Maatutkaluotauksen soveltuvuudesta maan lohkareisuuden määrittämiseen Pekka Hänninen, Pekka Huhta, Juha Majaniemi ja Osmo Äikää

Transkriptio

1 Etelä-Suomen yksikkö P 31.4/2009/ Espoo Maatutkaluotauksen soveltuvuudesta maan lohkareisuuden määrittämiseen Pekka Hänninen, Pekka Huhta, Juha Majaniemi ja Osmo Äikää

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Pekka Hänninen, Pekka Huhta, Juha Majaniemi ja Osmo Äikää Raportin laji Sisäinen raportti Toimeksiantaja Raportin nimi Maatutkaluotauksen soveltuvuudesta maan lohkareisuuden määrittämiseen Tiivistelmä Maatutkaluotaus havaitsee keilakulmaansa osuvat ympäristöstään sähköisesti poikkeavat objektit kuten kivet ja lohkareet. Lohkareiden havaitseminen riippuu niiden koosta, käytettävästä antennitaajuudesta, kohteen syvyydestä sekä lohkareiden tai kivien esiintymistiheydestä. Keilakulmassa ajallisesti samalla etäisyydellä olevat kohteet ovat maatutkasignaalilla yksi kohde. Lajittuneissa maalajeissa yksittäiset lohkareet on havaittavissa, mutta lohkareisessa moreenissa yksittäisten kohteiden erottaminen on vaikeaa tutkatuloksen puuroutuessa useisiin heijasteisiin. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Maatutkaluotaus, maan lohkareisuus Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Kokonaissivumäärä 12 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Yksikkö ja vastuualue ESY, VA 212 Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

3 Sisällysluettelo Kuvailulehti JOHDANTO ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. MAATUTKALUOTAUKSEN TEORIAA 1 ESIMERKKITAPAUKSIA 3 Lajittunut maa-aines, helppo kaivaa 3 Hiekkainen moreeni 4 TAATA -hankkeen moreenitutkimukset 6 JOHTOPÄÄTÖKSET 9 KIRJALLISUUSLUETTELO 9

4 1 JOHDANTO Maan lohkareisuus vaikuttaa merkittävästi maan kaivettavuuteen ja siitä syntyviin kustannuksiin. Lohkareisuutta voidaan arvioida alueen yleisen geologian ja pintakivisyyden perusteella. Näin tehtyä arviointia voi edelleen varmentaa kairauksilla tai tutkimuskaivannoilla. Ennen kairauksia tai tutkimuskaivantoja voidaan kuitenkin käyttää maatutkaluotausta kairauspisteiden tai tutkimuskaivantojen ohjaamiseksi tarkoituksen mukaisille paikoille. TAATA hankkeessa tehtiin Lempäälän alueelle ennen tutkimuskaivantoja maatutkaluotauslinjoja niille kohteille, joille tutkimuskaivannot katsottiin tarpeellisiksi. Paikat olivat pääasiassa moreenipeitteitä, joilla pintakivisyys oli kohtalaista tai runsasta. Tässä raportissa on esitetty myös maatutkaluotauksen teoriaa ja järven jäältä tehtyjen testien tuloksia sekä otettu mukaan myös kohteita vähäpintakivisiltä alueilta. MAATUTKALUOTAUKSEN TEORIAA Maatutkaluotauksessa voidaan havaita ympäristöstään sähköisesti poikkeava kappale, kuten kivi tai lohkare. Kappaleen havaitsemiseen vaikuttavat: 1) Kappaleen koko 2) Kappaleen etäisyys antennista 3) Antennitaajuus 4) Kappaleen asema keilakulmassa 5) Kappaleen etäisyys muista objekteista 6) Kappaleen dielektrisyyden poikkeama ympäristöstään. 7) Kappaleesta saatavien heijasteiden lukumäärä Kiteisten kivien dielektrisyydet vaihtelevat viidestä seitsemään. Poikkeustapauksia lukuun ottamatta kivi muodostaa ympäröivän maa-ainekseen nähden sähköisen rajapinnan. Ratkaisevaa on kiven/lohkareen koko ja etäisyys suhteessa aallon pituuteen eli käytettävään antennitaajuuteen. Nyrkkisääntönä voi pitää, että näkyäkseen tutkaprofiililla kiven/lohkareen on oltava vähintään aallonpituuden puolikkaan kokoinen ja kappaleen syvyys jaettuna kappaleen halkaisijalla on oltava viisi tai vähemmän. Esimerkiksi, kun maatutkaluotaus tehdään 200 MHz: antennilla, taulukon 1 moreenissa 2,5 metrin syvyydellä olevan lohkareen olisi oltava halkaisijaltaan 60 cm kokoinen näkyäkseen tutkaprofiililla. Testien mukaan (kuva 1) GTK:n nykyiset antennit näkevät kulun suunnassa 13 eteen- ja taaksepäin, mikä tarkoittaa noin yhtä neljäsosaa kappaleen syvyydestä. Vastaavasti antenni näkee kul-

5 2 kua vasten kohtisuoraan sivulle noin 10 kulmassa, mikä on tarkoitta noin yhtä viidesosaa syvyydestä. Nämä arvot poikkeavat vuonna MHz:n antennilla tehdyistä mittauksista (Hänninen et. all). Aikaisemman esimerkin mukaan 2,5 metrin syvyydellä olevat kappaleet alkavat sekoittua, jos niiden välinen etäisyys reunasta reunaan on alle 120 cm tai ne ovat antennin sivulla noin 80 cm keskilinjasta eli tutkan signaali heijastuu 2,5 metrin syvyydellä moreenimaassa lähes 2 m² alueelta. Jos tällä alueella on yhdeksän halkaisijaltaan 20 cm kappaletta, heijasteen tulkinta on halkaisijaltaan 0,6 m lohkare. Pyöreinä kappaleina 0,6 m lohkareen massa on kolminkertainen yhdeksään 0,2 kiveen nähden. Maa-aines Dielektrisyys Aallonkulkunopeus cm/ns Aallonpituus 100 MHz 200 MHz 500 MHz 1000 MHz Ilma m 1,5 m 60 cm 30 cm Kuiva hiekka Märkä hiekka ,5 m 75 cm 30 cm 15 cm cm 30 cm 12 cm 6 cm Moreeni 16 7,5 75 cm 38 cm 15 cm 8 cm Turve 64 3,8 38 cm 19 cm 8 cm 4 cm Vesi 81 3,3 33 cm 17 cm 7 cm 3 cm Taulukko 1. Joidenkin väliaineiden ohjeellisia dielektrisyys, aallonkulkunopeus ja aallonpituusarvoja.

6 3 Kuva MHz antennitesti. Kuvissa on neljä vedessä olevaa ilmatäytteistä aallonpituuden suuruista kohdetta 60 cm etäisyydellä toisistaan. Linja kohteiden päältä (a), puoli antenninleveyttä sivussa (b) ja koko antenninmitta sivussa (c). ESIMERKKITAPAUKSIA Lajittunut maa-aines, helppo kaivaa Hausjärven Halkomäellä ajettiin helmikuussa 2009 neljä linjaa. Kaksi linjaa meni poikittain syöttävän harjun yli, yksi meni harjun laella ja yksi harjun liepeellä. Kuvassa 2 on esitetty harjun yli kaakosta luoteeseen menevä maatutkalinja. Harjun reuna-alueella on lajittuneita helposti kaivettavia rantakerrostumia, jotka makaavat vasten karkeampaa harjumateriaalia. Alla on rakenteeton lohkareinen harjun ydin. Lukuun ottamatta harjun ydintä, maa-aines voidaan kaivaa traktorikaivurilla

7 4 Kuva 2. Vasemmalla on helposti kaivettavaa rantakerrostumaa, joka nojaa karkeampaa harjuainesta vasten. Harjun rakenteeton karkea ydin näkyy heijastamattomana alueena. Nimetyt kohteet ovat esimerkinomaisia. Hiekkainen moreeni Lieksassa Pielisen rannalla tehdyissä moreenimuodostuman maatutkaluotauksessa (kuva 2) kartoitettiin pohjaveden pintaa ja kallion topografiaa. Pintakivisyyden perusteella ei voida päätellä varmuudella moreenin kivisyyttä. Maatutkaluotausprofiileilla on runsaasti merkkejä kivisyydestä (kuva 3). Kivisyys on niin runsasta, että kivien heijasteet ovat sekoittuneet. Heijasteissa ei ole selviä lohkareheijasteita. Muodostuman pintaosassa noin kahden metrin syvyyteen asti on vähäkivistä materiaalia sekä paikoin on selviä hienoainespitoisia taskuja.

8 5 Kuva 2. Maatutkaluotausta Lieksassa moreenimuodostumalla. Kuvassa GSSI:n SIR3000 maatutka ja 200 MHz:n antenni. Kuva 3. Lieksan moreenimuodostuman maatutkaluotauslinja. Tutkalinjalla näkyy runsaasti kiviä, osaa heijasteista osoitetaan nuolilla. Osa kivien heijasteista on sekoittunut. Tulkittu kallion pinta on merkitty punaisilla ja pohjavesi sinisillä palloilla.

9 6 TAATA -hankkeen moreenitutkimukset Syksyllä 2008 tehtiin Lempäälän kunnan alueelle TAATA-hankkeen rakennusteknisiä tutkimuksia varten 19 tutkimuskaivantoa, joissa erityistä huomiota kiinnitettiin moreenin kaivettavuuteen ja lohkareisuuteen. Osa kaivantojen sijaintipaikoista maatutkattiin ennen kaivuutöitä. Lempäälän itäosan tasaiselle moreenialueelle tehtiin tutkimuskaivanto 2008MPM_001 (kuva 4). Alueella oli runsas pintakivisyys. Maatutkaluotauksen perusteella oli odotettavissa, että moreenissa on runsaasti kiviä, mutta viitteitä isoista lohkareista ei ollut. Tutkasignaalin vähäisen vaimenemisen perusteella matriksen savespitoisuus on alhainen. Kallion pinnan topografia oli selvästi nähtävissä ja sen perusteella tutkimuskaivannon paikan valinnassa voitiin välttää ohuen maapeitteen alueet. Kuva 4. Lempäälän itäosan tasainen moreenialueen tutkimuskaivanto 2008MPM_001. Alueella on runsas pintakivisyys. Myös tutkimuskaivannon materiaalin kivisyys oli runsasta.

10 7 Kuva 5. Maatutkaluotaustulos kaivannolta 2008MPM_001. Kaivanto on likimain kohdassa 30. Kallion pinnan tulkinta on merkitty punaisilla palloilla. Tutkimuskaivanto 2008MPM_002 tehtiin moreenipeitteeseen, vanhaan leikkaukseen. Tutkimuskaivannon yläosassa oli metri kivistä hiekkamoreenia, jonka jälkeen oli metri lohkareista hiekkamoreenia (kuva 6). Moreenipeitteen alla oli rikkonainen kallio kahden metrin syvyydessä. Maatutkaprofiililla erottuu kuvan 6 keskikohdassa, tutkimuskaivannon kohdalla, näkyvä vähäkivisempi moreenitasku. Profiilin molemmilla reunoilla on runsaskivistä tai lohkareista moreenia. Huolimatta rikkonaisesta kallion pinnasta kallion topografian tulkinta onnistui hyvin. Kuva 6. Lempäälän TAATA tutkimuskaivanto 2008MPM_002. Kaivanto on kuvan keskellä. Se on tehty valmiiseen leikkaukseen. Maatutkaprofiili on liimattu leikkauskuvan päälle.

11 8 Lempäälän länsiosassa tehtiin tutkimuskaivanto 2008MPM_016 lohkareiseen moreenipeitteeseen (kuva 7). Maa-aines oli erittäin kivinen ja lohkareinen. Maan pinnalla oli runsaasti kiviä ja lohkareita. Raeanalyysin perusteella maa-aineksessa oli yli 20% savea. Kun raeanalyysin näytemateriaalista oli poistettu yli 6 mm kivet, saviaineksen todellinen osuus maa-aineksesta on pieni. Maatutkaprofiilin alkupäässä matriksen osuus maamateriaalista on ilmeisesti suurempi ja kivisyys on vähäisempää kuin linjan loppuosassa (kuva 7), sillä tutkasignaali vaimenee linjan alkuosassa voimakkaasti eikä kiviheijasteita ole merkittävästi. Linjan loppuosassa kallioon pinnan tulkitseminen on epävarmaa, sillä maa-aines sisältää runsaasti heijastavia objekteja, jotka voi tulkita kallion rakoiluksi. Kuitenkin tutkimuskaivannon mukaan kallion pinta alueella oli ehjä, jonka perusteella tulkinnan mukaan kallion pinta olisi maatutkalinjan loppupäässä noin kolmen metrin syvyydellä, kun se kaivannon mukaan oli noin kahdessa metrissä. Kuva 7. Tutkimuskaivanto 2008MPM_016 Lempäälän länsiosassa. Maan pinnalla on runsaasti roudan nostamia lohkareita. Tutkimuskaivantokuvasta voi havaita, että alle 6 mm materiaalin osuus koko maa-aineksesta on pieni.

12 9 Kuva 8. Tutkimuskaivannon 2008MPM_016 maatutkaprofiili. JOHTOPÄÄTÖKSET Lajittuneessa maalajissa yksittäisen heijastavan kohteen koon ja paikan määrittäminen on mahdollista. Moreenissa tai muussa rakenteettomassa ympäristössä yksittäisen lohkareen erottaminen kivikasaumasta niiden aiheuttamien heijasteiden perusteella ei ole yksiselitteistä. Normaalissa kaivuusyvyydessä (2,5 m) kalliopinnan syvyys on tulkittavissa. Kun moreenin keskimääräinen kivikoko esimerkiksi Lempäälässä oli 6-20 cm, niin keskimääräiset kivet näkyvät maatutkaprofiililla vain niiden kasaantuessa, mutta yksittäinen lohkare riittää antamaan samankaltaisen heijasteen. Jos kaivettavuustutkimuksissa käytetyn maatutkaluotauksen antennin taajuus on 200 MHz:ää, niin pienimmän havaittavan yksittäisen kappaleen halkaisijan pitää normaalilla kaivuusyvyydellä olla noin 60 cm. Kun kaivettavuus riippuu lähinnä lohkareiden määrästä, ei maatutkaluotauksella voida erottaa kuin mahdolliset lohkareikot tai kivikasaumat, mutta niiden erottaminen toisistaan ei ole mahdollista. KIRJALLISUUSLUETTELO Hänninen, P., Koponen, L. & Perttola, R Maatutkaluotausten testimittaukset. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti P s.+12 liitettä.