Tarkkavaaituksilla määritetty vuosittainen maannousu Suomen alueella

Transkriptio

1 Tarkkavaaituksilla määritetty vuosittainen maannousu Suomen alueella Abstract Veikko Saaranen Geodeettinen laitos, PL 15, Masala Land uplift rates relative to mean sea level have been computed using three national precise levelling campaigns spanning more than a hundred years. The tide gauge at Hanko provided the starting value 2.63 mm/y. Only levelling data and benchmarks in bedrock have been used. 1. JOHDANTO Maannousun määrittäminen voidaan tehdä merenkorkeushavaintojen, toistettujen vaaitusten ja nykyään myös pysyvien GPS asemien tuottaman havaintoaineiston avulla. Tässä työssä maannousu on määritetty käyttäen hyväksi valtakunnallisia tarkkavaaituksia. Ensimmäinen tarkkavaaitus ( ) ulottui ainoastaan Oulu Kajaani linjan tasalle (Blomqvist ja Renqvist, 1910). Sen sulkuvirheistä laskettu tarkkuus on 1.16 mm km. Toinen tarkkavaaitus alkoi 1935 ja päättyi Vuosina mitattiin ensimmäisen vaaituksen kanssa yhteinen verkko sekä muutamia uusia linjoja siten, että vaaitus ulottui Aavasaksa Rovaniemi Kemijärvi linjalle. Tämän mittauksen tulokset julkaistiin Geodeettisen laitoksen julkaisuissa 57 ja 61 (Kääriäinen, 1963; Kääriäinen, 1966). Ahvenanmaan ja Lapin alueen vaaitukset ilmestyivät erillisissä julkaisuissa (Kakkuri ja Kääriänen, 1977; Takalo 1977; Takalo ja Mäkinen, 1983). Toisen tarkkavaaituksen tarkkuus on 0.66 mm km. Kolmas tarkkavaaitus alkoi 1978 ja syksyllä 2004 suoritettiin viimeiset vaaitukset. Kolmannen tarkkavaaituksen tarkkuus on 0.84 mm km. Edellä esitetyt tarkkuusarviot pohjautuvat laskuun, jossa on hyödynnetty uusia maannousuarvoja (Lehmuskoski, 2005). Maannousututkimuksella on pitkät perinteet. Katsaus maannousututkimuksen varhaisiin vaiheisiin sekä Ensimmäisen ja Toisen tarkkavaaituksen havaintoja käyttäen määritetty maannousukartta löytyy julkaisusta (Kääriäinen, 1953). Myös Toisen tarkkavaaituksen julkaisu (Kääriäinen, 1966) sisältää maannousukartan. Uudemmista määrityksistä mainittakoon Suutarisen tekemä uudelleentasoitus Ensimmäisen ja Toisen tarkkavaaituksen aineistosta (Suutarinen, 1983). Kolmannen tarkkavaaituksen edetessä on tehty muutamia maannousun määrityksiä. Maamme eteläosan maannoususta antoi tietoa (Kakkuri ja Vermeer, 1985). Kun kaikissa kolmessa vaaituksessa yhteinen verkko oli mitattu, voitiin alueen maannousu määrittää (Mäkinen ja Saaranen, 1998a). Lähes valtakunnallinen maannousukartta on julkaisussa (Saaranen ja Mäkinen, 2002). 201

2 Nykyaikana on tehty määrityksiä käyttäen pysyvien GPS asemien havaintoja. Määrityksissä on mukana GPS asemia koko Fennoskandian alueelta (Scherneck et al., 2003). Merenkorkeushavaintoja käyttäen on tehty lukuisia tutkimuksia (Vermeer et al., 1988; Johansson et al., 2004). Toistetut tarkkavaaitukset mahdollistavat maannousuerojen tarkan määrittämisen, mutta niiden avulla ei ole mahdollista määrittää maannousulukemien lähtötasoa. Tässä julkaisussa maannousuerot on kiinnitetty merenkorkeushavainnoista laskettuun maannousuarvoon 2.63 mm/v Hangon mareografilla (Johansson et al., 2004). Tämä luku ilmoittaa kallioperän keskimääräisen vuosittaisen nousun nopeuden merenpintaan nähden. Lukuun on tehty NAOtalvi indeksin mukainen korjaus. Maannousu maan massakeskipisteen suhteen on nopeampaa, sillä maannousulukemia pienentää merenpinnan ja geoidin nousu. Sopiva arvio merenpinnan nousun nopeudelle on 1.5 mm/v (Gornitz, 1995). Vertailun vuoksi todettakoon, että pysyvien GPS asemien havainnoista laskettu BIFROST malli antaa kyseisessä paikassa maannousunopeudeksi 4.3 mm/v (Scherneck et al., 2003). Tämä maannousu on laskettu maan massakeskipisteen suhteen. Yksityiskohtainen vertailu eri tavoilla saatujen tulosten eroista löytyy esimerkiksi julkaisusta (Mäkinen et al., 2003). 2. MATEMAATTINEN MALLI JA MAANNOUSUKARTTA Maannousun määrittäminen on periaatteessa yksinkertainen tehtävä. Määritetään kiintopisteen korkeus ainakin kahdella eri ajanhetkellä ja jaetaan havaittu muutos korkeudessa mittaushetkien välisellä ajalla. Tarkkavaaituksessa havaitaan vain korkeuseroja, joten suoraa informaatiota maannousun absoluuttisesta suuruudesta ei saada vaaitushavainnoista. Tällöin joudutaan turvautumaan muilla menetelmillä määritettyihin maannousuarvoihin lähtötason määrittämisessä. Tasoitukseen on valittu edustava kiintopistejoukko kalliopisteitä. Ensimmäisen vaaituksen alueella nämä pisteet kuuluvat pääsääntöisesti kolmeen vaaitukseen. Pohjois Suomessa pisteet kuuluvat ainoastaan Toiseen ja Kolmanteen vaaitukseen. Valintakriteereinä ovat pisteen stabiilisuus ja alueellinen jakautuminen. Kiintopisteiden luotettavuutta on tutkittu esimerkiksi julkaisussa (Lehmuskoski, 1996). Joukosta on poistettu ne kiintopisteet, joiden korkeus edellisestä vaaituksesta poikkeaa tilastollisesti merkittävästi odotetusta arvosta. Mikäli mahdollista on pyritty siihen, että kiintopisteiden välinen etäisyys on korkeintaan 10 kilometriä. Varsinkin maamme pohjoisosissa on joitakin pitkiä välejä ilman käyttökelpoisia pisteitä. Tähän on vaikuttanut kalliopisteiden vähäisyys aikaisemmissa vaaituksissa. Vuosikymmeniä sitten ei kiintopisteiden perustaminen kallioon ollut ensisijainen valinta, vaan sen edelle meni usein kiintopisteen helppo saavutettavuus vaaitusreitiltä. Tehdyn korkeuserohavainnon, kiintopisteiden korkeudet tasoitusepookissa ja kiintopisteiden korkeuden muutoksen nopeuden sitoo yhteen havaintoyhtälö Mallin termit ovat: yi (, jk, ) h( jt, ) hit (, ) hj ( ) hi () ti (, jk, ) t ei (, jk, )

3 Kuva 1. Vaaituksien avulla määritetty maannousunopeus. Yksikkö on millimetriä vuodessa. Pisteet ilmaisevat laskennassa käytettyjen pisteiden sijainnit. Tässä esitetyssä mallissa lähtötaso on otettu Hangon mareografista, 2.63 mm/v. 203

4 y( i, j, k) kiintopisteiden i ja j välinen mitattu korkeusero vaaituksessa k, k 1,2,3 ti (, jk, ) havaintohetki (epookki), t 0 h ( i), h ( j) Tasoitusepookki kiintopisteiden i ja j maannousunopeudet (tuntemattomia), hit (, 0), h( jt, 0 ) kiintopisteiden i ja j korkeudet tasoitusepookissa t 0, (tuntemattomia), ei (, jk, ) Havaintovirhe. Matemaattisen mallin esitys matriisimuodossa ja selvitys vaaitustarkkuuksien määrittelystä löytyy esimerkiksi viitteestä (Mäkinen ja Saaranen, 1998a). Tasoituksessa ei ole käytetty sulkuvirheistä laskettuja ns. a priori tarkkuuksia, vaan niiden sijasta on käytetty varianssikomponenttiestimoinnin antamia tarkkuusarvioita. Käytetty tekniikka on nimeltään MINQUE (Rao, 1971). Estimoidut kilometrikeskivirheet kolmelle vaaitukselle ovat 2.01, 0.57 ja Estimointi on suoritettu kolmen vaaituksen yhteisellä alueella. mm km Käytetyssä mallissa määritetään korkeudet ja maannousuarvot samanaikaisesti. On mahdollista laskea maannousu ilman korkeuksien määrittämistä. Eri tasoitustekniikkojen antamista tuloksista on kirjoitetuksessa (Mäkinen ja Saaranen, 1998b). Tasoitustekniikan vaikutus on vähäinen. Mallia laskettaessa oli havaintoja yhteensä 1223 ja kiintopisteitä 462. Kaikki tasoituksen pisteet ovat kalliossa olevia kiintopisteitä. Maannousun määrityksen tarkkuus heikkenee sen mukaan, miten kauaksi etäännytään kiinnitetystä pisteestä. Pohjoisimpien pisteiden maannousuarvon määrityksen tarkkuus on noin 0.6 mm/vuosi. Kuva 1. on piirretty GMTohjelmistoa käyttäen (Wessel ja Smith, 1998). Kuvaa tehtäessä on on käytetty GMT ohjelmiston blockmean rutiinia, jonka avulla on tehty 1 x 0.5 esisuodatus tasoitustulokselle. Tämä toimenpide yhdessä kiintopisteiden huolellisen valinnan kanssa on tuottanut maannousukuvan, josta mahdolliset todelliset paikalliset anomaliat kuten myös vaaitusvirheiden seurauksena seurauksena syntyneet epätasaisuudetkin on karsittu pois. LÄHTEET Blomqvist E, Renqvist H (1910): Das Präcisionsnivellement Finlands Fennia 31:2, Gornitz V. (1995): Monitoring sea level changes. Climatic Change 31:

5 Johansson, M.M., Kahma, K.K.,Boman, H.& Launiainen J. (2004): Scenarios for sea level on the Finnish coast. Boreal Env. Res. 9: Kakkuri J. and J. Kääriäinen (1977): The Second levelling of Finland for the Åland archipelago. Publ. Finn. Geod. Inst. N:o 82. Kakkuri J, Vermeer M (1985): The study of land uplift using the Third Precise Levelling of Finland. Rep. Finn. Geod. Inst. 85:1. Kääriäinen E. (1953): On the recent uplift of the Earth s crust in Finland. Veröff. Finn. Geod. Inst. 42. Kääriäinen E. (1963): Suomen toisen tarkkavaaituksen kiintopisteluettelo I. Geodeettisen laitoksen julkaisu N:o 57. Kääriäinen E. (1966): The Second Levelling of Finland in Publ. Finn. Geod. Inst. 61. Lehmuskoski, P. (1996): Active fault line search in southern and central Finland with precise levellings. Rep. Finn. Geod Inst. 96:5. Lehmuskoski, P. (2005): Vaaitusten sulkuvirheistä lasketut tarkkuudet. Geodeettinen laitos. Sisäinen muistio. Rao, CR (1971): Estimation of variance and covariance components Minque Theory. J. Multivariate Analysis 1: Mäkinen, J., H. Koivula, M. Poutanen and V. Saaranen, (2003): Vertical Velocities in Finland from Permanent GPS Networks and from Repeated Precise Levelling. J. Geodynamics, Vol 35, Mäkinen J. and V. Saaranen (1998a): Determination of postglacial land uplift from the three precise levellings in Finland. J. Geodesy, 72: Mäkinen J. and V. Saaranen. (1998b): Computation of Land uplift from the three Precise Levellings in Finland. Proceedings of the 13 th general meeting of the Nordic Geodetic Commission, May , 1998, Gävle, Sweden. Saaranen V. and J. Mäkinen, (2002): Determination of land uplift from the three precise levellings in Finland, status in Proceedings of the XIV General Meeting of the Nordic Geodetic Commission (Ed. M. Poutanen, H. Suurmäki). Scherneck H. G., J.M. Johansson, G. Elgered, J.L. Davis, B. Jonsson, G. Hedling, H. Koivula, M. Ollikainen, M. Poutanen, M. Vermeer, J.X. Mitrovica, and G.A. Milne, (2002): BIFROST: Observing the Three Dimensional Deformation of Fennoscandia, in Glacial Isostatic Adjustment and the Earth System, edited by J.X. Mitrovica and B.L.A. Vermeersen, Geodynamics Series, Volume 29, Amer. Geophys. U, Washington, D.C. 205

6 Suutarinen O. (1983): Recomputation of land uplift values in Finland. Rep.Finn. Geod. Inst. 83:1. Takalo M. (1977): Suomen toisen tarkkavaaituksen kiintopisteluettelo II. Suomen Geodeettisen laitoksen julkaisu N:o 83. Takalo M. and J. Mäkinen (1983): The Second levelling of Finland for Lapland. Publ. Finn. Geod. Inst. N:o 99. Vermeer M., Kakkuri J, Mälkki P, Boman H, Kahma KK, Leppäranta M (1988): Land uplift and sea level variability spectrum using fully measured monthly means of tide gauge readings, Finnish Marine Research 256: Wessel P. and Smith W.H.F. (1998): New, improved version of the Generic Mapping Tools released. EOS Trans. Amer. Geophys. U. 79:5. 206