ASIAKAS: SAIMAAN AMMATTIKORKEAKOULU, ETELÄ-KARJALAN KIVIKLUSTERI -PROJEKTI

Transkriptio

1 GEOFYSIKAALISET MENETELMÄT TARVEKIVIEN TUTKIMUKSESSA 16WWE ASIAKAS: SAIMAAN AMMATTIKORKEAKOULU, ETELÄ-KARJALAN KIVIKLUSTERI -PROJEKTI Turo Ahokas Eero Heikkinen Sami Kurkela Pauli Saksa Aimo Vuento Pöyry Finland Oy

2 0 Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Finland Oy:n antamaa kirjallista lupaa.

3 1 Sisäinen tarkistussivu Asiakas Otsikko Projekti Vaihe Työnumero SAIMAAN AMMATTIKORKEAKOULU, Etelä-Karjalan kiviklusteri -projekti Geofysikaaliset menetelmät tarvekivien tutkimuksessa 16WWE0913 Luokitus Piirustus/arkistointi/sarjanro. Tiedoston nimi Mikrohalkeamaselvitys_Raportti Tiedoston sijainti Järjestelmä Microsoft Word 11.0 Ulkoinen jakelu Sisäinen jakelu Contribution Vastaava yksikkö Revisio Alkuperäinen Dokumentin pvm Laatija/asema/allekirj. Heikki Hinkkanen, Vice President A Tarkistuspvm Tarkistanut/asema/allekirj. Dokumentin pvm Laatija/asema/allekirj. Turo Ahokas, Manager, Geophysics B Tarkistuspvm Tarkistanut/asema/allekirj. Dokumentin pvm Laatija/asema/allekirj. Tarkistuspvm Tarkistanut/asema/allekirj. Muuttunut edellisestä revisiosta

4 Yhteystiedot 1 PL 50 (Jaakonkatu 3) FI Vantaa Finland Kotipaikka Vantaa Y-tunnus Puh Faksi Pöyry Finland Oy

5 1 Tiivistelmä Saimaan ammattikorkeakoulu SAIMIA ja sen yhteydessä toimiva Etelä-Karjalan kiviklusteri-ohjelma ovat tilanneet Pöyry Finland Oy:ltä kiven mikrohalkeamien paikallistamismenetelmiä koskevan selvityksen vuonna Selvitys keskittyy pääosin erilaisten geofysiikan tutkimusmenetelmien soveltuvuuteen, käyttökokemuksiin ja mahdollisuuksiin tarvekivituotannon eri vaiheissa. Selvitys rajautuu graniittisten syväkivien louhintaan. Selvityksessä käydään läpi tarvekivien tuotantoprosessi ja kallion sekä kivien tutkimuksiin liittyvät tekijät. Geofysiikassa ja sen soveltamisaloilla on tapahtunut merkittävää kehitystä viimeisen vuosikymmenen aikana. Kehitystä on tapahtunut laitteistopuolella, tiedonkeruussa ja paikantamisessa sekä uusissa tuloskäsittelymenetelmissä. Geofysiikan laajan mittakaavan tutkimuksin on mahdollista tuottaa tietoa ennen louhimon avaamista, myös maapeitteen läpi ja talvella. Menetelmät sopivat parhaiten nk. kamin kokoluokasta esiintymän kokoluokan mittauksiin. Louhimon avaamisvaiheessa soveltuvat tutkimuksiksi hyvin magneettinen tai sähkömagneettinen profiilimittaus (joko maatutka tai monitaajuusluotain). Merkittävin tutkimustekniikka on yleisesti ottaen maatutka, jonka linjatiheys on saatavissa suureksi ja havaitsemiskyky on korkea. Maatutkan uusina tuloskäsittelymenetelminä voidaan pitää tiheään linjaverkostoon liitettynä 3-D migraatiota ja sen automaattista jälkikäsittelyä rakopoimintoineen. Osasovelluksista on lähinnä lupaavin porattujen reikien hyödyntäminen mittauksin tutkimustiedon saantiin, menetelminä optinen kuvaus ja sähköisen resistanssin mittaus. Mikrohalkeamien kartoituksessa ei voi taata kaikkien vikojen tai epähomogeenisuuksien havaittavuutta. Yksi käyttökelpoinen mahdollisuus voi olla kuitenkin mahdollisimman kattava havaitseminen, jolloin voitaisiin tunnistaa kalliotilavuudet, joista havaintojen pohjalta ei ole saatavissa jotain rajakokoa isompia blokkeja tai hyödynnettävyyteen liittyvä epävarmuus on suurta. Esitettyihin tutkimusmenetelmiin, tulosten käsittelyyn ja mallintamiseen liittyy kehitys- ja tuotteistustarpeita, jotta ne voitaisiin ottaa rutiininomaiseen ja tuotannolliseen käyttöön. Geofysiikan menetelmien kehitystyöllä ja soveltamisella voidaan saavuttaa louhimon toiminnassa etuja ja luonnonvarojen säästöä. Tuotantopanoksia voidaan kohdentaa lupaavimpiin louhintatilavuuksiin. Geofysiikan menetelmät ovat ekotehokkaita. Ne ovat ainetta rikkomattomia ja niiden käytöllä voidaan säästää työtä, energiaa ja luonnonvaroja. Menetelmien käyttö voi tuoda yritystoiminnalle imagoetuja uuden teknologian hyödyntämisenä. Mittauksia on mahdollista organisoida alueellisena palveluna, jolloin yksi tai useampi organisaatio toimisi Kaakkois-Suomen alueella. Tämä toisi maakuntaan uutta osaamista. Luonnonkivialan kansainvälisyyden vuoksi myös osaamisen vienti on mahdollista.

6 Tiivistelmä 1 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO LOUHIMOT JA TUOTANTOPROSESSI Louhimot Tuotantoprosessi pääpiirteittäin Työmaa- ja ympäristöolosuhteet TUTKIMUSMENETELMÄT Esiintymän tutkimus Kamien ja lohkareiden tutkimus Muuta geologisiin havaintoihin vaikuttavaa Rakoilu ja jännitystila Toteutuneita kehityshankkeita Yleistä Laatukivi-tutkimushanke Kreikka, Thassos louhimon tutkimukset GEOFYSIIKAN TUTKIMUSMENETELMÄT Geofysiikan menetelmien perusteet Louhimoympäristöön soveltuvat mittausmenetelmät MUIDEN KALLIOPERÄTUTKIMUSTEN MENETELMIÄ JA ESIMERKKEJÄ Ydinjätteiden loppusijoitus Louhintavaurion tutkimus Esiintymän pintaosan rakoilun kartoitus Arkeologia (rakennukset, monumentit) Kalliorakentaminen Ainetta rikkomattomat mittaukset (muut) Pohjarakennusalan tutkimukset Räjähteiden etsintä ja valvontaan liittyvät mittaukset Reikäkuvantaminen Fotogrammetria, spektroskopia ja laserkeilaus... 34

7 5.9 Paikannus KEHITYSMAHDOLLISUUDET YHTEENVETO LÄHDEVIITTEET

8 3 1 JOHDANTO Saimaan ammattikorkeakoulu SAIMIA ja sen yhteydessä toimiva Etelä-Karjalan kiviklusteri-ohjelma ovat tilanneet Pöyry Finland Oy:ltä kiven mikrohalkeamien paikallistamismenetelmiä koskevan selvityksen vuonna Kiviklusteri-hanke keskittyy seuraaviin kehitystavoitteisiin: Etsitään taloudellisesti kannattavia keinoja hyödyntää louhinta- ja jalostustoiminnan sivutuotteena syntyvää kiviainesta. Kehitetään louhintaan liittyvää teknologiaa. Kehitetään kivialan tuotteiden muotoilua ja tuotteistusta. Kehitetään alalla toimivien pk-yritysten yhteistyötä ja tuetaan yritysten tuotekehitystä ja markkinointia. Tuodaan kivialan osaamista ja merkitystä elinkeinoelämässä esille sekä pyritään nostamaan alan houkuttelevuutta yhtenä uravaihtoehtona. Tilattu selvitys liittyy yllämainituista teemoista louhinnan teknologiaan ja sivukiven määrän vähentämiseen, osatehtävässä A2: mikrohalkeamien paikallistaminen. Selvitys keskittyy pääosin erilaisten geofysiikan tutkimusmenetelmien soveltuvuuteen, käyttökokemuksiin ja mahdollisuuksiin tarvekivituotannon eri vaiheissa. Selvitys rajautuu graniittisten syväkivien louhintaan. Mikrohalkeamilla käsitetään tässä yhteydessä kallion sisässä olevia rakoja, joiden kokoluokka on metrin tai sen yli (blokkia leikkaavia) ja rakotyypiltään avoimia tai tiiviitä sekä rakoja vastaavia muita kiven epähomogeenisuuksia (esimerkiksi juonet ja sulkeumat). Työn tavoitteena on tuottaa asiakkaalle dokumentti, jossa esitetään geofysiikan ja vastaavien kartoitustekniikoiden mahdollisuudet ja kokemukset. Lopputuloksena syntyy toimenpide-ehdotus jatkotutkimukselle menetelmästä tai menetelmistä, joiden hyödyntäminen on edullisinta tai helpointa. Selvitys mahdollistaa kehittämistoimenpiteistä ja testimittauksista päättämisen. Geofysikaalisia menetelmiä on käytetty Suomessa vähäisessä määrin tarvekivilouhimoilla tai rakennuskiven tutkimuksessa. Todennäköisesti merkittävin käyttö on ollut maatutkalla, jolla on kartoitettu vaaka-asentoisia rakoja louhinnan ja kiven irrotuksen tueksi. Merkittävin kehityshanke Suomessa on ollut TEKESin tukema LAATUKIVI-projekti, jonka vetäjinä toimivat Etelä-Karjalan Ammattikorkeakoulu ja Kuopion Yliopisto vuosina Saimaan Ammattikorkeakoulun yhteyshenkilönä selvityksessä on ollut koulutuspäällikkö Kirsi Taivalantti. Toimittajan yhteyshenkilönä ja projektipäällikkönä on ollut geofyysikko, suunnittelupäällikkö Turo Ahokas. Seurantakokouksia on pidetty kolme kertaa työn sisällön kohdentamiseen, ohjaukseen ja tulosten esittelyyn. 2 LOUHIMOT JA TUOTANTOPROSESSI 2.1 Louhimot Suomessa tarvekiveksi louhitaan pääasiassa graniitteja, joista rapakivi on tärkein. Merkittävin osa tuotannosta tapahtuu Kaakkois-Suomessa. Lounais-Suomen rapakivi-

9 alueella Taivassalon ja Vehmaan keskirakeinen punertava rapakivigraniitti on edelleen tuotannoltaan merkittävä. Kaakkois-Suomessa varsinkin ruskean rapakivigraniitin tuotanto on kasvanut. Harvinaisempaa vihreää rapakiveä louhitaan Kaakkois-Suomessa jossain määrin, ja se on korkeamman hintansa vuoksi merkittävä. Harmaita graniitteja louhitaan mm. Kurussa ja Kainuussa. Muita tarvekiviksi louhittavia kivilajeja ja niiden tuotantoalueita Suomessa ovat dioriitit ja gabrot (Korpilahti, Oulainen) sekä gneissit (Mäntsälä). Suomessa on joitakin pienehköjä esiintymiä, joista on irrotettu marmoria. Liuskekiviesiintymiä, joiden kivilajeina ovat kiilleliuske ja kvartsiitti, löytyy eri puolilla Suomea. Vuolukivi on jalostuksen vuoksi tärkein Suomen tarvekivi. Sitä ei kuitenkaan tässä käsitellä. Valtaosassa Suomen tarvekivistä päämineraalit ovat maasälvät ja kvartsi. Malmimineraalien esiintyminen on poikkeuksellista. On edullista, että kiilteen määrä on pieni, koska se huonontaa kiillottuvuutta ja tekee kiven pinnan avonaiseksi. Louhimoalueen toivotaan olevan mahdollisimman homogeeninen kivilajeiltaan, koska kivituotteiden väri- ja asuerot yleensä huonontavat kivituotteista saatavaa hintaa tai tekevät kiven käyttökelvottomaksi. Kuvassa 2.1 on esitetty GTK:n laatima kartta Suomen rakennuskivilouhimoiden sijainneista ( 4

10 5 Kuva 2.1. Suomen rakennuskivilouhimot.

11 2.2 Tuotantoprosessi pääpiirteittäin Käytännössä kaikilla Suomen tarve-kivilouhimoilla on käytössä paloitteluprosessi, jossa kamien irrotus, paloittelu ja osa kaatolohkareiden paloittelusta ja viimeistelystä tapahtuu räjähdysaineita hyödyntäen. Kuvauksia prosessista löytyy kirjallisuudesta, mm. sivuilta Kamiksi kutsutaan suuruusluokaltaan noin m 3 :n kalliolohkoa, joka yksittäisenä irroitetaan muodostumasta paloittelua varten räjäyttämällä. Seuraavassa on esitetty lyhyt kuvaus tuotantoprosessista (kuva 2.2.1): 6 Kuva Tuotantoprosessikuvaus. - Irrotusta varten porataan pystyreikiä takalinjaan ja tarvittaessa päätyihin. - Reikäväli on tyypillisesti n. 30 cm ja reikäkoko n. 30 mm. - Kun kamin pituus voi olla jopa 60 m, tulee porattavaksi jopa 1500 m pystyreikiä kamia kohti. Porauksen kesto on 3 5 työpäivää. - Vaakareiät porataan mahdollisimman alhaalta n. 0,3 m reikävälein. Reiät ovat loivasti yläkätisiä. Vaakaporauslaitteet ovat tavallisesti erityisesti tähän tarkoitukseen valmistettuja. Vaakareiät porataan usein omalla kalustollaan ajallisesti rinnakkain pystyreikien kanssa. Kamin vaakareiät voivat joskus jäädä pois, jos kalliossa on avonainen vaakarako. - Kamin pääty voidaan avata poraamalla railo. Kamin toinen pääty voi olla jo auki edellisen irrotuksen puolelta.

12 - Railo porataan raskaalla porakoneella ja reikäkoolla mm, siten, että vierekkäiset reiät menevät osittain päällekkäin. Porauksessa käytetään ohjuria. Railon poraus voi tapahtua myös hyvissä ajoin ennen muuta kamiin kohdistuvaa poraustyötä. Railon poraus kestää yhden kamin päädyn osalta 2 3 työpäivää. - Kamin panostus putkipanoksilla ja räjähtävällä tulilangalla kestää suuruusluokalleen 6 tuntia. - Kami irrotetaan räjäyttämällä, jolloin syntyy raot porauslinjoihin ja koko kami siirtyy paikaltaan n. 0,2 0,5 m, kuva Siirtymä voi olla liian suuri, jolloin kamiin syntyy ylimääräisiä halkeamia. Liian pieni siirtymä vaikeuttaa jatkopaloittelua. - Ensimmäisessä paloitteluvaiheessa paloitellaan kami poikkisuunnassa, sitten näin syntyneistä lohkareista pienitään kaatolohkareita. Rikkonaiset kohdat kalliosta puretaan pyöräkuormaajalla. - Paloittelumitat päätetään kallion laadun ja sopivien blokkimittojen perusteella. Kaatolohkare pienitään blokeiksi. Lohkominen tapahtuu räjäyttämällä tai kiilaamalla. - Blokkien viimeistely on usein tarpeen blokkiaihion muodon tai havaitun vian vuoksi. Viimeistely tehdään kiilaamalla, osin käsityönä ja osin konein. 7 Kuva Räjäyttämällä paikaltaan irrotettu kami. Poraus muodostaa kriittisellä polulla olevan työvaiheen, joten porauksen edistymistä ei saisi häiritä esim. erillisiä mittauksia tekemällä. Mahdollisimman välittömästi kamin porauksen valmistuttua tapahtuu panostus ja räjäytys. Kamin paloittelu pystyreikiä käyttäen aloitetaan heti kamin tarkastuksen jälkeen. Paloittelu blokeiksi ja blokkien viimeistely tehdään sitä mukaa kuin materiaalia on ja kalustoaa on vapaana. Timanttilankasahausta on kokeiltu Suomessa viime vuosina ja menetelmä on mahdollisesti taloudellinen arvokkailla kivilaaduilla sopivissa olosuhteissa (periaatekuva 2.2.3). Kalliosta sahattava lohkare on mielellään korkeampi kuin tavanomaisen räjäytysmenetelmän penger. Irrotuksen suhteellisen kalleuden vuoksi luonnontilaisten rakojen sijainnin tunteminen olisi tärkeää saannin maksimoimiseksi.

13 8 Kuva Periaatekuva timanttilankasahauksesta. Tuotantotavat ja käytetyt menetelmät ovat tärkeitä tekijöitä, jotka tulee ottaa huomioon tutkimuksissa. Ne määrittävät, minkälaisissa olosuhteissa mittauksia voidaan tehdä, millä aikataululla tulee toimia ja millä tavoin tutkimukset voidaan nivoa toimintaan. Toisaalta tuotantotapaa pitää voida muokata, jos tutkimuksin on saatavissa tuotannon kokonaisuuden tehostumista. Louhimon tuotannonsuunnittelun tavoitteita ja reunaehtoja ovat: Tavoitteena saada umpikalliosta mahdollisimman paljon mahdollisimman isoja blokkeja pienin kustannuksin. Prosessissa on kiinteitä ja muuttuvia kustannuksia. Tuottojen kannalta keskeistä on saanti eli tuotettujen myyntilohkareiden osuus tuotannosta. Tuottoihin vaikuttavat paitsi tuotetut tilavuusyksiköt myös kivien dimensiot ja laatuluokat, koska samalta louhimolta saadaan mitoiltaan ja väriltään erilaisia blokkeja. Suuremmista blokeista saadaan parempi hinta. Tuotannon ohjauksessa täytyy tehdä päätöksiä

14 kallion irrotuksen aloituspaikasta, kamien irrotuksen etenemissuunnasta ja järjestyksestä, kamien selkälinjan suunnasta ja kamien dimensioista. Kallion ja kiven laatu vaihtelee homogeenisessakin kivilajissa kuten rapakivessä. Siten tuotannon suunnittelemiseksi ja ohjaamiseksi täytyy hankkia tietoa seuraavista asioista: kiven värin, raekoon ja mahdollisten vikojen esiintyminen alueella, rakotiheyden vaihtelu alueella, päärakosuunnat, käytännössä voidaan olettaa merkittävimmän rakoilun suunnan edustavan pääjännityksen suuntaa, kalliotopografia Työmaa- ja ympäristöolosuhteet Tavallisesti louhimo sijoitetaan ympäristöstään korkeammalla olevaan kohtaan, jossa maapeitteet ovat ohuet ja valumavesistä aiheutuva haitta vähäinen. Louhimoalue on puutonta. Irtomaapeitteet poistetaan tulevilta louhinta-alueilta ensin konetyönä ja porausta edeltävänä työnä paineilmalla tai vedellä. Näkyvyyttä rajoittavat 4 7 m korkeat lähes pystysuorat louhintarintaukset. Esteitä liikkumiselle ja mittaamiselle muodostavat lähinnä kalliorintaukset ja työkoneet. Kiinteitä putoamissuojauksia ei ole. Irtomaita ja louhetta on ajoväylillä ja erillisinä kasoina. Louhituilla pohjilla on jonkin verran pienlouhetta ja porasoijaa. Talvella on lunta, huurretta ja jäätä. Louhimo on alimpia kohtia lukuun ottamatta yleensä hyvin kuiva. Tilapäisesti pinnalla kallion raoissa voi olla vettä sateen ja lumen sulamisen sekä pintojen vedellä puhdistamisen vuoksi. Louhitut pinnat ovat niin tasaisia kuin mahdollista, koska blokkien pintojen tasaisuus on tärkeää. Epätasaisuutta aiheuttaa säännöllisesti porareikien, halkaisija mm, ja railonporauksen reikien, halkaisija mm, näkyviin jäävät osat. Kallion lohkeaminen reikien välillä vaihtelee ja seuraa joskus luonnonrakoja. Suomen louhimoilla työskennellään yleensä yhdessä vuorossa arkipäivisin. Porausta tapahtuu joskus ajan klo 7-16 ulkopuolella.

15 10 3 TUTKIMUSMENETELMÄT 3.1 Esiintymän tutkimus Ennen esiintymän tutkimuksia paikannetaan esiintymä rajatulle alueelle geologisen etsintätyön ja arvioinnin pohjalta. Tätä kartoitustyötä tekee Geologian tutkimuskeskus projektimuotoisesti. Tarvekivialan yritykset tutkivat mahdollisia tuotantopaikkoja jonkin verran omana työnä ja selvittävät maanomistajien ehdottamien tuotantopaikkojen ominaisuuksia. Esiintymän paikantamisessa ovat käytettävissä geologiset kivilajikartat 1: , eri mittakaavaiset maastokartat sekä geologiset maaperäkartat 1: Geofysikaalisia lentomittauskarttoja hyödynnetään alueellisissa tutkimuksissa. Tuotantoyritysten työntekijöillä on paljon kokemusta esiintymän silmämääräisestä tutkimisesta, joka toimii kun rakoilun ja muiden heterogeenisuuksien esiintyminen kohteessa on systemaattista. Tuotannon esisuunnittelu perustuu seuraaviin tietoihin: Alueen kallioperän perusteella on löydettävissä kivilajia, joka ominaisuuksiensa perusteella on hyödynnettävissä rakennus- tai muistomerkkikiveksi. Alueelle on mahdollista saada luvat maa-aineksen ottamiseen. On alustavasti odotettavissa, että kalliosta voidaan irrottaa riittävästi mitoiltaan jalostettavaksi soveltuvia lohkareita. Alueen sijainti on kuljetusten kannalta kelvollinen. Rajatulla alueella olevan esiintymän tutkimusmenetelminä on käytössä taulukossa 3.1 esitettyjä menetelmiä.

16 Taulukko 3.1. Esiintymän tutkimusmenetelmiä. Menetelmä Mitä selvitetään Kivilaji, väri, rakoilu Kivilaji, väri, rakoilu Kuka tekee Soveltuvuus Rajoitukset Avokallioiden geologinen kartoitus Tutkimusojien geologinen Louhimoyrittäjä, konsultti Louhimoyrittäjä, konsultti Vain avokallioalueella Ohut maapeite kartoitus Maatutkaus Rakoilu Konsultti Avokallioilla, tutkimusojissa ja karkeissa maalajeissa Pintanäytteen otto Koelohkare, koelouhinta Kivilaji, väri Konsultti Avokallioilla, tutkimusojissa Kivilaji, väri, rakoilu Rakoilu Kivilaji, väri, rakoilu Konsultti Kalusto saatava paikalle Kalusto saatava paikalle Kallionäytekairaus Porakonekairaus Louhimoyrittäjä Louhimoyrittäjä Louhintakalusto saatava paikalle Pintarapauma, vain pystyraot Pintarapauma, vain pystyraot 11 Tunkeuma peitteisillä kohdilla, lähinnä vain vaakaraot, erotuskyky Tieto vain cm syvyyteen Kallis, reikiä voi käyttää rajoitetusti Vain merkittävimmät rapaumat ja vaakaraot muutaman metrin syvyyteen Muutaman metrin syvyyteen Geofysikaalisia menetelmiä käytetään esiintymien tutkimuksessa melko vähän. Maatutkausta käytetään merkittävien rakovyöhykkeiden ja vaaka-asentoisen rakoilun kartoitukseen. Geologian tutkimuskeskus käyttää maatutkaa omissa selvityksissään ja tarvekivialan yritykset teettävät joskus mittauksia. Satunnaisesti esiintymän tutkimuksissa käytetään optista kuvausta (videokuvausta) kairanrei issä tai poranrei issä. 3.2 Kamien ja lohkareiden tutkimus Eri vaiheiden lohkareiden ja valmiiden blokkien tutkiminen tapahtuu käytännössä silmämääräisesti ja tarvittaessa merkitsemällä havaitut viat maalilla.

17 Tietoja kertyy kokemuksen myötä toiminnassa olevalla louhimolla. Havaintoja tekevät kaikki työntekijät. Avainasemassa ovat työnjohdon lisäksi porarit, jotka pystyvät havaitsemaan kallion laadun muutoksia työn alla olevassa kohdassa. Tietoa saadaan taulukossa 3.2 esitetyillä menetelmillä. Taulukko 3.2. Kallion ja kivien laadun tiedonkeruu. Menetelmä Silmämääräinen tarkastelu, apuna kompassi, mittanauha, mahdollisesti kallion pinnan puhdistus paineilmalla tai vedellä Poraushavainnot Mitä selvitetään Kaikki Lähinnä isot raot ja rikkonaisuusvyöhykkeet Kuka tekee Soveltuvuus Rajoitukset Yrityksen työntekijät Porari Soveltuu puhtaille näkyvissä oleville pinnoille Soveltuu aina Maatutka Rakoilu Konsultti Soveltuu periaatteessa aina Kallionäytekairaus Kivilaji, väri, rakoilu Konsultti Harvinainen kalleutensa vuoksi; kallioon tulee reikiä 12 Vaatii kokemusta ja hyvän kolmiulotteisuuden tajun; vain näkyvä tieto, ei systemaattista paikkatiedon keruuta Vaatii kokemusta; vain isot epäjatkuvuus -kohdat Lähinnä vain vaakaraot, erotuskykyrajoitus Blokkien mittausta ultraäänimittarilla on käytetty ainakin Palin Granit Oy:llä vuosina Menetelmä ei kuitenkaan vakiintunut käyttöön vaihtelevien tuloksien vuoksi. Selvityksessä tuli esille, että valmiin blokin tutkimus on louhimoiden kannalta myöhäinen vaihe, koska tuotantokustannukset ovat jo syntyneet kaiken irrotustyön ja poraamisen kautta. 3.3 Muuta geologisiin havaintoihin vaikuttavaa Havaintojen mittakaava ja tiedon saannin aikataulutus vaikuttavat tiedon käyttökelpoisuuteen louhimon suunnittelussa, työprosessissa ja laadun valvonnassa. Laajan mittakaavan alueella on rajattuja mahdollisuuksia tehdä edeltävää kivilaji- ja rakokartoitusta louhinnan ohjausta varten.

18 Alueen peitteisyys (maapeite) rajoittaa tai estää havaintojen teon. Pääasiallinen tutkimusmenetelmä on paljastumalta tehtävä havainnointi. Geometria rajoittaa rakojen ja kivilajin ominaisuusvaihtelun havaitsemisen vain vaakatasoon, joten pystysuuntaiset viat ovat yliedustettuina. Havainnot ovat aina melko rajatulta alueelta. Kokemusperäinen tieto esiintymistä ja niiden hyödyntämisestä on tärkeää. Geometrialtaan edustavampaa, mutta alueellisesti rajallista tietoa on mahdollista tuottaa louhintarintauksesta sen edetessä. Yksityiskohtaisinta tietoa voidaan tuottaa kamin mittakaavassa sen ylä- ja etupinnan ollessa käytettävissä kartoitusta ja tutkimusta varten. Aikataulullisesti tämä vaihe on haastavin, koska tieto pitäisi tuottaa ja analysoida hyvissä ajoin ennen irrotusta. Mikä tahansa irrotusvaiheessa tehtävä selvitys vaatii välittömän, nopean ja edullisen käsittelyn ollakseen hyödyllinen. Louhimosta tai esiintymästä kertyvä kartoitus- ja muu tieto saattaisi olla hyödyllistä koota kartoitus- tai suunnittelujärjestelmään, jolloin se olisi hyödynnettävissä ja täydennettävissä työmaan edetessä Rakoilu ja jännitystila Rakoja syntyy ja on syntynyt louhimon kallioon eri vaiheissa: Luonnontilainen rakoilu, joka on ollut olemassa kallion muodostumisen ja viimeisen deformaatiovaiheen jälkeen lähes muuttumattomana. Kallion louhinnassa syntynyt rakoilu, kun räjähdysaineen isku synnyttää kiveen jännityksiä, jotka ylittävät lujuuden. Olemassa olevalla jännitystilalla on merkitystä siinä mielessä, että kivessä on tietty kuormituskapasiteetti riippuen jännitystilasta. Räjäytyksen jälkeen muodostuvan uuden jännitystilajakauman synnyttämät raot, jotka voivat havaintojen mukaan rikkoa kiinteän kallion lisäksi jo irrotettuja kameja ja lohkareita. Jännitystila voi purkautua halkeamiksi useankin vuorokauden kuluessa. Luonnontilaisen rakoilun esiintyminen on kiven laadun kannalta ratkaiseva rakoilun muoto. Mahdollisimman suuren blokkikoon saavuttamiseksi pyritään tarvekivilouhimo sijoittamaan paikkaan, jossa rakoilu on harvaa. Aikaisemmin käytettiin vaakarakoja hyväksi kameja irrotettaessa, mutta nykyisin vaakaporaus melko vakiolla pengerkorkeudella on tavallisinta. Tarvekivilouhimoilla esiintyvää kallion jännitystilaa ja sen mittaamista on tutkittu Teknillisen korkeakoulun STRESSI-projektissa (Jännitystilan huomioiminen rakennuskiven louhinnassa) Hankkeeseen osallistuivat myös Etelä-Karjalan ammattikorkeakoulu ja kivialan yrityksiä. Rakoilu liittyy yleensä kallion jännitystilaan. Koska louhimot sijaitsevat suhteellisen harvarakoisilla alueilla, on luonnontilainen jännitystilakin usein korkea. Myös rapakiven alueella korkeat jännitystilat ovat tyypillisiä. Louhimon pohjan tuntumassa on mitattu luokkaa 10 MPa vaakajännityksiä. Suurella vaakajännitystilalla ja syntyneellä vaakarakoilulla on keskinäinen yhteys, samoin pääjännityksellä ja sitä vastaavalla merkittävimmän pystyrakoilun suunnalla.

19 3.5 Toteutuneita kehityshankkeita Yleistä Tarvekivilouhimoiden kallion laadun tutkimusmenetelmiä on kehitetty muutamissa hankkeissa. Tässä referoidaan kahta aihetta lähinnä olevaa tutkimusta. Yksittäisiä koemittauksia eri organisaatiot ovat tehneet varmasti huomattavasti enemmän, mutta niiden dokumentointi ei ollut selvityksessä käytettävissä. Tarve kehittää tarvekivilouhimon kalliotutkimuksia on maailmanlaajuisesti olemassa. EU-rahoitteisena toimi OSNET-projekti ( vuosina Siinä oli lähinnä kysymyksessä verkottuminen ja teknologian vaihto. Jatkoprojektina oli I-STONE ( vuosina keskittyen enemmän tuotekehitykseen Laatukivi-tutkimushanke Tekes-rahoitteisessa projektissa kehitettiin uutta menetelmää tutkia kalliota siten, että tuloksena saadaan tarkka kolmiulotteinen (3-D) malli kallion rakoilusta. Projektissa menetelmän kehittäminen tehtiin yhteistyössä JP-Fintact Oy:n ja Etelä-Karjalan ammattikorkeakoulun kesken. Ylämaan Graniitti Oy ja LT-Granit Oy on rahoittanut hankkeita ja antanut asiantuntemuksensa käyttöön. Rinnakkain tämän kehitystyön kanssa Kuopion yliopisto tutki menetelmiä, joilla voi paikallistaa lohkareissa (blokeissa) olevia vikoja. Tiedossamme ei ole kuitenkaan tutkimustuloksia, joita LAATUKIVIprojektissa Kuopion Yliopisto saavutti kivien (blokkien) tutkimisessa sähköisillä, sähkömagneettisilla ja akustisilla menetelmillä. KAMITT-nimen saanut menetelmä on kehitetty ensi sijassa tarvekivilouhimon kallion tutkimiseen siinä vaiheessa, kun kamin irrotukseen on porattu reiät kamin eri puolille. Periaatteessa menetelmää voidaan käyttää myös muunlaisissa kohteissa. Tutkimusmenetelmä perustuu siihen, että kenttämittaukset tehdään maatutkalla tiheällä linjaverkostolla kallion pinnalta ja pystyseinältä, sähköisellä reikämittauksella ja kallion pinnasta tehtävillä geologisilla havainnoilla kenttäohjelman mukaisesti. Mittaustulokset tulkitaan ja yhdistetään kolmiulotteiseksi kalliomalliksi. Normaalisti kenttämittaus kestää 1 2 päivää. Tulosten tulkinta ja mallinnus tapahtuvat erillisenä työnä toimistossa ja niiden kesto kokeissa oli muutama päivä. Kuvassa on esitetty yksi osatulos, irroitettavan kamin takaseinän poranrei issä tehtyjen sähköisten mittausten tulokset. Sinisellä on esitetty poranreikien resistanssiprofiilit, mustalla viivalla anomaliakohdat ja punaisella renkaalla niiden perusteella paikannetut raot. Tulosta käytettiin maatutkan tulkinnassa ja vikojen paikannukseen kamin sisältä. Resistanssin profiili reiässä osoittaa rakojen sijaintia, joka voidaan paikantaa automaattisesti ja piirtää tuloksiin. Testimittauksissa järjestelmä osoittautui toimivaksi. Kamissa olevista raoista kyettiin paikallistamaan noin 70 % ja sijaintitarkkuuden arvioitiin olevan luokkaa 10 cm. Mittausten osalta kehittämistarvetta oli lähinnä pystyseinän maatutkamittauksessa sekä geologisten havaintojen paikantamisessa. Tulosten tulkinta ja mallinnus saatiin tilaan, jossa yhden päivän maastotutkimusten jälkeen tutkitun lohkon kalliomalli voitiin tuottaa kahdessa päivässä louhokselle. Tulkinnan ja mallintamisen tärkeimmät työvaiheet olivat maatutkauksen tulosten tulkinta (noin yksi päivä) ja kallion mallin luonti kaikki

20 havainnot yhdistäen sekä tulosteiden tuottaminen (yksi päivä). Kaikkein pienimpiä ja tiukkoja rakoja ei voida havaita. Paikantamiseen käytettiin robottitakymetriä, jolla tarvittava sijaintitarkkuus oli hyvin saavutettavissa. 15 Kuva Laatukivi-hankkeessa toteutetun sähköisen reikämittauksen tulos, kamin takaseinän irrotuslinjan poranreiät. Pystysyvyys on 7 m, vaakapituus kuvassa on 10 m Kreikka, Thassos louhimon tutkimukset Grandjean ja Gourry (1996) ovat selvittäneet Kreikassa Thassoksen saarella sijaitsevalla marmorilouhimolla v tehtyjä 3-D kartoituskokeita. Maatutkalla on mitattu 300 MHz:n ja 9000 MHz:n taajuuksilla linjasto ja tulkittu kolmiulotteisesti rakoilua ja kiven tyhjätiloja (karsteja). Mittauksilla saatiin tietoa jopa 15 m syvyydestä. Arvioitu avaumaltaan pienin kuiva rako, joka voitiin paikantaa, oli 0,5 cm 900 MHz ja 1 cm 300 MHz mittaustaajuudella. taajuudella. Mittaukset kestivät 15 x 30 m tutkimusalueella kaksi päivää. Tulosten käsittelyssä ja tulkinnassa oli suuri merkitys sillä, että marmorin rakoilu ja karstivyöhykkeet olivat pystyasentoisia, kun mittaus tehtiin vaakatasosta. Kallioista tehtyjen kartoitusten mukaan tulkinta piti hyvin paikkansa. Tuloskäsitelyssä on käytetty Fourier (Stolt) migraatiota, joka on myös geofysiikan heijastusseismiikassa keskeinen prosessointitekniikka. Muita esimerkkejä geofysiikan systemaattisesta käytöstä tä tarvekivilouhimoilla ei ole löytynyt. Selvästi yleisin ja jossain määrin käytetty menetelmä on ollut maatutka. Ilmeisesti maatutkan käyttö keskittyy vaiheeseen ennen louhimon perustamista, jolloin halutaan saada lisätietoa rintauksista vaakarakoilusta.

21 16 4 GEOFYSIIKAN TUTKIMUSMENETELMÄT 4.1 Geofysiikan menetelmien perusteet Mittaussuureet Kalliosta ja kivistä mitattavissa olevia fysikaalisia suureita ovat ominaispaino (tiheys), magnetoituvuus (suskeptibiliteetti), sähkönjohtavuus (tai sen käänteisarvo sähköinen ominaisvastus) ja dielektrinen permittiivisyys, luonnon gammasäteily, seismiset P- ja S- aallon nopeus sekä lämpö- ja lujuusominaisuudet. Jälkimmäisillä on erityistä merkitystä rakennuskivimateriaalien käytettävyyden kannalta. Kiven ulkonäköön liittyvät ominaisuudet voidaan havaita aistinvaraisesti tai valokuvista mittaamalla. Fysikaalisen suureen mittaus on tarkinta näytteestä, jolloin voidaan myös todentaa mikä ominaisuus tai sen vaihtelu aiheuttaa kulloisenkin arvon ja sen vaihteluvälin. Kiven mineralogia ja tarkat fysikaaliset ominaisuudet tutkitaan näytteestä. Mittausgeometriat Geofysiikan menetelmin (ainetta rikkomattomilla, läpäisyyn perustuvilla tutkimuksilla) on mahdollista selvittää keskimääräiset ominaisuudet laajemmasta kalliomassasta, ominaisuuksien muutoskohdat sekä ominaisuuksiltaan poikkeavien tilavuuksien sijainti ja rajautuminen. Mineralogiasta sekä lämpö- ja lujuusominaisuuksista geofysiikan mittaus tuottaa epäsuoraa tietoa. Kalliomassan mitattavissa oleviin ominaisuuksiin vaikuttavat kivilajin mineralogia, tekstuuri, huokoisuus, rakoilu, vesipitoisuus, veden laatu ja jännitystila. Käytettäessä geofysiikan mittaustekniikoita kallion laadun selvittämisessä menetelmät ja toteutustavat on valittava tarkasteltavan kohteen ja geometrian mukaisesti. Tutkimuksessa havainnoidaan kohteen eroavuutta sen ympäristöstä (kontrasti). Mittausteknisesti erilaisia toteutustapoja ovat tutkittavan suureen mittaus pistemäisenä pitkin profiilia kuten magneettisen ja painovoimakentän, sähkönjohtavuuden tai säteilyn mittauksessa. Vastaavasti voidaan mittauksia tehdä pitkin kairan- tai poranreikää vastaten tarkkuudeltaan näytetutkimusta. Lisäksi voidaan tehdä tilavuudelle luotausta esimerkiksi tomografisena tutkimuksena käyttäen mittaussignaalin läpäisyajan tai voimakkuuden vaihtelun mittausta, tai heijastusten mittausta joltakin kohteen pinnalta käsin. Tomografinen tutkimus antaa karkeaa tietoa ominaisuuksien vaihtelusta, heijastustutkimus melko yksityiskohtaista tietoa rajapintojen ja muutoskohtien sijainnista. Havaittavuus ja erotuskyky Havaittavuus ja erotuskyky riippuvat kohteen laajuudesta, menetelmästä, mitattavan signaalin yksityiskohtaisuudesta (esimerkiksi aallonpituus) ja havaintotiheydestä. Havaittavuus tarkoittaa, että kohteen aikaansaama signaali on erotettavissa taustavaihtelusta. Siihen liittyy kohteen ominaisuuden kontrasti, kohteen koko ja muoto sekä maksimietäisyys, jolta kohde on todettavissa. Erotuskyky taas kertoo kuinka pieniä, ja kuinka lähellä toisiaan sijaitsevia kohteita on mahdollista tunnistaa erillisinä. Haasteena rakennuskiviesiintymissä on kohteen pieni koko ja eroavuus ympäristöön nähden mikä asettaa tutkimusmenetelmille suuria vaatimuksia.

22 Painovoimamittauksessa ja magneettisessa tai sähkömagneettisessa profiilitutkimuksessa erotuskyky on heikoin, ja tekniikat voivat soveltua laajojen alueiden nopeaan kartoitukseen ja luokitteluun. Läpäisy- eli tomografisessa tutkimuksessa havaittavan kohteen on oltava käytettävän signaalin aallonpituuteen ja tutkimuspistetiheyteen verrattuna suuri ja fysikaalisen kontrastin riittävän voimakas. Tekniikat voivat soveltua alueellisen ja syvyyssuuntaisen vaihtelun selvittämiseen ja suotuisien tilavuuksien rajaamiseen sekä ominaisuustiedon tuottamiseen. Heijastusmittauksen tapauksessa heijastavan kohteen on oltava aallonpituuteen nähden riittävän suuri ja kontrastin korkea, jotta kohde voitaisiin havaita. Heijastusmittauksen tutkimussyvyys on sitä pienempi mitä tarkempi havaittavuus ja erotuskyky ovat tavoitteena. Tekniikat soveltuvat ominaisuusvaihtelun suoraan paikantamiseen. Tulosten tulkinta Tuloskäsittely ja tulkinta ovat mittauksen jälkeisiä työvaiheita, jotka ovat välttämättömiä tulosten ymmärtämiseksi ja käyttämiseksi. Mitattava signaali ei yleensä sisällä mielekästä informaatiota loppukäyttäjälle. Tulosaineistolle on tehtävä laadunvarmennus, muuntaminen fysikaalisiksi arvoiksi, käsittely tulosten sitomiseksi paikkaan ja syvyyteen sekä havaittujen piirteiden kuvaus. Tulkinta sisältää siten merkityksen antamisen saaduille havainnoille: Siinä todetaan erityyppisten ominaisuuksien sijaintialueet, paikannetaan kohteet, ja nimetään mittaussuureiden arvojen perusteella ominaisuudet (esim. matala ominaisvastus = rikkonainen kivi). Kohteesta on tunnettava perustiedot ominaisuuksista ja niiden vaihtelusta, jotta tulosten tulkinta on ylipäätään mahdollista. Tämä voi perustua yleistietoon geologiasta ja geofysiikasta, mutta varminta tieto on, jos kohteesta on käytettävissä näytetietoa. Perustietoihin kuuluu käsitys siitä, miten havaittava kohde, esimerkiksi rako, tai mikrorakoja sisältävä tilavuus, poikkeaa ympäristöstään, esimerkiksi alentunut seisminen nopeus tai sähköinen ominaisvastus, syntyvä heijastus. Eri mittausten tulosten yhdistäminen on hyödyllistä sekä säilyttäen mittaustulokset kartta- tai profiilimuotoisena samoissa esityksissä että koostamalla tulkinnat yhteen esitykseen. Tätä varten mittaustieto tarvitsee tarkan ja luotettavan yhtenäisen koordinaattijärjestelmän, jonka laadinnan ja ylläpidon tulee alkaa jo mittauksia suunniteltaessa. Tulosten esittäminen Tulosten esittäminen on tarpeen tulkinnan ja laadunvarmennuksen vaiheissa profiileina, karttoina ja poikkileikkauksina mittausten sijaintikohdasta. Vastaaviin esityksiin voidaan laatia tuloksista laaditut yleistykset ja rajaukset (= tulkinnat). Tulosten yhteydessä on tarpeen esittää rinnalla muu kartoitus-, suunnittelu- ja geometriatieto. Tulkinta on aina tehtävä siten, että taustatiedot ovat käytettävissä ja verrattavissa mittaustietoon. Parhaiten tämä tapahtuu siten, että mittakaavat ovat yhteiset. Eri sijaintipaikoista tehtyjä ja eri mittakaavoissa esitettyjä tuloksia on vähimmillään hyödytöntä ja pahimmillaan haitallista arvioida toisiinsa nähden. Geologinen mallikuvaus koostaa yhteisesitykseen geometrisesti rajatulle kalliotilavuudelle, joissa havaitut piirteet on esitetty. Ominaisuuksia voivat olla kivilaji, hyödynnettävä ja poistettava tilavuus, rikkonaisuusvyöhykkeet, raot ym. Mallikuvaus 17

23 sisältää topografian, ja se voi sisältää louhinnan edetessä myös louhintatiedot. Mallissa esitetään sijaintikohdat, joista havainnot on tehty (kairanreiät, paljastumat, louhintarintaus, geofysiikan linjat). Mallissa voidaan esimerkiksi blokkimallina esittää ominaisuusvaihtelut. Mallista voi tulostaa karttoja ja leikkauksia suunnittelussa käytettäväksi. Geologista mallia päivitetään sitä mukaa kun tietoa kertyy lisää. Päivitystä voidaan tehdä useinkin, mikä ei välttämättä sovellu nopeaan louhoksen tuotantorytmiin. Tällöin mallin tarkastelua voidaan tehdä tarpeen mukaan huomioiden sen ajantasaisuus, ja päivitykset suorittaa keskitetysti laajempina kokonaisuuksina Louhimoympäristöön soveltuvat mittausmenetelmät Taulukossa 4.2 on esitetty teoksessa Fitzner et al. (2004) arkeologisten tutkimusten tueksi sovellettavissa olevia mittaustekniikoita. Taulukkoon on lisätty tämän työn tuloksena arvioituja geofysiikan menetelmiä sekä tutkimusten toteutuksen mahdollinen ajoitus ja käytön mittakaava. Menetelmät on sovitettu kiteisen kallion olosuhteita vastaaviksi. Taulukko 4.2. Louhimoalueelle soveltuvien paikkatutkimusten valintataulukko Fitzner et al. (2004) mukaan. MENETELMÄ RYHMÄ Pintamittaus Akustinen tutkimus Sähkömagneettiset menetelmät MENETELMÄ PARAMETRI TOTEUTUS- TAPA KUSTANNUS- LUOKKA MITTAKAAVA/ AJOITUS Linjamittaus Pinnan muoto Ainetta edullinen / Louhimomittakaava, Karkeuden rikkomaton keskihintainen mittaus toiminnan aikana Fotogrammetria Pinnan muoto, kallis Louhimo- tai kamin (stereovalokuvaus muodon mittakaava, ja vaihtelu, toiminnan aikana tulkinta) rikkoutuminen (paljaat pinnat) Laserskannaus keskihintainen Louhimo- tai kamin mittakaava, toiminnan aikana (paljaat pinnat) Rakokartoitus Rakojen edullinen Louhimon ominaisuudet mittakaava, kamin mittakaava, ennen toimintaa ja sen Ultraääniluotaus (seisminen heijastus) Seisminen taittumisluotaus Rajapinnat Ainetta rikkomaton keskihintainen aikana Kamin tai blokin mittakaava Kiven laatu Hiukan rikkova keskihintainen Louhimon tai (eheys ja kamin mittakaava, mineralogia) etukäteen Radiografia Kosteuspitoisuus, Ainetta hyvin kallis Blokin mittakaava (röntgentomografia) rikkomaton onkalot, sulkeumat Laajakaistainen Spektrisisältö keskihintainen kamin mittakaava, (temaattinen) (mineralogia, toiminnan aikana valokuvaus vesipitoisuus) Infrapunakuvaus Pintalämpötila keskihintainen kamin mittakaava, toiminnan aikana

24 19 Magneettiset menetelmät Hydrologiset mittaukset Pumppauskoe Vesimenekkikoe Mineraloginen vaihtelu, rikkonaisuuden sijainti Maatutkaluotaus Rajapinnat keskihintainen Louhimon, kamin tai blokin mittakaava, ennen toimintaa tai sen aikana Sähkömagneettinen Rikkonaisuuden edullinen Louhimon profilointi sijainti mittakaava, ennen (kartoitus) toimintaa Magneettinen Ainetta edullinen profilointi rikkomaton Maavastusmenetelmät Ominaisvastusmittaus Kosteuspitoisuus, suolapitoisuus, rakovyöhykkeet Imeytyskyky Vedenjohtavuus (rakosijainnit) Ainetta rikkomaton / hiukan rikkova Ainetta rikkomaton Ainetta rikkova hiukan keskihintainen edullinen keskihintainen Louhimon mittakaava, ennen toimintaa, toiminnan aikana Louhimon mittakaava, ennen toimintaa, toiminnan aikana Kamin mittakaava, toiminnan aikana Lujuustestaus menetelmät Vetotesti Kimmolujuus ainetta rikkova keskihintainen kami- tai blokkimittakaava, toiminnan aikana Lujuus hiukan rikkova keskihintainen ainetta rikkomaton edullinen Käyttö tarvekiven ominaisuustieto, näytetutkimuksista Tunkeumalujuus ainetta rikkomaton edullinen Vetomurtolujuus Porausvastusmittaus Kairanreikämenetelmät Reikäkuvaukset (Endoskopia) Radiografia (gammatiheys, neutron) Vastusmittaus Reikätutka (reikäseisminen) Rakenne, jonkin verran keskihintainen Louhimon tekstuuri, väri ainetta rikkova mittakaava / kamin (rakoilu) mittakaava Kosteusmittaus kallis varauksin louhimoilla soveltuva Raot, huokoisuus, kosteus Rajapinnat, pystyraot keskihintainen Louhimon tai kamin mittakaava, ennen irroitusta keskihintainen (kallis) Louhimon tai kamin mittakaava Kemialliset menetelmät Värjäytymistestaus Liuotustestaus Mikrobiologinen aktiivisuus ainetta rikkomaton edullinen Ei louhimoilla soveltuva Tarvekivien louhinnan yhteydessä voi olla hyötyä etukäteen tehtävistä mittauksista, joilla voi ohjata alueen käyttöä ja louhimon suunnittelua. Näitä voidaan tehdä koko alueella tarkoituksena kartoittaa käyttökelpoisten tai epäsuotuisien kalliotilavuuksien sijainti, kairanrei istä pistemäisesti ominaisuuksien tarkastelua varten tai ennen kamin irroitusta useampi kami kerrallaan. Toisaalta vaativassa aikataulussa välittömästi ennen kamin irroitusta tai jonkin verran edeltävänä tehtävillä tutkimuksilla tarkkuus on suurin, ja niitä voi hyödyntää välittömästi kamin purkamisen ohjauksessa. Menetelmät ovat joko vapailta pinnoilta tehtäviä kartoituksia ja kuvauksia, esimerkiksi maatutkaluotausta kalliomassan sisälle, tai kairanreikätutkimuksia esimerkiksi irroitusreikiä hyödyntäen.

25 20 5 MUIDEN KALLIOPERÄTUTKIMUSTEN MENETELMIÄ JA ESIMERKKEJÄ 5.1 Ydinjätteiden loppusijoitus Louhintavaurion tutkimus Tunnelin poraus- ja räjäytys -louhinnan aiheuttaman tunnelin seinämän louhintavauriota (EDZ) on tutkittu Olkiluodossa Posiva Oy:n ONKALO-työmaalla (Heikkinen et al. 2010). Louhinnan vaurio on vaihtelevan mittakaavan rakoilua. Tutkimus on sisältänyt geologisen kartoituksen, kairaustutkimusten, näytemittausten, reikägeofysiikan mittausten, reikäseismisen heijastus- ja tomografiamittauksen sekä kallion pinnalta tehdyn maatutkamittauksen tulosten vertailuja. Näiden avulla saatiin selville eri tekniikoiden soveltuvuus louhintavaurion tutkimukseen. Tavanomaisessa laadunvarmentamisessa ainoastaan tunnelin seinältä tai lattiasta tehtävä tutkamittaus on aikataulullisesti ja taloudellisesti toteutettavissa. Ennen tunnelin louhintaa kairattujen reikien välisissä seismisissä mittauksissa ja niiden toistomittauksissa ja mittauskertojen välisten erojen tarkastelussa havaittiin, että louhinnan aiheuttama vaurio on osittainen, mutta se voidaan havaita. Tulokset seismisen ja tutkamittauksen välillä osoittavat samankaltaisuuksia, joiden perusteella tutkamittaus on toimiva laadunvarmennuksessa. Louhintavaurion tutkimukset suoritettiin 50 m pitkässä tutkimuskuprikassa, jonka pituudelle kairattiin 2 m päähän toisistaan kaksi vaakareikää. Toinen rei istä louhittiin pois, toinen jäi kallioseinämän sisään. Lisäksi kairattiin ennen louhintaa kaksi reikäparia, toinen seinälle ja toinen lattiaan. Rei issä tehtiin taajuudella 60 khz seisminen tomografiamittaus ja heijastusmittaus ennen ja jälkeen louhinnan. Pietsosähköiset lähettimet ja vastaanottimet painettiin hydraulisesti reiän seinämää vasten. Lähetin- ja vastaanotinvälit olivat 15 cm vastaten aallonpituutta kalliossa. Toistomittauksista ja mittausten välisistä eroista todettiin, että kallion pintaosassa n cm syvyydeltä on merkittävä seismisen nopeuden aleneminen, joka edustaa vauriota. Vyöhyke on epäjatkuva. Yksireikämittauksena ennen ja jälkeen louhinnan suoritetusta heijastusmittauksesta ja seismisen nopeuden reikäprofiilista havaittiin, että louhinta vaikuttaa nopeuksiin osittain vielä 0,6 1 m seinän takana olevassa kairanreiässä, ja että seinämän lähitilavuuteen syntyy uusia heijastavia piirteitä ja merkittävä heijastusamplitudin lisääntyminen. Seisminen reikämittaustekniikka on rakennuskiven laadunvalvonnan kannalta hidas ja todennäköisesti kallis. Tulos kuvaa muutaman metrin tilavuutta kerrallaan, mutta on erittäin tarkka. Reikäprofiilin kanssa samalta kohtaa seinältä yritettiin suorittaa seisminen refraktiomittaus 15 cm geofonivälillä ja 60 khz taajuudella. Mittauksessa ei saatu riittävää kontaktia seinään löyhtyneen kalliomassan vuoksi, ja kiinnityksessä käytetyn kairanreiän suojaputken kalliota suuremman seismisen nopeuden vuoksi tulos ei ollut tulkittavissa. Mittausta varten geofonit pitäisi kiinnittää ankkuriruuvien avulla seinään siten, ettei ylin muutama senttimetri vaikuttaisi tuloksiin. Tuloksella on merkitystä arvioitaessa kenttäolosuhteissa toteutettavan ultraäänitutkimuksen mahdollisuuksia.

26 Reikäprofiilien kanssa samalta kohtaa seinää ja lattiaa tehtiin 10 cm linjavälillä 40 m pitkä alue maatutkausta taajuudeltaan 1,5 GHz antennilla. Tutkaprofiilin syvyysulottuvuus oli noin metrin. Tuloksista nähdään olemassa olevat raot, jotka voivat olla luonnollisia tai louhinnan aiheuttamia. Lisäksi tuloksissa erottuu pintaa vastaan kohtisuoran (EDZ) rakoilun aiheuttamaa diffraktiota. Tutkatulokset käsiteltiin erityisellä taajuusriippuvuuden analyysitekniikalla (dispersioprofiili), jolla voitiin osoittaa vaurioituneiden kohtien sijainti kalliopinnan lähellä. Tätä tekniikkaa on arvioitu ja validoitu myös kivilouhoksilla kalliopinnan (kamin mittakaava) ja irrotuslohkareiden mittakaavassa. Laskentamenetelmällä on mahdollisuuksia heikkolaatuisen kivimassan paikantamisessa ja tulosten analysoinnissa. Tutkimuksen yhteydessä suoritettiin vastaavat tutka- ja ultraäänimittaukset (60 khz) kalliosta sahatuille kivilohkareille laboratorio-olosuhteissa Potsdamissa BAMlaboratoriossa (Bundesanstalt für Materielforschung). Tuloksista voi havaita, että ultraäänitutkimuksella voidaan havaita vain mittauspinnan kanssa melkein samansuuntaisia vikoja tutkimussyvyyden ollessa metrin luokkaa. Korkeataajuisella tutkalla nähdään osittain samat piirteet. Ultraäänimittaus vaatii hyvän kontaktin pintaan. Tutka on merkittävästi nopeampi eikä vaadi kontaktia. Tutka ei kuivassa kivessä välttämättä havaitse tuoreita rakoja, mutta muuttumispinta tekee raoista havaittavia. Akustinen menetelmä havaitsee mekaaniset epäjatkuvuudet. Tutka havaitsee myös kalliotilavuuden jatkuvan ominaisuusvaihtelun. Tutkassa havaittava voimakas pintaaalto (guided wave) aiheuttaa näennäisen anomalian aivan kiven pintaan joten tulos normalisoidaan. Blokkikoon tutkimuksessa sekä tutka- että ultraäänitekniikka vaativat mittauksen usealta erisuuntaiselta pinnalta siis eri puolilta kivilohkoa. 21 Kuva Tunnelin seinämän louhintavaurion mittaus maatutkalla (Heikkinen et al. 2010). Yllä prosessoitu tutkaleikkaus, alla taajuussisällöstä laskettu normalisoitu

27 dispersio. Siniset sävyt edustavat voimakasta dispersiota, joka liittyy rikkonaisuuteen. Vaakasuora etäisyys on 8 metriä, syvyysulottuvuus 1,5 GHz tutkamittauksella on 0,95 m. 22 Kuva Luonnon kivipinnan louhintavaurion ja kalliolaadun mittaus maatutkalla (Heikkinen et al. 2010). Yllä prosessoitu tutkaleikkaus, alla taajuussisällöstä laskettu normalisoitu dispersio. Siniset sävyt edustavat voimakasta dispersiota, joka liittyy rikkonaisuuteen. Kallion sisällä erottuu vaakarako. Vaakasuora etäisyys on 7 metriä, syvyysulottuvuus 1,5 GHz tutkamittauksella on 0,95 m Esiintymän pintaosan rakoilun kartoitus Ydinjätealan tutkimuksissa on käytetty seismiikan, sähköisten ja sähkömagneettisten (tutka) mittausten yhdistelmiä laajassa mittakaavojen ja tutkimusgeometrioiden skaalassa rakovyöhykkeiden ja kivilajiominaisuuksien kartoittamiseen. Yksityiskohtaisten paikkatutkimusten alkuvaiheissa on suoritettu mm. Kuhmon Romuvaarassa peitteisen kallioalueen systemaattinen maatutkamittaus (Ahokas 1988, Saksa et al. 1991). Mittaukset toteutettiin 25 m linjavälein 400 x 500 m laajuisella alueella. Käyttäen 120 MHz tutkakalustoa saatiin kallion pintaosan rakoilua selvitettyä m syvyydelle saakka. Tulokset on esitetty tulkintaleikkauksina sekä yhteenvetokarttana (Kuva 5.1.3), joka osoittaa runsaammin rakoilleiden tilavuuksien sijainnin.

28 23 Kuva Kallioalueen rakoilun esiintymisen selvittäminen maatutkalla (Ahokas 1988, Saksa et al. 1991). Ruotsissa Oskarshamnin lähellä Äspön saarella on tehty yksityiskohtainen magneettinen mittaus käyttäen 10 m linjaväliä ja 5 m pisteväliä (Mattsson & Triumf 2007). Tuloksesta tuotettu magneettinen kartta, kuva 5.1.4, osoittaa kivilajiominaisuuksien vaihtelusta ja rikkonaisuusvyöhykkeiden sijainnista johtuvia eroja. Laskettu vertikaaliderivaatta, kuva 5.1.5, osoittaa ominaisuuksien muutoskohdat tarkemmin. Tämän kaltaista tulosta voidaan käyttää louhimon suunnitteluvaiheessa pystyjen päärakovyöhykkeiden suunnan ja sijainnin havaitsemiseen sekä kallion ominaisuuksien vaihtelun tutkimukseen myös maapeitteiden läpi.

29 24 Kuva Äspön saaren detaljimagnetometrauksen maanpintakartta. Pistekoko 2,5 m. Kuva Äspön saaren yksityiskohtaisesta magnetometrauksesta lasketun derivaatan maanpintakartta. Pistekoko 2,5 m. Kamin mittakaavaa vastaavissa tutkimuksissa ydinjätealalla on tehty tunnelissa sekä tunnelista sivulle että tunneliprofiilia eteenpäin luotaavia mittauksia. Mittaukset ovat sisältäneet hydrologisia reikämittauksia, reikäkuvauksia, reikägeofysiikan tutkimusta,

30 mm. reikätutkalla ja maatutkalla tehtyä mittausta, seismistä reikä- ja tunnelimittausta sekä latauspotentiaalimittausta. Tulokset on tulkittu ja yhdistetty kohteesta saatavilla olevaan geologiseen tulos- ja mallinnustietoon. Kairanreiästä tehtyjen tutkamittausten ja kartoituksen yhdistelmällä kallion ominaisuuksia ja rakoilua on voitu kuvailla muutaman metrin päähän kairanreiästä. Tutkaheijastajien asento on määritetty rakosuuntien avulla. Usean lähellä toisiaan sijaitsevan reiän välisellä sähköisellä latauspotentiaalin mittauksella on voitu jäljittää rakojen yhteyksiä reikien välillä ja siten arvioida niiden asentoa ja laajuutta. Tunnelien seinissä on tehty sekä tutkamittausta n. 10 m etäisyydelle seinästä että seismistä heijastusluotausta yli 200 m etäisyydelle. Seismistä mittausta on tehty myös kairanreikiä hyväksikäyttäen. Seismiikan avulla on voitu paikantaa laajoja jatkuvia rakoja ja vyöhykkeitä. Myös porauksen käyttö seismisenä lähteenä on voitu ottaa käyttöön. Ydinjätealalla saatujen kokemusten perusteella olisi mahdollista luoda toisaalta tutkamittaus- ja käsittelytekniikat, jotka olisivat riittävän nopeita ja edullisia usean kamin mittauksiin ennen irrotusta, ja toisaalta jopa seismiset heijastustekniikat, jotka käyttäisivät n geofonia tai kiihtyvyysanturia asennettuina ankkuriruuvein kallion pintaan, ja joko poraussignaalia tai korkeamman taajuuden kontrolloitua lähdettä signaalina. Tutkamittaus tai seisminen mittaus ja prosessointi tulisi toteuttaa ja tulokset esittää vakioituna. Reikäkuvauksissa saatujen kokemusten perusteella poranreikiä käyttämällä, reikien videokuvausta ja kuvan kaappausta hyödyntämällä on mahdollista seurata kiven värin ja raekoon sekä vikojen vaihtelua ja tehdä rakotiheyden ja suuntauksen kartoitusta. Kuvassa on esimerkki kairanreiän optisesta kuvauksesta Olkiluodossa (Tarvainen & Heikkinen 2009). Reikäkuvaus ja poraus on vaihtoehto näytekairaukselle silloin kun näytettä ei tarvita. 25

31 26 Kuva Reikäkuvaus Olkiluodossa kairanreiästä (Tarvainen & Heikkinen 2009). Kuvan pystymitta on 60 cm, halkaisijaltaan 76 mm reiän koko kehän kuva avattuna. Kuvassa (erotuskyky 0,5 mm) havaitaan kiven väri, rakenne ja rakoilu. Rakoilu voidaan suunnata. 5.2 Arkeologia (rakennukset, monumentit) Arkeologian ala tarjoaa useita kiviä, rakenteita ja monumentteja koskevia tutkimuksia, joissa on menestyksellä käytetty geofysiikan tutkimusmenetelmiä. Near-Surface Geophysics -lehdessä on ilmestynyt teemanumero arkeologian tutkimuksista, nro 8, vuonna Maatutka on ollut näissäkin tutkimuksissa tärkein mittausmenetelmä. Epähomogeenisuuksia etsittäessä on niiden morfologian selvitys (sijainti, laajuus, geometria) tärkeää ja lisäksi halutaan tietoa ominaisuuksista. Ajatuksena on usein yhdistää muita mittausmenetelmiä tutkamittausten yhteyteen tarkemman ja kattavamman kokonaiskuvan saamiseksi. Capineri et al. (2010) sovelsivat tutkausholografista tutkamittausta ja infrapunalämpötilakuvausta lattialaattojen mikrorakoilun ja vaihtelun tutkimiseen. Holografinen

32 kuvaustekniikka kuvaa anomaliat suoraan suhteellisen oikeaan paikkaan ja taajuutta vaihtaen eri syvyydet voidaan selvittää (diskreetti taajuus). Holografisessa kuvauksessa kyse ei ole heijastusmittauksesta vaan diffraktioon perustuvasta kuvauksesta, jossa suoraan tuotetaan mittauksista hologrammi, siis kohteen kolmiulotteinen kuva. Käytössä ollut laite on Rascan 4, taajuus 1 4 GHz, jonka syvyysulottuvuus kivessä on max cm holografiassa. Holografian rajoituksina on heikko syvyysulottuvuus ja se, ettei kohteen syvyyttä ole tulkittavissa. Vahvuuksia ovat kohteiden hyvä erotuskyky, ja se, että saadaan suoraan kuva kohteesta. Laite on myös suhteellisen halpa, ja tutkittavan kohteen tausta, esim. pohjapinta, ei haittaa kuvan tuottamista. Bavusi et al. (2010) sovelsivat maatutkaa ja mikroaaltotomografista kuvausta rakojen ja halkeamien tutkimiseen vanhojen rakennusten lattioille ja seinille. Mikroaaltotomografia tuottaa ilman monivaiheista prosessointia tarkempia ja vähemmän anomalioita kokoavia kuvia kuin migratoitu lopputulos (reflectivity intensity). Tulokset ovat joiltain osin parempia kuin perinteisen maatutkaprosessoinnin jäljiltä, eikä monivaiheista prosessointiketjua tarvita. Kuitenkin pystyjen rakojen näkyminen on ollut esimerkissä heikkoa, vaikka ne ovat tunnetuissa paikoissa ja pintaan tulevia testilinjoilla. Kuvan yläkuvassa on perinteinen migratoitu tutkan reflektioluotauksen kuva ja alla mikroaaltotomografialla tuotettu. Yläkuvan amplitudi on normalisoitu heijastusamplitudi ja alakuvassa normalisoitu kontrastifunktio, jonka tomografia laskee väliaineelle. Nuolten osoittamat vasat lattian alla näkyvät tomografiassa kaikki ja rajatummin ja katkoviivalla merkityllä alueella pystyhkön raon (rakovyöhykkeen) anomalia on yksityiskohtaisempi. Prosessointi ei poista tosiseikkaa, että pinnalla kulkevilla tutkan antenneilla on aaltosäteilyn kuvioista johtuen vaikea havaita pystyjä rakoja ja rakenteita. Mahdollisesti tähän tarpeeseen voidaan suunnitella suuntakuvioltaan paranneltuja antenneja. 27 Kuva Maatutkan tulos lattiasta, yläkuva perinteinen migratoitu tulos, alakuva tarkemman tuloksen tässä tapauksessa antava mikroaaltotomografinen kuva.

33 Arkeologisissa tutkimuksissa tehdään usein myös pylväiden, esineiden ja muiden ulokkeiden mittauksia, jotka kooltaan vastaavat blokkikoon tutkimuksia rakennuskiville. Artikkelissa Masini et al. (2010) on tutkittu näitä historiallisia monumentteja. Tutkamittausten lisäksi on käytetty akustisia ultraäänimittauksia, joita on tehty marmoripylvään (halk. 0,5 0,6 m) ympärillä rengasmaisina viipaleina. Taajuus on ollut yli 20 khz. Laitteena on ollut 2-kanavainen 24 bit MAE digital -instrumentti, malli A5000U, 55 khz PUNDIT kontaktiantureilla, anturin halkaisija on 46 mm. Rajoituksena mittauksessa on kontaktin saanti väliaineeseen, mikä johtaa heikkoon signaali-kohina suhteeseen. Hyvää kontaktia haettiin muovailuvahalla. Pylvään mittauksissa käytettiin vain muutamia lähetin-vastaanotin välejä, jolloin tomografiakuva oli yleispiirteinen. Erilaiset nopeusalueet, jotka liittyvät pylvään materiaalin laatuun, havaitaan kuitenkin selvästi. Arkeologisen kaivauskohteen tutkimuksissa (Rizzo 2010) oli käytetty maatutkan lisänä magnetometrausta. Mittaus tehtiin cesium-magnetometreilla Geometrics G-858 ja gradiometrisenä konfiguraationa (kaksi magnetometria, jolloin tuloksissa ei ole kentän ajallisen vaihtelun merkitystä, magnetometrin lukematarkkuus on 0,01 nt). Mittauksia varten tulee säätää magneettisten sensorien asento sijainnin pohjalta (käyttää IGRFää). Lähtötietoina oli altitudi, longitudi ja linjan suunta. Mittaukset tehtiin 20 x 20 m pisteverkkoon ja 0,5 m pisteistöön ja mittaustiheys oli 10 Hz. Prosessointi tapahtui MagMap softalla (kaistanpäästö, piikkien eliminointi, de-striping (tasoerojuovien poisto). Kohteesta löytyi pari uutta anomaliaa liittyen arkeologisiin rakenteisiin (pari uhripaikkaa), joita tutka ei havainnut. Magneettisin mittauksin olisi rakennuskivien tutkimuksissa mahdollisuus havaita muodostuman epähomogeenisuutta, joka voi liittyä esim. mineralogiseen vaihteluun ja rapautumiseen. Arkeologian alalta on julkaistu myös Fitznerin (2004) raportti Damage diagnosis on stone monuments. Kyseisessä raportissa on listattu monia rakennuskivien tutkimiseen soveltuvia geofysiikan ja muita menetelmiä. Taulukon käännös ja kiteisen kiven louhimoihin sovellettu versio on edellä esitetty taulukossa 4.2. Grasmueck et al. (2010) ovat julkaisseet tutkimuksen rakennuskivien ja louhosten tutkimuksista ja maatutkan diffraktiomittauksista kalkkikivilouhoksesta. Tutkimuksessa selvitettiin pystyjen rakojen havaittavuutta tiheällä maatutkan linjastolla ja 3-D migraatiolla sekä difraktiokuvioiden havaittavuutta. Pystyt raot eivät näy jatkuvina heijastajina vaan juuri diffraktiokuvioina (hyperbeli datassa ennen migraatiota). Linjatiheyden tulee olla tiheämpi kuin ¼ aallonpituuden välein (kyseisellä taajuudella), eli noin 200 MHz:n taajuudella noin 10 cm välein ja 500 MHz:n taajuudella 5 cm välein. Mittaus tiheällä linjavälillä sujui kuitenkin 200 MHz:n kalustolla nopeasti ja 1275 m 2 ala mitattiin noin neljässä tunnissa. Syvyysulottuvuutta saavutettiin kohteessa noin 10 metriin. Tiheällä linja- ja pistevälillä saatiin runsaasti difraktioanomalioita pisteitä ja renkaita, jotka ryhmittyvät hyvin pitkin pystyjen rakojen kulkua (nämä kartoitettiin paljastumalta). Voluumirenderointi ja kynnystys visualisoinnissa vahvistaa anomalioita vielä lähes lineaarisiksi kuviksi pystyjen rakojen suunnista. Isommat anomaliat raoissa ja niiden risteyskohdissa kuvaavat kiven liuenneita kohtia ja siten avoimia onkaloita (kalkkikiven karsteja). Esitetty tutkimustapa voi tarjota nopean suoran tulkintamenetelmän voluumille, periaatteella kaikki heijastukset ja diffraktorit eri syvyyksillä ja kohdissa ovat vikoja kivessä (anomalian aiheuttajia). 28

34 Tutkimuksen tuloksista on esitetty alla kaksi kuvaa, joista kuvassa a) on voluumirenderoitu tutkittu pinta, jossa todetut raot ovat viivoina, korkean amplitudin siniset alueet ovat kirjoittajien mukaan karstien esiintymiskohtia, kuvassa b) 3-D esitys raoista ja maatutkan havaitsemista piirteistä (karsteista), jotka esiintyvät hallitsevan leikkaavan loivan raon yläpuolella. Tutkimuksen varsinainen tarkoitus ei ollut rakennuskiviesiintymän tutkimus vaan se toimi analogiana ja pienoismallina rakoilleen ja karsteja sisältävän öljyesiintymän seismiselle luotaukselle. 29 a) b) Kuva Kalkkikivilouhoksen voluumin tutkimus tiheällä maatutkauksella ja migraation avulla tulkittu tilavuusesitys raoista ja karsteista (Grasmueck et al. 2010).

35 5.3 Kalliorakentaminen Tunneliprojekteissa on alettu hyödyntää kairausnäytteen kartoituksen lisäksi systemaattista videokuvausta ja kuvan kaappausta (still-kuva tai kartta), joista väri, raekoko, rakotiheys ja rakosuunnat voidaan määrittää. Erityisen hyödyllinen tekniikka on esiintymän mittakaavan kartoituksessa, jos osa mahdollisista kairanrei istä voidaan korvata tekemällä poranreikiä. Tällöin syntyy merkittävä kustannusetu kairaukseen nähden, koska työ on edullisempaa ja nopeampaa, eikä erillisen kairakoneen tuomista paikalle tarvita. Reikätuloksilla voi varmentaa tutkamittausten tulosta, jolla puolestaan saa jatkuvuuden reikähavainnoille (yhteistulkinta ja malli). Kalliorakentamisessa, väylärakentamisessa ja ympäristötutkimuksissa on viime vuosina tutkan rinnalla lisääntynyt sähköisen tomografian ja seismisen refraktiotomografian käyttö. Niillä pystytään varmentamaan kalliopinta, tarkastelemaan kalliomassan heterogeenisyyttä kuten pintarapauma ja ruhjeet ja arvioimaan tutkaa paremmin kallion materiaaliominaisuuksia. Tutkaan verrattuna sähköisen luotauksen kustannukset ovat noin kaksinkertaiset ja seismiikan noin kymmenkertaiset linjapituutta kohti. Seismisen mittauksen tulkinnassa voi S-aaltonopeuden mallintamiseksi hyödyntää myös pintaaaltojen tulkintaa, ja tarvittaessa heijastusprosessointia. Molempiin tekniikoihin kalliossa vaikuttavat huokoisuus, rakotiheys ja vesipitoisuus. Menetelmät soveltuvat myös maapeitteen läpi käytettäväksi. Käyttö tulisi kyseeseen esiintymämittakaavassa ennen louhinnan aloitusta yksittäisillä linjoilla. Kalliorakentamisen alalta on Mira Markovaara-Koivisto (2010) kartoittanut menetelmiä ja tarpeita kalliorakennuspuolelta kallion ja rakoilun tutkimiseen. Selvityksessä ei ole varsinaisesti uutta tai hyödynnettävää rakennuskivien tutkimukseen. Rakoilun tutkimustarpeet ovat kalliorakentamisessa yleisemmällä tasolla kuin rakennuskivien tuotannon yksityiskohtaiset tarpeet. Tunnelia eteenpäin luotaavia seismisiä tutkimuksia on kehitetty mm. Alppitunnelien TBM-porauksissa n m etäisyydellä eteen tulevien siirrosten ennakoimiseksi. Nopeasti ja edullisesti toteutettavat seismiset luotaukset tehdään säännöllisin väliajoin, mittaus aamupäivällä, tulokset valmiit seuraavaksi päiväksi ja vakioiduilla mittaus- ja prosessointitekniikoilla. Aineisto lähetetään mittauspaikalta käsiteltäväksi ja tulkittavaksi asiantuntijalle, esim. tiedostopalvelimen kautta. Akustista emissiota on käytetty louhinnan jälkeisen rakoilun seurantaan. Asemaseismografian menetelmin voidaan paikantaa tilavuudet, joista syntyy emissiota. Emission voimakkuus, tiheys ja kestoaika liittyvät kiven laatuun. Pitkäaikaisten mittaussarjojen tuottaminen ja analysointi voisi tuottaa esiintymätason informaatiota, mutta menetelmä on raskas tarvekivikohteisiin Ainetta rikkomattomat mittaukset (muut) Varsin runsaasti ainetta rikkomatonta koestusta tehdään jatkuvasti ja kehitetään mm. puulle ja metalliesineiden laadun tarkastukseen. Esimerkiksi Tiitta et al. (2010) esityksessä mainitaan sähköinen impedanssispektroskopia, akustinen emissio, ultraääni ja säteilymittaukset (indusoitu gamma-säteily) menetelminä tutkia puun laatua, kosteuspitoisuutta, lahoa ja tiheysvaihteluja. Puu on siinä mielessä vastaavaa kuin kivi, että sen materiaaliominaisuudet ovat monimutkaiset ja vaihtelevat mikroskooppisesta makros-

36 kooppiseen. Lisäksi huokoisuuden sisältämä kosteus on merkittävä ominaisuus, jonka kautta tutkitaan epäsuorasti muita laatuominaisuuksia kuten usein kivelläkin. Torinon teknillisessä korkeakoulussa (Sambuelli et al. 2003) on kehitetty rengasmaisen sähköisen luotauksen, ultraääniluotauksen sekä korkeataajuisen tutkan käyttöä puistojen ja katuvarsien puiden, paalujen ja muiden rakenteiden lahovikojen tunnistamiseen. Käsittelytekniikat ovat vastaavia kuin muissa geofysiikan menetelmissä, kuten kohteen geometrian mukaan räätälöity inversio kuvan tuottamiseksi. Akustinen emissio ei sovellu kivien tutkimiseen. Puun osalta sen käyttö perustuu akustisiin ääniin, joita syntyy puun kuivaessa ja mikrorakoilun muodostuessa. Emissiot ja mikroraot ovat suhteessa puuhun kehittyvään jännitystilaan Pohjarakennusalan tutkimukset Pohjarakennusalalla esimerkiksi paaluperustusten osalta tehdään usein paalujen kantavuuden mittauksia (PDA-mittaus, Pile driving analyser) ja samalla voidaan todeta paalujen ehjyys PIT-mittauksella (pile integrity test). Mittaustekniikka perustuu seismiseen heijastusluotaukseen. PDA- ja PIT-mittaukset voidaan suorittaa joko lowstrain tai high-strain -mittaustavoilla. Ensin mainittu mittaustapa suoritetaan pitämällä kiihtyvyysanturia paalun yläpäässä kiinnitystahnaa käyttäen ja lyömällä vasaralla paaluun. Normaalisti tärinäaalto leviää puolipallon muotoisena, mutta paalussa se etenee ympäröivää maata nopeammin. Mittauksessa seurataan paalun painumaa, ja tärinäaallon (vasteen) kulkuaikaa. Vasteaalto heijastuu paalun epäjatkuvuuskohdista kuten paalun jatkoksesta, paalun vauriokohdasta ja lopulta paalun alapäästä. Paalujen tärinäaallon nopeus tunnetaan ja vioittuneen paalun vauriokohta voidaan paikallistaa vasteen kulkuajan perusteella. Vaurioituneen paalun vasteesta ja sen suuruudesta on kuitenkin vaikea sanoa varmasti paalun vauriotyyppiä. PDA-laitteistolla voidaan määrittää tarkemmin paalun kantavuus, ja usein käytetään ns. high strain-mittaustapaa, jossa suurta energiaa omaava tärinäaalto aikaan saadaan paalukoneen iskuvasaralla. Tällöin kiihtyvyysanturi asennetaan paaluun pulteilla. Kalliotutkimuksiin PDA- ja PIT-mittalaitteita ei tiettävästi ole käytetty. Niiden käytettävyyttä rajoittavat mm. kyseisten mittalaitteiden ohjelmistot, jotka on kehitetty nimenomaan paalujen mittaamiseen. Kalliotutkimuksissa näiden laitteiden käytettävyyttä vaikeuttaa kallion kolmiulotteinen tila, jossa halkeamia voi olla kaikissa suunnissa. Kalliossa kuten myös paaluissa halkeamat voivat olla pieniä ja ne voivat olla puristuneena kiinni (kontakti rajapinnoissa hyvä), joten mittalaitteiden herkkyys ei ehkä riitä niiden paikantamiseen. Vastaava ilman paalutusta tehtävä sedimenttimaalajien tutkimusmenetelmä on Cone Penetrometer Testing (CPT) jossa vakioidun pinta-alan ja kärkikulman kartiota painetaan vakionopeudella maahan, ja tarvittava voima ja kitka mitataan kantavuuden määrittämiseksi. Mittauksen mukana voidaan tuottaa huokosvesipaineen (CPTU) ja tarvittaessa akustisen P- ja S-aallon profiilit. Tekniikan yhteyteen on otettu käyttöön myös pinta-aaltojen tulkintamenetelmiä maakerrosten leikkauslujuuden määrittämiseksi (R. Ghose /Delft). Niitä on kehitetty myös lyöntipaalujen ja ponttiseinien lähitilavuuden tutkimiseksi.

37 Tekniikoiden analogia olisi seismisen tuloksen tallentaminen louhintatyön edetessä. Seismisen läpäisyn tai heijastuksen tallentaminen kovassa kivessä vaatii suuremman erotuskyvyn ja aaltomuotojen suuntaavuuden (polarisaation) sekä heijastuspintojen havaittavuuden (pinnan normaali kohti mittausjärjestelyä) vuoksi moninkertaisia rekisteröinti- ja lähdejärjestelyjä, mikä lisää ajankäyttöä ja kustannuksia tutkaan verrattuna. Mikäli työ voitaisiin suorittaa veden alta, sonarin tapainen heijastusmittaus toimisi tutkan tapaan nopeasti ja matalammin kustannuksin Räjähteiden etsintä ja valvontaan liittyvät mittaukset Räjähtämättömien ammusten (UXO, unexploded ordnance) tai miinojen etsintätyön on turvallisuuden vuoksi oltava havaitsemis- ja erotuskykyistä ja mittausten paikannuksen on oltava tarkkaa ja tehokasta ja ennen kaikkea ainetta rikkomatonta. Geofysiikan menetelmiä käytetään näissä rutiininomaisesti. Mittaustekniikkoina ovat yleistyneet monen lähekkäin sijaitsevan anturin datan yhdenaikainen tallennus sekä automaattiset tulkintamenetelmät. Erityyppisiä mittaustekniikoita on sovellettu erilaisissa kohteissa. Metallia sisältävien ammusten tunnistamisessa on käytetty maatutkan lisäksi magnetometriä tai magneettista gradiometriä (mm. Kokkolan syväväylän ruoppauksen esitutkimuksissa) ja aika-alueen sähkömagneettisia luotauslaitteita (USAssa Denverin ilmatorjuntakoealueen siivouksessa asuntoalueeksi). Suomen puolustusvoimat käyttävät maanalaisten kohteiden paikantamiseen geofysikaalisista menetelmistä pääsääntöisesti maatutkaa ja magnetometrejä. Tyypillisesti maatutkalla voidaan paikantaa maaperästä poikkeava kohde, joka paikannetaan ja luokitellaan tarkemmin magnetometrillä. Magnetometreistä on tiettävästi käytössä saksalaisvalmisteiset Foerester Ferex -laitteistot (ns. syväetsimet). Käytössä on kahta eri laiteversiota, joista kehittyneemmässä on datatallennus ja paikannusominaisuus, jolloin se soveltuu laajempien alueiden tutkimuksiin. Samalta valmistajalta on saatavissa myös monikanavainen 4 8 yksikön magnetometri. Käytettäessä monikanavaista kalustoa gradientin mittaukseen voitaisiin louhimon alueen magneettinen kartta ominaisuusvaihtelun ja rikkonaisuuden paikantamiseksi tuottaa tehokkaasti. Kuva Foerester Ferex -magnetrometrilaitteisto (kuvalähde:

38 Tekniikoissa on käytetty vastaavia nopean mittauksen, tiheän kattavuuden, vakioidun paikannuksen, ja tehokkaan prosessoinnin ideoita kuin kamin mittakaavan tutkimuksen tehostamisessa tarvittaisiin. Karkeamman erotuskyvyn tekniikat ovat olleet käytössä mm. maanalaisten tunneleiden ja muiden rakenteiden paikantamiseksi. Tekniikoita ovat olleet mm. passiivinen seisminen valvonta, matalataajuinen maatutkaus, tarkat painovoimamittaukset tyhjien tilojen havaitsemiseksi ja seismiset, sähköiset tai sähkömagneettiset luotaukset. Osittain samoja tekniikoita on voitu käyttää myös kalkkikivialueiden ja hylättyjen kaivosten sortumariskien arviointiin ja luolien tai onteloiden paikannukseen. Ydinmateriaalin valvonnan (safeguards) hankkeissa IAEA on teettänyt geofysiikan tutkimusten ohjeistuksen erilaisten tilojen ja materiaalien havaitsemiseksi ja luokitteluun. Seismisiä, painovoima- ja sähkömagneettisia (ml. tutka) tekniikoita on tutkittu ja arvioitu, ja niiden toteutustekniikoita selvitetty. Maatutkan soveltuvuus ja menetelmän ominaisuudet on selvitetty mm. Olkiluodon olosuhteisiin reikä- ja tunnelitutkan osalta (Saksa et al. 2005). Kokemuksia voidaan hyödyntää rakennuskiven tutkimuksen kehittämisessä Reikäkuvantaminen Poranreiässä ja kairanreiässä suoritettavaa reikäkuvausta on alettu käyttää mm. ydinjätteiden loppusijoitustutkimuksissa, mutta enemmässä määrin myös kalliorakennushankkeiden esitutkimuksissa rakojen ja heikkousvyöhykkeiden ominaisuuksien selvittämiseen. Laitteet ovat aluksi olleet videokuvaa tallentavia. Myöhemmin niiden kehityksessä on siirrytty videokuvasta kaapattavan kuvan sekä kuvasta tulkittujen tulosten esittämiseen yksityiskohtaisella kartalla. Kuvausten alkuperäinen tarkoitus on ollut mahdollistaa rakosuuntien ja kiven suuntautuneisuuden mittaaminen kairanreikien osuuksilta, joista ei ole saatu ehyttä tai suunnattua kairannäytettä, ja erityisesti poratuista rei istä, joista näytettä ei ole saatavilla. Kuvauslaitteita on saatavilla tehdasvalmisteisina, reikägeofysiikan tallennusjärjestelmiin kytkettyinä, jolloin laitteiden erotuskyky on erinomainen, mutta toisaalta mittausnopeus voi olla hidas ja kaluston hinta varsin kallis. Yksittäiset urakoitsijat ovat rakentaneet erilaisista digitaalisista videokameroista omia erityistarkoituksiin tehtyjä sovelluksia, käyttäen miniatyyrikameroita tai esim. viemärikameraa (ns. endoskooppia). Kameraantureista voi rakentaa niin nopeita, että yksittäisen reiän mittaus kestää ainoastaan minuutteja. Anturi on mahdollista rakentaa niin edulliseksi, ettei louhimoilla todennäköinen juuttumisriski olisi taloudellisesti merkittävä. Reikäkuvauksen avulla voidaan louhimon tutkimuksissa selvittää kiven väriä, tekstuuria ja rakennetta sekä vikojen sijaintia ja asentoa. Kuvauksia voidaan tehdä alueelle etukäteen kairatuissa tai poratuissa tutkimusrei issä. Mikäli tarkoitusta varten rakennetaan edullisia kamera-antureita esimerkiksi louhimon henkilökunnan käytettäväksi (valokuituoptiikkaan perustuen, niin ettei itse kameraa lasketa reikään), on mahdollista kuvata jopa louhinnan irroitusreikiä joko pistokokeina tai systemaattisesti. Vaihtoehtona on kamin irroitusrailojen kuvaus ennen irroitusta ja takaseinän kuvaus irroituksen jälkeen.

39 5.8 Fotogrammetria, spektroskopia ja laserkeilaus Louhimon alueella tehtävä kalliopintojen kuvaus voi tuottaa kivilaadun ja rakoilun arvioimiseksi hyödyllistä paikkatietoa. Kuvausmenetelmiä on useita erilaisia. Valokuvat voidaan oikaista koordinaattijärjestelmään ns. ortokuviksi, jolloin niitä on mahdollista käyttää kartan tapaan. Kuvaus on mahdollista tehdä lentokoneesta, helikopterista tai lennokista käsin, tai se voidaan toteuttaa maanpinnalta esimerkiksi louhimolla sijaitsevien pystyjen pintojen kartoittamiseksi. Kuvaus auttaa dokumentoimaan kiven visuaaliset ominaisuudet ja pinnan topografian. Lisäksi paikannetaan viat näkyviltä pinnoilta, ja kun niiden esiintymisestä on olemassa numeerinen tieto, vikojen esiintymistä voidaan analysoida ja käyttää hyödyksi suunnittelussa. Oikea ajoitus kuvaukselle on ennen tuotantokustannusten syntymistä. Kuvausten kenttätyö vie muutaman tunnin käyntikertaa kohti. Laskettavat tiedot on mallinnettava erikoisohjelmistolla. Infrapunavalokuvauksella on mahdollista paikantaa lämpötilaltaan poikkeavia kallion osuuksia. Niiden avulla voidaan yrittää jäljittää rakoilua. Ilmakuvauksena tai satelliittikuvauksena toteutettua hyperspektristä kuvantamista on käytetty kartoituksen apuna mm. maankäyttöanalyyseissä. Näkyvän valon sekä eri aallonpituuksien infrapunavalon avulla on mahdollista erotella vesipitoisuutta ja eri tavalla valoa absorboivien mineraalien esiintymistä. Tekniikkaa on mahdollista käyttää myös maan pinnalta käsin. Ilmakuvauksena toteutettua stereokuvausta on käytetty perinteisesti topografiseen kartoitukseen. Ilmakuvatulkinnan ja kiintopisteiden avulla on selvitetty karttojen korkeuskäyrästö. Nykyisin on käytettävissä stereokuvien automaattisia tulkintaohjelmistoja, joilla pinnan 3-D -mittaaminen voidaan toteuttaa. Yksi satelliittikuvien, ilmavalokuvien ja muiden stereovalokuvien tulkintatekniikoista on australialaisen Csiro-instituutin ( kehittämä lähistereokuvaus Sirovision ja työkaluohjelma Siro3D (Iljina 2007). Mittaus suoritetaan kahdella identtisellä digitaalisella järjestelmäkameralla, joiden kuvausyhtälöt, keskinäinen etäisyys ja sijainti tunnetaan. Tulokset sidotaan kiintopisteisiin. Kuvaus toimii useiden kymmenien tai jopa satojen metrien etäisyydelle. Sen avulla esimerkiksi kaivoksen tai louhimon pystyiltä pinnoilta suoritettava geologinen asentotulkinta on tehokkaampaa kuin tavanomaisessa geologisessa kartoituksessa (Kuva 5.8.1). Kuvaus on nopeaa ja edullista. Kartoituksen korvaava tulkinta parantaa työturvallisuutta. Kuvausta voi käyttää apuna myös paikalleen mittauksessa. Tekniikka soveltuu kamin ja usean kamin mittakaavassa käytettäväksi, kun louhimolla on jo pystypintoja kartoitettavaksi. 34

40 35 Kuva Kevitsan koelouhoksesta tuotettu stereokuva ja tulkinta (Iljina 2007). a) ja b) raot sekä c) lineaatio. Louhintarintauksen kuvaaminen stereokuvauksella tuottaa louhimomallin. Prosessoinnissa voidaan tuottaa kolmiulotteinen pintamalli ja tehdä massalaskentaa. Lisäksi saadaan esille pintaa leikkaavien rakojen ja rakovyöhykkeiden sijainti ja osittain niiden asento. Suomen markkinoille tulee vuonna 2011 lennokkikuvauslaitteisto (nk UAV), joka mahdollistaa tavanomaista ilmakuvausta joustavammin pienten alueiden ilmakuvauksen ja stereokuvien prosessoinnin avulla mm. kivilouhimon mallintamisen, määrien mittaamisen sekä kuvasta näkyvien kallio-ominaisuuksien kartoituksen. Rakoilun osalta kuvassa näkyvät suuret rakovyöhykkeet. Määritystarkkuus on esitteiden mukaan muutaman senttimetrin luokkaa. Lennokki soveltuu myös laserskannauksen alustaksi, jolloin on mahdollista tuottaa helikopterimittausta pienemmiltä työskentelyalueilta taloudellisesti järkeviä malleja, ja tehdä myös toistomittauksia.

41 36 Kuva Lennokkikuvattu kallioalue. Kolmiulotteinen laserkeilaus voi tuottaa kallion ja maan pinnan geometriasta sekä ominaisuuksista pintamallin vastaavasti kuin fotogrammetria. Kokoluokkana on tyypillisesti esiintymä, vähimmäiskokona kami tai useita kameja. Tekniikka vastaa jossain määrin robottitakymetriä sillä erolla, että heijastajina toimivat olemassa olevat pinnat, ja laite tuottaa automaattisesti miljoonia mittauspisteitä tunnissa. Havaintopisteet ovat muutaman senttimetrin tai muutaman millimetrin välein. 3-D -laserkeilauksessa keilaimen säde tuottaa tiedon pinnan koordinaateista ja niihin sidotuista heijastusominaisuuksista. Kolmiulotteisen pinnan tuottamiseksi alueella tarvitaan muutama päällekkäin eri suunnista rekisteröivä keilainasema. Mittausasemien etäisyys ja suurin tutkimusetäisyys voi olla muutamia kymmeniä metrejä. Mittaus on mahdollista tehdä lentokoneesta, helikopterista tai maanpinnalle asennetulla mittalaitteella. Mittauspisteet voidaan esittää pistepilvenä. Lisäksi pistepilvestä voidaan luoda pintamalli, jota voi esittää havainnollisesti suunnitteluohjelmissa. Koordinaateista tai mallista voidaan määrittää pinnan muoto sekä rakovyöhykkeiden sijainti ja asento. Tulos voidaan esittää kolmiulotteisena pintamallina (Kuva 5.8.3), poikkileikkauksina tai karttoina. Tuloksessa esitettävät ominaisuudet, ja jopa väri- tai mustavalkokuva, voivat olla valokuvamaisia. Pintamallista on mahdollisuus tehdä myös massalaskentaa. Tulos toimii muiden mittausten paikantamisen apuvälineenä.

42 Paikannus Kuva Laserkeilauksella kuvattua tunnelin kalliopintaa (Pöyry Finland Oy). Raot erottuvat tummina pintoina. Heijastusamplitudin suuruus riippuu pintamateriaalista ja pinnan asennosta. Kuvassa esitetyn alueen koko on noin 2 m x 2 m. Louhimolla tehtäviin mittauksiin ja havaintoihin liittyy havaintojen paikantaminen siten, että tiedot voidaan yhdistää toisiinsa ja tulosten tulkinnasta syntyy käyttökelpoinen malli kallion vikojen sijainnista. Paikannus on mahdollista tehdä paikallisessa, mittauskohteen omassa koordinaatistossa, paikallisessa louhimon koordinaatistossa tai jossain yleisessä koordinaatistossa. Viimeksi mainituista yleisin ja käyttökelpoisin on Suomessa UTM-projektio EUREF-FIN-koordinaatistosta. Aikaisemmin käytetty suorakulmainen kkj-koordinaatisto on myös käyttökelpoinen. Yleisen koordinaatistojärjestelmän käytön etu on mahdollisuus yhdistää eri osissa louhimoa ja eri aikoina tehtyjä havaintoja. Paikannuksen tarkkuusvaatimus riippuu havaintojen yksityiskohtaisuudesta ja käyttötarpeesta. Esiintymätasolla riittää yleensä 1 10 m tarkkuus vaakatasossa ja pystysijainti voidaan riittävän tarkasti saada myös kartoilta. Louhimon tuotantoon liittyvissä mittauksissa ja muissa havainnoissa tarkkuusvaatimus on cm tilanteesta riippuen. Geofysikaalisten mittausten paikannus tapahtuu usein merkitsemällä mittauslinjan päätepisteet maastoon ja kuljettamalla mittalaitetta mahdollisimman suoraan mittalinjaa myöten. Yksittäisten mittausten linjakoordinaatti saadaan esim. käyttäen matkapyörää, mittanauhaa tai mittaamalla ajanhetkeä, jolloin kulkunopeuden tulisi olla mahdollisimman tasainen. Mittauslinjojen käyttö soveltuu suhteellisen tasaiseen maastoon. Korkeusaseman voi määrittää likimäärin vaaitsemalla linjojen päätepisteet.