite kalibroidaan mittauskohteella aina joka alueella ja joka päivä. Mittaus on tehtävissä pistemäisenä tai jatkuvana halutuin aikavälein, ja korkeintaan kolme taajuutta mitataan yhdellä mittauskerralla. Lisäksi mittaus voidaan toteuttaa joko kelat linjan kulkusuunnassa (in-line) tai kulkuun nähden poikkisuunnassa (broadside). Kelojen korkeutta maanpinnasta voidaan säätää kantotelineillä, käytännössä sillä on vaikutusta signaalin voimakkuuteen ja siten ehjän kallion louhoskohteessa on edullista pitää kelat lähellä maanpintaa (20 70 cm).

22 17 Kuva 7. EMP-400 Profiler - laitekuva (GSSI 2008).. Mitattu tieto tallentuu PDA-laitteelle, jolla myös mittauslaitetta ohjataan. Lisäksi PDAlaitteessa on integroituna WAAS-GPS, jolla paikannus onnistuu noin metrin tarkkuudella. Sähkömagneettisen EMP-400 luotaimen syvyysulottuvuus on noin metriä, mutta riippuu ympäristön sähkönjohtavuudesta. Luonnonkivikohteilla kivi on heikosti sähköä johtavaa, ja silloin syvyysulottuvuus on suurempi kuin esimerkiksi moreenissa. Mittauksissa on mahdollista käyttää joko jatkuvaa rekisteröintiä ajan suhteen ja tallentaa paikannusmerkit, tai pysäyttää eteneminen mittauksen ajaksi halutuin välein. Kamin ja esitutkimusalueen mittauksissa pysähdyttiin mittauspisteen kohdalle ja kolmen taajuuden mittaustulokset tallennettiin. Kamin alueella mittauslinjojen väli oli 1 m ja pisteväli 1 m. Esitutkimusalueella mittauslinjojen väli oli 5 m ja pisteväli 2.5 m. Taulukossa 6 on esitetty sähkömagneettisen mittauksen parametrit.

23 Taulukko 6. Sähkömagneettisen EMP-400 mittauksen asetukset. 18 Mittaus/Asetus Kami Esiselvitys Päivä Linjaväli 1 m 5 m Pisteväli 1 m 2.5 m Mittaussuunta pohjois-eteläinen (X) pohjois-eteläinen (Y) Kelajärjestelmä in-line, horisontaali koplanaari (pysty magneettinen dipoli) in-line, horisontaali koplanaari (pysty magneettinen dipoli) Mittauskorkeus 0.2 m 0.2 m Taajuudet 10, 13 ja 16 khz (täydentävät linjat Y = 2, 7, 12 ja 17 m, taajuudet 4, 6 ja 8 khz. 2, 7 ja 16 khz. Täydentävä lisälinja =50, taajuudet 1, 4 ja 10 khz. Olosuhteet sade voimakas sade, sateeton Mittaustapa yksittäispisteet yksittäispisteet Sateen ja kosteuden vuoksi laite ei toiminut odotetulla tarkkuudella kuin ensimmäisenä päivänä kamin mittauksen alkuaikana. Laite toimi pääosin normaalisti, mutta lukemat vaihtelivat ja niiden absoluuttisiin arvoihin liittyy merkittävää epävarmuutta. Laitteen käyttöohjeessa ei ollut mainintaa mittausolosuhteista ja säähän liittyvistä rajoituksista muuta kuin PDA-laitteen osalta (vesitiivis) (GSSI 2008).

24 19 4 MITTAUSTULOKSET JA AINEISTON KÄSITTELY 4.1 Maatutkatulokset ja käsittely Mittauslinjoilta editoitiin tallennetut tasaväliset etäisyysmarkkerit ja linjat interpoloitiin niiden mukaan. Vastakkaisiin suuntiin mitatut linjat käännettiin alkamaan koordinaatista Y = 0 m. Tuloksista vähennettiin DC-taso. Maavaste poistettiin vähentämällä rekisteröinnin liukuva keskiarvo. Maanpeitteestä ja kosteudesta johtuvaa 6 7 ns aallonpituuden soimista vähennettiin dekonvoluutiosuodatuksella. Signaali suodatettiin MHz kaistanpäästösuodatuksella. Taajuusalue, jolla heijastunut energia esiintyy on pääosin n MHz. Myöhäisempiä heijastuksia tehtiin näkyvämmäksi eksponentiaalisella vahvistuksella. Rekisteröintiaika katkaistiin inventointialueella 412 ns ja kamin alueella 355 ns (1024 näytteen) kohdalta. Kamin alueella migraatiosta on hyötyä kuvankäsittelyssä. Linjamittauksen migraatio parantaa kuvaa paikoin, mutta pystyrakenteiden kohdalla ja tuloksissa esiintyvän soimisen vuoksi syntyy myös häiriöitä. Kolmiulotteinen migraatio kaikilla mittauslinjoilla yhtä aikaa parantaa tulosta selvästi. Kamin alueella tehdyssä mittauksessa oletettiin kiviaineksen tutka-aallon nopeudeksi 0.12 m/ns. Suora pulssi saapuu 35 ns kohdalla. Teoreettinen syvyysulottuvuus on noin 25 m. Todellisia heijastuksia nähdään enintään m syvyydeltä. Märkä pinta aiheuttaa mittaustulokseen soimista joka erottuu n. 3 m syvyydelle saakka (60 ns). Tuloksissa nähdään selkeät loiva-asentoiset heijastajat. Linjaston alkupäässä 0 20 m nämä todennäköiset raot ovat syvyydellä 5 6 m. Linjaston loppupäässä selvät heijastajat ovat 1 3 m syvyydellä, ja lisäksi 4-5 m syvyydellä. Syvimmältä havaitut vaakaheijastukset ovat 8-9 m syvyydellä.

25 20 Kuva 8. Kamin alueen tutkamittauksen raakadata, linja X = 2 m. DC taso on vähennetty asteikon selventämiseksi. Kuva 9. Kamin alueen tutkamittauksen prosessoitu linjamittaus. Kaikki muu käsittely kuin migraatio on sisällytetty kuvan 9 tuloksessa: markkerien interpolointi, DC-tason poisto, linjan kääntö, keskiarvorekisteröinnin poisto,

26 dekonvoluutio, taajuussuodatus ja vahvistus. Loivat ja osa jyrkistä heijastajista erottuu selvästi kuvassa. Vaakaheijastajien päättymispisteissä nähdään voimakasta sirontaa. Tämä ilmiö häviää migraatiokäsittelyssä. Suodattamattomassa datassa nähdään maanpinnalle merkittyjen rakojen kohdalla selkeät pystyjen piirteiden viitteet. Kalliopinnan epätasaisuuksien kohdalla nähdään myös sirontapiirteitä. Vesilätäköiden kohdalla sironta on voimakasta. Lätäköt näkyvät sivulle viistoina heijastajina. Interpoloiduille tuloksille kokeillussa datakuution esityksessä ja 3D migraatiolaskennassa havaitaan linjoihin nähden poikittaista jatkuvuutta, ja voidaan arvioida sivulta tulevien heijastusten merkitystä. 21

27 22 Kuva 10. Kamin alueen prosessoitu ja 3D migratoitu tulos datakuutiona, otteita kuvasta (yllä: pituusleikkaus, alla poikittaisleikkaus).

28 23 Kuva 11. Kamin alueen prosessoitu ja 3D migratoitu tulos datakuutiona, korkean heijastavuuden tilavuudet.

29 24 Kuva 12. Esitutkimusalueen tutkamittauksen raakadata. Kuva 13. Esitutkimusalueen prosessoitu tutkamittaus.

30 Esiselvitysalueella mittaus on tehty harvemmalla tallennusvälillä (0.20 m). Mittaustulos soi voimakkaasti koko rekisteröinti-ikkunan ajan. Soimista voi vähentää yllä kuvatuin erilaisin suodatuksin. Alueen pohjoisreunalla on linjamatkalla Y: m suo. Suon pohja erottuu heijastajana noin m syvyydessä (nopeus 0.05 m/ns) alueen reunalla. Paikoin suon pohjalla vaikuttaa esiintyvän moreenia tai rapautunutta kalliota. Alueen länsipäässä X: 0-30 m linjoilla on ohut maakerros. Linjoilla X: m kallio on lähellä pintaa. Linjalla X: 10 m on paljastettu alue, jonka kohdalla havaitaan selvästi, kuinka maapeite heikentää raoista saapuvien heijastusten havaitsemista. Alueella havaitaan jatkuvia loiva-asentoisia heijastuksia mm. noin 6 7 m syvyydessä. Heijastusten kaltevuus on loivasti etelään. Syvimmät heijastajat nähdään noin 12 m syvyydestä. Lisäksi nähdään jyrkkä-asentoisia heijastajia, joiden kulun suunnan arvioimiseen tulee verrata rinnakkaisten linjojen tuloksia, tai käyttää magneettisen gradientin ja sähkömagneettisen luotauksen tulkintoja tukena.. Esiselvitysalueen heijastukset on poimittu linjoittain. Kuvina tai siirrettyinä CADjärjestelmään tuloksia voi käyttää kohteen kalliolaadun arvioinnissa Magneettisen gradientin tulokset ja käsittely Magneettiset mittaustulokset siirrettiin laitevalmistajan MagMap2000 -ohjelmistolla tietokoneelle ja järjesteltiin matkamerkkien mukaisesti säännölliseen mittausverkkoon (Geometrics 2001). Matkamerkkien välisten pisteiden koordinaatit interpoloitiin tasavälisiksi. Tulokset tallennettiin tiedostoksi ja piirrettiin profiili- ja karttakuviksi (Kuvat 14 21). Kuvissa on esitetty magneettikentän kokonaisvoimakkuus kahdella eri magnetometrillä samanaikaisesti mitattuna, sekä näiden välinen erotus (gradientti). Tulos on pienten erojen korostamiseksi esitetty kartoissa kapealla vaihteluvälillä ja lineaarisena (magneettinen totaalikenttä nt, gradientti nt/m). Kartoissa on valovarjostus. Raakatulokset linjakohtaisena profiilina paikantavat magneettisten ominaisuuksien muutoskohdat. Profiilista voi päätellä myös piirteen voimakkuutta ja kaateen suuntaa. Tasaiset ja matalat magneettikentän ja gradientin arvon alueet edustavat kohtia, joissa kalliolaatu on hyvä ja kivilaji ottoa varten todennäköisesti sopiva. Voimakkaan magneettikentän alueet edustavat todennäköisesti tummempaa, mahdollisesti juonikivilajin esiintymistä. Lineaariset ja kapeat, voimakkaammat tai heikommat piirteet totaalikentässä ja erityisesti gradientin kartassa edustavat pintaan tulevia rakoja tai juonia.

31 26 Kuva 14. Magneettinen totaalikentän mittaustulos ja lasketut gradienttiarvot: yllä vertikaaligradientin ylä- ja alamagnetometrit, keskellä horisontaaligradientin vasen ja oikea magnetometri, ja alla horisontaali- ja vertikaaligradientti. Kami, linja X= 2 m.

32 27 Kuva 15. Magneettinen totaalikentän mittaustulos ja lasketut gradienttiarvot: yllä horisontaaligradientin etu- ja takamagnetometri, ja alla horisontaaligradientti. Esiselvitysalue, linja Y= 50 m.

33 28 Kuva 16. Magneettinen totaalikenttä ylä- ja alamagnetometrillä mitattuna (Kami). Valovarjostettu mittaustulos, asteikko nt.

34 29 Kuva 17. Magneettinen horisontaali ja vertikaaligradientti (Kami). Valovarjostettu mittaustulos, asteikko nt/m.

35 30 Kuva 18. Magneettisen vertikaaligradientin ja horisontaaligradientin itseisarvon osamäärästä laskettu arkustangentti eli ns. kaade-derivaatta (Kami). Tulos toimii hyödyllisenä reunaviivojen paikannustekniikkana, mutta edellyttää kahden gradientin mittauksen. Tulos on laskettu gridistä. Asteikko +/- π/2.

36 31 Kuva 19. Magneettinen totaalikenttä (yllä) sekä horisontaaligradientti (alla, esiselvitysalue).

37 32 Tuloksista paikannettiin ja piirrettiin kartalle magneettisilta ominaisuuksiltaan ympäristöstä poikkeavat piirteet. Magneettisen totaalikentän anomaliassa havaitaan sivuminimi magneettisen piirteen pohjoispuolella (mikäli piirre on pystyasentoinen). Kaateen vaikutus muuttaa tätä piirrettä, jolloin kaadesuunta voidaan arvioida. Magneettikenttä vaimenee nopeasti etäännyttäessä kohteesta. Tulokset on esitetty kuvissa 20 ja 21.

38 33 Kuva 20. Magneettisesta mittauksesta tulkitut piirteet (Kami).

39 34 Kamin 17 x 45 m aluetta (Kuva 21) leikkaa keskeltä viistosti pohjois-etelä -suunnassa jatkuva magneettinen anomalia, joka on todennäköisesti melko pystyasentoinen rako tai rakovyöhyke. Kaadesuunta vaikuttaa itäiseltä. Magneettinen piirre on myös johtava EMP-400 mittauksen mukaan. Poikittain itä - länsisuunnassa mittauslinjoihin ja louhintarintaukseen nähden havaitaan kolme-neljä leikkaavaa anomaliajaksoa (5 m, m ja m, jotka voivat olla pystyasentoisia rakoja tai hienorakeinen, tumma alue, joita havaitaan viereisen kamin seinässä. Kamin koilliskulmassa on voimakkaasti magneettinen piirre, joka on myös selvästi johtava. Kuva 21. Magneettisesta mittauksesta tulkitut piirteet (esiselvitysalue). Esitutkimuskohdetta (Kuva 24) leikkaa länsireunassa (luoteiskulmassa) kaksi selvästi erottuvaa magneettista anomaliavyöhykettä jotka yhtyvät noin kohdalla X = 30 m. Kaadesuunta vaikuttaisi olevan itään. Mikäli kohteen kivilaji on poikkeava alueella

40 esiintyvästä, louhinta ei ole hyödyllistä tällä kohtaa. Vastaava pienempi kohde sijaitsee X=90 m, Y: 0 20m kohdalla. Kyseinen piirre on myös johdevyöhyke. Viistoon itä-länsisuunnassa aluetta leikkaa todennäköinen rakovyöhyke n. Y = m kohdalla. Toinen leikkaava vyöhyke on luode-kaakko-suuntainen, sivuaa magneettista anomaliapiirrettä ja sisältää lyhyempiä rakopiirteitä. Pohjois-etelä -suunnassa havaitaan anomaliavyöhyke kohdalla X=80-90 m. Alueen koillis- ja lounaiskulmissa piirteet ovat tasaisimmat, ja voidaan arvioida että kiven laatu olisi paras näillä alueilla. Käsitys rakopiirteiden jatkuvuudesta olisi tarkempi mikäli mittauslinjojen tiheys olisi 2 m. Vertikaaligradientti olisi todennäköisesti erotuskykyisempi Sähkömagneettinen profiilimittaus Molempien mitattujen kohteiden osalta tuloksia tarkastellaan kuten laite olisi toiminut tarkasti ja toistettavasti, jotta koemittausten osalta soveltuvuutta voidaan arvioida. On kuitenkin tuloksia käytettäessä huomattava, että niihin liittyy suurta epävarmuutta ja että niissä voi olla merkittäviä virheitä tehtyjen havaintojen osalta tai niistä voi puuttua menetelmällä toimivassa tilanteessa havaittavissa olevia maaperän ja kallion piirteitä. Tästä syystä esimerkiksi tuloksista ei poimittu yhden linjan tai pisteen anomalioita (havaintoja) vaikka ne todellisuudessa ovat mahdollisia ja voivat olla merkitseviä pienten halkeamakohtien havaintoja. Kamin ja esitutkimusalueen mittauksille tehtiin mittauslukemien normalisointia ja tasosäätöjä havaitun käynnin poistamiseksi. Lisäksi esitutkimusalueen mittaus koostuu kolmesta erillisestä osasta X=0 20m, 25 55m ja m, joiden pohjataso vaihtelee ja jotka tasoitettiin toisiinsa nähden vertailukelpoisiksi. Mittausarvojen perustasoa säädettiin esitutkimusalueella paljastuma-alueen, välillä X = 10m, Y = 20 30m, pohjalta. Osin logaritmiset mittausarvot (ppm) linearisoitiin kartanpiirtoon. Paljastetun kallioalueen tulokset Mittaustulokset käsiteltiin kartoiksi ja profiileiksi. Kartat koottiin yhteiseen pohjaan, josta eri taajuuksien ja arvojen (Re ja Im) anomaliat poimittiin. Lopullisena tuloksena saatiin tulkittujen piirteiden yhdistelmäkartta, jota voi käyttää kiven laadun ja tuotannon suunnittelun tukena. Lisäksi muutamia linjoja tulostettiin eri taajuuksien profiilikuvina. Kuvassa 21 on esitetty sähkömagneettisen imaginaarikomponentin 16 khz samaarvokartta ilman tasoituskäsittelyjä. Kamin etureuna on alhaalla punaisena alueena ja takaosa sinisenä. Arvot vaihtelevat ppm:n välillä. Muutamia linjoilta toiselle jatkuvia piirteitä näkyy jo perusdatassa.

41 36 Kuva 22. Kamin alueen 16 khz imaginaarikomponentti (ppm). Suodatetut ja käsitellyt tuloskartat Im 10 Khz (ppm), Im 16 khz (ppm) ja Re 16 khz (ppt) ovat liitteinä EM-1, EM-2 ja EM-3. Mittausarvot ovat lukemien logaritmeina ja Re-arvot kentän tuhannesosina (ppt). Näistä kolmesta kartasta poimitut lineaariset piirteet ja alueet, jotka mahdollisesti tai todennäköisesti osoittavat kallion heikompaa laatua syvyysvälillä 0 10 m on esitetty otteena kuvassa 23 ja kokonaisuudessaan liitteessä EM-4. Liitteessä EM-4 on lisäksi mittausalueen taustalla esitetty vaaleampina mittauspäivän vesilätäköt. Niiden ei havaita korreloivan merkittävästi anomalioiden sijainnin kanssa, joten ne eivät aiheuttane mittauksiin virhetulkintaa tai haittaa mittausta. Tosin on huomattava, että kallionpainanne voi usein liittyä raon tai rakoparven uurteeseen tai rapautuneeseen ja kuluneeseen kallioon, ja siten painanne voi osoittaa myös rikkonaisen kallion kohdan.

42 37 Kuva 23. Sähkömagneettisen mittauksen tulkintakartta kamin alueelta (ks. myös liite EM-4). Linjakohtainen tulos Y = 2 m on koottu kuuden taajuuden mittauksista kuvaan 24. Siitä havaitaan hyvin luotausmittauksen toimivuus, eri taajuuksien arvot ja käyttäytyminen poikkeavat toisistaan, joten ne edustavat vaaka- ja syvyyssuuntaisia kallion vaihteluja. Itäpäässä linjaa Y > 25 m usean taajuuden Im-arvot ovat kasvaneet, joka voi osoittaa suurempaa sähkönjohtavuutta (rakoilu, rakovyöhykkeet, kasvanut huokoisuus). Länsipään käyrät ovat tasaisia, ja kallio on siten homogeenista. Yksittäisten pisteiden vaihtelua on vaikea laiteongelmien vuoksi arvioida, mutta ne voivat aiheutua yksittäisistä raoistakin mittauspisteen kohdalla. Kuvasta 26 näkyy myös laitteen toimintaan liittynyt yksi virhetilanne.: Taajuuksien 6000 ja 8000 Hz arvot ovat suurempia kuin taajuuden Hz arvot. Näin ei voi olla kapealla taajuuskaistalla, kun otetaan huomioon aina samalla kertaa mitattujen 4000, 6000 ja 8000 Hz sekä 10000, ja Hz taajuuksien keskinäinen käyttäytyminen. Liitteeseen EM-5 on koottu profiilikuvat linjojen Y = 2 m, 5 m, 8 m, 11 m, 14 m ja 17 m tuloksista.

43 38 Kuva 24. Linjan Y = 2 m Im-arvojen vaihtelu profiilimuodossa kamin kohteella. Esitutkimusalueen tulokset Esitutkimusalueen 50 x 100 m tulokset ovat voimakkaasti tasoitettuja ja käsiteltyjä, jotta tuloksista voitaisiin tulkita ja laskea tarkempia kuvauksia. Mittausdatan karttakuva ennen käsittelyjä on esitetty Im 2 khz arvoille kuvassa 28. Kuvasta näkyy esimerkiksi tasomuutos välillä X = m mutta myös jo suoraan useita jatkuvia anomaalisia kohtia. Matalimmat negatiiviset arvot osoittavat arvojen nollatasoa. Koko alueen tulokset koostuvat kolmen eri taajuuden tuloksista. Kolme lisätaajuutta tehtiin tarkempaa luotausprofiilia ja tulkintaa varten linjalta X = 50 m. Kuva 25. Esitutkimusalueen kartta 2 khz imaginaarikomponentin tuloksista ennen jatkoprosessointia.

44 Käsitellyt tuloskartat ovat raportin liitteenä EM-6 2 khz Im-tuloksille. Korkeampien taajuuksien 7 ja 16 khz Im-tuloksista laskettiin näennäisen ominaisvastuksen arvot. Nämä kartat on esitetty liitteissä EM-7 ja EM-8. Arvot ovat logaritmeina, jolloin väriskaalan arvo 1 = 10 Ωm (ominaisvastus, Ohmm), arvo 2 = 100 Ωm ja arvo 3 = 1000 Ωm. Kartoille tehtiin erilliset tulkinnat havaituista piirteistä ja sähkönjohtavuuden alueista ja ne on esitetty yhdessä tulkintakartassa (kuva 29), joka on kokonaisuudessaan myös liitteenä EM-9. Hyvin lyhyitä piirteitä tai pieniä muutosalueita ei mittauslaitteen epävarmuuksien vuoksi tulkittu. 39 Kuva 26. Maan ja kallion tulkintakartta esitutkimusalueelta (katso myös liite EM-8). Kuvasta 26 havaitaan monia jatkuvia ja melko suoraviivaisiakin piirteitä, jotka voivat esimerkiksi kuvata kallion rako- ja rikkonaisuusvyöhykkeitä. Alueet voivat olla esimerkiksi maapainanteita tai rikkonaisen kallion alueita tai näiden yhdistelmiä. Kuvassa 26 on myös mielenkiintoista havaita muutamien eri taajuuksilla havaittujen piirteiden rinnakkaisuus. Tällöin korkeamman taajuuden piirteen sijainti on lähempää maanpintaa kuin alemman taajuuden. Siten piirteen siirtyminen matalammilla taajuuksilla 7 (sininen) ja 2 khz (ruskea) verrattuna korkeimpaan 16 khz (violetti) voi osoittaa rako- tai rikkonaisuuden kaadesuuntaa kallioperässä. Oletuksena on tällöin, että irtomaata olisi alueella vain muutamia metrejä. Piirteen havaittavuus korkeammalla taajuudella kertoo myös sen esiintymissyvyyden olevan lähempänä maanpintaa kun alemman taajuuden havainnon.

45 Koemielessä tehtiin linjan X = 50 m tuloksille jatkoprosessointi, jolla ne saatiin kuuden taajuuden luotausprofiiliksi, kuva 27. Tälle linjalle laskettiin kerrosmallilla inversio, joka kuvaa vaihtelua poikkileikkauksessa. Kukin piste invertoitiin viereisestä pisteestä lähes riippumattomana. Lähtömalliksi valittiin kolmikerrosmalli, joka voi kuvata tyypillisesti pohjaveden yläpuolista maaperää, maaperää pohjavedellä kyllästyneenä ja kalliota alimpana. Toisaalta kallion ollessa hallitsevana, malli voi löytää sähkönjohtavuudeltaan vaihtelevia osueita kalliosta, jotka korreloivat kallion laadun kanssa. Inversiolaskennassa käytettiin kahta vaihtoehtoa, ensimmäisessä kerrospaksuuksien ja sähkönjohtavuuksien annettiin muuttua vapaasti ja etsiä mittausarvot toteuttava malli. Toisessa kahdelle pintakerrokselle asetettiin arvoiksi 5 m ja alin kerros jatkuu syvälle. Kerrospaksuuksien ei sallittu muuttua, vaan ohjelma haki tulokset parhaiten toteuttavat ominaisvastuksen jakauman (Pirttijärvi 2011). 40 Kuva 27. Profiilin X=50 m luotaustulkinnan lähtöarvot (prosessoidut mittausarvot).

46 41 Kuva 28. Kerrosmallin kahden inversiolaskennan tulokset ominaisvastuksen poikkileikkauksina, a) vaihtuva kerrospaksuus ja ominaisvastus, b) vaihtuva ominaisvastus. Kuvasta 28 a) havaitaan laskennan löytämä johtavampi kerros (oranssi-punainen) m syvyydellä maanpinnasta, joka voi olla rikkonainen kallion jakso. Linjan loppupäässä ominaisvastusten pohjalta kallio voisi olla ehyempää kuin alkupäässä. Malli indikoi myös, että syvemmällä kallion ominaisvastus pienenisi pintaosiin verrattuna, joka suoraviivaisesti tulkittuna tarkoittaisi laadultaan heikompaa kalliota. Valitettavasti aineiston teknisestä laadusta johtuen maakerrospaksuutta esitutkimusalueella ei pysty tulkitsemaan. Tulokset osoittavat laiteteknisistä ongelmista huolimatta, että kyseisen tapaisella sähkömagneettisella luotaimella on mahdollista saada tarkkaakin tutkimustietoa 0 20 m syvyysväliltä kalliosta, maakerroksesta ja kalliosta maaperän alta.

47 42 5 TULOSTEN TARKASTELU 5.1 Mittausten tarkkuus, syvyysulottuvuus ja erotuskyky sekä tehokkuus Maatutkaluotaus Maatutkaluotauksessa tehokkaasti käytettävissä oleva kalusto yhden antennin tekniikkaa käytettäessä on MHz. Paljastetulta kalliopinnalla ja alle 2-3 m maakerrosten läpi mittauksen avulla voidaan paikantaa vaaka-asentoisten rakojen syvyysasema ja pystyasentoisten rakojen sijaintikohta. Pystyasentoiset raot nähdään leikkauskohdasta molempiin suuntiin etenevinä viistoina heijasteina. Niiden kaltevuutta ja syvyysulottuvuutta ei voida määrittää. Vaaka-asentoiset raot kuvautuvat oikeaan sijaintikohtaan. Kaltevuudeltaan vinosti linjaa leikkaavien rakojen heijastukset kuvautuvat väärälle syvyydelle. Maakerrokset ja pinnan kosteusvaihtelut heikentävät heijastusten havaittavuutta. Mittaukset on hyödyllistä toteuttaa säännöllisessä linjaverkossa. Linjoilla sijaitsevat havainnot voidaan piirtää karttaan, esittää poikkileikkauksina ja osittain yhdistellä linjojen välillä rakopiirteiksi. Mittauslinjaa leikkaavien rakojen kulun suunta voidaan määrittää, jos heijastukset samasta piirteestä havaitaan rinnakkaisilla linjoilla ja voidaan yhdistää toisiinsa. Siksi esiselvityksessäkin linjavälin tulee olla riittävän tiheä. Nyt käytettyjä linjavälejä (5 10 m) voitaisiin tihentää. Kamin mittauksessa tuloksia on mahdollista käsitellä 3-ulotteisen laskennan avulla, jolloin viistostikin leikkaavat heijastajat kuvautuvat oikeaan paikkaan, syvyysasemaan ja asentoon. Jyrkkäkaateiset raot eivät näy kovin hyvin enää viimeisissä käsittelyvaiheissa. Käsittelyn luotettavuutta parantaa mikäli mittaustiheys on riittävän korkea. Testattu 25 cm linjaväli on riittävä tarkan kuvan tuottamiseksi. Jos linjaväli on 50 cm, osa sironnasta jää häiritsemään tuloksia, mutta osa piirteistä saadaan käsiteltyä hyvin esille. Magneettisen gradientin mittaus Magneettisen gradientin mittauksessa tarkin tulos saadaan vertikaaligradientin mittauksessa. Menetelmällä havaitaan maanpinnan lähellä sijaitsevat kallion ominaisuuksien muutoskohdat, esimerkiksi kivilajikontaktit ja maanpintaa leikkaavat raot. Piirteen sijainnin voi paikantaa kamin tapauksessa linjalla noin m tarkkuudella. Esiselvitysalueella maakerrosten läpi paikantamisen tarkkuus on metrin luokkaa. Tiheällä linjavälillä suoritetusta mittauksesta voidaan määrittää pystyraon kulun suunta ja sijainti kartalla. Profiilimittauksen tuloksesta voidaan myös laskea tai arvioida raon kaadekulma tai kaadesuunta. Syvyysulottuvuuden arviointi edellyttää numeerista laskentaa. Havaittujen piirteiden syvyysulottuvuuden kertaluokkaa voidaan arvioida tuloksesta. Tutkimuksen syvyysulottuvuus on useita metrejä.

48 Sähkömagneettinen profilointi ja luotaus 43 Mittausten alustava tarkastelu on mahdollista taajuuksittain profiilina ja karttana mittalaitteen tallennusyksiköltä tai tietokoneelta käsin jopa alueella. Karttojen käsittely ja arviointi sekä tulkinta vievät yhtenäiseltä alueelta taajuuksittaisista tuloksista vajaan päivän yhtenä päivänä tuotettua mittausmäärää kohti. Tulosten laskenta pystyleikkauksiksi inversion avulla ja tulkinnat vaativat selvästi enemmän työaikaa. Yhteenveto menetelmien soveltuvuudesta Eri mittausmenetelmien soveltuvuudesta on koottu arviot taulukoihin 7 ja 8. Syvyysulottuvuus on maatutkalla riippuvainen maanpinnan kosteusolosuhteista ja maapeitepaksuudesta, sekä kalliolle ominaisesta vaimennuksesta. Sähkömagneettisen tutkimuksen tutkimussyvyys on hyvä. Erotuskyvyllä tarkoitetaan etäisyyttä piirteiden välillä jotka voi vielä erottaa toisistaan. Maanpintaa kartoittavat sähkömagneettinen ja magneettisen gradientin mittaus, sekä maatutka vertikaalipiirteiden osalta, voivat erotella linjalla todettavat piirteet melko tarkasti kamin ja hiukan heikommin esiselvityksen tapauksessa. Tämä riippuu laitteiston ominaisuuksien (footprint) lisäksi pistevälistä. Linjaa vastaan kohtisuoraan erotuskyky on heikompi, riippuen linjavälistä. Havaintotarkkuus kertoo toisaalta minkä kokoluokan, ja toisaalta kuinka tarkasti, piirteitä voidaan todeta ja paikantaa. Osittain tähän vaikuttaa myös mittauksen paikannustarkkuus. Maatutkan tarkkuuteen vaikuttaa esiselvityksessä maakerroksen paksuus- ja aallon nopeuden vaihtelu. Tarkkuus koskee magneettista ja sähkömagneettista profilointitutkimusta maanpinnan tason kartan osalta, koska menetelmät eivät tarjoa varsinaista syvyystietoa. Sähkömagneettinen luotaus tuottaa karkean tason syvyysinformaation, 2 5 m tarkkuuden luokassa. Menetelmien eroista tulee huomata, että magneettisen gradientin avulla voidaan paikantaa ja jäljittää jyrkkäkaateisia magneettisilta ominaisuuksiltaan poikkeavia piirteitä, ja arvioida osittain niiden kaadesuuntaa. Sähkömagneettisilla mittauksilla voidaan havaita vastaavia johdekerroksia tai sähköä johtavia loivakaateisiakin alueita. Maatutka havaitsee rajoitetusti jyrkkäkaateisia piirteitä lähinnä paikannuksen tasolla. Maatutka on ainoa tekniikka, jolla saadaan luotettavasti ja tarkasti sijainti- ja syvyysaseman tiedot loivakaateisista rakopiirteistä. Maatutkan tehokkuus on heikompi kuin muilla menetelmillä kun menetelmää käytetään yhden antennin tekniikalla. Samoin tulkinta on merkittävästi työläämpää ellei käytetä automatisoitua 3D tulosten keruutekniikkaa.