sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — Alla geofysiska mätningar är beroende av terrängvariationer och ju mera kuperad terrängen är desto större blir effekterna. Detta beaktas dels vid planeringen av mätningen och dessutom vid SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder I vissa metoder kan terrängens effekt minskas genom korrektioner eller inkluderas i modelleringen. Det är alltid lämpligt att studera höjddata parallellt med analysen av mätdata. Detta kan göras särskilt smidigt med utnyttjande av digitala data och geografisk informationsteknik (). Geofysiska mätningar kan göras på isen över vattenområden. Det ökade avståndet till jordtäcket eller berggrunden under vattnet försvagar dock signa- lerna i viss utsträckning. I vissa mätningar är den konstanta höjden och frånvaron av topografi över mätytan en fördel. Geo- fysiska mätningar över vattenområden gör det möjligt att få en mera kontinuerlig bild av berggrundens strukturer. Med metoder som beror på den elektriska ledningsförmågan uppstår en kraftig avskärmningseffekt i vatten (särskilt havsvatten), men också i elektriskt ledande delar av jordtäcket (t.ex. lerlager). Vissa geofysiska metoder är känsliga för konstgjorda (antro- pogena) föremål. Det gäller framförallt de elektromagnetiska mätningarna där sekundärfält från kraftledningar, teleledningar, större stängsel, rörledningar och telesändare överpräglar de naturliga variationerna i området närmast föremålen. För stora kraftledningar kan det röra sig om flera km, likaså är omgiv- ningen kring aktiva telefonisändare kraftigt störd. Genom att använda elektromagnetiska metoder med kontrollerad egen signalbildning undviks dessa störningar vid mätningen eller så kan de filtreras bort vid databearbetningen. I magnetiska mätningar är det istället större järnkonstruk- tioner (t.ex. kraftledningsstolpar och plåttak) som stör mät- ningarna i deras närområde. Vidare ger likströmsledningar upp- hov till lokala störande magnetfält. Vid flygmätningar på låg höjd undviks stora kraftledningar och bebyggda områden genom högre mäthöjd varvid de naturliga signalerna försvagas på grund av det ökade avståndet. Kring antropogena föremål uppkommer därför breda korridorer där användningen av elektromagnetiska mätmetoder försvåras eller blir omöjlig. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Flyggeofysiska mätningar görs från satelliter, flygplan eller helikopter och vid samma mättillfälle kan flera olika typer av mätningar göras . Mätningarna täcker snabbt stora områden och har många länder heltäckande flyggeofysiska databaser. Satellitbaserade mätningar finns tillgängliga interna- tionellt och har global täckning. I ansvarar SGU för utförande, bearbetning och datalagring av flyggeofysiska mät- ningar. Kompromissen mellan kostnader och mätpunktavstånd har varit till förmån för en ganska detaljerad mätning som kan användas för många frågeställningar. Mätningarna görs också på låg höjd, ca 50 m, dvs. på kort avstånd till de geologiska strukturerna i berggrunden. Mätpunktavståndet är 20 m utmed flyglinjen men det är 200 m mellan flyglinjerna. Vid analys av mätdata är det således viktigt att veta var flyglinjerna är belägna, speciellt som modern interpolationsteknik normalt inte klarar att återge sammanhang av strukturer med liten vinkel till flyg- riktningen. Mätdata presenteras på kartor i skalan 1:50 000 som följer kartbladsindelningen i . Det går också att få digitala utdrag ur databasen över ett valfritt geografiskt område. De mätningar som görs från flygplan i omfattar magnetisk totalintensitet, gammastrålning (representerad som ekvivalent halt vid markytan av de naturliga radioaktiva isotoper- na av kalium, uran och torium) och elektromagnetiska sekundärfält från långvågs(VLF)sändare. Dessa mätningar kan användas för många ändamål, bland annat kartläggning av utbredningen av bergarter under jordtäcket och under vatten, kartläggning av större sprickzoner i berggrunden, utredning av radonrisk (i jord- arter, berggrund och grundvatten) samt för prospektering efter mineralförekomster. Radarmätningar som görs från satelliter och flygplan kan räk- nas till kategorin geofysiska mätningar. De är vanligen mycket detaljerade och görs i flera frekvensområden. Den direkta geologiska användningen är för kartläggning av sprickzoner samt bestämning av markfuktighet. I områden med kraftig vegetation SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder och intensivt skogsbruk döljs den geologiska informationen av de spår som brukningsmetoderna lämnar (t.ex. hyggesgränser och hyggesplöjning) men framkommer tydligt i radarmät- ningarna. Mätningarna är oberoende av molntäcket och man kan därmed undvika de effekter som uppkommer från moln och deras skugga på marken vid flygfotografering eller satellit- scanning i det synliga våglängdsområdet. Mätriktning, mätpunktsavstånd, mäthöjd Flygmätningar i öst-väst eller nord-syd riktning, avstånd 200 m mellan mätlinjer och ca 20 m mellan mätpunkter, mäthöjd ca 50 m över marken, Markmätningar valfri orientering, avstånd mellan mätpunkter och mätlinjer 5 20 m, Regionala tyngdkraftsmätningar – oregelbundet punktnät med 0,8 5 km punktavstånd, Profilmätningar orientering vinkelrätt mot strukturriktningen, mätpunktsavstånd 1 20 m. Geofysiska markmätningar har utförts i samband med prospek- tering efter malm och industrimineral och kartläggning av grus- tillgångar men också för specifika undersökningar inom den reguljära jord- och bergartskarteringen vid SGU. Redan tidigt kom markgeofysiska mätningar igång för grundvattenprospek- tering i och utomlands. Under har markmätningar fått en ökad betydelse inom olika delar av samhällsbyggandet och för miljöundersökningar. Geofysiska markmätningar i samband med undermarksbyggan- de, t.ex. ett slutförvar för använt kärnbränsle, syftar till att bygga upp en geologisk tektonisk modell över den studerade jord- och bergvolymen. Syftet är vidare att öka kunskapen om jord- Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder lagrens sammansättning och mäktighet, bergmassans fysikaliska egenskaper, sprickighet, vattenhalt samt gränser mellan olika bergarter. Markmätningarna är oförstörande, men kräver ett stort mått av tolkning. Generellt gäller att upplösningen minskar med ökande djupavkänning. För att studera förhållanden på ett djup av 500 m krävs således stora förändringar i de fysikaliska egenskaperna (eller stora strukturer) för att dessa skall kunna detekteras vid markytan. Ytnära förändringar i sidled får då inte vara större än de vertikala. Mätningarna görs på marken, antingen i oregelbundna punkt- nät över större områden, i ett systematiskt punktnät (grid) inom begränsade områden, eller som profiler. Mätpunktsavståndet bestäms av ändamålet med mätningen och kan variera mellan 1 m (detaljerade profiler) och (regionala rikstäckande mät- ningar). Mätdata presenteras på kartor eller i profiler. För vissa typer av mätningar finns nationella databaser som förvaltas av SGU. Regionala mätningar som täcker hela landet finns för tyngdkraft, med punktavstånd som varierar mellan 0,8 och 5 km. Mätningarna följer vanligen vägnätet. På större sjöar och i kustområden har mätningar gjorts på isen. Seismiska undersökningar görs ibland i regional skala, speciellt i sedimenttäckta områden och för speciella projekt. Det finns ingen fullständig översikt över var sådana mätningar har utförts och hos vilket företag eller institution resultaten finns. De viktigaste geofysiska metoderna för undersökning av berg- grundens strukturella förhållanden i form av sprickor och sprick- zoner, är seismiska-, magnetiska-, elektriska- och elektro- magnetiska mätningar. Vissa av dessa mätmetoder ger dessutom information om bergarter och bergartsgränser. För alla meto- derna gäller att de är känsliga för horisontella och ytnära SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder variationer medan förändringar på djupet är mycket svårare att upptäcka. Det är också lättare att detektera brant stupande strukturer och bergartsgränser än att kartlägga horisontella sprickzoner och gränser. För refraktionsseismiska och elektriska metoder gäller att stor djupavkänning också kräver mycket långa instrumentuppställningar. I figur 3.8 visas en serie mätningar med olika metoder över en större skjuvzon i och hur resultaten från den magnetiska mätningen kan användas för bestämning av zonens stupning (figur 3.9). Seismiska undersökningar används för detektering av strukturer i berggrunden. De ytnära strukturerna, t.ex. förekomsten av sprickigt berg, främst brant stupande sprickzoner, kan tolkas ur refraktionsseismiska undersökningar, där den refrakterade delen av ljudvågen följs genom att registrera tiden tills den når fram till utplacerade geofoner. Den seismiska signalens hastighet minskar påtagligt i krossat berg. Det är svårt att detektera horisontella låghastighetszoner med refraktionsseismik. Däremot kan refrak- tionsseismik med fördel användas till att bestämma bergytans nivå under jordtäcket. Detta har gjorts vid många större bygg- projekt, t.ex. längs Bolmentunneln där mer än refrak- tionsseismiska profiler utvärderades (Stanfors 1987). Vid reflek- tionsseismik registreras istället den del av ljudvågen som reflek- teras vid övergången till ett material med avvikande hastighet. Metoden kräver tyngre utrustning och kraftfullare databearbet- ning. Den lämpar sig därför mer för lokala undersökningar. En stor fördel med reflektionsseismik är att metoden är en av de få som kan användas för att identifiera flacka bergstrukturer på större djup, t.ex. horisontella sprickzoner (1993, Cosma et al. Detta har avgörande betydelse för anlägg- ningen av ett slutförvar eftersom flacka strukturer måste kunna beaktas vid bestämningen av läget för den bergvolym som kan tas i anspråk. Seismiska metoder har även använts under byggan- det av undermarksanläggningar (s.k. Tunnel , TSP) för att prognosticera förhållandena och styra förstärk- ningsbehovet (Sattel et al. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Exempel på geofysisk respons från en större skjuvzon (markerad med gråton) i . De olika metoderna ger ett tydligt utslag där zonen förekommer. Uppifrån visas: magnetisk () låg anomali över zonen på grund av oxidation av magn- etit, VLF horisontalkomponent som ger en typisk asymmetrisk anomali över zonen, Slingram (SLING) som ger en negativ anomali, VLF resistivitet (RES) visar låg resistivitet, fasvinkeln (FASV) varierar mycket litet över zonen och nederst syns en hög konduktivitetsanomali (KOND) (från ). SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Den magnetiska anomalin som ses överst i föregående figur kan användas för att bestämma stupningen av zonen som är mot sydväst (från ). Markradar (GPR) baseras på samma grundläggande reflek- tionsprinciper som reflektionsseismik men utgår från elektro- magnetiska vågors spridning genom marken. En reflex erhålls när radarvågen träffar ett objekt med avvikande elektriska egen- skaper. används oftast pulsradarsystem, där elektromagne- tiska pulser riktas via en sändarantenn ner i marken, varefter en mottagarantenn registrerar erhållna reflexer. Tidsförskjutningen för reflexerna mäts , 10-9s. Metoden har under fått ökad betydelse för kartläggning av ytliga jord- och berglager och har använts för studier av jordlagrings- förhållanden och geologisk utveckling (2001, O´Neal & McGeary 2002, 2004). GPR har också använts för studier av tektoniska zoner, såväl aktiva (Rashed et al. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 2003) som äldre neotektoniska zoner (Dehls et al. 2000, et al. Metoden kan, liksom reflektionsseismik, användas till att identifiera flacka tektoniska strukturer och är därför betydelsefull för studier av det ytliga och generellt mer uppspruckna berget, figur 3.10 och 3.11. I jordtäckta områden kan berggrundsytans nivå kartläggas, liksom flödesgynnande strukturer i kontaktzonen jord-berg, som är av betydelse för grundvattenbildningen, figur 3.12. GPR kan även användas kon- tinuerligt under byggfasen, direkt från undermarksanläggningen, för att prediktera sprickor, bergartsgränser och andra berg- artsstrukturer för att styra förstärkningsbehov och kartlägga förinjekteringens effektivitet (Cardarelli et al. Exempel på tolkning av sprickor i det ytliga berget ur GPR-mätningar (Grasmück 1994). Från tidsskalan kan djupet till de reflekterande strukturerna beräknas om signalens hastighet i olika geo-material är känd. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Exempel på flack sprickzon i Forsmarksområdet. Sådana sprickzoner kan detekteras ytligt med markradar och på större djup med reflektionsseismik (foto 2003). Om den kristallina berggrunden är magnetisk, kan magnetiska mätningar från marken (eller från flygplan) användas för att kartlägga större sprickzoner. Dessa zoner är alltid lågmagnetiska på grund av mineralomvandlingar och kan kartläggas även under jordtäcket och i vattentäckta områden. Genom modellberäk- ningar och med kunskap om den omgivande berggrundens magnetisering, kan också zonernas stupning fastställas. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Exempel på tolkning av berggrundsytans nivå baserad på GPR-mätningar i ett område i östra (et al. Elektriska mätningar baseras på att ett elektriskt fält skapas i marken genom två strömelektroder. Strömfältets utbredning beror på avståndet mellan elektroderna men påverkas också av marklagrens ledningsförmåga. Genom att mäta spännings- förhållandena med potentialelektroder, kan markens skenbara resistivitet beräknas. Den uppmätta resistiviteten beror på hur elektrodparen är arrangerade samt laterala och vertikala föränd- ringar i markens elektriska egenskaper. Genom invers modelle- ring, där markens elektriska egenskaper och marklagrens mäktig- SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder het varieras tills en samstämmighet uppnås med uppmätta värden, erhålls en tolkning av markens uppbyggnad och elek- triska egenskaper. används oftast multielektrodsystem (CVES) med ett stort antal elektroder ordnade längs linjer eller i ett nät tillsammans med en dator som styr vilka elektroder som skall vara ström- respektive potentialelektroder. Genom invers modellering kan sedan markens resistivitetsfördelning beräknas två- eller tredimensionellt. Elektrisk mätning har fått stor betydelse för kartläggning av jord- och berglagerföljder och bestämning av grundvattenytor. Viktiga tillämpningar finns också inom miljörelaterade undersökningar och för miljö- kontroll (Bernstone & 1998, Aaltonen 2001), figur 3.13. Om fasta elektroder anbringas i marken kan metoden användas för långtidskontroll, t.ex. runt avfallsanläggningar där för- oreningarna ofta har hög salthalt (Aaltonen & 2001) eller för kontroll av klimatrelaterade markfuktighetsförhållanden och grundvattennivåer. De flesta på marknaden förekommande multielektrodsystem medger bara avkänning ned . En intressant applikation av geoelektriska undersökningar är att med elektrodutlägg kartera saltvattenförekomsten på större djup. Detta är ett utmärkt komplement till djupa borrningar. I kustnära områden kan det dock vara svårt att undvika havs- vattnets kortslutande effekt på mätningarna. Markens elektriska laddningsförmåga, chargeability, kan mätas med inducerad polarisation (IP). Metoden baseras på att ett strömfält skapas över marken varvid polarisation uppstår i marken. När strömfältet slås av kvarstår denna polarisation över och kan mätas. Metoden har en stor potential för studier av förorenad mark, t.ex. för spridda föroreningar med salter eller oljeförorening (2002, 2004). Även utan yttre pålagt strömfält förekommer en svag polarisa- tion beroende på markens mineralinnehåll och markvätskans elektrolytegenskaper. Mätning av denna naturliga självpotential (SP) med känsliga icke polariserande elektroder kan på samma sätt användas vid ytlig malmprospektering och föroreningskarte- Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Metoden har även använts vid ytnära spårämnesförsök i berg (Nimmer & Osiensky 2002). Resistivitetsmätningar för analys av förorenings- spridning från en avfallsdeponi. Mätningarna är gjorda med CVES och modellerade två- respektive tredimensionellt. Resultatet är presenterat som profiler (t.v.), horisontellt tvärsnitt i det ytliga berget, under marken (övre t.h.) samt tredimensionella lågresistivitetszoner (undre t.h.) (et al. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Elektromagnetisk induktion innebär att ett strömfält skapas i elektriska ledare i marken med hjälp av ett yttre elektromagne- tiskt fält. De sekundära elektromagnetiska fält som då upp- kommer kan mätas på markytan. Det finns flera frekvensstyrda metoder som antingen använder naturliga elektriska strömmar (MT-mätningar), i frekvensområdet från 10-4 till 1 kHz, eller strömmar inducerade av radiosignaler (VLF-mätningar) i frekvensområdet från 15 till 25 kHz. Det finns också elektro- magnetiska metoder där fältet skapas med en medhavd sändare (Slingram) i frekvensområdet från 5 till 15 kHz. Generellt gäller att djupavkänningen bestäms av frekvensen på det elektromagne- tiska fältet och markens ledningsförmåga. I kristallin berggrund föreligger alltid en hög kontrast i resistivitet mellan opåverkad berggrund och sprickzoner. VLF-mätningar är därför en effektiv metod för kartläggningen av sprickzoner på landområden (men ej över vattentäckta områden). har elektromagnetiska mätmetoder utvecklats för att beskriva fördelningen av elektrisk resistivitet ned i berggrunden. En sammanfattning av VLF- och MT-meto- der ges i Oskooi (2004). I de magnetotelluriska mätningarna (MT) utnyttjas naturliga i berggrunden förekommande elektriska strömmar, figur 3.14. Djupavkänningen är och mätningen görs så att även anisotropiförhållanden kan utredas. Stör- ningar från mobiltelefoni och kraftledningar kan i de flesta fall filtreras bort. Med mätningar i ett glest nät kan 3-dimensionella elektriskt ledande strukturer avgränsas. Med metoden kan djupet för övergången till salt grundvatten bestämmas. Elektromagnetiska mätmetoder har använts för malmprospek- tering, undersökning av vattenförande sprickzoner i berget och för studier av föroreningsspridning. Metoderna är i stark teo- retisk och praktisk utveckling och nya instrument utvecklas för miljötillämpningar, t.ex. EnviroMT (Bastani 2001). Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Två modeller av resistivitetsvariationen med djupet baserade på MT mätningar (från öarna Midsommar och i ) (från Oskooi & 2004). Den streckade linjen markerar det borrdjup som uppnåtts i närheten av MT mätplatsen och där man kan korrelera resistiviteten med observationer av sprickighet respektive förekomsten av elektriskt ledande . I de flesta djupa borrhålen i har mätningar utförts med olika typer av geofysiska loggningar för att få kunskap om de uppmätta egenskapernas variation med djupet. Sådana mätningar kan göras med ett mellanrum som varierar från 0,1 till 10-tals SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Noggranna metoder har utvecklats för att korrelera de djupmått som erhålls vid olika mätningar. I finns dock mycket få borrhål med djup som är större än . Därmed saknas kunskaper om var övergången till salt grundvatten sker i berggrunden och hur djupt sprickzonerna förekommer i den översta delen av jordskorpan. Borrhål som är djupare än i kristallin berggrund finns i bara i den centrala delen av Siljanstrukturen. I borrhålsmätningar är avkänningsavståndet i sidled mycket litet, från decimeter för vissa metoder och under gynnsamma omständigheter upp till 10-tals meter för t.ex. borrhålsradar. Mätning av resistivitet i borrhål ger endast relativa värden och en kalibrering krävs för att erhålla värden som är representativa för bergarter. Detta problem behandlas i &Neretnieks (2002). Följande typer av borrhålsmätningar är vanliga och kan an- vändas vid platsval: Metoder som karakteriserar bergarter och bergartsgränser tyngdkraftsmätningar mätning av magnetiserbarhet inducerad polarisation (IP) gammastrålning (förekommer i flera olika utföranden) Metoder som ger upplysningar om sprickzoner och förekomsten av vatten mätning av elektrisk resistivitet (i flera olika utföranden) radarmätningar mätning av borrhålsform (caliper) temperaturmätningar Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Metoder som ger upplysningar om stress och temperaturförhållan- den respons på tryckförändringar mätning av borrhålsform temperaturmätningar mätning av gammastrålning (flera olika utföranden) Metoderna används i ofta kombination och flera sofistikerade mätsonder har utvecklats för de elektriska metoderna (bl.a. för olika elektrodkonfigurationer), figur 3.15. Mätningar med radar, borrhålsform och fotografi ger också upplysningar om oriente- ringen av de strukturer som avbildats. Vattenflödesmätningar görs i avgränsade sektioner, liksom respons på tryckföränd- ringar. Responsen i berggrundens rörelse mäts och lokaliseras med hjälp av lokala seismografnät. Sam- mankopplingen mellan borrhålsdata, som är mycket detaljerade (dm-skala) och kontinuerliga, med ytdata som är spridda (1 till 10 m-skala) och ofullständiga, är ett svårt problem. Svårigheten hänger samman med hur det går att skilja mellan lokala fenomen och sådana som har en större utbredning. Mätmetodernas avståndsberoende gör att den rumsliga upplösningen snabbt avtar med avståndet från borrhålet och med djupet under mark- baserade mätningar. Problemet kan inte lösas med tätare eller känsligare mätningar – det krävs snarare fler borrhål – varvid berggrundens egenskaper påverkas på ett ogynnsamt sätt. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Exempel på loggningsdata från ett borrhål (på i ) med elektrisk resistivitet (två metoder, short normal resp. long normal), vattenflöde och induce- rad polarisation (IP) generaliserade över 10 m intervaller (Sträng 2003). Variationen i resistivitet återspeglar sprickfrekvensen. Högre vattenflöden markerar öppna sprickzoner och förhöjd IP-effekt markerar områden där elektriskt ledande förekommer. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 3.4.10Databaser hos SGU och Geologiska Undersökning (SGU) ansvarar för ett stort antal databaser med digital och analog geovetenskaplig infor- mation. De är tillgängliga för forskning, prospektering, geotek- niska och miljöundersökningar. För dataanvändning krävs en licens och en avgift. Digitala data kan erhållas i ett valfritt geo- grafiskt område och de lämpar sig ofta direkt för analys med geografisk informationsteknik, . Dessutom finns geoveten- skapliga kartor med olika detaljeringsgrad över hela landet. Regionala mätningar görs systematiskt och utförs av SGU medan detaljerade mätningar utförs av geo-konsultbolag, pro- spekteringsföretag och geovetenskapliga institutioner. Förfrågningar om seismiska mätningar bör i första hand riktas till SGU. Flera internationella projekt, med syftet att bestämma struktur och mäktighet hos jordskorpan, har baserats på seismiska undersökningar utsträckta över många . I samband med prospektering efter har stora ytor i och kartlagts mycket detaljerat med flera typer av markgeofysiska mätningar. Dessa finns dokumen- terade hos SGU. har hand om batymetriska data, ofta med hög detaljeringsgrad, över kustområden och insjöar där sjöfart före- kommer. Dessa batymetriska data kan användas på samma sätt och i kombination med höjddata för att studera förekomsten av sprickzoner i vattenområden (eller zonernas förlängning från markområden till vattenområden). En sådan kombinerad studie har t.ex. gjorts för Vänernbassängen (1992) och (Chuang 2003).