Sovellettu Geofysiikka Maa- ja kallioperätutkimuksissassa. Tero Hokkanen

Transkriptio

1 Sovellettu Geofysiikka Maa- ja kallioperätutkimuksissassa Tero Hokkanen

2 Geofysiikka ja Sovellettu geofysiikka Geofysiikka Tutkii Maan fysiikkaa Lähteinä maan omat kentät, geologia ja petrofysiikka sekä ulkopuoliset tekijät, kuten kentät, hiukkassäteily.. Sovellettu geofysiikka Hyödynnetään/tutkitaan maankamaran fysiikkaa arvoaineiden etsinnässä, ympäristötutkimuksissa, geotekniikassa... Lähteet voivat olla ja usein ovat keinotekoisia Yhdistetään geologian (GEO) ja fysiikan (FYSIIKKA) hyvät puolet

3 Sovelluskohteet Perustutkimus Malmin (öljyn) etsintä Ympäristögeofysiikka Pohjatutkimukset Veden etsintä Kallion laatututkimukset Erikoissovellukset (UXOt, militaari yms.)

4 Geofysiikan vahvuuksia ja heikkouksia Vahvuuksia Alueellinen kattavuus Väliainetta rikkomaton (in-situ) Suhteellisen hyvä syvyysulottuvuus Usein nopea ja edullinen Heikkouksia Yksityiskohtaiset piirteet katoavat Tulkinnan monikäsitteisyys Menetelmät eivät toimi kaikenlaisissa geol. ympäristöissä

5 Geofysiikka geotekniikassa ja kalliomekaniikassa Perusteltuja kysymyksiä: Tarvitaanko geofysiikkaa geotekniikassa ja kalliotekniikassa? Miten sitä voidaan hyödyntää? Missä sitä voidaan hyödyntää? Saataisiinko sama tieto muutenkin? Vastaus: Kyllä tarvitaan ja voidaan hyödyntää. Perusteluita löytyy alla.

6 Geotekniikka ja kalliomekaniikka vs. Geofysiikka Tyypillisiä piirteitä Geotekniikassa ja kalliomekaniikassa näyte tai reikä => näyteavaruus häiriintyy ja tietoa pistemmäisesti Geofysiikassa hyödynnetään yleensä kenttiä => geofysiikka näyteavaruutta rikkomaton tai vain vähän rikkova. Tietoa laajoilta alueilta/tilavuuksista

7 Peruste 1: Geofysiikalla laajempi kuva kuin pelkällä pistetiedolla

8 Peruste 2: Ainetta rikkomaton, edullinen Sähkö- ja puhelinkaapelit Kaasuputki Sadevesiputki

9 Peruste 3: Alueet joissa kairaus vaikeaa KKJ X L1 L2 L4b L3 L6 L b L4 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 m -20,0-25,0-30,0-35, L KKJ Y Suomenoja Linja matka H 1

10 Yleisesti käytetyt geofysiikan menetelmät geomekaniikassa 1. Seisminen (taittumis) luotaus 2. Maatutka 3. Maavastusluotaus Lisäksi 4. Aerogeofysiikka, EM-menetelmät yms. Elektroniikan kehittyminen mahdollistaa tehokkaat mittaukset, inversiot ja uuden tyyppisen datan hyödyntämisen (esim. kokoaaltoinformaatio).

11 Seismisen menetelmän perusteita Perustuu keinotekoisesti aiheutettujen seismisten aaltojen taittumiseen (Snellin laki) ja/tai heijastumiseen ja nopeuden muutokseen seismisiltä rajapinnoilta (= akustinen impedanssiero) Soveltuu geotekniikassa hyvin maaperä- ja kalliorajapintojen määritykseen mutta myös pohjavedenpinnan määrittämiseen ja kallion laadun arviointiin Myös heijastusseismiset ja pinta-aalto (MASW) sovellukset!

12 Kimmovakiot, seisminen aalto ja kallion laatu V p = ((K + 4/3 m) / r ) 1/2 V s = (m / r) ½ m = liukukerroin r = tiheys K = puristuskerroin

13 Maaperän V p -nopeusarvoja

14 Kivilajien V p -nopeusarvoja

15 P-aaltojen kulkureitit Riippuen reitistä, mitä P-aalto saapuu geofonille, puhutaan Suorasta aallosta (direct wave) Etenee maanpintaa pitkin nopeudella v 1 Ilma-aallosta (air wave) Etenee ilmaa pitkin äänennopeudella Taittuneesta aallosta (head wave) Etenee kriittisesti taittuneena rajapintaa pitkin nopeudella v 2 Heijastuneesta aallosta (reflected wave) Etenee ylemmässä kerroksessa nopeudella v 1

16 Kulkuaikakuvaajan muodostaminen: ensisaapujien poiminta 1. Seisminen lähde 2. Aallot rekisteröidään geofoneilla

17 Kulkuaikakuvaajan muodostaminen: kuvaajan piirto 3. Poimitaan seismogrammilta kunkin aallon tuloaika 4. Piirretään tuloajat etäisyyden funktiona = kulkuaikakuvaaja Käytännössä vain suoran ja taittuneen aallon tuloajat helppo poimia, koska vain ne ovat ensisaapujia Huomataan, että suora aalto on ensisaapuja ~ 45 m asti, sitten taittunut aalto on ensisaapuja

18 Taittumisluotaus, 2-kerrosmalli x t taittunut aalto k = 1/v 2 v 1 c c c t int x v 2 suora aalto k = 1/v 1 Refraktioluotauksessa tulokulma on kriittinen kulma eli taittunut aalto etenee pitkin rajapintaa taittunut aalto lähettää kriittisessä kulmassa takaisin maanpinnalle aaltoja, jotka geofonit rekisteröivät poimimalla taittuneiden aaltojen saapumisajat kullakin geofonilla (1 per geofoni) saadaan muodostettua kulkuaikakuvaaja horisontaalikerrostapauksessa nopeudet saadaan kulmakerrointen käänteislukuina, leikkausaika on kulkuaika lähteen kohdalla t int = t(0)

19 Kaateellinen rajapinta Räjäytykset tehdään linjan molemmista päädyistä, jotta rakenteen mahdollinen kaade tulisi otetuksi huomioon Eteenpäin G Taaksepäin v 1 c c v 2 Puhutaan eteenpäin (forward) ja taaksepäin tehdyistä räjäytyksistä (reverse) Kaateelliselle rajapinnalle saadaan erisuuret nopeudet eteenpäin ja taaksepäin tehdyistä räjäytyksistä

20 Todellinen nopeus vinolle rajapinnalle Aikamatkakuvaajilta yläja alamäkinopeudet Todellinen nopeus saadaan kaavasta V2=2*(V2d*V2u)/(V2d+V2u)*cosa tai erotusaikasuorasta sen kulmakertoimen käänteisluku kerrottuna kahdella eli V2=2 kes

21 Epätasainen rajapinta Epätasainen rajapinta voidaan määrittää viiveaikamenetelmällä (delay-time method) Kullekin geofonille lasketaan viiveaika T G = 2 1 ( t + t - t ) E F G E R G total Viiveaikojen perusteella voidaan laskea rajapinnan kohtisuora syvyys kunkin geofonin alla ja hahmottaa näin rajapinnan kulku h G = T G v v v 2 - v 2 1

22 ABC- (plus-minus-) menetelmä Profiilitulkintamenetelmä

23 Kenttätyöt ABC-menetelmän tulkintaa varten 1/v 3 1/v 3 Kaukopaukut Aika (ms) Aika (ms) 1/v 1/v 1 1 1/v 1/v 2 2 Matka (m)

24 Phantomointi t tot t tot Aika (ms) Aika (ms) t tot t tot Matka (m)

25 Maatutkauksen perusteita - Perustuu sähkömagneettisen aallon heijastumiseen sähköisiltä rajapinnoilta (e,s), vertaa seismisiin menetelmiin - Lähetin-vastaanotinpari - Taajuusalue on MHz - Mitataan signaalin kulkuaikaa, josta yhdessä signaalin nopeuden (v) avulla heijastajan sijainti er = dielektrinen permeabiliteetti Soveltuu geotekniikassa hyvin Maaperä- ja kalliorajapintojen määritykseen mutta myös pohjavedenpinnan määrittämiseen ja kallion laadun arviointiin EI SOVELLU johtavien kerrosten, kuten savien tutkimiseen

26 GPR signaalin tunkeutuvuus Sähköinen vaimennus Geometrinen vaimennus Heijastusvaimennus (tehoheijastuskerroin) Sironnan vaimennus

27 Taajuuden merkitys GPR mittauksissa 50 ja 100 MHz ant. Sironnan määrä Anomalian muoto Vaimeneminen

28 Eri väliaineiden arvoja

29 Maavastusluotauksen perusteista Perustuu virtaelektrodeilla synnytettyjen sähköpotenttiaalierojen mittaamiseen Käyttökohteita geotekniikassa maakamaran rakenne (johtavien kerrosten alla) maaperäkerrosten paksuus kalliopinnan ja kallion laadun määritys pohjavesipinnan määritys EI SOVELLU hyvin resistiiviseen ympäristöön

30 Esimerkkejä hankkeista joissa on käytetty geofysiikkaa Ydinjätteenloppusijoituspaikkatutkimukset Aerogeofysikaaliset tutkimukset Seismiset tutkimukset (maanpinta, reikätomografia ja yksireikä) (Latauspotentiaalimittaukset) Länsimetro Seismiset tutkimukset (kallion topografia ja ruhjeet) Maavastustutkimukset (kallion topografia ja ruhjeet) Reikätutkatutkimukset (kallion laatu ja topografia) Worst case

31 Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset

32 St1 Deep Heat -projekti

33 St1 Deep Heat seismiset tutkimukset

34 St1 Deep Heat seismiset tutkimukset

35 Seisminen paukku Leppävaarassa 9 kg Pentexia 100 m syvyydessä

36 Länsimetrotutkimuksia: Seismiset KKJ X L1 L2 L4b L3 L6 L b L4 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0 m -20,0-25,0-30,0-35, L KKJ Y Suomenoja Linja matka H 1

37 Länsimetrotutkimuksia: Maavastus

38 Länsimetrotutkimuksia: Maavastus

39 Länsimetrotutkimuksia: Reikä GPR Tietoenattorin edessä

40 Länsimetrotutkimuksia: Reikä GPR Innopolin edessä

41 Tutkimusryhmän geofysiikkaa sisältävät projektit 1. Hautaholvitutkimus 2. Radar in non-destructive testing of thin granular dielectric layers 3. Integroitu geofysiikan ja geokemian tutkimus Haverin Au kaivoksen jätteen ymp. vaikutuk. 4.Metsähovin 4D hydrogeologinen mallinnus projekti

42 1. Geofysikaaliset hautaholvitutkimukset Maatutka ja gravimetri Tavoitteena paikantaa ja /tai varmistaa hautaholvien ja hautojen sijainnit Työssä käytettiin 100, 250 ja 500 MHz antenneja Löydettiin/paikannettiin merkittävä määrä hautaholveja Alemman kuvan tulos ei liity ylemmän kuvan tutkaukseen

43 2. Radar in non-destructive testing of thin granular dielectric layers Tavoitteena tutkia soveltuuko nykyinen maatutkamenetelmä ohuiden asfalttipäällysteiden tyhjätilan määritykseen Kehitetty uusi tutkamönkijä (12-18 GHz askeltaajuustutka) Haasteina asfaltin rakeisuus, kiviaineksen mineralogiset vaihtelut, ohuet asfalttipäällysteet Väitöstutkimus, Eeva Huuskonen-Snicker

44 3. Integroitu geofysiikan ja geokemian tutkimus Haverin Au kaivoksen jätteen ympäristövaikutuksista

45 RES tulosten ja näytteenoton perusteella tehty tulkinta Annika Parviaisen väitös elokuussa 2012 Julkaistu: Environmental Earth Science, Vol 61, Number 7, Oct. 2010

46 4. Metsähovin 4D hydrogeologisen mallin rakentaminen Tavoitteena Hallita yksi painovoimaan vaikuttava tekijä, maavesi Parantaan GRACE satelliitti painovoimamallia Kehittää hydrogeologisia malleja Käyttää tuloksia Suomen kokonaisvesivarannon arviointiin

47 Metsähovin tutkimukset ja näytteenotto Satoja geoteknisiä analyysejä (raekoko, huokoisuus, veden läpäisevyys yms.) Maakosteuden seuranta (10 logg. 48 anturia) 10 pohjavesiputkea Neutron- Neutron mittaukset Maavastusluotauskenttä (441 elektrodia) Maanpinnan topografia (3 500 pistettä)

48 4D hydrogeologisen mallin rakentamisen vaiheet 1. Metsähovin 3D rakennemalli Geotekniset analyysit Kalliovarmistukset GPS mittaukset Muu olemassa oleva data => 2. Metsähovin vesipit. malli Pohjaveden pinnan seuranta Maakosteuden monitorointi Sadannan mittaaminen Sisään- ja ulosvalunta Metsähovin 4D hydrogeologinen malli => Maaveden painovoimaefekti => parempi painovoimamalli => Hydrogeologisen mallin verifiointi painovoima datan avulla

49 3D rakennemalli

50 Lopullinen 4D hydrogeologinen malli