Interferometrisesti rekisteröivän pitkän vesivaa an kehitystyöstä ja sillä suoritetuista kallioperän liikkeiden tutkimuksesta Abstract Hannu Ruotsalainen Geodeettinen laitos, Hannu.Ruotsalainen@fgi.fi Finnish Geodetic Institute has carried out 40 years research for detection of small crustal movements by using and developing interferometrically recording long water tube tilt meter since 965. Water tube tilt meter recordings with 77m long east west and 62 meter long north south water tube tilt meter were carried out by Kääriäinen since 977 up to 998. Results of the old tilt meter pair recordings in Lohja mine in 977-996 showed high resolution in tidal analysis. New design and construction development have been carried out since 2000 to improve the instrumention with new technique to detect even smaller tilt waves originating from internal structure of the Earth. HeNe-laser with fiber-optics, and CCD-camera are used for interferometic fluid level recording. Automatic interference fringe interpretation routines have been programmed. Test measurements have been carried out with 5.5 meter long prototype tilt meter in our laboratory. Construction of the new prototype water tube tilt meter will be shown.. JOHDANTO Kukkamäki (966) esitti noin km:n mittaisen interferometrisesti rekisteröivän nestevaa an käyttöä Fennoskandian maannousututkimukseen Aulangolla järjestetyssä kansainvälisessä Recent Crustal Movement kokouksessa 965. Hänen laskelmiensa mukaan maa kallistuu maannoususta johtuen suurimmillaan noin 5 mikrometriä kilometrin kannalla vuodessa suotuisimmilla alueilla Suomessa. Esimerkin nestevaakoihin hän oli saanut kuuluisista Michelson& Gale (99) vesivaaoista viime vuosisadan alusta. Kääriäinen (97, 979) tutki ja rakensi Lohjan Tytyrin kaivokseen 977 itä-länsi suuntaisen 77 metriä pitkän vesivaa an ja myöhemmin pohjois-eteläsuuntaisen 62 metriä pitkän vesivaa an 983. Laitteiden rekisteröinti osoitti alun alkaen huomattavaa erotuskykyä kallioperän liikkeisiin kuten vuoksivoimien aiheuttamiin nähden. Vesivaakarekisteröinneistä on saatu selville mm. jo 960-luvun alussa ennustettu (Melchior, 978) ja gravimetrihavainnoilla todennettu maan ytimen (sisä- ja ulkoydin) pyörimisliikkeen poikkeama vaipan ja kuoren vuorokausijaksosta eli n.k.. Nearly Diurnal Free Wobble (Melchior 983). Puolalainen Kaczorowski (999) on rakentanut Michelson-Gale tyyppisen vesivaakakonstuktion, mutta käyttäen kuitenkin muoviputkiosia. Interferometrina hän käyttää yhdistettyä Michelson/Kääriäinen tyyppistä interferometria. Luxemburgilainen d Orey (2003) on valmistanut Walferdancen tutkimusasemalle Luxemburgiin 47 m pituisen vesivaa an, jossa on kapasitiivisiin antureihin perustuvat 95
nestepintojen korkeuden rekisteröinnit. Nestepinnan korkeusskaala kalibroidaan ruiskuttamalla tai imemällä vesivaa an keskellä olevasta reiästä insuliinipumpulla mikrolitrojen nestemääriä. Tällä laitteella saavutetut tulokset vaikuttavat lupaavilta myös Lohjan vesivaakoihin verrattuna Pitkää vesivaakaa on käytetty kallioperän tektonisten liikkeiden tutkimukseen mm. Yhdysvalloissa (Wyatt et al., 982), Japanissa (Ohyo et al., 200) ja Kiinassa (Chen et al., 995) nestepinnan kallistelun havainnoinnin tapahtuessa eri rekisteröintimenetelmillä. 2. TUTKIMUSTA LOHJAN PITKILLÄ VESIVAAOILLA 977 998 Aiemmin mainitun Kääriäisen (979) vesivaa an rekisteröintiperiaate esitetään alla olevassa kuvassa. Mainitusta viitteestä löytyy myös yksityiskohtainen kuvaus laitteiden toiminnasta sekä havaintotuloksia viitteissä Kääriäinen et al. 983, 989. Kuva. Kääriäisen vesivaa an periaate (979) Kuva 2. Vesivaakalaitteistoa laboratoriossa 96
Kuva 3. Rekisteröidyistä interferenssifilmeistä luetaan veden pinnan korkeusmuutos esim. mikrofilminlukulaitteen avulla. Kuvan 3 mustan tai valkoisen keskikuvion kärjestä tai muusta vastaavasta kohdasta toiseen on matkaero λ / 2n ja missä λ = käytetyn valon aallonpituus ja n veden taitekerroin. Natriumvalon ja veden tapauksessa se on 589 nm / 2?.33 = 22.4nm Kun kuvio jaetaan vielä osavaiheisiin harmaasävyerojen perusteella Väisälän (923) esittämän jaottelun mukaisesti ja päästään alle 50 nm erotuskykyyn vedenkorkeudessa pääteastiassa, mikä vastaa 77m pitkällä EW-vesivaa alla ~0.04 millikaarisekunnin (msec) kulmaerotuskykyä. Interferenssifilmeiltä luetuista vedenkorkeuseroista muodostetaan taulukko ja lasketaan päiden väliset korkeuserojen summa aikasarjaksi (Kääriäinen, 979). Kallioperän kallistusmuutokset analysoidaan esim. H.G.Wenzelin (996) kehittämällä vuoksianalyysiohjelmistolla. Kiinteän maan vuoksi-ilmiön analysointiin kehitetty aaltokehitelmiä, jotka sisältävät nykyisin jopa tuhansia erillisiä aaltoja. Analysointi tehdään kuitenkin vain tiettyjen aaltoryhmien suhteen pienimmän neliösumman sovituksella (Melchior, 978). Amplitudi- ja vaihetekijät kuvaavat kiinteän maan vastetta kuun, auringon ja planeettojen aiheuttamaan gravitaatiovaikutukseen nähden tietyissä tavallisesti vertikaali- tai horisontaalisuunnissa. Residuaaliksi jää vielä esimerkiksi valtamerten ja ilmakehän massojen aiheuttamaa kallioperän kuormitusta. Seuraavassa taulukossa on verrattu mainitun vuoksiaaltokehitelmän Lohjan EW-vesivaa an ampituditekijöitä Wahr-Dehant maamallin tuottamiin ja prof. Jentzschin ryhmän (Weise, 992, Weise et al. 999) Metsähovin tutkimusasemalla porareikäheilurimittauksilla 986 989 havaitsemiin nähden. 97
Table. Comparison of amplitude factors of small diurnal tidal waves in horizontal EW tilt component of Wahr- Dehant earth model, observed with EW water-tube tiltmeter at Lohja, Finland, and vertical borehole pendulum at Metsähovi, Finland Wave Frequency o [ / hour] Amplitude [millisecond of arc] Wahr-Dehant model Observed (*) EWWT, Lohja Observed (**) Borehole tiltmeter Askania P7 (EW) Q 3.999 0.7526 0.69456 0.695 ± 0.072 0.668 ± 0.075 ρ 3.47 0.2055 0.69460 0.666 ± 0.28 - O 3.943 5.6508 0.69497 0.702 ± 0.005 0.6992 ± 0.039 τ 4.96 0.0737 0.69507 0.90 ± 0.353 - π 4.98 0.538 0.70275 0.95 ± 0.207 0.6075 ± 0.5099 P 4.958 2.6293 0.70598 0.78 ± 0.03 0.74 ± 0.0298 K 5.04 7.9472 0.73679 0.728 ± 0.007 0.7373 ± 0.0099 ψ 5.082 0.0622 0.52640 0.392 ± 0.583 - φ 5.23 0.32 0.66530 0.38 ± 0.30 0.6698 ± 0.6943 J 5.585 0.444 0.69098 0.643 ± 0.059 0.6493 ± 0.765 OO 6.39 0.2432 0.69240 0.663 ± 0.092 0.7234 ± 0.3223 (*) EW water-tube tiltmeter recordings at Lohja station Finland, 23339 hourly readings (**) Askania borehole pendulum P7 at Metsähovi station Finland 986-989, 6737 hourly readings (Ruotsalainen, 200) Taulukossa EW vesivaa alla havaittu ψ aallon amplitudi 0.392 ilmentää aiemmin mainitun Nearly Diurnal Free Wobble resonanssin. Laitteen aiemmin esitetty kulmaerotuskyky ~0.04 msec on vain lievästi alle vuoksipotentiaalikehitelmänψ aallon teoreettisen amplitudin. Dekadin parannus laitteen erotuskykyyn parantaisi resonanssiaallon parametrien luotettavuutta sekä vahvistaisi τ ja π poikkeavia amplitudeja. Näillä amplitudipoikkeamilla saattaa olla jotain tekemistä sisäytimen mahdollisten liikkeiden kanssa. 3. UUDEN VESIVAAKALAITTEISTON KEHITYKSESTÄ Vuodesta 2000 lähtien Geodeettisessa laitoksessa on tehty kehitystyötä uuden vesivaakalaitteiston ja vedenkorkeusinterferometrin kehittämiseksi. Kuvassa 4. Teknillisen korkeakoulun maanmittausosaston hienomekaniikan pajassa valmistettu vesivaakalaitteiston pääteastiakonstruktio, joka valmistui keväällä 2004. 98
Kuva 4. Uuden vesivaa an prototyyppi. Astia liitetty putkeen kuvassa kaksoispallonivelliitoksella. Astian yläosassa olevan kiilalasin avulla heijastetaan muodostunut interferenssikuvio rekisteröivään CCD-kameraan. Kolmijalalla kollimaattori ja laserkuitu Laboratoriovesivaa alla ja interferometrilla sekä AvCam-CMOS kameralla on suoritettu testiajoja vuoden 2004 alkupuolelta lähtien. Interferenssikuvion vaiheen automaattitulkintaa varten on ohjelmoitu pienimmän neliösumman keinolla tapahtuva epälineaarinen sovitus ennalta laskettuun kuvion matemaattiseen malliin. Kuvassa 5 on eräs interferenssikuvio kuvattuna laboratoriossa toukokuulla 2004. Tällä hetkellä tutkitaan pääteastiassa sijaitsevan tasokuperan linssin ja sen yllä olevan nestepinnan mahdollisten kaarevuusmuutosten vaikutusta mainittuun sovitukseen. Kuva 5. Vesivaa an interferometrin interferenssikuviosta CMOS- kameralla otettu kuva. Kuvion pinnalla oleva juovitus johtunee linssihionnasta. Kuvan koko luonnossa on CMOS-kuvakennon koko 3.5mm x 5mm. 99
LÄHTEET Chen Defu, Li Zhengguan, Nie Lei, Li Xiaojan, Zhang Jiaumin, (995): Water tube Tilt meter Network for Earth Tide Observation in China, Proc. of the 2th Int. Symp. on Earth Tides, Science Press, Beijing, New York. Kaczorowski M.(999) The Results of the preliminary tilt measurements by use of long water tube clinometer in Ksiaz geophysical station, Artificial Satellites, Vol.34, Polish Academy of Sciences. Kukkamäki T.J., (966): Recording of the secular land tilting with pipe level, Proc. of 2nd Int. Conf. on Recent Crustal Movements, Acad. Sci. Fenn. AII, No. 90. Kääriäinen J., (97): A long pipe tilt meter, Proc. of the 5th Int. Symp. of IUGG, Moscow. Kääriäinen J., (979): Observing the Earth Tides with a long water tube tilt meter, Publ. of the Finnish Geodetic Institute 88, Helsinki Kääriäinen J. and I. Välimäki, (983): Tilt measurements of Two Different Instrument, Proc. of the 9th Int. Symp. of Earth Tides, Bonn Kääriäinen J. and H. Ruotsalainen, (989): Tilt measurements in the underground laboratory Lohja 2, Finland, in 977-989, Publ. of the Finnish Geodetic Institute, no. 0, Helsinki Melchior P.(978): The Tides of the Planet Earth, Oxford, Pergamon Press Melchior P.(986): The Physics of the Earth s core, An Introduction, Oxford, Pergamon Press Michelson A. A. and H. G. Gale, (99): The rigidity of the Earth, Astrophys. J., 50, 330-345 Ohyo F., M. Teraishi, T. Furuzawa and Y. Sonoda (200): Measurements of Earth Tidal Tilts with a Liquid-tube Tiltmeter of Half-filled Type, Journal of the Geodetic Society of Japan, Vol 47, No, 58-63 d'orey de Lantremange N.,(2003): Inclinomètre à niveaux hydrostatiques de haute résolution en géophysique, Université Catholique de Louvain, Academic Diss., (in french) Ruotsalainen H., (200): Modernizing the Finnish Long Water-Tube Tilt meter, Journal of the Geodetic Society of Japan, Vol 47, No, pp.28-33. Ruotsalainen H., (2002): Developing a new version of the interferometrically recording long fluid level tilt meter of FGI, Proc. of General Assembly of the Nordic Geodetic Commission (NKG) in Espoo, Finland, Oct.. - 5. Weise A. (992) Neigungsmessungen in der Geodynamik Ergebnisse von der 3- Komponenten-station Metsähovi, Doctoral Thesis, 80 pages, Technical University of Clausthal, Germany (in german) Weise A, G. Jentzsch, A. Kiviniemi, J. Kääriäinen (999): Comparison of long-period tilt measurements: results from the two clinometric stations Metsähovi and Lohja, Finland, Geodynamics 27, 237-257 Wenzel H.G. (996): The nanogal software: Earth tide data processing packageeterna3.30 Bulletin d Informations Mareés Terrestres, vol.24, 9425-9439,Bruxelles Wyatt F.K., Cabaniss, G. and D.C. Agnew (982): A comparison of tiltmeters at tidal Frequencies, Geophysical Research Letters, vol. 9, No.7, pp. 743-746 Väisälä Y. (923) Die Anwendung der Lichtinterferenz zu Längenmessung auf grösseren Distanzen, Publ. of the Finnish Geodetic Institute No. 2. 200