Vastusluotaus Peeran palsalla ja Saanatunturilla elokuussa 1999

Transkriptio

1 ARKISTOKAPPALE 1 1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS GEOLOGISKA FORSKNINGSCENTRALEN GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Vastusluotaus Peeran palsalla ja Saanatunturilla elokuussa 1999 * 5 Li. Heikki Vanhala Espoo 2000

2 Työraportti: Vastusluotaus Preeran palsalla ja Saanatunturilla elokuussa 1999 Sisallysluettelo Lyhennelmä Osa 1 Tutkimukset Peerassa 1.1. Johdanto 1.2. Aineisto ja sen käsittely Vastusluotaus Palsan rakenne 1.3. Sähköisten leikkausten ja havaintojen vastaavuus Yleiskuva Yksityiskohdat Lämpötilaominaisvastus vastaavuus 1.4. Johtopaatökset ja jatkotutkimukset Osa 2 Vastusluotaus Saanatunturilla 2.1. Mittauksen lähtökohta 2.2. Tulokset 2.3. Johtopäätökset Osa 3 Johtopaatökset ja arvio sovelluksista ja tutkimustarpeesta Liiteluettelo Liitteet

3 Heikki Vanhala, " Vastusluotaus Preeran palsalla ja Saanatunturilla elokuussa 1999". Työraportti Q/16.2/2000/3, Geologian tutkimuskeskus, EteläSuomen aluetoimisto, 19 sivua, 6 liitettä. Lyhennelma Raportissa käsitellään Peeran palsalla ja Saanatunturilla Enontekiöllä elokuussa 1999 tehtyjä vastusluotauksia ja arvioidaan sähköisten luotausten soveltuvuutta jaassa olevan maankamaran tutkimiseen. Saanatunturi valittiin toiseksi testikohteeksi lähinnä King'n ja Seppälän raportin (1987) perusteella. Kyseisessä tutkimuksessa1 on sähköisiin luotauksiin perustuen päädytty johtopäätökseen että Saanan laella kallio olisi jaassa. Saanalla nyt tehdyt mittaukset eivät sulje pois tätä mahdollisuutta. Toisaalta, on huomattava että vallinneissa olosuhteissa ja kyseisin mittauksin ei kovinkaan suurella varmuudella pystytä arvioimaan onko kallio jaassa vai ei. Pääosa mittauksista tehtiin Peerassa palsalla. Palsan sähköisissä leikkauksissa erottuu tarkasti sulan pinnan ja jäässa olevan turpeen raja. Ominaisvastus vaihtelee palsan eri osissa ja syvyyssuunnassa. Miten ominaisvastuksen vaihtelu liittyy materiaali jaftai lämpötilaeroihin, edellyttää jatkotutkimuksia. Jäässä olevan maankamaran syvyyttä ei useimmissa kohdin pystytty yksiselitteisesti määrittämään, mutta tulokset viittaavat siihen että sekä turpeen alla oleva mineraalimaa että kallio olisivat paikoin jaassa ainakin metrin syvyyteen asti. Osa 1 Tutkimukset Peerassa 1. Johdanto Tutkimus liittyy jaassa olevan maan tutkimusmenetelmien kehittämiseen. Jäätyneen maan olosuhteissa monet ympäristö ja insinöörigeologiset ongelmat, kuten saasteiden leviäminen, ja patorakenteiden lujuus, poikkeavat siitä mihin sulissa olosuhteissa on totuttu. Testimittausten tavoitteena oli selvittää geofysiikan soveltuvuutta ikiroutaolosuhteiden, osittaisen ikiroudan ja jäätyneen maan tutkimiseen. Keskeisenä tavoitteena oli myös arvioida onko aiheen jatkotutkimuksiin tarvetta ja jos on, mika olisi niiden sisältö. Mittaukset tehtiin vastusluotauslaitteistolla joka ei (hitautensa takia) sovellu laajojen alueiden tutkimiseen. Menetelmä soveltuu kuitenkin hyvin pieniin kohteisiin ja mika tärkeintä, sillä saadaan määritettyä tarkasti pintaosien sähkönjohtavuusjakauma jonka perusteella voidaan edelleen arvioida muiden menetelmien (EM, AEM, GPR) soveltuvuutta. Sähköisten menetelmien käyttö jäätyneen maan tutkimiseen perustuu siihen että jäässa olevan mineraalimaan tai turpeen ominaisvastus on korkeampi kuin sulan maaaineksen. Relaatio ominaisvastuksen ja jäätyneisyyden välillä ei ole kaikissa tapauksissa yksiselitteinen. Hankala tulkinnallinen ongelma tulee mm. siita että myös ehjän kallion ominaisvastus voi olla korkea. Samoin kuivan karkearakeisen irtomaan ominaisvastus voi myös sulana olla korkea, routaantuneen maan luokkaa. Tulkinnallisia ongelmia syntyy myös jos tutkimusalueen ' King L. and Seppala, M., 1987: Permafiost thickness and Distribution in Finnish Lapland Results of geoelectrical soundings. Polarforchung 57 (3),

4 kalliossa on malmiluokan johteita. Edelleen, ongelmia saattaa syntyä ikiroutaolosuhteissa tavattavista suolarikkaista sulkeumista. Tassa tutkimuksessa palsalla mitattuja sähköisiä leikkauksia tulkitaan niiden kokemusten perusteella joita turpeen, jään ja jäätyneen maan sähkönjohtavuudesta yleisesti on, eli: Sulan (kostean) turpeen ominaisvastus on joitain satoja ohmimetrejä, Jäätyneen turpeen ja jäässa olevan mineraalimaan ominaisvastus on suuruusluokkaa kymmeniä tuhansia ohmimetrejä. Kallio voi olla jäässa kun sen ominaisvastus on suuri enemmän kuin joitain kymmeniä tuhansia ohmimetrejä. Käytännön sovellusten kannalta mielenkiintoinen tilanne on osittain jäätynyt, osittain sula maaaines. Siis tilanne, joka syntyy kun jäinen rakenne lämpenemisen takia alkaa heiketä (rakoilla, sulaa) ja vesi pääsee liikkumaan rakoja tai huokosrakenteita pitkin. Siitä miten ominaisvastus käyttäytyy tässä tilanteessa lähestyttäessä nollalämpötilaa ja turpeen tai mineraalimaan alkaessa sulaa ei ole tarkkaa mittaustietoa. Ilmiötä voidaan kartoittaa näytemittakaavassa laboratorioolosuhteissa, mutta asian tutkiminen edellyttää myös kontrolloituja insitu mittauksia. Tassa yhteydessä ominaisvastuksen käyttäytymisestä jään ja sulan välillä voidaan esittää vain karkea yleistys: Twpeenlmineraalimaan ominaisvastus pienenee suurusluokasta krm arvoihin 0.11 kqm. Testimittauskohde, Peeran palsa, sijaitsee KilpisjärviMuonio maantien vieressä (kuva 1.1 ja 1.2). Mittauksiin osallistui allekirjoittaneen lisäksi geohsikot J. Lehtimäki ja M. Lahti. Kuva 1.1. Testipaikan sijainti, Peera, Enontekiö

5

6 C 0 Lämpötila [OC] Lämpötila (OC) v ) * ~ N 0 V ) * m N 0 3 e ii V> 0 2 N 0 C r 0 C E:. c :m > n E z m 9 Crr :Ö 2 : 2. E$ nx 0 n m :& s. _I :m.a 0 C E m 25 I 0 V) 0 I l ' l ' l l l l l r l I I I I ~ 1 ~ I 1 I I I m t m ~ o ~ m t m V ) t m N O N m e m I I I I I I I I I I (UI snay~oy (ui] snay~oy C. m. n C v. 1. z m. n 0 5 ur 4 > L 2 L 1 1 '? N 0 V). Lampötila (OCI m m N 0 0 V) YI :o YI m m I. i i i ' I ' 1 i i 1 1 m g m ~ o ~ m * m =? h I I I I I t * * * 2 * <O <O Ic <O Ic Ic m fl c m. m 1 C I 1 zv) N 0 (D Ic lui] snayjoy m I E 4 3 2

7 1.2. Aineisto ja sen käsittely Vastusluotaus Palsalla luodattiin kolme linjaa. Kaksi luotausta tehtiin palsan poikki, yksi palsan pituussuunnassa (kuva 1.2). Luotauslinjat vaaittiin ja sulan pintakerroksen paksuus ja lämpötila jään pinnassa mitattiin ominaisvatuslämpötilareikasondilla (kuva 1.3, liite 1.1). IVäytteita laboratoriossa tehtäviä sähkönjohtavuusmaärityksia varten otettiin kolmesta pisteestä palsan reunoilta missä jäätynyt turve oli näkyvissä. Myöhemmin syksyllä kohteella tutkittiin gabrakalustolla turpeen ja mineraalimaan paksuutta ja jaatyneisyytta (kuva 1.4, liite 1.2). Gobrareiät tehtiin palsan reunoille ja sen ulkopuolelle (kuva 1.1). Palsalla tehtiin kesällä '99 myös maatutkaluotauksia (P. Hanninen). Vastusluotaukset tehtiin AGIISting monielektrodilaitteistolla 2 metrin elektrodivalilla (linja 1 ja 3) ja 3 metrin elektrodivalilla (linja 2). Luotaustulokset on esitetty kuvissa 1.5 ja Kuvassa 1.5 mittakaava (1 : 1000) ja variskaala on yhteinainen. Kuvissa on pyritty saamaan esille yksityiskohtia ja mittakaava ja variskaala vaihtelevat kuvasta kuvaan. Useimmissa tapauksissa vastusluotauksella saadaan maäritettya hyvinkin luotettavasti maaperän ja kallion sähkönjohtavuusjakaurna. 2Dluotauksen merkittävin virhelähde on 3D rakennepiirteet joita tulkintaohjelma ei pysty ottamaan huomioon. Tulkinta (2D inversio) perustuu rakenteen 2Doletukseen, mikä tarkoittaa sitä että mittauslinjalla olevat rakenteet jatkuvat muuttumattomina mittauslinjaa vastaan kohtisuorissa leikkauksissa. Yleensä 2Doletus pitää riittävän hyvin paikkansa, etenkin jos mittauslinja voidaan asettaa kohtisuoraan geologisia rakenteita ja pinnanrnuotoja vastaan. Tyypillisesti ongelmia syntyy mittauslinjaan nähden epasymmetrisista kalliopinnan tai topografian vaihteluista (siis epasymmetrisista johtavuusvaihteluista). Peera tuloksissa näkyy joitakin piirteitä jotka viittaavat 3D rakenteisiin Palsan rakenne Tässä esitettavat tiedot palsan rakenteesta perustuvat edellä mainittuihin vaaitus, lämpötila ja gobratutkimuksiin. Gobrapisteiden korkeuksissa ja koordinaateissa on pieni epatarkkuus. Vaaitus ja lämpötilatieto kolmelta linjalta on yhteismitallista korkeuden nollatasoksi on asetettu suon pinta linjan 1 alussa. Gobrauspisteiden sijaintitiedot on sen sijaan noukittu viistovalokuvasta ja ovat siksi hieman epätarkkoja seka paikan että korkeuden suhteen. Palsa on NWSE suunnassa pitkänomainen, pituus vajaa 300 metria ja leveys noin 80 metria. Maksimikorkeus ympäröivän suon pinnasta on 3.5 metria. Korkeimmat kohdat ovat palsan NWosassa ja SEosassa, keskiosassa palsan korkeus on noin 1.5 metria suon pinnasta. Gobrareikia tehtiin palsan reunoille (S1 ja S3), ulkopuolelle (S4 ja S5) ja yksi reikä (S2) palsan keskella olevaan sulaan kohtaan. Palsan reunalla reissa 1 ja 3 turpeen paksuus oli 270 cm ja 280 cm ja montun kohdalla palsan keskella 350 cm. Koska kairareikien tarkka paikka ja aloituskorkeus ei ole tiedossa, tulosten käyttäminen turvekerroksen paksuuden arviointiin palsan muissa osissa on hieman ongelmallista. Mineraalimaan syvyys suhteessa suon pintaan tiedetään rei'issa S4 ja S5. Jos olettaa moreenilhiekkapohjan jatkuvan jotakuinkin tasaisena palsan alla, saadaan turpeen maksimipaksuudeksi noin 5 metria. Jos pohja on palsan kohdalla notkolla, paksuus on enemmän. Gobrauksissa todettu mineraalimaan paksuus oli metria, mutta kalliohavaintoihin on liitetty kysymysmerkki: Kairaus on pysähtynyt ko.

8 lukemaan, mutta varsinaista havaintoa kalliosta ei ole. Gobraustietoihin perustuva malli turpeen ja mineraalimaan paksuusvaihteluista on alla olevassa kuvassa 1.4. Depth (ml +, L Pea t Fine sand Till Bedrock Palsan ulkopuolella Wreuna monttu Nreuna palsan tien laita keskellä Kuva 1.4. Gobrakairauksen tulokset. Kairauspisteet eivät ole samalla linjalla (ks. kuva 1.2) eivätkä pisteiden välimatkat suhtaudu toisiinsa kuten kuvassa. Reikien S3 ja S1 tarkkaa aloituskorkeutta ei myöskään ole tiedossa (mahdollinen virhe luokkaa +/ 50 cm). Kuvaan 1.3, joka esittää mittauslinjojen korkeusvaihtelua ja sulan kerroksen paksuutta, on piirretty myös lämpötila joka on mitattu jäätyneen turpeen pinnasta, tai sen puuttuessa siitä syvyydestä johon anturi saatiin työnnettyä. Syvyyslämpötilaanturina käytettiin GTK:ssa valmistettua pehmeiden maalajien ominaisvastussondia. Lämpötilalukema kuvaa siis olosuhteita pari senttimetriä sen kohdan yläpuolella johon sondi on painettaessa pysähtynyt metrin syvyydeltä mitatut lämpötilat ovat tyypillisesti OC paikkeilla. Syvemmältä mitatut arvot (linja 3) ovat hieman matalarnpia, OC Sähköisten leikkausten ja havaintojen vastaavuus Yleiskuva Kuvassa 1.5 luotaustulokset on esitetty yhtenäisessä mitta ja ominaisvastusskaalassa. Mittakaava on xsuunnassa 1 : 1000, syvyyssuunnassa kuvat on venytetty kaksinkertaiseksi. Linjat 1 ja 3 on mitattu kokonaan palsan paalla, linjalla 2 väli metriä sijoittuu palsan päälle. Palsan paalla erottuu kaikissa kuvissa ohut 0.52 metrin paksuinen matalan ominaisvastuksen (< 1000 SZm) kerros joka kuvaa sulaa turvetta. Linjan 3 keskivaiheilla matalan

9 z z w8 '. f i ~ m f i ~ m o ~ m o m ~ ~ m m f i ~ ~ ~ ~ m ~ ~ o OnNn*>o<DmOm mmmmm0mzö%"~4%8gc:xx~nr nommmmn~~omnnn' <DmnnN * l w 7 l 7 w k I w w' 0 0 L 1 0 U) Cc) c'l 7 0 d i 0, L a 3 b 4 n < 0 w m H oz oc (m) S ~ S a.h La h m \ V

10 ominaisvastuksen kerros ulottuu 34 metrin syvyyteen asti. Tällä kohtaa palsassa on 1520 metria halkaisijaltaan oleva sula alue. Sulan pintakerroksen alla ominaisvastus vaihtelee 34 krm:stä yli 100 krm:iin. Korkean resistiivisyyden alueet (kuvassa 1.5 siniset sävyt) ulottuvat linjalla 2 ja metrin syvyyteen, mika viittaa siihen että myös turpeen alla oleva mineraalimaa ja kallio ovat palsan keskiosissa jäässa. Korkean resistiivisyyden ja sulan turpeen väliin jäävät alueet (110 krm) viittaavat pohjaveden pinnan alapuolisissa irtomaakerroksissa enemmän tai vähemmän jäätyneisiin olosuhteisiin. Turve jonka ominaisvastus on 40 krm, kuin myös turve jonka ominaisvastus on 4 krm, ovat kumpikin jäässa, mutta on ilmeistä että niiden lämpötilat ja rakenne poikkeavat toisistaan. Yksityiskohdat Linjan 1 (kuva 1.6) leikkauksessa sula pintakerros erottuu terävästi. Pintakerroksen ominaisvastus vaihtelee mutta on useissa kohdin Rm valilla. Paikoin, ilmeisesti kuivemmissa kohdin, pintakerros on 1000 Rm paikkeilla. Jäätyneen turpeen ja mineraalimaan/kallion kontakti noin 4 5 metrin syvyydellä ei ominaisvastussektiossa erotu. Linjan Späässä ominaisvastus sulan pinnan alla on 24 krm, linjan Npäässä 1020 mm. Resistiivisimmän osan alla myös kallio on resistiivisempää kuin linjan alkupaassa, mika viittaa siihen että kallio on tällä kohtaa jäässä. Linja 2 (kuva 1.7) on mitattu 3 metrin elektrodivälillä ja resoluutio on tästä syystä huonompi kuin linjalla 1 ja 3 joissa elektrodiväli oli 2 metria. Linjan alkupää noin 95 metriin asti on suolla palsan ulkopuolella. Turve ja sula mineraalimaa (2095 m) turpeen alla erottuvat 24 metrin paksuisena < 1000 Rm kerroksena. Kallion ominaisvastus suon alla on 210 krm. Poikkeavan resistivinen alue ulottuu noin 15 metrin syvyyteen. Johtava alue linjan alkupaassa viittaa 3Drakenteen aiheuttamaan vääristymään, kyse voi olla myös hyvin sähköä johtavasta kalliosta. Linja 3 (kuva 1.8) on mitattu palsan suunnassa. Sula monttu pisteen 40 m paikkeilla erottuu hyvin. Turpeen paksuus todettiin montun reunalla tehdyssä kairauksessa 3.5 metriksi, josta viimeinen 40 cm oli jäässa. Turpeen alla oli 120 cm sulaa hiesua ja kallio (?) 4.7 metrin syvyydessä. Sähköinen leikkaus vastaa hyvin kairaustulosta. Kuvaan 1.8 on piirretty myös reikä S1, joka ei ole kairattu aivan linjalle vaan palsan reunaan lähelle tietä. Kairaustulos on kuitenkin sopusoinnussa vastusluotauksen kanssa ylinnä on 112 metrin kerros sulaa turvetta, sitten 2.2 metria jäässa olevaa turvetta, 2.5 metria sulaa hiesua ja pohjalle 1.2 metria sulaa moreenia. Lämpötila ominaisvastus vastaavuus Lämpötilamittaukset tehtiin pääasiassa 0.5 m syvyydeltä sulasta turpeesta. Lukemat olivat valilla OC. Matalampia lämpötiloja mitattiin paikoissa joissa anturi pystyttiin työntämään syvemmälle linjan 3 montussa 3.5 metrin syvyydella lämpötila oli +0.3 OC ja +0.8 OC ja pisteen 78 metria kohdalla 2 metrin syvyydellä +1.3 OC. Linjalla 2 matalin lämpötila mitattiin resistiivisimmän kohdan yläpuolella, samoin linjalla 1. Myös linjalla 3 matalat lämpötilat ovat kohdista joissa sivulla tai vierellä on hyvin korkean ominaisvastuksen alue.

11 I l 1 I I I I I I Linja 2.suo,palsan reuna e E 7 w IB X > X y m I I l I I I I I 1 I matka (m) RES 0hmm OminaisvastusIeikkaus Peeran palsa, Enontekio, 1999 Geologian tutkimuskeskus (GTK/ESA/ERI/HTV) Kuva 1.7

12 Linja 3 maan pinta x u l a I I I I tur;el 85308, C1 jaatunut turve s2: c pinto " n 71 7; E 526; w 386: 283s m 1 Xo X > 1 112( X R7' I/> 0 N. l L I I I I 1 I Matka (m) OminaisvastusIeikkaus Peeran palsa, Enontekio, Geologian tutkimuskeskus (GTK/ESA/ERI/HTV) 329 RES Ohmm I Kuva 1.8

13 C W I 1110 g ~ ~ ~ < ~ a.. m u > ~ o o ~ o m ~ o u > m m o m m m b m m ~ a O m * m ~ m b m b O m m m o ~bbommmmbanmmmrmbam**mcvcjhl mc'jombam*mmnnc? I I I I.. 0, a3 5 z V) 206 o%\ Y4 Y 6 \ a>zg. b 3 E & = 7 mwy: > cn u>. V)= 7. Co.E rc3 * g " E 4, c 0." m , Ln C3 i l n E u.* x , m, s c\] 1 C Q> 0 I.. 1 ' C 0 C 3 i' I 0 s OL (LU) SAAAAS

14 Lämpötilamittaukset tukevat aiemmin esitettyä näkemystä että ominaisvastuskartoituksella saadaan tietoa paitsi siitä onko turve jäässä vai sula, myös jäässä olevan turpeen lämpötilasta. Tulos on koejärjestelyiden ja käytetyn kaluston takia vain viitteellinen (jäässä olevan turpeen lämpötiloja ei ole mitattu) Johtopäätökset ja jatkotutkimukset Testimittauksin tutkittiin vastusluotauksen soveltuvuutta jäätyneen maankamaran tutkimiseen. Tutkimuskohde on Peerassa sijaitseva noin kahden hehtaarin kokoinen palsa. Kolmesta luotauksesta kaksi tehtiin kokonaan palsan päällä, yksi osittain palsan ulkopuolella. Mittauksissa käytettiin 2 ja 3 metrin elektrodivalia, joista 2 metria sopi kohteeseen paremmin. Pintaosan rakenteen tutkimiseen sopivin elektrodivali olisi jopa pienempi, 0.52 metria. Turpeessa ja mineraalimaassa pohjaveden pinnan alapuolella jäätymisen vaikutus näkyy selvästi kohonneena ominaisvastuksena. Etenkin sulan pintakerroksen ja sen alla olevan jäätyneen turpeen raja näkyy tarkasti. Niinikään pystyasentoiset sulat rakenteet erottuvat hyvin. Jaatyneeksi tulkituissa palsan osissa ominaisvastus vaihtelee muutamasta kiloohmimetrista yli 100 WZm:iin. Tämän tutkimuksen perusteella ei voida sanoa mistä erot johtuvat. Syynä voi olla lämpötilaero (lähellä nollaa oleva materiaali johtaa sähköa paremmin kuin kylmempi materiaali); ero voi johtua myös materiaalista (resistiivisirnmissa kohdin jaa voi olla puhtaampaa kuin paremmin sähköa johtavissa kohdissa); ero voi johtua myös rakenteesta (resistiivisissa kohdissa jäätyneen materiaalin rakenne on ehjä, paremmin johtavissa kohdissa rikkoutunut). Jaatyneen kerroksen alapinnan syvyyden määrittäminen on ongelmallista, etenkin jos kerroksen paksuus on elektrodivaliin verrattuna suuri (>10 x elektrodivali). Syvyysulottuvuutta voidaan kasvattaa elektrodivalia suurentamalla, mutta esimerkiksi Peeran tapauksessa palsan pieni koko asettaa tähän rajoituksen systeemi ei enää näe kohdetta 2D, vaan 3Drakenteena. Tutkimus osoitti että vastusluotauksella saadaan tietoa palsan rakenteesta. Sähköisista leikkauksista tulkitut sulan ja jäätyneen materiaalin rajapinnat vastasivat tarkasti gobraustuloksia ja muita sulan kerroksen paksuudesta tehtyjä havaintoja. Jatkotutkimuksissa korostuu näytteenoton tarve selvittää sähkönjohtavuuden vaihtelun ja palsan (jäätyneen turpeen) ominaisuuksien riippuvuutta.

15 Kuva 1.6. Ominaisvastusleikkaus, linja 1, Peeran palsa, Enontekiö Dipolidipoli, a= 2 m, 42 maadoitusta, sovituksen virhe 2.3 %. Kuva 1.7. Ominaisvastusleikkaus, linja 2, Peeran palsa, Enontekiö , Dipolidipoli, a= 3 m, 56 maadoitusta, sovituksen virhe 6.7 %. Kuva 1.8. Ominaisvastusleikkaus, linja 3, Peeran palsa, Enontekiö , Dipolidipoli, a= 2 m, 56 maadoitusta, sovituksen virhe 4.5 %.

16 Osa 2 Vastusluotaus Saanatunturilla 2.1. Mittauksen lähtökohdista Saanatunturin vastusluotauksen tavoitteet liittyivät tunturin huipun mahdolliseen ikiroutaan. Luotaukset tehtiin dipolidipolikonfikuraatiolla, niin että lähetin oli paikallaan ja vastaanotinta siirrettiin. Toisessa luotauksessa elektrodiväli oli 10 metria, toisessa 100 metria (kuva 2.1). Mittaus oli 1Dluotaus ja tulkinta perustuu 1D eli kerrosrakenneoletukseen. Lähtökohta mittauksille oli King'n ja Seppälän (1987)' paperi jossa, vastaaviin luotauksiin perustuen, on esitetty että Saanan laki olisi jäässä. Konkreettisempi "ikiroutahavainto" on tehty Yllästunturin huipulla, jossa kairauksessa on havaittu kesäaikaan jaassa oleva kallio. Kuva 2.1. Vastusluotauslinjojen sijainti Saanalla. Nuoli osoittaa lähettimen sijaintia. Lyhyempi viiva kuvaa linjaa jolla vastaanotin liikkui 10 metrin elektrodivälillä mitattaessa, pidempi viiva vastaanottimen sijaintia kun mitattiin 100 metrin elektrodivälillä. Ikiroudan toteaminen kalliossa, etenkin tilanteessa jossa pohjaveden syvyyttä ei tiedetä (kuten tunturin laella), on vastusluotauksella, tai millä tahansa sähkönjohtavuutta luotaavalla systeemillä, ongelmallista. Sähköisten ja EMmenetelmien käyttö kyseiseen tarkoitukseen perustuu malliin jossa jäässä olevan kallion ominaisvastus oletetaan korkeaksi, merkittävästi korkeammaksi kuin vastaavan sulan kallion. Jos kyseessä olisi esimerkiksi huokoinen hiekkakivi ja pohjavesi lähellä pintaa, oletus toimisi hyvin jaassa olevan pintakerroksen ja syvemmällä olevan sulan kerroksen välillä olisi selvä johtavuuskontrasti. ' King L. and Seppala, M., 1987: Permafrost thickness and Distribution in Finnish Lapland Results of geoelectrical soundings. Polarforchung 57 (3),

17 Varsinaisesti ongelma siis syntyy siitä että kallio voi olla hyvin resistiivistä, ei vain siksi että se on jäässä, vaan myös siksi että se on kuivaa kuivaa joko syystä että pohjavesi on syvällä tai syystä että kivi on hyvin ehjää ja tiivistä. Korkeaa ominaisvastusta ei siis automaattisesti ja kaikissa tilanteissa voi liittää jäätyneeseen kallioon. Tilanne on ongelmallinen myös mittaus ja tulkintateknisesti: Johtavamman pintakerroksen alla olevan hyvin resistiivisen kerroksen ominaisvastuksen tarkka määrittäminen on problemaattista 100 krm ja 1000 krm voivat kohinan rajoissa näkyä samanlaisina. Nyt tehtyjen luotausten erityisongelmana on lisäksi se että ne tehtiin 1Dluotauksena. 1Dluotauksella ja 1Dtulkinnalla saadaan määritettyä todellinen sähkönjohtavuusjakauma vain jos rakenne on vaakakerroksellinen. Vaakakerroksellisuus ei yleensä toteudu jo pelkästään vaihtelevan maanpinnan topografian takia. Lisäksi etenkin kallion rakenteet ovat usein epäyhtenäisiä ja muussa kuin vaakaasennossa. Edellä mainittu artikkeli, King ja Seppälä (1 987) perustuu 1 Dluotauksiin Tulokset Luotaus tehtiin 10 metrin ja 100 metrin elektrodivälillä. Jälkimmäisessä tapauksessa saavutettiin metrin syvyysulottuvuus, mutta resoluutio lähella pintaa on heikko luotaus selittyy mallilla jossa ylimmän noin 200 metria paksun kerroksen ominaisvastus on 20 IdZm ja tämän alla Rm kerros (kuva 2.3). Lyhyemmällä elektrodivälillä syvyysulottuvuus on 5060 metria, mutta malli huomattavasti yksityiskohtaisempi. Myös lyhyernrnällä elektrodivälillä kallion ominaisvastukseksi saadaan lähella 20 krm:a olevia arvoja (1030 krm). Noin 10 metrin syvyydelle saadaan 48 metria paksu ympäristöaän resistiivisempi kerros ( mm) (kuva 2.2). Kuvissa 2.2 ja 2.3 esitetään kummassakin kaksi kerrosmallia, jotka selittävät mittaustuloksen yhtä tarkasti. Etenkin 10 metrin elektrodivälillä luotauksen alkupään pisteet poikkeavat sovitetusta käyrästä, mikä viittaa siihen että todellinen sähkönjohtavuusrakenne poikkeaa kerrosmaasta (liite 2.3). Mittauksissa käytetty laitteisto tallensi myös IPefektin. Kummassakin luotauksessa mitatut varautuvuusarvot olivat hyvin lähella arvoa 10 mvn (+ 2 mvn). Arvo on tavallisille eimalmiutuneille kiville tyypillinen ja vastaa Saanalta otettujen näytteiden laboratorioarvoja Johtopäätökset ja jatkotutkimukset Noin 10 metrin syvyydellä tavoitettu vajaa 10 metria paksu ympäristöaän resistiivisempi (> 100 krm) kerros voidaan tulkita niin että kallio olisi jaassa. Kuitenkin, kuten edellä todettiin, kyseisissä olosuhteissa korkeaa ominaisvastusta ei voida pitää todisteena jaassa olevasta kalliosta, ainoastaan viitteenä siitä. Tulos selittyy hyvin muullakin tavalla. Tulkintaa haittaa se että jäätyneen kallion sähköisiä ominaisuuksia tunnetaan heikosti. Pientä osaa ongelmista voi lähestyä mallintamalla, pääosa edellyttää kuitenkin laboratorio ja insitu mittauksia.

18 Resistivity (Rm) Transrnitter: Kuva Dominaisvastusmalli (kerrosmalli), mitattu Saanatunturin päällä , dipolidipoliluotaus, elektrodiväli 10 metria (a=10 m), n=127, lähetin paikallaan, vastaanotin liikkui kaakkoon (1 30 ), lahettimen koordinaatit: X= , Y= , Z=914 m (vastaanottimen puoleinen elektrodi), laite: IPR12. Data ja sovitus liitteessä 2.3. Mahdollinen jäässä oleva kerron on merkitty kysymysmerkillä. Resistivity (Rm) Saanatunturi 1 DModel Transrnitter: X= HJV/ Y= Z=914 rn Kuva Dominaisvastusmalli (kerrosmalli), mitattu Saanatunturin päällä , dipolidipoliluotaus, elektrodiväli 100 metria (a=100 m), n=18, lähetin paikallaan, vastaanotin liikkui kaakkoon (1 20 ), lahettimen koordinaatit: X= , Y= , Z=9 14 m (vastaanottimen puoleinen elektrodi), laite: IPR12. Data ja sovitus liitteessä 2.4.

19 Osa 3 Johtopäätökset ja arvio sovelluksista ja tutkimustarpeesta Peeran vastusluotauksissa käytettiin 2 ja 3 metrin elektrodiväliä, joista 2 metria sopi kohteeseen paremmin. Pintaosan rakenteen tutkimiseen sopivin elektrodiväli olisi jopa pienempi, 0.52 metria. Turpeessa ja mineraalimaassa pohjaveden pinnan alapuolella jäätymisen vaikutus näkyy selvästi kohonneena ominaisvastuksena. Etenkin sulan pintakerroksen ja sen alla olevan jäätyneen turpeen raja näkyy tarkasti. Niinikään pystyasentoiset sulat rakenteet erottuvat hyvin. Jäätyneeksi tulkituissa palsan osissa ominaisvastus vaihtelee muutamasta kiloohimetristä yli 10Ci krm:iin. Tämän tutkimuksen perusteella ei voida sanoa mistä erot johtuvat. Syynä voi olla lämpötilaero, ero voi johtua myös materiaalivaihteluista tai rakenteellisista syistä. Jaätyneen kerroksen alapinnan syvyyden määrittäminen on ongelmallista, etenkin jos kerroksen paksuus on elektrodiväliin verrattuna suuri (> 10 x elektrodiväli). Syvyysulottuvuutta voidaan kasvattaa elektrodiväliä suurentamalla, mutta esimerkiksi Peeran tapauksessa palsan pieni koko asettaa tähän rajoituksen systeemi ei enää näe kohdetta 2D, vaan 3Drakenteena. Tutkimus osoitti että vastusluotauksella saadaan tietoa palsan rakenteesta. Sähköisista leikkauksista tulkitut sulan ja jäatyneen materiaalin rajapinnat vastasivat tarkasti gobraustuloksia ja muita sulan kerroksen paksuudesta tehtyjä havaintoja. Saanalla testattiin vastusluotauksen soveltuvuutta kallioroudan toteamiseen. Noin 10 metrin syvyydellä tavoitettiin vajaa 10 metria paksu ympäristöään resistiivisempi (>100 krm) kerros, joka voidaan tulkita jäätyneeksi kallioksi. Kuitenkin, kuten edellä todettiin, kyseisissä olosuhteissa korkeaa ominaisvastusta ei voida pitää todisteena jäässä olevasta kalliosta, ainoastaan viitteenä siitä. Tulkintaa haittaa se että jäatyneen kallion sähköisiä ominaisuuksia tunnetaan heikosti. Pientä osaa ongelmista voi lähestyä mallintamalla, pääosa edellyttää kuitenkin laboratorio ja insitu mittauksia. Irtomaan osalta jatkotutkimustarve kohdistuu selvimmin näytteenottoon ja insitu sähkönjohtavuuden vaihtelun ja palsan Cjäätyneen turpeen) ominaisuuksien välisten riippuvuuksien selvittämiseen.

20 Liiteluettelo Liite 1.1. Lämpötila ja korkeus data, linjat 1,2 ja 3, Peeran palsa Liite 1.2. Gobrahavainnot, Peeran palsa, lokakuu Liite 2.1. IP ja ominaisvastusdata, Saanatunturi Liite 2.3. Ominaisvastus ja IP data ja tulkinta, Saanatunturi, kerrosmallisovitus, dipolidipoli, a = 10 m. Liite 2.4. Ominaisvastus ja IP data ja tulkinta, Saanatunturi, kerrosmallisovitus, dipolidipoli, a = 100 m. Liite 2.5. Saanan kivinaytteiden petrofysiikka Liite 2.6. Saanan kivinaytteiden vaihe ja arnplitudispektrit Liite 3.1. Kuvia Peeran Palsasta ( )

21 Peeran paisa, linja 1, ETAISYYDET tieita (m) pinnan anturin etaisyys korkeus syvyys T huom m cm m "C Liite 1.1 anturin kärki jäässa anturin kärki jäässä anturin kärki jäässa anturin kärki jaassa anturin kärki jaassa anturin kärki jaassa anturin kärki jäässä hete palsan ulkopuolella Peeran paisa, linja 2, ETAISYYDET tieita (m) Pinnan anturin etäisyys korkeus syvyys T m cm m "C huom anturin kaki jäässä anturin kärki jäässä anturin kärki jäässä anturin kärki jäässä anturin kärki jäässä anturin kärki jäässa anturin kärki jäässa anturin kärki jaässä siliti? siliti? moreeni? jatkuu...

22 Liite 1.1 (jatkoa) Peeran palsa, linja 3, tien suunnssa, etäisyydet lännestä itään Pinnan anturin etaisyys vaakitus syvyys T m cm m OC huom anturin kärki jaässa anturin k&ki jaässä anturin k&ki jäässä anturin kärki jaassä anturin kärki jäassä anturin kärki jaassä anturin k&ki jäässa anturin kärki jaassä anturin k&ki jaässä

23 Liite Syvyys (cm) Piste 1, palsan päällä Maalaji turve turve turve Jaatynyt/sula sula... jaassa... J aassa hiesu sula hiesu sula moreeni sula Huom osin j aassa Piste 5, palsan ulkopuolella moreeni moreeni moreeni turve hiesu moreeni moreeni moreeni osittain jäässä sula sula sula sula sula sula sula ' aahelmia J kallio? kallio?

24 Näennäinen ominaisvastus ja varautuvuus, Saana, dipolidipoliluotaus Liite 2.1

25 Liite 2.3

26 Liite 2.4

27 Liite 2.5 Saanalta kerättyjen kivinäytteiden petrofysiikka Nayte 1: liuske Saman laelta (naytteet mittauslinjan paista ja keskeltä) Nayte 2: Kloriittiliuske (hiertovyöhyke laella olevan liuskeen alla, naytteet etelarinteestä) Nayte 3: Kalkkikivi hiertovyöhykkeen alta (naytteet etelärinteestä)

28 Liite 2.6 Frequency (Hz) 1000 Frequency (Hz) 1 1,111, ,1,, ,l 1 1 b sam~les 3a3d

29 Peeran palsa elokuussa 1999