' Tel. 1 ARKISTOKAPPALE 1. Vastusluotaus Ekokemin radalla Riihimäellä. Ominaisvastusleikkaus. Q 16.2/2000/2 Heikki Vanhala Työraportti 2.2.

Transkriptio

1 1 ARKISTOKAPPALE 1 tih0lwtilska FWKSKNlNUSCENï'KALEN GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Q 16.2/2000/2 Heikki Vanhala Työraportti Vastusluotaus Ekokemin radalla Riihimäellä - Ominaisvastusleikkaus ' Tel. PLPBP.0. Box % FIN ESPOO, FINLAND Nit , Int Fax Nat ; Int

2 Heikki Vanhala, Vastusluotaus Ekokemin radalla Riihimäellä Geologian tutkimuskeskus, Etelä-Suomen aluetoimisto, Ymparistögeofysiikka. Työraportti, 16 sivua ja 12 liiteta Lyhennelma Riihimäellä Ekokemin rataosuudella testattiin kahden päivän ajan vastusluotauksen soveltuvuutta ratapenkan rakenteen tutkimiseen. Sähköisen luotauksen kannalta ratapenkka on poikkeuksellisen ongelmallinen kohde - tulkintaa vaikeuttavia häiriöitä voidaan odottaa sekä radan sähköistykseen liittyvistä rakenteista että huonoista elektrodimaadoituksista (kuiva sepeli). Testimittaukset osoittivat että vastusluotauksella saadaan tietoa ratapenkaan rakenteesta. Datan laatuun liittyviä ongelmia esiintyi lähinnä vain sähkötolppien kohdalla. Ylintä 2-3 metrin paksuista pintakerrosta kuvaava osa datasta oli pääsääntöisesti hyvälaatuista ja mittaus antoi kuvan pinnan sähkönjohtavuusjakaumasta. Resistiivisen noin metrin paksuinen pintakerros rajautui terävästi alla olevasta paremmin sähköa johtavasta kerroksesta. Sähkönjohtavuusmuutosten ja ratapenkan rakenteiden välisten riippuvuuksien tarkempi analysointi edellyttäisi näyte- tai muuta referenssitietoa. Karkeasti mittaustulokset voidaan tulkita niin että resistiivinen ( knm) pintakerros kuvaa kuivaa ja karkeista kerrosta (sepeli jaltai sora) ja paremmin sähköa johtava kerros (< 1 mm) koosteampaa ja hienorakeisempaa maa-ainesta (hiekka). 1 Johdanto Vastusluotaus on sähköinen mittausmenetelmä jolla hankitaan tietoa maankamaran sahkönjohtokyvyn lateraali- ja vertikaalivaihteluista. Vastusluotauksesta, eli sähköisestä profiili-vertigaali-luotauksesta (profile vertigal electrical sounding, PVES) käytetään yleisesti myös nimitystä sähköinen tomomografia. Pohjaveden pinnan yläpuolisissa kerroksissa sahkönjohtokyky riippuu tyypillisesti maa-aineksen kosteudesta - hienorakeiset ja runsaammin vettä sitovat maalajit johtavat sähköä karkearakeisia lajitteita paremmin. Maaperän sahkönjohtokyky riippuu myös huokosveden (tai pohjaveden) sähkönjohtokyvystä. Pohjaveden haitta-aineet, kuten kaatopaikoilta valuvat suotovedet ja maantiesuola, parantavat maaperan sähkönjohtokykyä. Vastusluotauksen sovelluksia ovat mm. maaperan kerrosrakenteen tutkiminen ja saastuneen maaperan ja pohjaveden kartoittarninen. Tämä testi liittyy Pekka Hännisen ja muiden (1998) työhön jossa selvitettiin maatutkan sopivuutta ratapenkan rakenteen tutkimiseen. Ajatuksena on, että maatutkalla määritetään

3 ratapenkan kerrosrakenne ja vastusluotauksella havaittujen kerrosten sahkönjohtokyky. Sähkönjohtokyvyn perusteella voidaan edelleen arvioida kyseisen kerroksen vesipitoisuutta ja raekokojakaumaa ja routimisherkkyyttä. Testin ensisijaisena tavoitteena oli selvittää millä tarkkuudella ratapenkan sähkönjohtokyvyltään erilaisia kerroksia ja osia pystyy vastusluotausmittauksella rajaamaan. Erityisesti kiinnostuksen kohteena oli kuivan ja karkean (sepelin) pintakerroksen ja sen alla olevan hienorakeisemman ja kosteamrnan kerroksen välinen rajapinta ja näiden kerrosten sahkönjohtokyky. Testin ensisijainen tavoite oli mittaustekninen koska ratapenkka on sähköisen mittauksen kannalta ongelmallinen kohde mm. ulkoisten sähköisten häiriöiden (radan sähköistyksen ja sáhkötolppien vaikutus) ja pinnan kuivuuden ja karkean sepelin (huono sähköinen kontakti) takia. Tulosten tulkintaa (etenkin syvempien kerrosten) vaikeuttaa myös ratapenkan muoto: Tulkinta perustuu oletukseen että mittauslinjalla tavattavat rakenteet jatkuvat muuttumattomina kaikissa mittauslinjaa vastaan kohtisuorissa leikkauksissa (2D-rakenne). Lähellä pintaa, ehkä kahteen metriin asti, oletus pitää melko hyvin paikkansa. Sensijaan syvemmällä olevat kerrokset kuvautuvat virheellisesti. Testin tavoitteena oli myös (kerättyä mittausdataa käyttämällä) arvioida miten paljon mittaustapahtumaa voitasiin nopeuttaa jos kiinnostuksen kohteena olisi vain noin metrin syvyydellä olevan karkean pintakerroksen ja hienorakeisen pohjamaan rajapinnan määrittäminen. 2 Mittaukset Mittaukset tehtiin AGIlSting monielektrodilaitteistolla. Kaikkiaan tehtiin kahdeksan mittausta (linja 1 - linja 8 ), ks. liitel. Osa mittauksista oli toistoja samalla paikalla - tutkittiin mittaustekniikkaan ja mittauksen kohinaan liittyviä tekijöitä. Linja 2 mitattiin 2 metrin elektrodivälillä, linjat 7 ja 8 50 cm elektrodivälillä ja muut yhden metrin elektrodivälillä Mittauslinjat ja -parametrit on esitetty liitteessä 1. Mittauksessa käytettiin nk. dipoli-dipoli-konfiguraatiota (ks. liite 2) ja 28 elektrodin kaapelia (28 maadoitusta). Luotaustulokset (linja 1 - linja 8) esitetään värisavykuvina joissa violetti ja punainen väri kuvaavat resistiivisintä (huonosti sähköa johtavaa) maa-ainesta ja sininen hyvin sähköa johtavaa kerrosta tai aluetta. Luotauskuva edustaa mittauslinjan suuntaista leikkausta jossa x-akselilla kasvaa etäsyys mittauslinjan eli ratakiskojen suunnassa ja y-akselilla syvyys.

4 3 Tulokset 3.1 Ominaisvastussektiot Seuraavassa käsitellään mittaustulokset linjoittain. Johtavuudella tarkoitetaan kaikissa yhteyksissä sähkönjohtavuutta. Ominaisvastussektioissa erottuu karkeasti kaksi osaa: resistiivinen pintakerros jonka ominaisvastus yli 10 Mm ja joka on tulkittu sepeliksi, ja pintakerroksen alla paremmin sähköä johtava kerros jonka ominaisvastus alle 1 k8m ja joka on tulkittu kosteaksi maa-ainekseksi.. Kuvassa 1 (linja 1, 1.0 metrin elektrodiväli) erottuu linjan loppupäässä resistiivinen noin metrin paksuinen pintakerros (1) ja paremmin sähköa johtava pohjakerros (2). Linjan alkuosassa resistiivinen kerros ulottuu syvemmälle 3-4 metriin (3). Erikseen erottuu vielä metrin kohdalla resistiivinen pullistuma 2-3 metrin syvyydellä. Tulkinta: Resistiivinen metrin paksuinen pintakerros linjan loppuosalla kuvaa kuivaa sepeli/sorakerrosta ja paremin sähköa johtava (vihreä ja sininen) kerros kosteaa hienorakeisempaa pohjakerrosta. Resistiivinen pullistuma (4) kuvaa ojarumpua ja resistiivinen alue tämän ympärillä kuivahkoa sorafhiekka-kerrosta (joka ulottuu noin pisteelle 14 metria asti mutta puuttuu linja loppupäästä). Kuvan 2 linja (linja 2,2.0 metrin elektrodiväli) alkaa samasta pisteestä kuin linja metrin syvyydelle ulottuva resistiivinen alue linjan alkuosassa kuvastuu samanlaisena kuin linjalla 1. Ojarumpu ei kuitenkaan erotu erikseen. Resistiivinen pintakerros valilla metria kuvautuu hieman paksumpana kuin linjalla 1. Linjan loppupäässä johtava kerros (sininen) ulottuu lähelle pintaa, puolen metrin syvyyteen asti. Tulkinta: Lähelle pintaa ulottuva johtavuusanomalia (sininen) pisteen 40 ympäristössä johtuu sähköpylväästä. Resistiivisen pintaosan nälcyminen paksumpana kuin kuvassa 1 johtuuu ns. 3D-efektistä (mitä pidempi luotauslinja on, sitä enemmän ratapenkan rakenne poikkeaa tulkintaohjelman edellyttämästä 2D-rakenteesta) joka tassa tapauksessa johtaa siihen että pintakerros näkyy hieman liian paksuna (linjan pituus ei sinällään aiheuta ongelmaa vaan se otetaanko inversioon mukaan syvempiä leikkauksia edustavaa dataa - tassa otettiin). Kuvassa 3 (linja 3, 1.0 metrin elektrodiväli) resistiivisen kerroksen paksuus vaihtelee valilla 70 cm - 2 m. Pisteen 8-9 metria kohdalla resistiivisen kerroksen sisalla on johtavampi kerros. Tulkinta: kuivan sepelilsora-kerroksen paksuus vaihtelee. Ohuimmillaan kerros on 70 cm luokkaa, paksuimmillaan noin 2 metria. Kuivan aineksen sisalla on kosteita hienorakeisia kerroksia. Kuvassa 4 (linja 4, 1.0 metrin elektrodiväli) pisteen 8 kohdalla ulottuu

5 ja 2-kerrosmalli n:n arvoilla 9-6. Kaikissa tapauksissa resistiivinen kerros on noin metrin paksuinen. Tuloksen perusteella näyttää siltä että kuivan pintakerroksen ja metrin syvyydellä tai lähempänä pintaa olevan kostean pohjamaan raja pystytään määrittämään pisteluotauksella laittella jossa suurin elektrodiväli on 5 metriä (5 mertriä pitkä kampa jossa maadoitukset 50 cm välein) Liitteessä 6 verrataan 2D-mallilla laskettua rakennetta ja 1 D-mallilla laskettuja rakenteita samalta pisteeltä. 4 Yhteenveto Vastusluotauksella pystytään ratapenkan olosuhteissa määrittämään resistiivisen pintakerroksen paksuus ja ominaisvastus sekä syvemmällä olevan maa-aineksen ominaisvastus. Sähköpylväät aiheuttivat pylväiden lähella kohinaa, eikä näillä kohdin saatu luotettavaa tulosta. Pylväiden ja sähköistyksen aihettama ongelma voitaneen ohittaa mittausgonfiguraatiota muuttamalla. Yhteisenä rakennepiirteenä mittausalueella oli noin metrin syvyyteen ulottuva resistiivinen kerros jonka ominaisvastus on luokkaa 20 kbm ja tämän alla johtavampi kerros jonka ominaisvastus on tyypillisesti alle 1 kbm. Pintakerroksen ja syvempien osien sähkönjohtavuusrakenteessa erottui paikoin sisäistä vaihtelua. Tulosten geotekniseen tulkintaan ei tässä yhteydessä ole kiinnitetty tarkempaa huomiota koska kairaus- tai muuta referenssitietoa testipaikalta ei ollut. Korkeat resistiivisyydet tulkittiin kuivaksi sepeli/sorakerrokseksi ja matalat resistiivisyydet kosteammiksi ja hienorakeisemmiksi maa-aineksiksi. Kairaustietojen perusteella voitaisiin esimerkiksi arvioida liittyykö resistiivisen kerroksen sisällä havaittu vaihtelu selkeästi ko. kerroksen rakenteeseen. Varsinaisesti referenssitietoa kuitenkin kaivattaisiin syvemmällä olevan hyvin sähköä johtavan kerroksen tulkinnassa. Alemman kerroksen ominaisvastus oli tyypillisesti välillä Bm, paikoin jopa alempi. Tulos voidaan tulkita kahdella tavalla: (a) aines on hienorakeista ja hyvin kosteaa (kosteusprosentti esimerkiksi 10 vol.% luokkaa), (b) aines on kosteaa hiekkaalsoraa, mutta huokosveden sähkönjohtavuus on kohonnut radalta valuneiden epäpuhtauksien takia. Selkeimmät käytännön rajoitukset vastusluotauksen käytölle aiheutuvat sähköistyksen aiheuttamista häiriöistä pylväiden kohdilla ja sepelikerroksen kuivuudesta joka voi (kuivina aikoina) estää mittauksen kokonaan. Ominaisvastus- ja syvyyslukemat vääristyvät jos mittaus tehdään lähella penkan reunaa. Viitteet Pekka Hänninen, Juha Majaniemi, Timo Suomi, GeoSlsikaaliset luotaukset Riihimäellä Ekokemin rataosuudella. Geologian tutkimuskeskus, raportti P , 12 s.

6 johtavuusanomalia lähelle pintaa. Linjan loppupäässä resistiivinen pintakerros samantyyppinen kuin linjoilla 1-3. Tulkinta: Johtavuusanomalia (sininen) pisteen 8 metriä kohdalla, samoin ympäristöään resistiivisemrnät kohdat anomalian ympärillä johtuvat metallisesta sähkötolpasta. Linjan loppupäässä karkearakeinen ja kuiva pintakerros erottuu noin metrin paksuisena kuten linjoilla 1-3. Kuvassa 5 ja 6 (linja 5 ja 6, 1.0 metrin elektrodivali, mitattu sama linja kahteen kertaan) erottuu noin metrin paksuinen resistiivinen pintakerros ja sen alapuolella paremmin sähköä johtava kerros. Tulkinta: Karkearakeinen kuiva pintakerros ulottuu tasaisena noin metrin syvyyteen. Kuivan kerroksen alla on kosteampi pohjakerros. Kuvassa 7 ja 8 (linja 7 ja 8, 50 cm elektrodivali, linja mitattu kahteen kertaan) olevat linjat alkavat samasta pisteestä kuin linjat 5 ja 6. Resistiivinen pintaosa kuvautuu hieman ohuempana kuin kuvissa 5 ja 6. Syy on sama kuin linjoilla 1 ja 2: Linjat 7 ja 8 on mitattu lyhyemmalla elektrodivälillä ja linjojen pituus on puolet linjojen 5 ja 6 pituudesta, mikä vähentää 3D-rakenteesta aiheutuvaa vaäristymää. Resistiivisessa pintakeroksessa näkyy pienemmästä elektrodivalista johtuen enemmän sisäistä rakennetta kuin muilla linjoilla. Tulkinta: Kuiva ja karkea pintakerros on noin 80 cm paksuinen. Karkeimman kerroksen alapinta on noin 60 cm syvyydellä. 3.2 Muu tarkastelu Liitteessa 3 tarkastellaan elektrodivalin vaikutusta mittaustulokseen (myös ominaisvastusskaalan (lineaarinen vs. logaritminen) vaikutusta siihen miten tuloksen hahmottaa). Liitteen 3 osassa a ominaisvastusasteikko on lineaarinen, osassa b logaritminen. Kuvien data on kerätty linjoilta 6 ja 7 samoilta pisteiltä inversiotuloksesta. 1 metrin ja 50 cm:n elektrodivälilla mitatut tulokset ovat täysin vertailukelpoisia. Liitteessa 4 on laskettu kerrosmalli vakio ominaisvastuksilla (linjat 6 ja 7) niin että resistiivisen kerroksen ja johtavan pohjakerroksen väliin on sijoitettu kerros. Tulos ei olellisesti poikkea kuvien poikkea kuvien 6 ja 7 tuloksista. Resistiivisen kerroksen pohja sijoittuu noin metrin syvyydelle. Liitteessa 5 tarkastellaan mahdollisuutta arvioida resistiivisen kerroksen paksuus pisteluotauksella. Linjalta 7 pisteen km kohdalta noukittiin näennainen ominaisvastus n:n arvolla 1-9. ID-inversiossa laskettiin 3-kerrosmalli n:n arvoille 9 ja 8

7 Liiteluettelo Liite 1 Liite 2 Liite 3 Liite 4 Liite 5 Liite 6 Mittauslinjat ja mittauksissa käytetyt asetukset. (a) periaatekuva dipoli-dipoli elektrodikonfiguraatiosta; (b) dipoli-dipoliluotauksen (PVES, profile-electrical-sounding) periaate AGLISTINGlaitteistolla. Laite mittaa pienimmällä elektrodivälillä (kuvassa a=l m) automaattisesti kaikki virta,potentiaalidipoli-yhdistelmät, esimerkiksi kuvan osoittamalla tavalla dipoliväliin n=8 asti. (n=1-8). Tämän jälkeen elektrodiväli kaksinkertaistetaan (c) ja mittaus jatkuu (määrittelyn mukaan) Elektrodivälin vaikutus tulkittuun ominaisvastukseen. (a) lineaarinen asteikko, (b) logaritminen asteikko. Elektrodiväli 0.5 m (linja 7) ja 1 m (linja 6). Lukemat on poimittu inversiotuloksesta linjakoordinaattien km, km, km ja km kohdalla. 2D-ominaisvastusmalli, linja 6 (liite 4a) ja linja 7 (liite 4b). Malli poikkeaa kuvista 1-8 siinä että tässä tapauksessa kerroksia on rajoitettu määrä ja kerroksen ominaisvastus pysyys samana kaikissa kerroksen osissa. 1 D-ominaisvastusmalli, (A) linja 7, piste , mallissa 3 kerrosta, dip-dip, a=0.5 m, n=1-9. (B) linja 7, piste , mallissa 3 kerrosta, dip-dip, a=0.5 m, n=1-8. (C) linja 7, piste , mallissa 2 kerrosta, dip-dip, a=0.5 m, n=1-9. (D) linja 7, piste , mallissa 2 kerrosta, dip-dip, a=0.5 m, n=1-8. (E) linja 7, piste , mallissa 2 kerrosta, dip-dip, a=0.5 m, n=1-7. (F) linja 7, piste , mallissa 2 kerrosta, dip-dip, a=0.5 m, n=1-6. ID- ja 2D-inversion vertailu, linja 6 ja 7, piste D-inversiossa on käytetty n-arvoja n=1-9, n=1-8, n=1-7 ja n=1-6. Mallissa on 2 ja 3 kerrosta.

8 Kuvatekstit Kuva 1 / Linja 1. Ominaisvastusleikkaus (2D-malli, AGUSting, dip-dip, a=l m, 28 maadoitusta). Musta viiva on piirretty metrin syvyydelle. Kuvassa erottuu (1) kuiva pintakerros (sepeli), (2) kosteampi pohjakerros (hiekka?), (3) kuiva maa-aines ojarummun ympärillä, (4) oj arurnmun kohta. Kuva 2 / Linja 2. Ominaisvastusleikkaus (2D-malli, AGUSting, dip-dip, a=2 m, 28 maadoitusta). Musta viiva on piirretty metrin syvyydelle. Kuvassa erottuu kuiva pintakerros (sepeli) ja kosteampi pohjakeros, linjan alkupäässä kuiva alue ojarummun ympäristössä ja linjan loppupäässa (36-44 metria) sälköpylvään aiheuttama hairiö. Kuva 3 / Linja 3. Ominaisvastusleikkaus (2D-malli, AGUSting, dip-dip, a=l m, 28 maadoitusta). Musta viiva on piirretty metrin syvyydelle. Kuvassa erottuu kuiva pintakerros (sepeli) ja kostea pohjakerros. Kuivan pintakerroksen syvyys vaihtelee välillä metria. Kuva 4 / Linja 4. Ominaisvastusleikkaus (2D-malli, AGUSting, dip-dip, a=l m, 28 maadoitusta). Musta viiva on piirretty metrin syvyydelle. Kuvassa erottuu linjan loppupäässa (1) kuiva pintakerros (sepeli) ja sähkötolpan aiheuttama hairiö linjan alkupuolella. Kuva 5 ja 6 / Linja 5 ja 6. Ominaisvastusleikkaus (2D-malli, AGIISting, dip-dip, a=l m, 28 maadoitusta). Musta viiva on piirretty metrin syvyydelle. Kuvassa erottuu kuiva pintakerros (sepeli) ja kosteampi pohjakerros. Kuva 7 ja 8 / Linja 7 ja 7. Ominaisvastusleikkaus (2D-malli, AGUSting, dip-dip, a=0.5 m, 28 maadoitusta). Musta viiva on piirretty metrin syvyydelle. Kuvassa erottuu kuiva pintakerros (sepeli) ja kosteampi pohjakerros.

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28