AGIISting vastusluotauslaitteiston ja IPR-12 IP-laitteiston testi meren jäällä talvella 1999

Transkriptio

1 1 ARKISTOKAPPALE 1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 1 GEOLOGISKA FORSKNINGSCENTRALEN GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Eteliisuomen aluetoimisto Q16.2/2000/1 Heikki Vanhala ja Jukka Lehtimaki Työraportti AGIISting vastusluotauslaitteiston ja IPR12 IPlaitteiston testi meren jäällä talvella 1999 ESPOO

2 Heikki Vanhala ja Jukka Lehtimaki, AgiISting vastusluotauslaitteiston ja IPR12 IP laitteiston testi meren jaalla talvella Työraportti, 14sivua. 1. Johdanto Meren jaalla testattiin AGVStingvastusluotauslaitteistoa ja IPR12 IPluotauslaitteistoa maaliskuussa Tavoiteena oli arvioida laitteistojen toimivuutta olosuhteissa joissa pintakerros on hyvin sahköa johtavaa materiaalia. Johtava pintakerros aiheuttaa ongelmia kaikille siihköisille menetelmille mm. maatutkan kaytöa toimivuutta se rajoittaa merkittaviisti. Galvaanisista menetelmista IPluotaus kafsii johtavasta pintakerroksesta vastusluotausta enemmän. Varsinaisesti kokeessa testattiin vastusluotauksen kohinatasoa ja inversioohjelman (Loke: RES2DINV, v3.36) kyky8 kuvata tunnettu sahkönjohtavuusrakenne silloin kun mittausdatassa on mukana luonnollinen elektrodikontakteista, kaapeleista ym. johtuva kohina. Meren jmlla tehtavu testin etuna on mm. se etta veden syvyys on helppo kontrolloida tarkasti, vesikerroksen ominaisvastus on vakio (oletus, ei tarkistettu) ja etta veden ja pohjan valilla on selva ominaisvastusero. Oletus selviista ominaisvastuserosta pohjan ja veden valilla osoittautui mittauskohteen geologian takia ehka valiraksi. Koe tehtiin savipohjaisella alueella eika lienesyytii oletaa etta saven ominaisvastus olisi merkittaviisti suurempi kuin veden. Tilanne saattaa olla, savesta riippuen, jopa painvastoin. Kohinan osalta koe ei vastaa maalla tehtya mittausta: Korkea kontaktiresistanssi on tunnettu kohinan aiheuttaja merella elektrodien kontaktiresistanssi oli lhes vakio ja hyvin matala. Toisaalta., jalkimmaisessa mittauksessa lumen ja j&in sulaminen ja sulamisvesien valuminen elektrodeille kairattuihin avantoihin lienee nostanut kohinatasoa. Kuva la Vasiusluotauslinjojen sijuinti

3 Kuva 1 b. Maaperäkartta mittausalueelta 2. Olosuhteet Mittaukset tehtiin Helsingissii Kallvikin harjun edustalla (kuva la ja lb). Ensimmiiinen linja (linja1) mitattiin , jiililkimmiiinen (linja2) Saatila oli ensim

4 mittauskerralla poutainen ja tyyni, lämpötila 5 OC 10 OC. Jälkimaisella kerralla oli lammin auringonpaiste, lämpötila oli "C, jaän pinnalla oli vettä ja sulaminen mittauksen aikana nopeaa. Mittauksessa käytettiin teraselektrodeja, jotka maadoitettiin meriveteen. Elektrodimaadoituksia varten kairattiin jäähän jokaiselle elektrodille 4 tuumaa paksu reikä. Jään paksuus oli noin 40 cm. Linjalla 2 elektrodivali oli 5 metria, mutta linjalla 1 epämääräinen 5.4k0.15 metria. Epämääraisyys johtuu siitä että elektrodimaadoitukset tehtiin suoraksi vedetyn kaapelin mukaan. Kaapelin elektrodivali oletettiin vakioksi, mutta tarkastuksessa havaittiin että väli oli pienimmillään 5.2 metria ja suurimmillaan 5.6 metria. Enin osa oli lähellä 5.4 metria. Elektrodivälin matkavirhe voi aiheuttaa ominaisvastuksessa maksimissaan 10 % virheen. Veden syvyys oli 78 metria ja pohja kummallakin linjalla rantavyöhykettä lukuunottamatta tasainen. Linjojen alku ja keskiosissa pohja on savea, loppupäissa (NE) hiekkaa (ks. kuva 1) Linjoilla 3 ja 4 elektrodit maadoitettiin jaän pinnalle 0.5 metrin välein. Veden syvyys (jään alla) linjoilla 3 ja 4 oli 4060 cm. 3. Tulokset 3.1. maadoitusvastus Maadoitusvastus 15 metrin elektrodivalilla ja teraselektrodeilla on tyypillisesti joitain kiloohmeja, kuivahkossa hiekassa joitain kymmeniä kiloohmeja, kosteassa savimaassa jopa alle kiloohmin. Valmistajan (AGIISting) mukaan pitäisi pysyä alle 2 kc2 lukemissa. Testimittauksissa maadoitusvastus oli 0.1 kc2 tasolla (kuva 2). Korkea maadoitusvastus lisää kohinaa. Tässä tapauksessa maadoitusvastus oli niin pieni kuin se teraselektrodeilla voi olla Laitteiston kohinataso Systeemin kohinatason arviointi perustuu siihen että merivesipatja on sähköisesti homogeeninen, eli mitattu ominaisvastus (AGIIStinglaitteistolla, kun virta on vakio, myös mitattu jännite) on vakio pisteelta toiselle ja toisistaan poikkeavat ominaisvastus/jännitearvot kertovat suoraan kohinan tasosta. Koska syvyys testilijoilla on vain 89 metria, vaikuttaa pohjan ominaisvastus mittaustulokseen suuremmilla lähetinvastaaotinvaleilla. Pohjan vaikutus voidaan kuitenkin erottaa kohinasta. Kuvassa 3 nakyy että teoreettinen ja mitattu jännite vastaavat hyvin toisiaan aina "syvyydelle" a=5 m, n=6 asti. Suuremmilla lähetinvastaanotinväleilla mitattu ja laskettu jännite poikkeavat enemmän. Ero johtuu ainakin osittain siita että lasketut arvot perustuat homogeeniseen 2 C2m puoliavaruuteen, mutta mittauspaikalla veden syvyys on 89 metria ja pohjan ominaisvastus korkeampi (oletus). Kohinataso on 5 metrin elektrodivälilla ja narvoilla kuuteen asti 0.1 mv luokkaa, mutta näyttää kasvavan dipolin ja dipolivälin kasvaessa ollen suurimmillaan 1 mv luokkaa (30 metrin elektrodivalilla ja narvoilla 56).

5 Se että laskettu ja mitattu jännite kuvassa 3 poikkeavat toisistaan suurilla dipoli ja elektrodiväleillä voi periaatteessa johtua siitä että lasketut arvot ovat pienempiä kuin laitteiston mittaustarkkuus. Kuvassa 4a vertaillaan linjalla 1 ja linjalla 2 parametreilla a=5 m, n= 1 ja n=4 mitattuja ominaisvastuksia (AGIISting). Kohinan kasvu signaalin heiketessä näkyy selvasti. Kuvassa 4b on vastaava tulos mitattuna IPR12 laitteistolla: Tulos on kohinaisempi kuin AGIIStingsysteemillä mitattu. IP on vaihdellut satunnaisesti mvn valilla. On ilmeistä että IPR12leitteiston huomattavan kohinaiseen (etenkin 1P:n osalta) tulokseen on vaikuttanut viallinen (vuotava) kaapeli. Kuvassa 5 tarkastellaan AgiIStinglaitteistolla mitattuja ominaisvastuksia kun a=10 metriä ja n=3 (a) sekä kun a=5 m ja n=5. Kohinassa ei ole merkittävää eroa. Kuvat 6 ja 7 esittävät ominaisvastus pseudosektioita linjalta 1 ja 2. 2Dominaisvastusmallit laskettiin RES2DINVinversioohjelmalla (Loke and parker,,1996). Inversiota varten dataa on muokattu poistamalla negatiiviset ominaisvastusarvot, selvasti poikkevat arvot ja arvot joiden sovituksen virhe olisi ollut yli 100 %. Inversiossa On painotettu vaakarakenteita. (~oke. MH and Barker, R.D., 1996, Rapid leastsquares inversion of appar ent resistivity pseudosections by a quasinewton method. Geophysical Prospecting, 44, ) Inversiotulokset on esitetty kuvissa 8a, 8b ja 9. Inversiotuloksista tulkittavisssa oleva veden syvyys on oikeansuuntainen kummallakin linjalla. Jostakin syystä homogeeninen vesikerros kuvautuu linjalla 2 kerrosrakenteena jossa ylinnä on >2 nm:n kerros, keskellä <2 nm:n kerros ja alinna >2 nm:n kerros. Linjalla 1 vesikerros kuvautuu samankaltaisesti mutta homogeenisempana. Ero inversiotulosten valilla johtunee sekä inversioohjelman ominaisuuksista että datasta. (Inversioohjelman ominaisuuksiin kuuluu että se kuvaa myös täysin homogeenisen datan (vakio ominaisvastus) vaakarakenteeksi, jos ohjelma on asetettu painottamaan vaakarakenteita). Linjalla 1 ominaisvastus on on pohjaa syvernrnissä kerroksissa suurempi kuin merivedessa. Linjalla 2 ominaisvastus pohjan alapuolella on sensijaan paikoin pienempi kuin merivedessa. Datan (kuva 3 ja 6) perusteella ja verrattuna linjan 1 dataan, ei voi sanoa että johtava alue pohjan alapuolella johtuisi kohinasta/mittausvirheestä. Linjalla 3 ja 4 mitattiin 0.5 metrin elektrodivälillä niin että elektrodit maadoitettiin jään päälle (mittaus toistettiin samalla linjalla eri asetuksilla). Maadoitusvastukset olivat k n valilla ja data hyvin kohinaista. Inversiotulokset ovat liitteenä 1 ja Johtopäätökset AGIISting laitteistolla signaalin kohinataso on pienimmillään mv luokkaa, IPlaitteiston (IPR 12) samaa luokkaa tai hieman suurempi. Kohinataso kasvaa lähettimen ja vastaanottimen välin kasvaessa. Tässä kokeessa kohina oli suurimmilla dipoliväleillä 5 10 kertaa suurempi kuin pienimmillä elektrodi ja dipoliväleillä.

6 Kun käytetään dipolidipolikonfiguraatiota jännitesignaali pienenee nopeasti dipolivälin kasvaessa. Kuvasta 10 näkyy selkeästi että kohteilla joilla on johtava pintakerros on edullisempaa mitata joko Wenner tai Schlumbergerkonfiguraatiolla. Etenkin Wennerkonfiguraatiolla pystyrakenteiden erotuskyky on heikko, mutta toisaalta, signaalitaso pysyy noin 100 kertaa suurempana kuin dipolidipolilla mitattaessa. Schlumbergerkonfiguraatio on Wenneriä herkempi pystyrakenteille. Testin perusteella näyttää että vastusluotauksella pystytään kartoittamaan rakenteita myös hyvin sähköäjohtavien kerrosten alapuolelta. 5. Liitteet Liite 1. Linja3, 2Dominaisvastusmalli (AgiISting, dipolidipoli, a=0.5 m, 28 maadoitusta) Liite 2. Linja4, 2Dominaisvastusmalli (AgiISting, dipolidipoli, a=0.5 m, 28 maadoitusta)

7 I I I I I Electrode contact resistance linja 2 I I I I I Dipole no Kuva 2. Maadoitusvastus linjalla 2.

8 Address (no) Address (no) Kuva 3. Linjalla I (a) ja 2 (b) mitattu jännite, dipolidipolikonjlguaatio. Kuvassa Xkoordinaatti kasvaa lähetimen ja vastaanottimen välisen etäisyyden kasvaessa: Osoitteet 053 => a=5 m, n=l, osoitteet => a= 5 m, n=2, jne. Kuvassa 3a on ympyröillä merkitv teoreettinen vaste homogeeniselle puoliavaruudelle jonka ominaisvastus on 2 Rm. Kuvaan 3b on kolmioilla merkit^, negatiiviset jännitearvot, kuvasta 3a ne (52 kpl) puuttuvat.

9 LINJA 1 LINJA2 Distance LIN JA2 IPR12 IP i RES \ n=l 1 ' I 1 I 1 n=4 Distance Kuva 4. (a) Naennainen ominaisvastus linjalla 1 ja linjalla 2 elektrodivälillä 5 metriä ja narvoilla n=l ja n=4, AGI/Stinglaitteisto, (b) Naennainen ominaisvastus 5 metrin elektrodivalillä ja narvoilla n=l ja n=4 seka polaroituvuus narvolla n=i, IPR12laitteisto.

10 Distance Distance Kuva 5. (a) Näennäinen ominaisvastus linjalla 1 ja linjalla 2 elektrodivälilla 10 metria ja narvolla n=3, AGUStinglaitteisto, (b) näennäinen ominaisvastus linjalla 1 ja linjalla 2 elektrodivalilla 5 metria ja narvolla n=5, AGUStinglaitteisto.

11 Kuva 7. Ominaisvastus pseudosektio, linja 1 (ylempi) ja linja 2 (alempi), vrt. kuva 6 viiriskaalaa muutettu.

12 l....?ye"nop. eno LTL.c.oa~afiq??,?qS. ~ 8 ~ m ~ r fit~om~.c.n.c. q ~+*nn%nnnn 0 Y) i( nnnnn 0 M (Y N E 0 0 N N 0. al 0.8 E cn '7 0 0 Co. J 0 * m a> >.. r N F 0 I I 1 I s o* 0s (w) SAAAAS < 0

13

14

15

16 lllilllllllilililllllillllllllllllllllllllllliliililllllill p = 1000 Rm I = 100 ma 56 electrodes, 2D sounding electrode separation = 1 m DIPOLEDIPOLE m, iill~lllllll ll~lillllill~lilllilli~lllilllll~lilllllll~llll Distance between the outermost electrodes (m) Kuva 10. Jännitesignaalin käyttäytyminen vastusluotauksessa eri elektrodikonfiguraatioilla.

17