. ' ~S ' maaperägeologisissa tutkimuksissa

::',. ; '.<. TUTKIMUSRAPORTTI '. REPORT OF INVESTIGATION 103. ' S ' maaperägeologisissa tutkimuksissa :'.I! -.,".,.' Espoo 1991

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Tutkimusraportti 103 GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Report of Investigation 103 Pekka Hänninen MAATUTKALUOTAUS MAAPERÄGEOLOGISISSA TUTKIMUKSISSA Summary: Ground Penetrating Radar in Quaternary geological studies Espoo 1991

Hänninen, Pekka 1991. Maatutkaluotaus maaperägeologisissa tutkimuksissa. Summary: Ground Penetrating Radar in Quaternary geological studies. Geologian tutkimuskeskus - Geological Survey 01 Finland, Tutkimusraportti - Report olinvestigation 103. 35 pages, 29 figures and one table. Ground Penetrating Radar (GPR) is an electromagnetic technique employing the range of frequencies from 80 to 1000 MHz. During the last ten years it has become one of the most important geophysical metod in rr.apping glacial deposits. GPR surveys provide fast continuous information down to tens of meters and changes of electrical properties of subsurface materials are indicated on the radar profiles. The electromagnetic wave propagation is governed by the electrical conductivity and dielectric properties of earth materials. The increase of conductivity increase electromagnetic wave attenuation. The wave propagation velocity, refraction as weil as reflection are determined by the dielectric properties, which are depending on the soil water content. The water content is related to the amount of fine fraction content of materials. Stratified croase-textured and fine-grained materials as weil as tills could be calssified based on the continous GPR profiles and dielectric properties. GPR is most feasible for gravel and sand deposits. Those are the most important raw materials and ground water potentials. Ra6ar penetration into fine-grained deposits is limited being only two meters in day. Key words: geophysical methods, radar methods, sediments, principles, instruments, data processing Pekka Hänninen Geologian tutkimuskeskus SF-02150 Espoo ISBN 951-690-428-9 ISSN 0781-4240

SISÄLL YSLUETTELO Johdanto....................................................... 5 Maatutkaluotauksen periaate...................... 6 1.1 Dielektrisyys.......................... 8 1.2 Vaimeneminen............................. 9 l.3 Aallon taittuminen ja heijastuminen......... 10 2 Maatutkaluotauslaitteisto............. 12 2.1 Keskusyksikkö ja antennit................................ 12 2.2 Sirfas........................................ 14 2.3 Piirturi........................... 15 2.4 Nauhuri......................................... 16 2.5 Paikanmääritys....................................... 17 2.6 Sähköjärjestelmät........... 18 3 Tulkinta...................................................... 18 3.1 Glasifluviaaliset ja fluviaaliset muodostumat............... 19 3.2 Moreenit ja moreenimuodostumat..................... 20 3.3 Eloperäiset muodostumat ja järvet........................ 23 3.4 Kallio........................................ 24 3.5 Pohjavesi........................................... 25 4 Automaattinen tietojenkäsittely maatutkaluotauksen apuna....... 26 4.1 Tutkimuslinjaston digitointiohjelma...................... 27 4.2 Maatutkaluotauksen digitointiohjelma............. 27 4.3 Maatutkaluotausprofiilin piirto................... 28 4.4 Maatutkaluotauksen perusteella piirrettävä kartta....... 30 5 Johtopäätelmät........................ 32 Summary: Ground Penetrating Radar in Quaternary geological studies 34 Kirjallisuusluettelo - References........................ 35

JOHDANTO Geofysikaalisten menetelmien kehitystä on kontrolloinut pitkälti öljynetsinnän tarpeet. Tämän vuosisadan aikana, aikana jolloin elektroniikan kehitys on ollut nopeaa, öljyn kulutus on kasvanut nopeasti ja öljyn tuottajille tuomat voitot ovat 01- leet suuria. Toisena perinteisesti geofysiikan kehitystä kontrolloivina tekijöinä ovat olleet malminetsintää palvelevat mittaukset. Öljyn- ja malminetsinnän tarpeet eivät oie suuntautuneet alueelle, missä tarvitaan lähellä maanpintaa olevien kerrosten erottelukykyä. Ympäristön pilaantumisen ja ihmiskunnan kasvun myötä pohjavesiongelmat ja pohjavesialueiden selvittäminen ja hyödyntäminen lisäävät pohjavesitutkimuksiin soveltuvien geofysikaalisten menetelmien tarvetta. Toisaalta kehittyvä infrastruktuuri tarvitsee entistä tarkempaa maaperäkartoitusta ja eri rakentamisiin soveltuvien maa-ainesvarojen inventointia. Geofysiikassa aikaisemmin häiritsevänä tekijänä pidetty pintakerros on lisääntyvän mielenkiinnon kohteena. Parin viimeisen vuosikymmenen aikana myös geotekniikka on havahtunut geofysiikan suomiin mahdollisuuksiin. Nimenomaan geotekniset tutkimukset tarvitsevat hyvää erottelukykyä jo lähellä maanpintaa, eli geofysikaalisten mittausten erottelukykyä voidaan parantaa syvyysulottuvuuden kustannuksella. Kvartäärigeologia on tämän kehityksen seurauksena saanut myös sille sopivia uusia geofysikaalisia mittalaitteita ja sovelluksia. Ensimmäiset tutkan periaatetta käyttävät geofysikaaliset mittaukset tehtiin jo vuonna 1927 (Stern), jolloin tutkittiin jäätiköiden ja jäälauttojen paksuuksia. Kaksikymmentä vuotta myöhemmin Ridenour esitti tutka-aallon vaimenemiseen liittyvät tekijät, mutta vasta 1960-1uvun alussa alettiin uudestaan käyttää tutkataajuisia mittalaitteita jäätiköiden paksuuksien mittaamiseen (esim. Waite & Schmitt). Tällöin huomattiin, että lentokoneiden korkeusmittarit "näkivät" jäätiköiden ja jäälauttojen läpi. 1960 luvulla alettiin tutkia tutkataaj uisten mittalaitteiden soveltumista myös muihin kuin jään paksuuden mittaamiseen (esim. Cook). 1960-1uvun lopussa ja seuraavan vuosikymmenen alussa tutkaa käytettiin mm. asutusalueiden maahan kaivettujen kaapeleiden ja putkien paikantamisessa. Tämän jälkeen tutkataajuisten mittalaitteiden kehitys on kiihtynyt ja sen soveltamisalueet ovat laajentuneet. 1980-luvun alkupuolella kokeiltiin Suomessa nimenomaan maaperän tutkimiseen soveltuvaa tutkataajuista laitteistoa. Menetelmää kokeiltiin pääasiassa soiden kartoitukseen. Vuosina 1983-84 Geologian tutkimuskeskus kiinnostui uudestaan tutkataajuisista maaperätutkimuksista (Lappalainen et al.). Tässä yhteydessä menetelmää alettiin kutsua maatutkaluotaukseksi. 10htamattomissa irtomaissa voidaan maatutkaluotausta soveltaa kerrospaksuuksien määrittämiseen ja yleensä maaperän rakenteen selvittämiseen. Lisäksi voidaan tutkia esim. kallion rikkonaisuutta joko maanpäällisillä tai poranreikämittauksilla. Geologisten kohteiden lisäksi menetelmää sovelletaan mm. tie- ja betonirakenteiden tutkimiseen, vesistötutkimuksiin, puiden lahoustutkimuksiin ja arkeologisiin tutkimuksiin.

1 MAATUTKALUOTAUKSEN PERIAATE Maatutkaluotauksen periaate on melko yksinkertainen. Tutka-antenni lähettää maata kohti sähköisen pulssin. Kun pulssi kohtaa maaperässä sähköisen rajapinnan, osa pulssin aaltoenergiasta heijastuu takaisin. Takaisin heijastuneen osan amplitudi ja lähtöhetkestä paluuhetkeen kulunut aika rekisteröidään. Nopeassa tahdissa muodostettavat tulostussignaalit piirretään intensiteettipiirturilla, jolloin saadaan käytännössä jatkuva profiili maaperässä olevista sähköisistä rajapinnoista. Sähköaallon käyttäytymistä väliaineessa on selitetty monissa myös maatutkaluotaukseen liittyvissä kirjoituksissa (esim. Bogorodsky et al., UIriksen, Marttila, Saksa). Maaperätutkimuksissa voidaan yleisesti olettaa, että väliaineen suskeptibiliteetti on vakio, eikä sillä oie merkitystä tulkinnan kannalta. Edelleen suhteellisen dielektrisyysvakion reaaliosa (tästä eteenpäin dielektrisyys) on huomattavasti suurempi kuin sen imaginaariosa. Johtavuusalueella, missä viimeksi mainittu ehto ei toteudu, ei maatutkaluotausta voida sen heikon syvyysulottuvuuden takia pitää potentiaalisena geologisena tutkimusmenetelmänä. Kun edellä mainitut ehdot otetaan huomioon, voidaan käytännön maatutkaluotauksissa pitäytyä yksinkertaisiin kaavoihin (Marttila, Saksa, Hänninen). v = c/yi s = v. tl2 K =,J(E2-E) / -h'2 + E) R= I-K (I) (2) (3) (4) Aallonkulkunopeus Rajapinnan syvyys Heijastuskerroin Läpäisykerroin Vairnennus väliaineessa (db) A = 12,86. 10-8 f..je.,j[(tan 2 I> + 1)-1] (Morey), jossa tanl> = a121t. f. E o Er = E/ Er< < 1 = >A"" 1,635. a /.JE (5) Aallonpituus I = c/ (f..je) (6), joissa c = valon nopeus tyhjiössä (0,3 rn/ ns) E = dielektrisyys t = kulkuaika väliaineessa (ns) o = väliaineen johtavuus (rns/ rn) f = taajuus (MHz). Tulostettavan tutkaprofiilin korkeus ja profiilin aikaskaala ovat luotauslinjakohtaisesti vakioitao Kaavasta kaksi voidaan helposti johtaa profiilin tulkintaa varten helpot laskentayhtälöt (kuva 1). LAMPI QIKEALLA -6m Kuva I. Maatutkaluotauksen tulkinnassa käytettävien suureiden merkitys. Fig. 1. Signijicance 01 the quantities used in interpreting ground penetration radar sounding. Kerrospaksuus (rn) S = (c. X. NS)/ (2. H..JE) (7) Kerrospaksu us profiililla (rnrn) X = (2. H. S..JE)/ (c. NS) (8) Dielektrisyys E = «c. X. NS)/ (2. H. S» 2 (9), joissa H = profiilin piirtokorkeus (rnrn) NS = profiilin aikaskaala (ns) Profiilin esitulkinnan on syytä tapahtua jo mittauspaikalla, jolloin kaavojen käyttö helpoilla kokemusperäisillä dielektrisyysarvoilla on perusteltua (taulukko 1). Tällöin on ennen mittauksen al- Taulukko I. Eräiden maalajien maatutkaluotauksen esitulkintavaiheeseen soveltuvia dielektrisyysarvoja. Table 1. Same dielectricity values appropriate 10r the pre-interpretation step 01 the ground penetration radar 01 certain soil types. Maalaji Sora - Gravel Hiekka - Sand Siltti - Sill Karkea moreeni - Coarse till Hienoainesmoreeni - Fine-fraction till Turve - Peat dielektrisyys Soil type Dielectricily pohjaveden pohjaveden yläpuolella alapuolella above below groundwater groundwater 4 4 9 9 16 16 16 25 16 25 64

7 <11 30 E v 25 (/) ::::J W Cl. 20 ::::J '" -' ::::J '" 15 z o -' -' 10 «0 J, J 0 E 2 5 (/) ::::J ::::J I- 2 0 Cl. Z 0,, -' -' «1 0 80 MHZ 500 MHz 1000 MHZ o 5,, "... :.::::.:::.:.:--- 1 6 11 162126 )1 36 "I ' 46 S1 56 61 66 71 76 81 1 6 11 16212631 36 'I' "16 S1 56 61 66 71 7681 DIELEKTRISYYS DIELEKTRISYYS Kuva 2. Aallonkulkunopeuden riippuvuus dielektrisyydestä. Pienillä dielektrisyysarvoilla (mineraalimaat pohjaveden yläpuolella, E alle 25) aallonpituuden gradientti on voimakas ja esitulkinnan virhemarginaali suuri. Fig. 2. Dependence 0/ wave propagation speed on dielectricity. At lo w die lectricity values (mineral soils above the ground water, below 25) the gradient 0/ the wave length is high, and the error margin 0/ the pre-interpretation is great. Kuva 3. Aallonpituuden riippuvuus antennitaajuudesta ja dielektrisyydestä. Fig. 3. Dependence 0/ wave length on antenna /requency and dielectricity. kua laskettava tarvittava nanosekuntiskaala. Oikean nanosekuntiskaalan on tärkeää mittauksen teknisen onnistumisen vuoksi. Mittauksen aikana on kontrolloitava skaalan riittävyyttä. Geologilla pitää olla käsitys alueen maaperän rakenteesta ja selvillä se mitä etsitään. Jos tiedetään, millä syvyydellä jokin rajapinta (esim. pohjavesi) on, voidaan jo mittauksen aikana etsiä tätä haluttua rajapintaa likimain X:n päästä profiilin yläreunasta. Kun se löydetään, voidaan kontrolloida käsitystä kerrosta peittävästä irtomaasta rajapinnan avulla lasketulla dielektrisyydellä. Kun profiili ja geologinen näkemys korreloivat, voidaan laskea haluttujen rajapintojen syvyyksiä. Virhemahdollisuus on esitulkintavaiheessa suuri (kuva 2), mutta profiililta voidaan etsiä edullisimmat referenssipisteiden paikat. Kuvan yksi esimerkissä maatutkaprofiilin piirtokorkeus (H) on 50 mm ja profiilin nanosekuntiskaala (NS) 360 ns. Koska profiililla on näkyvissä kerrosrakenteita, on kyseessä lajittunut maalaji. Oletusarvoisena dielektrisyytenä voidaan lajittuneessa muodostumassa pohjaveden pinnan yläpuolella pitää neljää. Xl on 19 mm ja X2 21 mm. Kun nämä sijoitetaan kaavaan 7, yksinkertaistuu kaava riippuvaiseksi vain X:n arvosta S = 0,54. X. Kun X = Xl = 19, saadaan kerrospaksuudeksi SI noin 10 m. Kuitenkin maatutkalinjalla on havaittu lampi kuusi metriä tutkalinjan tason alapuolella. Olettamalla lammen pinnan olevan pohjaveden pinnan tasolla, voidaan dielektrisyyttä tarkentaa kaavalla 9. Sijoittamalla arvot kyseiseen kaavaan, saadaan dielektrisyydeksi yksitoista. Näin korkea dielektrisyys lajittuneelle ainekselle pohjaveden pinnan yläpuolelle sopii hietaisille materiaaleille. Käyttämällä dielektrisyysarvoa yksitoista ja kaavaa 8, voidaan laskea, kuinka monta millimetriä profiililla on yksi metri luonnossa. Sijoittamalla S-arvoksi 1, saadaan X = 3 eli kolme millimetriä profiililla vastaa yhtä metriä luonnossa. Koska maa-aines on hietaa, voidaan pohjaveden kyllästyttämän aineksen dielektrisyydeksi päätellä 25-36. Sijoittamalla tämä ja X2 kaavaan 7, saadaan kerroksen S2 paksuudeksi 3,8 m-4,5 m. Aallonpituus vaikuttaa ohuiden kerrosten resoluutiokykyyn. Maatutkaluotauksessa lähetetään puolitoista jaksoa sinimuotoista pulssia. Kuvasta 3 nähdään, että paksujen irtomaapeitteitten tutkimiseen soveltuvien matalataajuisten (80-120 MHz) antennien aallonpituus on pohjaveden yläpuolisilla karkeilla irtomailla yli metri. Pintaa lähellä (alle 2 m) olevien ohuiden kerrosten tutkimiseen tarvitaan korkeampitaajuisia (500-1000 MHz) antenneita, joiden resoluutiokyky on selvästi parempi.

8 1.1 Dielektrisyys Edellä esitetyt kaavat perustuvat väliaineessa tapahtuvaa vaimenemista lukuunottamatta pelkästään dielektrisyyden muutoksiin. Kuiville aineille dielektrisyys on lähes vakio, vaihdellen 2,5 :stä 4:ään. Veden dielektrisyys on 81. Koska irtomaat ovat eri raekokoisten kallion rapautumien ja veden muodostamia kokonaisuuksia, on niiden sisältämän veden määrä ratkaiseva havaitun aallonkulkunopeuden suhteen, joka taas on kääntäen verrannollinen dielektrisyyden neliöjuureen. Irtomaiden (ei orgaanisten) sisältämän veden määrä on riippuvainen huokoisuudesta ja raekoostao Karkeissa irtomaissa huokoisuus vaikuttaa pohjaveden alapuolella, jolloin maaperän vapaa tila on veden kyllästämä. Hienoilla irtomailla irtomaan kapillaarisuus lisää veden määrää pohjavettä lähestyttäessä. Kapillaarisuus on suurinta silttisissä maalajeissa. Savisissa maalajeissa vesi sitoutuu rakeiden pinnalle absorboituneeksi vedeksi eli saviset maalajit sisältävät paljon vettä mutta läpäisevät sitä huonosti (Kauranne et al.). Veden vaikutusta dielektrisyyteen voidaan arvioida kaavoilla 10jal1. E = (I-w). logio(e k ) + w. loglo(e w ) (Rubin) (10) E = 3,03 + 9,3 w + 146. w 2-76,7. w 3 (Pilon) (11), joissa E = havaittu dielektrisyys E k = kuivan aineen dielektrisyys E w = veden dielektrisyys w = veden osuus tilavuudesta. Gtk:ssa tehtiin syksyllä 1989 testisarja aallonkulkunopeuden ja dielektrisyyden suhteesta. Tulosten perusteella veden vaikutus dielektrisyyteen alkaa voimakkaasti kohota, kun vesipitoisuus on yli 10 070 tilavuudesta (kuva 4). Kun otetaan huomioon veden esiintymistapa erilaisissa irtomaissa, on irtomaiden erottelu mahdollista aallonkulkunopeuden perusteella (Sutinen & Hänninen). Lajittuneet irtomaat (hiekat, hiedat, hiesut) näyttävät profiililla samankaltaisilta mutta eroavat toisistaan aallonkulkunopeuden suhteen. Lajittuneiden maalajien maatutkaprofiileilla näkyy selviä muodostuman syntyolosuhteita kuvaavia kerrosrakenteita. Louhikkoiset maalajit ja moreenit sisältävät runsaasti heijastavia rajapintoja, joilla ei oie jatkuvuutta. Maatutkaprofiililta voidaan erotella lajittuneet ainekset moreeneista, ja koska maaperän vesipitoisuus riippuu raekoosta, voidaan 100 9S 90 BS 80 '" J5 Ja 65 <JJ ::> 60 5S - 50 o t- 45 D. '0 <JJ - " LU 30 > 25 20 15 10 5 f,,-,-,,-,-.--,-,-,,-,-,,-. 1 6 11 162126 31 36414651566166 71 76 81 01 ELEKTR I sns Kuva 4. Dielektrisyyden ja väliaineen vesipitoisuuden välinen riippuvuus. Fig. 4. Dependence between the dielectricity and water content 0/ an intermediate agent. aallonkulkunopeuden perusteella luokitella aineksen hienoainespitoisuutta. Tämä kuitenkin vaatii sen, että on olemassa selvästi havaittava rajapinta, jonka syvyys on tiedossa (esim. pohjavesi). Karkeissa pohjaveden yläpuolisissa maalajeissa veden määrä on vähäinen, eli niitä voidaan pitää kuivina (E 4-6). Hietaiset maalajit sisältävät yleensä vettä jo siinä määrin, että veden vaikutus laskee aallonkulkunopeutta. Niitä ei voida pitää kuivina, vaikka ne olisivat pohjaveden pinnan yläpuolella (E 10-30). Veden määrällä turpeessa on suora yhteys turpeen energiasisälwön (Mäkilä). Koska aallonkulkunopeus on verrannollinen turpeen sisältämän veden määrään, voidaan aallonkulkunopeuden perusteella arvioida suon eri osien suhteellista hyvyyttä polttoturvetuotantoon. Kun veden vaikutus aallonkulkunopeuteen vähenee veden määrän lisääntyessä (turpeissa w = 0,85-0,95), vaatii maatutkaluotauksen käyttö turpeen energiasisällön määrittämiseen tarkkoja referenssipisteitä, jotka on tehtävä kairaamalla. Turpeen paksuuden tarkistaminen kairaamalla on kuitenkin nopeaa verrattuna mineraalimaiden kairaamiseen ja halpaa verrattuna laboratoriotutkimuksiin.

9 1.2 Vaimeneminen Maatutkaluotaus rekisteröi maaperän dielektrisyyden muutoksista johtuvia heijastuneita, amplitudiltaan vaimenneita paluupulsseja. Kulkiessa väliaineessa puls si vaimenee väliaineen johtavuuden ja dielektrisyyden suhteen mukaan (kuva 5). Väliaineen johtavuus riippuu siinä olevan veden ja vedessä olevien vapaiden ionien määrästä. Hiekkaisissa ja sitä karkeammissa irtomaissa johtavuus on yleensä pientä ja maatutkaluotauksen tunkeutumissyvyys on hyvä. Kun hienoaineksen (lähinnä saven) määrä, lisääntyy nousee irtomaiden johtavuus. Savisilla moreeneilla, osin silteillä ja lähes kaikilla savialueilla maatutkaluotauksen tunkeutuvuus on alle kaksi metriä. Jokaisella sähköisellä rajapinnalla osa pulssin energiasta heijastuu takaisin, eli sekä heijastuva että rajapinnan läpäisevä pulssin osa vaimenee (kuva 6). Vaimeneminen riippuu rajapinna;1 dielektrisyyksien suhteesta. On huomattava, että sähköaalto läpäisee ja heijastuu kultakin rajapinnalta sekä mennessä että palatessa. Jo muutama voimakas rajapinta vaimentaa nopeasti lähetetyn pulssin alle antennin kohinatason. Onneksi maaperässä ei oie monia voimakkaita heijasteita. Esimerkiksi avoimen veden päättyminen ehjään kallioon antaisi heijastuskertoimeksi 0,64. Antennin kannalta aktiivinen heijastava pinta- ala ja pulssin energiayksikkö pinta-alayksikköä kohden pienenevät etäisyyden funktiona (kuva 7). Sähköaalto taittuu ilman ja maan rajapinnal1a kes- 3D 2. 2. HEI,JASTuS 2' < 22 z 20 < < 1. z w z ",. z w 12. 10 > z :: < lapaisy 0102030" 05 06 07 Da 0910 R....JAPINNAN D I ELEKTRtSYYKSrEN SUHOE Kuva 6. Heijastuneen ja läpi menneen aallon vaimeneminen rajapinnalla. Fig. 6. Attenuation of a rejlected and a penetrated wave on the interface. E 0 w 50 w z 50 0 > z w Z W 050 < > I WOREENI ISIUT I Is",v I 50 " ' 5 z w z '0 z 35 < > 3D < > " " x < 20 0 15 on. 10 w DOS DOS 050 500 50 500 JO HTAVUUS I 1ElEKTR O..JUURI D t s rr OEN NEL I 2 4 6 8 10 12 14 16 1e 20 22 24 26 28 30 Eh 15YY5 ( m ] Kuva 5. Väliaineen sähköisistä ominaisuuksista johtuva vaimeneminen. Vaaka-akselilta pystysuoraan vedetyn viivan ja kuvaan vinosti piirretyn suoran leikkauskohdasta voidaan pystyakselilta lukea vaimeneminen väliaineessa. Fig. 5. Attenuation due to the electrical properties of the intermediate agent. At thesection of a fine drawn vertically from the horizontal axis and of the straight fine drawn obfiquely in thefigure the allenuation in the intermediate agent can be read. Kuva 7. Aallon vaimeneminen etäisyyden funktiona joillakin ohjeellisilla dielektrisyyksien arvoilla. Fig. 7. Wave attenuation depicted as distance at certain directive dielectricity values.

10 kinormaalia kohden, mikä keskittää suuremman osan aaltoenergiasta antennin aktiiviselle alueella. Joka tapauksessa etäisyydestä johtuva vaimeneminen on merkityksellistä johtamatto:nissa irtomaissa, joissa tunkeutuvuus muuten on hyvä. Aallon taittuminen huomioon ottaen etäisyydestä johtuva vaimeneminen on Qetäisyys = 20 19 (R 1 / R2) (12), jossa Rl = Antennin säde L = etäisyys antennista R2 = Rl + L. tan(arcsin(sin(a)h:2» a = 45 astetta E2 = väliaineen dielektrisyys SIR-maatutkalaitteiston lähetystehon ja kohinan suhde on 120 db (SIR-manual), eli heijastunut aalto voidaan erottaa laitteistosta johtuvasta kohinasta, mikäli se on vaimentunut alle 120 db. Antennista johtuva vaimeneminen on 22 db (Annan & Davis), jolloin muista tekijöistä johtuva vaimeneminen saa olla korkeintaan 100 db. Kokonaisvaimeneminen on Q = Qlaite + Qväliaine + Qheijastava pinta + Qetäisyys (13) Pohjaveden yläpuolella karkeita irtomaita (soraa ja hiekkaa) voidaan pitää kuivina. Niiden johtavuudet ovat luokaa 0,1 ms/ m ja dielektrisyydet 4-6. Tällöin väliaineessa tapahtuva vaimeneminen on hyvin pientä (alle 0,2 db/ m). Määrääväksi tekijäksi jää heijastavan pinnan etäisyys tai sähköisillä rajapinnoilla tapahtuva vaimeneminen. Glasifluviaaliset maaperämuodostumat ovat yleensä rakenteeltaan kerroksellisia, mikä johtuu jäätikköjokien virtausmäärien vaihteluista. Maalajien kerroksellisuus näkyy maatutkaprofiililla selvinä rajapintoina. Moreenit sisältävät tyypillisesti runsaasti heijastavia rajapintoja, jotka katkeilevat. Kuivissa johtamattomissa irtomaissa väliaineessa olevien kerrosten lukumäärä ja heijastuspintojen voimakkuus vaikuttaa ratkaisevasti maatutkaluotauksen syvyysulottuvuuteen. Hiedoissa, hietoja hienommissa irtomaissa ja hienoainesmoreeneissa on yleensä aina vettä niin paljon, että maalajin johtavuus ja dielektrisyys lisääntyvät. Gtk:n pohjavesitiedoston perusteella karkeiden irtomaiden (sorat, hiekat ja hiekkaiset moreenit) lähteistä mitattu pohjavesien johtavuuden mediaani on noin 5 ms/ m. Mikäli maalajeissa on savea toissijaisena tekijänä vastaava arvo on noin 14 ms/ m. Yleisesti veden johtokyky on riippuvainen siinä olevien vapaiden ionien määrästä. Ionien määrä lisääntyy aineksen hienoainesosuuden kasvaessa ja toisaalta riippuu voimakkaasti maalajin syntyolosuhteista (merellinen - makea vesi). Pohjaveden alapuolella väliaineesta johtuva vaimeneminen muuttuu hallitsevaksi. Tämä johtuu osaksi siitä, että etäisyydestä johtuva vaimeneminen alkaa tasoittua 10 m:n jälkeen. Toisaalta dielektrisyyksien muutoksista johtuvat rajapinnat heijastavat heikommin pohjaveden alapuolella, koska kaikkien irtomaiden dielektrisyydet kasvavat. Hienorakeisissa irtomaissa (hiedat, hiesut, savet ja hienoainesmoreenit) on yleensä aina mukana vettä, ja ne johtavat sähköä huomattavasti paremmin kuin karkearakeisemmat maalajit. Veden määrän, raekoon ja syntyolosuhteiden mukaan johtavuuden vaihteluväli on suuri (1-1000 ms/ m). Kun merelliset savet jätetään suuren sähkönjohtavuutensa vuoksi pois, voidaan johtokyvyn arvioida olevan 5-60 ms/ m (Gtk:n pohjavesitiedoston perusteella) mediaanin ollessa noin 14 ms/ m. Vastaavasti veden määrän mukaan dielektrisyys vaihtelee 16:sta 30:een. Vaimeneminen hienorakeisissa maalajeissa on keskimäärin 9-10 db/ m edestakaista matkaa. Toisin sanoen hienorakeisissa vedellä kyllästyneissä maalajeissa on odotettavissa melko rajoittunut syvyysulottuvuus (7-8 m), mutta vaihteluraja on suuri. Sen sijaan sellaisilla alueilla, joille Itämeren suolaiset vaiheet eivät oie vaikuttaneet, maatutkaluotauksen syvyysulottuvuus on huomattavasti suurempi. 1.3 Aallon taittuminen ja heijastuminen Maatutka-antennin lähettämä puls si leviäji koko avaruuteen, mutta heijastunut signaali havaitaan huomattavasti vaimenneena, kun antenni poikkeutetaan mittausasennosta (Hänninen et al.). Tehtyjen mittausten perusteella antennin keilakulmaksi arvioitiin noin 45 astetta, ja vielä antennin ollessa 57 astetta kallistuneena kohde pystyttiin havaitsemaan. Aalto taittuu rajapinnalla Snellin lain mukaan v2sinau, = v,sinau2' kun otetaan huomioon kaava 1 = > 2. 2 E,sm u, = E 2 sma U2 (14) Eli dielektrisyyden kasvaessa rajapinnalla aalto taittuu tason keskinormaalin suuntaan ja päinvastoin. Koska ensimmäinen rajapinta on aina ilmasta maaperään, taittuu aalto rajapinnalla voimakkaasti alaspäin. Näin ollen aaltoenergia pintaalayksikköä kohden kasvaa, mikä parantaa edellä laskettuja syvyysulottuvuuksia. Antenni havaitsee myös varsinaisen mittauspisteen sivulla olevat heijastavat rajapinnat. Yksittäinen kohde näkyy profiililla sekä ennen että jälkeen kohteen ylityksen, mistä johtuu profiililla näkyvät "viikset". Yksittäisen heijastavan kappaleen

11 COP -menet.e I ms x 2 /t.2>------- ---- X 1 / t -r-, ---- 2 2 :2 2 Z = t. 2 X 1 - t' X2 Syvyyo e n maar"" I t t a m l ne n yksi tta l sel la p l Steel l e. Z/tO Ku va 8. Syvyyden määrittäminen CDP-menetelmällä ja yksittäisen heijastava n kappaleen avulla. Fig. 8. Determining a deplh by means oj the CDP procedure and an individual rej lecting body. aiheuttamaa ' 'viiksimuotoa" voidaan käyttää hyväksi kappaleen syvyyden laskemiseksi (Ulriksen). Tällöin oletetaan, että kappale alkaa näkyä 45 asteen kulmassa (kuva 8). Kun kappaleen syvyys ja aika, to, (kuva 8) tunnetaan, voidaan laskea väliaineen dielektrisyys. Yksittäisen kappaleen perusteella lasketulla dielektrisyydellä voidaan tulkintatulosta parantaa ilman muita referenssitutkimuksia. Tällöin antennin paikka tutkimuslinjalla on tiedettävä tarkasti. J os käytössä on kahden antennin mittausgeometria, voidaan käyttää CDP-menetelmää heijastavan rajapinnan syvyyden määräämiseen (kuva 8). CDP-menetelmässä antenneja poikkeutetaan toisistaan, jolloin signaalin kulkuaika väliaineessa pitenee antennien etäisyyksien funktiona. Muutoksien perusteella voidaan laskea heijastavan rajapinnan syvyys ja välianeen dielektrisyys. Jos maatutkaluotauksen tulostus tapahtuu mittakaavassa 1: 10000, ei jälkikäteen kannata yksittäisen pisteen menetelmällä yrittää laskea dielektrisyyttä, koska profiilin lukematarkkuus horisontaaliasteikoilla on liian heikko. Yksittäisen kappaleen avulla tapahtuva syvyyden määrittäminen soveltuu esimerkiksi kadonneiden vesijohtoputkien etsimiseen. CDP-menetelmää käytettäessä on 01- tava selvä tasainen rajapinta, jota voidaan seurata antennien etäisyyttä kasvatettaessa. Sen soveltaminen geologisiin kohteisiin on huomattavasti helpompaa kuin yksittäisen kappaleen menetelmä. Useimmissa geologisissa ongelmissa ei paksuutta tarvitse tietää tarkasti. Sen sijaan maaperän luokitteleminen dielektrisyyden perusteella tekee em. menetelmät käyttökelpoisiksi. Mikäli yksittäisiä heijastuspintoja on lähekkäin (alle aallonpituuden päässä toisistaan), kohteiden aiheuttamat heijastukset sekoittuvat toisiinsa (Hänninen et al.). Koska rajapinnat piirtyvät profiilille aikaskaalassa, yksittäiset kappaleet vaikuttavat ni iden alapuolisiin kerrosrajoihin. Antenni havaitsee myös sivuilta tulevat kerroksen heijastukset, joilla ei oie vaikutusta alempien kerrosten kerrosraj oihin. Jos maaperässä oleva välikerros on paksuudeltaan alle puolitoista aallonpituutta, vaikuttavat peräkkäiset heijastukset toisiinsa. Tämä muuttaa heijastuvan signaalin taajuutta sekä vahvistaa tai heikentää paluusignaalia sen mukaan, mikä on ajallinen erd ja mitkä ovat aallon vaihekulman muutokset rajapinnoilla. Moreenit ja kivikkoiset irtomaat sisältävät runsaasti heijastavia rajapintoja. Todelliset kerrosrajat rikkoontuvat ja aallon vaimeneminen on voimakasta. Näiden irtomaiden erotteleminen ilman referenssitietoa on vaikeaa. Väärä tulkinta johtaa suureen virheeseen kerrospaksuuksia arvioitaessa.

12 2 MAATUTKALUOTAUSLAITTEISTO Maatutkaluotauslaitteistoon kuuluu antenni, keskusyksikkö, tiedon tallennusyksikkö (nauhuri tai piirturi), virtalähde ja kulkuneuvo (kuva 9). Jos mittalaitteille on käytössä lämmitettävä roiskevedeltä suojattu tila, voidaan koko laitteisto kuljettaa mukana ja maatutkaprofiili saadaan jo luotauksen aikana (kuva 9 " kesällä"). Vaikeissa 010- suhteissa lopullinen maatutkaprofiili saadaan vasta tukikohdassa (ku va 9 "talvella" ja "talvitulostus"), jolloin lopullisesti tiedetään luotauksen onnistuminen. Maatutkaluotauslaitteistoja valmistetaan mm. USA:ssa, Kanadassa, Japanissa ja Neuvostoliitossa. GTK:lla on käytössä amerikkalaisen Geophysical Survey System Inc:n valmistamat Subsurface Interface Radar laitteistot tyyppinumeroiltaan 3 ja 8 eli SIR-3 ja SIR-8 (kuva 10). 2.1 Keskusyksikkö ja anten ni Maatutkaluotauksen antennitaajuudet ovat 80-1000 MHz. Taajuuden kasvattaminen lyhentää aallonpituutta ja näin ollen pienten kappaleitten havaitseminen helpottuu mutta syvyysulottuvuus vähenee. Geologisiin kohteisiin soveltuvat 80-120 MHz:n antennit. Gtk:lla on käytössään 80 MHz ja 100 MHz antenneita (kuva 11). Antennia vedetään perässä mittausolosuhteiden mukaan joko suoraan antenniin kiinnitetyil1ä pyörillä tai sijoitettuna antennia varten rakennettuun pulkkaan. SIR-3:ssa on piirturi ja keskusyksikkö rakennettu yhteen. Piirturi vähentää laitteen maastokelpoisuutta, sillä sen on oltava roiskevedeltä suojattu ja sen toimintalämpötila on nollan yläpuolella. SIR-8 -keskusyksikkö on erittäin maastokelpoinen, ja se voidaan sijoittaa mihin tahansa käytössä olevaan maastokulkuneuvoon (kuva 12). SIR-8:ssa on pieni oskiloskooppi, jolla signaalin käyttäytymistä voidaan seurata. SIR-8 -keskusyksikkö tarvitsee erillisen tulostuslaitteen. MAATUTKALUOTAUSLAITTEISTO KESALLA TALVELLA TALV I TULOSTUS Kuva 9. MaatutkaluotauslaitteislOn kokoonpano kesä- ja talvimittauk sissa. Fig. 9. Assembly 01 a ground penetration radar apparatus Jor summer and winter measurements.

Kuva 10. Maatutkaluotauslaitteisto. Ylhäältä: nauhuri, SIRFAS, keskusyksikkö ja piirturi. Kuvassa puretaan analogianauhurilta onnistunutta piiloharjun etsintätulosta (kuva E. Vallimies). Fig. 10. Ground peneration radar apparatus. Top: tape recorder, S1RFAS, CPU and graphie recorder. A successjul search result oj a hidden esker is being unloaded jrom an analogous tape recorder. (Figure by E. Vallimies). Kuva 11. SIR:n 80 MHz:n antenni. Antennia vedetään kesäaikana maastoautolla. Antenniin on kiinnitetty pyörät, jotka mahdollistavat jopa 50 km/ h liikkumisnopeuden (kuva E. Vallimies). Fig. 11. Antennajor Model SIR 80 Hz. The antenna is pulled by means oj a cross-country truck in the summer. The antenna is provided with wheels attached thereto, thus enabling 50 km/ h speed while moving (Figure by E. Vallimies).

14 Kuva 12. SIR-keskusyksikkö ja Teac-nauhuri voidaan sijoittaa talvella myös moottorikelkkaan (kuva P. Hänninen). Fig. 12. The CPU for the SIR Modeland the Teac tape recorder may also be placed in 0 skidoo in the winter (Figure by P. Hänninen). Keskusyksikkö tahdistaa antennissa olevan lähetinyksikön muodostamaan teholtaan 20 W:n pulsseja 1,6-51,2 khz:n taajuudella. Lähetettävän pulssin pituus on 1,5 jaksoa siniaaltoa. Palautuva signaali johdetaan antennissa vastaanottopuolelle, mikä voi tapahtua jo lähetyksen aikana, eli vastaanoton "sokeaa" aikaa ei oie. On kuitenkin huomattava, että 80 MHz:n taajuudella maan pinta ensimmäisenä rajapintana peittää noin 18 ns:n alueen. Keskusyksiköltä säädetään mittausaika sekä tulostuksen pyyhkäisytaajuus. Vastaanotinyksikkö ottaa tuhannesta paluupulssista näytteen liukuvasti ajan funktiona. Näytteenottokohdan muuttuminen on riippuvainen keskusyksiköltä valitusta mittausajasta. Kerätyistä näytteistä vastaanotinyksikkö muodostaa pyyhkäisyn, joka lähetetään keskusyksikköön. Pyyhkäisytaajuutta voidaan muuttaa 1,6:sta 51,2 Hz:iin. Moottoriajoneuvolla liikuttaessa pyyhkäisytaajuuden on oltava 25,6 Hz tai enemmän. Koottu pyyhkäisy on muodoltaan voimakkaasti ajan funktiona heikkenevä. Sitä voidaan esivahvistaa keskusyksikön herkkyyssäätimellä, sekä suodattaa kolmiasentoisella ylipäästösuodattimella. Lopputulokseen vaikuttavat voimakkaasti mittausajan säätö ja pyyhkäisyn tasainen ja ajasta riippuva vahvistus. Koska sekä mittausaika että vahvistukset vaikuttavat saatuun lopputulokseen, on mittauksen alussa tiedettävä tarvittava mittausaika. Pyyhkäisyn amplitudin heikkeneminen ajan funktiona pyritään tässä vaiheessa kompensoimaan vahvistuksia säätämällä. Signaalin liian voimakas vahvistaminen vahvistaa myös kohinaa ja profiilin luettavuus kärsii. Vahvistuksen muoto pysyy samana mittausajan kasvaessa, ja tällöin vahvistus osuu ajallisesti väärään paikkaa, mikäli mittausaika on liian pitkä. Näiden säätöjen ratkaiseva merkitys pakottaa jokaisen mittauksen alussa uhraamaan aikaa sopivien säätöjen etsimiseen. Tämä aika saattaa venyä pitemmäksi kuin lopullisen profiilin luotausaika, mutta se kannattaa tehdä. Ensimmäiset rajapinnat ovat syvemmältä tulleisiin heijastuksiin nähden ylikorostuneita. Vahvistukset vaikuttavat aina myös pyyhkäisyn alkuosaan. Jos syvemmältä tulevat heijastukset ovat heikkoja, joudutaan käyttämään suuria vahvistuksia. Tällöin profiilin yläosa menettää luettavuutensa, koska se piirtyy kokonaan tummaksi. Keskusyksikköön on jätetty mahdollisuus siirtää pyyhkäisyn aloituskohtaa käsin, mikä mahdollistaa suuremman vahvistuksen pyyhkäisyn mielenkiintoiselle osalle ilman, että lopputuloksen luettavuus kärsii. Tosin on tiedettävä, missä todellinen yläpinta sijaitsee. Pelkän mittauksen tarvitsema tehon tarve on vain 30 W ja syöttöjännite voi vaihdella 10:stä 28 V:iin, eli tavallisella 12 V:n akulla virrankulutus on vain 2,5 A. 2.2 SIRFAS Keskusyksikön suodattimista huolimatta pyyhkäisy pyrkii kääntymään varsinkin pitkillä mittausajoilla positiiviseen suuntaan. Lisäksi pyyhkäisyssä on jäljellä sekä matala- että korkeataajuista kohinaa. SIR-8:ssa lisälaitteena oleva ohjelmayksikkö pystyy poistamaan vakiotasohäiriöt, mutta niiden tehokkuus pyrkii poistamaan myös horisontaaliset kerrosrajat. Insinööri Leevi Koponen ja teknikko Risto Perttola rakensivat pyyhkäisyn suodattamiseen ja vahvistamiseen SIRF AS-Iaitteiston

15 Kuva 13. Gtk:ssa rakennettu SIRFAS-yksikkö, jolla voidaan jatkokäsitellä piirturille menevää signaalia (kuva E. Vallimies). Fig. 13. A SIRFA S uni! built up in the Geologieal Survey 0/ Finland, with whieh the signal entering the graphie recorder may be /urther proeessed. (Figure by E. Vallimies). (Subsurface Interface Radar Filtter Amplifier System) (kuva 13). SIRFASissa on yli ja alipäästösuodattimet, joilla tulostusalue voidaan valita. Suodattimia voidaan säädellä 100 Hz:n välein. Suodatustaajuudet ovat riippuvaisia keskusyksiköltä säädetyistä pyyhkäisyja mittausajoista. Jos pyyhkäisyaika on 40 ms ja mittausaika noin 500 ns signaalin taajuus on n. 1000 Hz. Signaalin taajuus ei oie vakio vaan riippuu mm. irtomaan rakenteesta (Hänninen et al.). SIRF ASin suodattimilla pystytään poistamaan signaalin vääristyminen pitkillä mittausajoilla sekä matalataajuinen kohina. Korkeatajuisesta kohinasta se pystyy poistamaan suurimman osan. Suodatettua signaalia voidaan edelleen vahvistaa sekä ajan mukaan että tasaisesti. Tässä vaiheessa pyyhkäisy on lähes häiriötön, ja näin ollen sen vahvistaminen tulostuksen kärsimättä on mahdollistao Mikäli kaikesta huolimatta signaalissa esiintyy häiriöitä, voidaan tulosta yrittää parantaa säätämällä pyyhkäisyn nollakohtaa ja poistamalla toinen polariteetti. Ruotsalaisten kokemusten mukaan kallion pinnan etsimisessä kannattaa käyttää negatiivista polariteettia (Hänninen). SIRF ASilla voidaan tahdistaa piirturin paperinsyöttöä. Paperinsyötön tahdistamiseksi matkanmittaus on järjestetty kenttälevyantureilla, jotka lähettävät pulssin kymmenen senttimetrin välein. Halutun määrän matkapulsseja saatuaan SIRF AS lähettää piirturille käskyn pyyhkäisyn tulostamiseksi ja paperin siirtämiseksi. SIRFAS on suunniteltu siten, että sitä voidaan käyttää vain katetuissa tiloissa. Maastokelpoisuudeltaan se on käytetyn piirturin kanssa samaa luokkaa. Vaikeissa maasto-oloissa mittaustulos ja matkamittarin pulssit on ohjattava nauhurille, josta tulokset on purettava tukikohdassa. SIRF AS käyttää 220 V:n vaihtovirtaa ja sen tehontarve on 100 w. 2.3 Piirturi Gtk:n maatutkalaitteiston piirturiksi valittiin Honeywellin Visicorder Oscillograph (kuva 14). Kuten SIRF AS ei piirturikaan sovellu vaativissa maasto-oloissa käytettäväksi, vaan se vaatii katetun pakkaselta ja roiskevedeltä suojatun tilan. Sen käyttöjännite on niin ikään 220 V vaihtovirtaa ja tehontarve peräti 350 W eli pelkkien akkujen varassa sitä ei pysty käyttämään. Piirturi on tyypiltään normaali intensiteettipiirturi eli piirturilta säädettyä jännitetasoa korkeam-

16 Kuva 14. Honeywell in piirturi, joka on varmatoiminen, mutta vaatii pakkasen ja roiskeveden pitävän ti lan.(kuva E. Vallimies) Fig. 14. Honey well graphie recorder which is reliab/e in operation but requires af rost and sp/ash water resistant space (Figure by E. Vallimies). mat amplitudin osat tulostuvat. Tulostus tapahtuu valottamalla valoherkkää paperia. Valitun piirturin hyvinä puolina ovat suuri signaalin käsittelynopeus, hajuttomuus ja meluttomuus. Yhden pyyhkäisyn piirtoaika on valittavissa portaattomasti, mutta käytännön kannalta on parempi säilyttää piirturin pyyhkäisyn piirtoaika vakiona ja valita keskusyksiöltä vakioskaaloja esim. 250, 500 ja 750 ns, jolloin tu losten vertailu ja esitulkinta on helpompaa. Erikoistapauksissa voidaan maatutkaluotaustuloksen osa levittää koko piirtoleveydelle, mutta tällöin on aina tulostettava aikaskaala profiilin alkuun. 2.4 Nauhuri Koska SIR-systeemiin kuuluva digitaalinauhuri on sekä hankinta- että käyttökustannuksiltaan kallis, päätettiin mittaustulos tallentaa analogiamuodossa kasettinauhurille (kuva 15). Kesällä piirtosignaali ohjataan sekä piirturille että nauhurille. Talvimittauksissa nauhuri toimii tiedonkeruuyksikkönä. Tulos voidaan tallentaa ennen tai jälkeen SIRF AS-käsittelyn ja se voidaan tarvittaessa myös purkaa SIRF ASin kautta piirturille. Nauhuri on nelikanavainen tavallisia C-kasetteja käyttävä Teac R-61D. Kaksi nauhurin kanavista on taajuusmoduloitua (FM) signaalia varten ja kaksi suoraan (DR) tulostukseen. Yhdelle DR- kanavalle menee mittaustulos ja toiselle mittaajan kommentit. FM-kanaville menee pyyhkäisyn tahdistuspulssi ja matkamittarin pulssit. Nauhuri on erittäin maastokelpoinen. Se toimii 9 V:n tasavirralla, ja sen tehontarve on vain 6 W. Vaikeissa maasto-oloissa joudutaan siirtymään kevyempään luotaussysteemiin, jolloin varsinaisessa luotauksessa tarvitaan vain keskusyksikkö, nauhuri, antenni ja 12 V:n akku. Laitteet sijoitetaan esim. moottorikelkkaan ja antennia hinataan pulkassa moottorikelkan perässä. Tällä kokoonpanolla mittaus voi ainakin talvisaikaan tapahtua maasto- ja kelioista riippumatta. Yhden kohteen mittaukseen kulunut aika vähintäänkin kaksinkertaistuu, koska joka toinen päivä on varattava tulostukseen, ja uusittavat linjat voidaan päättää vasta tulostuksen jälkeen. Analogianauhurin etuna GSSI:n suosittelemaan digitaalinauhuriin nähden on sen parempi maas-

17 Kuva 15. Erittäin maastokelpoinen Teac R-6ID -analogianauhuri. Fig. 15. Teac R-61D ana/ogous recorder, very useju/ in jie/d conditions. tokelpoisuus ja huomattavasti edullisemmat hankinta- ja käyttökustannukset. Samalla kuitenkin menetetään digitaalinauhurin suoma mahdollisuus keskusyksikön PLAY-BACK -toiminnon käyttöön. Tämä mahdollistaisi mittaustuloksen tallentamisen normaalimuodossa ja toistamisen ohjelmien avulla mittausta uusimatta. 2.5 Paikanmääritys Käyttökelpoinen ja monissa tapauksissa ainoa mahdollinen paikanmäärityssysteemi on kartalle piirretty ajoreitti ja ajoreitille ja profiileille merkityt kiintopisteet. Ajoreitin toistettavuus paranee, jos kiintopisteet ja reitti merkitään lisäksi maastoon, kun esim. halutaan ohjata kairausta. Koska profiili tulostuu tasaisella nopeudella ajettaessa suhteessa kuljettuun matkaan, pystytään haluttu luotauskohta paikantamaan ajoreitin tarkkuuden rajoissa. Menetelmä on helppo, eikä se vaadi ylimääräisiä laitteita. Sen tarkkuus vaikeasti kartalle sijoitettavassa maastossa on kuitenkin niin heikko, että kairauksen ohjaus ilman maastoon merkittyä ajoreittiä on mahdotonta. Näin suoritettua kairausta ei voida käyttää maatutkaluotauksen referenssitietona. Ajoreitin merkitseminen etukäteen taas lisää huomattavasti maatutkaluotauksen henkilökustannuksia. Tutkimusalueilla, joilla paikkatieto halutaan määrittää tarkasti, on käytettävä joko linjoitusta tai paikanmäärityslaitteistoa. Suotutkimuksissa, joissa suot pyritään luotaamaan tasavälisin linjoin, on talvisaikaan ollut käytössä merigeologian tutkimusryhmältä lainattu Mini-Ranger -paikanmäärityslaitteisto. Se perustuu kahteen maa-asemaan ja keskusyksikköön, jonka paikkaa lasketaan. Maa-asemien paikat keskusyksikköön nähden ovat alkutilanteessa tiedossa. Keskusyksikkö lähettää vuoron perään kummallekin maa-asemalle GHz:ien taajuisen pulssin, johon maa-asemat vastaavat. Lähetyshetken ja paluupulssin välisestä aikaerosta keskusyksikkö määrittää etäisyydet kumpaankin maa-asemaan ja laskee säteiden avulla oman paikkansa. Menetelmän tarkkuus maa-asemien suhteen on hyvä (poikkeama 3 m), mutta se vaatii optisen yhteyden maa-asemien ja keskusyksikön välille. Laajoilla aavoilla suoalueilla menetelmä on käyttökel-

18 poinen, mutta jos suolla on saarekkeita tai lahdekkeita, maa-asemia joudutaan siirtämään. Kun suokuvio on rikkonainen, maa-asemien siirtely saattaa viedä puolet työpäivän tehollisesta työajasta. Vaikeuksia tuottaa myös maa-asemien tarkka paikantaminen ja niiden lyhyt välimatka. AIkuperäisestä maa-asemien paikantamisvirheestä ja maa-asemien siirroista johtuen koordinaatisto kiertyy mittauksen edetessä. Vuonna 1986 esittelivät neuvostoliittolaiset TTvaihdon yhteydessä hyrräkompassiin ja matkan mittaamiseen perustuvan automaattisen paikanmäärityslaitteistonsa, jollaisia mm. Suomen puolustusvoimat käyttävät. Sotilastarkoituksiin soveltuvat valmiit paikanmäärityssysteemit ovat hinnaltaan niin kalliita, että niiden hankkimiseen ei oie realistisia mahdollisuuksia. Gtk osti kesällä 1987 Gyrostar -hyrräkompassin, jota kokeiltiin elokuussa 1987. Oikean suunnan saamiseksi hyrräkompassin antamaa lukemaa on korjattava leveysasteen, suunnan ja kulkunopeuden funktiona. Testissä ajettiin 5850 m:n pituinen lenkki. Aika ja matka mitattiin 50 m:n välein auton matkamittarista ja kellosta. Sulkuvirheeksi saatiin alle 20 m eli suhteellinen tarkkuus ensimmäisessä kokeilussa oli parempi kuin 0,4 0,10 kuljetusta matkasta. Suunnan ja matkan mittaami seen perustuva paikanmäärityslaitteisto on potentiaalinen ja hinnaltaan edullinen laitteisto maatutkaluotauksen tueksi. 2.6 Sähköjärjestelmät Gtk:n käytössä oleva maatutkaluotauslaitteisto on koottu usean valmistajan laitteista. Laitteiden alunperin erilaisista käyttötarkoituksista johtuen niiden käyttämät jännitteet ja virtatyypit vaihtelevat. Tarvitaan sekä normaalia 220 V:n vaihtovirtaa, että 9-24 V:n tasavirtaa. Koko laitteiston tehontarve on noin 600 W. Toimittaessa maastoautolla (yleensä 24 VDq tarvitaan 900 W:n laturi korvaamaan sekä ajoneuvon että laitteiston sähkönkulutus. Vaihtojännitteen aikaansaamiseksi täytyy olla muuttaja 24 VDC-220 V AC, sekä jännitteenalenin 24 VDC -9 VDC. Talvimittauksissa käytettävien laitteiden kokonaistehontarve on niin pieni, että ne pystyvät toimimaan päivän 60 Ah:n akulla ilman akun latausta. 3 TULKINTA Tulkinnassa pyritään määrittämään maatutkaprofiililla näkyvien kerroksien maalajit sekä niiden kerrospaksuudet. Maatutkaluotaus tuottaa tiedon tarvitsijalle jatkuvan profiilin maaperän kosteuseroista johtuvista rajapinnoista. Pelkästään paluusignaalin perusteella ei voida suorittaa tulkintaa, vaan tulkinta perustuu geologiaan. Geologille, jolla on käsitys alueen maakerrosten rakenteesta, profiili antaa runsaasti lisätietoa. Tulkinnan kannalta on tärkeää, että maatutkaluotauksen tulkinnasta vastaava henkilö on mukana jo luotauksen aikana. Tämä auttaa ymmärtämään profiilin ja reaalimaailman välisiä suhteitao Tällöin voidaan tehdä profiilien esitulkinta välittömästi tulostuksen päätyttyä. J 0 esitulkintavaiheessa voidaan päätellä, miten luotaus on onnistunut, ja tehdä tarvittaessa tarkentavia tai uusintaluotauksia. Mikäli tiedon tarve on rajallinen (esim. onko maapeitteen paksuus linjalla yli viisi metriä), antaa esitulkinta usein riittävän tiedon ja tulkinta voidaan tehdä nopeasti. Jos halutaan tarkempaa tulkintaa, on suoritettava kairausta tai muuta geofysiikkaa referenssitiedon keräämiseksi. Tässäkin tapauksessa esitulkinta on tarpeen, sillä maatutkaluotausprofiililta voidaan valita edullisimmat jatkotutkimusten paikat ja säästää näin huomattavasti kustannuksia. Esitulkintaa varten on joillekin maalajeille tehty kirjallisuudessa esiintyviin dielektrisyysarvoihin ja käytetyimpiin luotausaikoihin perustuvat pikatulkintalevyt (kuva 16). On kuitenkin muistettava, että niillä suoritettu tulkinta antaa vain viitteellisen tiedon kerrospaksuuksista. J os käytetyt luotausajat poikkeavat pikatulkintalevyjen ajoista, täytyy kerrospaksuudet laskea. Laskuissa voidaan käyttää kaavoja 7, 8 ja 9. Tarkemmassa tulkinnassa ratkaistaan referenssipisteiden avulla maakerrosten dielektrisyydet. Dielektrisyyksien avulla voidaan tehdä tapauskohtaiset pikatulkintalevyt tai -sablonit, joilla ratkaistaan eri kerrosten paksuudet. Tällöin vältytään jatkuvalta laskemiselta. Kerrosrajat voidaan myös digitoida, ja kerroksille voidaan antaa niille kuuluvat dielektrisyydet. Usean kerroksen tapauksessa digitointi on edullisin vaihtoehto. Yhden tai kah-

19 --, I \l m VI W I\J 2 C 1) :3 r-- 4 C 2) 5 HIEKKA s: 0 II m Z - DL- 9 - - - - 6 6 (3) S - - E3 L 10 (5) 250 ns 17---- 9 S E - - - - 17 e; - -E;- Kuva 16. Pikatulkintalevy kenttäolosuhteissa ilman referenssitietoa tapahtuvaan kerrospaksuuksien määräämiseen. r-- 15 (7 5) w > er :J f- ns31h 't'1.31h e; L-- - - - - Fig. 16. Quick interpretation diskette in jie/d conditions jor determining /ayer thicknesses without rejerence data. [l) L-- den kerroksen tapauksessa, esim. hiekka tai moreeni -muodostumat, suot ja vesistöt, tulkintasablonit ovat käyttökelpoisia. Jos tulkintatulokseksi riittää pelkkien kerrosrajojen merkitserninen ja kerrosten nimeäminen, voidaan tulkinta tehdä suoraan profiilille ja tulkin- nan tueksi liittää kohteelle sopiva pikatulkintalevy. Mikäli tulkintatulos halutaan esittää metriskaalaisina profiileina tai sama-arvokarttoina tulos on vietävä atk:lle ja jatkokäsittely tehtävä atkavusteisena. 3.1 Glasifluviaaliset ja fluviaaliset muodostumat Glasifluviaalisille ja fluviaalisille muodostumille on tyypillistä kerroksellisuus. Veden virtausmäärien mukaisesti muodostuma on kerrostunut hienommista ja karkeammista aineksista. Tämäntyyppisissä muodostumissa virtauksen aiheuttama kerroksellisuus on selvästi havaittavissa maatutkaprofiililla. Kerrosten keskinäisistä raekoostumuksista ei yleensä voida profiilin avulla tehdä johtopäätöksiä, sillä kerrosten paksuudet jäävät alle resoluutiokyvyn. Mahdolliset karkeat paksut osuudet, kalliot, pohjamoreenit, pohjavesi ja yksittäiset heijastavat kappaleet, kivet, näkyvät profiililla selvästi. Tuusulan Keinulukko (kuva 17) on tyypillinen glasifluviaalinen muodostuma. Muodostuman pinnalla on runsaasti kiviä, ja profiililla näkyvät rakenteet ovat soraisten ja hiekkaisten kerrostumien rajapintoja. Syvyysulottuvuus ajetulla koelinjalla on noin viisitoista metriä. Pohjavedestä tai kalliosta ei näy merkkejä. Paikoin, esim. 1/ 3 profiilin alusta, rajapinnat katkeilevat viuhkamaisesti, mikä viittaa suurehkoihin kiviin. Luotaus on aloitettu muodostuman reunan puolelta ja kerrosten jyrkkyys kasvaa linjan loppua kohden. Korkianummilla (kuva 18) ylin profiili alkoi kalliopaljastuman vierestä. Pisteessä 1 kallio on vielä havaittavissa alimpana rajapintana. Noin 6 mm sen yläpuolella on pohjaveden pinta. Pohjavesi on yli kuudentoista metrin syvyydessä. Päällä on selviä kerroksellisia rakenteita, joiden kaateet ajolinjan suunnassa ovat lähes nolla. Keskimmäinen profiili alkaa myös lähes kalliopaljastumalta. Kalli on painumista syvemmälle on helppo seurata. Pisteen 2 ympäristössä laskeudutaan hiekkakuopan pohjalle. Profiililla oleva tummuus saattaa johtua hiekkakuopan pohjalle vievän rampin rakentamiseen käytetystä täytemaasta. Kuopan pohjalle saavuttaessa (piste 3) kallio näkyy taas selvästi. Pohjavesi on enää noin neljän metrin syvyydessä, mikä vastaa noin kolmea millimetriä profiililla. Kallion pinta on noin kahdeksan metriä pohjavesipinnan alapuolella eli kaksitoista metriä maan pinnasta. Alin profiili on ajettu hiekkakuopan pohjalla. Myös siinä kallio ja sen topografia

20 Ke inulukko 300 ns. Kuva 17. Leikkauksessa näkyvien karkeiden ja hiekkaisten kerrosten vaihtelut ovat profiililla selvinä rajapintoina (kuvat P. Hänninen ja P. Virtanen). Fig. 17. Variations of coarse and sandy layers visible in the section are expressed as c/ear interfaces in the profile (Figures by P. Hänninen and P. Virtanen). on selvästi havaittavissa alimpana yhtenäisenä rajapintana. Isonummilla ohut moreenikerros peittää glasifluviaalista hiekkamuodostumaa (kuva 19, ylin kuva). Muodostuman pohjois- ja itäreunoilla on kalliopaljastumia. Luotauslinjan kohdassa 1 kallio nousee voimakkaasti ylös. Varsinaisen kalliopinnan ylä-puolella on voimakas heijastava rajapinta, joka todennäköisesti on pohjavesi. Pisteellä 1 kalliopinta on noin kuuden ja pu oien metrin syvyydessä. Peittävää moreenia ei sen ohuuden vuoksi pysty erottamaan. Linjan loppupuolella pisteellä 2 on maatutkaprofiilin yläreunassa pieni pullistuma, jossa moreenin vaikutus on havaittavissa. Koska pullistuma on kuitenkin dimensioiltaan pieni, sitä tuskin tulisi havaittua normaalissa tulkinnassa. Alempi profiili ajettiin päällystämätöntä maantietä pitkin. Tielle siroteltu suola on tehnyt tienpinnan johtavaksi, eikä tutkasignaali pysty tunkeutumaan väliaineeseen. Profiili ajettiin sähkölinjan alta. Sähkölinja kuvastuu profiililla tyypillisesti viuhkamaisesti. Metsäautotiet ja ajourat eivät yleensä vaikuta mittaustuloksiin. Suolatut tai savetut tiet estävät tutkasignaalin tunkeutumisen. Onnistuneita mittauksia on tehty myös asvaltoiduilla ja öljysorapäällysteisillä tieosuuksilla. Sähkö- ja puhelinlinjat näkyvät maatutkaprofiililla, mutta ne ovat helposti erotettavissa maaperän aiheuttamista kuvioista. Tutkan toimintataajuus on niin lähellä radiotaajuuksia, että lähellä radion lähetysasemaa tutkan käyttö on mahdotonta. 3.2 Moreenit ja moreenimuodostumat Moreeneille ovat tyypillisiä runsaat heijastavat rajapinnat, joilla ei oie jatkuvuutta. Moreenien ja harjujen ytimien erottaminen profiilikuvan perusteella on vaikeaa. Kuitenkin moreenit sisältävät aina hienoainesta, joten niiden dielektrisyydet eroavat harjujen karkeasta ydinosasta. Toisaalta erottamista helpottavat esiintymien muodot ja dimensiot eli alueen geologiset tiedot. Eri moreenityyppien erottaminen toisistaan on mahdollista dielektrisyyden perusteella (Sutinen & Hänninen). Hienoainesmoreenit, jotka sopivat esim. patomateriaaleiksi, sisältävät enemmän vettä, joten niillä on suurehko dielektrisyysarvo. Karkeat moreenit, joita osin voi käyttää soraa korvaavina materiaaleina, sisältävät vähän hienoainesfraktiota. Pohjaveden yläpuolella ne ovat kui-