GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Turvetutkimusraportti 414 11 Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Abstract: A new approach for peat inventory methods Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen
GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Turvetutkimusraportti 414 GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAN Report of Peat Investigation 414 Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen TURVETUTKIMUSTEN MENETELMÄKEHITYSTARKASTELU Abstract: A new approach for peat inventory methods Espoo 11
Laatikainen, Matti, Leino, Jukka, Lerssi, Jouni, Torppa, Johanna ja Turunen, Jukka 11. Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu. Geologian tutkimuskeskus, Turvetutkimusraportti 414, 134 sivua, 150 kuvaa ja 5 taulukkoa. Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu aloitettiin Keski-Suomen harvapistekartoitus projektin yhteydessä keväällä 09. Projektissa todettiin tarve kehittää GTK:n käyttöön turvetutkimusmenetelmiä ja työkaluja, joilla tutkittavat suot saataisiin kartoitettua entistä kattavammin ja kustannustehokkaammin turvetutkimusten kokonaislaadun heikkenemättä. Tarkoituksena oli löytää paikkatietoon sidottu tutkimuspisteverkkomenetelmä, jolla suon eri osat saataisiin kartoitettua vanhaa linjastotutkimusmenetelmää tasaisemmin mm. syvyysalueiden määrittämistä silmälläpitäen. Mukaan turvetutkimusten menetelmäkehitystarkasteluun otettiin myös keväällä 09 GTK:n Itä-Suomen yksikköön hankittu Ramac-maatutka, joka laitteiston keveydestä johtuen soveltuu hyvin mm. vaikeasti tutkattaville metsäojitetuille soille. Tarkoituksena oli selvittää parhaat työtavat maatutkan hyödyntämiseen turvekartoituksessa. Varsinaisen kenttätutkimusmenetelmän uudistamistarkastelun lisäksi kehitettiin ArcMap-ympäristössä toimiva turpeen syvyysmallinnusmenetelmä, joka mahdollistaa kaiken saatavilla olevan turvetutkimusaineiston (mm. kairaukset, maatutkaluotaukset, lentogeofysiikan mittaukset) hyväksikäytön ottaen samalla huomioon eri aineistoihin liittyvän, esim. paikannuksesta johtuvan, havaintojen epävarmuuden. Yhdistettynä uudistettuun kenttätutkimusmenetelmään, monipuolisella aineistotulkinnalla ja -käsittelyllä päästään entistä tarkempiin suon syvyys-, turvemäärä- ja turvelajiarvioihin. Mallinnusosioon on saatu rahoitus K.H. Renlundin säätiöltä (Johanna Torppa). Tässä raportissa turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu jaettiin neljään itsenäiseen osaan: kappaleessa 1 kuvataan turvekartoituksen kenttätutkimusmenetelmän kehittäminen, kappaleessa 2 maatutkaluotauksen käyttö turvekartoituksessa, kappaleessa 3 lentogeofysiikan aineiston soveltuvuus turvekartoitukseen ja kappaleessa 4 uusi turpeen syvyysmallinnusmenetelmä. Kappaleessa 5 on yhteenveto projektin eri osista. Avainsanat: turvetutkimus, turvekartoitus, maatutkaus, lentogeofysiikka, mallinnus Jukka Turunen Geologian tutkimuskeskus PL 1237 70211 Kuopio Email: jukka.turunen@gtk.fi ISBN 978-952-217-148-1 ISSN 1235-9440
Laatikainen, Matti, Leino, Jukka, Lerssi, Jouni, Torppa, Johanna ja Turunen, Jukka 11. Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu - A new approach for peat inventory methods. Geologian tutkimuskeskus, Turvetutkimusraportti 414, Geological Survey of Finland, Report of peat investigation 414, 134 pages, 150 figures and 5 tables. evelopment of the new peatland inventory method started in 09. There was a need to investigate whether new methods and tools could be developed costeffectively so field inventory work would more completely cover the whole peatland area and the quality and liability of the final results would remain at a high level. The old inventory method in place at the Geological Survey of Finland (GTK) is based on the main transect and cross transect approach across a peatland area. The goal of this study was to find a practical grid-based method linked to the geographic information system suitable for field conditions. The triangle-grid method with even distance between the study points was found to be the most suitable approach. A new Ramac-ground penetrating radar was obtained by the GTK in 09, and it was included in the study of new peatland inventory methods. This radar model is relatively light and very suitable, for example, to the forestry drained peatlands, which are often difficult to cross because of the intensive ditch network. The goal was to investigate the best working methods for the ground penetrating radar to optimize its use in the large-scale peatland inventory. Together with the new field inventory methods, a novel interpolation-based method (MITTI) for modelling peat depths was developed. MITTI makes it possible to take advantage of all the available peat-depth data including, at the moment, aerogeophysical and ground penetrating radar measurements, drilling data and the mire outline. The characteristic uncertainties of each data type are taken into account and, in addition to the depth model itself, an uncertainty map of the model is computed. Combined with the grid-based field inventory method, this multi-approach provides better tools to more accurately estimate the peat depths, peat amounts and peat type distributions. Johanna Torppa received funding for this study from the K.H. Renlund foundation. The development of the new peatland inventory method was divided into four separate sections: 1) evelopment of new field inventory method 2) Ground penetrating radar in peat research, 3) Air physics in peat research and 4) Modelling of peat depth. Keywords: peatland inventory, ground penetrating radar, aerogeophysical data, modelling Jukka Turunen Geologian tutkimuskeskus P.O. Box 1237 FI-70211 Kuopio Finland Email: jukka.turunen@gtk.fi
SISÄLLYSLUETTELO 1 TURVEKARTOITUKSEN KENTTÄTUTKIMUSMENETELMÄN KEHITTÄMINEN... 7 1.1 JOHANTO... 7 1.2 AINEISTO... 7 1.3 MENETELMÄT... 8 1.4 TULOKSET... 11 1.4.1 Pistetiheys... 11 1.4.2 Syvyysalueiden pinta-ala- ja turvemäärävertailu... 15 1.4.2.1 Ohranotko... 15 1.4.2.2 Heinäsuo... 18 1.4.2.3 Tuohineva... 21 1.4.3 Suon poikkileikkausprofiilivertailu... 25 1.4.3.1 Kuurusenvuoma... 25 1.4.3.2 Tervaneva... 26 1.4.3.3 Ohranotko... 27 1.4.4 50 metrin puskurivyöhykevertailu... 28 1.5 TULOSTEN TARKASTELU... 31 1.5.1 Syvyysalueiden pinta-ala- ja turvemäärävertailu... 31 1.5.2 Suon poikkileikkausprofiilivertailu... 31 1.5.3 50 metrin puskurivyöhykevertailu... 32 1.6 JOHTOPÄÄTÖKSET... 32 KIITOKSET... 33 KIRJALLISUUS... 33 2 MAATUTKALUOTAUS TURVEKARTOITUKSESSA... 34 2.1 JOHANTO... 34 2.1.1 Maatutkan toimintaperiaate... 34 2.1.2 Yleinen soveltuvuus turvetutkimuksiin... 34 2.1.3 Maatutkat GTK:ssa... 34 2.2 RAMAC-LAITTEISTO... 35 2.3 TURVEKARTOITUKSEN TESTAUSOHJELMA... 37 2.4 MAATUTKALUOTAUKSEN SUUNNITTELU TUTKITTAVALLE SUOLLE... 37 2.5 MAATUTKALUOTAUKSEN MAASTOTYÖT... 38 2.5.1 Tutkan säädöt... 38 2.5.2 Luotausten suoritus talvella... 39 2.5.3 Luotausten suoritus kesällä... 42 2.5.4 Paikannus... 43 2.5.5 Referenssikairaukset... 44 2.6 MAASTOTÖIEN KOKEMUKSIA... 45 2.6.1 Sijainnin korjaus... 45 2.6.2 Syvyysulottuvuus... 45 2.6.3 Maastotietokone maastotöissä... 45 2.6.4 Luotausnopeus... 46 2.6.5 Käytön ohjeistus... 46 2.7 KORKEUSTIEON SAAMINEN... 48 2.8 LUOTAUSTULOKSET... 49 2.8.1 Luotaustulosten tulkinta... 49 2.8.2 atan taltiointi... 51 2.9 YHTEENVETO JA SUOSITUKSET... 52
3 LENTOGEOFYSIIKKA... 53 3.1 TAUSTAA... 53 3.2 MALLINNUS... 55 3.3 TULKINTA... 57 KIRJALLISUUS... 68 4 TURPEEN SYVYYSMALLINNUS... 69 4.1 JOHANTO... 69 4.2 AINEISTOT JA NIIEN VIRHELÄHTEET... 69 4.2.1 Tutkimus- ja syvyystutkimuskairaukset... 69 4.2.2 Maatutkaluotaukset ja referenssikairaukset... 69 4.2.3 Lentogeofysiikan mittaukset ja referenssikairaukset... 70 4.2.4 Suon ulkoraja... 70 4.3 MALLINNUSMENETELMÄ... 71 4.3.1 Algoritmi... 71 4.3.2 Mallinnusmenetelmän vapaat parametrit... 72 4.4 TESTISOIEN MALLINNUS... 73 4.5 TULOSTEN TULKINTAA JA TULEVAISUUEN NÄKYMIÄ... 186 5 YHTEENVETO... 188 6 SUMMARY... 190 KIITOKSET... 192 KIRJALLISUUS... 192
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1 TURVEKARTOITUKSEN KENTTÄTUTKIMUSMENETELMÄN KEHITTÄMINEN (Laatikainen M.) 1.1 johdanto Geologian tutkimuskeskus (GTK) kartoittaa keskitetysti turvevaroja Suomessa. Valtakunnan turvevarojen kartoitusta tehdään paitsi energiaturvevarojen kartoittamiseksi, myös muuhun turpeen käyttöön liittyvien raaka-aineiden paikantamiseksi. Tällaisia käyttömuotoja ovat mm. kasvu-, ympäristö-, viherrakentamis-, öljynpoisto-, kuivike-, eriste-, suodatin-, tekstiili- ja hoitoturve. Kartoitusten tärkeäksi tehtäväksi on tullut myös muun soihin liittyvän tiedon, kuten luontoarvojen, tuottaminen maankäytön suunnittelun pohjaksi kaavoituksiin, suojeluohjelmiin ja rakentamiseen. Varsinainen turvealueiden kartoitus suoritetaan maastotutkimuksena, pääasiassa tutkimuskairauksin ja osittain myös maatutkaluotauksen avulla. Nykyisin GTK kartoittaa noin 30 000 35 000 ha suoalueita vuosittain. GTK:n turvetutkimuksissa on viime vuosina hyödynnetty nykyaikaisia paikkatietosovelluksia ja -laitteita. Vuonna 08 käyttöön otetut Panasonicmaastotietokoneet olivat merkittävä harppaus nykyaikaisten tutkimusmenetelmien ja laitteiden hyödyntämisessä. Pääasiallisena tutkimusmenetelmänä on vuodesta 1941 näihin päiviin saakka ollut linjastotutkimusmenetelmä. Hajapistetutkimuksia on suo- ritettu lähinnä silloin, kun alueelta on tarvittu nopeasti yleistietoja esimerkiksi soiden rakenteesta ja syvyyssuhteista (Lappalainen ym. 1984). Nykyinen linjastotutkimusmenetelmä juontaa juurensa aikaan ennen GPS-laitteita, jolloin paikantaminen suoritettiin kartan, kompassin, bussolin, kulmaprisman ja mittanarun avulla. Ajan välineillä tutkimukset oli sidottava tutkimuslinjastoihin, pistevälin ollessa linjoilla yleensä 50 metriä. Nykyään GPS:n käyttö on poistanut tarpeen sitoa tutkimukset linjastoihin ja tutkimuspisteet voidaan sijoittaa suolle tavalla, jolla saavutetaan paras mahdollinen hyöty ja tehokkuus turvetutkimusten laadun heikkenemättä. Turvetutkimusten menetelmäkehitystä tehtiin Keski-Suomen harvapistekartoitus projektin yhteydessä vuonna 09. Projektin alussa tutkimusmenetelmänä oli suon vallitsevan altaan poikki kulkevan selkälinjan tutkiminen, mutta raportoinnin yhteydessä havaittujen menetelmäpuutteiden vuoksi siirryttiin varsinaiseen harvapistetutkimukseen. Soveltuvimmaksi menetelmäksi todettiin tasavälinen kolmiopisteverkko. 1.2 AINEISTO Aineistona käytettiin GTK:n tietokannan turveaineistoa sekä vuonna 09 kerättyä maatutkaluotausaineistoa. Aineisto pyrittiin valitsemaan siten, että vertailtavat suot kattaisivat mahdollisimman suuren maantieteellisen alueen mitään tiettyä aluetta painottamatta. Pistetiheyden tarkastelussa käytettiin 42 suon otosta. Pinta-ala-, turvemäärä-, suon poikkileikkausprofiili- ja pistemäärävertailussa käytettiin kussakin kolmen suon otosta (kuva 1.1). 7
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 1.3 menetelmät Tamän osion tarkoituksena on vertailla linjastotutkimus- ja pisteverkkotutkimusmenetelmiä. Osiossa tarkastellaan molempien menetelmien hyviä ja huonoja ominaisuuksia, jotta saataisiin kehitettyä käyttöön sellainen tutkimusmenetelmä, missä hyödynnetään eo. menetelmien parhaita puolia. Ensimmäisessä esimerkissä (kuvat 1.3a 1.5c, taulukot 1.1 1.3) vertaillaan tutkimuslinjaston perusteella manuaalisesti piirrettyjä syvyysalueita ja tutkimuspisteverkon perusteella interpoloimalla (Spatial Analyst) muodostettuja syvyysalueita; niiden pinta-aloja ja turvemääriä. Pistetiheys eri menetelmissä pidettiin menetelmien välisen vertailtavuuden vuoksi mahdollisimman identtisenä. Vertailun mahdollistamiseksi soista piirrettiin myös syvyysalueet perustuen kaikkeen soilta kerättyyn tutkimusaineistoon (tutkimus- ja syvyyspisteet sekä maatutkaluotausprofiileista tulkitut pisteet) Kattavimman aineiston johdosta tämä syvyysaluemalli on perustellusti tarkin ja realistisin malli tarkastellusta suosta ja tätä mallia käytettiin vertailupohjana eo. kahden eri menetelmän tulosten oikeellisuutta arvioitaessa. Toinen vertailukohta linjastotutkimus- ja pisteverkkotutkimusmenetelmien välillä on suon poikkileikkausprofiileista saatava informaatio ja profiilien menetelmäkohtaiset erot. Suon poikkileikkausp- rofiilivertailuissa lähtötilanteena on tutkimuslinja 50 metrin pistevälillä (100 metrin tutkimuspistevälillä). Tähän lähtötilanteeseen verrataan suon pohjan muodon muutoksia pistevälin kasvaessa 50 metristä 100 metriin. Vertailussa tutkitulta linjalta poistettiin pisteitä tilanteen mukaan ja piirrettiin profiili uudestaan profiilin piirto-ohjelmalla (kuvat 1.6a 1.8b). Kolmannessa esimerkissä (kuvat 1.9a 1.9d) vertaillaan pisteiden jakautumista ja niiden kattavuutta eri menetelmien välillä. Esimerkkisuolle muodostettiin 300 satunnaisen pisteen pistejoukko sekä tutkimuslinjasto- ja tutkimuspisteverkkopisteiden ympärille 50 metrin puskurivyöhyke. Kussakin tapauksessa (kuvat 1.9a 1.9d) laskettiin muodostetun puskurivyöhykkeen alueelle osuneet pisteet 300 satunnaisen pisteen joukosta. Saadulla suhdeluvulla arvioitiin puskurivyöhykkeen ja samalla tutkimuslinjaston tai tutkimuspisteverkon kattavuutta. Kuvassa 1.10 esitetään tutkimuslinjaston ja tutkimuspisteverkkojen pistetiheyttä kymmentä hehtaaria kohden. Kuvassa 1.11 on tutkimuslinjaston ja tutkimuspisteverkkojen 50 metrin puskurivyöhykkeen kattavuus ja kuvassa 1.12 muodostuneelle puskurivyöhykkeelle osuvien pisteiden määrä eri pistetiheyksillä satunnaisen 300 pisteen joukosta. Kuva 1.1 Esimerkkisoiden sijainnit. 8
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1.4 TULOKSET 1.4.1 Pistetiheys GTK:n 00-luvulla tutkimien soiden kokonaispistetiheys (tutkimuspisteet (B) + syvyystutkimuspisteet (C)) vaihtelee linjastotutkimusmenetelmällä tutkituilla soilla välillä 4,2 17 pistettä/10 ha (ka. = 12, n = 42 suota). Tutkimuspistetiheys vaihtelee välillä 2,2 8,6 pistettä/10 ha (ka. = 5,3). Jos tutkimuspistemäärästä jätetään pois ne tutkimuspisteet, joilla ei ole turvelajitietoja (suon reunapisteet), niin tutkimuspistetiheydeksi saadaan 1,9 7,4 pistettä/10 ha (ka. = 4,0). Tämän perusteella todellinen tutkimusja syvyystutkimuspiste -suhde linjastotutkimuksessa olisi 1/3 (B/C). Tutkimuspisteverkkomenetelmässäkin tutkimusja syvyystutkimuspisteiden suhde voisi olla 1/3. Jotta saavutettaisiin sama pistetiheys, kuin nykyisessä linjastotutkimuksessa (keskimäärin 12 pistettä/10 ha), niin tutkimuspisteverkon pistevälin tulisi olla noin 100 metriä. Tapauskohtaisesti tutkimussuunnittelussa on mahdollista joko suurentaa tai pienentää pisteväliä ja samalla pistetiheyttä. Kuvissa 1.2a ja 1.2b on esitetty samalla pistetiheydellä olevat tutkimuslinjasto ja pisteverkko sekä soiden poikkileikkausprofiilit. 9
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 1.2a. Tutkimuslinjasto ja suon poikkileikkausprofiili selkälinjalta 50 m:n pistevälillä. Kuva 1.2b. Tutkimuspisteverkko ja suon poikkileikkausprofiili 100 m:n pistevälillä. 10
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1.4.2 Syvyysalueiden pinta-ala- ja turvemäärävertailu 1.4.2.1 Ohranotko, Pylkönmäki (ATK-nro 13211) Ohranotko sijaitsee Keski-Suomessa Pylkönmäellä. Suo on tutkittu vuonna 07 tutkimuslinjastolla ja täydennetty syvyystutkimuspisteillä vuonna 09. Kesällä 09 Ohranotko tutkittiin turvetutkimusten menetelmäkehityksen yhteydessä lisäksi tutkimuspisteverkolla (kolmiopisteverkko, pisteväli n. 100 m). Pistetiheys linjastotutkimusmenetelmässä on 13,2 pistettä/10 ha (B/C/10 ha: 3,2/10,0) ja tutkimuspisteverkossa 11 pistettä/10 ha (B/C/10 ha: 4,7/6,4). Kokonaispistemäärä linjastomenetelmässä on 94 kpl (B 23 kpl, C 71 kpl) ja tutkimuspisteverkossa 83 kpl (B 35 kpl, C 48 kpl). Suon aineisto käsiteltiin ja syvyysalueet piirrettiin kummankin menetelmän perusteella erikseen. Tutkimuslinjaston perusteella suon syvyysalueet piirrettiin manuaalisesti ja tutkimuspisteverkon perusteella syvyysalueet interpoloitiin syvyysrasterimalliksi, jonka jälkeen ne muutettiin syvyysaluevektoreiksi. Taulukossa 1.1 on esitetty eri menetelmillä saadut pinta-alat ja turvemäärät. Kuvissa 1.3a ja 1.3b on eri menetelmien perusteella piirretyt syvyysalueet ja pisteiden sijainnit. Taulukko 1.1. Pinta-ala- ja turvemäärävertailuja Ohranotkosta linjasto- ja pisteverkkotutkimusten perusteella. 11
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 1.3a. Linjastotutkimus Ohranotkossa. Kuva 1.3b. Pisteverkkotutkimus Ohranotkossa, pisteväli 100 m. 12
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1.4.2.2 Heinäsuo (ATK-nro 22632) Heinäsuo sijaitsee Valtimon ja Sotkamon kuntien rajalla. Suo tutkittiin lokakuussa 09 tutkimuslinjastolla (kuva 1.4a) sekä täydennettiin samaan aikaan maatutkaluotauksella (kuva 1.4c). Maatutkalinjat suunniteltiin siten, että maatutkaprofiileista voitiin tulkita koko suon alalle 100 metrin pistevälillä oleva kolmiopisteverkko. Kokonaispistemäärä linjastomenetelmässä on 89 kpl (B 47 kpl, C 42 kpl) ja tutkimuspisteverkossa 94 kpl (B 26 kpl, C 68 kpl). Suon aineisto käsiteltiin ja syvyysalueet piirrettiin kummankin menetelmän perusteella erikseen. Linjastotutkimuksen perusteella suon syvyysalueet piirrettiin manuaalisesti ja pisteverkon perusteella syvyysalueet interpoloitiin syvyysrasterimalliksi, jonka jälkeen ne muutettiin syvyysaluevektoreiksi. Lopuksi kaikki suolta kerätty aineisto; tutkimus- ja syvyystutkimus- sekä maatutkatulkintapisteet yhdistettiin yhdeksi aineistoksi ja kaikkien pisteiden (505 kpl) perusteella piirrettiin syvyysalueet. Taulukossa 1.2 on esitetty eri menetelmillä saadut pinta-alat ja turvemäärät sekä kuvissa 1.4a-1.4c eri menetelmien perusteella piirretyt syvyysalueet. Taulukko 1.2. Pinta-ala- ja turvemäärävertailuja Heinäsuolta linjasto- ja pisteverkkotutkimusten sekä kaikkien pisteiden perusteella. 13
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 1.4a. Tutkimuslinjaston perusteella piirretyt syvyysalueet Heinäsuolla. Kuva 1.4b. Tutkimuspisteverkon perusteella piirretyt syvyysalueet Heinäsuolla. 14
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Kuva 1.4c. Kaikkien pisteiden perusteella piirretyt syvyysalueet ja maatutkalinjat Heinäsuolla. 15
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 1.4.2.3 Tuohineva, Sievi (ATK-nro 3167) Tuohineva sijaitsee Sievin kunnassa Pohjois-Pohjanmaalla. Suo on tutkittu tutkimuslinjastolla vuonna 1980 ja täydennetty 00-luvulla tilaustyönä. Tuohinevalla tehtiin syvyysalue- ja turvemäärävertailuja syvyystutkimuspisteiden perusteella. Vertailua varten muodostettu tutkimuslinjasto jouduttiin sijoittamaan vertailussa alkuperäisten pisteiden sijainnin vuoksi hieman epäedullisesti, eikä vertailutulos ole välttämättä paras mahdollinen. Vertailussa muodostettiin 50 x 100 m:n suorakulmaisesta pisteverkosta tutkimuslinjasto (kuva 1.5a) sekä 100 x 100 m:n neliöpisteverkko (kuva 1.5b). Kummassakin tapauksessa syvyystutkimuspisteitä on 104 kpl eli 11,2 pistettä/10 ha. Suon aineisto käsiteltiin ja syvyysalueet piirrettiin kummankin menetelmän perusteella erikseen. Linjastotutkimuksen perusteella suon syvyysalueet piirrettiin manuaalisesti ja pisteverkon perusteella syvyysalueet interpoloitiin syvyysrasterimalliksi, jonka jälkeen ne muutettiin syvyysaluevektoreiksi. Lopuksi kaikki suolta kerätty aineisto; tutkimus- ja syvyystutkimus- sekä maatutkatulkintapisteet yhdistettiin yhdeksi aineistoksi ja kaikkien pisteiden (268 kpl) perusteella piirrettiin syvyysalueet (kuva 1.5c). Taulukossa 3 on esitetty eri menetelmillä saadut pinta-alat ja turvemäärät. Taulukko 1.3. Pinta-ala- ja turvemäärävertailuja Tuohinevalta linjasto- ja pisteverkkotutkimusten sekä kaikkien pisteiden perusteella. 16
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Kuva 1.5a. Tutkimuslinjaston perusteella piirretyt syvyysalueet. Kuva 1.5b. Tutkimuspisteverkon perusteella piirretyt syvyysalueet. 17
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 1.5c. Kaikkien pisteiden perusteella piirretyt syvyysalueet Tuohinevalta. 18
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1.4.3 Suon poikkileikkausprofiilivertailu 1.4.3.1 Kuurusenvuoma, Kolari (ATK-nro 14650) Kuvissa 1.6a ja 1.6b näkyy Kuurusenvuoman poikkileikkausprofiilien muutokset pistevälin kasvaessa 50 m:stä 100 m:iin. Profiilien pystypalkeista (oranssi/vihreä) käy myös selville turvelajien kerrosjärjestyksestä saatavan informaation muutokset pistevälin kaksinkertaistuessa. Profiilin suunta on suon pituussuunnassa etelälounaasta pohjoiskoilliseen. Kuva 1.6a. Kuurusenvuoman poikkileikkausprofiili 50 metrin pistevälillä (vasen kuva). Kuva 1.6b. Kuurusenvuoman poikkileikkausprofiili 100 metrin pistevälillä (oikea kuva). 19
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 1.4.3.2 Tervaneva, Isokyrö (ATK-nro 152) Kuvissa 1.7a ja 1.7b näkyy Tervanevan poikkileikkausprofiilien muutokset pistevälin kasvaessa 50 m:stä 100 m:iin. Kuvien 1.7b ja 1.7c pystypalkeista (harmaa/vihreä) nähdään puolestaan turvelajien kerrosjärjestyksen muutokset pistevälin kaksinkertaistuessa. Profiilin suunta on suon pituussuunnassa lounaasta koilliseen. Kuva 1.7a. Tervanevan poikkileikkausprofiili 50 metrin pistevälillä. Kuva 1.7b. Tervanevan poikkileikkausprofiili 100 metrin pistevälillä. Kuva 1.7c. Tervanevan poikkileikkausprofiili 100 metrin pistevälillä ja 0 metrin tutkimuspistevälillä.
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1.4.3.3 Ohranotko, Pylkönmäki (ATK-nro 13211) Kuvissa 1.8a ja 1.8b näkyy Ohranotkon poikkileikkausprofiilien muutokset pistevälin kasvaessa 50 m:stä 100 m:iin. Profiilin suunta on suon pituussuunnassa pohjoisluoteesta itäkoilliseen. Kuva 1.8a. Ohranotkon poikkileikkausprofiili 50 metrin pistevälillä (vasen kuva). Kuva 1.8b. Ohranotkon poikkileikkausprofiili 100 metrin pistevälillä (oikea kuva). 21
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 1.4.4 50 metrin puskurivyöhykevertailu Kuvissa 1.9a 1.9d tarkastellaan 50 m:n puskurivyöhykkeen avulla tutkimuslinjaston (kuva 1.9a) ja eri pistevälillä olevien tutkimuspisteverkkojen (kuvat 1.9b 1.9d) pisteiden jakautumista ja kattavuutta suolla. Kuvien 1.9a ja 1.9b pistetiheys on sama. Kuvassa 1.10 tarkastellaan eri tutkimusmenetelmien pistetiheyttä / 10 ha. Kuva 1.9a. Tutkimuslinjaston perusteella muodostettu 50 m:n puskurivyöhyke ja sen alueelle osuvat pisteet (148 kpl) 300:sta satunnaisesta pisteestä. Kuva 1.9b. 95 m:n pistevälillä olevan pisteverkon perusteella muodostettu 50 m:n puskurivyöhyke ja sen alueelle osuvat pisteet (257 kpl) 300:sta satunnaisesta pisteestä. 22
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Kuva 1.9c. 125 m:n pistevälillä olevan pisteverkon perusteella muodostettu 50 m:n puskurivyöhyke ja sen alueelle osuvat pisteet (150 kpl) 300:sta satunnaisesta pisteestä. Kuva 1.9d. 150 m:n pistevälillä olevan pisteverkon perusteella muodostettu 50 m:n puskurivyöhyke ja sen alueelle osuvat pisteet (114 kpl) 300:sta satunnaisesta pisteestä. 23
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 1.10. Kuvien 1.9a 1.9d eri tapausten pistetiheys kymmentä hehtaaria kohti. 1.5 tulosten tarkastelu 1.5.1 Syvyysalueiden pinta-ala- ja turvemäärävertailu Riippumatta tutkimusmenetelmästä (linjasto- tai pisteverkkotutkimus), eivät syvyysalueiden pintaalat ja turvemäärät oleellisesti vaihtele eri menetelmien kesken, jos pistetiheys kummassakin menetelmässä pysyy samana (taulukot 1.1-1.3). Tällöin ratkaisevin tekijä pinta-alojen ja turvemäärien vaihtelun välillä aiheutuu siitä, mihin kohtaan tulkitsija syvyysalueen rajan määrittää. Perinteisesti geologi, tutkimusassistentti tai -avustaja on piirtänyt soiden syvyysalueet paperille käsin tutkimuslinjastolla sijaitsevien pisteiden perusteella. Tämän jälkeen syvyysalueet on piirretty digitaaliseen muotoon, nykyisin ArcMap-ympäristössä. Ongelmana tässä nykyisessä menettelyssä on syvyysalueiden piirtämisen menettelyerot eri henkilöiden kesken. Syvyysalueiden pinta-alat ja sitä kautta myös turvemäärät voivat tapauskohtaisesti poiketa huomattavastikin toisistaan. Tutkimuspisteverkon myötä syvyysalueiden muodostaminen nopeutuu ja yhtenäistyy hyödynnettäessä samoilla parametreillä suoritettuja interpolointimenetelmiä. Menetelmät toimivat parhaiten aineiston ollessa tasaisesti jakautunutta. Esimerkiksi ArcGIS:n Spatial Analyst:n interpolointityökalut toimivat hyvin aineiston ollessa tasalaatuista. Toki on huomioitava, ettei tietokonekaan osaa ottaa huomioon kaikkia pisteiden väliin jääviä suon pohjan muotoja; mitä suurempi pisteväli, sitä epätarkempi syvyysaluemallista luonnollisesti muodostuu. Näiden epävarmuuksien ennustaminen ja hienosäätö jää edelleenkin tutkijan geologisen taidon ja kokemuksen varaan. Tutkijan on siis osattava määrittää suolle tapauskohtaisesti sopiva pisteverkon pisteväli perustuen geologiseen tulkintaan ja kokemukseen. 24
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 1.5.2 Suon poikkileikkausprofiilivertailu Suon poikkileikkausprofiilista tulee luonnollisesti sitä yleispiirteisempi mitä suurempaa pisteväliä käytetään. 100 metrin pistevälillä saadaan kuitenkin suon pohjan muodoista ja turvelajeista hyvä yleiskuva. Tämän raportin esimerkkien perusteella ei tasaisen topografian alueilla havaita suon poikkileikkausprofiileissa juurikaan eroa pistemäärän vähentyessä puoleen ja samalla pistevälin kasvaessa kaksinkertaiseksi (kuvat 1.7a ja 1.7c). Jyrkemmän topografian alueilla (kuvat 1.8a ja 1.9b) jää pienempipiirteisiä pohjan muotoja havainnoimatta, kun pisteväli kasvaa kaksinkertaiseksi. Maatutkaluotauksissa on tosin tullut esille, että vaihtelevan ja jyrkän topografian alueilla voi 50 metrinkin matkalla esiintyä painanteita ja kohoumia, joita ei havaita edes 50 metrin pistevälin tutkimuslinjastolla. Linjastotutkimusmenetelmässä saadaan hyvä yleisprofiili linjojen kohdilta, missä pisteväli on 50 metriä, mutta profiilien suunnat rajoittuvat ainoastaan tutkimuslinjoille. Pisteverkkomenetelmässä saadaan profiileita huomattavasti monipuolisemmin koko suon alalta, joskin pistetiheydestä riippuen profiilit ovat yleistetympiä kuin linjastotutkimusmenetelmällä saadut. 1.5.3 50 metrin puskurivyöhykevertailu Kuvien 1.9a ja 1.9b tapauksissa pistetiheys on noin 13 pistettä / 10 ha (kuva 1.10). Muodostuneiden puskurivyöhykkeiden alueille osuu kuvassa 1.9a satunnaisia pisteitä 148 kpl ja kuvassa 1.9b 257 kpl. Kuvan 1.9c tapauksessa pisteväli on 125 m ja pistetiheys 7 pistettä / 10 ha (kuva 1.10). Silti kuvan 1.9c tapauksessa satunnaisia pisteitä tulee valittua 150 kpl, eli yhtä paljon kuin kuvan 1.9a tapauksessa (148 kpl). 150 metrin pistevälillä (kuva 1.9d) pistetiheys on noin 6 pistettä / 10 ha ja puskurivyöhykkeelle osuvia satunnaisia pisteitä on 114 kpl. Puskurivyöhykevertailun perusteella havaitaan, että tasavälisessä pisteverkossa (kuvat 1.9b 1.9d) pisteet kattavat koko suon alan tasaisemmin verrattuna tutkimuslinjastoon (kuva 1.9a), eikä linjastojen väliin jääviä alueita jää tutkimatta. On huomioitava, että esimerkki on vain yhdeltä suolta ja suokohtaisesti arvot voivat vaihdella huomattavastikin riippuen tutkimuslinjastojen ja tutkimuspisteverkon sijoittelusta, mutta tulokset ovat luultavasti suuntaa-antavia. 25
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 1.6 JOHTOPÄÄTÖKSET Edellä esitettyjen esimerkkien perusteella tasavälisen tutkimuspisteverkon hyödyt GTK:ssa käytössä olevaan linjastotutkimusmenetelmään nähden ovat selkeät. Perinteisen tutkimuslinjaston pisteet kattavat suon tietyt osat varsin tarkasti (pisteväli 50 metriä), mutta toisaalta taas vaihtelevan kokoisia, toisinaan suuriakin alueita jää kartoittamatta. Tasavälisellä tutkimuspisteverkolla suo saadaan kartoitettua aina tasaisesti, eikä vastaavanlaisia aukkoja tai pistetihentymiä tule enää esiintymään. Siirtyminen linjastotutkimusmenetelmästä pisteverkkotutkimusmenetelmään heikentää paikoitellen poikkileikkausprofiilien tarkkuutta, mutta vastaavasti profiileita saadaan pisteverkossa monipuolisemmin mistä osasta suota tahansa. On oletettavaa, että tällaisella tasaisesti kattavalla pisteverkolla saavutetaan entistä todenmukaisemmat turvelajijakaumat sekä pinta-ala- ja turvemääräarviot. Jos pistetiheys pidetään tutkimuspisteverkossa saman suuruisena (pisteväli n. 95-100 m), kuin nykyisin tutkimuslinjastossa (n. 12-13 pistettä/10 ha), niin turvetutkimuksissa ei todennäköisesti saavuteta työajan tehostumista. Suolla käytetty aika saattaa päinvastoin kasvaa pisteverkosta johtuvan kuljettavan kävelymatkan pidentyessä. Pistetiheyden pysyessä samana turvetutkimusten laatu tulee paranemaan. Tässä tapauksessa hyöty ilmenee siten, että suon turvelajeista ja -määristä saadaan muodostettua todenmukaisempi malli pisteiden paremmalla sijoittelulla. Vertailevien tutkimusten puuttuessa ei voida varmuudella sanoa, miten turvetutkimusten laatu mahdollisesti muuttuu pistetiheyden vähetessä. Tämä vaatisikin muutaman suon tutkimista kummallakin menetelmällä. Puskurivyöhyketarkastelun perusteella voidaan kuitenkin olettaa, että 125 metrin pistevälillä olevalla tutkimuspisteverkolla saadaan laadullisesti samansuuntaisia tuloksia kuin perinteisellä linjastotutkimuksella (50 metrin piste- ja 0 metrin linjaväli). On myös huomioitava, ettei nykyinen linjastotutkimusmenetelmä 0 metrin poikkilinjavälillä anna kattavaa kuvaa suosta, vaan tutkimustulos on tapauskohtaisesti vaihteleva yleistys suon todellisista ominaisuuksista. Tutkimusaineiston jälkikäsittelyn osalta tutkimuspisteverkko yhtenäistää ja nopeuttaa mm. syvyysalueiden piirtämistä, kun syvyysaluemalli voidaan interpoloida esimerkiksi Arc GIS:n Spatial Analyst -työkaluilla. Tasavälisen tutkimuspisteverkon ja numeeristen interpolointimenetelmien kehityksen myötä päästään entistä tarkempiin suon syvyys-, turvemäärä- ja turvelajiarvioihin. 26
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu KIITOKSET Raportin tekstiä ovat kommentoineet ja parannusehdotuksia antaneet geologit Jukka Leino ja Samu Valpola sekä erikoistutkijat Jukka Turunen ja Kimmo Virtanen. KIRJALLISUUS Lappalainen, E., Stén, C.-G. & Häikiö, J. 1984. Turvetutkimusten maasto-opas. Geologian tutkimuskeskus. Opas n:o 12, 62 s. 27
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2 MAATUTKALUOTAUS TURVEKARTOITUKSESSA (Leino J.) 2.1 JOHANTO 2.1.1 Maatutkan toimintaperiaate Maatutkalaitteistolla lähetetään maaperään hyvin tiheästi sähkömagneettisia pulsseja, joiden energiasta osa heijastuu takaisin, mikäli maaperässä on sähköinen rajapinta. Tällainen rajapinta voi olla esimerkiksi maalajien muutoskohdassa. Kun laitteistoa lii- kutetaan pitkin mitattavaa pintaa, saadaan rajapinnoista jatkuva profiili, jonka laitteisto tallentaa. Luotaustulosten tulkinnan tueksi on aina syytä käyttää referenssikairauksia, joilla saadaan tietoa rajapintojen vastaavuudesta maaperän vaihteluihin. 2.1.2 Yleinen soveltuvuus turvetutkimuksiin Maatutkan hyvä soveltuvuus turvekerroksen paksuuden määritykseen on havaittu jo varhaisissa maatutkan soveltuvuustesteissä, esimerkiksi GTK:n raportissa vuodelta 1984: Geofysikaalisten mittausmenetelmien soveltuvuus maaperätutkimuksiin, raportti P 13.4/84/157. Maatutkaluotausta käytettiin laajalti turvekartoituksissa Pudasjärvellä ja jossakin määrin myös muualla Suomessa. Syynä suhteellisen vähäiseen käyttöön oli se, että laitteisto oli kooltaan iso ja painava. Se oli sijoitettava kookkaisiin maastokulkuneuvoihin, joita ei voinut käyttää kuin avoimilla, ojittamattomilla soilla talviaikaan. 2.1.3 Maatutkat GTK:ssa Koska maatutkaluotaus soveltuu hyvin myös muihin maaperätutkimuksiin ja esimerkiksi pohjavesija rakennuskivitutkimuksiin, laitteistoja on käytössä GTK:n jokaisessa alueyksikössä. Turvetutkimuksissa maatutkaluotausta käytetään nykyisin ympärivuotisesti pääasiassa turvetuotantoalueita koskevissa tilaustöissä. Laitteisto on sijoitettu mönkijään tai moottorikelkkaan ja antenni vedetään aisan päässä vetolaitteen takana. Tällainen yhdistelmä ei sovellu turvekartoitukseen, koska valtaosa nykyisistä tutkimuskohteista on kokonaan tai lähes kokonaan ojitettuja ja puustoisia, jolloin liikkuminen olisi hyvin hidasta tai mahdotontakin. 2.2 RAMAC-LAITTEISTO Viime vuosina ruotsalainen maatutkavalmistaja MALÅ Geoscience on kehittänyt RTA-antennin, josta on pyritty tekemään hyvin maastokelpoinen (kuvat 2.1-2.2). Antenni on kuin muutaman metrin pituinen paloletku, jota vedetään pitkin mitattavaa pintaa. Laitteisto on yhden henkilön käytettävissä: näyttö on luotaajan rinnalla, keskusyksikkö repussa selässä ja antennin vetokaapeli kiinnitetään vyöhön. Antennista on saatavissa 100 MHz:n taajuudella toimiva versio, joka on sopiva turvekartoitukseen. 28
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Kuva 2.1. MALÅ Geoscience:n 100 MHz:in RTA-antenni. Kuva 2.2. Keskusyksikkö Pro EX varustettuna kahdella antennipaikalla. Laitteisto testattiin Itä-Suomen yksikössä Kuopiossa syksyllä 08 ja testin perusteella laitteisto soveltuu hyvin turvekartoitukseen ja maaperätutkimukseen. Hankinta toteutui vuoden 09 alussa ja kokoonpano oli: - Keskusyksikkö Pro EX varustettuna kahdella antennipaikalla - Monitor näyttölaite - 100 MHz:in RTA-antenni - 25 MHz:in RTA-antenni 25 MHz:in antenni hankittiin maaperätutkimuksia varten. Antenni on testeissä osoittautunut hyödylliseksi varsinkin harju- ja pohjavesitutkimuksissa. Kaksi antennipaikkaa mahdollistaa lisäksi kahden antennin käytön yhtä aikaa. Turvekartoituksessa ei tähän ole tarvetta, mutta muussa maaperätutkimuksessa kahden antennin käytöstä on saatavissa lisäarvoa tutkimuksille. 29
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2.3 turvekartoituksen testausohjelma Koska laitteisto saatiin käyttöön keväällä 09, sitä ehdittiin testata heti talviolosuhteissa. Testisuot olivat Kesälahdella, Ranualla, Sonkajärvellä ja Varpaisjärvellä. Olosuhteet olivat sopivan talviset ja saatiin hyvä kuva laitteiston käytettävyydestä talviolosuhteissa. Kesällä laitteisto oli käytössä Keski-Suomen harvapistekartoituksen yhteydessä ja Sonkajärven turvekartoituksissa. Laser-keilausaineiston hyödyntämistä korkeustiedon saamiseen luotauslinjoille testattiin Alavuden Kiviahonnevalla. Laitteiston käyttöä esiteltiin maastossa ESY:n, LSY:n ja PSY:n turvetutkijoille heidän työmaillaan. Tarkoituksena oli antaa kaikille kuva maatutkaluotauksen käytöstä turvekartoituksessa ja saada mielipiteitä laitteiston käytettävyydestä. Vuonna 09 saatiin kokemuksia maatutkaluotauksen soveltuvuudesta turvekartoitukseen kaikkiaan 42:lta eri suolta. Varsinaisia erillisiä testikohteita ei ollut, vaan kaikki tehdyt maastotyöt kohdistuivat kartoitettaviin soihin ja luotaustulokset tullaan viemään turvetietokantaan. 2.4 maatutkaluotauksen suunnittelu tutkittavalle suolle Maatutkaluotauksen totetuttamisajankohta (ennen, samanaikaisesti tai varsinaisen turvekartoituksen jälkeen) vaikuttaa ratkaisevasti luotauslinjojen sijoittamiseen. Käyttötapa riippuu paljolti siitä, milloin laitteisto on alueella käytettävissä. Nykyisin syvyystutkimuspisteiden kairauksia tehdään Teknisten palveluiden toimesta varsinaisen maastokartoitusajan ulkopuolella, yleensä 4 6 kk talviaikaan. Mikäli maatutkaluotauksia tehdään tässä yhteydessä, kairauspisteiden määrää voidaan vähentää ja kairata pelkästään maatutkaluotauksen referenssipisteitä. Myös Teknisten palveluiden henkilöstöä voidaan kouluttaa maatutkaluotauksen maastotyöhön. Luotaustulokset ovat siis käytettävissä ennen varsinaisia tutkimuskairauksia, jolloin tutkittavasta suosta on olemassa runsaasti esitietoa. Varsinaisissa tutkimuskairauksissa voidaan tarvittaessa tarkistaa maatutkaluotauksen vaikeasti tulkittavia kohteita ja näin parantaa tulkintatulosta. Turvetutkimusprosessin kannalta tämä luotausten suoritustapa on hyödyllisin. Maatutkaluotausta voidaan tehdä myös samanaikaisesti tutkimuskairausten kanssa, jos laitteisto ei ole käytettävissä aikaisemmin. Luotauslinjat voivat noudattaa pääsääntöisesti kairausten tutkimussuunnitelmaa. Tässä menettelytavassa referenssipisteitä kertyy riittävä määrä. Poikkeamia suunnitelmiin voidaan tehdä, mikäli kairausten perusteella tarvetta ilmenee. Toisaalta luotauslinjat voivat olla myös täysin itsenäisiä, eikä niiden tarvitse olla tutkimuspisteverkkoon sidottuja. Maatutkaluotauksella korvataan syvyystutkimuspisteiden kairaus, jolloin tämä työvaihe jää pois. Etuna on myös, että luotausta voidaan kohdistaa sellaiseen suuntaan, joka näyttää vaativan lisäselvitystä esimerkiksi turvekerroksen paksuusvaihtelun, pohjamaalajien tai liejukerrosten esiintymisen suhteen. Tutkimuskairausten jälkeen tehtävä luotaus tarkentaa ja täydentää tutkimus- ja syvyystutkimuspisteiden antamaa tietoa. On oltava jokin syy, jonka takia täydentäviä tutkimuksia tehdään ja luotauslinjat suunnitellaan tämän tarpeen mukaan. Täydennystarve voi olla paikallaan esimerkiksi liejuesiintymien laajuuden selvittämiseksi tai jos alkuperäinen tutkimuspisteverkko on harva ja/tai suon pohja hyvin epätasainen. Työpäivän luotausreitin suunnittelu riippuu tietysti paljon olosuhteista, kuten matkasta suolle, oletetusta syvyydestä, suon saarekkeisuudesta ja lahdekkeisuudesta. Pisteverkkoon perustuva kartoitussuunnitelma tarjoaa maatutkaluotaukseen enemmän reittimahdollisuuksia kuin perinteinen linjastosuunnitelma. 30
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 2.5 maatutkaluotauksen maastotyöt 2.5.1 Tutkan säädöt Luotauksen valmisteluun kuuluu laitteiston kokoaminen ja maatutkan säätöjen tekeminen. Säädöt voidaan tehdä valmiiksi pitkälti etukäteen. Kun luotausta tehdään toistuvasti ominaisuuksiltaan melko samanlaisilla kohteilla, säätöjä ei tarvitse välttämättä päivittäin muuttaa. Laitteistossa on se hyvä piirre, että edelliset säädöt ovat laitteiston muistissa, kun uusi luotaus aloitetaan ja luotaus voidaan tehdä kohteella heti virran kytkemisen jälkeen. Käytännössä on havaittu, että noin 350 ns:in aikaikkuna on sopiva useimmissa turpeen luotaustapauksissa. Tällöin turvekerroksen paksuus voi olla noin 6 metriä ja pohjamaastakin saadaan vielä kuvaa (kuva 2.3). Antennitaajuudesta johtuen ohuet, 10 cm paksut liejukerrokset eivät luotausdatassa usein erotu, koska antennin erotuskyky ei riitä. Turvekerroksen paksuusvaihteluiden mukaan voidaan syvyysulottuvuutta tarvittaessa vähentää tai lisätä. Maastossa voidaan luotausdatalle tehdä suodatuksia ja vahvistuksia huoletta, sillä laitteisto tallentaa primääridatan, eikä tehtyjä käsittelyjä. Tulkintaohjelman monipuoliset välineet ovat myöhemmin käytettävissä datan käsittelyyn ja tulosten tulkintaan. Kuva 2.3. Luotausprofiilia Ramac-maatutkan näytöllä. Vihreä merkki osoittaa referenssikairauksen paikan. Monitor-näytön oikeassa reunassa säätöjen painikkeet. 31
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2.5.2 Luotausten suoritus talvella Laitteiston pakkaskestävyydeksi valmistaja ilmoittaa - ºC. Kokemusten mukaan maatutkaluotauksen kenttätöitä ei kannata tehdä yli - asteen pakkasessa. Kylmemmässä säässä akkujen varaus loppuu nopeasti ja kaapelit voivat rikkoutua. Lumikerroksen paksuus ei ole este, riippuen tosin lumen laadusta. Liikkumista helpottaa, jos esimerkiksi ojat ovat ummessa (kuvat 2.4 ja 2.5). Liikkumista testattiin suksilla ja lumikengillä (kuvat 2.4-2.5). Molemmat ovat käyttökelpoisia, mutta sukset ovat ehkä käytännöllisemmät ojien ylityksissä. Antenni liukuu lumessa kevyesti, lähes huomaamatta vetäjän perässä. Vaarana on oikeastaan antennin unohtaminen, jolloin mahdollinen takertuminen esimerkiksi puiden alaoksiin voi tulla yllätyksenä. Suon pinnan routakerros ei haittaa myöskään luotausta. Roudan vaikutus huomioidaan referenssikairausten kautta tulosten tulkinnassa. Maatutkaluotauksen kannalta huonot olosuhteet vallitsevat silloin, kun suolla on paksuhko kerros suojalunta ja sen alla routakerros. Näissä oloissa luotausdataan tulee usein tulkintaa häiritseviä rajapintoja ja maastossa voi olla vaikea seurata turvekerroksen alarajan kulkua. Tulkinnan yhteydessä näitä häiriöitä voidaan ohjelmallisesti poistaa ja saada kelvollinen tulkintatulos, mutta se lisää työvaiheita ja ajankulua. Kuva 2.4. Luotausta lumikenkiä käyttäen. Pehmeää pakkaslunta 40 cm. Maatutkaluotauksessa kahden hengen työryhmä todettiin tehokkaimmaksi. Toinen henkilö toimii suunnistajana/referenssikairaajana, joka huolehtii pysymisestä suunnitellulla reitillä, kuljettaa kairakaluston ja tarvittaessa jääkairan ja tekee referenssikairaukset. Suunnistukseen voidaan käyttää maastotietokonetta (Panasonic + GPS), kämmentietokonetta (Recon, Thales) tai käsi-gps-laitetta. Varsinainen luotaaja tulee noin 5 10 metriä taaempana ja hoitaa tutkan käytön, huolehtii antennin tasaisesta vetämisestä, seuraa luotausdataa, määrä kairauspisteet sekä mahdolliset reittimuutokset (kuva 2.6). Suunniteltua luotausreittiä voidaan joutua muuttamaan esim. turvekerroksen paksuusvaihteluiden takia. 32
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Kuva 2.5. Luotausta suksilla. Pehmeää pakkaslunta 60 cm. Kuva 2.6. Suunnistaja edessä ja luotaaja taaempana. 33
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2.5.3 Luotausten suoritus kesällä Kesällä suoritettavassa maatutkaluotauksessa kahden henkilön työryhmä on myös tehokkain. Työskentelyjärjestys ja työnjako ovat samat kuin talvella. Antennin vetäminen on raskaampaa kuin talvella, mutta kulkeminen osin kevyempää (kuva 2.7). Referenssikairaukset on helpompi suorittaa kesällä, mutta ojien ylitys voi olla luotaajalle työlästä ja tutka kannattaakin laittaa ojien ylitysajaksi tauko-tilaan. Sade ei ole esteenä luotausten suorittamiselle. Antenni joutui suo-ojien ylityksissä käväisemään upoksissa, mutta se ei haitannut antennin toimintaa. Antennin mukana tulleet lähettimen ja vastaanottimen muovisuojat osoittautuivat liian jyrkkäkulmaisiksi ja ne takertuivat vedettäessä esteisiin. Alkuperäisten muovisuojien tilalle teetettiin ISY:n tutkimusvälinehuollossa paremmin muotoillut suojat, jotka osoittautuivat toimiviksi. Kuva 2.7. Maatutkaluotausta kesällä. 34
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 2.5.4 Paikannus Nykyisin ei turvekartoituksessa käytetä maastoon raivattuja linjoja, eikä kairauspisteiden paalutusta. Paikannus tehdään ennakkoon tehtäville syvyystutkimuspisteille käsi-gps:llä ja tutkimuskairauksissa maastomikroon yhdistetyllä GPS-laitteella. Maatutkaluotauksessakin tarvitaan GPS-laitetta paikannukseen. Tarvittava laite ei saa olla iso ja painava, eikä haitata maastossa liikkumista. Tarvitaan pienikokoinen käsi-gps, joka on helposti liitettävissä maatutkaan. Paikannustarkkuuden on oltava vähintään samaa luokkaa kuin turvekartoituksen kairauksissa. Ramac-maatutkan Monitoriin ei voida liittää Blue- Tooth-GPS:ää. Testeissä parhaaksi havaittiin suoraan maatutkan Monitorin USB-väylään kytkettävä GPS, jolla on riittävä paikannustarkkuus (esim. Globalsat BU-353). USB-liitännällä on se etu, ettei tarvita akkua/paristoja, vaan virta tulee monitorin kautta. Antennin parhaaksi kiinnityspaikaksi todettiin repun sivuun kiinnitetty muovitanko, jolloin antenni on luotaajan pään yläpuolella ja näin mahdollisimman optimaalisesti sijoitettuna GPS:n signaalin kannalta, eikä haittaa merkittävästi liikkumista tiheään puustoisilla alueilla (kuvat 2.7 ja 2.8). Jos tarvitaan tarkempaa paikannusta, on käytettävä esimerkiksi VRS-GPS laitteistoa, mutta silloin tarvitaan yleensä lisähenkilö ja luotausnopeus alenee huomattavasti. Ramac-laitteisto sitoo koordinaattitiedon tutkadataan noin sekunnin välein. Tästä huolimatta on luotaus pyrittävä tekemään tasaisella nopeudella ja esteiden ajaksi on luotaus pysäytettävä. Laitteistoon on kytkettävissä lankamittauslaite, jolla voidaan ohjata luotausta, mutta sellaisen käyttö ei turvekartoituksessa tule kyseeseen suurten luotausmatkojen takia. Sen sijaan mittapyörä olisi hyvin hyödyllinen, mutta toistaiseksi ei ole löytynyt suolle sopivaa mallia. Kuva 2.8. Luotaus tulossa VRS-GPS-pisteelle. Luotaajan pään yläpuolella on tutkan GPS-antenni muovitangon päässä. 35
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2.5.5 Referenssikairaukset Maatutkaluotausten tulkinnan tueksi tehtävät referenssikairaukset on parasta tehdä normaalilla turvekartoituksessa käytetyllä suokairalla (kuva 2.9). Mikäli luotausdatassa näkyy rajapintoja itse turvekerroksessa, ne voidaan paikallistaa kairaamalla. Yleensä on kyse kosteuden muutokseen liittyvästä maatuneisuus- ja/tai turvelajimuutoksesta. Joskus muutokset ovat selviä ja niitä voidaan seurata satoja metrejä. Turvekerroksen paksuus mitataan vähintään 5 cm:n tarkkuudella, koska se vaikuttaa luotaustulosten tulkinnan tarkkuuteen. Talvella havainnoidaan lumi- ja routakerroksen paksuus. Liejukerrokset on kairattava läpi kovaan mineraalimaahan asti ja tehtävä muistiinpanot kaikista kerrosjärjestyksen muutoksista. Luotaaja määrää, milloin referenssikairaus tehdään. Kairauspisteet on sijoitettava niin, että havaitut turvekerrostuman muutokset ja liejukerrokset tulevat huomioiduksi. Referessikairausten kokonaispistemäärä riippuu näistä tekijöistä. Kairauspiste sijoitetaan niin, että se on antennin lähettimen ja vastaanottimen puolivälissä. Kairauskohta on merkitty teipillä antenniin. Referenssikairauksissa on tärkeää käyttää aina tarkasti samaa kohtaa luotausten tulkinnan kannalta, koska esimerkiksi moreenialueilla suon pohja voi lyhyelläkin matkalla olla hyvin epätasainen ja kivinen. Referenssikairauspiste merkitään luotausdataan ohjelman marker-toiminnolla. Kairausten tulokset tallennetaan B- tai C-pisteinä turvetietokantaan kyseisen suon tietoihin. Kuva 2.9. Referenssikairausta talvella. 36
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 2.6 MAASTOTÖIEN KOKEMUKSIA 2.6.1 Sijainnin korjaus Maatutkaluotausta tehtäessä GPS-antenni on luotaajan reppuun kiinnitetyn muovitangon päässä ja paikannus tulee hänen liikkumisensa mukaan. Maatutkan antennin keskikohta on noin 5 metriä luotaajan takana, joten luotausdataan tulee tuon matkan suuruinen paikannusvirhe. Se voidaan kuitenkin luotausten tulkinnassa ohjelmallisesti korjata luotausten tulkintatuloksiin. Maastossa kannattaa kulkea mahdollisten kiintopisteiden, kuten ojien ja niiden risteysten, rajapyykkien tms. kautta ja merkitä ne marker-toiminnolla luotausdataan paikannuksen tarkistusten vuoksi. 2.6.2 Syvyysulottuvuus Talviolosuhteissa Kesälahdella ja Ranualla tehdyissä luotauksissa pystyttiin hyvin selvittämään 6 7 metrin turvekerroksen paksuus ja saamaan kuvaa pohjamaastakin. Laitteiston antennin syvyysulottuvuuden testiin otettiin kaksi Varpaisjärvellä sijaitsevaa syvää suota: Paha-Hamunen ja Rekikorpi. Suot ovat kooltaan pieniä, mutta niissä on syvät painanteet. Testit osoittivat, että 100 MHz:in RTA-antennin syvyysulottuvuus turpeessa on noin 9 metriä, joten se riittää lähes kaikissa maamme soissa. 2.6.3 Maastotietokone maastotöissä Maatutkaluotauksen maastotöissä voidaan käyttää myös Panasonic-maastotietokonetta ja siihen liitettyä GPS-laitetta (kuva 2.10). Nämä laitteet tulevat Monitor-näytön ja siihen liitetyn GPS:n tilalle. Panasonic:iin asennetaan MALÅ GroundVision 2-ohjelmisto, missä on samat toiminnot kuin Monitorin käytössäkin. Tämä kokoonpano toimii parhaiten kesällä silloin, kun tehdään samanaikaisesti turvekartoitusta ja maatutkaluotausta. Suunnistus tehdään joko suunnistaja/kairamiehen toimesta tai luotaajan toimesta. Luotaaja joutuu silloin käyttämään kahta gps-laitetta: toinen suunnistukseen ja toinen maatutkaluotauksen paikannukseen. Turvetutkimuksen ajaksi luotaaja vaihtaa tallennusohjelmaan ja tutka on tällöin tauko-tilassa. Tutkimuspisteen syvyydestä riippuen luotaaja joutuu ottamaan tutkavarusteet pois kairauksen ja tutkimuksen ajaksi. Tässä työtavassa luotaaja/tutkijalle kertyy paljon toimintoja ja seurattavaa. Periaatteessa yksikin henkilö siis pystyy tekemään maatutkaluotauksen, mutta se ei ole suositeltavaa työn tehokkuuden ja työturvallisuusseikkojen vuoksi. 37
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 2.10. Luotaus Panasonic-maastotietokonetta käyttäen. Näytössä luotausohjelman ikkuna (luotausprofiili) ja vieressa suunnistusikkuna ArcMap-ohjelmalla. 2.6.4 Luotausnopeus Maatutkaluotauksen etenemisnopeus riippuu paljon olosuhteista. Kesälahdella liikuttiin lumikengillä 30 40 cm syvässä pehmeässä hangessa ja keli oli melko raskas. Muuten helpohkossa maastossa nopeus oli noin 1,5 2 km/h eli verkkaista kävelyvauhtia. Ensimmäisistä testeistä johtuen matkat eivät olleet pitkiä. Ranualla liikuttiin moottorikelkalla ja suksilla luonnontilaisella, osaksi avoimella suolla. Moottorikelkkaa käytettiin siirtymisiin ja koemielessä vähän luotaukseen. Sellaisessa maastossa, missä moottorikelkalla pystyy helposti liikkumaan, siihen asennettu laitteisto on tietysti ylivoimainen luotausnopeudessa (lyhyessä testissä 7 15 km/h). Suksilla hyvissä olosuhteissa liikuttaessa luotausnopeus oli 4 5 km/h. Hyvällä hankikantokelillä luotausnopeus on 2 3 kertaa suurempi kuin huonoissa olosuhteissa. Kesällä luotausnopeus on keskimäärin sama kuin kävelynopeus suolla, noin 1,5-2 km/h. Valtimon Heinäsuolla kahtena päivänä tehdyissä luotauksissa (18 linjaa) luotausnopeuden keskiarvo oli 1,85 km/h. Maasto oli kohtalaisen helppokulkuista rämeojikkoa. Luotausnopeus on vain yksi päivittäiseen maatutkaluotauksen määrään vaikuttavista tekijöistä. Kohteelle siirtymiseen voi kulua paljonkin aikaa riippuen tieyhteyksistä ja kulkemisesta itse suolle. Laitteiston kokoamiseen ei kulu paljon aikaa, noin 15 min. Referenssikairauksiin voi kulua paljonkin aikaa, jos turvekerrostuman alla on esimerkiksi paksulti useita liejukerroksia tai itse turvekerrostuman paksuus vaihtelee paljon. Talvella paksu routakerros hidastaa kairauksia ja vaatii jääkairan kuljettamista mukana. Valtimon Heinäsuolla toisen luotauspäivän luotausmäärä oli 4,6 km ja toisen 4,1 km. Kohteelle siirtymiseen kului paljon aikaa, mutta toisaalta referenssikairaukset sujuivat melko nopeasti, koska suolla tehtiin myös normaali turvekartoitus ja suo oli suhteellisen helppokulkuinen. Voidaan kuitenkin arvioida tämän ja muidenkin testisoiden perusteella, että 3 5 km maatutkaluotausta on realistinen työpäivän tulos niin kesällä kuin talvellakin. Toki on aina suokohtaisia poikkeavuuksia tilanteesta riippuen. 38
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 2.6.5 Käytön ohjeistus Testauksen tuloksena syntyi selkeä käsitys toiminnoista, jotka on syytä huomioida käytettäessä maatutkaa turvetutkimuksissa. Näitä ovat laitteiston kokoonpano, laitteiston kokoaminen toimintakuntoon, esimerkki laitteiston säädöistä ja huomioitavat asiat luotauksen suorituksessa turvekartoituksessa (kuva 2.11). Maatutkaa käyttäville henkilöille on järjestettävä riittävä koulutus ennen maastotöiden aloittamista. Kuva 2.11. RTA-antennin valokaapelien liittäminen ProEx:ään. 39
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2.7 KORKEUSTIEON SAAMINEN Vaikka soiden pinta on tasainen verrattuna esimerkiksi harjumaastoon, on luotausprofiilin oikeasta pinnanmuodosta hyötyä pinnaltaan viettävillä soilla, varsinkin liejukerrosten ja muiden vesisedimenttien tulkinnassa. Näiden kerrosten rajapinnat asettuvat tällöin tasaisiksi ja ovat helpommin erotettavissa. Vaaitusta ei luotauslinjoille kannata tehdä sen vaatiman ajan takia. VRS-GPS:n käyttö on mahdollista ja saatu paikkatiedosto yhdistetään tulkintaohjelmassa luotausdataan ja näin saadaan tulkintapisteille myös korkeustieto. VRS-GPS-mittaus olisi tehtävä luotauksen kanssa samanaikaisesti ja se vaatii yleensä lisähenkilön. Näin toimittaessa maastotyöhön kuluva aika todennäköisesti lisääntyy, koska käytännössä VRS-GPS:llä hyvän paikkatiedon saaminen vie jonkin verran aikaa. Paras tapa saada luotauslinjoille korkeustieto, on ottaa se riittävän tarkasta korkeusmallista. Korkeustieto voidaan ottaa esimerkiksi laserkeilausaineistosta. Laserkeilausaineisto lisääntyy koko ajan ja lähivuosina kattaa koko maan. Alavudella tehdyssä testissä verrattiin VRS- GPS:n mittaustuloksia laserkeilausaineiston vastaaviin tuloksiin. Korkeustulokset olivat varsin lähellä toisiaan ja vahvistivat osaltaan käsitystä laserkeilausaineiston käyttökelpoisuudesta (kuva 2.12). Luotausdataan kuuluville paikkatiedostoille (*.cor) otettiin korkeus ongelmitta laserkeilausaineistosta tehdystä pintamallista. Korkeustieto on paras ottaa heti luotausdataan, eikä vasta tulkintapisteille, koska se on sitten valmiina mahdollisille jatkotulkinnoille. Tulkintapisteiden mukana korkeustieto siirtyy myös turvetietokantaan. Kuva 2.12. Alavuden Kiviahonnevan maatutkaluotauksen yhteydessä tehdyn VRS-GPS-korkeusmittauksen tulokset verrattuna laserkeilausaineistosta tehdyn pintamallin vastaaviin korkeuksiin. Ensimmäiset kuusi pistettä ovat maantieltä ja niissä korkeuserot ovat hyvin pienet. Muut pisteet ovat suolta, jolloin pinnan vaihtelut ovat suurempia mm. mättäisyydestä johtuen. 40
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 2.8 LUOTAUSTULOKSET 2.8.1 Luotaustulosten tulkinta Maastossa kerätty luotausdata on siirrettävä tai kopioitava tietokoneelle tulosten tulkintaa varten. Helpoimmin tämä tapahtuu muistitikkua käyttäen ja samalla huolehditaan varmuuskopioinnista. Siirto ja varmuuskopiointi on syytä tehdä joka työpäivä luotausten jälkeen. Aikanaan laitteiston muisti täyttyy luotausdatasta ja se on tyhjennettävä. Jos maastotyössä on käytetty Panasonic-maastotietokonetta, mitään siirtoja ei luonnollisestikaan tarvita ja tulosten tulkinta voidaan tehdä samalla koneella. Varmuuskopioinnista on kuitenkin aina huolehdittava. Maatutkaluotausten tulkinta on monivaiheinen työ ja vaatii kouluttautumista ja harjaantumista sen eri vaiheisiin. GTK:ssa on ennestään käytössä Roadscanners Oy:n valmistama Geooctor-tulkintaohjelma, joka soveltuu hyvin myös Ramacmaatutkan tiedostojen käsittelyyn (kuva 2.13). Prosessin aluksi muodostetaan luotauslinjan paikkatiedosto poistamalla mahdolliset huonolaatuiset GPSkoordinaatit, luotausdata käsitellään suodatuksilla ja vahvistuksilla mahdollisimman helposti tulkittavaan muotoon, määritetään referenssipisteiden avulla kulloinkin tarvittava dielektrisyysvakio, valitaan kooditaulukko ja tulkitaan kerrosten rajapinnat merkitsemällä hiirellä klikkaamalla tulkintapisteet halutulla pistevälillä (kuva 2.14). Tulkinnat tulostetaan tavallisimmin taulukkona, mutta myös luotausprofiilien tulostus tulkintoineen on mahdollista. Kuva 2.13. Paikkatiedon sitominen luotausdataan Geooctor-ohjelmassa. 41
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 2.14. Esimerkki tasoitetusta luotausdatasta (ylempi kuva) ja siitä tehdystä tulkinnasta Geooctorohjelmassa (alempi kuva). Alemman kuvan vihreät tulkintapisteet osoittavat suon pohjalla olevan moreenikumpareen, joka ulottuu hiesukerroksen (siniset tulkintapisteet) lävitse. Punaiset viivat profiilin yläosassa osoittavat referenssikairauksen paikan (viivojen välissä). 42
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu Turvekartoituksessa luotaustulokset tulostetaan vakiokaavan mukaisena taulukkona, joka sisältää turvekerroksen paksuuden, alapuolisen pohjamaalajin ja mahdolliset liejukerrokset. Maalajit ilmaistaan Geooctor-tulkintaohjelman mahdollistamia koodeja käyttäen. Taulukon tiedot viedään turvetietokantaan tehtävään, maatutkaluotausten tulkinnat sisältävään, attribuuttitauluun. Sieltä ne ovat helposti hyödynnettävissä turvekartoituksen rutiinilaskentoihin ja syvyysalueiden mallinnukseen. Luotauslinjalle tehtävien tulkintapisteiden tiheys voi tilanteen mukaan vapaasti vaihdella. Esimerkiksi tasaisella suon pohjalla ne voivat olla harvemmassa ja voimakkaasti vaihtelevalla suopohjalla tiheämmässä. Yleissääntönä metrin pisteväli näyttäisi sopivalta. Tarvittaessa tiheämpi pisteväli on helposti toteutettavissa jälkeenpäinkin, koska muut toimet on jo tehty eli tällöin lisätään vain tulkintapisteitä. Turvekartoitusta varten ei pohjamaalajien paksuuksia tulkita selvästi erotettavia liejukerroksia lukuun ottamatta. Tarvittaessa tulkintoihin voidaan palata esimerkiksi turvetuotantoalueen jälkikäytön selvitystä varten. Aiemmin todettiin että kohtuullinen luotaustulos on 3 5 km / työpäivä. Jos tulkintapistetiheys on metriä, niin syvyystietoja kertyy 150 250 kpl työpäivässä, mikä on moninkertainen määrä verrattuna syvyystutkimuspisteitä suokairalla kartoitettaessa. Lisäksi suon pohjamaasta saadaan monin paikoin tarkempaa tietoa ja mahdolliset liejukerrokset tarkemmin rajattua jatkuvan luotausprofiilin ansiosta. Luotaustulosten suokohtaiseen tulkintaan kuluva aika riippuu monesta tekijästä. Tulkitsijan kokemus sekä suon turvekerrostuman ja pohjamaalajin vaihtelevuus ovat merkittävimmät tekijät. Täysimittaisesta tulkinnasta ei näiden testausten yhteydessä saatu kokemusta, mutta arviolta ajankäyttö voisi olla noin puolet luotaukseen kuluneesta ajasta. Vaihtelu on todennäköisesti kuitenkin suurta. 2.8.2 atan taltiointi Luotausten primääridatan varmuuskopioinnista on huolehdittava heti maastomittausten jälkeen erilliselle kovalevylle ja siirtää ne sopivina kokonaisuuksina myös C-levyille. GTK:ta koskevan menettelyn mukaisesti luotausdata tulkintoineen tallennetaan maatutkaluotausdatalle varatulle palvelimelle. 43
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen 2.9 YHTEENVETO JA SUOSITUKSET GTK:n Itä-Suomen yksikköön hankittiin keväällä 09 MALÅ Geoscience:n Ramac-maatutka varustettuna 100 MHz:in ja 25 MHz:n RTA-antenneilla. Maatutkan hyvä soveltuvuus turvekerroksen paksuuden selvittämiseen on jo pitkään ollut tiedossa, on vain puuttunut pitkäaikaiseen käyttöön sopiva laitteisto ojitetuille ja metsäisille soille. Turvekartoituksessa käynnistettiin menetelmäkehitys, jonka tarkoituksena oli selvittää parhaat työtavat Ramac-maatutkan käytölle turvekartoituksessa. Testejä tehtiin sekä talvella että kesällä, jolloin saatiin selville maatutkan käyttökelpoisuus ympärivuotisessa työskentelyssä. Laitteiston käyttöä esiteltiin myös GTK:n muiden yksiköiden turvekartoittajille. Varsinaista erillistä selvitysohjelmaa ei ollut, vaan työt tehtiin Keski-Suomen harvapistekartoituksen ja normaalin turvekartoituksen yhteydessä. Maatutkaluotauksen totetuttamisajankohta voi olla ennen varsinaista turvekartoitusta, samanaikaisesti tai varsinaisen turvekartoituksen jälkeen. Ennen varsinaista turvekartoitusta tehtävä luotaus on hyödyllisin ja suositeltavin. Maatutkaluotauksia voidaan tehdä tehokkaasti syksyllä, talvella ja keväällä, jolloin ei varsinaisia turvetutkimuksia pystytä tekemään. Tutkimuskairausten kanssa samaan aikaan ja jälkeen tehtävät luotaukset tarkentavat ja täydentävät tutkimus- ja syvyystutkimuskairausten antamaa tietoa. Työskentelyssä kahden hengen työryhmä on tehokkain. Työryhmän koko on sama talvella ja kesällä. Toinen on suunnistaja/kairaaja, joka huolehtii pysymisestä suunnitellulla reitillä. Luotaaja tulee taaempana ja hoitaa tutkan käytön, seuraa luotausdataa, määrää kairauspisteet ja mahdolliset reitin muutokset. Paikannukseen käytetään käsi-gps-laitteita tai maastotietokoneeseen liitettyä GPS-laitetta.. Luotaustulosten tulkinnan kannalta on tärkeää tehdä referenssikairaukset oleellisilta, turvekerroksen vaihtelut huomioivilta kohdilta. Laitteisto kestää hyvin kohtuullista pakkasta, lunta ja vesisadetta sekä antenni ajoittaista kastumista suo-ojissa. Luotausta helpottaisi vielä mittapyörän käyttö, mutta suo-oloihin sopivaa laitetta ei ole vielä löytynyt. Testeissä 100 MHz:in RTA-antennin syvyysulottuvuus turvekerrostumassa oli 9 metriä, mikä riittää lähes kaikissa maamme soissa. Tutkalle löydettiin perussäädöt, joita voidaan pitää lähtökohtana töitä aloitettaessa. Käyttökokemusten myötä tuli esille myös työvaiheiden tarkoituksenmukainen järjestys, erityisesti huomioitavia asioita ja toimintatapoja, jotka koottiin erillisiksi ohjeiksi. Luotauslinjoille on hyödyllistä saada korkeustieto. Vaaitusta ei kannata käyttää. VRS-GPS on kohtalainen menettelytapa, mutta se hidastaa luotausta. Laserkeilausaineistosta saatava pintamalli on lähitulevaisuudessa paras toimintatapa. Korkeustieto sidotaan ohjelmallisesti luotausdataan. Maastossa kerätty luotausdata on siirrettävä tietokoneelle ja huolehdittava varmuuskopioinnista. Luotaustulokset saadaan tulkintaohjelman avulla. GTK:ssa on käytössä Roadscanners Oy:n valmistama Geooctor-ohjelma, joka soveltuu hyvin myös Ramac-maatutkan tuottaman datan käsittelyyn. Tulkintaohjelmalla tehdään turvekerroksen paksuuden, turpeen alla olevan pohjamaan ja mahdollisten liejukerrosten tulkinta. Tulkintapisteiden välinen etäisyys voidaan valita vapaasti tilanteen mukaan. Sopivaksi pisteväliksi on yleensä osoittautunut noin metriä. Tulkintaohjelman käyttö vaatii kouluttautumista ja rajapintojen tulkinnan kokemusta ja opiskelua. Maastotyöt ovat helpommin opittavissa kuin tulosten tulkinta. Luotausten tulkinnassa tehdään sovitulla koodituksella Excel-taulukko, jonka sisältö on suoraan siirrettävissä turvetutkimuksen tietojärjestelmään erilaisten laskentojen ja syvyysalueiden mallinnuksen käyttöön. Maatutkaluotauksen määrä työpäivän aikana riippuu monista tekijöistä. Saatujen kokemusten mukaan realistinen luotaustulos on 3 5 km / työpäivä sekä talvella että kesällä. Luotaustulosten tulkintaan kuluu arviolta puolet maastossa käytettyyn aikaan nähden. Yhden maastotyöpäivän maatutkaluotaus tuottaa 150 250 syvyyspistetietoa ja lisäksi jatkuvan profiilin mittauslinjalta sekä hyvää tietoa turvekerroksen alapuolisesta pohjamaasta. 44
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 3 LENTOGEOFYSIIKKA (Lerssi J.) 3.1 TAUSTAA Kuva 3.1. Lentogeofysiikan mittausten tulkintaa varten tehdään ominaisvastusmittauksia eri puolilla suota. Maankamaran pintakerrosten sähköistä tulkintaa ja niihin oleellisesti liittyviä ominaisvastusluotauksia alettiin GTK:ssa laajemmin käyttää 1990-luvun puolivälissä. Tällöin myös aerosähköiseen järjestelmään lisättiin toinen (korkeampi) taajuus nimenomaan pinta(vaaka)kerrosten tulkinnan parantamiseksi. Tietokoneiden laskentateho ja mallinnusohjelmistot (mm. AMIRA projekti P223E, F) kehittyivät 1990 luvulla niin, että laskennallisesti intensiiviset sähkömagneettiset (inversio)laskennat mahdollistuivat myös PC-luokan tietokoneissa. Soiden ja yleisemmin pehmeikköjen paksuustulkintaa ovat tutkineet, tehneet ja raportoineet mm. Puranen et. al, 1996a, 1996b, 1996c, Puranen, 00, Suppala et. al, 1998, Mäkilä et. al 1998 ja myöhemmin mm. Arkimaa et. al, 09. GTK:n (matala)lentogeofysikaaliset mittausjärjestelmät, aineistojen käsittely, tulkinta ja aineiston käyttöesimerkkejä on laajasti kuvattu julkaisussa Airo (05). GTK:n käyttämä kiinteärakenteinen taajuusalueen mittausjärjestelmä ja laitteistot ovat muuttuneet ja kehittyneet matalalentokartoitusohjelman (1972 07) aikana useasti. Vuosina 1974 1979 käytössä oli C3-lentokone, jossa sähköinen mittausjärjestelmä oli vertikaalinen koaksiaalinen järjestelmä. Vuodesta 1980 sähköinen mittausjärjestelmä on ollut vertikaalinen koplanaarinen, lentokoneena Twin Otter ja Cessna Caravan. Vuodesta 1993 paikannus on tapahtunut GPS:n avulla (--> parantunut paikannustarkkuus). Vuodesta 1996 on käytetty GSF-95-kaksitaajuusjärjestelmää. Voidaan sanoa, että vuodesta 1996 tehdyt mittaukset ovat parhaiten sopivia maaperäkerrosten mallinnukseen. Kuvassa 3.2 on esitetty matalalentoaineiston lentovuosijakauma; luokittelu on tehty merkittävien mittauskonfiguraatiomuutoksien suhteen. 45
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen Kuva 3.2. GTK:n matalalentoaineiston lentovuosijakauma. 46
Turvetutkimusten menetelmäkehitystarkastelu 3.2 MALLINNUS Tässä tutkimuksessa matalalentomittausten sähköisestä aineistosta tulkittiin turvekerroksen paksuutta kerrosmalli-inversio-ohjelmistolla (Airbeo 4.6.7 23.6.06; AMIRA projekti P223F). Tulkintaa varten on oltava käsitys mitatun materiaalin sähkönjohtavuudesta. Sähkönjohtavuus saatiin eri puolilla suota turpeeseen ja mahdolliseen liejuun tehdyillä geofysikaalisilla referenssiluotauksilla. Turpeen ominaisvastuksen vaihteluväli on tyypillisesti 100 400 Ωm ja liejun 50 100 Ωm. Pohjakerroksen (kallio) ominaisvastusta ei tarvitse tarkasti tietää, koska se on tyypillisesti 00 0 Ωm, eli suuri verrattuna pintamaakerroksiin, ja valtaosa sähköisestä informaatiosta tulee turve ja liejukerroksista. Turpeen ominaisvastuksen merkittävin vaikutustekijä on happamuus (ph). Myös mm. turvelaji, sen mineraalimaapitoisuus sekä pohjaveden mineraalikoostumus ja virtaus vaikuttavat ominaisvastukseen (Puranen et. al, 1997). Rahkaturve (S) on pääsääntöisesti sähköä johtavampaa (pienempi ominaisvastus) kuin saraturve (C). Airbeon käyttöliittymään lisättiin projektin yhteydessä mahdollisuus rajoittaa malliparametrien arvoja ja säätää niiden muutosherkkyys lähtöarvoon nähden. Tämä mahdollistaa mm. turvekerrokselle tyypillisen ominaisvastusvaihtelun hyväksikäytön tietyllä ominaisvastusikkunalla, mikä tekee kerrosmallisovituksen joustavammaksi ja pienentää mallin pisteittäistä sovitusvirhettä (RMS). Tässä tutkimuksessa käytetty vaihteluväli ominaisvastukselle oli 140 260 Ωm. RMS-arvoa käytetään pisteittäisenä sovituksen mittana, joka mahdollistaa huonosti sovitettujen pisteiden poistamisen tulkintatuloksista ja antaa tietoa alueista joilla sovitus syystä tai toisesta on huono. Mikäli käytettävissä on kahden taajuuden aineistoa (vuoden 1996 jälkeen tehdyt mittaukset), voidaan turvekerrospaksuuden lisäksi tulkita myös todetun liejukerroksen paksuus, sillä kahden taajuuden aineistossa havaintolukemia on kaksi mittauspistettä kohden (edellytys yksiselitteisen ratkaisun löytymiselle on, että mittaustuloksia on vähintään yhtä paljon kuin ratkaistavia parametreja). Kerrosmalli, yksinkertaisuudestaan ja yleistävyydestään huolimatta, toimii hyvin, kun tulkittava muodostuma on riittävän laaja suhteessa syvyyteen. Soiden paksuusluokassa (< 10 m) tämä tarkoittaa 100 300 metrin laajuutta. Soiden reuna-alueilla ja saarien läheisyydessä malli on huono ja tulokset yleensä virheellisiä. Erityisesti näiden alueiden turvesyvyydet tulee varmistaa referenssikairauksilla. Kerrosmallitulkinnan yhteydessä on otettu käyttöön ns. sähköinen jalanjälki (Beamish et. al 03, Suppala et al., 05), jonka ajatellaan muodostuvan induktiovirtojen keskittymästä ja herkkyysjakaumasta lentokoneen alapuolisessa maankamarassa. Kuvassa 3.3 on esitetty Twin Otter -koneen sähköisen järjestelmän herkkyysjakaumat (a) 00 ohmm ja (b) 10 ohmm ominaisvastuksilla (Suppala et al., 05) homogeenisella puoliavaruudella. 3.3 TULKINTA Kuvissa 3.4 3.7 on esitetty Kuitulan Isosuolle, Isosuolle, Soidinsuolle sekä Lampuodinsuolle karttoja ja kuvaajia, jotka havainnollistavat aerosähköisiä havaintoja ja tulkintaa. Kuvien kartoissa näytetään linjoittain tehtyjen aerosähköisten mittausten lisäksi myös alueella tehdyt kairaus- ja maatutkaluotaushavainnot. Referenssiluotauskäyrissä puolestaan näkyvät ominaisvastuksen ja dielektrisyyden muutokset valituissa mittauspisteissä syvyyden funktiona. Referenssiluotauskäyriä vastaavat syvyysprofiilit on piirretty myös turvelajille ja maatuneisuusasteelle. Karttojen ja syvyysprofiilien lisäksi on piirretty vertailuprofiileja aerosähköisen tulkinnan ja kairausten tai aerosähköisen tulkinnan ja maatutkaluotausten tulkinnan välille sellaisilta lentolinjoilta, joiden läheisyydessä muita havaintoja on ollut. Vertailuprofiilien tulkinnassa on kuitenkin muistettava, että mukaan on otettu vertailupisteitä 25 m vyöhykkeeltä lentolinjan molemmin puolin, jolloin täydellistä yhteensopivuutta ei voida odottaa kaikissa pisteissä. Aerosähköisen paksuustulkinnan RMS-virhe on myös esitetty yhdessä tulkitun syvyyden kanssa. 47
Matti Laatikainen, Jukka Leino, Jouni Lerssi, Johanna Torppa ja Jukka Turunen a) b) Kuva 3.3 a ja b: Twin Otterin sähköisen järjestelmän herkkyysjakauma ominaisvastuksilla a) 00 Ωm ja b) 10 Ωm. Lentolinja on y-akselin suuntainen. Vasemmanpuoleisissa kuvissa on signaalin in phase osa ja oikeanpuoleisissa quadrature-osa. 48