Sampon tangentiaalisesta komponentista Matti Oksama

ESY Q16.2/2007/89 20.12.2007 Espoo Sampon tangentiaalisesta komponentista Matti Oksama

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI 20.12.2007 Tekijät Matti Oksama Raportin laji Tutkimusraportti Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Sampon tangentiaalisesta komponentista Tiivistelmä Työssä tutkitaan sampomenetelmän mittaaman magneettikentän tangentiaalisen komponentin tulkitsemista. Sampo-menelmässä ei mitata lähteen voimakkuutta. Tällöin menetellään kuin Sampon radiaalisen komponentin kanssa; muodostetaan komponenttien suhteen itseisarvo pystylle magneettikentälle ja tangentiaaliselle magneettikentälle. Näin lähteen voimakkuus supistuu. Tangentiaalinen komponentti osoittautuu hyvin herkäksi lähettimen tangentiaaliselle kallistukselle. Tämä todettiin sekä mallintamalla että mittaamalla. Sampossa pyritään täysin horisontaaliseen virtasilmukkalähteeseen, jolloin tangentiaalinen komponentti ei tuo tietoa homogeenisen ympäristön johtavuudesta. Käytännön mittauksissa silmukka on tangentiaalisesti kallistunut. Lähteen tangentiaalinen kallistus olisi tiedettävä, jotta tangentiaalist tulokset ovat tulkittavissa. Silmämääräinen tulkinta onnistuu selvästi kolmedimensionaalisille johteille, jos ympäristön johtavuus on pieni ja lähteen tangentiaalinen kallistus on vähäinen. Esimerkkinä on tutkittu Tyrisevässä mitattuja sampotuloksia. Pysty- ja radiaalikentän suhteen profiiliesityksestä nähdään johtava alue. Vaakajohteiden syvyys saadaan totutusti kerrosmaainversiolla. Profiilin 3. alkupää on mitattu jäällä. Täällä tangentiaalisuhde on pieni. Jos lähteen tangentiaalisen kallistuksen vaikutus voidaan olettaa pieneksi, sivussa on johtavaa materiaa. jota radiaalisuhde ei havaitse. Profiili 3. keskellä tangentiaalin suhde käyttäytyy hyvin poikkeavasti indikoiden muutoksia johtavuusjakaumassa. Radiaalisuhteen profiiliesitys ei kyseistä ilmiötä havaitse. Sampomenetelmän pääsuure on radiaalisuhde. Tangentiaalinen suhde on apusuure, joka kolmedimensionaalisista johtavuusjakaumista antaa tietoa esitetyin rajoituksin. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Sähkömagnetismi, Sampo-menetelmä, geofysiikka, EM-menetelmät Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Q-raporttisarja Arkistotunnus Q16.2/2007/89 Kokonaissivumäärä 14 Kieli suomi Hinta - Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue ESY/Merigeologia ja geofysiikka Allekirjoitus/nimen selvennys Heikki Vanhala Hanketunnus 2804003 Allekirjoitus/nimen selvennys Matti Oksama

Sampon tangentiaalisesta komponentista 1 1. JOHDANTO SAMPO-MITTAUSSYSTEEMI Sampomittausmenetelmässä lähettimenä on pieni horisontaalinen virtaluuppi. Vastaanotin mittaa induktiivisesti magneettivuon tiheyden vertikaalikomponentin Bz, radiaalikomponentin Bx ja tangentiaalikomponentin Btang, kuva 1. Yleensä Sampoa mitataan siten, että kelaväli pidetään vakiona koko linjalla. Lähetinsilmukan säde on niin pieni vastaanottimen etäisyyteen lähettimestä nähden, että lähetintä käsitellään tässä työssä vertikaalina magneettisena dipolina. m B y B x L Transmitter B z Receiver Kuva 1. Sampomittaussysteemi (kuva Kimmo Korhonen, GTK) 2. TANGENTIAALINEN KOMPONENTTI JA TANGENTIAALINEN SUHDE Kuvassa 1. magneettivuon tangentiaalista komponenttia mitataan induktiivisesti kelalla, jota indeksoi merkintä By. Sampomenetelmässä ei mitata lähettimen voimakkuutta, joten muodostetaan tulkintasuureeksi kentäkomponenttien suhde, jolloin lähettimen voimakkuus supistuu. Sampon pääsuure on suhde abs(hz/hrad). Tangentiaalista komponenttia käsitellään samoin kuin radiaalista komponenttia, eli tangentiaalinen komponentti sisällytetään suhteeseen abs( Hz/Htang). Näitä suhteita nimitetään radiaalinen suhde ja tangentiaalinen suhde. Jos maaperä on johtokyvyltään puoliavaruus ja lähde vertikaalinen (magneettinen momentti), tangentiaalinen komponentti on nolla. Se ei siis tuo puoliavaruuden johtavuudesta tietoa.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 2 Jos lähde on kallistunut tangentiaaliseen suuntaan, lähteeseen syntyy pieni tangentiaalinen momentti lisää. Se johtavassa puoliavaruudessa synnyttää tangentiaalisen komponentin, joka puolestaan on tangentiaalisen magneettikentän lähde puoliavaruudessakin. Kaavamuodossa kerrosmaatilanteessa tangentiaalinen suhde on muotoa tang.suhde = abs[(hz/(tanahtang)], missä a on tangentiaalinen kallistus, Hz on vertikaalisen magneettisen momentin m aiheuttama vertikaalimagneettikenttä, ja Htang on tangentiaalisen momentin m aiheuttama tangentiaalinen magneettikenttä. Kaavasta näkee, että mittausmenetelmä, joka käyttää vertikaalista momenttia lähteenä, tangentiaalinen suhde ei anna puoliavaruuden johtavuutta. Edelleen kaavasta näkee, että puoliavaruuden johtavuuden selvittämiseksi tangentiaalisesta suhteesta lähteen on oltava tangentiaalisesti kallellaan, kulman a on poikettava nollasta, ja se on tiedettävä eli mitattava. Sampomenetelmässä tangentiaalinen suhde on apusuure. Lähteen tangentiaalista kallistusta ei mitata. Jotta mahdollisista 3Djohteesta saadaan silmämääräisesti tieto, on lähteen tangentiaalinen kallistus oltava pieni. Tällöin tangentiaalinen kallistus ei peitä mahdollisesta 3D-johteesta tulevaa tietoa. Yleisemmin voidaan sanoa: jos johtava kappale on tangentiaalisessa suunnassa symmetrinen, esim. on mitattu keskeltä 3D-kappaletta, 2D-kappaleet, kerrosmaat, on tangentiaalikomponentti sampomenetelmässä nolla, eli tangentiaalinen suhde on hyvin suuri. Eli tässä tilanteessa mitattu Sampon tagentiaalinen suhdeprofiili ei tuo tietoa 3D-johteesta. Tangentiaalisuhde tuo tietoa maan johtavuusjakaumasta, jos on mitattu yli 3D-ppaleen reunan tuntumassa, ei-symmetrisessä tilanteessa. Esitetty tangenttisuhteen kaava monimutkaistuu; esitetty kaava pätee vain kerrosmaan tapauksessa. 3. KÄYTÄNNÖN ESIMERKKI PUOLIAVARUUSMERESTÄ Tutkitaan Sampon tangentiaalisuhdetta käytännön mittauksista mahdollisimman kerrosmaallisessa tilanteessa meren päällä. Hankoniemen länsipuolella on syvänne, 80 m, jonka ominaisvastus osoittautui talvella vakioksi, 1.7 ohm-m. Siellä testattiin Sampoa talvella 2003. Kelaväli oli 100 m ja taajuuskaista 2-19000 Hz.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 3 Samposuhteet, Hz/Hrad ja Hz/Htang taajuus 0 5000 10000 15000 20000 25000 0,00E+00 1,00E+00 2,00E+00 3,00E+00 4,00E+00 suhde 5,00E+00 radiaalinen suhde tangentiaalinen suhde 6,00E+00 7,00E+00 8,00E+00 9,00E+00 1,00E+01 Kuva 2. Sampon radiaalinen suhde ja tangentiaalinen suhde taajuuden funktiona merellä tehdyssä mittauksessa. Kelaväli 100m, vesi 1.7 Ohm-m, syvyys 80 metriä. Kuvassa 2 esitetään mitatut samposuhteet. Kuvan 2. tangentiaalinen suhde on kaikkea muuta kuin ääretön, jota sen teorian mukaan pitäisi olla. Yhteensopivuus mitatuille ja lasketuille tangentiaalisuhteille saadaan, kun lähetindipolille annetaan hieman tangentiaalista kallistusta, kuva 3.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 4 taajuus, Hz 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 1 radiaalin suhde, sininen; tangentiaaline suhde, punainen 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kuva 3. Lasketut samposuhteet samalle puoliavaruusmallille, kuin kuvassa 2. 4. MALLINNUKSIA KALLISTUKSEN VAIKUTUKSESTA KERROS- MAASSA Läpi koko työn käytetään suunnilleen samaa taajuuskaistaa, 2 19000 Hz. Taajuuusarvoja ei ole merkitty kuviin. Eri värit erottavat taajuudet toisistaan. Suurempaa taajuutta vastaa lähes aina pienempi suhde. Kun lähetin on vertikaalinen, tangentiaalinen suhde on ääretön. Vasta kallistuksella 0.1 astetta luotaus alkaa suurentua oleellisesti mennen kohden ääretöntä. Suuremmilla kallistuksilla luotaukset ovat selvästi äärellisiä. Reaalimaailmassa lähetin ei ole täysin dipoli, eikä asento ei ole koskaan täysin vertikaalinen, eli suhteet pysyvät äärellisinä.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 5 Lähteen tangentiaalinen kallistus meren päällä kulma 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.00E+00 1.00E+01 2.00E+01 3.00E+01 tangentiaalinen suhde 4.00E+01 5.00E+01 6.00E+01 7.00E+01 8.00E+01 9.00E+01 1.00E+02 Kuva 4. Laskettu johtavan meren tapauksessa eri luotauksia, kun lähettimen tangentiaalinen kallistus vaihtuu. Luotausten samat taajuudet on yhdistetty samanvärisin viivoin. LÄHETINSILMUKAN KALLISTUMA TANGENTIAALISESSA SUUNNASSA, aste 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 10 20 tangentiaalinen suhde 30 40 50 60 70 80 90 100 Kuva 5. Laskettu on matalan järven tapauksessa (ominaisvastus 300 ohm-m ja syvyys 4 m) Sampon tangentiaalisen suhteen ja lähettimen tangentiaalisen kallistuksen välinen riippuvuus. Vastaava tarkastelu kuin kuvan 4. tapauksessa merimallille.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 6 Kuvista 4 ja 5 nähdään seuraavat asiat: Mitä enemmän on johtavaa materiaa mittausalueella, sitä pienemmät ovat luotauksen tangentiaaliset suhdearvot samalla kallistuksella. Tangentiaalinen suhde on jo selvästi suurempi (eli lähempänä kallistumattoman lähettimen suhdetta) matalan järven tapauksessa kuin johtavan meren samoilla lähettimen kallistuksilla. Silmämääräisen 3D-kappaleen tulkinnan kannalta kerrosmaan vaikutus on mahdollisimman vähän häiritsevä, jos tangentiaalinen suhde on suuri. Tässä mielessä resistiivinen ympäristö on sopivin. Sampossahan tangentiaalinen kallistus vaihtuu pisteeltä toiselle. Sähkömagneettinen induktio on resistiivisessä ympäristössä pieni, eikä kasvata kallistuksen aiheuttamaa vaikutusta, kuvat 6. ja 7. Tangentiaalinen suhdehan kerrosmaassa muodostuu lähettimen kallistuksen määräämästä 0-taajuuden arvosta, ja taajuuden kasvaessa voimistunut induktio kasvattaa edelleen tätä arvoa johtavuudesta riippuen joko paljon tai vähän. 5. KERROSMAA JOSSA 3D-JOHDE Seuraavassa tulemme arvioimaan yhdellä profiililla mitatuista suhteen arvoista johtokykyjakaumaa profiilin lähialueessa. On muistettava lähtökohta: kolmidimensionaalisen johtokykyjakauman tulkinta vaatii mittauksia pinnalla, ei vain profiililla. Mutta jotakin yhden profiilin mittauksista voidaan nähdä.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 7 matka, m -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 0 5 tangentiaalin suhde 10 15 20 25 Kuva 6. Lähetinmomentti on täysin vertikaalinen. 3d-johteen dimensiot ovat: pystydimensio 100m, radiaalisuunnassa 100m, tangentiaalisuunnassa 300m, yläpinnan syvyys 30m. Kappaleen ominaisvastus on 10 ohm-m ja puoliavaruuden on 700 ohm-m. Tangentiaalinen suhdekäyrä sijoittaa profiililla 3D-johteen helposti pääteltävään paikkaan toisin kuin radiaalinen suhde.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 8 Samposuhde Hz/Htang sijainti (m) -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 0 5 10 15 suhde 20 25 30 35 Kuva 7. 3D-johteen parametrit ovat samat kuin kuvassa 6. Puoliavaruuden ominaisvastus on 700 ohm-m. Lähettimen tangentiaalinen kallistus on pisteittäin vakio, 4 astetta. Kerrosmaan vaste ei nyt ole ääretön, ja vakioisen kallistuksen vuoksi 3D johde erottuu selvästi.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 9 Samposuhde Hz/Htang sijainti (m) -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 0 5 10 suhde 15 20 25 Kuva 8. Parametrit muuten samat kuin kuvassa 6., mutta ympäristön resistiivisyys on 70 ohm-m. Jos kerrosmaan johtavuus on tarpeeksi suuri kuten kuvassa 8., 3d-johde näkyy vasta alemmilla taajuuksilla. Suuri ympäristön johtavuus on kasvattanut suurten taajuuksien induktiota niin, että suurilla taajuuksilla 3d-johdetta ei juuri näy. Näinhän käy aina taajuusluotauksissa.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 10 Samposuihde Hz/Htang sijainti (m) -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 suhde 50 60 70 80 90 100 Kuva 9. Esitetään aiempi 3D-johde, jonka yläpinta on 100m, eli kolmasosa kelavälistä. Käytännön mittauksia on jäljitelty kallistamalla lähdettä pisteestä toiseen satunnaisesti, keskimäärin 4 astetta. Tässä esimerkissä johteen näkyvyys lähes häviää.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 11 6. KÄYTÄNNÖN ESIMERKKI matka, m 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 10 20 30 radiaalinen suhde 40 50 60 70 80 90 100 Kuva 10. Tyrisevän 3. profiili, radiaalinen suhde.

Sampon tangentiaalisesta komponentista 12 matka, m 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 tangentiaalin suhde 60 80 100 120 140 Kuva 11. Profiili 3., tangentiaalinen suhde. Tarkastellaan profiilia 3. tarkemmin. Radiaalisuhteen profiiliesityksistä näkee selvästi, että profiilien kohdalla maaperässä on johtavaa materiaa lähes koko profiilin matkalta. Profiilin alkupäässä suhteen kasvaminen tapahtuu järven päällä, joten järven vesi ja sen alla mahdolliset irtomaat eivät pientä suhteenarvoa ole aiheuttaneet, vaan kallioperän johtavuudesta pienet radiaalisuhteet ovat peräisin. Käytetty kelaväli oli 300 m. Profiiliesityksestä ei pystytä suoraan päättelemään vaakajohteen syvyyttä. Se on tehtävä, totutusti, luotauskohtaisista muunnoskäyristä tai kerrosmaainversiosta. Radiaalisessa suhteessa pinnan läheisyydessä olevat johteet eivät näy muunnoskäyrässä totutulla tavalla, eli pintajohteen syvyydellä muunnoskäyrä ei taitu johtavampaan suuntaan. Luotauksissa 11. 13. näkyy taittumista johtavampaan suuntaan, eli siellä johteet ovat syvemmällä. Tulkittaessa luotauksia vaakakerrosmallilla saadaan keskellä profiilia johteen syvyydeksi n. 150 metrissä, ja järven puoleisessa päässä selvästi pienempiä syvyyksiä. Konduktanssiksi eri luotauspisteissä saatiin 0,1 0,2 S. Poikkisuunnassa mitatut sampoprofiilit antavat radiaalisuhteeksi suunnilleen samat arvot kuin profiililla 3. Yhdellä mitatulla profiililla ei ole riittävää mittausdataa kolmedimensionaalisen kappaleen tulkinnalle. Tiettyjä piirteitä kuitenkin voi päätellä maaperän johtavuusjakaumasta. Ja radiaalisuhteen ja tangentiaalisuhteen perusteella tehdyt - usein mielikuvaan perustuvat

Sampon tangentiaalisesta komponentista 13 tulkintahahmotelmat on oltava sopusoinnussa. Näin on oltava myös linjan 3. eri suhteiden datan perusteella tulkitun johtokykyjakauman. Lähetinsilmukan ollessa kallistumaton, Sampo havaitsee johtavuusvaihteluja tangentiaalisessa suunnassa. Profiilin 3. alkupää on mitattu jäällä, joten täällä kallistuksen vaikutuksen voinee olettaa pieneksi. Täten profiilin alkupäässä johtavuusvaihteluja olisi tangentiaalisessa suunnassa, koska tangentiaaliset suhteet ovat pieniä. Kuva 5. kertoo, että pelkästään järvi lähettimen pienillä kallistuksilla ei aiheuta havaittuja tangentiaalisia suhteita. Radiaalisuhde taas kertoo, että suoraan profiilin alla ei ole johtavaa materiaa, joten johtavan materian olisi oltava sivussa profiili 3.:sta. Lisämittauksia tarvitaan varmistamaan asia. Pofiilin 3. tangentiaalisen suhteen käyttäytyminen mittauspisteiden 12. ja 13. kohdalla poikkeaa suuresti muiden luotauspisteiden tangentiaalisista suhteista. Johtavuus muuttuu täällä suuresti tangentiaalisuhteen mukaan. Kyseisten pisteiden käyräparvi voi tuo tietoa jopa 200 m syvyydestä, sen epäsymmetrisyydestä. Radiaalisessa suhteessa näissä pisteissä ei poikkeavaa näy. Viereisissä mittauspisteissä 14. ja 15. on selvästi tangentiaalista kallistusta, koska eri taajuuksien vasteet ovat lähes samoja. Sampomittaus pystyy osoittamaan, kummalla puolella profiilia tangentiaalisen suhteen lähde on. Se vaatii kompleksimuotoisen datan käyttöä. Siihen ei tässä raportissa paneuduta. Johteen syvyys, joka tosin tällä kohtaa on suurempi kuin muualla, on päätelty radiaalisuhteesta (Tarmo Jokinen, 2005). Kuten on nähty, tangentiaalinen suhde on virheherkkä ja vaikeasti tulkittava!

Sampon tangentiaalisesta komponentista 14 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ - Tangentiaalinen suhde on hyödynnettävissä, jos lähettimen tangentiaalinen kallistus tiedetään, eli se on mitattu. - Jos yksittäisessä mittauspisteessä eri taajuuksien suhteet eivät juuri poikkea toisistaan, on kysymys kallistuneen lähteen aiheuttamista vasteista. Periaatteessa eritäin hyvin johtavan kappaleen vasteet käyttäytyvät samoin, mutta muista mittaustuloksista tuo seikka olisi jo nähty. Sama väite pätee myös radiaalisuhteeseen. - Suuret tangentiaaliset kallistukset johtavassa ympäristössä hävittävät 3-kappaleen tangentiaaliset suhdeanomaliat. - 3D-kappale (epäsymmetrisellä profiililla) nähdään tangentiaalisesta suhteesta varsinkin, jos kallistukset pysyvät pieninä ja ympäristö ei ole johtava. - 3D- kappaleen tangentiaaliset suhdeanomaliat sijaitsevat symmetrisesti profiililla symmetrisille kappaleille. Tällöin kappaleen horisontaalinen sijainti selviää. - Profiililla pisteestä toiseen vaihtuvat kallistukset voivat sotkea anomalian. - Lähteen radiaalinen kallistus ei vaikuta tangentiaaliseen suhteeseen.