Ikiroudan mallinnus geofysikaalisin mittauksin. Tutkimukset Ridnitsohkkalla elokuussa Heikki Vanhala & Petri Lintinen

Transkriptio

1 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla GTK/ESY Q 16.2/2009/ Espoo Ikiroudan mallinnus geofysikaalisin mittauksin Tutkimukset Ridnitsohkkalla elokuussa 2008 Heikki Vanhala & Petri Lintinen

2 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Geological Survey of Finland Documentation page / Authors: Heikki Vanhala ja Petri Lintinen Type of Report: Research Report Commissioned by: Title of Report: Ikiroudan mallinnus geofysikaalisin mittauksin Tutkimukset Ridnitsohkkalla elokuussa 2008 Abstract: Vuonna 2004 aloitettua Ridnitsohkka-tunturin ikiroudan geofysikaalista monitorointia ja ikiroudan rakenteen ja ominaisuuksien tutkimusta jatkettiin elokuussa 2008 sarjalla vastusluotauksia ja näytteenottoa. Mittaukset ja näytteenotto tehtiin Tutkimukset keskittyivät ikiroudassa olevan moreenikentän karakterisointiin ja monitorointiin. Tunturin laella ikiroutakerroksen paksuus on geofysiikan luotausten mukaan 5-15 m ja moreenialueella aktiivikerroksen paksuus noin yksi 1 m. Moreenipeitteen paksuuden on tulkittu vaihtelevan välillä 1-5 m. Mittausten mukaan aktiivikerroksen ja ikiroutakerroksen pintaosan (kerroksen joka on 1-3 metriä maanpinnasta) sähkönjohtavuus on kasvanut tutkimusjakson aikana noin 30%. Ominaisvastuksen pieneneminen on selitettävissä ikiroudan pintaosien lämpötilan kasvulla. Maan tai ilman lämpötilaseurantaa ei tutkimuskohteella kuitenkaan ole tehty lukuun ottamatta aktiivikerroksen lämpötilamittauksia. Huolimatta lämpötilareferenssin puuttumisesta, tulos viittaa siihen että vastusluotauksella pystytään monitoroimaan ikiroudan rakennetta ja lämpötilaa. Keywords: Geofysiikka, ikirouta, ilmastomuutos, monitorointi, sähkönjohtavuus Geographical area: Suomi, Lappi, Enontekiö, Map sheets: Other information: Report serial: Archive cod Q-raporti / Arkistoraportti Q16.2/2009/13 Total pages: Lanquage: Price: Confidentaliaty: App Suomi - Ei-julkinen asti Unit and section: GTK/ESY, Merigeologia ja geofysiikka Signature/name: Heikki Vanhala GTK s Project code Etsintä ja ympäristögeofysiikka Signature/name

3 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Sisällysluettelo 1. Johdanto Moreeninäytteet ja laboratoriomittaukset Vastusluotaus Vastusluotausmonitorointi Lämpötilamittaus in situ Mallinnus Johtopäätökset ja huomiot Kirjallisuusviittet Liitteet Kannen kuvassa pala Valttijokilaaksoa seurailevaa harjua Vääräväri-ilmakuva, mittauslinjat & havaintopisteet.

4 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Vanhala, H. ja Lintinen, P., Ikiroudan mallinnus geofysikaalisin mittauksin Tutkimukset Ridnitsohkkalla elokuussa Geologian tutkimuskeskus, raportti Q16.2/2009/13, 19 sivua, 3 liitettä Lyhennelmä Vuonna 2004 aloitettua Ridnitsohkka-tunturin ikiroudan geofysikaalista monitorointia ja ikiroudan rakenteen ja ominaisuuksien tutkimusta jatkettiin elokuussa 2008 sarjalla vastusluotauksia ja näytteenottoa. Mittaukset ja näytteenotto tehtiin Tutkimukset keskittyivät ikiroudassa olevan moreenikentän karakterisointiin ja monitorointiin. Tunturin laella ikiroutakerroksen paksuus on geofysiikan luotausten mukaan 5-15 m ja moreenialueella aktiivikerroksen paksuus noin yksi 1 m. Moreenipeitteen paksuuden on tulkittu vaihtelevan välillä 1-5 m. Mittausten mukaan aktiivikerroksen ja ikiroutakerroksen pintaosan (kerroksen joka on 1-3 metriä maanpinnasta) sähkönjohtavuus on kasvanut tutkimusjakson aikana noin 30%. Ominaisvastuksen pieneneminen on selitettävissä ikiroudan pintaosien lämpötilan kasvulla. Maan tai ilman lämpötilaseurantaa ei tutkimuskohteella kuitenkaan ole tehty lukuun ottamatta aktiivikerroksen lämpötilamittauksia. Huolimatta lämpötilareferenssin puuttumisesta, tulos viittaa siihen että vastusluotauksella pystytään monitoroimaan ikiroudan rakennetta ja lämpötilaa. 1. Johdanto Haltin-Ridnitsohkkan ikiroudan geofysikaaliset tutkimukset aloitettiin kesällä 2004 sarjalla vastusluotauksia ja näytteenotolla (Vanhala ja muut, 2005, Vanhala, 2007a). Mittauksia jatkettiin kesällä 2005 ja edelleen (tämä raportti) kesällä Mittausten tavoitteena on ollut geofysiikan kehittäminen ohuen ja epäyhtenäisen ikiroudan tutkimukseen. Ennen Ridnitsohkkan tutkimuksia vuonna 1999 tehtiin Käsivarren Lapissa ikiroutaan liittyvä geofysiikan testi palsasuolla Peerassa ja Saanatunturilla (Vanhala, 2000, Vanhala ja muut, 2001 ja Vanhala ja Lintinen, 2002). Vuonna 2004 alkaneessa monitorointi-kehityshankkeessa on vastusluotauksen lisäksi tehty laboratoriomäärityksiä, painovoimamittauksia, maatutkaluotauksia ja OhmMappermittauksia (Vanhala ja Mattsson, 2007) ja hyödynnetty vuoden 2002 lentomittausaineistoa. Ensimmäinen havainto ikiroudassa olevasta moreenista saatiin kairaamalla vuonna 1993 (Hirvas ja muut, 2000, Hirvas ja muut, 2005). Kesän 2008 mittausten päällimmäisenä tavoitteena oli geofysikaalinen monitorointi Ridnitsohkkalla ja monitorointiosaamisen kehittäminen. Aktiivikerroksen paksuudessa ja ikiroudan kattavuudessa, paksuudessa ja lämpötilassa tapahtuvat muutokset ja niiden seuraaminen ja ennustaminen ovat nousseet tärkeäksi tutkimus- ja kehityskohteeksi ilmaston lämpenemisen myötä. Työn keskeisenä tavoitteena on kerätä valmiuksia, referenssejä ja osaamista hanketoimintaan esimerkiksi Venäjän ikirouta-alueilla. Kesällä 2008 vastusluotauksia tehtiin vuosien monitorointilinjoilla. Lisäksi mitattiin kolme uutta linjaa kohteen 3D mallin tarkentamiseksi. Moreeninäytteitä laboratoriomittauksiin kerättiin mittauslinjoilta.

5 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Moreeninäytteet ja laboratoriomittaukset Mittauslinjoilta kerättiin 8 moreeninäytettä 40 cm syvyydestä (R_21 R_28). Näytepisteet on merkitty kuvaan 1 punaisella x:llä. Jos näyteaines oli liian kivistä laboratoriosähkönjohtavuusmittaukseen, poistettiin isompia (ф >2cm) kiviä. Moreeni oli kaikilla pisteillä märkää tai veden kyllästämää. Näytteet säilytettiin noin +7 o C lämpötilassa ja niistä mitattiin ominaisvastus ja IP (vaihesiirto) taajuuksilla Hz. Mittausta varten näytemateriaali pakattiin lasiputkiin (putken pituus 30cm, halkaisija 3.1 cm ja potentiaalinelektrodien väli 22cm). Näytteiden lämpötila mittaushetkellä oli 7-9 o C. Kuva 1. Mittauslinjat ja näytepisteet Ridnitsohkkalla. Pohjakartta Maanmittauslaitos, lupa nro 13/MML/09

6 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Moreenin ominaisvastus oli, kuten aikaisemmissakin vuoden 2004 kokeissa (Vanhala et al., 2005) epätyypillisen korkea, Ωm (keskiarvo on 4790 Ωm), eli karkeasti 10 kertaa korkeampi kuin Etelä-Suomen moreeneilla. Vaihespektrit ovat moreenille tyypillisiä ja kaikilla, paitsi yhdellä näytteellä, keskenään samanmuotoisia. Näyte R_23 poikkeaa muista sen ominaisvastus on vain 900 Ωm ja vaihespektri ylöspäin kupera. Poikkeavan näytteen R_23 moreeni ei silmämääräisesti poikkea muista näytteistä eikä syy poikkeamaan ei ole tiedossa. Näytteen R_23 kohdalla on myös vastusluotaustuloksessa ympäristöään matalampi ominaisvastus (kuva 4, linja L_21). Näyte P_31 on moreenikumpareesta Pitsusjärven rannalta tasolta noin 750m m.p.y.. Näyte on Ridnitsohkkan näytteisiin verrattuna kuiva. Sen ominaisvastus, 5500 Ωm, on tyypillinen arvo lähes kuivalle - hieman kostealle moreenille. On huomattava että laboratoriomittauksissa tutkittiin materiaalia, josta oli poistettu yli 1 cm kokoiset kivet, eli in-situ ominaisvastus on kivisyydestä riippuen merkittävästi korkeampi, luokka >10 kωm. Taulukko 1. Ridnitsohkkan moreeninäytteiden ominaisvastus ja IP taajuudella 1Hz. Laboratoriomittaus , mittauslämpötila 7-8 o C. Näytteenotto päivämäärä , näytteenottosyvyys 40 cm. P_31 on Pitsusjärveltä. Näyte ρ 1Hz (Ωm) -vaihe 1Hz, (mrad) R_ R_ R_ R_ R_ R_ R_ R_ P_ keskiarvo* * ilman näytettä R_23 ja P_31. Kuva 2. Näytteiden vaihespektri ja ominaisvastus taajuudella 1 Hz. Laboratoriomittaus , mittauslämpötila 7-9 o C. Näytteenotto päivämäärä , näytteenottosyvyys 40 cm. P_31 on moreenikumpareesta Pitsusjärveltä.

7 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Vastusluotaus Luotaukset tehtiin AGI/Sting laitteistolla ja wenner-konfiguraatiolla elektrodivälillä 3 metriä. Kaikilla linjoilla mittausteknisenä ongelmana oli moreenin korkea ominaisvastus, korkea maadoitusvastus ja useilla pisteillä kivikosta johtuva erittäin korkea maadoitusvastus. Lähetinvirta oli tyypillisesti pieni, 1-10mA, ja elektrodien kontaktivastus (maadoitusvastus) kω. Johtuen ehkä siitä että kohteella ei ole ulkoisia häiriöitä, mittausdatan laatu pysyi kuitenkin useimmiten hyvänä 1. Linjoilla L_20 ja L_21 signaali/kohina-suhde on sateen takia hieman matalampi kuin muilla linjoilla. Ridnitsohkkan huipulla mitattiin linjat (kuva 1): L_20, vastusluotaus, a=3m, seuraa linjaa L_3 ja L_7. Monitorointia tehdään tällä linjalla. Monitorointikohde Site_A on kaikkien kolmen linjan yhteinen osa. Site_B on linjan L_3 (2004) ja linjan L_20 yhteinen alue. L_20:n alkuosa on pienipiirteistä routapolygonivaltaista moreenia, loppuosassa linjaa (NW päässä) lohkareikko dominoi. L_21, vastusluotaus, a= 3m: Myötäilee painovoimalinjaa gr1-4, sateesta ja linjan loppuosan lohkareikosta johtuen mittaustulos on kohinaisempi kuin muilla linjoilla. Linjalla tehtiin ikiroutahavainto ja aktiivikerroksen lämpötilan mittaus. L_22, vastusluotaus, a=3m: Myötäilee painovoimalinjaa gr1-8. Linja alkaa kalliolta (gabroa) ja jatkuu homogeenisen moreenialueen yli. Loppuosassa on pintamaa hieman kivisempää. Aktiivikerroksen (pehmeän kerroksen) paksuus on määritetty 4 pisteessä rautakangella (kuva 2). L_23, vastusluotaus, a=3m, 42 maadoitusta. Uusi poikkilinja. Kuvassa 3a on esimerkki vastusluotaustuloksesta ja tulkinnasta linjalta L_22. Pinnasta noin metrin syvyyteen on sähkönjohtavuudeltaan noin 10 kωm:n kerros, joka vastaa sulaa moreenikerrosta eli aktiivikerrosta. Aktiivikerroksen alla on sähkönjohtavuudeltaan >00 kωm:n kerros ( kωm), joka kuvaa lähinnä kallio-ikiroutaa. Tämän alla on kerros, jonka ominaisvastus on matalampi kuin kahden päällä olevan kerroksen. Tämä syvimmällä oleva kerros näkyy kaikissa mittauksissa, mutta sen tarkempi tulkinta edellyttäisi lisäselvityksiä jotka liittyvät mittauksen ja tulkinnan tarkkuuteen korkean resistanssin pintakerroksen tapauksessa 1. On myös mahdolista että kyseessä on elektronisesti johtava kallio, jonka sähkönjohtavuus ei riipu jäätymisestä eli kyseessä voi olla myös ikiroudassa oleva kallio. Linjalla L_22 on tehty talvella 2006 painovoimamittaus. Painovoimalinja gr18 kulkee vastusluotauslinjan suuntaisesti, mutta siitä metriä länteen alarinteen puolella. Painovoimatulkinnan mukaan maapeite on linjalla ohut, alle metrin paksuinen. Kuten kuvassa 3a näkyy, painovoimatulkinnan maapeitteen paksuus on pienempi kuin mikä kesällä 2008 todettiin sulan moreenin paksuudeksi rautakangella. Painovoimatulkinta tällä linjalla on ongelmallinen myös kohinaisen datan, linjan lyhyyden, paljastumien epämääräisyyden ja rakkaisuuden takia. Erittäin korkea ominaisvastus ( kωm) 1 periaatteessa mahdollista että suuret resistanssiarvot aiheuttavat suurilla elektrodietäisyyksillä mittausvirheen, joka näkyisi alentuneena näennäisenä ominaisvastuksena syvissä leikkauksissa ja matalan ominaisvastuksen kerroksena leikkauksen syvimmissä osissa tämä on mahdollista tarkistaa mm. mittaamalla tunnetun luonnonoloja vastaavan sijaiskytkennän vaste.

8 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla viittaa ikiroudassa olevaan kallioon, joten moreenipeite ei ole liene paljoa paksumpi kuin pv-mittauksella saatu tulos. Kuvassa 4a, joka esittää tuloksia linjoilta 20-23, näkyy että sähkönjohtavuusrakenne on hyvin samanlainen linjoilla L_21 L_23. Linjalla L_20 ikiroutaa kuvaava kerros on ohuempi kuin muilla linjoilla. Kuvassa 4a linjalla L_21 painovoimamittauksen kalliopinnan tasoa osoittava käyrä leikkaa sähkönjohtavuusrakenteita (ikiroutarakenteita). Linjan L_20 tapauksessa painovoimalinja leikkaa vastusluotauslinjan. Leikkauskohdassa painovoimatulkinta antaa maapeitteelle paksuuden, joka vastaa resistiivistä kerrosta (4-5 metriä). Kuvassa 4b on mittausdataan perustuva sähköinen 3D-malli. Kuva 3a. Vastusluotaukseen pohjautuva 2D-sähkönjohtavuusmalli ja tulkinta. Linja L_22. Wenner, a=3m, 42 maadoitusta. Korkea ominaisvastus kuvaa ikiroutaa. Pinnassa erottuu metrin paksuinen noin 10 kωm:n sula aktiivikerros. Mustat + -merkit ovat rautapiikillä saatuja ikiroutaviitteitä (pehmeän ja kovan aineksen raja). Syvimmän kerroksen olemus on epävarma. Kuva 3b. Linjan L_22 moreenikenttää

9 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Kuva 4a. Vastusluotaukseen pohjautuva 2D-sähkönjohtavuusmalli linjoilta Mittaus: Wenner a=3m, 42 maadoitusta (kolme alinta) ja 84 maadoitusta (ylin). Korkea ominaisvastus kuvaa ikiroutaa. Pinnassa erottuu noin metrin paksuinen noin 10 kωm:n sula aktiivikerros. Mustat + -merkit ovat rautakangella saatuja ikiroutaviitteitä. Syvimmän matalan ominaisvastuksen kerroksen kerroksen olemus on epävarma, mutta se lienee sulaa kalliota. Kuva 4b. 3D-sähkönjohtavuus-malli, jossa myös 2004 ja 2005 mitattuja linjoja. Punaiset sävyt kertovat korkeasta ominaisvastuksesta (ikiroudasta) ja siniset matalasta ominaisvastuksesta (sula maankamara).

10 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Vastusluotausmonitorointi Monitoroinnin tavoitteena on seurata maankamaran sähkönjohtavuuden ajallista vaihtelua ja arvioida ikiroudan lämpötilan muuttumista sähkönjohtavuusmuutosten perusteella. Kehitysteemana on sekä vastusluotausdatan yhteisinversiotekniikka, että sähkönjohtavuuden ja lämpötilan relaatio jäätyneessä maassa. Mittauksia on tehty vuosina 2004, 2005 ja Sähköistä monitorointia on tyypillisesti käytetty kohteilla, joilla on pyritty seuraamaan pilaantuneen pohjaveden leviämistä ja haitta-aineiden konsentraatiomuutoksia ja toisaalta maaperän puhdistushankkeissa. Jos sähköisillä ja sähkömagneettisilla mittauksilla pystytään arvioimaan ikiroudan lämpötilan muutoksia riittävän tarkasti, voi menetelmästä kehittyä hyvinkin käyttökelpoinen työkalu ikirouta-alueiden seurantaan. Eri vuosina mitatut linjat tulkitaan käyttäen RES2DINV n ns. time lapse inversiooptiota, jossa inversio kohdistetaan samanaikaisesti eri vuosien datoihin. Sähkönjohtavuuden monitoroinnissa joudutaan kiinnittämään huomiota pieniin sähkönjohtavuuden muutoksiin ja eroihin, joilla ei yksittäisen linjan tapauksessa ole tulkinnan kannalta merkitystä. Koska (esimerkiksi) suuret vuosittaiset vaihtelut pintaosien sähkönjohtavuudessa voivat vaikuttaa siihen, millaisia lukemia syvemmällä oleville kerroksille saadaan, on inversio-ohjelman ominaisuudet tunnettava hyvin asiaa pitää tutkia herkkyysanalyysein ja mallintamalla, mutta vielä tässä raportissa sitä ei tehdä. Toinen menetelmän käytettävyyteen vaikuttava tekijä on lämpötilan ja sähkönjohtavuuden relaatio jäätyneessä maassa erilaisilla materiaaleilla ja huokosveden koostumuksilla. Asia tunnetaan huonosti ja se edellyttää hallittuja laboratoriokokeita. Edellä mainitut inversion herkkyysanalyysi ja laboratoriokokeet ovat tärkeitä lähiaikojen kehitysteemoja. Mittaukset: Site_A: Vuonna 2008 mitattu linja L_20 on sama linja, joka mitattiin vuonna 2004 ja osittain vuonna Vuoden 2005 mittauksessa havaittaan selvä ominaisvastuksen pieneneminen edellisen vuoden mittaukseen verrattuna. Vuonna 2008 ominaisvastus on hieman pienempi kuin vuonna 2005, mutta ominaisvastuksen pienentyminen on hidastunut (kuva 5). Ominaisvastuksen pieneneminen näkyy sekä tulkituissa sektioissa että mittaustuloksissa (liite 2, taulukko 1) sekä monitorointikohteella site_a että kohteella site_b (kuva 6), joka on edellä mainitun linjan alkupää sisältäen myös kohteen site_a.

11 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Kuva 5. Site_A: Vastusluotausmonitorointi linjalla L3/L7/L20. Mittaus on tehty vuosina 2004, 2005 ja Kuvassa yhteisinversion (Time Lapse) tulos (vasemmalla) ja mallin ominaisvastuksen muutos (ylä oikea), (keski oikea) ja (ala oikea). Pintakerroksen (0-5m) ominaisvastus on alentunut voimakkaammin vuodesta 2004 vuoteen 2005, mutta vain vähän vuodesta 2005 vuoteen Muutos viittaa ikiroudan lämpenemiseen, ehkä noin asteella. Kuva 6. Site_B: Vastusluotausmonitorointi linjalla L3/L7/L20. Mittaus on tehty vuosina 2004 ja Kuvassa yhteisinversio-tulos (kaksi ylintä) ja mallin ominaisvastuksen muutos Pintakerroksen (0-5m) ominaisvastus on alentunut voimakkaasti vuodesta 2004 vuoteen Muutos viittaa ikiroudan lämpenemiseen, ehkä noin asteella.

12 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Taulukossa 2 on laskettu keskimääräisiä ominaisvastuksia ja muutoksia kerroksille metriä, 2-4 metriä ja 5-12 metriä. Taulukko 2. Mean of model resistivity Time lapse inversiosta sekä Percent change of model resistivity kerroksille m, 2-4m ja 5-12m. Site A (kuva 1 ja kuva 5). Mean model resistivity Percent change in model resistivity Depth Res_04 Res_05 Res_ m kωm kωm kωm % % % Vuodesta 2004 vuoteen metrin pintakerroksen ominaisvastus on madaltunut 29 kωm:stä 19 kωm:iin ja ikiroutaa kuvaavan 2-4 metrin syvyyden kerroksen ominaisvastus on madaltunut 95 kωm:stä 67 kωm:iin prosentuaalisesti vastaavasti - 33% ja -30 %. Kuva 7. Jäätymisen vaikutus ominaisvastukseen Hoekstra and McNeill, 1973,Olhoeft, 1979, ja Scott and Kay, 1988 mukaan. On huomattava, että 3 metrin elektrodiväli on liian pitkä pintaosan tarkkaan kuvaamiseen. Tästä seuraa että kerroksen metriä muutos, -33% ei tarkoita ilmeisesti sulan kerroksen ominaisvastuksen muutosta, vaan siinä on summautuneena myös sulan pintakerroksen paksuuntumisen vaikutus ja alla olevan kerroksen ominaisvastuksen muutos (kun kyse on ohuesta cm kerroksesta, kolmen metrin elektrodivälillä kerätty mittausdata ei teoriassakaan anna mahdollisuutta ratkaista johtavuusrakennetta täysin oikein). Elektrodivälin vaikutusta mittaustulokseen ohuen pintakerroksen tapauksessa on tarkasteltu edellisessä raportissa (Vanhala, 2007). Ylimmän kerroksen muutos ei ole selitettävissä lämpötilan muutoksella, vaan se viittaa selkeästi aktiivikerroksen paksuuntumiseen. Ikiroutakerroksen ominaisvastuksen lasku, noin 30%, voitaneen sen sijaan selittää ikiroudan lämpötilan kohoamisella. Ominaisvastuksen muuttuminen lämpötilan laskiessa alle 0-asteen tunnetaan yksityiskohdissaan huonosti. Kirjallisuudessa esitettyjen tuloksien mukaan ominaisvastus kasvaa kertaiseksi, kun lämpötila laskee nollasta -10 o C:een, kuva 7, (Hoekstra and McNeill, 1973,Olhoeft, 1979, and Scott and Kay, 1988). Ridnitsohkkalta 2004 kerätyillä näytteillä tehtiin jäädytyskokeilu, jonka tulokset ovat vastaavanlaisia (kuva 8). Kuvan 8 näyteaines on kerätty 2004 Ridnitsohkka-tunturin rinteiltä. Mittaus tehtiin 2007 joulukuussa. Näytteet olivat osin kuivuneet, joten osaan näytteistä lisättiin vesijohtovettä. Näytemateriaali pakattiin 20-30cm pitkiin

13 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla muoviputkiin, päät suljettiin kumikorkilla ja putkeen porattiin reiät neljälle pysyvästi asennettavalle teräselektrodille. Kylmentäminen ja jäädyttäminen tehtiin kylmälaukussa pakastimessa. Näytteet myös mitattiin niiden ollessa kylmälaukussa. Lämpötila mitattiin Yleismittari Fluke 29 ään liitettävällä lämpömittarilla Fluke 80T-15OU. Mittarissa on terävän piikin päässä pienialainen anturi, joka työnnettiin putkeen poratusta reiästä moreeniin. Lämpötilamittauksen virheeksi arvioitiin < ±1 o C. Virhe ei johdu mittarista, vaan mittausolosuhteista ym. Laboratoriokokeessa ominaisvastus kasvoi noin 10-kertaiseksi, kun lämpötila tippui +0.5 asteesta -0.5 asteeseen, eli näyte jäätyi. Edelleen ominaisvastus kasvoi 10- kertaisesti, ja enemmänkin, kun lämpötila laski -0.5 asteesta -10 asteeseen. On huomattava että edellä mainituissa kirjallisuuslähteissä (Hoekstra and McNeill, 1973,Olhoeft, 1979, and Scott and Kay, 1988) ominaisvastuksen muutos 0-asteessa ei ole ollut jyrkkä, vaan päinvastoin hyvinkin vaiheittainen (kuva 7). Ristiriita tämän raportin tuloksiin on merkittävä ja jatkoselvittelyä kaipaava. Tulokset ovat koejärjestelyistä johtuen vain suuntaa-antavia. Etenkin mielenkiintoinen alue +1-1 astetta edellyttää huomattavasti tarkempia koejärjestelyitä ja häiriintymättömiä näytteitä. Havaittua ominaisvastuksen muutosta, joka tapahtuu -0.5 asteesta -10 asteeseen, voidaan kuitenkin sellaisenaankin hyödyntää tulkittaessa vastusluotausmonitoroinnin tuloksia. Nimittäin, ominaisvastuksen 10-kertaistuminen - 10 asteen lämpötilan laskussa tarkoittaa, jos oletetaan kasvu lineaariseksi, noin 20%:n ominaisvastuksen kasvua tai laskua yhden asteen lämpötilan muutoksessa, esimerkiksi -1 o C -2 o C. Vastaavasti, jos ominaisvastus 100-kertaistuu 10 asteen lämpötilan laskussa, yhden asteen lämpötilan muutos aiheuttaa ominaisvastukseen 36% muutoksen. Yllä olevan tarkastelun mukaan, Ridnitsohkkan vastusluotausmonitoroinnin tulos, noin 30% ominaisvastuksen lasku yhden vuoden aikana, on selitettävissä jopa vain noin yhden asteen lämpötilan kasvulla vuodesta 2004 vuoteen Kuva 8. Lämpötilan ja jäätymisen vaikutus moreenin ominaisvastukseen - laboratoriomittaus. Näyteaines on kerätty 2004 Ridnitsohkkatunturin rinteiltä. Mittaus tehtiin 2007 joulukuussa. Näytteiden kosteus on muuttunut säilytyksessä ja sitä muutettiin ennen mittaussarjaa lisäämällä osaan näytteitä vesijohtovettä. Näillä näytteillä on näytekoodin lopussa S-kirjain.

14 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Jos Ridnitsohkkan monitoroinnin tuloksia vertaa säätilastoihin, täytyy vertailuaineistoksi ottaa Kilpisjärven sääasema (kuva 10). Aikavälillä sääasemalla vuoden keskilämpötila oli -2,3 C, termisen kesän (vuorokauden keskilämpötila > +10 C) pituus noin 40 vrk ja termisen talven (< 0 C) pituus noin 198 vrk. Vuotuinen sadanta samalla aikajaksolla oli keskimäärin 459 mm, josta valtaosa sataa lumena luvulla ja etenkin geofysiikan mittausten aikana vuoden keskilämpötilat ovat olleet keskiarvoa merkittävästi korkeampia (kuva 10). Vuosi 2005 oli aseman historian (1951-) lämpimin vuoden keskilämpötila oli C. Tutkimuskohteen korkeus merenpinnasta on noin 1300 m. Kun lämpötila laskee korkeuden kasvaessa ~0.5 C /100m, Ridnitsohkkan laella on noin 4 astetta kylmempää kuin Kilpisjärven sääasemalla. Kilpisjärven sääaseman vuoden keskilämpötilat 2003, 2004 ja 2005 ovat sopusoinnussa Ridnitsohkkan ikiroudan sähkönjohtavuuden muutosten ja muutoksista johdettujen lämpötilamuutosten kanssa. Vuosi 2005 oli noin 0.6 astetta lämpimämpi kuin 2004 ja vastaavasti kerroksen 2-4-metriä ominaisvastus oli % matalampi kuin Keskilämpötilojen perusteella voisi odottaa että 2008 ominaisvastus olisi vuoden 2005 tasolla. Tuloksissa näkyy kuitenkin 13% ominaisvastuksen lasku Havainto selittynee sillä että 2004 ja 2005 mitattiin heinäkuun 27. päivänä, mutta 2008 lähes kuukautta myöhemmin elokuun 21. päivänä. Vaikka lämpötilan ja vastusluotauksen vertailua on käsitelty pintapuolisesti ja lähinnä kehitettävänä ideana, osoittaa tarkastelu että ikiroudan monitorointi sähköisin ja mahdollisesti myös sähkömagneettisin mittauksin on teoriassa ja käytännössä mahdollista. Kuva 9. Vuoden keskilämpötila Kilpisjärven sääasemalla (69 02'N; 20 47'E, 480 m m.p.y.) ja 2-4 metrin syvyydellä olevan kerroksen ominaisvastus. Lämpötiladata Ilmatieteen laitos/kilpisjärven sääasema. 2 (

15 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Lämpötilamittaus in situ Ridnitsohkkalla on kokeiluluontoisesti tehty joitain aktiivikerroksen lämpötilamittauksia. Mittauksilla on saatu varmistus, että rautakangella noin metrin syvyydessä havaittu ikirouta todellakin on ikirouta, kuva 10. Mittaus L6_04 on tehty tunturin länsirinteellä, jossa vastusluotauksen mukaan ei esiinny ikiroutaa. Kuva 10. Maapeitteen lämpötila syvyyden funktiona Ridnitsohkkan huipulla ja länsirinteellä (L6_04). Punaisella esitetty tulos L21_08 on vuodelta Mallinnus Vastusluotausdatan yleisiin piirteisiin kuuluu että suuret johtavuuskontrastit ja ohuet kerrokset tuottavat inversiossa ongelmia. RES2DINV-tulkintaohjelmisto on ns. smooth inversio, eli mallissa ei ole teräviä johtavuuden rajapintoja, vaan mallin ominaisvastus muuttuu pehmeästi. Tämä johtaa siihen, että esimerkiksi ohut hyvin resistiivinen kerros kuvautuu itseään paksumpina ja todellista vähemmän resistiivisenä. Vastaavasti ohut johtava kerros kuvautuu todellista huonommin johtavana ja paksumpana. Mittauskohteella tilanne on juuri edellä mainitun kaltainen kerrokset ovat ohuita (aktiivikerros noin 1 m, ja ikiroutakerros noin 5m) ja kontrastit isoja (aktiivikerros 5 kωm, ikirouta luokkaa kωm ja alin kerros 1-10 kωm. Inversion käyttäytymistä näissä olosuhteissa tarkasteltiin tuottamalla erilaisilla tunturin huipun olosuhteita kuvaavilla 1D-malleilla synteettistä wenner-dataa (a=3m). Tätä dataa tulkittiin tulkintaohjelmalla (kuva 11). Malleissa pintakerroksen paksuus oli 1m ja ominaisvastus 6 kωm, välikerroksen paksuus oli 6 ja 3 metriä ja ominaisvastus 150 ja 50 kωm ja pohjakerroksen ominaisvastus 1 ja 10 kωm. Tulos oli odotetun kaltainen. Aktiivikerros kuvautuu todellista resistiivisempänä. Tämä johtuu osittain liian suuresta elektrodivälistä. Keskimmäinen kerros kuvautuu lähes oikein, mutta se voidaan arvioida kuvasta helposti liian paksuksi. Alimmat sektion osat kuvautuvat usein liian johtavina. Inversiota voidaan ohjata oikeaan suuntaan inversiooptioita muuttamalla jos asiaan osaa varautua. Mallitarkastelun perusteella hyvin resistiivisen ikiroutakerroksen alla on huomattavan hyvin sähköä johtava kerros. Alimman kerroksen ominaisvastus voi Ridnitsohkkan tuloksissa olla hieman (<puoli dekadia) liian pieni, mutta suuruusluokka lienee oikea.

16 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Samoin ikiroutakerros näyttänee tuloksissa hieman liian paksulta (hieman liian syvälle ulottuvalta). Pääpiirteissään tulos on mallilaskujen perusteella kuitenkin oikea. Jos maastotuloksia (kuva 12) yrittää tulkita kuvan 11 mallilaskujen perusteella, pääty johtopäätökseen että linjalla 20 ikiroudan alapinta on noin 5 metrissä ja linjalla 22 yli 10 metrissä. Tulos on sopusoinnussa sen tulkinnan kanssa johon on päädytään ilman mallitarkastelua. Linjan 22 erittäin korkeat ominaisvastusarvot, 1 MΩm, viittaavat selvästi jäätyneeseen kallioon. Kuva 11. Synteettisen 1D-mallin ominaisvastuksen kerrosrakenne ja mallin teoreettisen vasteen 2Dohjelmalla tulkittu ominaisvastuskäyrä. Kerrosten paksuudet ja johtavuudet ovat: Malli ylin kerros keskimmäinen kerros alin kerros 1-ylävasen 1m - 6kΩm 6m 150 kωm 10 kωm 2-yläoikea 1m - 6kΩm 6m 150 kωm 1 kωm 3-keskivasen 1m - 6kΩm 3m 150 kωm 10 kωm 4-keskioikea 1m - 6kΩm 3m 150 kωm 1 kωm 5-alavasen 1m - 6kΩm 3m 50 kωm 10 kωm 6-alaoikea 1m - 6kΩm 3m 50 kωm 1 kωm

17 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Kuva 12. Ominaisvastus syvyyden funktiona linjalla L20, L21 ja L22 sekä itä- ja länsirinteellä. Arvot on noukittu 2D-sektioista. 7. Johtopäätökset ja huomiot Geofysiikan tulosten perusteella Ridnitsohkka-tunturin huipulla oleva moreenitasanne on ikiroudassa. Aktiivikerroksen paksuus moreenissa oli vuonna metriä. Vuonna 2005 aktiivikerros oli 85cm. Aiemmin, vuonna 1993, on kairaamalla todennettu 1.95 metrin paksuinen aktiivikerros ja sen alla jäätynyt moreeni (Hirvas ja muut, 2000). Hyvin resistiivisen ja ikiroudaksi tulkitun kerroksen paksuus tunturin huipun moreenitasanteella on 5-10 metriä, ja paikoin metriä. Tulkinta jäätyneestä moreenista perustuu siihen, että ikiroutakerroksen ominaisvastus on osassa aluetta kertaa sulan moreenipeitteen (aktiivikerroksen) ominaisvastusta ( joka on noin 5 kωm) suurempi. Osassa aluetta ikiroutakerroksen ominaisvastus on erittäin korkea, lähes 1 MΩm. Tämä kerros selittyy helpoimmin jäätyneellä ehjällä kalliolla. Ikiroutakerroksen alla, syvyydellä noin metriä, on kerros, jonka ominaisvastus on tasaisesti luokkaa ~1kΩ joitain tuhansia Ohmimetrejä. Tämä kerros on tulkittu sulaksi kallioksi. Kysymykseen, onko kyseessä sula kallio, vai kallion jonka sähkönjohtavuus on korkeahko 1kΩm paikkeilla jäätymisestä huolimatta (eli metalliset mineraalit parantavat johtavuutta), ei pelkkä mittausdata anna vastausta. Vastusluotauksen ja painovoiman yhteistarkastelun perusteella myös kallio on paikoin ikiroudassa. Tätä tukee myös korkeat ominaisvastusarvot (lähes 1 MΩm). Jos ikiroutakallion ominaisvastus on 1 MΩm, täytyy se sulana olla luokkaa kωm. Kohteella on mitattu johtavuuksia jopa alle 1 kωm, jotka on tulkittu kallioksi. Tämä viittaa siihen että kallion laatu mittauskohteella vaihtelee. Kallioperäkartalla (Lehtovaara, 1995, Sipilä, 1992) mittausalue on kuvattu

18 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla sheeted dolerite kompleksiksi, jossa gneissi/liuske ja gabro-kerrokset vaihtelevat. Kivilajivaihtelu voi selittää alimpien kerrosten johtavuusvaihtelut. Geofysikaaliseen monitorointiin liittyy epävarmuustekijöitä, joissa riittää kehitettävää. Erityisesti tarvitaan laboratoriomittauksia, joissa monitoroidaan jäädytettävien ja sulavien näytteiden lämpötilaa ja sähkönjohtavuutta kontrolloiduissa olosuhteissa. Monitorointitulokset ja alustavat laboratoriokokeet viittaavat siihen että jäätyneessä maassa sähkönjohtavuus reagoi hyvin herkästi lämpötilan muutoksiin. Ikiroudan geofysikaalisen monitoroinnin kannalta tulos on erittäin merkittävä ja positiivinen. Ridnitsohkkalla havaittu noin 30% sähkönjohtavuuden parantuminen vuodesta 2004 vuoteen 2005 ja edelleen vuoteen 2008 on selitettävissä ikiroutakerroksen noin asteen lämpenemisellä. Lämpätiladata Kilpisjärven asemalta ei suoranaisesti tue tulosta, mutta on sopusoinnussa asteen lämpenemisen kanssa. Kilpisjärven lämpötiladataa ei voida pitää tukevana referenssinä koska olosuhteita (mm lumipeitteen paksuutta) ja lämpötilaa mittausalueella ei tunneta. Kirjallisuusviittet Hirvas, H., Lintinen, P. and Kosloff, P., An extensive permanent snowfield and the possible occurrence of permafrost in till in the Ridnitšohkka area, Finnish Lapland. Bulletin of the Geological Society of Finland 72, Parts 1-2, Hirvas, H., Lintinen, P., Ojala, A., and Vanhala, H., Geological characteristics of the Haltin- Ridnitsohkka region, Enontekiö, Finland. Geological Survey of Finland, Special Paper 40, Hoekstra, P and McNeill, D., Electromagnetic probing of permafrost: Proc. 2nd Internat. Conf. On Permafrost. Nat. Acad. Sci., Lehtovaara, J.J., Kilpisjärven ja Haltin kartta-alueiden kallioperä. Suomen geologinen kartta 1: , lehdet 1823 ja 1842 & kallioperäkarttojen selitykset. Geologian tutkimuskeskus. Espoo, Olhoeft G.R., Electrical properties of permafrost: Proc. 3rd Internat. Conf. On Permafrost. Nat. Res. Counc. Canada. Scott, W.J. and Kay, A.E., Earth resistivities of Canadian soils: Can. Elect Assoc., Montreal. Vol 1, Main Rep., Vol 2., Site data. Sipilä, P., The Caledonian Halti-Ridnitsohkka igneous complex in Lapland. Geol. Surv. Finland. Bull.362. Geologian tutkimuskeskus, Espoo, Vanhala, H., Vastusluotaus Peeran palsalla ja Saanatunturilla elokuussa s., 9 liites. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, Q 16.1/2000/3 Vanhala, H., Lintinen, P., and Lehtimäki, J., Mapping frozen ground using electrical measurements - a case from Peera, a palsa in Finnish Lapland. In: 7th Meeting Environmental and Engineering Geophysics, Birmingham, England, September 2nd-6th 2001: proceedings. Lausanne: Environmental and Engineering Geophysical Society, European Section, Vanhala, H. and Lintinen, P., Test of geophysics for monitoring frozen ground - a case from the southern limit of discontinuous permafrost in Finnish Lapland. In: The Second AMAP International

19 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Symposium on Environmental Pollution of the Arctic, Rovaniemi, Finland, October 1-4, 2002: extended abstracts. AMAP Report 2002:2. Oslo: AMAP. 3 p. Vanhala, H., Vastusluotaus Ridnitsohkkan laella ja vuotomaahyllyillä kesällä 2004 ja s. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, Q 16.2/2007/6. Vanhala, H. ja Mattsson, A., Kapasitiivinen vastusluotausmenetelmä - testi Haltin alueen ikiroutakohteilla. 20 s. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, Q16.2/2007/47 Vanhala, H., Suppala, Ilkka; Lintinen, Petri; Hirvas, Heikki; Ojala, Antti E. K Application of electrical and electromagnetic methods in studying frozen ground and bedrock - results from Ridnitsohkka, northern Finland. In: Quaternary studies in the northern and Arctic regions of Finland : proceedings of the workshop organized within the Finnish National Committee for Quaternary Research (INQUA), Kilpisjärvi Biological Station, Finland, January 13-14th Geological Survey of Finland. Special Paper 40. Espoo: Geological Survey of Finland,

20 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Liitteet Moreeninäytteet Moreeninäytteet, 8 kpl, otettiin 40 cm syvyydestä. Koordinaatit: R_ R_ R_ R_ R_ R_ R_ R_ P_ Liite 1: koordinatit Routahavainnot, rautakangella RK lämpötilaprofiili 132 cm RK lämpötilaprofiili 105 cm RK näytepiste Rdni_ cm RK cm RK cm RK cm RK cm RK cm Vastusluotauslinjat ( ) L20A m L20C m L21A m L21B m L22A m L22B m L23A m L23B m Liite 2. Ylimmän kerroksen mitattu näennäinen ominaisvastus monitorointikohteella site A (wenner a=3m ja a= 6m). Näennäinen ominaisvastus on madaltunut vuodesta 2004 vuoteen 2005 ja edelleen vuoteen 2008.

21 Geofysiikan tutkimukset Ridnitsohkkalla Liite 3. Ikiroutahavainto/lämpötilamittaus ja kuva. Pisteellä RK1 lämpötilamittaus: Syvyys/cm T /o C