Lopullinen ohjelma ja abstraktit
Sovelletun geofysiikan XIX neuvottelupäivät 24.-25.9.2013 Vuojoen kartano ja Olkiluodon Vierailukeskus Eurajoki Abstraktikokoelma Toimittanut Mari Lahti Sarja B, Nro 96, Eurajoki 2013 ISBN 978-952-9618-93-4 ISSN 0783-1331 Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Ohjelma 24.9. 2013, Vuojoen kartano, Eurajoki 13:30 Vuojoen auditorio, Posivan ja Vuorimiesyhdistyksen tervehdykset GTK:n geofysiikkaa (pj Aimo Hattula) 13:40 Tuire Valjus: Geofysiikan kuulumisia GTK:n Espoon yksiköstä 14:00 Jarkko Jokinen: Sähkömagneettinen malminetsintämenetelmä GTK-FrEM 14:20 Ilkka Suppala: Sähkömagneettisen mittauksen resoluution ja vaikutusalan huomioivaa 2D/3D tulkintaa johtavasta ja magnetoituvasta maankamarasta 14:40 Hanna Leväniemi: Li-pegmatiittien prospektiivisuusmallinnuksesta 15:00 Kahvitauko GTK:n geofysiikkaa (pj Pauli Saksa) 15:20 Aimo Ruotsalainen: Potentiaalikenttien 3D-inversiosta 15:40 Eija Hyvönen: Suomen aerogeofysikaaliseen aineistoon perustuvia mustaliuskeiden mallinnustuloksia 16:00 Hilkka Arkimaa: Kedonojankulman Cu-Au esiintymän kairasydänten analysointi kuvantavalla heijastusspektrimenetelmällä 16:20 Taija Huotari-Halkosaari: Hanke: Integroitujen geofysikaalisten ja kallioperägeologisten tutkimusmenetelmien kehittäminen yhdyskuntarakentamisen tarpeisiin Jaloittelutauko Muita aiheita (pj Mari Lahti) 16:50 Kimmo Korhonen: Lämpökaivotarkasteluja 17:10 Elina Ahokangas: Korkean resoluution heijastusluotaus landstreamer-kalustolla Virttaankankaan pohjavesiesiintymän rakenteen ja hydrogeologisten ominaisuuksien tutkimuksessa 17:30 Seppo Elo: Gravimetrian uudet standardit ja GTK:n päivitetty APV-rekisteri 17:50 Tiedonannot ja posterit (5-10 min) Heikki Forss: GTK:n "langaton" reikämittauslaitteisto Pekka Kantia: Geofcon Eero Heikkinen: Pöyryn kuulumiset Olli Okko: Säteilyturvakeskuksen seismisiä selvityksiä, SGY:n ja NOFTIGin kuulumisia Eeva Huuskonen-Snicker: Aalto-yliopiston kuulumiset P. Hakala, A. Martinkauppi, I. Martinkauppi: Evaluation of Distributed Thermal Response Test (DTRT) method – Nupurinkartano as a case study 18:30-21:00 Iltapala ja posterit Orangeriassa Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki 25.9.2013 Olkiluodon Vierailukeskus Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitukseen liittyvät tutkimukset ja kalliomekaniikka (pj Turo Ahokas) 09:00 Tomas Lehtimäki: SKB:n toiminnan esittely, käytetyn ydinjätteen loppusijoituslaitoksen tilanne ja lopuksi hieman geofysiikkaakin 09:20 Antti Joutsen: ONKALOn demonstraatioalueen geofysikaaliset tutkimukset 09:40 Markku Paananen: Olkiluodon uusi lineamenttitulkinta 10:00 Sanna Mustonen: EDZ yleensä ja geofysiikka 10:20 Kahvitauko Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitukseen liittyvät tutkimukset ja kalliomekaniikka (pj Eero Heikkinen) 10:40 Pekka Kantia: Louhinnan laadunvalvonta maatutkalla 11:00 Topias Siren: POSE in situ -kokeen AE-seurantatulokset sekä GPR-tutkimusten korrelointi hydraulisiin yhteyksiin 11:20 Ville Sipola: Hydraulinen murtaminen 11:40 Juhani Korkealaakso: Toistettavien DC/IP mittausten toteutuksien ja inversiotulkinnan kehittämisestä 12:00 Lounas Vierailukeskuksessa 13:00 Posivan toiminnan esittely 13:30 Yhteenvetokeskustelu 14:00 Vierailukeskuksen näyttely ja lähtökahvit Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Osallistujat: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 Elina Turo Hilkka Seppo Heikki Petri Aimo Eero Voitto Taija Eeva Eija Jarkko Antti Arto Pekka Antti Kimmo Juhani Jukka-Pekka Maija Minna Mari Tero Tomas Jouni Hanna Annu Ilkka Juha Sanna Matti Maarit Keijo Olli Markku Aimo Pauli Ville Topias Ilkka Anna Jalle Petri Tuire Ahokangas Ahokas Arkimaa Elo Forss Hakala Hattula Heikkinen Heiskanen Huotari-Halkosaari Huuskonen-Snicker Hyvönen Jokinen Joutsen Julkunen Kantia Kivinen Korhonen Korkealaakso Kujasalo Kurimo Kuusisto Lahti Laurila Lehtimäki Lerssi Leväniemi Martinkauppi Martinkauppi Mursu Mustonen Niskanen Nousiainen Nuutinen Okko Paananen Ruotsalainen Saksa Sipola Siren Suppala Tarvainen Tammenmaa Valasti Valjus Turun yliopisto Astrock Oy GTK GTK GTK Astrock Oy Pöyry Finland Oy GTK Aalto GTK GTK Posiva Astrock Oy Geofcon Suomen Malmi Oy GTK VTT GTK GTK Astrock Oy Posiva Suomen Malmi Oy SKB GTK GTK GTK GTK GTK Posiva GTK Geobotnia Oy Miranet STUK GTK GTK Geosto Suomen Malmi Oy Posiva GTK Suomen Malmi Oy Suomen Malmi Oy FQM FinnEx Oy GTK Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Geofysiikan kuulumisia GTK:n Espoon yksiköstä Tuire Valjus, Heikki Vanhala ja Satu Mertanen Geologian tutkimuskeskus (GTK) Geofysiikan asema itsenäisenä toimialana GTK:ssa päättyi vuoden 2013 alussa ja toiminnot jaettiin Espoon yksikön kolmelle muulle toimialalle - Kallioperä ja raaka-aineet, Maankäyttö ja ympäristö ja Tutkimuslaboratorio. Kallioperä ja raaka-aineet toimialalla on geofyysikon tehtävissä noin 10 tutkijaa. Työn painopiste on erilaisissa raaka-ainehankkeissa ja raaka-ainetutkimusta tukevissa hankkeissa. Karkeasti toiminta voidaan jakaa kolmeen kategoriaan – T&K, ulkomaan toiminta sekä asiantuntijapalvelut GTK:n sisällä ja asiakkaille. T&K-hankkeista merkittävin on Tekes/Green-Mining-hanke, jossa rakennetaan 3D-mallia Outokummun alueesta. GTK:n omissa hankkeissa kehitetään mm "Malmityyppien geofysikaalista profilointia" (Meri-Liisa Airo), "Sähkömagneettista syvätutkimuslaitetta, GTK FrEM'ä (Jarkko Jokinen) ja yleisiä asioita (Heikki Vanhala). Kaivossektoriin liittyvät ulkomaanprojektit mm. Afganistanissa, Boliviassa ja Ukrainassa ovat merkittävin toimialan geofyysikkojen työllistäjä noin kolmanneksen osuudella. Maankäyttö ja ympäristö toimialalla työskentelee 7 geofyysikkoa. Työ painottuu erilaisiin ympäristötutkimuksiin, pohjavesi- ja taajama-alueiden geofysiikkaan (Ympäristögeofysiikan ryhmä, Tuire Valjus) sekä ydinjätteiden loppusijoitustutkimuksiin (Markku Paananen). Suuri osa työstä tehdään ulkopuolisille asiakkaille. Viimeaikaisia asiakastöitä ovat olleet mm. Kokkolan UXO -tutkimukset sekä lukuisat pohjavesialueiden rakenneselvitykset. GTK:n omana hankkeena tutkitaan ”Geofysiikan ja kallioperägeologian yhdistämistä yhdyskuntarakentamisen tarpeisiin” (Taija HuotariHalkosaari). Osa geofyysikoista toimii myös edellä mainituissa T&K- ja ulkomaan projekteissa sekä turve- ja geoenergiatutkimuksen parissa. Geofysiikan laboratorio muodostaa osan Tutkimuslaboratorion mittaus- ja analyysitoimintaa. ESY:n Geofysiikan laboratoriossa on viisi henkilöä, joista tutkijan tehtävissä yksi henkilö. Laboratorio tuottaa mittauspalveluja sekä GTK:n omille hankkeille että ulkopuolisille asiakkaille. GTK:n omissa hankkeissa ovat painottuneet malmityyppien petrofysikaalisten ominaisuuksien mittaukset sekä järvisedimenteistä tehtävät gamma-säteilymittaukset (137Cs). Tärkeimpiä ulkopuolisia asiakkaita ovat olleet Posiva, Pöyry ja GeoVista (Ruotsi). Omassa tutkimustoiminnassa (Satu Mertanen) on keskitytty Etelä-Suomen kultamineralisaatioiden tutkimuksiin, joissa peruspetrofysiikan lisäksi kivimagneettisilla ja suskeptibiliteetin anisotropian tutkimuksilla on merkittävä osuus. Toimintojen jakautuminen eri toimialoille on osittain selkeyttänyt geofyysikkojen tehtäväkenttää. Geofyysikkojen toiminta ulottuu kuitenkin useimmiten yli GTK:n toimiala- tai jopa aluetoimistorajojen. Projektiluontoisissa töissä hyödynnetään ja yhdistellään aina tarvelähtöisesti henkilöstön erityisosaamista. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Sähkömagneettinen malminetsintämenetelmä GTK-FrEM Jarkko Jokinen Geologian tutkimuskeskus, PL 96, 02151 Espoo, [email protected] Geologian tutkimuskeskus (GTK) on rakentanut uuden sähkömagneettisen malminetsintämenetelmän GTK-FrEM. Kirjainyhdistelmä FrEM on lyhennys sanoista FRequency ElectroMagnetic. Mittalaitteiston elektroniikan on suunnitellut ja rakentanut J-Embedded Oy. Mekaniikka, hankkeen rahoitus ja tietokoneohjelmat ovat olleet GTK:n vastuulla. Mittausmenetelmässä tuotetaan suurella maanpintalähettimellä harmonisesti värähtelevä magneettikenttä, joka ulottuu laajalle alueelle ja indusoi sähköäjohtaviin rakenteisiin sähkövirtoja. Poranreiässä tai maanpinnalla liikutettavalla vastaanottimella kerätään havaintoaineistoa ( B/ t), joka sisältää sekä lähdekentän että johteiden tuottaman sekundäärikentän. Havainnot tallennetaan kolmessa toisilleen kohtisuorassa suunnassa. Vastaanottimen kallistus- ja pyörähdysasento sekä suunta mitataan kiihtyvyysanturilla ja magnetometrillä. Jokainen mittaustulos sisältää reaali- ja imaginäärikomponentin. Gps-synkronoitu mittalaite tallentaa lähettimeen syötetyn sähkövirran vaihtelun 22 kHz taajuudella. Samalla näytetiheydellä kerätään myös vastaanottimen havainnot. Lähetinvirran ja vastaanottimen tulokset synkronoidaan niin, että reaali- ja imaginäärikomponentit saadaan eroteltua toisistaan jälkikäsittelyn avulla. Kaikki mittaushavainnot ovat kalibroituja ja toteutuneita arvoja. Tulokset lasketaan ja kohdistetaan havaintopaikkaansa yhden sekunnin mittaiselta havaintojaksolta. Mittauspistetiheys reiässä on tyypillisesti 10-20 cm ja maanpinnalla 0.5-1.0 m. Tarvittaessa havainnot voidaan esittää kiinteällä pistevälillä kuten 1 mm tai 20 m. Kohina saadaan pienemmäksi, kun laite pysäytetään mittauspisteissä. Reikämittausten testit on tehty Pyhäsalmen kaivoksessa. Reikämittaukset tuottivat hyviä mittaustuloksia, mutta niiden tulkinta osoittautui turhankin haastavaksi. Reikävastaanottimen juuttuminen reikään käänsi mielenkiinnon maanpintavastaanottimen suuntaan. Maanpintavastaanotin rakennettiin keväällä 2013 ja sillä on tehty yksi testimittaus. Testimittaus toteutettiin Kellojärvellä Kuhmon vihreäkivivyöhykkeen reunalla olevassa GTK:n malminetsintäkohteessa. Lentomittausten perusteella tutkimuskohteessa tiedettiin olevan sekä magneettinen että sähköinen anomalia. Paikalle oli tilattu sekä kairausta sekä geofysiikkaan, joten kohde vaikutti hyvältä testipaikalta laajan vertailuaineistonsa ansiosta. Talven myötä helppokulkuiseksi muuttunut tutkimusalue edesauttoivat kohteen valintaa. Lähettimenä käytettiin 700 m x 700 m suorakulmaista jäänpinnalle rakennettua virtajohdinsilmukkaa. Vastaanotinta liikutettiin ahkioiden varaan rakennetulla lavetilla (Kuva 1). Jatkuvasti kävellen kartoitettiin 400 m x 400 m kokoinen alue lähetinsilmukan sisältä. Lisäksi tehtiin profiilimittaus 20 m pistevälillä. Linja aloitettiin 100 m lähetinsilmukan ulkopuolelta. Linja kulki lähetinsilmukan yli ja päättyi 100m päähän silmukan toiselle puolelle. Ensimmäisessä mittauksessa käytettiin viittä taajuutta, jotka olivat 116, 330, 992, 3189 ja 8929 Hz. Toisessa mittauksessa käytettiin 41 erillistä taajuutta välillä 116 - 9921 Hz. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Kuva 1. GTK-FrEM ensimmäisessä testimittauksessa Kellojärven jäällä keväällä 2013 (Kuva: Matti Niskanen). 2 000 Imaginary component of East direction Line N 7131275 1 500 1 000 ] /sT [n t d / B d 500 0 3598200 3598300 3598400 3598500 3598600 3598700 3598800 3598900 3599000 3599100 3599200 3599300 -500 -1 000 Eim-9921 Eim-8929 Eim-8117 Eim-6868 Eim-6266 Eim-5669 Eim-5176 Eim-4464 Eim-3968 Eim-3571 Eim-3189 Eim-2834 Eim-2480 Eim-2232 Eim-1962 Eim-1786 Eim-1587 Eim-1417 Eim-1276 Eim-1120 Eim-992 Eim-893 Eim-794 Eim-709 Eim-630 Eim-560 Eim-493 Eim-441 Eim-404 Eim-372 Eim-330 Eim-293 Eim-265 Eim-236 Eim-215 Eim-192 Eim-173 Eim-157 Eim-142 Eim-129 Eim-116 -1 500 Easting [m] Kuva 2. Itäsuuntaisen imaginäärikomponentin mittausprofiili testilinjalta. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Esimerkki mittaustuloksesta on esitetty kuvassa 2. Lineaarisella asteikolla on 41 käyrää, joista jokainen käyrä esittää yhdellä taajuudella mitattua tulosta. Voimakkaimmat värit edustavat korkeimpia taajuuksia ja himmeät värit matalan taajuuden tuloksia. Kuvassa on esitetty kokonaiskentästä itäsuuntaan osoittavan komponentin imaginäärivaihtelu. Vastaavanlainen esitys voidaan piirtää pystysuunnan ja pohjoissuunnan tuloksesta sekä kaikissa suunnissa reaaliaikaisesta vaihtelusta. Suuntien laskemisessa on käytetty gps-dataa, mutta yhtä hyvin voidaan hyödyntää magneettikentän mittaustuloksia. Esimerkkidatan (kuva 2) käyräparvessa suurimmat muutokset aiheutuvat lähdekentästä. Lähetinkaapelin ylimenokohdat erottuvat voimakkaina piikkeinä lähellä mittauslinjan alkua ja loppua. Mittauslukemat vaimentuvat taajuuden mukaan ja etumerkki vaihtuu silmukan keskellä. Mitä kauemmaksi lähetinkaapelista mennään, sitä pienemmäksi lähdekenttä vaimenee. Vaimentuminen on pääosin geometrian aiheuttamaa, mutta tulokseen vaikuttaa myös ympäristön ominaisuudet. Kallioperässä olevat sähkönjohteet ja magneettiset rakenteet aiheuttavat ympärilleen paikallisen sekundäärikentän, joka erottuu tulosten paikallisvaihteluna. Testiaineisto vaikuttaa sisältävän sekä korkean taajuuden että matalan taajuuden anomalioita, jotka ovat profiilin eri kohdissa. Tämä on hyvä lähtökohta tulkinnalle. Mittausmenetelmän ensimmäisen testin tulokset vaikuttavat lupaavilta, mutta aika näyttää onko mittausmenetelmästä tuotantokäyttöön. Tulevaisuudessa tehdään lisää mittauksia ja kerätään käyttökokemusta erilaisista tutkimuskohteista. Kehitystyön painopiste siirtyy vähitellen mittalaitteiston ja tuloskäsittelyn kehittämisestä mittaustulosten tulkintaan ja hyödyntämiseen. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Sähkömagneettisen mittauksen resoluution ja vaikutusalan huomioivaa 2D/3D tulkintaa johtavasta ja magnetoituvasta maankamarasta Ilkka Suppala1 1 Geologian tutkimuskeskus, PL 96, 02151 Espoo ([email protected]) Johdanto Sähkömagneettisen (EM) mittauksen tavoitteena on hankkia tietoa maa- ja kallioperän sähkönjohtavuusrakenteesta. EM tulkinnassa toimiva inversiomalli voi olla 1D, 2D tai 3D rakenne, vaikkakin 2D ja 3D tulkinta on vielä 1D tulkintaa aikaa vievempää ja haasteellisempaa. Mittausaineiston informaatiosisältö ja laatu määrävät sen resoluution, mihin on järkevä pyrkiä tulkintaprosessissa. Käytettävissä oleva tausta-aineisto, geologinen ja muu kartoitusaineisto, tarkka korkeusmalli ym. mittaukset ja määritykset, ohjaa tulkintaproseduuria pyrkimyksenä hyödyntää mittauksen informaatiosisältö maksimaalisesti mittaustulokseen liittyvän virheen rajoissa. Laajoja sähkönjohtavia ja magneettisia muodostumia voidaan mallintaa 1D rakenteena. Geologisen rakenteen ollessa 3D vaatii uskottava geofysikaalinen tulkinta vähintään 2D malleihin perustuvaa päättelyä, ja lopulta 3D malleja. Numeeriseen sähkömagneettiseen 2D/3D mallinnukseen ja inversioon löytyy ilmaisohjelmia, esim CSIRO/AMIRA P223 ohjelmat, jotka GTK:ssa ovat olleet käytettävissä jo yli vuosikymmenen. Tässä työssä on muokattu yhtä 3D EM mallinnusohjelmaa askeleen käytännön tulkinnan vaatimaan suuntaan. Sovelletut periaatteet on julkaistu eri papereissa, ehkä osin riippumatta toisistaan, ja ne edustavat lähinnä arkijärjen käyttöä. Kun laskenta on suorittettava perus-pc:llä (Windows XP 32-bit), on laskentatehtävää järkevää yksinkertaistaa kuitenkaan tinkimättä liiaksi tarkkuudesta. Perusajatuksena on erottaa toisistaan numeerinen laskennallinen malli eli laskentaverkko ja tulkittava sähkönjohtavuus- ja magneettinen permeabiliteetijakauma ( -µ-malli). Samoja periaatteita on tässä sovellettu myös magneettisen anomalian laskennassa. Tässä työssä EM mallinnus on tehty ohjelmalla EH3D (MATLAB-versio, Haber and Ascher, 2001). Differentiaaliyhtälöryhmä diskretisoidaan staggered grid finite volume -menetelmällä ja näin muodostettu lineaarinen yhtälöryhmä ratkaistaan iteratiivisesti kullekin lähettimelle ja taajuudelle. Ohjelmassa 3-D rakenne (ilma ja puoliavaruus) muodostetaan suorakulmaisista särmiöistä, joissa aineparametrit, , µ, sekä permittiivisyys , ovat vakioita. Ohjelma laskee anomaalisen -µ- -rakenteen vaikutuksen. Vaihtoehtoisina ohjelmina olisi ollut CSIRO/AMIRA P223 ohjelmat Loki tai LokiAir, joilla laskenta suoriutuu nopeammin, mutta niillä ei voi tarkastellaa anomaalisen µ-rakenteen vaikutusta. Mittauksen resoluution ja vaikutusalan huomioiminen Sovelletun geofysiikan EM mittalaitteiden matalilla taajuuksilla EM kenttä etenee ns. diffuusiyhtälön mukaisesti (esim. Eloranta, 2007). Saavutettava resoluutio riippuu käytetystä taajuudesta sekä lähettimen ja vastaanottimen sijainnista suhteessa anomaaliseen -µ-rakenteeseen. EM kentän sähköistä vaimenemista kuvataan tunkeutumissyvyydellä (2 (µ )). Huomioimalla tunkeutumissyvyys yhdessä mitattavan kentän geometrisen vaimenemisen kanssa voidaan määrittää "optimaalinen" laskentaverkko (esim. Plessix et al. 2007) yhdelle mittauspisteelle ja taajuudelle. AEM mittalaitteen vaikutusalan määritelmillä on luotu intuitiivista pohjaa EM mittausten kvalitatiiviseen tulkitsemiseen. Kvantitatiivinen vaikutusala (-määritelmä) on riippuvainen 3D johtavuusrakenteesta ja mittausgeometriasta, se on määritettävissä vain 3D mallinnuksen avulla. Tässä EM mittauksen lähetin-vastaanotinparin vaikutusala, herkkyysalue, määrittää riittävän suuren mallinnetta- Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki van tilavuuden maankamaraa, sen ulkopuolelle jäävillä rakenteilla ei ole käytännössä merkitystä vasteeseen. Laajojen mittausalueiden vasteiden ja mallin herkkyyksien laskenta voidaan siis jakaa pienempiin laskettaviin osiin (Plessix et al. 2007; Wilson et al. 2012). Tässä työssä laskentaverkko on laadittu "sopivasti" EM lähettimen ja vastaanottimen ympärille tunkeutumissyvyys ja vaikutusala huomioiden. Seuraavissa esimerkeissä maanpintamittausten mallinnuksessa on käytetty taajuuksittain aina samaa jakoa, lentomittauksille verkko ottaa huomioon vaihtelevan lentokorkeuden. Tulkintamallin siirto laskentaverkolle – ominaisuuksien homogenisointi (upscaling) Maankamaran tulkintamalli muodostuu kolmiulotteisista kappaleista, joissa aineparametrit ( ,µ, ) ovat vakioita. Tämä rakenne siirretään laskentaverkolle suorakulmaisiin särmiöihin. Käytännössä 3D malli, eli eri materiaalien rajapinnat ja laskentamallin 3D verkko eivät ole yhteneväiset. Laskentasoluihin, joita eri materiaalien rajapinnat leikkaavat, määritetään ekvivalentit efektiiviset ominaisuudet: särmiön sisäinen -µ- -rakenne homogenisoidaan (upscaling) särmiöllä kuvattaviksi -µ- arvoiksi alkuperäistä mahdollisimman vastaavaksi. Tässä käytettyä sekoituskaavaa ovat soveltaneet mm. Commer ja Newman (2008) sekä Abubakar el al. (2009). Seuraavissa esimerkeissä on käytetty (äärellisiä) 2D malleja, jolloin rakenne määräytyy 2D monikulmioiden avulla. Täysin monikulmion sisällä oleva särmiö saa monikulmion aineparametrit, leikatuille särmiöille saadaan särmiön mittakaavassa anisotrooppiset aineparametrit. Niiden laskenta on yksinkertaista esim. Abubakar el al :n (2009) esittämällä tavalla: Jaetaan kukin solu pienempiin elementteihin, joiden ominaisuudet määräytyvät alueen mukaan. Esimerkiksi särmiön (i,j,k) sähkönjohtavuudeksi x-suuntaan saadaan x(i,j,k)= . Edellä lasketaan ensin yzsuuntaisten siivujen sähköjohtavuudet (x-suuntaan rinnankytkentä), lopuksi peräkkäisten siivujen efektiivinen sähkönjohtavuus (x-suuntaan sarjankytkentä). z(i,j,k) saadaan vastaavasti, 2D tapauksessa y(i,j,k) on materiaalien xz-tason pinta-aloilla painotettu keskiarvo. Anisotrooppiset µ ja saadaan vastaavasti. EH3D:ssa käytetään vain isotrooppista µ-arvoa, joka on särmiön erisuuntaisten µ-arvojen geometrinen keskiarvo. Abubakar el al. (2009) käytti yllä esitettyä homogenisointia malliin perustuvassa inversiossa, eli monikulmion sijainnin, muodon ja sähkönjohtavuuden estimoinnissa, kun mallin vaste ja 2D solujen herkkyydet laskettiin 2D staggered grid finite difference -menetelmällä. 2D/3D tulkintaa johtavasta ja magnetoituvasta maankamarasta Riippuen mittalaitteen herkkyysjakaumasta sekä rakenteesta 2D tulkinta voi riittää. Se voi toimia myös lähtökohtana varsinaiselle 3D tulkinnalle. Yllä esitetyillä periaatteilla siirtyminen 3D rakenteeseen on suoraviivaista. Kuvassa 1 esitetään Twin Otterin (3113 Hz) AEM tuloksia lentolinjalta Kellojärveltä Kuhmon vihreäkivivyöhykkeen länsireunalta. Tuloksista saatu -µ-malli esitetään kuvissa 1b ja 1c. Itäisin kairanreikä ja keskimmäisen loppu ovat serpentiniitissä. Kairatuista serpentiniittinäytteistä (5 kpl) mitatut suskeptibiliteetit ovat 0.03-0.22 [SI] ja Q-arvot 1.2-17. Suurimmat Q-arvot liittyvät suurimpiin määritettyihin suskeptibiliteettiarvoihin. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki a b c Kuva 1. a) AEM mittaustulos ja sovitus, IP on reaali-, Q imaginaarikomponentti b) Tulkittu 2D ominaisvastus ( m). c) Tulkittu 2D suskeptibiliteetti (SI). Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Kuvassa 2 esitetään vastaavalta kohtaa aeromagneettiset tulokset sekä µ-mallista laskettu B, kun rakennetta on jatkettu 1500 m syvyyteen. Jos oletetaan remanenssin suunnan olevan kentän suuntainen, saataisiin Q-arvolla 2 jo samansuuruisia anomalioita. Kuvan 2 pienillä "Hjeltin prismoilla" lasketuissa tuloksissa demagnetoitumista ei ole huomioitu. Rakenteen (mm. topografian) huomioiminen 3D mallein parantaisi tulosta. Samasta kohtaa mitatuissa Slingram tuloksissa (3520 ja 14080 Hz, 100 m kelavälillä) anomaalisen µ:n vaikutus näkyy reaalikomponenteissa, muttei niin selvänä kuin AEM tuloksissa. AEM, Slingram ja magneettisista mittauksista sekä niiden tulkinnoista näkyy eri mittausmenetelmien erilaiset herkkyydet mallin parametreihin. EM tulkinnat ovat yhteneväiset lento- ja maanpintamittauksille niiden ominaisuuksien puitteissa. Kuva 2. Aeromagneettiset tulokset (vasen ja oikea magnetometri) ja kuvan 1c suskeptibiliteetimallilla laskettu anomaalinen B, kun Q-arvo olisi 0 tai 2 (samansuuntainen). Kirjallisuusviitteet Abubakar, A., Habashy, T. M., Li, M., and Liu, J., 2009, Inversion algorithms for large-scale geophysical electromagnetic measurements: Inverse Problems, 25, 123012, doi:10.1088/0266-5611/25/12/123012. Commer, M., and Newman, G. A., 2008. New advances in three-dimensional controlled-source electromagnetic inversion, Geophys. J. Int., 172,513-535. Eloranta, E., 2007. Geofysiikan kenttäteoria. Säteilyturvakeskus, STUK-A198, 409 p. Haber, E., and Ascher, U. M., 2001. Fast finite volume simulation of 3D electromagnetic problems with highly discontinuous coefficients: SIAM Journal of Scientific Computations, 22, 1943-1961. Plessix, R.E., Darnet, M., and Mulder, W. A., 2007. An approach for 3D multisource multifrequency CSEM modeling, Geophysics, 72 (5), SM177–SM184. Wilson, G.A., Cox, L.H., Cuma, M. and Zhdanov, M.S., 2012. Inverting airborne geophysical data for megacell and giga-cell 3D Earth models. The Leading Edge, 31 (3), 316–321. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Li-pegmatiittien prospektiivisuusmallinnuksesta Hanna Leväniemi, Geologian tutkimuskeskus Mineraalipotentiaalikartoitukseen liittyvässä spatiaalisessa prospektiivisuusmallinnuksessa tuotetaan ennustettavuuskarttoja valitulle mineralisaatiotyypille. Mallinnuksessa pyritään arvioimaan lähtöaineistoista esiintymille ominaisia/suotuisia arvoalueita, joiden avulla luodaan esiintymäsuotuisuutta kuvaava prospektiivisuusmalli. Mallinnus voidaan tehdä joko ohjattuna, ts. käyttäen tunnettuja kohteita (opetuspisteitä) aineiston suodattamiseen, tai ohjaamattomana, jolloin esiintymille suotuisien ominaisuuksien arviointi perustuu asiantuntijan näkemykseen. Suomessa prospektiivisuusmallinnusta on tehty erityisesti Pohjois-Suomessa (esim. Nykänen ja muut, 2008a, Nykänen ja muut, 2008b). Esitellyn mallinnustyön tarkoituksena oli tutkia testialueen avulla mahdollisuutta Li-pegmatiittien prospektiivisuusmallinnukseen alueellisen mittakaavan aineistoja hyödyntämällä. Työ tehtiin ohjattuna mallinnuksena käyttämällä opetuspisteinä tutkimusalueen tunnettuja pegmatiittijuonia. Mallinnusmenetelmänä käytetyssä painoarvomenetelmässä (Bonham-Carter, 1994) lasketaan kullekin syöterasterille ns. painoarvoparametrit, jotka kertovat aineiston eri arvoalueiden suotuisuudesta opetuspisteiden esiintymiselle. Lopullisessa mallissa yhdistetään painoarvoparametrien avulla valitut syöteaineistot yhdeksi ennustekartaksi. Mallin toimivuuden arviointi on myös tärkeä osa työtä. Mallinnus tehtiin ArcGIS-ympäristössä julkisesti saatavissa olevilla ArcSDM-työkaluilla. Pegmatiittijuonet ovat mittasuhteiltaan pieniä, ja mittakaavaero alueellisten aineistojen resoluution kanssa rajoitti osaltaan tiettyjen aineistojen käyttöä. Dimensioiden lisäksi juonet ovat haasteellisia geofysiikan kannalta, koska niistä ei yleensä saada vastetta geofysikaalisissa mittauksissa ( erný & Trueman, 1982). Objektiivinen painoarvomenetelmä soveltuu tämäntyyppiseen tilanteeseen missä aineiston ja opetuspisteiden mahdollista yhteyttä on vaikea arvioida; statistiikkaan perustuvat painoarvot kertovat mahdollisesta korrelaatiosta jolloin mallinnuksen lähtöaineistot voidaan valita painoarvoparametrien avulla. Mallinnuksen tuloksena saatiin rajoituksiin nähden kohtuullisen hyvä ennustemalli. Jatkossa mallia voidaan edelleen kehittää mikäli alueelta saadaan esim. uusia aineistoja. Lähteet: Bonham-Carter, G.F., 1994. Geographic Information Systems for Geoscientists - modelling with GIS. Pergamin, New York, 398 p. erný, P. and Trueman, D.L., 1982. Exploration For Rare-element Granitic Pegmatites. In: erný, P. (ed): Short Course In Granitic Pegmatites In Science And Industry. Mineralogical Association of Canada, Short Course Handbook, 8, 463-493. Nykänen, V., Groves, D.I., Ojala, V.J, Gardoll, S.J., 2008a. Combined conceptual/empirical prospectivity mapping for orogenic gold in the northern Fennoscandian Shield, Finland. Australian Journal of Earth Sciences: An International Geoscience Journal of the Geological Society of Australia, 55, 1, 39-59. Nykänen, V., Groves, D.I., Ojala, J.V., Eilu, P., Gardoll, S.J., 2008b. Reconnaissance-scale conceptual fuzzy-logic prospectivity modeling for iron oxide copper-gold deposits in the northern Fennoscandian Shield, Finland. Australian Journal of Earth Sciences: An International Geoscience Journal of the Geological Society of Australia, 55, 1, 25-38. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Potentiaalikenttien 3D-inversiosta GTK:ssa Aimo Ruotsalainen, Eeva-Liisa Laine ja Sami Niemi Geologian tutkimuskeskus ([email protected], [email protected], [email protected]) Voxel-tulkinnassa malliavaruus jaetaan suorakulmaisiin tilavuusalkioihin (voxel=volume pixel). Varsinaisen mallinnusalueen ulkopuolelle voidaan lisätä haluttu määrä suurempia alkioita joiden avulla mallinnus reunoilla toimii paremmin. Alkioiden materiaalivakioita muuttamalla pyritään saavuttamaan hyvä sovitus tulkittavan ja mallin teoreettisen anomalian välille. GTK:ssa on viime vuosina hankittu muutamia potentiaalikenttien 3D-inversio-ohjelmia. Useimmissa niistä varsinainen laskenta tehdään University of British Columbiassa (UBC) kehitetyillä ohjelmilla (Li and Oldenburg 1996, Li and Oldenburg 1998). Käyttöliittymiä kauppaavat mm. Geosoft, Encom (Pitney Bowes) ja Mira GeoScience. UBC-ohjelmat ovat DOS-ajalta mutta niihin on olemassa myös oma pieni Windows-käyttöliittymä. Itsenäinen ohjelmistonsa on Petros Eikonin Emigma kuten myös Intrepidin GeoModeller. Geosoftin Oasikseen integroitu VOXI Earth Modelling (Burns 2012) sisältää runsaasti mallin ja reunaehtojen rakenteluun tarvittavia osia. VOXI:lla työskentely on helppoa ja työhön pääsee käsiksi pienellä harjoittelulla. Oletusarvoilla tapahtuva inversio tuottaa mallin, jossa tiheys tai suskeptibiliteetti muuttuu tasaisesti mallin sisällä eikä selviä kontakteja synny. Erilaisten reunaehtojen avulla mallia voi ohjata geologisesti mielekkäämpään suuntaan. Mallien tarkastelu ja visualisointi on helppoa. Malleja voi Oasiksessa konvertoida moniin muihin formaatteihin. VOXI sisältyy jokaiseen Oasiksen Advanced-lisenssiin. Laskenta tapahtuu pilvipalvelussa suurilla tietokoneilla. Haluamaansa käyttötarkoitukseen voi ostaa lisenssin jonka hinta riippuu laskentamallin koosta (150x150 – 500x500 solua), laskentojen määrästä sekä muutamista lisäoptioista (magnetization vector inversion MVI, gravity gradient support, iterative reweighting inversion). Malleja joiden koko on korkeintaan 50x50 solua voi laskea ilmaiseksi. Geosoftilla tuki käyttäjille on toiminut hyvin. Myös australialaisen Encomin Model Vision potentiaalikenttien mallinnusohjelmaan on integroitu UBC:n Mag3D ja Grav3D. Lähtömalli voidaan rakennella esimerkiksi geofysikaaliselta tai geologiselta kartalta prismoiksi joiden parametrit asetetaan halutuiksi. Myös mallinnuksella saatuja kappaleita voidaan käyttää. Malli muunnetaan UBC Model Mesh Designerilla UBC-ohjelmien vaatimiksi voxel-tiedostoiksi. Varsinainen inversio tapahtuu suoraan UBC:n ohjelmilla joiden parametrien hallinta vaatii kohtalaista perehtyneisyyttä. Koska kaikki inversioon liittyvät ohjelmat joutuu ostamaan tapahtuu laskenta omalla koneella joka vie koneaikaa mutta ei euroja. Mesh Designerissa on useita käyttöä hankaloittavia bugeja ja ohjelmatalon reagointi reklamaatioihin on ollut nihkeää eikä tukea UBC-inversioon ole tarjolla. PetrRos EiKonin Emigma (PetRos EiKon 2006) on monipuolinen ohjelmisto joka sisältää tulkintamahdollisuudet gravimetriseen, magneettiseen, EM-, DC-, IP-, CAMT-, MT-, MTEM- ja CSEMdataan. Mallinnusta voi tehdä 1D- ja 3D-inversioiden lisäksi myös levyillä ja prismoilla. Ohjelmisto sisältää monipuolisen valikoiman työkaluja geofysikaalisen datan manipulointiin. Parametrien asettelu ja data käsittely vaatii käyttäjältä paljon perehtymistä ja käsityötä. Käyttö on hankalahkoa ja ohjelma kaatuilee usein. Laskentaprosessi vie paljon enemmän koneaikaa kuin UBC:n ohjelmilla. Käyttöohjeet jättävät toivomisen varaa. Paradigm GoCad on monipuolinen geologinen 3D-mallinnusohjelmisto. Mira GeoScience on luonut siihen useita erilaisia lisätoimintoja mm. mahdollisuuden käyttää geofysikaalisia UBC-inversio- Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki ohjelmiston tuottamia tulosgridejä 3D-mallinnuksessa ja toisaalta ajaa ja luoda geologisten 3D-mallien pohjalta estimoitujen petrofysikaalisten ominaisuuksien jakaumia UBC-inversion lähtötiedoiksi. GoCadissa tehtävä geofysikaalinen inversio tukee geologista mallinnusta. GoCadin ja UBC-koodin käyttö edellyttää hyvää yhteistyötä geologisen 3D-mallintajan ja geofyysikon kesken. Kumpikaan ohjelma ei toimi automaattisesti vaan ne vaativat käyttäjältä sekä ohjelman käytön että oman alansa hyvää perehtyneisyyttä. Monimutkaisuutensa takia varsinkin GoCadia käytetään tutkimuslaitoksissa yleisesti tutkimuskäytössä, mutta ei välttämättä rutiininomaisessa 3D-mallinnuksessa. GoCadista löytyy tietoa GoGad konsortiumiun (http://www.gocad.org/ ), Mira GeoSciencen ja Paradigman verkkosivuilta. Intrepidin GeoModellerilla geologinen mallinnus on helpompaa, sillä se perustuu leikkaustulkintoihin ja automaattiseen kivilajikontaktien interpolointiin, mutta siihen liittyvä geofysikaalinen inversio vaatii käyttäjältään sekä geofysiikan että tilastomatematiikan osaamista. GeoModeller yhdistää geologista mallinnusta ja geofysikaalista inversiota (BRGM & Desmond Fitzgerald and Associates Pty Ltd 2012). Tässä inversio tehdään stokastisesti kun taas UBC-koodi perustuu optimointiin. Ohjelmalla voi rakennella ja laskea monimutkaisia rakenteita mutta niiden konstruoiminen on aikaa vievää ja prosessointi vaatii tietokoneelta paljon resursseja ja vielä enemmän aikaa. Laanilan juonen VOXI-tulkinta Basalttinen juoni Inarin Laanilassa koostuu ilmenomagnetiitista (Mertanen et al. 1996) Sen aiheuttama magneettinen anomalia erottuu muodoltaan poikkeavana magneettisella kartalla (Kuva1). Paleomagneettisten mittausten mukaan siinä on voimakas remanentti magnetoituma. Laanilassa remanenssin deklinaatio on keskimäärin 350.5 ja inklinaatio -34.4 astetta, Q-arvo on 10.5 ja suskeptibiliteetti 0.0258 SI (Mertanen et al.1996). Kuvassa 2a esitetty Model Visionilla tehty tulkinta levymallille em. parametreilla toteuttaa hyvin mitatun anomalian. Geosoftin 3D-suskeptibiliteettiinversio (Kuva 2b) antaa virheellisesti sekä negatiivisen että positiivisen suskeptibiliteetin omaavan muodostuman. Magnetoitumavektori-inversio (Kuva 3) toimii paremmin ja antaa lähellä profiilimallia olevan ratkaisun. Kuva 1. Laanilan basalttinen juoni indusoi voimakkaan magneettisen anomalian. Juoni (valkea katkoviiva) on piirretty analyyttisen signaalin maksimiamplitudin mukaan. Tulkittu profiili on merkitty valkealla kokoviivalla. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Kuva 2. Laanilan juonen levymallitulkinta (a) jossa on käytetty havaittuja magneettisia materiaalivakioita ja eräs 3D-suskeptibiliteetti-inversion leikkaus (b). Kuva 3. Laanilan juonen magneoitumavektori-inversio Geosoftin VOXI:lla tulkittuna. Eräs indusoivalla kentällä normeeratun magnetoituman sama-arvopinta (0.008) on merkitty keltaisella. Alempi anomalia on 50 metriä ylösjatkettu TMI(RTP) ja ylempi 3D-mallin vastaava anomalia. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Lampinsaaren magneettinen tulkinta GoCad-UBC 0.01 N 0.02 5 500 m 0.03 0.04 SI Kuva 4. Lampinsaaren kaivoksen ympäristön magneettisten mittausten inversiotulos kahden leikkauksen avulla ja sama-arvopinnoilla (=0.036 SI). Geologisella kartalla harmaalla ja vihreän eri sävyillä on merkitty metavulkaanisia kivilajeja, graniitit on esitetty punaisella, granodioriitit vaalean ruskealla ja gabrot tummanruskealla värillä. Metasedimentit on esitetty sinisen eri sävyin (Kousa ja Luukas 2004). Kirjallisuusviitteet BRGM & Desmond Fitzgerald and Associates Pty Ltd, 2012, 3D GeoModeller User Manuals and Tutorials (http://www.intrepid-geophysics.com/ig/index.php?page=geomodeller). Burns, Carmela, 2012, Introduction of VOXI Earth Modelling Technology. Earth Explorer (http://www.earthexplorer.com/2012/Introduction_of_VOXI_Earth_Modelling_technology.asp) Ellis, R.G., de Wet, B. and Macleod, I. N., 2012. Inversion of Magnetic Data from Remanent and Induced Sources, 22th International Conference and Exhibition, 26-29. February 2012 –Brisbane, Australia. Kousa, Jukka and Luukas, Jouni (eds) 2004. Vihannin ympäristön kallioperä- ja malmitutkimukset vuosina 1992-2003. 142 s. GTK, Raportti, M 10.4/2004/2 Li, Y. and Oldenburg, D. W., 1996, 3-D inversion of magnetic data, Geophysics, 61, no. 02, 394-408. Li, Y. and Oldenburg, D. W., 1998, 3-D inversion of gravity data, Geophysics, 63, no. 01, 109-119. Mertanen, S., Pesonen, L. J. and Huhma, H., 1996. Paleomagnetism and Sm-Nd ages of the Neoproterozoic diabase in Laanila and Kautokeino, northern Fennoscandia. Geological Society , London, Special Publications 1996, v.112, 331-358. Petros Eikon, 2006. EMIGMA v7.8 Manual, PetRos EiKon Inc., 134 p Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Suomen aerogeofysikaaliseen aineistoon perustuvia mustaliuskeiden mallinnustuloksia Eija Hyvönen(1), Meri-Liisa Airo(2), Hilkka Arkimaa(2), Jouni Lerssi(3), Kirsti Loukola-Ruskeeniemi(2), Jouko Vanne(3) & Satu Vuoriainen(2) (1) Geologian tutkimuskeskus, PL 77, 96101 Rovaniemi ([email protected]) (2) Geologian tutkimuskeskus, PL 97, 02151 Espoo (3) Geologian tutkimuskeskus, PL 1237, 70211 Kuopio Johdanto Malmipotentiaalisesti mustaliuskeet ovat mielenkiintoisia, koska monet Suomen sulfidimalmeista sijaitsevat niiden läheisyydessä. Ympäristönäkökulmasta ne sen sijaan voivat aiheuttaa ongelmia sekä pintavesiin että pohjavesiin. Mustaliuskeet rapautuvat helpommin kuin useimmat Suomen kivilajeista ja niiden sisältämät sulfidit voivat aiheuttaa pintavesien happamoitumista, jos ne joutuvat ilman ja veden kanssa kosketuksiin. Mustaliuskeet sisältävät runsaasti grafiittia ja sulfideja ja siksi ne ovat hyviä johteita. Lisäksi magneettikiisupitoiset mustaliuskeet aiheuttavat myös magneettisia anomalioita, joten ne voi helposti havaita geofysikaalisilla mittauksilla. Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) koko maan kattava alueellinen matalalentoaineisto tarjoaa erinomaisen lähtökohdan mustaliuskeiden kartoitukseen ja ensimmäinen versio Suomen mustaliuskekartasta valmistui vuonna 2000. Mustaliuskeiden tulkinta perustui GTK:n aeromagneettiseen ja aerosähkömagneettiseen matalalentoaineistoon ja olemassa oleviin petrofysikaalisiin ja geologisiin paljastuma- ja kairaustietoihin. Näiden lisäksi tulkinnan tueksi valittiin uusia mustaliuskenäytteitä (~130 kpl) kairasydämistä ympäri Suomea ja ne analysoitiin geokemiallisesti ja petrofysikaalisesti. Näiden tietojen pohjalta mustaliuskeet luokiteltiin tunnettuihin grafiitti- ja sulfidipitoisiin yksikköihin sekä tulkittuihin geofysikaalisilta ominaisuuksiltaan vastaavan tyyppisiin yksikköihin. Alueellisen lentomittausohjelman valmistuttua vuonna 2007 mustaliusketietokanta päätettiin päivittää ja samalla liittää se osaksi DigiKP200-tietokantaa. Uuden tulkinnan pohjaksi valittiin uusista syväkairauksista lisää mustaliuskenäytteitä petrofysikaalisiin ja kemiallisiin analyyseihin. Uusi tietokanta sisältää nyt kaikkiaan noin 800 mustaliuskenäytteen petrofysikaaliset ja geokemialliset tiedot eripuolilta Suomea. Mustaliuskeiden geofysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet Mustaliuskeiden petrofysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat niiden mineraalikoostumuksen, erityisesti grafiitti- ja sulfidipitoisuuden, ja rakenteen esim. liuskeisuuden ja raekoon mukaan. Mustaliuskeiden keskimääräinen tiheys on 2800 kg/m3 ja se kasvaa sulfidipitoisuuden lisääntyessä. Mustaliuskeiden keskimääräinen suskeptibiliteetti on noin 6000 x 10-6 SI ja se on suoraan verrannollinen ferrimagneettisen magneettikiisun määrään. Vastaavasti remanentti magnetoituma on suuruusluokkaa 3 A/m. Mustaliuskeiden ominaisvastus on alle yksi Ohm-m. Analysoiduissa mustaliuskenäytteissä oli keskimäärin hiiltä 6 % ja rikkiä 4 %. Mustaliuskeiden koostumus vaihtelee myös yksikön sisällä kerrostumisolosuhteiden vaihtuessa. Muista esiintymistä ei tavattu yhtä korkeita Ni, Cu, Zn, Co ja Mn pitoisuuksia kuin Talvivaaran malmista. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki NMDS skaalaus Uuden näytteenoton (428 kairasydännäytettä) petrofysiikan ja geokemian tulokset analysoitiin käyttäen moniulotteista ei-parametrista tilastollista luokitusta (Non-metric multidimensional scaling, NMDS). NMDS on epäsuora ordinaatiomenetelmä, jossa näytteiden väliset suhteet rekonstruoidaan niiden samankaltaisuuden perusteella. Analyysin tuloksena saatiin viisi mustaliuskeluokkaa (Taulukko 1). Kuva 1. NMDS -mallinnustulokset geologisella kartalla (Koistinen et al. 2001). Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Taulukko 1. NMDS luokkien tunnusomaisia piirteitä. Luokka Suuret arvot Musta Sininen Vihreä Magenta Na2 O, Al2 O3, SiO2 , K2O CaO, Carbonate C MgO, TiO2 P2 O5, MnO, Ni, Cu, Zn Fe2 O3 , V,C, S, suskeptibiliteetti, remanenssi,johtavuus Punainen Pienet arvot CaO, P2 O5, MnO, Fe2 O3, S, tiheys, suskeptibiliteetti, remanenssi, johtavuus Carbonate C Na2 O, MgO, Al2 O3 SiO2, K2 O Geofysikaalisten ominaisuuksien perusteella punainen luokka edustaa hyvin johtavia ja voimakkaasti ferrimagneettisia muodostumia ja sen vastakohtana on musta luokka. Muut luokat ovat luokittuneet pelkästään geokemiallisten ominaisuuksien perusteella. Sininen luokka edustaa karbonaattirikkaita muodostumia ja magenta -luokka Talvivaara-tyyppisiä esiintymiä. Vihreä luokka on magnesium-rikas ja niitä samoin kuin mustia esiintyy etupäässä Pohjois- ja Länsi Suomessa. Punaiset ja siniset luokat ovat yleisiä Etelä-Suomessa. NMDS -mallinnustulokset on esitetty kuvassa 1. Mallinnustuloksia NMDS–analyysin perusteella tunnettujen mustaliuske-esiintymien joukosta valittiin kutakin luokkaa parhaiten edustavat yksiköt, joita käytettiin mallinnuksen opetuksessa. Mallinnusaineistoon valittiin lentogeofysiikasta aeromagneettinen aineisto, sähkömagneettisesta aineistosta laskettu reaali-imaginäärisuhde sekä radiometrisestä aineistosta uraani. Mallinnukseen käytettiin mustaliusketasosta 100 metrin ’bufferilla’ leikattuja aineistoja. Mallinnus tehtiin käyttäen sekä lineaarista ’maximum likelihoodia’ sekä kasviekologiassa paljon käytettyä epälineaarista SVM (Support Vector Machine) -mallinnusta. Luokitustuloksia verrattiin NMDS–tuloksiin. Mallinnustulokset olivat hyvin samankaltaisia molemmilla menetelmillä ja heikoiten luokittui musta-luokka ja parhaiten magenta-luokka. Maximum likelihood–menetelmällä sininen luokka oli luokittanut paremmin kuin SVM–mallinnuksessa, mutta punainen luokka huonosti. Molemmilla menetelmillä päästiin keskimäärin noin 60 % onnistumisprosenttiin. Yhteenveto Vaikka mustaliuskeet on helppo tunnistaa lentogeofysikaalisen aineiston perusteella, niiden luokittaminen erityyppisiin esiintymiin käyttäen pelkästään lentogeofysiikan aineistoa on haastavaa. Lentoaineiston fysikaaliset vasteet riippuvat paitsi alueen geologiasta ja rakenteista myös irtomaapeitteen paksuudesta sekä soista ja kosteikoista. Mustaliuskeiden ominaisuudet vaihtelevat myös yksikön sisällä, joten tulkinta voi olla vaikeaa. Lisäksi erityyppisten mustaliuskeiden fysikaaliset ominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset. Kuitenkin mustaliuskeiden luokittelu onnistui yllättävän hyvin pelkästään lentogeofysiikan aineistojen perusteella. Mallinnuksen tueksi lentoaineiston rinnalle kannattaa ottaa myös muita geoaineistoja. Tämä tarkoittaa kuitenkin isompia aineistokokonaisuuksia, mikä edellyttää entistä tehokkaampia mallinnusohjelmia ja tietokoneita. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Kuva 2. Mallinnustuloksia. 2 A) Maximum likelihood ja 2 B) SVM-mallinnustulos Kittilästä. 2 C) Maximum likelihood ja 2 D) SVM mallinnustulos Outokummusta. Koistinen T (comp.), Stephens M (comp.), Bogatchev V (comp.), Nordgulen Ø (comp.), Wennerström M (comp.), Korhonen J (comp.) (2001) Geological map of the Fennoscandian Shield, scale 1 : 2 000 000. Espoo, Trondheim, Uppsala, Moscow, Geological Survey of Finland, Geological Survey of Norway, Geological Survey of Sweden, Ministry of Natural Resources of Russia. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Kedonojankulman Cu-Au esiintymän kairansydänten analysointi kuvantavalla heijastusspektrimenetelmällä Hilkka Arkimaa1, Viljo Kuosmanen1, Markku Tiainen1 & Rainer Bärs2 1 Geologian tutkimuskeskus, PL 96, 02151 Espoo, 2 SPECIM, Spectral Imaging Ltd, Teknologiantie 18A, 90590 OULU ABSTRAKTI Kedonojankulman malmiaihe Kedonojankulman porfyyrikupari esiintymä sijaitsee Hämeen Paleoproterotsooisessa vulkaanisintrusiivisessa vyöhykkeessä. Malmiesiintymän isäntäkivi on 1.5x1 km laajuinen kalkkialkaalisen sarjan saarikaarityyppinen porfyyrinen granitoidi, jonka koostumus vaihtelee granodioriitista tonaliittiin. Aeromagneettisella anomaliakartalla se erottuu selkeästi ei-magneettisena alueena ympäröivistä vulkaniiteista ja Koijärven magneettisesta granodioriitista. Malminmuodostus liittyy intruusion pohjoisreunan voimakkaaseen hydrotermiseen muuttumiseen. Selkeimmin todettavia muuttumisia ovat kvartsiutuminen, serisiittiytyminen, albiittiutuminen, karbonaattiutuminen, epidoottiutuminen ja malmiutumista laajemmalla alueella esiintyvä punertava muuttuminen. Kvartsiutumista on tapahtunut useammassa vaiheessa. Kupari- ja molybdeenimineralisaatio liittyvät varhaiseen kvartsiutumiseen. Kvartsijuonia ja kvartsibreksiaa esiintyy myös myöhäisen vaiheen muuttumisena, johon ei liity malminmuodostusta. Varhaista malmiutumista leikkaavat hiertovyöhykkeet, joissa kuparimineralisaatio on lievästi mobiloitunut. Serisiittiytyminen on tyypillistä malmiesiintymän yhteydessä, mutta on alustavan arvion mukaan Cumalminmuodostuksen jälkeen tapahtunutta. Karbonatiittiutuminen ja epidoottiutuminen ovat hiertymisen jälkeen tapahtuneita myöhäisen vaiheen muuttumisia. Punertava laaja-alainen muuttuminen on hapettavan fluidin aiheuttamaa, johon näyttäisi liittyvän kuparimalmin sekundääristä rikastumista, mm. kuparikiisun muuttuminen kuparihohteeksi. Kuvantava heijastusspektrimenetelmä Heijastusspektrometria tarkoittaa kiinteästä aineesta heijastuvan valon tutkimista valon aallonpituuden funktiona. Kuvantavassa spektrometriassa muodostetaan samalla koko tutkittavasta kappaleesta tai kohteesta kuva, jonka jokainen pikseli sisältää täydellisen spektri-informaation. SWIR- eli Short Wave Infrared-aallonpituusalueella tarkoitetaan normaalisti aallonpituusaluetta n. 1000 nm – 2500 nm. Se on yleisimmin käytetty aallonpituusalue geologiassa, koska useiden mineraalien kemiallisten sidosten ominaisvärähtelytaajuudet sattuvat tälle aallonpituusalueelle ja eri mineraalit absorboivat valoa hyvin spesifisillä aallonpituuksilla. SisuROCK on Specimin kehittämä, kairasydänlaatikoiden skannaamiseen tarkoitettu instrumentti. Siinä voidaan joustavasti yhdistää kolmen eri aallonpituusalueen kameraa sovellutuksen tarpeesta riippuen: VNIR (400 – 1000 nm), SWIR (970 – 2500 nm), yhdistetty VNIR+SWIR (380 – 2500 nm), LWIR (8 – 12 µm) tai korkearesoluutioinen RGB (kuvaviivalla 4000 pikseliä). Näytteen valaistus heijastusmittauksia varten on RGB-, VNIR- ja SWIR-alueilla järjestetty suunnatuilla halogeenivalaisimilla. LWIR-alueen valaistuksessa käytetään kaarevan peilin avulla näytteeseen fokusoitua lämpövastusta. Mitattavan kairasydänlaatikon suurin mahdollinen koko on 64 cm * 150 cm. Näissä mittauksissa käytetty kamera oli normaali Specim SWIR spektraalikamera. Mittauksen alussa kairasydänlaatikko asetetaan SisuROCKin mittauspöydälle ja laatikon tunnistetiedot syötetään Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki mittaustietokoneelle, joka tallettaa ne yhdessä kuvadatan kanssa. Kun operaattori käynnistää mittauksen, SisuROCK mittaa ensiksi kaikille kameroille pimeäreferenssin ja valkoisen referenssin ja tallettaa ne omiksi tiedostoikseen. Näiden avulla varsinaisesta kuvasta saadaan poistettua valaisu- ja kamerafunktiot ja se saadaan normalisoitua heijastuskertoimeksi eli reflektanssiksi. Referenssien mittaamisen jälkeen SisuROCK skannaa kairasydänlaatikon, kaikilla kameroilla samanaikaisesti. Yhden laatikon mittaus kestää tyypillisesti alle 2 minuuttia, riippuen hieman kameratyypistä. Kaikki tulokset tallentuvat digitaalimuodossa tietokoneelle mineraalitulkintaa varten. Mineraalien näkyvyys/erottuvuus SWIR-alueella ja vertailu LWIR-erottuvuuteen Mikäli käytettävissä olisi sähkömagneettisen säteilyn spektrialueet näkyvästä valosta lämpöinfraan (350-15 000 nm, VNIR-SWIR-LWIR), niin kaikki mineraalit voitaisiin tunnistaan niiden reflektanssi-emittanssi ominaisuuksien perusteella. Tässä työssä käytetty SWIR (970-2500 nm) aallonpituusväli antaa mahdollisuuden rajatumman mineraalijoukon tunnistamiseen: Kvartsin, maasälpien, oksidien ja sulfidien teoreettinen erottuvuus on matala, granaattien ja pyrokseenien kohtalainen, amfibolien ja karbonaattien hyvä/kohtalainen sekä kiilteiden ja savimineraalien erottuvuus on hyvä. Käytännössä sekä maasälvät että kvartsi sisältävät muita mineraaleja ja ”nestekuplia” sulkeumina, jolloin maasälville ja kvartsille muodostuu paikallista karakteristiikkaa myös SWIR-alueella, mikä parantaa niiden erottuvuutta. Mineraaliluokkien tulkinta SisuROCK kuvista Matched Filtering menetelmä Matched Filtering on osittainen unmixing menetelmä, jossa etsitään käyttäjän määrittelemiä ns. endmembereitä. Termi unmixing tarkoittaa, että datapikselit eivät aina sisällä vain yhtä materiaalia vaan ovat sekoituksia eri materiaaleista ns. endmembereistä, puhtaista päätejäsenistä. Täydellinen unmixing menetelmä pyrkii selvittämään kaikki materiaalit mitä kukin pikseli sisältää. Osittaista unmixing menetelmää voidaan käyttää silloin kun ollaan kiinnostuneita vain osasta materiaaleja. Endmemberit eli mallispektrit tulkintaa varten valittiin SisuROCK- aineistosta malminetsintägeologin valitsemista kohteista. Mallialueista ns. ROIsta (Region Of Interest) laskettiin keskiarvospektrit, joita Matched Filtering käytti endmembereinä. Tuloskuvassa arvot vaihtelevat kullekin mallille välillä 0-1. Lähellä ykköstä olevat arvot merkitsevät suurta samankaltaisuutta mallin kanssa. Malminetsinnällisesti tärkeiden mineraaliluokkien löytyminen SisuROCK kuvista Optimaalisin tulos saavutettaisiin mikäli sekä muuttumaton porfyyrigranitoidi että sen pohjoisreunan voimakkaaseen hydrotermiseen toimintaan liittyvä muuttuminen voitaisiin kartoittaa. Kairasydämistä havaittiin SR SWIR-kuvista tehtyjen Matched Filtering tulkintatulosten ja MLA määritysten avulla seuraavaa (merkintä M,V osoittaa niitä mineraalien luokkia, joista tehtiin Mallinnus ja tulkinta ja se pystyttiin Validoimaan eli tulkinnan tulos varmistettiin toisella menetelmällä): Muuttumaton kivilaji on kvartsi-plagioklaasiporfyyri, joko harmaa tai punertava (so. myöhäisessä vaiheessa oksidoitunut), hajarakeiden ja perusmassan suhde vaihtelee. SR-SWIR löytää tämän luokan hyvin (M,V), mutta ei erottele punertavaa ja harmaata tyyppiä. Viimeksi mainittuun erotteluun tarvitaan VNIR-alue, mikä todettiin FieldSpecillä tehdyn erillisen pistemittauksen avulla. Seuraavat varhain muuttuneet kivilajit SR-SWIR löytää kohtalaisesti: 1) serisiittiytyneet kivet (M,V), 2) kvartsiutuneet kivet, joissa varhaisen vaiheen kvartsijuoniin ja ohuiden kvartsijuonten verkostoon liittyy malminmuodostusta (M,V). 3) Kalimetasomatoosin tulos ilmenee hienorakeisen kalimaasälvän lisääntymisenä (M,V) ja 4) albiittiutuminen ilmenee hienorakeisen albiitin määrän Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki kasvuna (M,V). Maasälpien esiintyminen näkyy SR-SWIR kuvista kohtalaisesti. Maasälpien keskinäinen runsaus ei kuitenkaan käy suoraan kuvista ilmi. Kuitenkin sulkeumakarakteristiikka tekee niistä erottuvia. Jos plagioklaasi on serisiittiytynyt, tai hienorakeisen kvartsi albiittimatriksin seassa on kloriittia, se näkyy tuloksissa. Hietutkimukset osoittavat tarkemmin onko kulloinkin kysymyksessä primäärinen vai muuttumisen tuloksena syntynyt albiitti tai kalimaasälpä Myöhäiset muuttumiset löytyvät osittain: 1) myöhäinen juoniverkosto ja 2) karbonaatti-, laumontiitti, jne. pitoiset kivet SR-SWIR löytää hyvin (M,V), mutta 3) oksidoitumista, punaista muuttumista käytetty SR-SWIR ei havaitse. Tulosten validointi Kairasydämistä valittujen 21 kohteen mineraalikoostumus määritettiin MLA (Mineral Liberation Analysis) -menetelmällä. Osaa näistä kohteista käytettiin malleina Matched Filtering –tulkinnassa ja osaa käytettiin tulosten validointiin, jota siis vastaa merkintä M,V edellisessä kappaleessa. Kirjallisuusviitteet: http://specim.fi/index.php/products/geology/sisurock Kuosmanen, Viljo, Laitinen, Jukka, Arkimaa, Hilkka and Kuosmanen, Eira (2000). Hyperspectral characterization of selected remote detection targets in the mines of HYDO partners. Geological Survey of Finland, Archive report RS/2000/02. 56 p. Kuosmanen, Viljo V.; Laitinen, L. Jukka 2008. Quantitative mineral assessment of apatite, calcite/dolomite, and phlogopite powder mixtures by using VSWIR reflectance. IEEE transactions on geoscience and remote sensing 46 (6), 1774-1782. Kuosmanen, Viljo; Laitinen, Jukka; Bärs, Rainer 2009. Comparison of quantitative assessment of mineral powder components using SisuROCK hyperspectral scanner and FieldSpec portable spectrometer [Electronic resource]. In: 6th EARSeL Imaging Spectroscopy SIG Workshop : innovative tool for scientific and commercial environmental applications, Tel Aviv, Israel, March 16-18, 2009. 7 p. Electronic publication. Laitinen, Jukka; Kuosmanen, Viljo; Ojala, Juhani 2008. Kultakohteen kairasydänten muuttumismineralogian kartoitus lyhytaaltoinfrasäteilyn avulla. Materia 66 (3), 56-60. Tiainen, Markku, Ferenc, Molnar, Kärkkäinen, Niilo and Koistinen, Esko, 2013. The Forssa-Jokioinen CuAu-Zn Province, with special emphasis on the Kedonojankulma Cu deposit. Geologian tutkimuskeskus, Tutkimusraportti 198 – Geological Survey of Finland, Report of Investigation 198, pp. 179-184. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Hanke: Integroitujen geofysikaalisten ja kallioperägeologisten tutkimusmenetelmien kehittäminen yhdyskuntarakentamisen tarpeisiin Taija Huotari-Halkosaari ja Marit Wennerström Geologian tutkimuskeskus, PL 96, 02151 Espoo ([email protected]) Hankkeen tavoitteena on kehittää integroituja menetelmiä kallioperän rikkonaisuuden arvioimiseksi sekä tehostaa geofysiikan menetelmien sovellettua käyttöä erityisesti kallioperän heikkousvyöhykkeiden paikallistamiseksi. Erityistarkastelussa ovat loivakaateiset ongelmavyöhykkeet. Hankkeessa testataan mittakaavaltaan erityyppisiä menetelmiä reikägeofysiikasta aina laaja-alaisiin alueellisiin aerogeofysiikan tulkintoihin. Hankkeen valmistelu aloitettiin ideariihellä syksyllä 2012, missä kartoitettiin geofysiikan käyttömahdollisuuksia yhdyskuntarakentamisessa. Varsinaisesti hankkeen toiminta lähti käyntiin vuoden 2013 alussa. Hankkeen aloituskokouksessa kartoitettiin hankkeeseen osallistujien taustaa ja tarkennettiin hankkeen sisältöä. Päätettiin alkuvaiheessa perustaa esiselvitystyöryhmät, joihin kuhunkin kuului sekä geologeja että geofyysikkoja. Esiselvitysvaiheen kohteita oli 5 ja ne valittiin sen perusteella, että niistä oli olemassa GTK:n kartoittamaa kallioperägeologista aineistoa. Esiselvitysvaiheessa hyödynnettiin geofysiikan aineistosta pääasiassa lentogeofysiikan matalalehtoaineistoa, jota prosessoitiin uudelleen. Esiselvitysvaiheen tulosten sekä maastokatselmusten perusteella valittiin 2 pilotointialuetta Espoosta. Pilotointitutkimuskohteiksi valittiin Länsimetron jatkeelta Hannusjärven ja Finnoon alueet sekä Blominmäki, joka on HSY Vesihuollon uuden jätevedenpuhdistamon suunniteltu sijoitusalue. Pilotointikohteisiin tehtiin geofysiikan mittaussuunnitelmat sekä rakennegeologiset kartoitussuunnitelmat. Kenttätutkimukset pääsivät käyntiin kesällä ja ne pyritään saamaan valmiiksi syyskuun loppuun mennessä. Kenttätutkimukset sisältävät mm. kallioperän rakennegeologista kartoitusta, erityisesti heikkousvyöhykkeiden paikallistamista, maatutkaluotauksia, vastusluotauksia, sähkömagneettisia mittauksia, painovoimamittauksia, magneettisia mittauksia, latauspotentiaalimittauksia sekä reikämittauksia. Hankkeesta saatujen kokemusten ja tulosten perusteella on tarkoitus kehittää kallioperän heikkousrakenteiden 3D-tulkintaa sijainnin ja ominaisuuksien suhteen ja laatia ohjeistusta kalliorakennuskohteiden tarkoituksenmukaisista geofysikaalisista tutkimuksista sekä geofysikaalisten ja geologisten tutkimustulosten integroidusta käytöstä. Vastusluotausmittaukset Hannusjärven alueella. Kuva: K. Nyman, GTK 2013 Latauspotentiaalimittaukset Blominmäellä. Kuva: T. Huotari-Halkosaari, GTK 2013 Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Lämpökaivotarkasteluja Kimmo Korhonen, Geologian Tutkimuskeskus (GTK) Kallioperään on aikojen saatossa varastoitunut huomattava määrä lämpöä, jota voidaan hyödyntää kiinteistöjen ja käyttöveden lämmittämiseen. Tätä ilmaista, kallioon varastoitunutta, lämpöä hyödynnetään maalämpöpumpun ja siihen kytketyn, kallioon poratun, lämpökaivon avulla. Maalämpöpumppujen osuus uusien pientalojen lämmitysjärjestelmistä lähentelee nykyään jo viittäkymmentä prosenttia. Tästä syystä onkin hyödyllistä tarkastella lämpökaivojärjestelmien tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä. Maalämpöpumpun tehokkuutta voidaan arvioida lämpökertoimen avulla (englanniksi Coefficient of Performance eli COP). Se kertoo kuinka suuri osuus kiinteistön lämmitykseen tarvittavasta lämpöenergiasta saadaan kallioon varastoituneesta ilmaisesta lämmöstä, ja kuinka suuri osuus tuotetaan maksullisella sähköenergialla. Lämpökerroin on nykypumpuilla yli kolme. Tämä tarkoittaa sitä, että alle kolmasosa lämmöstä tuotetaan sähköllä ja yli kaksi kolmasosaa saadaan kallioperästä. Kallioperään varastoitunutta lämpöä keräävä lämpökaivo alentaa kallion lämpötilaa ajan saatossa. Jos lämpökaivoja on useita lähekkäin, ne käyttävät hyväksi samaa lämpöreserviä, mikä alentaa kallion lämpötilaa entistä enemmän. Koska maalämpöpumpun lämpökerroin on kytköksissä maankamaran lämpötilaan, vierekkäiset lämpökaivot vaikuttavat tarvittavan maksullisen sähköenergian määrään, kasvattaen sitä. Tässä esitelmässä tarkastellaan sitä, kuinka paljon enemmän kahden lähekkäisen lämpökaivon tapauksessa tarvitaan sähköenergiaa verrattuna yhden lämpökaivon tapaukseen, ja mikä on lisääntyneen sähkönkäytön taloudellinen vaikutus. Lämpökaivo alentaa kallion lämpötilaa ja aiheuttaa häiriön (anomalian) kallion luonnolliseen lämpötilakenttään. Esitelmässä tarkastellaan myös tämän häiriön avaruudellista ja ajallista etenemistä, sen vaikutusta kallioperän lämpövirtaan, sekä häiriön palautumista, kun lämmönkeruu on lopetettu. Esitelmässä pyritään vastaamaan erityisesti kysymyksiin: Miten paljon vierekkäiset lämpökaivot vaikuttavat maalämpöpumpun lämpökertoimeen. Mikä on vierekkäisten lämpökaivojen taloudellinen vaikutus. Mikä on lämpökaivojen sopiva minimietäisyys. Mistä lämpökaivolla hyödynnettävä lämpö on peräisin. Miten pitkään lämpökaivon aiheuttaman lämpötilahäiriön palautuminen kestää. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Korkean resoluution heijastusluotaus landstreamer-kalustolla Virttaankankaan pohjavesiesiintymän rakenteen ja hydrogeologisten ominaisuuksien tutkimuksessa Elina Ahokangas Maantieteen ja geologian laitos Turun yliopisto Tämän tutkimushankkeen tavoitteena oli ensimmäistä kertaa Suomessa selvittää liikkuvalla kalustolla tehtävän korkean resoluution seismisen heijastusluotauksen (HRSR eli High-Resolution Seismic Reflection) käyttömahdollisuuksia pohjavesiesiintymien rakenteen ja hydrologisten ominaisuuksien tutkimuksessa. Korkean resoluution (optimioloissa jopa 1-2 m vertikaaliresoluutio) seisminen tutkimusmenetelmä mahdollistaa laajojen ja kerrospaksuudeltaan suurien muodostumien nopean rakennetutkimuksen. Menetelmän korkea resoluutio pyritään saavuttamaan käyttämällä seismisenä lähteenä vibraattoria, jolla on esim. rajäytyksiin verrattuna laajempi taajuuskaista. Käytettäessä liikkuvaa kalustoa kaikki geofonit on sijoitettu ja yhdistetty toisiinsa nk. streamerin avulla, jolloin koko geofonilevitys liikkuu yhtenäisesti mittauspisteeltä toiselle, mikä nopeuttaa varsinaista mittausta huomattavasti. Tutkimuskohteena oli Säkylänharjun-Virttaankankaan huomattava harjumuodostuma. Alueelle sijoittuva Turun seudun tekopohjavesihanke tarjoaa kallio-, maaperä-, ja pohjavesiolosuhteiltaan vaihtelevan testialueen sekä monipuolisen referenssiaineiston, johon sisältyy myös alueen rakennetta ja sen syntyä kuvaava kerrostumismalli. Lisäksi tutkimuksen tulokset ovat suoraan hyödynnettävissä alueen kolmiulotteiseen hydrogeologiseen malliin, joka toimii perustana pohjaveden 60kerroksiselle virtausmallille. Virttaankankaan harjuaineksen paksuus on yleisesti 20–60 m, mutta yltää jopa 100 m syvän kallioperän murroslinjan kohdalla, jonka pohjaosissa sijaitsevat pohjavesiesiintymän vaikeimmin tutkittavissa olevat kerrostumat. Korkean resoluution seismistä heijastusluotausta testattiin liikkuvalla landstreamer-kalustolla Virttaankankaan tekopohjavesialueella 29.8.– 3.9.2011 välisenä aikana ensimmäistä kertaa Suomessa. Luotauslinjoja ajettiin yhteensä 9 kpl ja niiden yhteispituus oli 8,2 km. Virttaankankaan olosuhteissa pääpaino on P-aaltojen tuottaman jatkuvan linjadatan tulkinnassa, joskin paikoin S-aaltojen avulla saatiin tarkempaa tietoa kerrostumien rakenteesta (varsinkin kun pohjavesi oli lähimmillään maanpintaa eli noin 10 m pinnasta). Virttaankankaan luotausaineiston vertikaaliresoluutio on noin 5 m. Resoluutiota heikentää oleellisesti korkeampien taajuuksien vaimeneminen paksun ja kuivan maaperäkerroksen vaikutuksesta. Virttaankankaan alueella kallionpinta tavoitettiin jokaisella heijastusluotauslinjalla. Sen syvyys vaihteli 6 m jopa 120 m maanpinnasta. Virttaankankaan itäosassa kulkeva ruhjelaakso havaittiin niin ikään selvästi luotauslinjoilla. Tässä suuressa ruhjevyöhykkeessä havaittiin kalliopinnan ja harjuytimen välissä paikoitellen vanhempia moreenimaisia kerrostumia, joiden paksuus on referenssikairauksen perusteella jopa 20 metriä. Harjun varsinainen ydinosa ja sitä peittävät viuhkamaiset harjulaajentumat ovat kerrostuneet niiden päälle. Harjun kivinen ydin on yleensä kohtalaisen hyvin erotettavissa heijastusaineistosta, varsinkin jos alueelta on jo tulkintaa tukevaa aiempaa rakennetietoa. Paikoin ydinosan voitiin tulkita suoraan heijastusaineistosta tai ytimen molemmin puolin sijaitsevien, Virttaankankaan tapauksessa rantavoimien muokkaamien piilosuppien perusteella. Ydintä peittävät viuhkamaiset harjulaajentumat voitiin tunnistaa maatutkaluotaukseen perustuvan sedimentologisen mallin tuntemuksen perusteella. Niiden rajapintojen ja/tai sisärakenteiden ominaisuuksien luotettava erottaminen heijastusaineistosta ei alustavalla prosessoinnilla ole mahdollista. Pohjavedenpinta on jossain määrin erotettavissa seismisiltä heijastusluotauslinjoilta. Huomionarvoista oli myös hienoainespitoisten harjukerrostumien sekä niiden päällä olevien orsivesien selvä erottuminen Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki S-aaltokuvista. Uusi luotausaineisto vahvisti maatutka- ja kairausaineiston tulkinnalla saatua kuvaa ytimen mittasuhteista ja sijainnista. Erityisen tärkeä havainto pohjavesimallinnuksen ja vedenhankinnan kannalta oli ytimen sijainnin ja muodon hahmottuminen kallioperän syvän murroslinjan kohdalla sekä käsitys ytimen alapuolisista kerrostumista. Virttaankankaan luotauskokemuksen perusteella toteamme, että menetelmä on käyttökelpoinen Suomen olosuhteissa. Pääpaino on kallionpinnan tason ja harjujen suurten geometristen rakenteiden hahmottamisessa ja jatkotutkimusten ohjaamisessa. Menetelmä soveltuu hyvin alueille, joilla pohjavesi on lähellä pintaa, jolloin myös S-aaltojen prosessoinnilla ja tulkinnalla saadaan tarkempaa tietoa kerrosrakenteesta. Näiden ohella menetelmä soveltuu erityisesti hienoainespeitteisten harjujen tutkimukseen. Menetelmän kannalta ideaalisia olosuhteita ajatellen soveltuvia tutkimuskohteita ovat erityisesti lounais- ja länsirannikon savikkoalueet ja niillä sijaitsevat hienoaineksen/moreenin peittämät piiloharjut sekä sedimenttikivialtaat ja niiden yläpuoliset glasiaalisedimentit (Satakuntamuodostuma ja Muhosmuodostuma). Menetelmä ei voi kuitenkaan täysin korvata maatutkaa glasifluviaalisten sedimenttien syntyprosessien ja kerrostumisvaiheiden tutkimuksessa tai rakennemallinnuksessa. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Gravimetrian uudet standardit ja GTK:n päivitetty APV-rekisteri Seppo Elo [email protected] Suomessa on siirrytty uusiin yleiseurooppalaisiin koordinaatti-, korkeus- ja painovoimajärjestelmiin. Muutos koskee myös vanhojen tietorekisterien päivittämistä uusien standardien mukaisiksi. Maanmittauslaitos ja Geodeettinen laitos ovat luoneet internet-palveluja helpottamaan uusien järjestelmien käyttöönottoa. Valtakunnalliset digitaaliset korkeusmallit ovat mahdollistaneet painovoimamittaustuloksille laskettavan topografiakorjauksen systemaattisen käytön. Geodeettisen laitoksen I lk:n painovoimapisteverkon ja gravimetrien kalibrointilinjan tarkennukset luovat edellytyksiä entistä laadukkaammille mittauksille. Automaattinen tietojen käsittely yhdistyneenä parantuneeseen infrastruktuuriin on tuonut mukanaan uusia tapoja tarkastaa ja korjata vanhoja tietorekistereitä. Uusi koordinaattijärjestelmä on EUREF-FIN, joka on yleiseurooppalaisen ETRS89 –järjestelmän realisaatio Suomessa. EUREF-FIN –koordinaatit korvaavat 1970-luvun alussa käyttöönotetut kkjkoordinaatit. EUREF-FIN –järjestelmä on määritelty Julkisen Hallinnon Suosituksessa JHS 153: http://www.jhs-suositukset.fi/suomi/jhs153. Uudessa järjestelmässä käytetään UTM (Universal Transverse Mercator) –projektiota ja TM35FINlehtijakoa. Koko Suomi kuvataan yhdessä kaistassa, joten kaikki karttalehdet ovat suorakulmaisia eikä kaistanrajoja siis ole. Projektio ja lehtijako on määritelty Julkisen hallinnon suosituksessa JHS 154: http://www.jhs-suositukset.fi/suomi/jhs154. Uusi korkeusjärjestelmä on N2000, joka on yleiseurooppalaisen korkeusjärjestelmän suomalainen realisaatio. Sen lähtötaso on Amsterdamin nollapiste NAP. Järjestelmä perustuu Geodeettisen laitoksen toteuttaman Suomen III tarkkavaaituksen tuloksiin. N2000 -järjestelmän korkeuslukemat ovat 13–43 cm suurempia N60-järjestelmään verrattuna. Järjestelmä on määritelty Julkisen hallinnon suosituksessa JHS 163: http://www.jhs-suositukset.fi/suomi/jhs163. Geodeettisen laitoksen koordinaattimuunnospalvelu ( http://coordtrans.fgi.fi/ ) tarjoaa välineitä ja tietoa koordinaattien ja korkeuksien muuntamiseksi järjestelmästä toiseen. Painovoimamittaukset sidotaan Suomen Geodeettisen laitoksen ensimmäisen luokan painovoimaverkkoon FOGN (First Order Gravity Net), jonka Geodeettinen laitos on mitannut uudelleen A10absoluuttigravimetrilla vuosina 2009 - 2011. FOGN-verkkoa on kuvattu julkaisuissa: -Kiviniemi, A., 1964. The first order gravity net of Finland. Suomen Geodeettisen laitoksen julkaisuja, N:o 59. -Kääriäinen, J. and Mäkinen, J., 1997. The 1979-1996 gravity survey and results of the gravity survey of Finland 1945-1996. Suomen Geodeettisen laitoksen julkaisuja, N:o 125. sekä esitelmässä: -Mäkinen, J., Sekowski, M., Näränen, J., Virtanen, H., Ruotsalainen, H., Raja-Halli, A., BilkerKoivula, M., 2011. Updating the First Order Network of Finland - Present status -. NKG WG of Geoid and Height Systems, 30.-31.5.2011. http://www.nkg.fi/nkg/sites/default/files/WGGHS2011_Mirjam_Finland_FOGN-update.pdf Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Geodeettinen laitos julkaisee lähitulevaisuudessa uudet painovoima-arvot verkon pisteille. Gravimetrin kunto ja kalibrointivakio voidaan tarkistaa Geodeettisen laitoksen kalibrointilinjalla Masala-Vihti. Linja koostuu kuudesta pysyvästi merkitystä pisteestä noin 10 mgalin välein. Linja on dokumentoitu julkaisussa: Ruotsalainen, H., Mäkinen, J. ja Kääriäinen, J., 1998. Gravimetrien kalibrointilinja Masala-Vihti. Tiedote 20, Geodeettinen laitos. Linjan perustamisen jälkeen useat organisaatiot ovat useilla eri gravimetreilla suorittaneet sillä suuren määrän mittauksia, joihin perustuen Geodeettinen laitos julkaisee lähitulevaisuudessa uudet painovoima-arvot linjan pisteille. Geologian tutkimuskeskus (GTK) on päivittämässä vanhaa alueellista painovoimarekisteriään uuteen. Painovoima-anomaliat muutetaan uusien standardien mukaiseksi, kaikille pisteille lasketaan topografiakorjaus sekä tehdään tarkistuksia ja korjauksia. Duplikaatit ja virheelliset tiedot poistetaan. GTK:n vanhassa järjestelmässä Bouguer-anomalia laskettiin seuraavan kaavan mukaisesti: gB = gM(FOGN)-g0(1930,kkj)-14.00+0.3084×h(N60)-0.1119×h(N60)+TK Vuoden 1930 normaalipainovoiman kaavasta siis vähennettiin 14.00 mgal, leveysaste oli kkjjärjestelmän ja kaikki korkeusarvot N60-järjestelmän mukaisia. g0 (1930) / mgal = 978049 + 5149.34*sin2 +22.834*sin4 +0.124*sin6 GTK:n uudessa järjestelmässä Bouguer-anomalia lasketaan seuraavan kaavan mukaisesti: gB = gM(FOGN)-g0(1980,EUREF-FIN)+ gatm(N2000)- gh(N2000)-0.1119×h(N2000)+TK Määrittely noudattaa GRS80 (Geodetic Reference System 1980) –järjestelmää. Leveysaste on EUREF-FIN -järjestelmän ja kaikki korkeudet N2000 -järjestelmän mukaisia. g0 (1980) /mgal = 978032.67715 × (1+0.005 279 0414 sin2 +0.000 023 2718 sin4 +0.000 000 1262 sin6 +0.000 000 0007 sin8 ) gh (0.3087691 0.0004398sin2 )×h + 7.2125×10 8 ×h2 gatm = 0.874 gB 9.9 × 10 5 ×h + 3.56 × 10 9 ×h2 = Bouguer-anomalia gM = mitattu painovoima g0 = normaalipainovoima h = korkeus TK = topografiakorjaus gatm = ilmakehäkorjaus gh = ilmagradientti = leveysaste Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Vakio 0.1119 vastaa Bouguer-laatan tiheyttä 2670 kg/m3. Bouguer-reduktioon sisältyy järven jäällä mitatuille pisteille tehtävä vesikorjaus, joka saadaan kertomalla veden syvyys kertoimella 0.07. Käytettävät yksiköt ovat [mgal] ja [m]. Topografiakorjaus lasketaan 18.8 km:n säteellä Maanmittauslaitoksen 25 m × 25 m korkeusmallin avulla. Lumipeite on otettu huomioon painovoima-arvoa laskettaessa. GTK:n uudistetussa alueellisten painovoimamittausten rekisterissä on seuraavat tiedot. Kentät on erotettu toisistaan yhdellä välilyönnillä. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 11. 12. 13. 14. 16. KL_KKJ NRO X_KKJ Y_KKJ H_N60 G_FOGN GB GBTK GVH A8 I6 F10.2 F10.2 F7.2 F10.3 F8.3 F8.3 I3 PVM TK JS LS IMO I8 F7.3 F6.2 F6.2 I2 17. ISEC I2 18. 19. 20. 21. 22. 23. F10.2 F10.2 F7.2 F8.3 F8.3 A7 XUTM YUTM H_N2000 GB80 GB80TK KL_EUREF KKJ-KARTTALEHTI MITTAUSPISTEEN NUMERO X-KOORDINAATTI /m /KKJ Y-KOORDINAATTI /m /KKJ H-KOORDINAATTI /m /N60 PAINOVOIMA FOGN-JÄRJESTELMÄSSÄ /mgal BOUGUER-ANOMALIA /mgal, vanha järjestelmä GB TOPOGRAFIAKORJAUKSEN JÄLKEEN /mgal GVH-TARKKUUSLUKU (arvioitu keskivirhe pienempi kuin annettu arvo): PAINOVOIMA (G), KORKEUS (V), X JA Y (H) G V H 0 <0.010 mgal 0 0 <0.01 m 1 <0.040 mgal 1 1 <0.05 m 2 <0.100 mgal 2 2 <0.10 m 3 <0.200 mgal 3 3 <0.50 m 4 <0.300 mgal 4 4 <1.00 m 5 <0.500 mgal 5 5 <2.00 m 6 <1.000 mgal 6 6 <5.00 m 7 <2.000 mgal 7 7 <10.0 m 8 <5.000 mgal 8 8 <20.0 m 9 <10.00 mgal 9 9 <100. m MITTAUKSEN PÄIVÄMÄÄRÄ PPKKVVV TOPOGRAFIAKORJAUS/mgal,LASKENTASÄDE 18.8 km JÄRVEN SYVYYS /m LUMEN SYVYYS /m MITTAUSORGANISAATIO 0 = Geologian tutkimuskeskus 1 = Geodeettinen laitos 2 = Suomen Malmi Oy 3 = Outokumpu Mining Oy 4 = Astrock Oy 5 = Oulun Yliopisto 6 = Helsingin Teknillinen Korkeakoulu 7 = Rautaruukki Oy SUOJAUS 0 = kaikkien käytettävissä normaaliehdoin 1 = vain GTK:n käyttöön 3 = vain rekisterin ylläpitäjän käyttöön X-KOORDINAATTI /m /UTM /EUREF-FIN Y-KOORDINAATTI /m /UTM /EUREF-FIN H-koordinaatti /m /N2000 BOUGUER-ANOMALIA /mgal /GRS80-JÄRJESTELMÄ GB80 TOPOGRAFIAKORJAUKSEN JÄLKEEN /mgal UTM-KARTTALEHTINUMERO Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Uuden järjestelmän mukaiset koordinaatit, korkeudet ja karttalehtinumerot on saatu vanhan järjestelmän arvoista Geodeettisen laitoksen ja Maanmittauslaitoksen julkaisemilla tarkoilla kaavoilla. Topografiakorjaukset on laskettu 18.8 km:n säteellä Maanmittauslaitoksen 25 m x 25 m digitaalisen korkeusmallin avulla. Anomaliat on laskettu uudestaan lähtien mitatusta painovoima-arvosta. Rekisterissä on tietoja useista lähteistä. Tietojen alkuperä ja käyttöoikeudet on ilmoitettu erillisellä koodilla. Rekisteriä on aika ajoin täydennetty digitoimalla valituille pisteille koordinaatit ja Bougueranomalian arvot ns. systemaattisiin painovoimamittauksiin perustuvilta anomaliakartoilta. Näille pisteille on päivityksen yhteydessä interpoloitu Maanmittauslaitoksen 25 m x 25 m digitaalisen korkeusmallin avulla korkeus, minkä jälkeen on laskettu Bouguer-anomalian, koordinaattien ja korkeuden avulla niitä vastaava painovoima-arvo. Päivityksen yhteydessä on suoritettu tarkistuksia ja korjauksia käyttämällä hyväksi Maanmittauslaitoksen digitaalisia korkeusmalleja, kansalaisen karttapaikkaa: http://kansalaisen.karttapaikka.fi/koordinaatit/koordinaatit.html?e=406643&n=7195132&scale=800 0000&width=600&height=600&tool=siirra&lang=fi ja avoimien aineistojen tiedostopalvelua: https://tiedostopalvelu.maanmittauslaitos.fi/tp/kartta . Rekisteriä hyväksi käytettäessä on huomioitava alkuperäisten mittausten keskivirhe ja pistejakauma sekä interpolointivirhe. Näiden perusteella voidaan arvioida alaraja havaittavissa olevien anomalioiden suuruudelle ja puolileveydelle. Koska noin 275 000 havaintoa käydään läpi lähes piste pisteeltä, tarkistustyö on kaikista apuvälineistä huolimatta osoittautunut melko työlääksi ja on vielä kesken. Näyttää siltä, että lopullisen päivitetyn rekisterin julkistaminen siirtyy vuoden 2014 puolelle. Väliaikaisia versioita on toki jatkuvasti käytössä. Mitä tästä kaikesta opimme? Gravimetristen menetelmien infrastruktuuri ja standardit ovat täysin uusiutuneet yli 40-vuotisen työurani aikana, ja varmasti kehittyvät tästä eteenkin päin. Esimerkiksi laserkeilaukseen perustuvat uudet korkeusmallit mahdollistavat entistä tarkemman topografisen korjauksen laskemisen. Mitä paremmin olemme valmistautuneet ja mitä sinnikkäämmin työskentelemme kehittyneiden standardien ja uusien mahdollisuuksien käyttöönottamiseksi, sitä monipuolisempaa ja laadukkaampaa tulee olemaan mittaustulosten käyttö. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki GTK:n "langaton" reikämittauslaitteisto Heikki Forss Geologian tutkimuskeskus, PL 1237, 70211 Kuopio, ([email protected]) Geologian tutkimuskeskus on hankkinut vuoden 2012 lopussa uuden reikäloggauslaitteiston. Laitteiston toimitti kotimainen Vatjus-Micro Oy. Mittauslaitteisto koostuu itsenäisistä automaattisesti tallentavista antureista, jolloin reikään laskettavalta anturilta ei tarvita langallista yhteyttä maanpinnalle. Anturin laskennassa voi käyttää kevyttä vaijeria/narua tai tankoja, jos kyseessä on vaakareikä. Mittausta aloitettaessa mittausanturi alustetaan maastotietokoneella sekä synkronoidaan anturin ja maastotietokoneen kellot (kuva1). Maanpinnalla, reiän suulla sijaitsevalta, matkamittarilta saadaan syvyystieto, mikä talletetaan maastotietokoneen muistiin (kuvat 2 ja 3). Mittauksen lopuksi mittausanturin tiedot luetaan maastotietokoneelle ja yhdistetään syvyyslukemiin. Laitteiston nykyinen kokoonpano sisältää luonnongamma-, tiheys-, suskeptiivisuus- ja ominaisvastusanturit. Tiheysanturi koostuu yhdestä gammasensorista ja CS-137 säteilylähteestä. Kokonaisuuteen kuuluu myös tiedonsiirto- ja tuloskäsittelyohjelmisto tietokoneelle. Tällä tekniikalla toimivia antureita on toimitettu erillisinä laitteistoina suskeptiivisuus- ja tiheysanturein sekä kaltevuusmittareina, mutta tällä kokoonpanolla laitteisto on ensimmäinen laatuaan. Kuva 1. Suskeptiivisuusanturi kytkettynä maastotietokoneeseen anturin alustusta /tiedon lukua varten. Kuva 3 (oikealla). Mittaustapahtuma, anturi on tallennustilassa reiässä ja matkapyörän syvyyslukemat taltioidaan maastotietokoneelle Kuva 2. Matkapyörä ja vaijerikela. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Evaluation of Distributed Thermal Response Test (DTRT) method – Nupurinkartano as a case study Petri Hakala1, Annu Martinkauppi1, Ilkka Martinkauppi1 & Nina Leppäharju2 1 Geologian tutkimuskeskus, PL 97, 67101 Kokkola ([email protected]) 2 Geologian tutkimuskeskus, PL 96, 02151 Espoo ([email protected]) Introduction Designing a reliable, efficient and lasting borehole heat exchanger (BHE) system requires understanding about the thermophysical properties of the ground surrounding the boreholes. The two most important factors are the thermal conductivity and the temperature of the ground. Both of these vary notably not only regionally and depending on the rock type but also very locally. Besides, the properties of the heat exchanger itself affect system efficiency creating a thermal resistance between the heat carrier fluid and the borehole wall. These parameters need to be measured to get in situ information. The conventional and nowadays rather widely used method for evaluating the effective ground thermal conductivity and the borehole thermal resistance is the Thermal Response Test (TRT). TRT combined with temperature measurements along the borehole depth using optical fiber thermometers is called the Distributed Thermal Response Test (DTRT). DTRT is merely a modification of the conventional TRT enabling to determine vertical variations of the ground thermal conductivity and the borehole thermal resistance, i.e. the layered parameters. Thus, DTRT enables a more detailed look on the subsurface thermal properties which are significant in heterogeneous and anisotropic environment. In our study, the evaluation of distributed thermal response test was made in Nupurinkartano test area (located in the northern part of Espoo). The purpose was to assess the DTRT method in total, from measurements to interpretation and to the utilization of the results. Nupurinkartano was selected as a test area because GTK has in situ knowledge of about the geological and geophysical conditions and the composition and the structure of the bedrock, respectively, from the site. The methodology of DTRT For determining the layered thermal conductivity of the bedrock and the borehole thermal resistance, the temperature of the heat carrier fluid is logged with optical fiber cables along the borehole depth during different phases of TRT. In addition, the borehole depth needs to be divided into sections to calculate heat transfer ( ) into bedrock in a specific layer. Applying, for example, the analytical infinite line source method (Eq.1 ) to each section, fitting the calculated fluid temperatures into the measured ones and minimizing the error between them, the layered thermal parameters of the bedrock (thermal conductivity k and thermal resistance ) are optimized and solved. In our study, the borehole (depth = 200 m) was divided into nine sections, each of 20 meters thick (Figure 1.). This way, we neglected first and last ten meters of the BHE length to eliminate the influence of the ambient air and disturbances of fiber splicing at the bottom of the borehole. DTRT carried out consisted of four different phases and lasted almost 310 hours in total. In the first phase, the undisturbed ground temperature was measured without circulating heat carrier fluid. Followed Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki by the second phase, where a pre-circulation of the fluid without heating was carried out for one hour. Subsequently, in the third phase, a constant heat power was injected for 94 hours. Finally, in the fourth phase, the borehole recovery was observed measuring the temperature with no heating or fluid circulation during 216 hours. Applying the line source function to each layer as mentioned above, the layered thermal conductivity of the bedrock was optimized and solved from the fitting period of 10-90 hours i.e. the heating period first and then from the fitting period of 105-145 hours i.e. the recovery period. Figure 1. Multilayered model of the borehole. The average temperature of the heat carrier fluid during each thermal phase was calculated with six temperature values i.e. three in each pipe within each layer (points located at the top, middle and bottom). Temperatures in different layers are presented in Figure 2. When heating elements in the TRT rig were switched off (time instance 94 h) fluid temperature began to approach the initial temperature profile of the bedrock as presented in Figure 3. Recovery is clearly more rapid at early hours than at late times. Figure 2. The temperature profile of each layer. Differences between fluid average temperatures at different layers are more obvious in the recovery phase than in the heating phase. The average initial temperature of the BHE is marked on a solid red line. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Figure 3. The temperature profiles following the heating phase i.e. recovery profiles vs. undisturbed initial temperature. Bedrock temperature gradually approaches the undisturbed initial state. During the recovery phase, borehole thermal resistance cancels because injected heat power is almost zero and temperature in the borehole homogenizes rapidly. Temperatures measured during the recovery period are therefore independent of borehole resistance and only parameter which can be calculated from recovery data is the bedrock thermal conductivity. However, the evaluation of the recovery period is usually more recommendable. Also, during the heating period, the unknown positions of optical fiber cables may have some influence on the measured temperatures. Hence, thermal conductivity determination from recovery data is more reliable than with the case of heating data. Utilizing thermal conductivities acquired from the heating and recovery period as an input parameter, the layered borehole thermal resistance was evaluated thereafter from heating period 10 90 h. The infinite line source method is valid only when injected heat flux remains constant over the whole heating period in the thermal response test. If there are large variations in the heat power, constant power assumption will not be valid. The line source method can be used if variable heat injection rates are taken into account with the superposition technique which means heat power is divided into several pulses with a constant heat rate and the same time step. If the DTRT consists of both heating and recovery periods, there is change in the heat power right after the heating period. That is why a temporal superposition method was used in our study. Results Figure 4 reveals the DTRT results. The layered thermal conductivity varied between 2.8 - 4.2 W/(m·K) at different sections of the bedrock depending on whether or not the variable heat rate effects were taken into account. The layered thermal resistance of the borehole varied between 0.06 - 0.11 K/(W/m), respectively. Figure 4 shows that thermal conductivities solved using variable heat rates, i.e. the superposition technique applied to the recovery data (blue solid line), are smaller than infinite line source results solved using constant heat power applied to the heat injection data (red solid line) on five first layers but gives larger value in the last sections. The red dash line presents the average value of all nine layers achieved using constant heat power i.e. the conventional TRT. The blue dash line presents the average value of all nine layers achieved using the variable heat rate respectively. Geologically the study area was considered homogeneous granite. Also, the borehole geophysical investigations made earlier showed the bedrock is homogeneous and solid where notable changes in Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki rock type were not detected. The results we got from the scanning electronic microscope analysis (SEM) indicated a good thermal conductivity because of reasonably high quartz content. Thus, the differences in the estimation of the layered thermal conductivity may be attributed to find the appropriate fitting period and layer sectioning as well. The variations in the estimation of the borehole thermal resistance can be due to the convective heat, which was not considered, and the possibly lateral deviation of U-pipe along the borehole depth on the other hand. There were also high thermal variations between heat rates in each layer. Due to these variations thermal powers were averaged over the whole heating period which may also have effect on the acquired layered borehole thermal resistance values. Obviously, the DTRT method offers a more detailed overview along the borehole which is more significant in heterogeneous and anisotropic environment. However, with DTRT it is possible to detect fissures and cracks where groundwater movements occur which is not the case in a conventional method. On the other hand, the DTRT procedure takes the longer time than the conventional TRT procedure due to the recovery phase. So, using simply optical fiber cables measuring the true average temperature enables the more accurate estimation of the effective thermal parameters. Figure 2. Figure 4. The layered thermal conductivities achieved from the recovery and heat injection data alike (on the left) and the layered thermal resistance of the borehole (on the right). The layered thermal conductivity calculated from the recovery period is marked on blue solid line and the layered thermal conductivity calculated from the heating period is marked on red solid line. The dashed lines present the averaged value of all nine layers achieved using constant heat power and variable heat rate correspondingly. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Olkiluodon uusi lineamenttitulkinta Markku Paananen Geologian tutkimuskeskus Paikkatutkimukset Olkiluodossa ovat jatkuneet n. 25 vuotta, ja niissä on käytetty hyvin laajaa geofysikaalisten tutkimusmenetelmien valikoimaa eri geometrioilla ja eri mittakaavoissa. Mittauksia on tehty ilmasta, maanpinnalta, kairanrei’istä sekä ONKALO-tunnelista. Osana täydentäviä paikkatutkimuksia Olkiluodon alueella tehtiin geofysikaalisia matalalentomittauksia kahdessa eri vaiheessa vuosina 2008 ja 2009 (Kuva 1). Vuoden 2008 mittaukset kohdistuivat Eurajoensalmen alueelle pohjoiseen ja luoteeseen Olkiluodosta. Vuoden 2009 mittaus kattoi suuren osa Olkiluodon saarta sekä merialuetta ja saaristoa lännessä, lounaassa ja etelässä Olkiluodon ympärillä. Mittauksissa käytetty linjaväli oli 50 m. Vertailu vanhaan GTK:n lentoaineistoon osoitti uuden aineiston tuovan esiin huomattavasti enemmän yksityiskohtia, vaikka osa keskeistä aluetta Olkiluodon saarella jouduttiin jättämään mittaamatta lentorajoitusten vuoksi. Uusi lineamenttitulkinta perustuu näihin uusiin geofysikaalisiin mittauksiin. Tulkintaa varten geofysikaalista aineistoa prosessoitiin paljon laskemalla mm. erilaisia gradientteja ja suodatuksia ja laatimalla niistä karttoja. Työssä tarkasteltiin myös kaarevuusanalyysiin perustuvan automaattisen lineamenttitulkinnan mahdollisuuksia. Lisäksi tehtiin kvantitatiivista profiilitulkintaa kaateiden ja kontaktien paikkojen selvittämiseksi. Kvalitatiivinen lineamenttitulkinta tehtiin tarkastelemalla visuaalisesti erilaisia geofysikaalisia karttaversioita ja digitoimalla kunkin tulkitun lineamentin geometria. Erityistä huomiota on kiinnitetty lineamentteihin liittyvien mahdollisten deformaatiovyöhykkeiden geologisen luonteen arvioimiseen. Lineamentit on kerätty kahteen ArcGIS-teemaan (magneettiset ja sähkömagneettiset erikseen), joihin liittyy attribuuttitaulukko. Taulukkoon on dokumentoitu tulkittujen piirteiden ominaisuuksia, kuten lineamentin tunnus, viittaus käytettyyn aineistoon, epävarmuus, pituus, keskimääräinen suunta sekä todennäköinen geologinen luonne. Epävarmuuden perusteella lineamentit jaettiin kolmeen luokkaan (1 = low uncertainty, 2 = medium uncertainty, 3 = high uncertainty) sen perusteella, kuinka voimakkaina piirteinä ne näkyvät aineistossa. Tulkittujen lineamenttien kokonaismäärä on 125 magneettista ja 33 sähkömagneettista lineamenttia. Niiden pääsuunnat vaihtelevat välillä WNW-ESE ja NNW-SSE. Lisäksi merkittäviä suuntia ovat NS ja E-W. Sähkömagneettiset lineamentit liittyvät pääasiassa johtaviin kapeisiin merialueisiin saarten välillä, joten ne voivat olla epäsuoria viitteitä kallioperän deformaatiovyöhykkeistä. Olkiluodon alueella lähes E-W-suuntaiset Liiklan hiertovyöhyke sekä Selkänummen deformaatiovyöhyke on parhaiten tunnetut duktiilit piirteet. Niiden olemassaolo on voitu varmentaa geologisilla havainnoilla maanpinnalta sekä kairanrei'istä. Nämä vyöhykkeet erottuvat selkeästi magneettisessa ja osin myös EM-aineistossa. Ne rajaavat Olkiluodon keskeistä tektonista yksikköä pohjoisessa ja etelässä. Magneettisen aineiston perusteella vyöhykkeet yhtyvät Olkiluodon ulkopuolella muodostaen tektonisen linssin. Myös melko voimakkaat WNW-ESE -suuntaiset piirteet Olkiluodon saaren eteläpuolella kuvaavat todennäköisesti duktiileja piirteitä, ja niiden on tulkittu liittyvän alueen D2-vaiheen deformaatioon. Voimakkaat lineamenttitrendit NNW-SSE, NW-SE sekä N-S on arvioitu etupäässä hauraisiin piirteisiin liittyviksi, koska ne usein leikkaavat tai siirrostavat suhteellisen terävästi magneettisia anomalioita. Korrelointi geologisen tiedon kanssa osoittaa, että erityisesti N-S –suuntaiset vyöhykkeet ovat luonteeltaan hauraita. Kuitenkin on myös viitteitä siitä, että N-S –suuntaiset hauraat piirteet liittyvät alueen nuorimpaan tunnettuun duktiiliin deformaatiovaiheeseen D4. Yleisemminkin voidaan todeta, että duktiilit rakenteet voivat kontrolloida myöhempää haurasta deformaatiota. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Pelkän geofysikaalisen tulkinnan lisäksi tulkintatulos yhdistettiin aiempaan lineamenttitulkintaan, joka pohjautuu geofysikaaliseen, topografiseen sekä meren syvyysaineistoon. Yhdistetyssä tulkinnassa (Kuva 2) on yhteensä 200 lineamenttia, ja se toimii yhtenä lähtökohtana laadittaessa Olkiluodon alueen geologista mallia. Kuva 1. Olkiluodon alueen uusi vuosien 2008 ja 2009 lentomittaus, magneettinen totaalikenttä. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Kuva 2. Lopullinen yhdistetty lineamenttitulkinta luokiteltuna epävarmuuden perusteella. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Louhinnan laadunvalvonta maatutkalla Pekka Kantia Geofcon Johdanto Posiva Oy ja SKB (Ruotsi) valmistautuvat käytetyn ydinpolttoaineen geologiseen loppusijoitukseen. Posiva on hakenut rakentamislupaa ONKALO:n loppusijoituslaitokselle loppuvuodesta 2012. SKB suunnittelee loppusijoitusta Forsmarkiin ja tätä koskien rakentamislupahakemus on jätetty 2011. Referenssiksi on valittu KBS-3 loppusijoitusmenetelmä. Menetelmässä käytetty polttoaine kapseloidaan ja sijoitetaan tunneliin porattaviin sijoitusreikiin. Sijoitusreiät ja tunneli täytetään bentoniittisavella ja sijoitustunnelit suljetaan tulppaamalla. Loppusijoitustunnelit louhitaan poraus-räjäytys menetelmällä. Louhinta vaurioittaa tunnelin pintoja. Tätä vaihtelevaa vauriokerrosta kutsutaan louhintavaurioksi (engl. Excavation Damaged Zone EDZ). Louhintavauriolla on arvioitu olevan vaikutus loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuteen. Tästä syystä käynnistettiin louhintavaurion karakterisointitutkimus. Maatutkamenetelmää esitettiin louhintavaurion arviointiin. Menetelmää on testattu useissa tutkimuksissa ONKALO:ssa ja Äspö HRL:ssa. Tutkimusten yhteydessä on määritetty louhintavaurion perusluonnetta. Menetelmä Louhintavaurion tutkimukseen ja louhinnan laadunvalvontaan kehitetyssä maatutkamenetelmässä (engl. GPR EDZ method) korkeataajuusmittaus suoritetaan puhdistetulla kivipinnalla. Mittauslinjoja toteutetaan tarpeen mukaan sekä lattialla että seinillä. Maksimi tutkimussyvyys on noin yksi metri. Aineiston prosessoinnin jälkeen suoritetaan louhintavauriovasteen laskenta. Laskentaoperaatio perustuu korkeataajuisen tutkasignaalin dispersioon. Liikkuvassa ikkunassa laskettu dispersioluku esittää kallion vaurioitumisastetta verrattuna ympäristöönsä. Vaurioaste voidaan esittää profiilikuvina ja mikäli aineisto on mitattu tiheästi myös vauriokarttoina ja 3D visualisointina. Menetelmässä oleellista on raja-arvon asettaminen dispersioluvulle. Raja-arvon määrityksessä on käytetty sekä tilastollisia että muiden tutkimusmenetelmien tuottamaa aineistoa. Laskentaa ja tulosten esittämistä varten on kehitteillä uusi ohjelmisto. Menetelmän tutkimus ja kehitystyö jatkuu edelleen. Laadunvalvontamenetelmä on osoittautunut olevan nopea ja tehokas paikantamaan alueita, joissa louhintavaurio poikkeaa keskimääräisestä. Yksittäisen tutkimuslinjan mittaaminen kestää vain minuutteja ja arvio louhinnan laadusta on saatavilla lähes reaaliajassa. Tämä mahdollistaa menetelmän käytön myös louhinnan laatua ohjaavana työkaluna. Toistaiseksi ei ole esitetty muita ainetta rikkomattomia menetelmiä, joilla louhinnan laatua voidaan tarkkailla. Menetelmää ei ole toistaiseksi testattu muissa kuin kiteisen kiven tapauksessa. Johtavien mineraalien on todettu vaikeuttavan menetelmän käyttöä. Menetelmän luonteesta johtuen se ei kykene muodostamaan luotettavaa kuvaa kallion pinnan (0-5cm) vaurioitumisesta. Edellä mainitut rajoitteet asettavat haasteita, mutta toistaiseksi niiden ei ole merkittävästi todettu häiritsevän laadunvalvontaprosessia. Yhteenveto Tutkimustyön aikana louhintavaurio ONKALOssa on todettu epäjatkuvaksi ja kivilajiriippuvaiseksi. Louhintavaurioon vaikuttaa merkittävästi louhinnassa käytetty räjäytyskaavio ja panostus. GPR EDZ menetelmän on osoitettu tehokkaaksi louhinnan laadunvalvontatyökaluksi. Tutkimus menetelmän parissa jatkuu edelleen. Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki Toistettavien DC/IP mittausten toteutuksien ja inversiotulkinnan kehittämisestä Juhani Korkealaakso Vastus- ja indusoidun polarisaation (DC/IP-) mittauksia käytetään paljon erilaisissa hydrogeologisissa ja ympäristögeotekniikan tutkimuksissa. Mittauksia toteutetaan niin maanpinnalta, rei’istä, reikien väliltä kuin reikien ja maanpinnan väliltä. Maa- ja kallioperän sähköisissä ominaisuuksissa tapahtuvat ajalliset vaihtelut liittyvät lähinnä vesipitoisuuksissa, lämpötiloissa, huokoisuuksissa ja maavesien sähkönjohtavuuksissa tapahtuviin muutoksiin. Myös vesi/mineraali -rajapintojen varausjakaumaan (saostumis- ja liukenemisreaktiot, ioninvaihtoprosessit jne.) liittyvät muutokset voivat olla merkittäviä. Toistomittauksissa monitoroinnit toteutetaan tekemällä samoja mittauksia eri ajanhetkillä ja jäljittämällä mittauskertojen välillä tapahtuneita muutoksia sähköisissä ominaisuuksissa. Toistomittauksissa hyödynnetään usein kiinteitä elektrodiasennuksia. Tulkinnalla pyritään selvittämään sähköisten ominaisuuksien ajalliset ja spatiaaliset muutokset suhteessa edeltävän mittauksen tai taustamittauksen ominaisuuksiin. Maa- ja kallioperän sähköisiin ominaisuuksiin vaikuttavat hydrologiset ja geokemialliset prosessit ovat useimmiten luonteeltaan 3-ulotteisia ja niiden etenemistä ohjaavat rakenteet ovat hyvin heterogeenisia. Sähköiset monitoroinnit vaativat onnistuakseen useimmiten hyvin kattavia maa- ja reikäelektrodikenttiä kaapeleineen sekä tiheitä linja- ja toistomittauksia. 3-ulotteisen tulkinnan monikäsitteisyydestä johtuen tulkintaprosessiin on syytä liittää kaikki saatavilla oleva hydrogeologinen ja geokemiallinen piste- ja reikätieto samoin kuin muiden geofysiikan menetelmien tuottama epäsuora informaatio. Mallinnuskehityksessämme yritämme tehostaa DC/IP -monitorointien tuottaman tilavuusinformaation soveltuvuutta hydrogeokemiallisten prosessien ja prosessien käyttäytymisen kannalta keskeisten hydrogeologisten rakenteiden ominaisuuksien tutkimiseen. Tätä varten olemme yhdistäneet DC/IP- vasteiden teoreettisen laskennan osaksi reaktiivista TOUGHREACT- kulkeutumismallinnusohjelmistoa. Mitatut DC/IP- vasteet käsitellään muun mittaustiedon kanssa osana kulkeutumismallin parametrien kalibrointiprosessia. TOUGHREACT on Lawrence Berkeley Laboratorion johdolla kehitettävä numeerinen, yleiskäyttöinen simulaattorikokonaisuus (http://esd.lbl.gov/research/projects/tough/software/). Sillä voidaan simuloida kolmessa ulottuvuudessa monifaasista ja -komponenttista aineen ja lämmön kulkeutumista sekä kulkeutumiseen liittyviä biokemiallisia reaktioita huokoisessa ja/tai rakoilleessa väliaineessa. Vesi/mineraalivuorovaikutukset voivat tapahtua tasapaino- tai kineettisinä reaktioina. Saostumis-liukenemisreaktiot voivat muuttaa huokoisuuksia ja vedenjohtavuutta. Myös kaasufaasi voi olla kemiallisesti aktiivinen. Ohjelmaa käytetään laajasti geotermiseen energiaan, CO 2:n varastointiin, ydinjätteiden loppusijoitukseen ja ympäristöongelmiin liittyvissä tutkimuksissa. Mittausvasteiden analysoinnissa keskeisimpänä elementtinä on inversiomallinnuksen iTOUGH2moduuli (esim. http://esd.lbl.gov/iTOUGH2). Mikä tahansa TOUGHREACT parametri voidaan arvioida minkä tahansa mitatun vasteen ja sitä vastaavan simulaattorin laskeman teoreettisen vasteen perusteella. iTOUGH2 ratkaisee käänteisen ongelman kalibroimalla automaattisesti simuloidun ennustevasteen mitattuihin havaintoihin. Mallivasteen ja mittausvasteen välisen eron minimointi toteutetaan iteratiivisella prosessilla, jossa parametriarvoja muuttamalla parannetaan koko ajan vasteiden yhteensopivuutta. Parhaan parametrijoukon löydyttyä iTOUGH2 toteuttaa mittavan virheanalyysin, joka sisältää residuaalien tilastollisen informaation, epävarmuuksien arvioinnin sekä arvion eri mallivaihtoehtojen soveltuvuuksista. Lisäksi moduuli laskee ennustusvirheen epävarmuusanalyysillä. Arvioitavina parametreina voivat olla mitkä tahansa kytkettyjä prosesseja kuvaavien yhtä- Sovelletun Geofysiikan XIX Neuvottelupäivät, 24.-25.9.2013, Eurajoki löiden kertoimet kuten hydrogeologiset ja termofysikaaliset parametrit, alku- ja reunaehdot, konseptuaalisen mallin parametrisoituvat tekijät jne. TOUGHREACT/DC/IP- kytkennässämme jokaisen iTOUGH -moduulin päivitysaskeleen jälkeen päivitetään 3D ominaisvastus- ja IP -parametrijakauma senhetkisillä hydrogeokemiallisten parametrien arvoilla. Geofysikaaliset mittausvasteet simuloidaan tämän jälkeen päivitettyjä parametreja vastaaviksi ja vasteita verrataan kenttämittauksiin. Hydrogeokemialliset ja sähköiset attribuutit voidaan linkittää toisiinsa joko tunnettujen petrofysikaalisten mallien ja/tai laboratoriomääritysten avulla. Kytketyssä mallinnuksessa yksittäisen DC/IP -mittauksen ajanhetki saadaan sidottua luonnollisella tavalla mallinnetun prosessin vastaavan ajanhetken tilaan. Kytkettyä mallinnusta ja inversiota on sovellettu mm. maaperään injektoidun höyryn vaikutusten seuraamiseksi tehdyille monitoroinneille. Sähköiset DC/IP monitoroinnit on toteutettu toistamalla linjamittauksia maanpinnalla ja tekemällä reikien ja maanpinnan välisiä tomografiamittauksia (ABEM Terrameter LS). Vedenjohtavuusjakauman kalibroinnin ohella on voitu arvioida hydro– termo-kemiallisten osaprosessien merkittävyyttä havaittuihin sähköisten ominaisuuksien muutoksiin ajan funktiona. Monitorointitoteutusten kehittämiseksi olemme testanneet langattomien sensorialustojen mahdollisuuksia toteuttaa DC/IP- mittauksia hajautettuna sensoriverkkomonitorointina. Hajautetun mittaussysteemin tuloksia on verrattu perinteisen tietokoneohjatun kytkinreletoteutuksen vastaaviin. Prototyypissä kukin sensorialusta pystyy toteuttamaan sekä potentiaalieromittaukset että syöttämään virtaa maahan siihen yhdistettyjen 2-8 elektrodin avulla. Sensorialustat voivat sijaita periaatteessa missä tahansa tutkittavan tilavuuden pinnalla ja radiokantaman sisäpuolella ilman vaikeasti ylläpidettäviä, pitkiä johtoyhteyksiä. Tarvitaan ainoastaan yhteydet kunkin alustan omiin elektrodeihin. Järjestelmä pystyy käyttämään myös ulkoisia virtalähteitä. Kaikkien sensorialustojen mittaukset ovat synkronoitu keskenään. Monikanavaisuus ja samanaikaisuus mahdollistavat kohinan tehokkaan prosessoinnin. Tarvittaessa virtaa pystytään syöttämään monista dipoleista samanaikaisesti. Usean lähteen käytöllä pyritään parantamaan mittausten signaali-kohinasuhdetta ja samalla kohdentamaan monitorointien herkkyyttä haluttuihin tilavuuksiin.
© Copyright 2024