Liikkuvatko kalliokiintopisteet tapaus Metsähovi Pekka Lehmuskoski, Paavo Rouhiainen, Veikko Saaranen, Mikko Takalo ja Heikki Virtanen Abstract Geodeettinen laitos Observations at the Metsähovi levelling test field at the sub interval M4 M5 have been carried out since June 2003 every month. The interval consists of 10 bench marks fastened in the bedrock. Two successive bench marks have been found to move three millimetres compared to the others. There exists a strong correlation between the temperature of the bedrock and the height difference of these two bench marks. In addition, no horizontal movements have been found. 1. JOHDANTO Suomessa peruskalliota on pidetty vakaimpana alustana sekä taso että korkeuskiintopisteille. Esimerkiksi kansallisen tarkkavaaitusverkon kiintopisteet on perustettu kalliolle aina, kun sitä vain on löytynyt. Perättäisten tarkkavaaitusten vertailu kiintopisteväleittäin on tukenut tätä käsitystä kalliopisteiden luotettavuudesta, mutta myös epäilyttäviä tapauksia on löytynyt (Lehmuskoski 1996). Yrjö Väisälä havaitsi 1960 luvulla merkittäviä kalliokiintopisteiden vaakaliikkeitä Tuorlan observatoriossa (Väisälä 1967). Interferenssiperusviivan kallioon kiinnitettyjen perusviivapilarien vuotuinen liike, 0.5 mm 24 m:n matkalla, oli säännöllistä ja Väisälän mukaan se oli selvästi riippuvainen ilman lämpötilan kuukausikeskiarvosta. Geodeettinen laitos siirtyi vuonna 2001 tarkkavaaituksen kenttätöissä digitaalivaaitustekniikkaan ja hankki tätä varten kolme Zeiss DiNi12 digitaalivaaituskojetta. Näiden mittausominaisuuksien ja tarkkuuden tutkimista varten maasto olosuhteissa perustettiin Metsähovin vaaitustestikenttä vuonna 2000. Sen oletettiin olevan hyvin stabiili, koska valtaosa kiintopisteistä oli kalliossa (Takalo et al, 2001). Kuitenkin testikentän mittaukset 2000 2002 paljastivat verrattaessa eri aikoina tehtyjä mittauksia toisiinsa, että erään kalliokiintopisteen korkeus muuttui mittausepävarmuuteen nähden merkittävästi ja että pisteen vertikaaliliike oli riippuvainen mittausta edeltävän ajanjakson keskimääräisestä ilman lämpötilasta (Lehmuskoski et al., 2003). Tästä syystä tutkimuksen painopiste vaihdettiin kesäkuussa 2003 vaaituskojeiden tarkkuustutkimuksesta kalliopisteiden stabiilisuustutkimukseksi. Tässä kirjoituksessa on tarkasteltu kalliopisteiden ajallista liikettä, pyritty rajaamaan liikkuvan kallion alue ja löytämään selitys korkeuden vaihtelulle. 123
2. METSÄHOVIN VAAITUSTESTIKENTTÄ Kuva 1. Alkuperäinen Metsähovin vaaitustestikenttä. = kiintopiste kalliossa, = apukiintopiste kalliossa, + = apukiintopiste maakivessä tai perustuksessa. Koordinaatit (km) ovat KKJ:ssä. Testikenttä sijaitsee Metsähovin tutkimusaseman läheisyydessä Kirkkonummella. (Takalo et al. 2001). Kenttä käsitti alunperin seuraavat 17 kiintopistettä: peruskiintopisteet, 5 kalliopistettä M1...M5, muodostavat 4 kiintopisteväliä jakautuen kolmeen haaraan (kuva 1). Kullakin kiintopistevälillä on kolme apukiintopistettä, esim. M21 ja M22. Apupisteistä 7 on kalliossa, 4 maakivessä ja 1 betonialustassa. Testikentän kokonaispituus on 0.98 km ja sen korkeusprofiili on esitetty kuvassa 1. Vaaituskulkutiet pisteiden välillä ovat pääosin sora ja hiekkateitä ja maisema vaaitusreitin ympärillä vaihtelee kuusi ja mäntymetsästä lähes puuttomaan maisemaan. Keväällä 2003, kun M52:n oli todettu liikkuneen vertikaalisuunnassa muihin kalliopisteisiin nähden, sen lähistölle perustettiin neljä uutta kalliopistettä (kuva 2). Tässä tutkimuksessa tarkastelemme ainoastaan pisteväliä M4 M5, jonka kaikki pisteet ovat kalliossa. Vaakaliikkeiden tutkimista varten asetettiin alueelle kallioon keväällä 2004 neljä kiintopistettä 3. MITTAUKSET Testikentän tarkkavaaitukset on suoritettu digitaalisella vaaituskojeella Zeiss DiNi12 ja alumiinikehikkoisilla Nedo invarlattoilla, joissa on viivakoodiasteikko. Lattakorjauksia varten ilman lämpötila ja refraktiokorjauksia varten sen lämpötilaero 2.5 metrin ja 0.5 metrin välillä maanpinnasta mitattiin automaattisesti rekisteröivällä lämpömittarilla Fluke 54 II yhden minuutin välein. Mittari oli vaaituksen aikana kiintopisteen M52 läheisyydessä, jossa mitattiin myös kallion lämpötila 40 cm syvyisestä porareijästä. Etäisyydet vaaituskojeesta taka ja etulattaan mitattiin yhtä pitkiksi kahden desimetrin tarkkuudella. 124
Kuva 2. Metsähovin vaaitustestikentän väli M4 M5 ja sen pisteistö huhtikuussa 2005. Eniten liikkuvien pisteiden arvioitu kriittinen alue on kuvassa rajattu. Pisteillä M55, M56 ja M57 on tehty vasta yksi vaaitus. Vaaitushavainnot suoritettiin tarkkavaaituksen mittausmenetelmää noudattaen mittausepävarmuuden ollessa 0.1 mm. Laskennassa havaintoihin liitettiin seuraavat korjaukset: refraktiokorjaus Kukkamäen kaavalla (Hytönen 1967), lattakorjaus (Takalo 1985), lattaparin nollapistekorjaus, magneettinen korjaus Zeiss Ni002:lle (Kukkamäki ja Lehmuskoski 1984) ja vuoksikorjaus (Heikkinen 1978). Oikean mittakaavan varmistamiseksi latat kalibroitiin ja lattaparin nollapistekorjaus määritettiin Geodeettisen laitoksen pystyasentoisella laserlattakomparaattorilla 3 4 kertaa vuodessa (Takalo 1999). Testikentän välin M4 M5 mittauksia on suoritettu vuodesta 2003 lähtien kerran kuussa ympäri vuoden. Vaakamittauksia suoritettiin v. 2004 aikana viisi kertaa toukokuun alun ja elokuun lopun välillä tarkkuustakymetrillä Leica TC2003 mittausepävarmuuden vaihdellessa 0.1 0.3 mm. 4. MITTAUSTULOKSET Vuoden 2000 2002 harvaan, 2 3 kertaa vuodessa, suoritetut mittaukset olivat jo osoittaneet, että testikentän kalliopisteiden korkeuden vaihtelut olivat pienempiä kuin 0.5 mm paitsi kiintopisteellä M52, jonka vaihtelun suuruus oli lähes 2 mm. Kun kiintopisteistön tiheyttä kriittisellä alueella (kuva 2) lisättiin ja mittauksia alettiin suorittaa kuukausittain ympärivuotisesti, suurimmat kiintopisteiden liikkeet todettiin olevan jopa yli 3 mm (kuva 3) ja liikkeen riippuvuus kallion lämpötilasta oli selvästi havaittavissa (kuva 4). Tilastollisesti on osoitettu, että pisteiden M52 ja M521 korkeuden vaihtelu on mittausepävarmuuteen nähden erittäin merkitsevää (Lehmuskoski et al. 2005). Horisontaalimittaukset eivät osoittaneet mittausepävarmuus huomioon ottaen (0.1 0.3 mm) kalliopisteiden vaakaliikkeitä kriittisellä alueella. 125
M 512 M 52 M 512 M 52 417.0 416.0 415.0 414.0 413.0 10.6.2003 10.12.200 10.6.2004 10.12.200 Aika 417.0 416.0 415.0 414.0 413.0 10.0 0.0 10.0 20.0 Kallion lämpötila 40 cm syvyydessä ( C) M 52 M 521 M 52 M 521 277.0 278.0 279.0 280.0 281.0 10.6.2003 10.12.200 10.6.2004 10.12.200 Aika 277.0 278.0 279.0 280.0 281.0 10.0 0.0 10.0 20.0 Kallion lämpötila 40 cm syvyydessä ( C) M521 M53 M521 M53 Korkeusero (mm) 956,0 957,0 958,0 959,0 960,0 10.6.03 10.12.03 10.6.04 10.12.04 Aika Korkeusero (mm) 956,0 957,0 958,0 959,0 960,0 10,0 0,0 10,0 20,0 Kallion lämpötila 40 cm syvyydessä ( C) Kuva 3. Kiintopistevälien ajalliset korkeuseron vaihtelut Kuva 4. Kiintopistevälien korkeuserojen riippuvuus kallion lämpötilasta 5. KALLIOKIINTOPISTEIDEN LIIKKUMISEN SYYT Vaaitusrefraktion vaikutus mittaustulokseen mikroilmastollisena ilmiönä ei selitä 3 mm korkeuden muutosta, sillä pisteen M52 ja M521 vaaituksessa tähtäysväli oli 11 m ja korkeusero 0.4 m. Lisäksi refraktion vaikutus on otettu laskennallisesti huomioon mittaustuloksissa. Kalliopisteiden korkeuden vaihtelun syitä selvitettäessä koko vaaitustestikenttä tutkittiin Ramac/GPR maatutkalla (kuva 6) käyttäen 500 Mhz taajuutta. Kuvaa ruhjeista saatiin aina 8 metrin syvyyteen saakka. Testikentän kriittiset kiintopisteet M52 ja M521 näyttävät maan pinnalta katsoen olevan ehjässä kalliossa, mutta samasta kalliosta otetut tutkakuvat kertovat säännöllisen muotoisista ruhjeista (kuva 5), jotka kriittisellä alueella muodostavat yhtenäisen kiilamaisen kallioblokin (kuva 7). Tosin monien muidenkin pisteiden alta löytyi ruhjeita, mutta ei kuitenkaan vertikaaliliikuntoja. 126
M51 M511 M512 M52 M521 M522 M53 Kuva 5. Maatutkakuva pisteiden M51 ja M53 väliltä. Kuva on luotu Ground Vision ohjelmalla. Kuva 6. Maatutkamittaus (Kuva T.Hokkanen) Kuva 7. Kriittisen alueen kallioblokki. Koko 1200 2400 m 3, pituus 30 m ja leveys 20 m. Yhtenä selityksenä ilmiölle voisi olla se, että kallion palaset (blokit) saattavat laajetessaan kiilata toisiaan ylöspäin tai lämpötilan muutos aiheuttaa muutoksen kallion puristusjännityksessä ja sen vaikutus voi tulla näkyviin kalliopalasten vipumekanismin välityksellä pisteen korkeuden muutoksena. 6. YHTEENVETO Metsähovin vaaitustestikentän kahden kalliokiintopisteen korkeudet muuttuvat säännöllisesti eri vuodenaikojen mukaan. Pisteiden suhteellinen korkeuden muutos on yli 3 mm mittaustarkkuuden ollessa 0.1 mm. Korkeuden muutokset korreloivat voimakkaasti kallion lämpötilan kanssa. Vaakaliikkeitä ei ole havaittu. Tämän hetkisillä tiedoilla ei kyetä selittämään ilmiön syytä, mutta lisäämällä pisteistöä kriittisellä alueella, jatkamalla säännöllisiä ympärivuotisia mittauksia ja maatutkausta, saattaa tulevaisuudessa selityskin löytyä. 127
Kiitokset. Tekijät kiittävät Mika Pirttivaaraa ja Tero Hokkasta Teknillisen korkeakoulun Materiaali ja kalliotekniikan osastolta testikentän maatutkamittausten suorittamisesta ja tulosten käsittelyssä avustamisesta. LÄHTEET Heikkinen, M., 1978. On the Tide Generating Forces. Publications of the Finnish Geodetic Institute, 85. Hytönen, E., 1967. Measuring of the Refraction in the Second Levelling of Finland. Publications of the Finnish Geodetic Institute, 63. Lehmuskoski, P. (1996). Active fault line search in Southern and Central Finland with precise levellings. Reports of the Finnish Geodetic Institute, 96:5. Lehmuskoski, P., P. Rouhiainen, V. Saaranen, M. Takalo and H. Virtanen, 2003. Metsähovin vaaitustestikentän kalliokiintopisteiden liikunnoista. Maanmittaus 78:1 2 (2003). Lehmuskoski, P., P. Rouhiainen, V. Saaranen, M. Takalo and H. Virtanen, 2005. Seasonal Change of the Bedrock Elevation at the Metsähovi Levelling Testfield. Manuscript for Nordic Journal of Surveying and Real Estate Research 2005. Takalo, M., 1985. Horizontal Vertical Laser Rod Comparator. Reports of the Finnish Geodetic Institute, 85:2. Takalo, M., 1999. Verification of Automated Calibration of Precise Levelling Rods in Finland. Reports of the Finnish Geodetic Institute, 99:7. Takalo, M., P. Rouhiainen, P. Lehmuskoski and V. Saaranen, 2001. On calibration of Zeiss DiNi12. FIG Working Week 2001, Proceedings. Väisälä, Y. (1967). Experiences sur la Base D essai Interferentielle A Turku Tuorla. Annales Academiae Scientiarum Fennicae. Series A VI Physica, 248. 128