sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 3.3.1Mätning av tyngdkraftens förändring Tyngdkraften kan mätas med mycket hög noggrannhet. Med upprepade mätningar på samma platser kan man studera hur tyngdkraften långsamt förändras . De geodetiska undersökningarna i , och samarbetar med mätningar som följer 63:e breddgraden. (1996). Tyngdkraftens förändring orsakas av höjningen av land- ytan och av den omfördelning av massor som sker i litosfären. Detta massflöde styrs av de processer som är verk- samma och en mätning av både landhöjningen och tyngdkraftens förändring är ett exempel på hur man med flera av varandra oberoende metoder får bättre kunskaper om geodynamiska för- hållanden. Med det globala positionbestämningssystemet GPS går det att erhålla noggranna lägesbestämningar i tre dimensioner. Systemet används därför i nät med som registrerar kon- tinuerligt. Om detta görs över går det att härleda hur platsen där stationen befinner sig har förflyttats (relativt en referenspunkt) på grund av olika geodynamiska processer. När hela litosfärplattans rörelse borträknas från en sådan datamängd kan de differentiella rörelser som orsakas av mera lokala för- skjutningar studeras. I opererar ett sådant GPS-nät med 25 stationer . Mätdata sammanställs på rymd- observatorium. Samarbete med angränsande norska och finska nät sker också. Stationerna är lokaliserade med hänsyn till den lantmäteritekniska användningen. En komplettering kan vara lämplig i vissa områden (t.ex. i Vänernsänkan och i Kvarken) för att också tillgodose dessa datas geologiska användningsområden. GPS-nät kan också byggas upp för lokala undersökningar för att bevaka rörelser hos misstänkta förkastningszoner eller för att studera hur enskilda tektoniska block rör sig i tre dimensioner i Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder t.ex. (figur 3.4). Mätpunkterna måste då placeras på berghällar med ledning av en tektonisk analys av området. De måste vidare utformas så att antennerna kan placeras på punkten på ett unikt sätt (i höjd- och sidled) och så att en stor del av horisonten är synlig. Registreringar görs över . Sådana lokala nät finns i (mellan punkterna), (över ett antal skjuvzoner med avstånd mellan punkterna) och i (med 3 punkter i ett antal väldefinierade tektoniska block). De mäts av personal från KTH med mellanrum. Ännu föreligger bara preliminära sammanställningar av resultaten. De stora data- mängderna gör att analysen kräver speciella program och blir kostsam. Det är angeläget att näten underhålls och mäts över så långa tidsperioder som möjligt för att säkerställa tydliga resultat. I figur 3.5 visas hur ett lokalt GPS nät kan utformas. I figur 3.6 visas det nationella GPS-nätet SWEPOS och landytans föränd- ring över . Det detaljerade GPS nätet i för bestämning av blockrörelser. Stationerna har förkortade platsnamn. Förkastningszonerna är markerade med en grov linje. Pilarna anger hastigheten i förskjutningen i mm som har inträffat (från et al. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Blockrörelser utmed en skjuvzon resulterar i bildningen av skjuvlinser. Vid kompression (när det övre blocket förskjuts åt vänster) höjs den fria markytan och vid tension (när det övre blocket förskjuts åt höger) sänks den. Den diagonala sprickan är en normalförkastning vid tension och en revers förkastning vid kom- pression. Skissen visar också hur ett lokalt GPS-nät kan placeras över en skjuvzon och en skjuvlins. Med tre stationer (små fyr- kanter) i varje tektonisk enhet kan enhetens rotation och förskjut- ning i tre dimensioner beräknas. Med en station i varje enhet kan endast dess horisontella rörelse relativt en yttre punkt (t.ex. den med kors markerade) bestämmas. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Landytans förändring härledd från i och . Kartan visar landhöjningen med färgade ytor. De olika horisontella rörelserikt- ning och hastighet anges med pilar. (Ellipserna anger osäkerhets- intervallet). Med längre observationstid fås en allt noggrannare bestämning av rörelsemönstret (Scherneck et al. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Jordskalv uppkommer när jordskorpan bryts sönder på grund av att spänningar, som byggts upp , plötsligt utlöses. Sådana spänningar ackumuleras på grund av differentiell rörelse mellan jordskorpeblock utmed skjuvzoner. Jordskalven registreras i nationella nät med seismografstationer. I har det funnits ett glest nät med seismografstationer . Dessa har mest använts för att registrera och analysera stora jordskalv som inträffat på avlägsna platser. Sam- tidigt har också de avsevärt mindre jordskalven i registrerats. Den långa observationsperioden gör att det finns en omfattande katalog på svenska jordskalv att analysera. Vidare finns äldre observationer sammanställda ur historiska källor. Av detta material framgår att jordskalven i fördelar sig i två avgränsade områden: Vänernområdet, och utmed Bottenhavs- och (speciellt kring ). Under några tids- perioder har seismografnät upprättats i mindre regioner och opererar ett nät i Norrlands kustområde. Från dessa olika registreringar har viktiga upplysningar erhållits om skalvens läge i jordskorpan och för de större skalven, även rörelseytans och stressfältets orientering samt förskjutningens storlek och riktning. Seismiska observationsnät kan, liksom GPS-nät, ut- formas i ännu mera lokal skala för att bevaka rörelser i berg- grunden. Ett nytt seismiskt nät har etablerats med tyngdpunkt utmed , SNSN (2003), figur 3.7. har över 1 000 skalv hunnit registreras i detta nät. Omkring den seismiskt aktiva Vänernsänkan fanns tidigare ett seismiskt observationsnät. Det är angeläget att det seismiska observationsnätet görs heltäckande och att samarbetet mellan angränsande länder utvecklas vidare. Tillsammans med GPS-nät är seismiska nät det enda redskapet för att mäta effekterna av de pågående geodynamiska processerna. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Svenska Nationella Seismiska Nätet (SNSN). Fyr- kanterna markerar geofonstationer. (SNSN, , ). För att lösa ett geologiskt undersökningsproblem behövs kun- skaper om förhållanden på djupet utan att behöva schakta eller borra sig ner till intresseområdet. Detta kan man få genom användning av geofysiska metoder som indirekt kan ge sådana kunskaper. Syftet med geofysiska undersökningsmetoder är sålunda att utföra systematiska mätningar av förhållanden som SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder inte kan observeras direkt, att presentera resultaten på ett infor- mativt sätt, och att med ledning av mätresultaten ta fram modeller av de geologiska förhållandena. Geofysiska mätningar har mycket hög noggrannhet. Mätresultaten har dock inte alltid en unik geologisk orsak vilket leder till osäkerhet vid tolkning och modellering. För att en beräknad modell skall kunna spegla verkligheten krävs oftast att flera oberoende mätdata kan förenas i samma modell. Av detta följer att flera geofysiska metoder bör kombineras vid en undersökning för att begränsa tolkningsalter- nativen. Dessutom bör geomaterialens fysikaliska egenskaper mätas och användas som randvillkor vid modellering. Borrhål och borrhålsundersökningar bör planeras så att de kan användas för kalibrering och kontroll av uppställda modeller. I rapporten (2001) har användningen av geofysiska metoder för plats- undersökningar markerats i de olika flödesdiagrammen. Under momentet analys ingår både en kvalitativ och en kvantitativ bestämning av olika strukturer. En kvantitativ bestämning bör innehålla mått på en strukturs utbredning i plan och vertikalt. 3.4.2Bearbetning och presentation av geofysiska data har det skett en stark utveckling inom geofysik, främst med avseende på databehandling och pre- sentation. Mätdata från de olika metoderna behandlas med olika former av modelleringsteknik. Ofta används invers modellering, vilket innebär att man teoretiskt varierar markens uppbyggnad och egenskaper tills en samstämmighet erhålls mot uppmätta data. En mängd datorprogram har utvecklats för dessa ändamål. Inom markradartekniken nyttjas avancerad signalprocessering. Även om data från flera olika metoder ofta sammanläggs, saknas en utvecklad teknik för verklig samprocessering. I vissa fall har metoder med neurala nätverk testats för detta ändamål. Geografisk informationsteknik () har utvecklats snabbt och är nu ett standardhjälpmedel för analys av komplexa geo- vetenskapliga data. Flera geografiska informationssystem (GIS) Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder finns på marknaden och de kan numera köras på PC-datorer, likaså 3D-presentationsprogram såsom CAD-program. Det stora genombrottet beror på utvecklingen av datorkapacitet, avancerad visualiseringsteknik och en mångfald hjälpmedel för kombination av data, beräkningar, och analyser, liksom metoder för beslutsstöd. Stora datamängder kan lagras på CD/DVD skivor. Den ökade 3D-kapaciteten gör att data från t.ex. borr- hålsundersökningar kan åskådliggöras i tre dimensioner. Av stort intresse är att presentera upprepade eller kontinuerliga geo- fysiska mätningar och beakta tidsfaktorn. Sådan 4D-bearbetning och presentation kan användas i övervakningsprogram under bygg- och driftskedet, för studier av grundvattenförhållanden och värmeflöden, men också under förundersökningsskedet, t.ex. för studier av grundvattenförändringar i heterogena miljöer vid hydrauliska tester eller för analys av spårämnesförsök. För modellberäkningen krävs kunskaper om de geologiska materialens (, jordarter och bergarter) fysikaliska egenskaper, dvs. Betydelsen av kunskaper i petrofysik framgår av följande förenklade formel för sambandet mellan mätning (anomali A), orsak (volym och orientering V, O), avstånd (d) samt kontrasten i den petrofysiska egen- skapen (K): A = (1 / d) K f(V, O) Mätningen A bestäms genom traditionell geofysik och beskriv- ningen av volym och orientering genom traditionell geologi. I sambandet ingår också en avståndsberoende faktor (1/d) som visar ett annat typiskt förhållande i geofysik, nämligen anomalins eller signalens avtagande med ökat avstånd. Av sambandet fram- går att om avståndet är stort och volymen liten så blir anomalin snabbt så liten att den inte går att mäta längre. I sambandet ingår vidare kontrasten K i den petrofysiska egenskapen som en faktor av stor betydelse. Funktionen f av volym och orientering är inte analytisk och måste därför approximeras med matematiska metoder. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Samband mellan geofysisk metod och karakteristisk egenskap i kristallin berggrund: Tyngdkraft densitet varierar från 2,5 till 3,3 Mgm-3, Magnetfält magnetisk susceptibilitet varierar från 10-6 till 10 SI, Seismik – ljudvågshastighet varierar från 5 till 8 kms-1, Radar dielektrisk egenskap varierar från 1 till 80, Gamma strålning radioaktivt sönderfall av uran, kalium eller torium, VES, VLF, slingram, MT, VLF-R elektrisk resistivitet varierar från 10 till 105 m, IP laddningsförmåga varierar från . 3.4.3Mätningar av berg- och jordmaterialens fysikaliska egenskaper De fysikaliska egenskaperna hos geologiska material behöver vara kända för att det ska vara möjligt att tolka geofysiska mätningar. Mätningarna kan göras på plats direkt på jordarten eller bergarten, men i många fall baseras de på prover som tas från det geologiska materialet. En sådan provtagning måste baseras på statistiska principer, som innebär att antalet prover står i relation till variansen i egenskapen. Det räcker inte med ett enda representativt prov. Provtagning av berggrunden görs bäst på bergskärningar eller borrkärnor för att undvika vittrings- effekter som påverkar egenskaperna i ytnära lägen. Vilka egen- skaper som är av intresse att studera beror den geofysiska metod som skall användas. Metodvalet i sin tur beror den geologiska frågeställningen. Här följer en kort beskrivning av några viktiga s.k. petrofysiska parametrar, i vilka enheter de uttrycks och hur de kan bestämmas. Densiteten hos geologiska material beror på mineralsamman- sättning och porositet. Densiteten hos ett sammansatt geo- logiskt material är summan av de ingående komponenternas den- sitet i proportion till den mängd som de förekommer med. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Densiteten bestäms genom vägning och volymsbestämning på prover av materialet eller indirekt t.ex. med loggning i borrhål. Beräkning av geologiska modeller som baseras på tyngdkrafts- mätningar kräver kunskap om de ingående materialens densitet. Magnetiseringen hos geologiska material är summan av induce- rad magnetisering och materialets egenmagnetisering. Vidare beror den på förekomsten av starkt magnetiska . I svensk kristallin berggrund är detta vanligen magnetit och i vissa områden magnetkis. Den inducerade magnetiseringen beror på geomaterialens magnetiserbarhet och det lokala geomagnetiska fältets intensitet. Magnetiserbarheten kan mätas direkt i fält på de geologiska materialen medan bestämningen av egenmagnetise- ringen kräver provtagning i fält och mätningar i laboratoriet. Beräkning av geologiska modeller som baseras på magnetiska mätningar kräver kunskap om de ingående materialens samman- lagda magnetisering. Magnetiserbarhet är en dimensionslös egen- skap och kan anges som µSI. Den elektriska ledningsförmågan (eller dess invers – den elektriska resistiviteten) hos geomaterial beror på förekomsten av elektriskt ledande (grafit, magnetit och sulfider) och porositeten (och det vatten som fyller porerna). Ledningsför- mågan kan mätas på plats med elektromagnetiska eller elektriska metoder, på borrkärnor eller i borrhål med olika slags logg- ningar. Tolkningen av geofysiska modeller som baseras på elektriska eller elektromagnetiska mätningar kräver kunskap om de ingående materialens elektriska ledningsförmåga. Resistivi- teten anges i m. Geologiska material kan laddas elektriskt och denna förmåga att polariseras beror bl.a. på förekomsten av de elektriskt ledande mineralen grafit, magnetit och sulfider. Den inducerade polarise- ringen kan mätas i fält, på borrkärnor eller i borrhål med loggning. Det är en viktig metod för att avgöra om elektriskt ledande förekommer i närområdet för mätningen och används därför vid malmletning. Polariseringen är dimensionslös och anges i %. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Kapacitansen per meter hos olika material kallas dielektrisk (numera även permittivitet). Den har betydelse för analysen av elektromagnetiska mätningar i radarfrekvensom- råden och styrs i hög grad av vatteninnehållet i olika geomaterial. Den dielektriska konstanten anges ofta som relativ förhållandena i vakuum och blir då dimensionslös. Utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor eller pulser varierar med olika geomaterial. Kunskap om denna hastig- het behövs för analysen av radarmätningar. Den beror fram- förallt på förekomsten av vatten i geomaterialen. Utbredningshastigheten för ljudvågor varierar med olika geomaterial. Den kan mätas direkt på materialet i fält eller på borrkärnor. Det finns en positiv korrelation mellan seismisk våghastighet och densitet. Skillnaden i våghastighet mellan berg- arterna i jordskorpan och övre manteln är så stor att den används som kriterium för jordskorpans gräns mot manteln. Kunskap om seismisk våghastighet behövs för analys av seismiska registre- ringar. Enheten är ms-1. De termiska egenskaperna omfattar värmeproduktion, värme- kapacitet samt värmeledning. I jordskorpan sker en avsevärd värmeproduktion på grund av sönderfallet av naturliga radio- aktiva isotoper. Denna värmeproduktion varierar från 2 till 20 µWm-3. Olika geomaterial har också olika värmeledningsförmåga. Detta plus värmeproduktionen i jordskorpan och värmeflödet från jordens mantel bestämmer hur temperaturen ökar mot djupet i den översta jordskorpan. Värmeflödet från jordens man- tel är ca 60 mWm-2 och temperaturgradienten i kristallin berg- grund är 15 20 Kkm-1. Områden med sedimentbergarter har något högre temperaturgradient (sedimenten fungerar som värmeisolering) och områden med kvartsrik berggrund något lägre på grund av skillnader i värmeledning. Kunskap om geomaterialens värmeledning är viktig för prognoser om sprid- ningen av den temperaturpuls som uppkommer vid lagring av utbränt men fortfarande aktivt kärnbränsle. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Värmelagringsförmågan anger hur mycket värmeenergi som kan inlagras i ett material för en viss höjning av temperaturen. Vatten har en hög värmelagringsförmåga som därför är mycket större i vattenmättade jordar än i kristallint berg. Kunskapen är viktig för modellering av värmeförhållandena runt kärnbränslet och för modellering av temperaturutbytet med biosfären. Värmelagringsförmågan anges som WK-1m-3. Markens radioaktiva strålning beror på dess innehåll av radio- aktiva där komponenterna uran, torium och kalium ingår. Halten av radioaktiva varierar med bergarternas bildning och ålder. Mätningarna kan göras från flygplan, på marken, i borrhål eller direkt på prover. Strålningen anges ofta som beräknad mängd (i ppm för uran och thorium och i % för kalium) av de olika isotoperna i markytan. Geofysiska undersökningar för platsval börjar med en analys av det tänkta områdets lokalisering i förhållande till regionala geologiska strukturer. I detta stadium krävs litteraturstudier och kartinformation som täcker en stor del av landet. Områdets lokalisering i förhållande till områden där geodynamiska pro- cesser (se appendix om geodynamiska processer) kan förväntas påverka jordskorpan är en lika viktig och tidig del i ett platsval. För att få kunskaper om dessa förhållanden bör geodetiska och seismiska observationsnät inrättas i och omkring området. Efter- som det tar att få fram förändringsdata bör näten inrättas i ett tidigt skede. I nästa steg undersöks områdets lokala förhållanden, med hjälp av geologisk och geofysisk kartering baserad på de data- baser (t.ex. flyggeofysiska mätningar) som redan finns, samt genom kompletterande undersökningar på marken och från luften. I detta skede måste en tillräckligt stor omgivning tas i beaktande och de petrofysiska egenskaperna hos berg och jordmaterial klarläggas. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder måste vara minst 3 gånger så stort som intresseområdets utsträckning i olika riktningar. Det betyder att en area som är ca 10 gånger större än ett så kallat kandidatområde bör undersökas med relevanta mätningar för att förstå områdets strukturella sammanhang med omgivningen Viktiga strukturer lokaliseras och följs upp med mera detalje- rade markgeofysiska mätningar i ett punktnät eller i form av profiler. Metoderna för studiet av berggrunden väljs bland de som har stor djupavkänning och som täcker det tänkta under- sökningsdjupet med god marginal. Metoderna för att studera jordtäcket och läget för berggrundens överyta under jordtäcket väljs bland de som har mindre djupavkänning, se tabell 3.1. Baserat på dessa underlag utförs slutligen undersökningsborr- ningar, för mätningar och provtagningar i borrhålen. Åtminstone ett borrhål behöver nå ned i området med salt grundvatten för att möjliggöra en kalibrering av de elektromagnetiska metoderna som används för att kartlägga området där övergången till salt grundvatten sker. När strukturer som är viktiga för områdets stabilitet har kartlagts, följer beräkningar över hur rörelsezoner och mellanliggande bergrundsenheter påverkas av fortsatt geo- dynamik och vid förändringar i bergspänningen. Till dessa beräk- ningar behövs kunskapen som samlats in från geodetiska och seismiska observationsnät och den rådande bergspänningen. Karakteriseringen av jordarter och berggrundsytans form är viktiga ingångsparametrar för studiet av grundvattenflöden och grundvattenbildning. Metoderna som kommer till användning vid platsval spänner således över ett stort spektrum och det är en fördel om flera metoder används så att tolkningsalternativen kan begränsas. Valet av metoder bestäms också av de petrofysiska egenskaperna, som finns i berg- och jordmaterialet i ett under- sökningsområde, och av olika typer av naturliga eller konstgjorda begränsningar (t.ex. kraftledningar). Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder De olika geofysiska mätmetoderna kan delas in på flera sätt. Mätsystemen och mätningens design är dock likartade inom metoder där man mäter från luften, direkt på marken, respektive under marken i borrhål. För varje mätmetod relateras mätpunkt- avståndet med objektstorleken. Mätpunktsavståndet bör således vara mindre än halva objektstorleken. Motsvarande insamlings- principer gäller också vid val av mätdata ur en större databas. Metoder med ett stort skalområde passar för både översiktliga regionala och mycket detaljerade undersökningar. Metoder med en liten djupavkänning passar för undersökningar av jordtäcket och berggrundsytan. För att kunna fastställa att en kontrast föreligger behöver dessutom objektets omgivning ingå i mätningen i tillräcklig om- fattning. Omgivningen som ingår i en mätning bör vara lika stor som intresseområdet. Mätpunktsavståndet och den area som skall mätas har ett direkt samband med kostnaderna för en mätning. I tabell 3.1 nedan ges en översikt över geofysiska metoder och deras användningsområden, djupavkänning och skalområde. Samtliga metoder har en användning i samband med platsval för förvaring av kärnavfall. Vilka metoder som är bäst att kombinera beror delvis på de geologiska förutsättningarna och framförallt berggrundens petrofysiska egenskaper. Därför bör man alltid utgå från de existerande regionala och lokala databaser som föreligger i ett undersökningsområde för att bestämma metoder och utformningen av nya undersökningar. Om kunskaper om de petrofysiska egenskaperna saknas bör de mätas i ett tidigt in- ledande skede av en undersökning. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Olika geofysiska metoder och deras användnings- områden (skalområde inom parentes) Tyngdkraft (a) bergartssammansättning, stora blockrörelser Magnetfält (a) stora sprick- och rörelsezoner i magnetisk berg- grund, blockrörelser, bergartskarakterisering förekomst av elektriskt ledande Radar (GPR) djup till berggrunden och grundvattennivån förekomst av elektriskt ledande MT (a) vertikal fördelning av den elektriska resistivite- ten till stora djup, nivån för salt grundvatten förekomst av vattenförande sprickzoner och bestämning av jord- och berggrundsresistivitet (0,) VES (a) bestämning av grundvattenyta, djup till berg- grunden, jordartsskiktning, nivån för salt (50 m ) Refraktion (a) djup till berggrunden och grundvattennivån, förekomst av branta krosszoner Reflektion (a) djup till berggrunden och grundvattennivån, skiktning i jordlager och flacka krosszoner Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder SOU 2004:67 (skalområde inom parentes) Magnetfält (a) orientering av stora sprickzoner i 3-dimen- sioner, blockrörelser, bergartskarakterisering VLF (*) mätningar (0,1 10 m) förekomsten av elektriskt ledande orienteringen av sprickzoner i 3-dimensioner orienteringen av sprickzoner i 3-dimensioner orientering av horisontala stressfält lokalisering och orientering av förskjutningar i berggrunden på djupet, orientering av stressfält Geodetiska (GPS) förskjutning och rotation av berggrundsblock i 3 dimensioner i översta jordskorpan, landhöj- nederbördsmängder, avrinning, grundvatten- (a) Metoder med stor djupavkänning, > 500 m. (*) Flyg-VLF metoden är riktningsselektiv beroende på vilken sändare som används vid mät- ningen. 3.4.6Begränsningar på grund av terräng och konstgjorda föremål