GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Tutkimus ja kehitys Geofysiikan linja Q 16.1./2001 11 Matti Oksarna, Ilkka Suppala, Hannu Hongisto LENTOKONEEN SAHKOMAGNEETTISTEN MITTAUSTEN KALIBROINTI
LENTOKONEEN SAHK~MAGNEETTISTEN MITTAUSTEN KALIBROINTI Johdanto Lentokoneen vaikutuksesta lentosahköisen mittaussysteemin (AEM) mittaustulokset poikkeavat pelkän ilmassa olevan dipolin anomalioista. Anomalioita, joihin lentokone ei ole vaikuttanut sanotaan tässä työssä ideaalimallin anomalioiksi. Oli alusta lähtien selvää, että johtava lentokone vaikuttaa anomalioihin. Lentokoneeseen indusoituneen magneettikentan arvioimiseksi mittasimme tunnetun johtokykyjakauman - syvän meren (Suomenlahti) - päällä profiilin. Mitattuja anomalioita verrataan ideaalimallin anomalioihin, jotka tunnetaan syvän meren tapauksessa analyyttisesti. Mittaustuloksen muuntamista ideaalimallin anomalioiksi kutsumme lentosahköisen mittauksen kalibroinniksi. Lentoja tulkittaessa käytetty kalibraatiomalli ei huomioi lentokoneen ja johteiden välisiä vuorovaikutuksia. Syntyvää virhettä on tutkittu numeerisesti, ja se on tämän työn tuloksiin perustuen pieni. Kalibroimalla saatuja lentokoneen oman kentän arvoja verrattiin numeerisesti laskettuun. Laskemalla saatu lentokoneen kenttä oli samaa suuruusluokkaa lentokoneen kalibroinnilla saadun arvon kanssa, tulosten mukaan muutama prosentti. Arvioimme kokeellisesti mittaussysteemin alla olevan veden johtokyvyn vaikutusta lentokoneen omaan anomaliaan kalibroimalla lentosähköistä systeemiä sekä merellä että järvellä - Inkoossa ja Päijänteellä, Ristinselällä. Mittaussuure Nykyistä Twin Otterin aerosähkömagneettista mittauslaitteistoa on kuvannut Poikonen et al. (1 998). Vastaanotinkela muuntaa magneettikentan sähköiseksi signaaliksi. Kompleksinen mittaussuure muodostuu kompensaattorissa (Poikonen et al, 1998, kuva 1). Mitatusta signaalista poistetaan lähettimen virrasta lineaarisesti riippuva "kompensoiva" signaali, ja sen avulla muodostetaan kompensoidusta signaalista suhteellinen mittaustulos. Mittauksen aluksi korkealla lennettäessä asetetaan kompensaattorista ulostuleva mittaussignaali nollaksi. Näin "kompensoiva" signaali on lähetinkentän sekä sen indusoiman lentokoneen kentän synnyttämä yhteisvaikutus.
Mittaustulos on matemaattisesti muotoa: - HE,, on lentokoneen kanssa vuorovaikutuksessa olevan johtavan maankamaran aiheuttama magneettikentta - HIm on lentokoneen kenttä sen ollessa mittauskorkeudella vuorovaikutuksessa maankamaran kanssa - Hlk on lentokoneen magneettikentta, koneen ollessa korkealla ilmassa, ei vuorovaikutuksessa maankamaran kanssa - Hpr on lähettimen aiheuttama magneettikentta Vuorovaikutuksella tässä yhteydessä tarkoitetaan sitä muutosta johteeseen indusoituneiden virtojen aiheuttamassa magneettikentässä, joka aiheutuu toisten johteiden läheisyydestä. Ideaalimalli Johtavan lentokoneen ja maankamaran johtokykyjakaumien mallintaminen samanaikaisesti ei vielä nykyään onnistu; laskentatehtävä on liian vaativa. Tämän vuoksi lentokone jätetään pois, eli Iähetingeometriana on vain magneettinen dipoli. Mallia, jossa vain lähetindipoli sijaitsee ilmassa kutsutaan ideaalimalliksi. Mittaustulos on nyt muotoa: - H,,, on johtavan maankamaran aiheuttama magneettikentta Lentomittausten kalibrointi Koska lentokoneen omaa kenttää ei mitata, kalibroinnissa ei kyetä tarkkaa kaavaa käyttämään. Kalibroinnissa siirrytään ideaalimallin anomalioihin. Ideaalimalliin siirtyminen ei aiheuta juurikaan numeerista virhettä, kuten jäljempänä todetaan. Jotta lentosähköiset anomaliat voitaisiin muuttaa ideaalimallin anomalioiksi, on mitattava tunnetun johteen päällä. GTK:n lentomittausjärjestelmien kalibraatiolennot on suoritettu viime vuosina Helsingin ja Inkoon edustalla yli 45 m syvän meren yläpuolella. Kalibrointilinja on 5,5 km pitkä. Se on lennetty eri korkeustasoilla 100 m:stä n. 20 m:iin ja sen jälkeen korkeutta nostaen (n. 70 m:iin). Suurin piirtein samaan aikaan on mitattu veneestä laskettavalla johtavuusmittarilla meren johtokyky profiililla eri
syvyyksillä. Parina viime vuonna on kalibrointilentoja tehty myös Päijänteen alueella, jossa vesi on resistiivisempää. Kalibroinnissa kaytetaan approksimatiivista kaavaa jossa: - M = mitattu anomalia, - HSec = tunnettu ideaalimallin magneettikentta, - H, = lähettimen aiheuttama magneettikentta. Magneettikentän, HS,,, laskemiseen käytetään syvän meren alueella mitattuja johtavuuslukemia. Kalibrointiprofiililla eri lentokorkeuksilla saadut tulokset sovitetaan pienimmän neliösumman mukaisesti kaavaan (3), ja ratkaistaan kompleksinen k. Kalibrointikaava on muodostettu eliminoimalla lentokoneen ja johteiden väliset keskinäiskytkennät tarkasta kaavasta. Siitä aiheutuu, että kalibrointi kaava ei täysin kuvaa mittaustulosta. Kaavalla (3) ratkaistu kalibrointikerroin k muuttuu lentokorkeuden muuttuessa. Kalibrointilentojen tuloksia vuosilta 2000 ja 2001 esitetään liitteissa 1.- 8. Kalibrointiin käytetyn ideaalimallin anomaliaa on kuvattu viivoin lentokorkeuden funktiona. Kalibroidut mittaustulokset on väritetty lentotasoittain. Vuonna 2000 Ristinselan pohjan syvyyksia ei tunnettu kovin tarkasti, vuokraveneen kaikuluotain ei toiminut. Vuonna 2001 se toimi. Resistiivisessä järvivedessä pohjan vaikutus huomioidaan, eli ideaalimallin kenttä syntyy vedestä ja sen alla olevista sedimenteistä: 70 metriä 230 ohmm vettä ja alla johtavat sedimentit, 85 ohmm. Vuonna 2001 Inkoon merialueella oli kohtalainen aallokko, eivätkä lentokoneet lentäneet annetun proseduurin mukaisesti. Nämä seikat näkyivät heti datassa. Vuoden 2001 data Inkoon merialueelta on häiriöllistä. Koska kaavalla (3) ratkaistu kalibrointikerroin k muuttuu lentokorkeuden muuttuessa, liitteessä 9 on simuloitu k:n muuttumista lentokorkeuden funktiona. Sekä mitattavan anomalian, Mettä ideaalimallin magneettikentän, HE, laskemiseen on käytetty myöhemmin esiteltävää äärettömän hyvin johtavaa mallia. Tällöin k on pelkästään reaalinen. Korkeuden muuttuessa kalibrointikertoimessa tapahtuva absoluuttinen muutos on niin pieni, ettei siihen liity suurta muutosta mitattavassa anomaliassa. Mallinnukseen perustuen kalibrointikerroin pienenee, mitä johtavampi vesi on alla. Vuonna 2000 Inkoon ja Ristinselan kalibrointikertoimet olivat tämän mukaisia. Tämän vuoden kalibroinneista ei ilmiötä havaittu. Uskomme efektin jääneen häiriötekijöiden peittämaksi. Inkoon kalibrointilennolta saadussa datassa näkyi häiriöitä.
Lentokoneesta mitattujen anomalioiden numeerinen laskeminen Lähettimen vieressä olevan johtavan lentokoneen ja maan johteiden mallinnus on vaativa. Kyseistä tehtävää emme ole nähneet mallinnettavan. Yksinkertaistimme mallin siten, että kaikki siinä esiintyvät johteet ovat äärettömän hyvin johtavia. Laskennassa käytimme äärettömän hyvän johteen integraaliyhtälöä, josta oli luotettavat kokemukset (Hongisto ja Oksama, 1998). Integraaliyhtälössa tuntemattomana suureena on magneettinen skalaaripotentiaali, 4. Skalaaripotentiaali määritellään magneettisen kenttävoimakkuuden, H, avulla ja kaavassa esiintyvä Greenin funktio, G, paikkavektorien funktiona seuraavasti: Pintaintegraali ulotetaan koskemaan kaikkia probleemaan liittyviä johteiden rajapintoja. Kun skalaaripotentiaalijakautuma johteiden rajapinnoilla on ratkaistu, voidaan seuraavasta kaavasta laskea kenttävoimakkuus erikseen sekä lentokoneelle että maanpintajohteelle: Kaavoja (4) ja (5) voidaan käyttää sekä tarkkojen tulosten (1) että ideaalitulosten (2) laskemiseen. Aikaisemmissa tutkimuksissa tämän ratkaisumenetelmän on todettu olevan suhteellisen tarkka ja nopea mutta vastavuoroisesti tulokseksi saadaan ainoastaan reaalianomaliaa ja taajuuden vaikutus häviää. Lentokoneen ollessa mukana on anomalioiden laskemiseen käytetty Cessnan (liite 10) ja Twin Otterin yksinkertaistettuja lentokonemalleja. Lentokonemalli koostuu kahdesta toistensa kanssa kosketuksissa olevasta suorakulmaisesta särmiöstä. Vaikka malli on huomattavasti yksinkertaistettu sen tilavuus on pyritty säilyttämään samana kuin lentokoneenkin tilavuus ja lähelle lähetin- ja vastaanotinkeloja tulevat kohdat kuten siipien kärkiväli sekä siivenkärkien leveys ja paksuus on pidetty mahdollisimman tarkkoina. Tässä muodossa mallin on katsottu riittävän vuorovaikutuksen suuruusluokan määrittämiseen.
Havaintoja numerisoinnista Liitteessa 1 1 tarkastellaan Cessnan matalan taajuuden AEM-anomaliaa koneen lentäessä 30 m:n korkeudella hyvin johtavan pystyn levymäisen kappaleen yli. Johteen dimensiot ovat: leveys lentosuunnassa 30 m, kulun suuntainen pituus (lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa) 200 m ja syvyysulottuvuus 120 m. Profiiliesityksessä sininen viiva kuvaa kaavasta (2) laskettua ideaalivastetta ja punainen käyrä kaavasta (1) laskettua tarkkaa tulosta, jossa lentokoneen ja johteen välinen vuorovaikutus on otettu huomioon. Käyrät menevät melko hyvin päällekkäin mutta vuorovaikutustuloksissa on nahtavissa lievää lentokoneen aiheuttamaa epäsymmetriaa. Vertailun vuoksi kuvaan on otettu mukaan myös ilman vuorovaikutusta lasketut tulokset: Kaavan (6) mukaiset kayrat on esitetty vihreällä viivalla. Ne poikkeavan edellisistä hieman enemmän, mutta silti kaikki kolme käyrää ovat melko lähellä toisiaan. Liitteessa 12 tarkastellaan Twin Otterin matalan taajuuden AEM-anomaliaa saman johdekappaleen yli. Tarkat tulokset ja ideaalimallista lasketut tulokset poikkeavat nyt toisistaan hieman enemmän kuin Cessnan tapauksessa. Sen sijaan tulokset ilman vuorovaikutusta sijoittuvat tällä kertaa ideaalitulosten ja tarkkojen tulosten väliin. Vuorovaikutuksesta johtuvaa eroa laskettuna kaavoista (1) ja (6) on tarkasteltu myös vaaka-asentoisen hyvin johtavan levymallin ylapuolella lentokorkeuden funktiona. Levymallin vaakadimensiot ovat 200 m kumpaankin suuntaan ja paksuus 5 m. Lentokone sijaitsee mallin keskipisteen yläpuolella etäisyyden kasvaessa 20 m:stä 80 m:iin (vuorovaikutustulokset ainoastaan 60m:iin). Vertailussa käytetään samaa esitystapaa kuin kalibrointikertoimen määrittämisessäkin. Liitteessa 13 on esitetty Cessnan matalan taajuuden AEM-anomaliat. Odotusten mukaan vuorovaikutustulokset ja tulokset ilman vuorovaikutusta poikkeavat toisistaan eniten profiilin alkupäässä. Absoluuttiset erot ovat selvimmin nahtavissa 20 m:n lentokorkeudella mutta 60 m:n korkeudella kayrat ovat jo melkein päällekkäin. Suhteelliset erot pienenevät myös mutta huomattavasti hitaammin. Twin Otterin tapauksessa (liite 14) AEM-anomalioiden käyttäytyminen on pääsääntöisesti samanlaista mutta suhteellisesti eri tuloksia kuvaavat profiilit ovat hieman lähempänä toisiaan. Kelojen sijainti Kaikki edelliset vertailutulokset on laskettu siten, että lahetin ja vastaanotinkelat sijaitsevat Twin Otterin ja Cessnan matalan taajuuden kelapaikoilla. Kelojen sijainnilla suhteessa lentokoneeseen on kuitenkin vaikutusta siihen kuinka suurena koneen oma magneettikenttä nähdään. Tätä on tarkasteltu seuraavassa vertailussa, jossa on tutkittu lentokoneen pituussuunnassa tapahtuvan siirron vaikutusta koneen anomaliaan. Kelojen sijaintipaikat on esitetty liitteessä 15 sinisellä (vastaanotin) ja punaisella (lahetin) viivalla, joita pitkin kelojen annetaan liikkua siten, että ne säilyttävät vertikaali koplanaari konfiguraationsa. Lasketut tulokset esitetään lyhyenä profiilinpät-
känä, joka alkaa metrin verran siiven takareunan takana ja päättyy metrin verran siiven etureunan etupuolella (liitteet 16 ja 17). Vihreä profiili vastaa ppm:nä kaavassa (1) esiintyvää lentokoneen magneettikenttää, Hlk, koneen lentäessä korkealla ja punainen kayra vastaavasti magneettikenttää, Hl,, koneen lentäessä matalalla johteen yläpuolella, ja ollessa vuorovaikutuksessa sen kanssa. Esimerkkitapauksissa lentokorkeus on ollut 30 m ja vuorovaikutusmalleissa maanpintajohteena on käytetty edellä esitettyä vaaka-asentoista levymallia (200 x 200 x 5 m). Vaikka hyvin johtava vaakalevy antaa suhteellisen voimakkaan anomalian ei sen vaikutus lentokoneen omaan magneettikenttään ole kovin suuri kummankaan koneen yhteydessa, mikä voidaan todeta siitä, että punainen ja vihreä kayra ovat hyvin lähellä toisiaan sekä Cessnan että Twin Otterin profiileissa. Sen sijaan koneen oman magneettikentän vaihtelu on voimakasta hyvin lyhyellä matkalla. Sekä Cessnan että Twin Otterin yhteydessa koneen anomalia vaihtuu siiven kärjen takana negatiivisesta positiiviseen, saavuttaen maksimin siiven keskiviivan paikkeilla, ja muuttuu taas negatiiviseksi siiven edessä. Loppulause Inkoon ja Päijänteen kalibrointilentojen tulosten vertailusta vuosilta 2000 ja 2001 nähdään, että vuorovaikutus on pieni verrattuna muihin häiriötekijöihin. Lentokoneen aiheuttama magneettikenttä vastaanotinpisteessä on pieni, ja vuorovaikutus maankamaran johteiden kanssa ei sitä juuri muuta. Kiitokset Olemme kiitollisia Kalevi Sulkaselle ja Veli Leinoselle käymistämme AEM-laitteistoja koskevista keskusteluista. RFERENCES Poikonen, A., Sulkanen, K., Oksama, M. and Suppala, I., 1998, Novel dual fiequency fixed-wing airborne EM system of Geological Survey of Finland (GTK): Exploration Geophysics, The Bulletin of Australian Society of Exploration Geophysicists, Vol. 29, Nos. 1 and 2 (August 1998). Hongisto, H., and Oksama, M., 1998, Electromagnetic anomalies of perfect conductors in resistive environment: 68th SEG Meeting, New Orleans, USA, Expanded Abstracts (EM 1.1).
I OOOP
I I I I I 0000C OOOOP OOOO 00002 00001
I I I I I OOOOP OOOO 00002 0000 C 0
I OOOP
I I I I I I I OOOO ooooz 0000C 0009 0
Twin Otter AEM-anomalia, hyvä johde 30*200*120 m, lentokorkeus 30 m - Ideaalimalli Tarkka ratkaisu 1 Ei vuorova i k. I Johteen ylapinta 1 Liite 12
Cessna AEM-anomalia, hyvä johde 200*200*5 m, vuorovaikutustesti Tarkka ratkaisu Liite 13
Twin Otter AEM-anomalia, hyvä johde 200*200*5 m, vuorovaikutustesti Tarkka ratkaisu Liite 14
Kalibrointikertoimen riippuvuus lentokorkeudesta Lentokorkeus k - Cessna k - Twin Otter 20-0,0073 8-0,0181 8 Taulukko 1. Kalibrointikertoimen reaaliosan riippuvuus lentokorkeudesta vuorovaikutustilanteessa Tulokset on ratkaistu kaavasta (3), jolloin simuloidut mittaustulokset on laskettu kaavasta (1) ja ideaalirnallin magneettikentlt kaavan (2) mukaisesti. Maanpintajohteena on ollut Mrettömiin hyvin johtava vaaka-asentoinen levy, jonka vaakadimensiot ovat 200 x 200 m ja paksuus 5 rn. Liite 9
Cessna AEManomalia, hyvä johde 30*200*120 m, lentokorkeus 30 m Ideaalimalli Tarkka ratkaisu Ei vuorova i k. Johteen yläpinta 1 Liite 11
Twin Otter, lentokoneen anomalia kelojen sijainnista riippuen Johde kaukana Johde lähellä Siipi Liite 16