Alueellinen ruhjetulkinta ja seisminen refraktioluotaus maapeitteen paksuuden ja kallion rikkonaisuuden tutkimiseksi Pudasjärvellä lokakuussa 2010.

Transkriptio

1 Konsernipalvelut yksikkö Kuopio Alueellinen ruhjetulkinta ja seisminen refraktioluotaus maapeitteen paksuuden ja kallion rikkonaisuuden tutkimiseksi Pudasjärvellä lokakuussa Geobotnia Oy 2010

2 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO 1 2 RUHJETULKINTA Yleistä 1 3 REFRAKTIOSEISMISET TUTKIMUKSET Yleistä Maastotyön toteutus Tuloskäsittely ja virhetarkastelu Tulosten tarkastelu Liitteet 4

3 1 1 JOHDANTO Tämä raportti koostuu Geologian tutkimuskeskuksen tekemästä tilaustutkimuksesta, jolla selvitettiin maapeitteen paksuutta ja kallion rikkonaisuutta suunnitellun Venkaan maapadon alueella Pudasjärvellä. Tutkimukset tehtiin Geobotnia Oy:n alikonsulttina Pohjolan Voima Oy:lle. Tutkimus oli kaksiosainen. Aluksi tehtiin alueellinen ruhjetulkinta olemassa olevaa matalalento- ja korkeusmalliaineistoa käyttäen. Ruhjetulkintaa tukena käyttäen yhdessä Geobotnia Oy:n kanssa päätettiin lopullinen mittauslinjojen sijoittelu. Toisessa vaiheessa tehtiin seisminen refraktioluotaus valituilla mittauslinjoilla. 2 RUHJETULKINTA 2.1 Yleistä Ruhjetutkinnan teki geofyysikko Jouni Lerssi. Ruhjetulkinta perustuu topografisen korkeusaineiston ja GTK:n tekemän matalalentomittauksen tuloksiin. Ruhjetulkinnassa käytettiin GTK:n geofysiikan lentomittausaineistoa (lentovuosi 1994) ja topografista (korkeus) aineistoa. Lentomittausaineistosta käytettiin prosessoituja magneettista sekä sähköisiä komponentteja. Magneettisesta aineistosta voitiin paikantaa suurimmat (ja selkeimmät) ruhjeet (lineamentit). Aineiston tarkkuudesta ja lentosuunnasta johtuen (200 m:n linjaväli,50 m:n pikselikoko, Itä-läntinen lentosuunta) siitä ei voida tulkita varsinkin itä-läntisiä kapeita rakenteita (< 50 m) tarkasti. Korkeusaineistona tulkinnassa käytettiin maanmittauslaitoksen 25 m:n pikselikokoon interpoloitua digitaalista korkeusmallia (lupa: MML/VIR/TIPA/217/10), joka prosessoitiin tulkintaan soveltuvaksi. Tulkitut ruhjeet piirrettiin kartoille, jotka ovat tämän raportin liitteinä (liitteet 1-4). 3 REFRAKTIOSEISMISET TUTKIMUKSET 3.1 Yleistä Tutkimus tehtiin välisenä aikana tilaajan kanssa sovituilla linjoilla. Refraktioseismisillä luotauksilla voidaan selvittää maapeitteen paksuuden lisäksi kallion rikkonaisuutta kuvaava kallion seisminen nopeus. Kenttätöihin osallistuivat ja tulosten tulkinnan tekivät geofyysikot H. Forss ja S. Niemi. Seismiset aallot synnytettiin pienillä dynamiittipanoksilla ja seismogrammit rekisteröitiin digitaalisella 24-kanavaisella Geode 24 seismografilla. 100 metrin pituisia luotauksia tehtiin yhteensä 38 kpl kahdella eri mittauslinjalla, joiden yhteispituus on 3800 m. Koko aineisto on luovutettu tilaajalle teksti- ja kuvatiedostoina. Linjojen sijainti esitetään liitekartassa 1, johon on piirretty sekä tulkittu kallion pinta että pohjaveden pinnan taso (perusviivan alapuolella) sekä seismiset nopeudet (perusviivan yläpuolella). Tulkittuihin vertikaalileikkauskuviin (liitteet 5 6, mittakaava 1:2000/1:500) koordinaatit on merkitty KKJ-3 järjestelmässä. Liitteessä 7 on esitetty seismisten nopeuksien ja maa/kivilajien välistä riippuvuutta. 3.2 Maastotyön toteutus Mittaus tehtiin 100 m:n vastakkaisluotauksina, jossa geofonit ovat 5 m:n välein paitsi levitysten molemmissa päissä ja keskipaukun molemmin puolin 3 geofonia 2.5 m:n välein tarkemman irtomaanopeuden määrittämiseksi. Lähipanokset (2 kpl) räjäytettiin levityksen päissä, keskipaukku (1 kpl) levityksen keskellä ja kaukopanokset (2 kpl) linjan jatkeilla 100 m:n etäisyydellä kallionopeuden määrittämiseksi. Panoksiin käytettiin g dynamiittia. Linjalla 3 olevan Mertajoen yli ei voitu mitata. Joki on niin leveä, että ylitykseen olisi tarvittu vene, myös pelkästään panoksen ylivientiin. Joelta lounaaseen jatkuva linjan osa aloitettiin joen penkalta, jolloin kaukopaukku ammuttiin joessa vain 10 metrin etäisyydellä linjan päästä. Tällöin levityksen alusta noin 30 metrin matkalta ei saatu kal-

4 2 lionopeutta. Mertajoen koillispuolella linja päättyi noin 40 metrin päähän joesta, jolloin saatiin kalliosignaali koko levityksen matkalle joessa ammutusta kaukopaukusta. Linjalle 3 jäi mittaukseen noin 60 m:n levyinen aukko Mertajoen kohdalle. Linjat suunnistettiin GPS laitteella. Maasto oli osittain varsin peitteistä linjan 3 keskivaiheilla ja siksi linjalle tuli pientä mutkittelua (+/- 5 metriä). Kuitenkin kukin geofonilevitys (100m) on suora. Mittauslinjojen tarkka sijainti ja korkeusasema mitattiin jälkikäteen VRS-GPS laitteella. Linja 3 mitattiin viimeistä 500 m pätkää lukuun ottamatta VRS-GPS laitteella 100 m:n välein, koska linjan topografia vaihteli hyvin vähän tällä osuudella. Linjan 3 loppupää (viimeiset 500 m) ja koko linjan 1 korkeusasema mitattiin letkuvaa alla 20 metrin välein ja sidottiin VRS-GPS mittauksin m välein. VRS-GPS mittauksen tarkkuus on parempi kuin 10 cm ja letkuvaaituksen tarkkuus on luokkaa 20 cm. 3.3 Tuloskäsittely ja virhetarkastelu Seismogrammit on luettu mikrotietokoneessa toimivalla Rimrock Geophysics'n Sipik-ohjelmalla. Varsinainen tuloskäsittely ja tulkinta on tehty GTK:n Gsfseismo-ohjelmistolla, joka laskee leikkausaikamenetelmällä kerrospaksuudet luotausten päihin ja viivästysaikamenetelmällä geofonien alle. Kallionopeudet on määritetty lähinnä vastakkaisten kaukopanosten saapumisaikojen erotusten avulla. Mittausajankohtana oli varsin tuuliset ja sateiset sääolot, mutta mitatut seismogrammit ovat korkealaatuisia ja niistä voidaan lukea saapumisajat luotettavasti, joten kallionopeuden määritys onnistuu hyvin. Maapeite on keskimäärin luokkaa 10 metriä ja irtomaakerrosten nopeuksien määrittäminen onnistuu pääsääntöisesti hyvin ja vain muutamassa kohdin joudutaan turvautumaan ns. piilokerrostulkintaan kerrospaksuuden ohentuessa kesken levityksen. Seisminen tulkinta on tehty pääsääntöisesti 3-kerrosmallilla: kuiva irtomaakerros, pohjaveden kyllästämä irtomaakerros ja kallio. Tyypillinen virhearvio seismisesti määritetylle maapeitteen paksuudelle on 10 % ja alle 10 m:n paksuuksilla 1 m. Virherajojen toteutuminen edellyttää kuitenkin oikean tulkintamallin valintaa. Piilokerrostapauksessa (esimerkiksi jos pohjavesikerros on niin ohut, ettei se näy seismogrammeissa) hyvistä seismogrammeista huolimatta tulkintamalli ei vastaa todellisuutta ja tulkittu irtomaakerros jää ohuemmaksi kuin todellisuudessa. Toinen mahdollinen virheen aiheuttaja on käänteisen nopeuden tapaus, esimerkiksi hiekkaa moreenikerroksen alla. Tällöin nopeamman kerroksen alle jäävä hitaampi kerros jää seismogrammissa näkymättä, koska seisminen aalto kulkee pitkin nopeampaa kerrosta. Tässä tapauksessa vastaavasti tulkittu kerrospaksuus on suurempi kuin todellisuudessa. Seismisen aallon kulkunopeus kalliossa riippuu kivilajista ja kallion rikkonaisuudesta (ks. liite 3). Vaikka kallionopeuksien määritystä voidaan pitää tarkkana, on huomattava, että kapeille (<15 m) rikkonaisuusvyöhykkeille määritetyt arvot ovat aina likimääräisiä. Seismisen aallon nopeus kalliossa ei ole yksikäsitteinen määre kallion rikkonaisuudelle. Mitattuun nopeuteen vaikuttaa kivilajin lisäksi rikkonaisuuden tyyppi ja suunta luotaukseen nähden. Rakoilun poikkisuunnassa seisminen nopeus on yleensä huomattavasti alhaisempi kuin rakoilun suunnassa. Kallion pintaan puhkeamaton vaakaasentoinen rikkonaisuus ei ilmene lainkaan refraktioseismisessä tutkimuksessa. Pääsääntöisesti voidaan sanoa, että kallion on ehjää, jos sen seisminen nopeus on suurempi kuin 5000 m/s. Välillä m/s kalliossa esiintyy rikkonaisuutta ja m/s kertoo kallion olevan selvästi rikkonaista kivilajista riippumatta. Alle 4000 m/s kallion on ruhjeista. 3.4 Tulosten tarkastelu Ukonkankaan alueella on kuivan irtomaan paksuus suurimmillaan luokkaa 5 metriä ja todetaan sen olevan seismisesti hyvin hidasta m/s. Aivan pinnassa irtomaa on hyvin löyhää hienoainesta ja tiivistyy syvemmällä paikoin hyvinkin tiiviiksi/kovaksi, tämä todettiin panostettaessa. Myös raekoko todennäköisesti kasvaa syvemmälle mentäessä, sillä pohjavedenalaiset nopeudet olivat monin paikoin hieman suurempia kuin mitä samaisen kuivan pintamaan pohjaveden kyllästämänä odotusarvoltaan olisi (odotusarvo m/s, nopeudet vaihtelevat m/s). Kallionopeudet laskettiin kaukopaukuista. Niillä profiilin osilla, joissa irtomaapeitteen paksuus on ohut (linjalla 1 välit 0-600m ja m sekä linjalla 2 välit 0-400m ja m), kallionopeus voitiin määrittää luotettavasti myös lähipaukuista. Lähipaukuista lasketut kallionopeudet (tyypillisesti m/s)olivat kauttaaltaan m/s alhaisempia kuin kaukopaukuista lasketut. Tämä merkitsee sitä, että kallioperän pintaosassa rakoilua on

5 3 enemmän kuin syvemmällä. Kaiken kaikkiaan kallionopeudet viittaavat hyvin ehjään kallioperään ruhje/rikkonaisuuspaikkoja lukuun ottamatta. Luotauksista tulkitut vertikaalileikkaukset ovat liitteissä 5 ja 6. Niissä esitetään maanpinnan topografia, pohjaveden pinta, kallion pinta sekä seismiset nopeudet. Kuivan irtomaan nopeutta ei kuvissa esitetä, se on lähes vakio koko ajan eli luokkaa m/s. Vertikaalileikkauksiin on merkitty linjan päiden koordinaatit ja ilmansuunnat. Molemmat linjat on piirretty niin, että lähtöpiste (matka 0) on lännessä ja matka kasvaa itään päin. Linja 1 Linja kulkee melko tarkalleen kohtisuoraan yleistä geologista kulkusuuntaan vastaan. Linjalla 1 näkyy useita ruhjekohtia, useimmat hyvin kapeita, mutta pari leveämpääkin. Muilta osin kallio on pääsääntöisesti hyvin ehjää. Kallionopeus m/s välillä on suorastaan huomattavan suuri, kun mittaus kuitenkin on tehty kivilajikulkua vastaan kohtisuoraan. Kohdassa m oleva rikkonaisuus ja ruhjevyöhyke poikkeaa muista linjan ruhjepaikoista. Siinä on molemmilla reunoilla ruhjeisiin viittaavat seismiset nopeudet, kun taas näiden välissä on rikkonaiselle kivelle tyyppinen nopeus. Kaikissa muissa ruhjepaikoissa seismiset nopeudet ovat ruhjoutuneelle kivelle tyypillisiä (alle 3500 m/s), tosin kapeiden ruhjeiden nopeudenmääritys on epätarkkaa. Levityksellä m havaitaan poikeuksellisesti mahdollinen kova pohjamoreeni (tai rapautuma?). Tällaisesta ei ole merkkejä millään muulla levityksellä ja mahdollinen pohjalla oleva kovan nopeuden irtomaakerros jää piilokerrokseksi. Mikäli tällainen on olemassa, niin tulkitut maakerrosten paksuudet ovat hieman liian pieniä. Väli on tulkittu tämä kova pohjakerros mukaan ottaen ja tämä tulkintamalli edustaa maksimisyvyyttä. Levityksellä havaitaan kulkuaikojen hidastuminen pintakerroksessa. Kyseessä lienee pintaosan turpeen tai sammaleen pesusienimäinen rakenne, jossa vesi on tavallaan omissa lokeroissaan eristyksissä ja siten seisminen signaali kulkee hyvin hitaasti. Tulkittu pintakerroksen paksuuntuma voi olla virheellinen, mutta kallionpinnan tulkittu syvyys pitäisi olla oikeaa suuruusluokkaa. Linja 3 Linja on lounas-koillinen suuntainen ja leikkaa geologista kulkua loivasti. Vaikka linja 3 on enemmän kulun suuntainen kuin linja 1, niin tämä ei näy kallionopeuksissa, jotka ovat keskimäärin samoja tai jopa hieman alhaisempia kuin linjalla 1. Linjalle jouduttiin jättämään aukko Mertajoen kohdalle. Oleellisena huomiona tällä linjalla on maapeitteen paksuuntuminen Mertajoen kohdalla ja tähän liittyvät kaksi ruhje/rikkonaisuusvyöhykettä. Linjan loppupäässä, jossa linja leikkaa linjaa 1, on myös ruhje. Aivan linjan lopussa on myös rikkonaiseen kallioon viittaava kohta. Irtomaapeitteet ovat selvästi ohuempia linjalla 3 kuin linjalla 1. Tällä linjalla vain alkuosalla linjaa pystytään määrittämään kuivan irtomaan nopeus, joka on samainen m/s kuin linjalla 1. Heikki Forss Jouni Lerssi Sami Niemi Tekninen päällikkö Geofyysikko Geofyysikko

6 4 3.5 Liitteet Liite 1 Liite 2 Liite 3 Liite 4 Liite 5 Liite 6 Liite 7 Mittauslinjojen sijaintikartta, tulkintatulokset, ruhjetulkinta Ruhjetulkinta, aeromagneettinen residuaalikartta Ruhjetulkinta, aeromagneettinen intensiteetti ja korkeusmalli Ruhjetulkinta, vinovalaistu korkeusmalli Linja 1, vertikaalileikkausprofiili Linja 3, vertikaalileikkausprofiili Taulukko maaperän ja kallion seismisistä nopeuksista

7

8

9

10

11

12

13 Liite 7