CARL-HENRIK MÅNSSON & JONAS SIIKANEN

Transkript

1 CARL-HENRIK MÅNSSON & JONAS SIIKANEN Mättekniker av Inducerad Polarisation med avseende på datakvalitet samt tillämpning på ett testområde i Århus, Danmark och tunnelbygget på Hallandsås, Sverige Då man för ner en elektrisk ström i marken kommer vissa material i marken laddas upp p.g.a. att positiva och negativa joner samlar ihop sig på ytor och i trånga porkanaler. Detta kallas för polarisering och kan användas för att bestämma t.ex. vad för typ av geologiska material som finns under markytan eller vart föroreningar i marken tar vägen. Fenomenet som uppstår heter Inducerad Polarisation (IP) och det var en man vid namn Conrad Schlumberger som först beskrev detta Kort kan man säga att man mäter markens förmåga att fungera som en kondensator och det man mäter är hur den uppladdade spänningen minskar med tiden efter man har brutit strömmen. Om det då finns något material i marken som polariserar kraftigt kallas detta för IP-effekt, t.ex. diabas och malmkroppar ger sådana effekter. När Conrad Installation av elektroder upptäckte fenomenet så insåg han också att metoden är väldigt känslig för brus. Brus kan bero på många saker och några av dem är orsakade av naturen och andra är orsakade av människan och instrumenten. Naturligt brus kan t.ex. bero på elektriska strömmar som bildas i marken p.g.a. att jordens magnetfält varierar, grundvattnets rörelse, etc. Brus som är orsakad av människan kan vara elektrisk utrustning som finns i mark, luft, järnvägar m.m. När man mäter kan även själva utrustningen i sig ge upphov till brus. Det här examensarbetet handlar just om brus, och ett brus som har studerats noggrant är den s.k. kapacitiva kopplingen mellan ström och mätkabel. Den bildas när en ström sänds genom en kabel med isolering och en annan kabel med isolering ligger nära denna. Då kommer isoleringen att fungera som ett s.k. dielectricum, och en spänning laddas upp mellan kablarna. När man sedan mäter uppladdningsförmågan av t.ex. en diabas eller en sprickzon i marken, kommer mätsignalen även att innehålla uppladdningsförmågan som finns mellan kablarna. Detta resulterar i att det kan bli svårt att urskilja vart diabasen finns och resultatet från mätningen kan vara svårtolkad. Om man separerar ström och mätkabel så kommer uppladdningen mellan kablarna att var mycket mindre och mätvärdet kommer därför vara av bättre kvalitet. Examensarbetet handlar dels om att jämföra skillnader mellan att mäta då ström och mätkabel ligger nära varandra och när de är separerade, men även att undersöka andra effekter som påverkar datakvaliteten negativt. Detta undersöktes på tre olika platser: en gräsmatta i Lund, en gräsväg i Århus som ligger i Danmark och slutligen mellan tunnlarna på Hallandsås. I Lund utfördes olika mätningar med olika uppställningar och bruset studerades i form av antalet negativa värden i insamlad data. Skillnaden mellan normal mätning och s.k. reciprok mätning undersöktes också för att se hur de positiva värdena påverkades av störningar. Resultatet visade stor skillnad mellan att mäta med en kabel och separerade kablar. Även mätning av resistansen av elektrodkontakten utfördes, det är väldigt viktigt att man har en god kontakt mellan elektrod och mark för att få så bra mätsignal som möjligt, detta visade att kontaktresistansen varierar väldigt mycket mellan elektroderna. I Århus gav resultaten en tydlig IP-effekt som tolkas som ett rör. Geologin består av ett lager morän som ligger ovanpå ett mäktigt lager av tertiär lera. Skillnaden mellan att använda en kabel och separerade kablar visade sig inte vara så stor, men datakvaliteten var ändå något högre när separerad utrustning användes. Resultatet från mätningen på Hallandsås har visat tre geologiska huvudstrukturer. Först en diabasgång, sen en formation som troligtvis är en lervittrad sprickzon, denna kan vara delvis vattenförande. Slutligen en lervittrad sprickzon som förmodligen innehåller amfibolit. Datakvaliteten är något bättre när man använder sig av separerade kablar.

2 Examensarbetet visar ett det kan göra stor skillnad på datakvaliteten om man använder sig av separerad utrustning jämfört med en konventionell uppställning. Även andra saker påverkar datakvaliteten. Om man t.ex. har en hög markresistans kan detta påverka kvaliteten negativt, p.g.a. att den kapacitiva kopplingen verkar öka. Om man har låg markresistans så är kvaliteten bra även när man mäter med en kabel. Den elektromagnetiska kopplingen verkar bli större med ökad elektrodseparation. Det är också viktigt att man har en god kontakt mellan elektrod och mark samt att undvika uppladdningseffekter av elektroderna när mätningen utförs. Att göra fältmätningar med separerad utrustning är komplicerat och tidskrävande, men det kan ibland vara värt det för att uppnå resultat av god kvalitet. Handledare: Torleif Dahlin (LTH), Berit E. Danielsen (LTH) och Per Möller (Geologi) Examensarbete 20 poäng i Geologi, Ht (Examensarbeten i Geologi vid Lunds universitet Kvartärgeologi, nr. 217) Avdelningen för Kvartärgeologi, Geologiska institutionen, Centrum för GeoBiosfärsvetenskap, Lunds universitet.

3 CARL-HENRIK MÅNSSON & JONAS SIIKANEN Measuring techniques of Induced Polarization regarding data quality with an application on a test-site in Aarhus, Denmark and the tunnel construction at the Hallandsås Horst, Sweden It has been shown that surveys of Induced Polarization (IP) often contain data of low quality, because it is highly sensitive against different noise sources. When measuring induced polarization, where the method uses multicore cables and continuous electrode sounding (CVES, Continuous Vertical Electrical Sounding), noise phenomena such as capacitive coupling effects have to be considered. It is possible to decrease the capacitive coupling effect by using separated cables. This noise occurs between transmitting current cable and potential reading cable. Also, other effects such as electromagnetic coupling effects will generate bad quality of data. This appears between the current electrodes and the electrical properties of the subsurface. It is strongly dependent on the length of the array. However, to obtain data of god quality, the electrode contact has to be taken into account as well. The purpose with this thesis is to examine the quality of data when measuring IP, with different techniques, and then apply the obtained experience in two different geological environments, Aarhus, Denmark and the tunnel construction at the Hallandsås Horst. The geophysical methods used were CVES 2D sounding of IP and resistivity. For a better interpretation and analysis, the results of the resistivity measurement are used as a complement to the results of IP. To achieve the purpose, measurements with both normal layouts, i.e. multicore cable, and separated cables has been made. Also different types of electrode configurations have been examined. Analysis of negative data and distribution of chargeabilities gives a good picture of the data quality. Once, electrode contact resistance was measured; this was done by measuring the resistance of each electrode. The survey was performed on a lawn at the Institute of Engineering in Lund. From earlier measurements, it has been indicated that the area of investigation in Aarhus contains something that gives IP effect. This was examined with experience from the measurements in Lund. The survey at the Hallandsås Horst has never earlier been examined with the method that is used in this work. Therefore, this site was chosen to complement the last part of the tunnel area and also use the knowledge from the measurements in Lund. This thesis shows that the capacitive coupling is manifested for example by negative data, which affect the measured IP effects negatively. Bad electrode contact is probably a strong candidate to the low quality of data, as well as the inductive coupling effects. The technique of using separated cables contributes to IP data of good quality, but is logistically complicated and time consuming. It was shown, both in Aarhus and at the Hallandsås Horst, that if the geology in an area contributes to a good electrode contact, the results are satisfying when using normal cable layout. The survey in Aarhus gave a strong IP-effect that is interpreted as a pipeline. This is situated about 5 to10 m under the ground surface. The results from the measurement at the Hallandsås Horst have given three major structures: One dolerite dike that crosses the tunnel, a probable fracture zone that may be partly clay weathered and partly water bearing. Finally, one more clay weathered fracture zone was interpreted which might contain amphibolite. The upper boundary is in level with the tunnel.

4 Advisors: Torleif Dahlin (LTH), Berit E. Danielsen (LTH) and Per Möller (Geology) Degree project 20 credits in Geology Quaternary Sciences, Fall. (Examensarbete i Geologi vid Lunds Universitet Kvartärgeologi, no. 217). GeoBiosphere Science Centre, Department of Geology, Quaternary Sciences, Lund University.

5