Kapasitiivinen vastusluotausmenetelmä - testi Haltin alueen …tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/q16_2_2007_47.pdf · 2007-10-30 · Ohmmapper-datassa on näennäisiä syvyyksiä 6 kappaletta

ESY Q 16.2/2007/47 11.10.2007 Espoo

Kapasitiivinen vastusluotausmenetelmä - testi Haltin alueen ikiroutakohteilla

Heikki Vanhala ja Annina Mattsson

kapasitiivisen vastusluotauksen testi

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro

Raportin laji

Arkistoraportti Tekijät

Heikki Vanhala# ja Annina Mattsson* #GTK *Destia

Toimeksiantaja

GTK

Raportin nimi

Kapasitiivinen vastusluotausmenetelmä - testi Haltin alueen ikiroutakohteilla

Tiivistelmä

Raportti käsittelee kapasitiivisen vastusluotausmenetelmän ja laitteiston (OhmMapper, Geometrics) ominaisuuksia ja soveltuvuutta erityisesti ikiroutatutkimuksiin. Menetelmää ja OhmMapper –laitteistoa testattiin normaaleissa olosuhteissa Etelä-Suomessa ja ikiroutakohteilla Pohjois-Suomessa. Referenssimateriaalina käytettiin galvaanisia vastusluotaustuloksia samoilta linjoilta. OhmMapper-laitteisto on korkealla taajuudella, noin 16.5 kHz, toimiva ominaisvastuslaitteisto, jonka toiminta perustuu kapasitiiviseen kytkentään lähetin-dipolin ja vastaanotin-dipolin (lähetin- ja vastaanotin-antenni) maan välillä. Laite on kehitetty käytettäväksi kohteilla, joilla pintakerroksen ominaisvastus on hyvin korkea, kuten esi-merkiksi päällystetyt piha- ja tiealueet ja routakohteet. Laitteistolla voidaan tehdä sekä vastuskartoitusta että 2D- tai 3D-luotausta. OhmMapper-leitteisto antoi vastusluotauksen kanssa samansuuntaisia tuloksia: Ominaisvastus oli pienempi, mutta johtavuusrakenteessa on yhteisiä piirteitä. Ero mitatussa näennäisessä ominaisvastuksessa näytti kasvavan maan ominaisvastuksen kasvaessa.

Asiasanat (kohde, menetelmät jne.)

Geofysiikka, sähkönjohtavuus, vastusluotaus, ikirouta, arktiset alueet

Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä)

Suomi, Lappi, Enontekiö, Halti, Ridnitsohkka

Karttalehdet

1842 05 Muut tiedot

Arkistosarjan nimi

Arkistoraporttisarja Arkistotunnus

Q 16.2/2007/47 Kokonaissivumäärä

Kieli

Suomi Hinta

Julkisuus

Julkinen

Yksikkö ja vastuualue

Etelä-Suomen yksikkö, Merigeologia ja Geofysiikka Hanketunnus

2804003 Allekirjoitus/nimen selvennys

Allekirjoitus/nimen selvennys

Heikki Vanhala

kapasitiivisen vastusluotauksen testi

SISÄLLYSLUETTELO

SISÄLLYSLUETTELO 3

1 JOHDANTO 2 1.1 Teoria ja laitteiston esittely 2

2 TESTIMITTAUSTEN TULOKSET 6 2.1 Yleistä 6 2.2 Kohde 1 – Soramonttu Etelä-Suomessa 6 2.3 Kohde 2 – Ikirouta Ridnitsohhkan laki-alueella 10 2.4 Kohde 3 – Mahdollinen ikirouta Ridnitsohkka-tunturin itärinteellä 12

3 TULOSTEN ARVIOINTIA JA JOHTOPÄÄTÖKSET 15

KIITOKSET 19

4 KIRJALLISUUS 20

kapasitiivisen vastusluotauksen testi 1

Lyhennelmä OhmMapper-laitteisto on amerikalaisen Geometrics Inc’n valmistama korkealla taajuudella (val-mistajan mukaan noin 16.5 kHz) toimiva ominaisvastuslaitteisto. Laitteiston toiminta perustuu kapasitiiviseen kytkentään lähetin-dipolin ja vastaanotin-dipolin (lähetin- ja vastaanotin antenni) ja maan välillä. Laitetta on markkinoitu käytettäväksi kohteilla, joilla pintakerroksen ominaisvas-tus on hyvin korkea ja galvaanisten maadoitusten tekeminen vaikeaa, kuten esimerkiksi päällys-tetyt piha- ja tiealueet, sekä ikirouta- ja routakohteilla. Laitteistolla voidaan tehdä sekä vastuskar-toitusta että 2D- tai 3D-luotausta. Kapasitiivista vastusluotausmenetelmää ja samalla OhmMapper –laitteistoa testattiin Etelä-Suomessa soramontussa normaaleissa mittaus- ja johtavuusolosuhteissa sekä ikiroutakohteilla Pohjois-Suomessa. Referenssimateriaalina käytettiin vastusluotaustuloksia samoilta linjoilta. Soramontulla (Latostenmaa, Hyvinkää) tehdyistä mittauksista vastasi Annina Mattsson Des-tia’sta. Haltin alueen mittaukset liittyivät GTK:n geofysiikan menetelmäkehityshankkeeseen ja Haltin alueen ikiroudan tutkimiseen. Laitteisto saatiin testimittauksiin Petri Valastilta VTT:ltä. OhmMapper antaa vastusluotauksen kanssa samansuuntaisia tuloksia: Ominaisvastukset olivat sulan maan olosuhteissa samaa suuruusluokka, samoin johtavuusrakenteissa oli yhteisiä piirteitä. Resitiivisillä ikiroutakohteilla erot kapasitiivisen systeemin ja galvaanisen systeemin tulosten välillä olivat suuria – kapasitiivinen näennäinen ominaisvastus oli jopa 10-kertaa pienempi kuin vastusluotauksella mitattu ominaisvastus. OhmMapper-tulokset tulkittiin 2D-inversio-ohjelmalla RES2DINV, eli samalla jota käytetään yleisesti galvaanisten vastusluotausten (perinteinen, eli ”normaali” vastusluotaus) tulkintaan. Tärkeä testin antama tulos oli se että OhmMapper-laite mittaa ominaisvastuksen (näennäisen ominaisvastuksen) liian matalaksi (galvaaniseen tulokseen verrattuna) ja että virhe näyttää kas-vavan maan ominaisvastuksen kasvaessa. Syytä laitteen virheelliseen käyttäytymiseen ei saatu tässä tutkimuksessa ratkaistua, mutta erilaisia mahdollisuuksia voidaan esittää. Yksi kirjallisuu-dessakin esitetty syy liittyy siihen, koska ominaisvastus on taajuudesta riippuva suure (siten että se pienenee mittaustaajuuden kasvaessa). Ominaisvastuksen pieneneminen johtuu erilaisista maan polarisaatioilmiöistä, kuten IP-efektistä ja korkeammilla taajuuksilla dielektrisestä polari-saatiosta. Galvaanisen ja kapasitiivisen eron suuruus viittaa kuitenkin siihen että se ei selity ko-konaan ominaisvastuksen taajuusriippuvuudella. Toinen mahdollinen virheen aiheuttaja voi liit-tyä laitteen periaatteeseen, kalibrointi-kertoimiin ja siirtofunktioon, jolla mitattu signaali muute-taan näennäiseksi ominaisvastukseksi. Kolmas mahdollinen virhe on vaikeasti hallittava esivah-vistimissa ja systeemissä tapahtuva kapasitiivinen kytkentä. Tämä ongelma tulee vastaan mm IP-mittauksissa korkeilla taajuuksilla ja korkean ominaisvastuksen tapauksissa.


1 JOHDANTO

1.1 Teoria ja laitteiston esittely Perinteisessä galvaanisessa vastusluotauksessa (DC-vastusluotaus) virta syötetään maahan kah-della metallielektrodilla. Sähkövirran maahan synnyttämä potentiaaliero mitataan niin ikään kahdella maadoitetulla elektrodilla. Kun tunnetaan lähetinvirta, jännite ja kahden lähetinelektro-din ja kahden vastaanotinelektrodin sijainti, voidaan laskea ohmin lain

U=RI, R=U/I mukaisesti maan näennäinen ominaisvastus (ρ), joka on

ρ = K*(U/I),

jossa K on elektrodien sijainnista määräytyvä geometrinen kerroin. Kapasitiivisessa vastusluotaussysteemissä DC-vastusluotauksen pistemäisiä virta- ja potentiaa-limaadoituksia vastaa kaapeli-antenni (kuva1). Kapasitiivinen vastusluotaussysteemi toimii korkealla taajuudella ja kytkentä mittalaitteen antu-rien (antennien) ja maan välillä on kapasitiivinen, ei galvaaninen. Tässä tutkimuksessa testattiin Geonics’n OhmMapper –laitteistoa, joka toimi noin 16.5 kHz:n taajuudella (valmistajan ilmoi-tuksen mukaan nimenomaan noin 16.5 kHz). Muuten kapasitiivisen systeemin periaate on sama kuin DC-vastusluotauksen – virta syötetään maahan kahdella antennilla ja virran maahan synnyt-tämä potentiaaliero mitataan kahdella antennilla (kuva 2). Galvaanisessa systeemissä geometrinen vakio riippuu vain elektrodien koordinaateista. Myös kapasitiiviselle systeemille, jossa lähettimenä ja vastaanottimena toimii koaksaalikaapeli-antenni, voidaan määrittää kaapelien pituudesta, välimatkasta ja ominaisuuksista riippuva geometrisen vakio (Kuras et al., 2006). Galvaanisessa systeemissä lähettimen virta ja potentiaaliero vastaan-otinelektrodien välillä ovat helposti mitattavia suureita. Kapasitiivisessa systeemissä sekä maa-han indusoituva virta että maassa kulkevan virran synnyttämän sähkökentän kytkeytyminen vas-taanotinantenniin, riippuu antennien omasta kapasitanssista ja kapasitiivisesta kytkennästä maan ja antennien välillä. Mittasysteemi tuottaa lopputulokseksi näennäisen ominaisvastuksen, joka on mitattu dipoli-dipoli-konfiguraatiolla tietyllä ”elektrodi”välillä (a-arvo) ja tietyllä dipoli-välillä (n-arvolla). Sitä miten maahan indusoituva virta ja virran maahan synnyttämä sähkökenttä an-tenneilla (koaksaalikaapelit) lopulta mitataan, ei laitteen ohjekirjassa ole yksityiskohtaisesti seli-tetty.


Kuva 1. Ohmmapper-laitteisto mittauskohteella Ridnitsohhkan huipulla. Ohmmapper –laitteistossa lähetinantenni on koaksaali-kaapeli. Kaapelin kuori toimii konden-saattorin levynä ja virta siirtyy maahan kuoren ja maan välisen kapasitiivisen kytkeytymisen kautta (kuva 3). Vastaavasti, maassa kulkeva virta kytkeytyy vastaanotinanteeniin (joka on lähe-tinkaapelin kanssa identtinen koaksaali-kaapeli) kapasitiviisesti. Koska lähetinsignaali on korkeataajuista vaihtovirtaa (noin 16.5 kHz), laitteen käytössä on peri-aatteessa huomioitava skin-efekti. Valmistajan ohjekirjan mukaan vastaanottimen ja lähettimen välimatka ei saa ylittää yhtä skin-syvyyttä (skin-syvyys = 500*√(ρ/ f), jossa ρ on ominaisvastus ja f taajuus. Skin-efekti vaikuttaa syvyysulottuvuuteen voimakkaasti, kun maan ominaisvastus on matala. Esimerkiksi ominaisvastuksella 10 Ωm skin-syvyys on 12 m. Koska systeemin syvyysulottuvuus on 1/4-1/5 lähettimen ja vastaanottimen välisestä etäisyydestä (kuten galvaanisella vastusluota-uksella), saadaan maksimisyvyysulottuvuudeksi tässä tapauksessa noin 2-3 metriä. Yhden Oh-mimetrin (1 Ωm) tilanteessa syvyysulottuvuus jää alle yhden metrin (taulukko 1). Sen sijaan re-sistiivisessä ympäristössä laitteen syvyysulottuvuutta ei rajoita skin-efekti, vaan lähettimen pieni teho.


Taulukko 1. Kapasitiivisen vastusluotaussysteemin skin-syvyys. Lähetin- ja vastaanotinantennien väli-nen etäisyys saa olla korkeintaan skin-syvyys. Syvyysulottuvuus on 1/4-1/5 antennien välimatkasta (tässä taulukossa laskettu 1/5 mukaan). f=16.5 kHz.

maan ominaisvastus, ρ

Skin-syvyys (500*√(ρ/f)

Syvyys- ulottuvuus

(Ohmm) (m) (m)

10000 390 78

5000 275 55

1000 123 24.6

100 39 7.8

10 12 2.4

5 8.7 1.74

1 3.9 0.78 Resistiivisessä ympäristössä skin-efektillä ei ole käytännön vaikutusta syvyysulottuvuuteen vaan lähettimen ja vastaanottimen välinen maksimietäisyys määräytyy lähettimen tehosta, joka on suurimmillaan 2W, ja antennien pituudesta. Valmistajan ilmoittamat maksimi lähetin-vastaanotin –välimatkat ovat resistiivisessä ympäristössä huomattavasti pienempiä kuin taulukossa 1. Val-mistajan mukaan 10 metrin lähetinantennilla 10 000 Ωm ympäristössä maksimi välimatka on noin 80 metriä ja maksimi syvyysulottuvuus siis 20 metriä. Vastaavasti 5000 Ohmm ympäris-töön laitevalmistaja ilmoittaa 10 metrin antenneille maksimivälimatkaksi 50 metriä ja maksimi syvyysulottuvuudeksi 14 metriä. OhmMapper’ssa lähetinvirta saa vakioarvon, joka riippuu maan johtavuudesta ja impedanssista lähettimen ja maan välillä. Mahdollisia arvoja ovat 0.125, 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8 ja 16 mA. Lähetti-men maksimijännite on 1000VRMS. Maksimi lähetysteho on 2W. Sitä, miten tieto vastaanottimel-le lähetinvirrasta siirtyy, ei ohjekirjoissa ole selitetty. On huomattava että DC-vastusluotaussysteemeissä maksimi teho on tyypillisesti luokkaa 200W ja mittaus pyritään aina tekemään suuremmalla lähetinvirralla kuin OhmMapperin maksimivirta 16 mA.


Kuva 2. Sjaiskytkentäkaavio joka kuvaa

(a) sähköistä luotausta yleisesti, (b) DC-vastusluotausta ja (c) kapasitiivista vastusluotausta.

(a) Zearth on maan impedanssi, ja Zc1, Zc2, Zp1 ja Zp2 elektrodien kontakti-impedansseja. DC-vastusluotauksen tapauksessa (b) kontakti-impedanssit ovat pääasiassa ohmisia vastuksia ja kapasitiivisen luotauksen (c) tapauksessa kapasitiivisia (Kuras et al., 2006).

Kuva 3. kapasitiivisen vastusluotaussysteemin lähetinantennia kuvaava kaavio. C1… Cn kuvaa ka-pasitanssia maan ja kaapelin välillä (Kuras et al., 2006) Koska lähetinsignaali on korkeataajuista vaihto-virtaa (16.5 kHz), laitteen käytössä on huomioitava skin-efekti. Valmistajan manuaalin mukaan vastaan-ottimen ja lähettimen välimatka ei saa ylittää yhtä skin-syvyyttä (skin depth = 500*√(ρ/ f), ρ on ominais-vastus ja f taajuus.


Mittaaminen OhmMapperilla Mittaaminen Ohmmapper-laitteella tapahtuu niin että lähetin- ja vastaanotin-yksiköt yhdistetään väliköydellä ja tätä kaapelilevitystä vedetään mittauslinjaa pitkin tasaisella nopeudella. Laite mit-taa automaattisesti. Mittaajan tehtäväksi jää antaa vyöllä kannettavalle ohjausyksikölle merkki (linjakoordinaatti) esimerkiksi viiden metrin välein. Paikantamiseen voidaan käyttää myös GPS:ää. Laitetta voidaan valmistajan mukaan vetää myös kelkalla. Mittaus useammalla lähetin-vastaanotin –välillä (luotaus) tapahtuu niin että väliköyttä (kuva 1) pidennetään ja linja mitataan uudestaan. Vastaavasti, voidaan käyttää eri pituisia antenneja. DC-vastusluotauksessa esimerkiksi AGI:n monielektrodilaitteistolla 56 elektrodilla eri vastaan-otin-lähetin välimatkoja on wenner-konfiguraatiolla 18 kpl (a=5, 10, 15, …a=90m). Jotta vastaa-va data saataisiin kerättyä kapasitiivisella laitteistolla (Ohmmapperilla), pitäisi linja siis periaat-teessa mitata vähintään vastaavalla määrällä lähetin-vastaanotinvälejä, eli kävellä linja läpi 18 kertaa. Tässä raportissa testattu laite on 1-kanavainen, eli vastaanotin-dipoleja on yksi. Laite voi olla myös monikanavainen, eli vastaanotindipoleita olisi useita. Perinteisestä vastusluotauksesta käytetään tässä raportissa nimityksiä DC-vastusluotaus ja gal-vaaninen vastusluotaus ja kapasitiivisella laitteistolla tehdystä vastusluotauksesta nimityksiä ka-pasitiivinen vastusluotaus ja Ohmmapper-vastusluotaus.

2 TESTIMITTAUSTEN TULOKSET

2.1 Yleistä Ohmmapper-systeemin toimivuutta arvioidaan vertaamalla Ohmmapperilla saatuja maastomit-taustuloksia galvaanisella vastusluotaus systeemillä mitattuihin tuloksiin. Käytännössä voidaan verrata näennäisiä ominaisvastuksia ja 2D-inversiotuloksia (koska 2D-inversio-ohjelmalla RES2DINV voidaan tulkita myös Ohmmapper-dataa). Testimittauksia tehtiin kolmella erilaisella kohteella; soramontussa Etelä-Suomessa (Latosten-maanmäki, Hyvinkää), ikirouta-kohteella Ridnitsohkka-tunturin huipulla Käsivarren Lapissa ja saman tunturin itärinteellä.

2.2 Kohde 1 – Soramonttu Etelä-Suomessa Mittauslinja sijaitsi Hyvinkäällä Latostenmaan soramontun pohjalla (kuva 4). Kohteella mitattiin 200 metriä pitkä vastusluotauslinja elektrodivälillä 5m Wenner-konfiguraatiolla. Samalla linjalla mitattiin Ohmmapper-laitteella dipoli-dipoli-konfiguraatiolla arvoilla a=5m, n=1-4 ja a=10m, n=1-2 (kuva 4), eli antennien (dipolien keskipisteiden) suurin välimatka oli 30 metriä ja teoreet-


tinen maksimisyvyysulottuvuus 5-8 metriä. Mittaus loppui kesken teknisen ongelman takia, ei menetelmän syvyysulottuvuuden loppumisen takia.

Kuva 4. Kapasitiivinen mittaus Latostenmaan sorakuopalla (Hyvinkää kl. 2044 05). Konfiguraatio: dd, a5 n2 = Dipoli-dipoli, a=5m, n=2 (a tarkoittaa lähetindipolin pituuttaa, joka kuvassa on 5 metriä, n=1,2,3, … ja dipolien välinen etäisyys (narun pituus) on n*a metriä.

Kuva 5. Tulkitut vastusluotaustulos ja Ohmmapper –sektiot. Mittaus on tehty soramontun pohjalla Etelä-Suomessa. Vastusluotaus:Wenner, a=5m, 42 maadoitusta, Ohmmapper: dip-dip, a=5m, n=1-4 & a=10m, n=1-2. Latostenmaanmäki, Hyvinkää.


Vastusluotauksen syvyysulottuvuus on noin 30 metriä ja Ohmmapperin noin 7-8 metriä. Ohm-mapperin tulkittu ominaisvastusjakauma muistuttaa DC-mittauksen tulosta. Kuvassa 5 mm. nu-merolla 2 merkitty johtavampi kerros esiintyy kummassakin sektiossa. Samoin ominaisvastukset kohdissa 1, 3 ja 4 ovat samansuuntaisia. Selviä erojakin tuloksissa on. Mittaustulos, eli näennäinen ominaisvastus, on Ohmmapperilla systemaattisesti 25-40 % matalampi kuin DC –systeemillä mitattu (kuvat 6 ja 7). Etenkin linjan loppupäässä kapasitiivinen ominaisvastus on merkittävästi matalampi kuin DC-ominaisvastus. On huomattava, että tulkitut tulokset eivät ole täysin vertailukelpoisia, koska Ohmmapperilla mi-tattu data (dip-dip, a=5m, n=1-4 & a=10m, n=1-2) on hieman ”tarkempaa” kuin vastaava galvaa-ninen data (wenner, a=5 ja 10m). Ohmmapper-datassa on näennäisiä syvyyksiä 6 kappaletta elektrodilevityksen maksimipituudella 40 metriä. Vastaavasti, DC-mittauksessa joka tehtiin wenner-konfiguraatiolla, tilannetta a=5m vastaa levitys = 15m, tilannetta a=10m levitys = 30m ja tilannetta a=15m levitys = 45 metriä. Näennäisiä syvyyksiä on siis vain kolme kappaletta. Tulosten mukaan Ohmimapper mittaa ominaisvastuksen liian (25-40%) matalaksi (kuva 6 ja 7) ja tulkinnassa (2d inversio) kerrokset ovat ohuempia (lähempänä pintaa) kuin vastaavat gal-vaaniseen mittaukseen perustuvat kerrokset.


Kuva 6. Näennäinen galvaaninen ominaisvastus (Wenner) ja Ohmmapperilla mitattu kapasitiivinen omi-naisvastus (dipoli-dipoli). Ohmimapper mittaa systemaattisesti matalampia arvoja kuin galvaaninen sys-teemi. Latostenmaanmäki, Hyvinkää.

Kuva 7. Kapasitiivinen näennäinen ominaisvastus dipoli-dipoli-konfiguraatiolla a=5m, n=4 ja a=10m, n=2. Edellisessä antenni-levityksen pituus on 30m, jälkimmäisessä 40m. Anomaliakäyrät ovat samankal-taiset, mutta poikkeavat yksityiskohdissa. Galvaaninen näennäinen ominaisvastus on mitattu wennerillä ja levityksen pituudet ovat 30m (wen, a=10m) ja 45m (wen, a=15m) - Galvaaninen ja kapasitiivinen omi-naisvastus poikkeavat toisistaan merkittävästi. Latostenmaanmäki, Hyvinkää.


2.3 Kohde 2 – Ikirouta Ridnitsohhkan laki-alueella Ridnitsohkkan huipulla tehtiin mittauksia linjalla L3/L7 (kuvat 7a ja 7b), jota on kuvattu mm. raporteissa Vanhala et al., 2005, Vanhala 2007. Ohmimapper-testeissä mittauslinja on siis sama kuin kesällä 2004 ja 2005 mitattu vastusluotauslinja. Koska Ohmimapper-testi tehtiin talvella, voidaan olettaa, että kesällä havaittu noin metrin paksu aktiivikerros puuttuu ja pinnassa nähdään yhtenäinen resistiivinen kerros jonka paksuus on vähintään 5 metriä. Mittausajankohtana lumi-peitteen paksuus oli ½ metrin luokkaa. Jos oletetaan että huipun ikirouta ei ole sulanut kesän 2006 aikana, vastusluotauksessa näkyvä hyvin resistiivinen noin 5 metriä paksu pintakerros pi-täisi nyt näkyä resistiivisempänä ja paksumpana kuin kesämittauksissa. Mittaukset tehtiin arvoilla a=5m, n=1-3 ja a=10m, n=1-3 (ks. kuva 1)

Kuva 8a. OhmMapperä-mittaukset Ridnitsohkka-tunturilla

Kuva 8b. Mittaukset Ridnitsohkkan huipulla.


Kuvassa 9 verrataan kesällä 2004 ja 2005 mitattua ominaisvastus-sektiota (DC resistivity) ja OhmMapper-sektiota. Kuvat ovat samankaltaisia ja ominaisvastukset samaa suuruusluokkaa, mutta resistiivisen pintakerroksen paksuus OhmMapper-sektiossa on merkittävästi ohuempi kuin DC-sektiossa – edellisessä noin 2 metriä, jälkimmäisessä noin 5 metriä. Näennäisissä ominaisvastuksissa ero on vieläkin merkittävämpi, jopa 10-kertainen. Anomaliaku-vio on samankaltainen, mutta DC-ominaisvastukset ovat 2-10-kertaa pienempiä kuin kapasitiivi-sella laitteistolla mitatut (kuva 10).

Kuva 9. Ohmmapper- ja DC-vastusluotaustulos (2d inversio) Ridnitsohkkan huipulta. Ohmmapperin tu-los muistuttaa DC-vastusluotaustulosta, mutta resistiivinen kerros on noin 3 kertaa ohuempi.

Kuva 10. OhmMapperilla (a…) ja DC-vastusluotauksella (w…/yhtenäinen viiva) mitatut näennäiset ominaisvastukset Ridnitsohkkan huipulla. Ylimmän pintakerroksen ominaisvastus on DC-luotauksessa 2-4 kertaa korkeampi kuin OhmMapperilla. Syvemmissä kerroksissa ero on jopa 10-kertainen.


2.4 Kohde 3 – Mahdollinen ikirouta Ridnitsohkka-tunturin itärinteellä Ridnitsohkkan itärinne poikkeaa tunturin laesta siinä että rinteellä ei ole tehty suoraa ikiroutaha-vaintoa. Rinteellä kesällä mitatut moreenin ominaisvastukset ovat kuitenkin osin samaa suuruus-luokkaa (noin 100 kΩm) kuin huipulla, mikä viittaa vahvasti ikiroutaan myös täällä (ks. kuva 13 ja Vanhala, 2007). Tunturin huipulla lumipeite oli talven 2007 mittauksissa ohut, mutta itärin-teellä osin hyvinkin paksu. Vastusluotaus on tehty wenner-konfiguraatiolla elektrodivälillä 2 metriä (wen, a=2m). Kapasitiivinen luotaus tehtiin dipoli-dipoli-konfiguraatiolla arvoilla: a5n1, a5n2, a5n3, a10n1, a10n2, a10n3, a10n4, a10n5, a10n6, a10n7, a10n8, jossa a5 ja a10 tarkoitta-vat lähetinkaapelin ja vastaanotinkaapelin pituuksia 5 metriä ja 10 metriä ja n1-n5 väliköyden pituutta, joka on a*n. Itärinteellä tehty kapasitiivinen mittaus vastaa vastusluotausta huomattavasti paremmin kuin tun-turin huipulla tehty mittaus. Mittaustulos (kuva 12), eli näennäinen ominaisvastus, on osittain sama kuin vastusluotauksessa, osittain matalampi. Tulkittu vastusluotaus- ja kapasitiivinen luo-taus (kuva 13) ovat piirteiltään samankaltaisia. Talvella tehdyssä kapasitiivisessa luotauksessa erottuu selkeästi hyvin resistiivinen lumikerros. Kapasitiivisessa tuloksessa on vähemmän yksi-tyiskohtia kuin vastaavassa dc-vastusluotaustuloksessa, mutta tämä johtuu eroista elektrikonfigu-raatioissa. Linjan alkupäässä, jossa lumipeite oli ohut (havaintojen mukaan), kapasitiivinen tulos vastaa kohtuullisen hyvin DC-tulosta. Linjan loppupäässä näyttää siltä että lumipeite dominoi, eikä tie-toa kalliosta juurikaan saada. Kuvassa 15 on esitetty OhmMapperilla mitattu näennäinen ominaisvastus ja samalla pisteellä galvaanisella laitteistolla mitattu ominaisvastus. Pintaosia kuvaavassa pistejoukossa W4_a5n1, jossa galvaanisen ja kapasitiivisen elektrodilevityksen ulommaisten elektrodien (antennikaape-leiden päätepisteiden) välimatka on 15 metrin luokkaa, Kapasitiiviset ominaisvastukset ovat kor-keampia kuin galvaaniset. Tämä johtuu paksusta lumipeitteestä. Syvempiä osia kuvaavissa piste-joukoissa kapasitiiviset arvot ovat systemaattisesti galvaanisia pienempiä.


Kuva 11. Mittaukset vuotomailla, ks. myös kuva 8a.

Kuva 12. Ohmmapperilla (a5 n1, …) ja DC-vastusluotauksella (w4, …) mitatut näennäiset ominaisvas-tukset Vuotomaa-alueella. Ylimmän pintakerroksen ominaisvastus DC-luotauksessa ja ohmimapperilla on samaa suuruusluokkaa, muuten ohmmapperilla mitatut arvot ovat pienempiä kuin DC-arvot. Ohmmappe-rilla käyrät a5n3 ja a10n1 poikkeavat paljon, vaikka levitykset saman pituisia. Tulos viittaa virheelliseen mittaustulokseen. Kuvassa w4 w26 tarkoittavat vastusluotaustuloksia wenner-konfiguraatiolla ja a-arvoilla 4m, 8m, 16m ja 24metriä. Vastaavat kapasitiiviset tulokset ovat vieressä.


Kuva 13. Kapasitiivinen ja DC-ominaisvastussektio, Ridnitsohkkan itärinne, ns. Vuotomaa-alue. Ohm-Mapper-tuloksessa näkyy samat piirteet kuin DC-sektiossa. On huomattava että DC-tulos on mitattu 2 metrin elektrodivälillä. Kapasitiivisessa luotauksessa vastaava arvo on 5 metriä, eli vähempi määrä yksi-tyiskohtia johtuu osittain tästä.

Kuva 14. DC- ja kapasitiiviset näennäiset ominaisvastukset Ridnitsohkkan huipulta ja vuotomaa-alueelta tunturin itärinteellä. Vasemmassa kuvassa ikirouta ulottuu pinnasta noin 5-7 metrin syvyyteen (ρ=100000 Ωm), oikeassa kuvassa ikiroutaa on mahdollisesti linjan alkupäässä (vasen), mutta ei loppupäässä. Oike-anpuoleisen kuvan linjan loppupäässä, jossa ei ikiroutaa ja ominaisvastus matala, vastusluotaus- ja kapa-sitiivinen tulos ovat lähellä toisiaan. Kapasitiivisen mittauksen ylintä pintakerrosta kerrosta kuvaava tulos (a5, n1) edustaa lähinnä lunta ja korkea näennäinen ominaisvastus johtuu siitä. (vastusluotaus: Wenner, a= 2m, mitattu kesällä, kapasitiivinen luotaus, dipoli-dipoli, a=5m ja 10m, n=1-8)


Kuva 15. OhmMapperilla ja galvaanisella vastusluotauksella mitatun ominaisvastuksen vertailu itärinteen vuotomaahyllyn linjalla. Pintaosassa (w4_a5n1, eli ulommaisten elektrodien välimatka on 16m galvaani-sella ja 15m OhmMapperilla) OhmMapperin lukemat ovat suurempia kuin vastusluotauksella saadut. Tämä johtunee siitä että edellinen on mitattu talvella paksun lumipeitteen aikana. Isommilla elektrodilevi-tyksillä OhmMapperin lukemat ovat systemaattisesti matalampia kuin vastusluotauslukemat.

3 TULOSTEN ARVIOINTIA JA JOHTOPÄÄTÖKSET Kokemukset kapasitiivisesta vastusluotauslaitteistosta ja menetelmästä olivat ristiriitaisia. Tulok-sissa oli samoja piirteitä kuin galvaanisissa vastusluotaustuloksissa, mutta myös suuria eroja ja selviä virheitä. Kapasitiivinen laitteisto mittasi systemaattisesti matalampia näennäisiä ominais-vastuksia kuin galvaaninen systeemi. Sulan maan kohteella ero oli 25-40%, mutta resistiivisim-mällä ikiroutakohteilla jopa 10-kertainen. Ero näytti kasvavan resistiivisyyden kasvaessa. Vas-taavaan eroon galvaanisen ja OhmMapper käyttäytymisen välillä on törmätty muuallakin iki-routatutkimuksissa (Hauck and Kneisel, 2006). Edellä mainitut tutkijat selittävät OhmMapperin käyttäytymisen johtuvan sähkönjohtavuuden taajuusriippuvuudesta. Tutkijat viittasivat dielektri-seen polarisaatioon, jonka takia johtavuus kasvaa taajuuden ja ominaisvastuksen kasvaessa. Sähkönjohtavuus on taajuudesta riippuva suure. Dielektrinen polarisaatio vaikuttaa niin, että säh-könjohtavuus paranee taajuuden kasvaessa. Sama vaikutus on IP-efektillä. Lisäksi dielektrisyy-den vaikutus kasvaa väliaineen ominaisvastuksen kasvaessa.


Teoriassa taajuuden vaikutus johtavuuteen voidaan esittää kaavalla (1) σ(ω) = σo + iωereo, (Kaava 1) jossa σo on taajuudesta riippumaton johtavuus, er aineen suhteellinen permittiivisyys (suhteellinen dielektrisyysvakio), eo tyhjiön permittiivisyys (8.85*10-12 F/m), ω kulmataajuus ja i2 =-1 (ks. myös kuva 16 ja 17). Dielektrisen polarisaation vaikutus OhmMapper’n taajuudella 16.5 kHz on käytännössä pieni suurillakin ominaisvastuksilla. Kuvassa 16 on laskettu johtavuus ja vaihe taajuuden funktiona kaavalla (1) tilanteelle jossa ominaisvastus on 100 kΩm ja er = 80 ja er = 10. Yhdistelmällä ρo (ρo =1/ σo ) = 100 kΩm ja er = 80 galvaaninen ominaisvastus on siis 100 kΩm ja ”kapasitiivinen” 16.5 kHz taajuudella mitattu ominaisvastus taajuusriippuvuudesta johtuen noin 15 kΩm. Yhdis-telmällä ρo = 100 kΩm ja er = 10 taajuudella 16.5 kHz mitattaessa ominaisvastus tippuu noin 75 kΩm’iin. Veden suhteellinen permittiivisyys on er=80. Koska jään suhteellinen permittiivisyys on er=3-4 (Davis and Annan, 1989) ja ikiroudalle annetaan tyypillisesti arvoja er=4-6 (Moorman ja muut, 2003, ei yhdistelmällä 100 kΩm & er=80 ole mielekästä geologista vastinetta. Arvo er=10 on noin kaksi kertaa korkeampi kuin ikiroudan tyypillinen arvo, mutta antaa suuruusluokka-arvion ominaisvastuksen taajuusriippuvuudelle. Resistiivisessä 100 kΩm ikiroudassa kapasitiivisella systeemillä mitattu ominaisvastus on dielektrisestä polarisaatiosta johtuen10-20 % pienempi kuin galvaanisella systeemillä mitattu ominaisvastus. On huomattava että dielektrisen polarisaation lisäksi ominaisvastuksen taajuusriippuvuuteen kuuluu muitakin polarisaatio-ilmiöitä, kuten IP-efekti. Kuva 18 esimerkissä pieni IP-efekti aihe-uttaa noin 10 prosentin ominaisvastuksen pienenemisen kaistalla 1-10 000 Hz. Havaintojen mu-kaan vaihesiirto usein kasvaa taajuuden kasvaessa jolloin ominaisvastuksen pieneneminen ob voimakkaampaa kuin kuvassa 18.


Kuva 16. Sähkönjohtavuuden taajuusriippuvuuden σ(ω) = σo + iωereo vaikutus ominaisvastukseen ja vai-heeseen parametriarvoilla ρo (ρo =1/ σo ) = 100 kΩm ja er = 80 ja 10.

Kuva 17. Sähkönjohtavuuden taajuusriippuvuuden σ(ω) = σo + iωereo vaikutus ominaisvastukseen ja vai-heeseen parametriarvoilla ρo (ρo =1/ σo ) = 1 kΩm ja er = 80 ja 10.


Kuva 18. IP-efektin vaikutus ominaisvastukseen yleisen Cole-Cole-mallin arvoilla m=0.2, c=0.5, a=0.1, tau=5s. Malliparametrit on valittu niin että vaihesiirto on sedimenteille tyypillinen noin 10 mrad. Galvaanisella systeemillä ja OhmMapperilla mitataan siis tavallaan eri asioita, toisella ominais-vastusta tasavirralla (taajuudella 0.1-1Hz) ja toisella ominaisvastusta taajuudella 16.5 kHz. Pola-risaatioilmiöt vaikuttavat siten että galvaanisen ja OhmMapper-systeemin tulokset pakostakin eroavat. Mittauksissa havaittu ero on kuitenkin niin suuri että, että syytä siihen on etsittävä muu-altakin – laitteen periaatteesta, instrumentoinnista, kalibroinnista, tmv. Vastaavankaltaisia ni-menomaan resistiiviseen maahan liittyviä mittaus- ja kytkentäongelmia on havaittu mm. korkean taajuuden IP-mittauksissa: ”väärin” rakennetussa lähetin-vastaanotinpiirissä tapahtuu korkeilla taajuuksilla ja resistiivisessä ympäristössä kapasitiivinen kytkentä, joka merkittävästi vääristää mittaustulosta. On huomattava että kyse ei ole samasta kapasitiivisesta kytkennästä, johon lait-teen toiminta perustuu, vaan laitevirheestä.


Tässä testissä lähettimen ja vastaanottimen etäisyys oli suurimmillaan 80 metriä. Tämän 80 met-riä pitkän letkan vetäminen onnistui, koska maassa oli hanki. Metsässä vastaavan letkan vetämi-nen olisi erittäin suuritöistä. Monikanavaisena laite olisi painavampi ja vielä hankalampi käyttää. Koska pitkää letkaa ei pysty kunnolla maastossa hallitsemaan, tulisi menetelmän syvyysulottu-vuus käytännössä jäämään pieneksi (10-15 metriä). Loppupäätelmänä voi todeta, että tulokset ja muiden havainnot viittaavat siihen, että laite mittaa kohtuullisen oikein tavallisissa sulan maan olosuhteissa (matala, esimerkiksi muutaman kilo-ohmimetrin ympäristö), mutta virheellisesti hyvin resistiivisissä olosuhteissa, niin että virhe kas-vaa resistiivisyyden kasvaessa. Mahdollisesti ongelmana oli lumipeite, jonka sähkönjohtavuus lienee käytännössä olematon. Periaatteessa olosuhteet, joissa menetelmän käyttö olisi perustel-tua, liittyisivät routaan ja ikiroutaan ja esimerkiksi kovapintaisiin kuiviin piha-alueisiin (kuten valmistaja laitetta mainostaa), eli tilanteisiin joissa elektrodien maadoittaminen ei ole mahdollis-ta ja olosuhteisiin joissa ominaisvastus on liian korkea sähkömagneettisille menetelmille. Ha-vainnot kuitenkin viittaavat siihen, että laite toimii huonosti nimenomaan hyvin korkeiden omi-naisvastusten kohteilla. Jos näin on, käyttöalueeksi jäisi detaljitutkimukset lyhyillä antenneilla ja pienillä antenniväleillä. Menetelmää ja laitetta voi pitää lievästi lupaavana, mutta käyttö edellyttäisi laajempaa tutustu-mista menetelmän periaatteeseen ja tekniikkaan ja laajaa testausohjelmaa hallituissa olosuhteissa ja mahdollisesti toisen (uudemman) laitteen testaamista. Tämän testin perusteella ei pysty arvi-oimaan mistä virheelliset mittaustulokset johtuvat.

KIITOKSET kiitokset geofyysikko Petri Valastille VTT:ltä, joka järjesti mahdollisuuden tutustua laitteeseen ja testata sitä ikiroutaolosuhteissa.


4 KIRJALLISUUS

Davis, J.L. amd Annan, A.P., 1989. Ground-penetrating radar for high-resolution mapping of soil and rock stratigraphy. Geophysical Prospecting 37, 531-551. Hauck, A, and Kneisel, C., 2006. Application of capacitively-coupled and DC electrical resistiv-ity imaging for mountain permafrost studies. Permafrost and Periglacial Processes, 2006, vol.17, no.2, pp.169-177. Kuras, O., beamish, D., Meldrum, P., and Ogilvy, R., 2006. Fundamentals of the capacitive resis-tivity technique. Geophysics ,vol. 71, (3) 135-152. Moorman, B.J., Robinson, S.T., and Burgess, M.M., 2003. Imaging periglacial conditions with ground-penetrating radar. Permafrost and Periglac. Process. 14: 319–329. Vanhala, H., 2007. Vastusluotaus Ridnitsohkkan laella ja vuotomaahyllyillä kesällä 2004 ja 2005. 34 s. Geologian tutkimuskeskus, arkistoraportti, Q16.2/2007/6 Vanhala, H., Suppala, I, Lintinen, P., Hirvas, H. and Ojala, A., 2005. Application of electrical and electromagnetic methods in studying frozen ground and bedrock - results from Ridnitšohkka, Northern Finland. In Ojala, A.E.K. (toim). Quaternary studies in the northern and Arctic regions in Finland, Geological Survey of Finland, Special Paper 40, 13-22.

Documents

Kapasitiivinen vastusluotausmenetelmä - testi Haltin alueen …tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/q16_2_2007_47.pdf · 2007-10-30 · Ohmmapper-datassa on näennäisiä syvyyksiä 6 kappaletta