3D inversio maavastusluotaustutkimuksissa

Transkriptio

1 3D inversio maavastusluotaustutkimuksissa K. Tiensuu 1 ja T. Huotari 2 1 Geologian tutkimuskeskus, karla.tiensuu@gtk.fi 2 Geologian tutkimuskeskus, taija.huotari@gtk.fi Abstract In this work we have compared different inversion programs for electrical resistivity sounding. The used data consists of calculated (synthetic) and measured data. 1. JOHDANTO Tässä työssä on testattu erilaisia vastusluotausaineistolle tarkoitettuja inversio ohjelmia synteettisellä ja mitatulla aineistolla. Tutkimuksen tarkoituksena oli testata Geologian tutkimuskeskukselle hankittua uutta AGI:n (Advanced Geosciences, Inc.) EarthImager 3D Resistivity Inversion ohjelmaa. Ohjelman ominaisuuksia kuten luotettavuutta, tarkkuutta ja erottelukykyä tutkittiin synteettisen ja siten tunnetun kohteen mallinnuksella. 2. MALLINNUKSESSA KÄYTETYT OHJELMISTOT Työssä on käytetty pääasiassa kolmea eri ohjelmaa. Käytetyt synteettiset mallit on tehty Geologian tutkimuskeskuksessa kehitetyllä ohjelmalla Gpk3ce, jota käytettiin myös vasteiden laskemiseen. Ohjelma laskee käyttäjän määrittelemän kohteen tuottaman vasteen halutulla elektrodijärjestelmällä, tässä tapauksessa Wenner elektrodijärjestelmällä. Myös ominaisvastusarvot ovat käyttäjän määritettävissä. (Hongisto & Oksama, 1998) Lisäksi on käytetty AGI:n ohjelmaa "EarthImager 2D Resistivity and IP Inversion" mallinnustulosten vertailussa. Varsinainen testattu ohjelma on AGI:n "EarthImager 3D Resistivity Inversion." Molemmissa AGI:n ohjelmissa käyttäjä voi määritellä käytettävän elektrodijärjestelmän ja muita malliparametreja. (AGI, 2004a; AGI, 2004b) 3. VASTUSLUOTAUSAINEISTON MALLINNUS 3.1. Mallinnus synteettisellä aineistolla Synteettisessä aineistossa johtavampi kappale ("kohdekappale") on upotettu homogeeniseen, resistiivisempään maa ainekseen. Kohdekappaleen ominaisvastus t on 30 m ja taustan ominaisvastus b on 1000 m. Kohdekappaleen yläpinnan syvyys maanpinnasta on 15 m, paksuus 10 m ja pituus ja leveys 90 m ja 30 m. Laskentalinjoja on 11, ja ne ovat 20 m:n etäisyydellä toisistaan kohtisuoraan kappaleen pituusakselia (90 m) vastaan. Laskennalliset 235

2 mittaukset on suoritettu Wenner elektrodijärjestelmää käyttäen. Synteettinen malli on esitetty kuvassa 1. Kuva 1. Synteettinen malli. Kohdekappaleen ominaisvastus t = 30 m ja ympäristön ominaisvastus b = 1000 m. Kuva 2. Mallinnustuloksia kuvassa 1 esitetystä mallista. Mallinnetut mittauslinjat kulkevat kohtisuoraan kohdekappaleen pitkää sivua vasten. Kohdekappaleen ominaisvastus t = 30 m ja ympäristön ominaisvastus b = 1000 m. Tulosten visualisoinnissa on käytetty Geosoft Inc.:n Oasis montaj 6.1. ohjelmaa. 236

3 Kuten kuvassa 2 on esitetty, käytetyn synteettisen mallin tapauksessa kohdekappaleesta saadaan selvä anomalia 15 m päässä kohteen reunasta mitattaessa. Vielä 35 m:n päässäkin tuloksissa on selviä viitteitä kohteesta, joskin tämän muoto ja koko ovat heikommin tulkittavissa. Tämän jälkeen anomalia heikkenee vähitellen Mallinnus Hangossa mitatulla aineistolla Suomen ympäristökeskuksella (SYKE), Geologian tutkimuskeskuksella (GTK) ja Hangon kaupungilla on Hangossa meneillään kolmivuotinen EU Life rahoitteinen projekti ( ), jossa havainnollistetaan monitoroitua luontaista puhdistumista (MLP) öljyllä saastuneen alueen kunnostusmenetelmänä Suomessa (Bjöklöf et al. 2004). Projektin nimi on DEMO MNA (Demonstration of the Monitored Natural Attenuation). Öljyllä saastuneiden kohteiden luontainen puhdistuminen perustuu öljyhiilivetyjen biohajoamiseen (Tuomi & Vaajasaari 2004). Kuva 3. Hangossa mitatut vastusluotauslinjat. Linjat on mitattu Wenner elektrodijärjestelmällä. Linjoilla 1, 2, 5 ja 6 a = 3 m ja linjoilla 3 ja 4 a = 2 m sekä linjoilla 7 ja 8 a = 1 m. Linja 7 on tarkastelussa myös kuvassa 5, linjat 7 ja 8 on kuvassa 4 ja linjat 1, 3, 7 ja 8 kuvassa 6. Projektin tutkimusalue on Etelä Suomessa aivan Hangon kaupungin ulkopuolella sijaitseva Trollberget niminen hylätty kaatopaikka, jonne on tuotu muun muassa öljyisiä jätteitä. Projektin alkuvaiheessa alueella on tehty laajoja tutkimuksia alueen geologisten ja hydrogeologisten piirteiden selvittämiseksi. Myös saastuneisuusastetta on selvitetty. Maaperän rakenteiden selvittämiseksi sekä pohjaveden pinnan määrittämiseksi alueella 237

4 suoritettiin vastusluotausmittauksia keväällä ja syksyllä 2004 sekä talvella 2005 (ks. kuva 3). Näissä mittauksissa havaittiin selkeät johtavammat anomaliat linjoilla 1, 3, 7 ja 8 (ks. kuva 6) eli paikalla, jossa öljyä on kaadettu maahan. Öljyn ominaisvastusta laskevan vaikutuksen maalajeissa ovat jo aiemmin havainneet mm. Vanhala (1997) ja Atekwana et al. (2004). Kuvassa 4 on 3D inversio ohjelmalla saatu tulkintatulos linjoilta 7 ja 8 (ks. kuva 3), jossa todennäköisesti öljyn aiheuttama johtavampi vyöhyke voidaan erottaa selkeästi. Kuvassa 5 on esitetty 2D inversio ohjelmalla saatu tulkintatulos vastusluotauslinjalta 7. Kuva 4. AGI:n EarthImager 3D ohjelmalla saatu tulkintatulos Hangon vastusluotauslinjoilta 7 ja 8 (linja 7 on kuvassa etualalla oleva, pidempi linja ja linja 8 on taaempana oleva, lyhyempi linja). Todennäköisesti öljyn aiheuttama johtavampi vyöhyke erottuu inversiossa vaaleansinisenä alueena noin 60 m:n kohdalla. 238

5 Kuva 5. AGI:n EarthImager 2D ohjelmalla saatu tulkintatulos Hangon vastusluotauslinjalta 7. Todennäköisesti öljyn aiheuttama johtavampi vyöhyke erottuu inversiossa tummansinisenä alueena 2 9 m:n syvyydellä noin 50 m:n kohdalla. Kuva 6. Vastusluotauslinjat L1, L3, L7 ja L8 Surpac Vision ohjelmalla esitettynä. Öljy on näkyvissä johtavampana vyöhykkeenä. 4. TULOSTEN TARKASTELUA JA JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Selkeimmät anomaliat saadaan mitattaessa anomalialähteen kohdalla tai hyvin lähellä sitä. Kohteen koosta ja muodosta saadaan tarkempi käsitys, jos käytettävissä on luotaustietoja useilta mittauslinjoilta. 2D ohjelmia voidaan käyttää tehokkaasti, mikäli mittauslinjoja on riittävästi ja linjojen tietoja tarkastellaan kokonaisuutena. Myös topografian huomioimismahdollisuus on selkeä etu AGI:n 2D ohjelmassa. Vaihteleva topografia vaikuttaa usein myös johtavuusoloihin, joista saattaa saada virheellisen käsityksen, mikäli topografiatieto puuttuu. Valitettavasti topografiatietoja ei pysty ainakaan tässä vaiheessa käyttämään AGI:n 3D ohjelmassa, mikä vaikeuttaa sen ja 2D ohjelman tulosten vertailua. 239

6 Tutkimusten vielä jatkuessa on jo käynyt selväksi, että erilaisille ohjelmille on tarvetta. 2Dohjelmat ovat parhaimmillaan, kun tutkimusongelma on suhteellisen yksinkertainen tai siihen liittyy voimakkaita topografiavaihteluita. Myös tarvittava laskentateho on 2D ohjelmilla selvästi 3D ohjelmia pienempi. 3D ohjelmat puolestaan on hyödyllisimmillään, kun mittauslinjoja on runsaasti. Käytettäessä ohjelmaa, johon ei saa liitettyä topografiatietoja, on tulkitsijan kiinnitettävä erityistä huomiota topografiavaikutusten havaitsemiseen ja erottamiseen muista syistä johtuvista anomalioista. LÄHTEET AGI (Advanced Geosciences, Inc.), 2004a. Instruction Manual for EarthImager 2D, Version Resistivity and IP Inversion Software, AGI (Advanced Geosciences, Inc.), 2004b. Instruction Manual for EarthImager 3D, Version Resistivity Inversion Software, Atekwana, E. A., Werkema, D., D., Jr, Duris, J., W., Rossbach, S., Atekwana, E., A., Sauck, W., A., Cassidy, D., P, Means, J. ja Legall, F., D., In situ apparent conductivity measurements and microbial population distribution at a hydrocarbon contaminated site, Geophysics, 69, Bjöklöf, K, Reinikainen, J., Huotari, T., Hänninen, P., Huhta, P., Leveinen, J., Jarva, J., Vanhala, H., Salminen, J., Schultz, E., Sorvari, J., Holm, K., Joutti, A., Hellstén, P., Heino, M., Lintinen, P. ja Jørgensen, K., Demonstration of the use of Monitored Natural Attenuation (MNA) as a remediation technology DEMO MNA. Julkaisussa: J. Seppälä & H. Idman, Maaperäsuojelu, Geologian tutkimuskeskuksen ja Suomen ympäristökeskuksen tutkimusseminaari Suomen ympäristökeskus, Helsinki, Suomen ympäristö, 726, Hongisto, H. ja Oksama, M., Constraining of the zero total surface charge in galvanic modelling, Geophysical Prospecting, 46, Tuomi, P. ja Vaajasaari, K., Monitoroidun luontaisen puhdistumisen (MLP) käyttö pilaantuneiden alueiden kunnostuksessa. Suomen ympäristökeskus, Helsinki, Suomen ympäristö, 681. Vanhala, H., Mapping oil contaminated sand and till with the spectral induced polarization (SIP) method, Geophysical Prospecting, 45,