GEOLOGAN TUTKMUSKESKUS OMNASVASTUSLUOTAMET R. Puranen, K. Sulkanen, R. Nissinen & P. Sirnelius
Q15127.419912 R. Puranen K. Sulkanen R. Nissinen P. Simelius GEOLOGAN TUTKMUSKESKUS Tutkimus & kehitys / geofysiikka Etelä-Suomen aluetoimisto Laitteistoraportti 6. 8. 1999 OMNASVASTUSLUOTAMET JA VASTUSTALKOT Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) tuottamien aerosahköisten (AEM) karttojen tulkintoja varten tarvitaan tietoa Suomen maaperan ominaisvastuksen (sähkönjohtavuuden) vaihteluista. Suurin osa AEM-anomalioista liittyy pehmeisiin maalajeihin (suot, savikot, järvien pohjasedimentit), joiden in situ-mittauksiin on rakennettu ja käytetty ominaisvastusluotaimia (kuva 1 a) vuodesta 1995 alkaen (viitteet 1-3). Laitteistoa on myöhemmin (1998-1999) täydennetty ominaisvastustalikoila (kuva 1 b), jotka soveltuvat maaperan kovempien pintakerrosten mittauksiin (viitteet 4-5). Vesien seka maalajien elektrolyyttinen sähkönjohtavuus (ja sen käänteissuure ominaisvastus) riippuu vahvasti ämpötilasta, joten useimpiin luotaimiin on rakennettu ominaisvastusanturin lisaksi lämpötila-anturi. Kun mitatut ominaisvastukset redukoidaan samaan lämpötilaan (ks. esim. viite l), voidaan vastusvaihteluista arvioida maaperan vesi- ja elektrolyyttipitoisuuden vaihteluita. Lärripotilan luotaustuloksia voidaan myös soveltaa sellaisenaan (viite 6). Mikäli vastusluotaukset tehdään samaan vuodenaikaan kuin niiden avulla tul kittavat AEM-mittau kset, eivät vastusarvot vaadi ampötilakorjauksia. Vastusluotaimen ja -talikon mittaustuloksia voidaan lisaksi käyttää maaperän saastuneiden osien rajaamisessa (viitteet 7-8). Ominaisvastusluotaimesta on rakennettu eri versioita, jotka poikkeavat hieman toisistaan anturin, mittauskaapelin pituuden (4-15 m) sekä elektroniikan osalta. Suoluotaimen anturikarki (kuva 2A) on leveähkö (5 cm), joten sen painaminen joihinkin saviin osoittautui raskaaksi. Tämän vuoksi rakerinettiin kapeampi (halkaisija 2.5 cm) pyöreällä kärjella varustettu savianturi (kuva 2B), joka painuu savikkoon helpommin. Pyöreällä savianturilla voidaan myös mitata savikon kovan kuivakuoren johtavuusvaihtelua, kun ensin kairataan kuoreen reikä (0.- 2.5 cm), johon anturi painuu tiukasti. Luotaimien anturit painetaan maaperään suokairan jatkovarsien avulla. Anturit on kytketty mittariyksikköön lujalla kaapelilla, jota pitkin tulevat signaalit muokataan ja
Kuva 1. Mittauslaitteistot. a) Ominaisvastus-lämpötilaluotain ja b) ominaisvastustalikko. Selitykset: Luotaimen mittariyksikkö (M), anturikarki (P), Kevlar-vahvisteinen kaapeli (C jatkovarsi (S) ja nostotyökalu (L). Talikon virtaelektrodit (1 ja jännite-elektrodit (U).
Kuva 2. Luotaimien muoviset anturikarjet. A) Suoluotaimen anturi päältä (l), alta (2) ja sivulta (3). B) Saviluotaimen anturi (halkaisija=2.5 cm). Antureiden virtaelektrodit (1) ja jannite-elektrodit (U) on tehty haponkestävista terasruuveista. Lampötila-anturi (T) asennettu alumiinilevyyn (harmaa), jonka alla on ilmatasku (air).
vahvistetaan mittariyksikössa ennenkuin ne viedään mittarin nayttöön. Luotaimilla voidaan mitata ominaisvastuksia pienipiirteisesti ja lämpötiloja kohtuullisen nopeasti, koska anturit ovat pienehköjä, mika myös helpottaa anturien kalibrointia, luotaimen kannettavuutta seka tulosten tulkittavuutta. Johtavuus- ja lämpötila-anturit sijaitsevat suoluotaimen muovisen kärkiosan vastakkaisilla sivuilla (kuva 2A). Alumiinilevyyn kiinnitetty lämpötila-anturi on eristetty ilmataskulla luotaimen muovikarjesta, mika nopeuttaa lämpötilan tasaantumista ja siten myös mittausta. Lämpötila-anturi on kalibroitu vedessä tarkkuuslämpömittareiden avulla alueella 0-25OC, jonka puitteissa mittausvirhe ja toistoluotausten vaihtelu on useirrimiten alle 0.2 OC, kun mittaustulosten annetaan tasaantua rauhassa. Luotaimen ominaisvastusanturin muodostaa haporikestavista terasruuveista tehty pieni Weriner-elektrodijarjestelma (pituus 4.5 cm), jota käytetään noin 500 Hz:n taajuudella elektrodipolarisaation välttämiseksi. Vastusanturi on kalibroitu ominaisvastukseltaan tunnettujen suolaliuosten avulla rriittausalueella 5-500 ohmm, joka kattaa useimmat vedellä kyllastetyt pehmeät maalajit (turve, lieju, savi, muta) Suomessa. Tällä vastusalueella kalibrointivirhe ja toistoluotausten vaihtelu on alle 10 %. Kun Wenner-elektrodijarjestelma asetetaan johtavan homogeenisen puoliavaruuden pinnalle, voidaan puoliavaruuden näennainen ominaisvastus r laskea kaavalla (esim. viite 9) r = 2na(U/) = 2naR = cr missä on virtaelektrodista syötetty virranvoimakkuus, a on elektrodivali, U on jannite-elektrodeista mitattu potentiaaliero, R on jännite-elektrodien välinen vastus ja c on laitteen kalibroimiskerroin. Mittaamalla suolaliuoksia (5-500 ohmm) todettiin kokeellisesti, että suoluotaimen litteä ominaisvastusanturi noudattaa edellista kaavaa kohtuullisen tarkasti (virhe alle 5 %), kun elektrodivalin arvoksi asetetaan a=15 mm, mika on myös elektrodiruuvien keskipisteiden rnitattu etäisyys. Näin ollen anturia voidaan kuvata puoliavaruuden pinnalla olevana Wenner-elektrodijarjestelmänä, mika helpottaa anturin teoreettista kalibrointia ja mallitusta (vrt. viite 1).
Mallilaskelmilla ja koemittauksilla todettiin, että luotaimien anturit ovat lähes tunnottorriia johtavuusmuutoksille (kerrosrajoille, epähomogeenisuuksille), jotka tapahtuvat yli 5 cm:n päässä anturista. Näin ollen mitattu ominaisvastus kuvastaa pääasiassa sitä ainesta, joka on anturin edessä säteeltään noin 5 cm:n puolipallon sisällä. Luotaimella on siten vaikea arvioida alle 5 cm:n kerrosten todellista johtavuutta ja kaikkein ohuimpien kerrosten havaitseminenkin on vaikeaa. Jos halutaan esimerkiksi suon pohjamaalajin ominaisvastuksesta luotettava arvio, on anturin keskipiste työnnettäva pohjamaalajin sisään ainakin 5 cm:n verran. Mitattu näennäinen ominaisvastus ja sedimentin todellinen ominaisvastus ovat identtiset vain homogeenisen materiaalin tapauksessa. Anturiii pienen elektrodivälin ansiosta homogeenisuusoletus pitää monissa mittauskohteissa likimain paikkansa. Luotaimien työntäminen joidenkin savikoiden melko kovaan kuivakuoreen osoittautui vaikeaksi, minkä vuoksi rakennettiin erillinen pinta-anturi (vastustalikko), joka voidaan kytkeä luotaimen mittariyksikköön. Vastustalikossa on isompi Wenner-elektrodijärjestelmä (pituus 48 cm), jonka elektrodipiikit (halkaisija 8 mm, pituus 10 cm) voidaan helposti painaa savikon kuivakuoreen ja muihin koviin maalajeihin, jolloin saadaan johtavuusarvio maaperan ylimmalle ja kuivimmalle kerrokselle pääasiassa syvyysväliltä 0-30 cm. Vastustalikon mittaustulokseen vaikuttaa vahvirrimin pintakerros (0-10 cm) ja talikko on käytännössä tunnoton yli 0.5 metrin syvyydessä tapahtuville johtavuusvaihteluille. Tämä on etu kun halutaan erityisesti kohdentaa tutkimukset maaperan pintakerrokseen. Toisaalta vastustalikon elektrodipiikkien viereen sattuvat, maaperan epähomogeenisuudet (esim. kivet) voivat vaikuttaa suuresti tulokseen, joten edustavan tuloksen saaminen edellyttää useita mittauksia kussakin tutkimuspisteessä. Talikon luotettavin mittausalue on 5-5000 ohmm, jonka puitteissa kalibrointivirhe ja toistomittausten vaihtelu on alle 10 %. Kalibrointi on tarkistettu vastusstandardeilla ja vertailulla luotaimen mittaustuloksiin erilaisissa geologisissa kohteissa. Esimerkkinä ominaisvastuksen luotaustuloksista nähdään Virkkalan saviprofiili (kuva 3a), joka on toistaiseksi syvimmälle painettu luotaus. Profiili on sikäli erikoinen, että savikolla on poikkeuksellisen johtava pintakerros, josta ominaisvastus kasvaa systemaattisesti alaspäin. Tavallisempaa on, että savikon huuhtoutuneen ja kuivahkon pintakerroksen ominaisvastus on suurempi kuin syvempien kerrosten (vrt. viitteet 4-
OMNASVASTUS [ohmml - KUKKULAN HUPPU KUKKULAN ALAREUNA 1 1 MATKA (ml Kuva 3. a) Ominaisvastusluotaimella mitattu Virkkalan saviprofiili. b) Vastustalikolla mitattu profiili Ammassuon kaatopaikkakukkulan kupeesta.
5). Vastustalikolla tehtyjä mittauksia edustaa Ämmässuon kaatopaikkakukkulan huipulta alaspäin mitattu profiili (kuva 3b). Kukkulan kyljen keskivaiheilla havaitaan selvä ominaisvastusminimi, jonka voivat aiheuttaa kukkulan kyljestä purkautuvat suotovedet. Kuvatun laitteiston mittariyksiköstä on kehitteillä versio, jonka avulla mittaustulokset voidaan siirtää sarjaportin kautta tiedokeruulaitteeseen tai mikrotietokoneeseen. Laitteiston tekninen spesifikaatio on esitetty alla omana lukunaan. Laitteista ja niiden sovellutuksista löytyy lisää tietoa viiteraporteista. Vastustalikosta ori lisäksi tekeillä erillinen raportti, jossa käsitellään tarkemmin talikon mittaustulosten merkitystä ja tulkintaa. TEKNSET OMNASUUDET Mittariyksiköstä syötetään lämpötila-anturiin stabiloitua tasavirtaa ja vastusanturin virtaelektrodeihin sakara-aaltoa (noin 500 Hz), jonka virranvoimakkuus on vakio (noin 30 pa.). Jos vastus on niin suuri, ettei laite jaksa syöttää vakiovirtaa, kuullaan virheellisestä mittauksesta varoittava äänimerkki. Luotaimen ja vastustalikon teholähteenä on 9 voltin neppariparisto. Lämpötila-anturina käytetään integroitua piiriä (AD590) ja vastusanturina pientä Wenner-elektrodijärjestelmää, jonka pituus on uotaimessa 4.5 cm ja talikossa 48 cm. Lämpötila-anturin ulostulovirta on verrannollinen lämpötilaan ja vastusanturin jännite on verrannollinen vastukseen. Luotaimen anturit ja mittariyksikön yhdistää luja kevlar-vahvisteinen kaapeli, jonka pituus on eri luotaimissa välillä 4-15 m. Luotaimet (anturi+ kaapeli+elektronii kkayksikkö) samoin kuin vastustalikot painavat 1-2 kg laiteversiosta riippuen. Ominaisvastus määrittyy sekunneissa mutta lämpötilamittaus vie aikaa puolesta minuutista minuuttiin, jotta luotaimen anturi ehtii tasaantua riittävän tarkasti (k0.2 OC) uuteen lämpötilaansa. Ominaisvastuksen mittaustuloksen määrää pääasiassa se maaperäaines, joka on anturin edessä säteeltään noin 5 cm:n puolipallon sisällä tai talikon alla syvyysvälillä 0-30 cm. Luotettavin orriinaisvastuksen mittausalue on luotaimilla 5-500 ohmm ja talikoilla 5-5000 ohmm, joiden puitteissa sekä kalibrointivirhe että toistomittausten vaihtelu on alle 10 %. Lämpötilan mittausalue on suoluotaimella 0-25 OC, kalibrointivirhe on alle 0.2 OC ja toistoluotausten erot ovat useimmiten alle
0.3 "C. Laitteiden anturit on kalibroitu kokeellisesti mittaamalla ampötilaltaan ja omi- naisvastukseltaan tunnettuja suolaliuoksia seka sähköisiä standardeja (tunnettuja vastu ksia). VTTEET 1. Puranen, R., Sulkanen, K., Makila, M. & Grundström, A. 1996. Pehmeiden maalajien ominaisvastus-lämpötilaluotain. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti Q16.1/27/96/1.28 s. 2. Puranen, R., Mäkila, M. & Oksama, M. 1996. Soiden aerosähköiset anomaliat. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti Q16.2/24.8/96/1. 26 s. 3. Puranen, R., Mäkilä, M., Sulkanen, K. & Grundström, A. 1997. A new apparatus for electric conductivity and temperature logging of soft sediments. Julkaisussa: Autio, S. (toim.) Geological Suwey of Finland, Current Research 1995-1996. Geological Survey of Finland, Special Paper 23, 149-155. 4. Puranen, R., Sahala, L., Säävuon, H. & Suppala, 1. 1998. Savikoiden aerosähköiset anomaliat. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti Q16.2/24.8/98/1. 25 s. 5. Puranen, R., Saavuon, H., Sahala, L., Suppala,., Makila, M. & Lerssi, J. 1999. Airborne electromagnetic mapping of surficial deposits in Finland. First Break 17(5): 145-154. 6. Puranen, R., Mäkila, M. & Säävuon, H. 1999. Electric conductivity and temperature variations within a raised bog in Finland: implications for bog development. The Holocene 9(1), 13-24. 7. Puranen, R., Makila, M., Saavuon, H., Lerssi, J. & Nenonen, K. 1996. Lievestuoreen Lipealammen geofysikaalinen ympäristötutkimus. Abstract: Environmental geophysics of the Lipealampi waste pond of Lievestuore pulp mill. Suomen ympäristö 71, 81-86. 8. Makila, M. & Toivonen, T. 1998. Turvetutkimusten ja johtavuusluotausten käyttömahdollisuudet suoalueen ympäristötutkimuksissa: esimerkkinä Lapuan Löyhinkinevan jatevesialue. Abstract: Utilisation of peat investigations and conductivity probing in environmental research of peatlands, with the waste water area of Löyhinkineva mire in Lapua municipality as an example. Geologian tutkimuskeskus, Turvetutkimusraportti 3 13. 25 s. 9. Parasnis, D.S. 1966. Mining Geophysics. Amsterdam: Elsevier, 147-186.
LTE 1. Kun luotaimen tai talikon anturista tuleva kaapeli on liitetty mittariyksikköön ja anturi on painettu maahan, voidaan mittariin kytkeä virta naytön alapuolella olevalla keinukytkimellä. Perustilassaan mittari näyttää jännite-elektrodeilta mitattua vastusarvoa (ohm), joka on kerrottava kalibroimiskertoimella c näennäisen ominaisvastuksen (ohmm) määrittämiseksi. Suoluotaimilla (litteä anturikärki) kerroin on c=0.1 vastusalueella 50-3000 ohm ja c=0.105 alueella 3000-5000 ohm, joten likimääräinen ominaisvastusarvio saadaan aina jakamalla naytön lukema kymmenellä. Saviluotaimilla (pyöreä anturikärki) kerroin on c=0.13 ja vastustalikon tapauksessa kerroin on c=l eli mittarin näyttö antaa suoraan ominaisvastuksen arvon. Luotettavin mittausalue (virhe alle 10 %) on luotaimilla 5-500 ohrnrn ja talikoilla 5-5000 ohmm. Jos vastus on liian suuri laitteen mitattavaksi tai vastusanturin kontakti maaperään on huono tai anturi on irti mittariyksiköstä tai rikki, antaa laite varoittavan äänimerkin merkiksi virheellisestä mittaustuloksesta. Luotaimilla mitattu ominaisvastus kuvastaa pääasiassa sitä ainesta, joka on anturin edessä säteeltään noin 5 cm:n puolipallon sisällä. Talikolla mitattu vastusarvio kuvastaa lähinnä maaperän syvyysväliä 0-30 cm ja talikko on käytännössä tunnoton yli 0.5 metrin syvyydessä tapahtuville vastusvaihteluille. Yhden pisteen vastusmittaus kestaa vain sekunteja kun taas lämpötilamittaus suoluotaimella voi viedä jopa minuutin, jotta anturi ehtii tasaantua riittävän tarkasti (k0.2 "C) uuteen lämpötilaansa. Luodattu lämpötila ("C) saadaan näkyviin pitämällä naytön alla olevaa pyöreää painikekytkintä pohjaan painettuna. Anturi hakeutuu ympäristön lämpötilaan parhaimmin, kun anturia työnnetään hitaasti mittauspisteestä toiseen. Maaperässä lähekkäisten pisteiden väliset lämpötilahypyt ovat pienehköjä, jolloin lukemat voidaan ottaa puolen minuutin välein. Luotaimen anturi painetaan vähitellen yhä syvemmälle maahan (ennätys 14 m) käyttäen suokairan jatkovarsia, joiden liitosten huolellinen kiristäminen on erityisen tärkeää, silla muuten anturi saattaa jäädä maan sisään luotainta nostettaessa. Nostovaiheen aikana anturin kaapeli on pidettävä kireänä, jottei siihen pääse syntymään jyrkkiä mutkia, joissa kaapeli tai jokin sen johtimista voi murtua tai katketa. Mikäli havaitaan, että joku jatkovarsi on kaikesta huolimatta jäänyt kiinnittämättä, voi anturin nosto onnistua myös pelkän kaapelin avulla. Kaapelilla nostettaessa painetaan varsista kevyesti alaspäin niin, etteivät varret irtoa toisistaan maan alla, jolloin luotain ei pääse kääniymään poikkittaisasentoon noston aikana. Savikoiden luotaus kannattaa alkaa ojanpientareelta, jolloin kuivakuoren kovin osa saadaan ohitetuksi. Anturin tunkeutuvuutta voidaan helpottaa läpäisemällä pintakerros ensin jollain metallitangolla. Pyöreällä savianturilla voidaan myös mitata savikon kuivakuoren pintaosan johtavuusvaihtelua, kun ensin kairataan kuoreen reikä (halkaisija = 2.5 cm), johon anturi painuu tiukasti. Vastustalikko uppoaa helposti savikon kuivakuoren pintaan ja muihinkin maalajeihin pelkästään käsivoimilla tai kevyesti jalalla painaen. Voiman liikakäyttö ei ole suositeltavaa, silla jalalla polkaisu saattaa katkaista anturin, jos jonkin piikin kohdalle sattuu vinoon vääntävä kivi. Vastustalikon elektrodipiikkien läheisyyteen sijoittuvat kivet tai maaperän muut epähomogeenisuudet voivat vaikuttaa vahvasti mittaustulokseen, joten edustavan vastusarvion määrittämiseksi tarvitaan useita mittauksia kussakin tutkimuspisteessä. Laitteiden toimintakunto on tarkistettava päivittäin mittaamalla elektroninen standardinayte, joka toimitetaan laitteiden mukana. Luotaimen tapauksessa standardinayte painetaan anturin kärkiosan päälle siten, että standardin joustavat liittimet saavat hyvän kontaktin anturin elektrodiruuveihin. Vastustalikon tapauksessa standardinaytteen johdot kytketään hauenleukojen avulla anturin virtaelektrodeihin (lyhyet johdot) ja jännite-elektrodeihin (pitkat johdot). Hyvä kontakti standardin ja elektrodien välillä ilmenee siten, että mittarin hälytysääni hiljenee. Standardimittauksen vastuslukeman pitäisi sattua oikealle arvoalueelle, joka on annettu standardinaytteen pinnassa tai vastustalikon varressa. Jos lukema on pudonnut yli 5 ohmia annetun arvon alapuolelle, on aika vaihtaa laitteen 9 voltin neppariparisto, joka löytyy mittariyksikön takaseinän alareunasta liukukannen alta. Uusi paristo kestaa yleensä monen viikon mittaukset.