Tomografisk modellering med programmet Rayfract för bedömning av bergkvalité utifrån refraktionsseismik

UNIVERSITY OF GOTHENBURG Department of Earth Sciences Geovetarcentrum/Earth Science Centre Tomografisk modellering med programmet Rayfract för bedömning av bergkvalité utifrån refraktionsseismik Johan Persson ISSN 1400-3821 B595 Bachelor of Science thesis Göteborg 2010 Mailing address Address Telephone Telefax Geovetarcentrum Geovetarcentrum Geovetarcentrum 031-786 19 56 031-786 19 86 Göteborg University S 405 30 Göteborg Guldhedsgatan 5A S-405 30 Göteborg SWEDEN

Tomografisk modellering med programmet Rayfract för bedömning av bergkvalité från refraktionsseismik. Johan Persson, Göteborgs Universitet, Institutionen för Geovetenskaper; Box 460, SE-405 30 Göteborg Abstract På begäran av beställaren Trafikverket har Bergab utfört förundersökningar inför utbyggnaden av vägdelen E6 Pålen Tanumshede som inkluderar en tunnel genom Gerumsberget. I detta examensarbete bearbetas samt tolkas refraktionsseismisk data från dessa mätningar. Eftersom området är ett världsarv så valde man bygga en tunnel istället för en öppen skärning genom Gerumsberget för att bevara världsarvet. Syftet med detta examensarbete är att modellera med ett tomografiskt program för bedömning av bergkvalité vid en dokumenterad svaghetszon känd som Yxhugget. Detta har gjorts genom att använda olika inversions metoder från ett tomografiskt refraktionsseismisk program Rayfract. Resultaten presenteras med Surfer. Det finns ett kärnborrhål samt flera sonderingar i området. Med hjälp av RQD-värdet, som är ett system för att klassificera bergmassan utifrån sprickfrekvensen, så har man jämfört de seismiska hastigheterna med dessa värden för att se om det finns något samband. IP och Resistivitet mätningar är också utförda längs profilen, resultaten för resistivitet jämförs med refraktionsseismiken för att se om de stämmer överens. Den kända svaghetszonen modelleras som en låghastighetszon, man kan alltså se ett tydligt samband mellan P-vågshastighet och bergkvalité. I arbetet beskrivs området i Tanum samt bakgrundsteori för refraktionsseismik och hur man kan använda detta för en tolkning av bergkvalitén. Nyckelord: Refraktionsseismik, Rayfract, Surfer, Bergkvalité, RQD-värde. At the request of Trafikverket a site investigation has been made by Bergab for the expansion of the road section E6 Pålen - Tanumshede which includes a tunnel through Gerumsberget. This thesis work interprets refraction seismic data from these measurements. Since the area is a world heritage site, it has been decided to build a tunnel instead of an open cut. The purpose of this thesis is to see the rock quality especially at a well known fracture zone named Yxhugget. This has been done by using different inversion methods from the refraction seismic tomographic program Rayfract. The results are presented with Surfer. With information of RQD-value, which is a system to classify the rock mass from, this thesis compares the seismic velocities with these values to see if there is any correlation. IP and Resistivity measurements were also performed along the profile. The result is compared and interpreted with each other. The known weakness zone is modeled in the program and documented as a zone with a lower seismic velocity than the surrounding rock, you can see a clear link between P-wave velocity and rock quality. This thesis work describes some background information about the project and also theory about seismic refraction. It also describes how you can apply this to compare it with P-wave velocities so that you can estimate the rock quality. Keywords: Seismic Refraction, Rayfract, Surfer, Rock quality, RQD-value. ISSN1400-3821 B595 2010

Innehållsförtäckning 1 Introduktion... 1 2 Bakgrund... 1 2.1 Områdesbeskrivning... 2 3 Material och Metod... 3 3.1 Refraktionsseismik... 3 3.1.1 Snells lag... 4 3.1.2 Första ankomsttider... 5 3.1.3 Svårigheter... 5 3.2 P-Vågshastighet och Bergkvalité... 5 3.2.1 Rock tunneling Quality index (Q-systemet)... 6 3.3 Kärnborrhåll och Sonderingar... 7 3.3.1 Rock Quality Designation (RQD)... 7 3.4 Datainsamling och bakgrundsmaterial... 7 3.5 Modelleringsprogram... 9 3.5.1 Rayfract... 9 3.5.2 Surfer... 9 3.6 Modellering... 9 4 Resultat... 10 5 Tolkning... 14 5.1 Tolkning refraktionsseismik... 14 5.2 Tolkning Resistivitet och IP... 15 6 Diskussion... 15 7 Slutsats... 16 8 Tackord... 17 9 Referenser... 18

1 Introduktion I samband med vägprojekteringen inför utbyggnaden av väg E6, sträckan Pålen-Tanumshede har Bergab - Berggeologiska Undersökningar AB utfört geofysiska underökningar för att bestämma bergläge och bergkvalité för den del av sträckan som planeras gå i tunnel genom Gerumsberget (Figur 1). Beställare har varit Vägverket (nuvarande Trafikverket), via Ramböll AB. Undersökningarna har innefattat mätning med refraktionsseismik, resistivitet och inducerad polarisation (IP). I detta examensarbete bearbetas och tolkas refraktionsseismisk data från dessa mätningar genom tomografisk modellering med programmet Rayfract version 3.16 samt version 2.65 (Intelligent Resources). Syftet har varit att utvärdera metoden som ett instrument för att undersöka bergkvalité. Mätningen utfördes tvärs över en tidigare känd svaghetszon för att studera om/hur denna kunde följas till djupet för den planerade tunneln. För att undersöka bergkvalitén har man jämfört resultaten med ett kärnborrhål och sonderingar, som också utfördes av Bergab. Tolkningen har sedan jämförts mot undersökningar med resistivitet och IP (inducerad polarisation). Rayfract använder Surfer (Golden Software) för modellering och visualisering av beräknade hastigheter. I detta arbete har Surfer version 9.0 använts för att försöka optimera modelleringen i Rayfract för att överensstämma med kända geologiska observationer. Arbetet inkluderar även en jämförelse av resultaten från den refraktionsseismiska undersökningen med resultaten från resistivitets- och IP mätningar från samma profil (Farvardini, 2010). Det finns flera metoder för att bedöma bergkvalité, bland annat RQDvärdet som man får fram genom att göra ett borrkärnhåll. Med hjälp refraktionsseismik kan man jämföra P-vågshastigheten med tolkningen av borrkärnor för att bedöma sprickningsfrekvensen. I arbetet beskrivs området i Tanum samt bakgrundsteori för refraktionsseismik och hur man kan använda detta för en tolkning av bergkvalitén. Resultaten presenteras med modeller som gjorts via Rayfract och Surfer. 2 Bakgrund Utbyggnaden av väg E6 har utretts under lång tid då vägen ingår i det nationella stamvägsnätet. Den är en viktig länk längs västkusten och spelar en avgörande roll för internationell trafik till och från Sverige och Norge mot övriga kontinenten. Utöver att lösa trafikuppgiften för E6an ska vägens utbyggnad bidra till att bevara, visa och utveckla världsarv Tanum. Detta är den sista delen av E6 som är kvar att bygga om. Till detta skede skall huvuddelen av vägens sträckning vara bestämd. Dock kan vissa sträckor fortfarande finnas där alternativa vägdragningar måste utredas. Innan arbetsplansskedet har en vägutredning utförts där flera alternativ var aktuella. Vid detta skedde gjordes en fördjupad vägutredning där man bestämde att en tunnel skulle gå genom Gerumsberget. Bergab Berggeologiska Undersökningar AB hade i uppdrag att bland annat att mäta resistivitet, IP samt refraktionsseismik. Sonderingar gjordes för att bestämma djup till berg och kärnborrshållet KBH4 gjordes för att undersöka svaghetszoner. 1

Figur 1. Flygbild och karta över området. Gul linje visar läget för seismiklinjen vilken utvärderats i detta arbete (Bild från Google Earth). 2.1 Områdesbeskrivning Landskapet kring Tanumshede och Rabbalshede (Figur 1) kan delas in i tre typer, med olika mäktigheter och förutsättningar för vägutbyggnad. Dessa tre typer är mosaiklandskap, slättlandskap och berglandskap. Mosaiklandskapet i väster och söder utgör väldigt kuperat, småskaligt landskap med framträdande bergkullar och vägar längs de mellanliggande dalgångarna. Slättlandskapet är ett dalgångslandskap runt Tanumslätten med stora sammanhängande slättområden mellan skogsklädda bergspartier. Berglandskapet i öster många med skog täckta bergryggar och platåer (Tanums Kommun, 2007). Inom området dokumenteras tre huvudsakliga sprickgrupper. Två brantstående sprickgrupper stryker ca 160 respektive 310 grader, där det sistnämnda huvudsakligen följer bergryggens utsträckning. Den tredje gruppen utgörs av nära horisontella sprickor. Sprickgruppen vilken stryker ca 310 grader framträder särskilt tydligt i berggrundens centrala del där en förkastningssänka utbildats. I denna lokala dalgång, det så kallade Yxhugget, 2

påträffas jordmäktigheter på upp till 16 m och de geofysiska mätningarna som presenteras i detta arbete har lagts tvärs denna struktur. Längs profilen där man mätt refraktionsseismik finns det stora höjdskillnader (Figur 2). Topografin skiljer sig lite åt, men man kan se att längs sidorna så är det ganska brant, där det finns mycket träd och i vissa ställen berg i dagen. Detta försvårar mätningen av seismik, då man helst mäter på en rak sträcka. I mitten av profilen ligger Yxhugget. Figur 2. Topografin i området. Y axel m.ö.h. X axeln geofonernas läge. 3 Material och Metod 3.1 Refraktionsseismik Refraktionsseismik är en metod som används inom geofysik där tryckvågors utbredning och hastighet används för att bestämma hastigheten i olika lager av jord och berg (Dahlin et al., 2001). Dessa hastigheter kan då användas för att beräkna djup och tjocklek av olika lager. Metoden baseras på att olika typer av berg- och jordarter har olika elastiska egenskaper, t.ex. densitet, vilket medför skillnader i utbredningshastighet för seismiska vågor (Wållberg & Mattsson, 2002) P-vågor Partikelrörelsen associerad med kompressionsvågor (P-vågor) består av alternerande förtätningar och förtunningar av de partiklar som bygger upp mediet där vågen färdas (Figur 3). Partikelrörelsen är alltid parallell med vågens utbredningsriktning. Det är den snabbaste och mest använda vågrörelsen inom seismiska sammanhang (Dahlin et al., 2001). Figur 3. Utbredningsriktning och partikelrörelse för kompressionsvåg eller P-våg (Bild från Dahlin et al. 2001). 3

S-vågor Skjuvdeformation innebär att partikelrörelsen är vinkelrät mot vågens utbredningsriktning det vill säga transversell rörelse (Figur 4). Skjuvvågor (S-vågor) kan vara polariserade (partiklarna rör sig längs parallella linjer) i olika plan. Eftersom vätskor saknar skjuvmodul kan skjuvvågor ej fortplantas i flytande medium (Dahlin et al., 2001). Figur 4. Utbredningsriktning och partikelrörelse för skjuvvåg eller S-våg (Bild från Dahlin et al. 2001). När vågfronten går från ett lager med lägre hastighet till ett lager med högre hastighet blir en viss del av energin reflekterad och en annan del fortsätter, fast med en annan vinkel, det vill säga refrakterad. När den når en kritisk vinkel så refrakteras vågen längs med gränsytan och detta gör att vågen går i samma hastighet som det snabba lagret och lämnar efter sig vågor som sedan går tillbaks till ytan (Figur 5). Figur 5. Den direkta vågen går från A till D, med hastighet V1. Den refrakterade vågen går genom lager 1 med hastighet V1 i AB och CD. I BC sträckan går den med hastighet V2, θ kritiska vinkeln, z djup och x avstånd. (Bild från Sturkell 2010). Den kritiska vinkeln beror på skillnaden i hastighet mellan de två olika materialen (Snells lag). 3.1.1 Snells lag När en vågfront möter ett lager med högre seismisk hastighet så refrakteras vågen. Med hjälp av Snells lag så kan man räkna ut vinkeln och hastigheter av de olika lager. När den kritiska vinkeln nås (θc) så blir den refrakterade vinkeln 90 (Figur 6). Figur 6. Visar den kritiska vinkeln θc och den refrakterade vågen P (Bild från Kearey 2002). 4

3.1.2 Första ankomsttider Tiden för först ankommen våg är de första vågorna som når fram till en geofon. Att välja ut de första ankomsttiderna är en egentligen en subjektiv uppskattning. Det är väldigt viktigt att det blir så exakt som möjligt, eftersom en bra modell och därmed tolkning kräver att första ankomsttiderna är utvalda med stor noggrannhet. 3.1.3 Svårigheter Det är inte alltid man kan se alla lager under jorden. Det finns så kallade gömda lager och blinda lager. Detta inträffar exempelvis när P-vågshastigheten i det övre lagret är högre än det undre lagret. Detta kan exempelvis inträffa när lera överlagrar sand. Det finns brus som inte genereras av själva skottet och tills viss del går att undvika. Rörelser av djur eller människor och trafik är några exempel på detta (Milson, 2003). Ett sätt att förbättra signal/brusförhållanden är att skapa mer energi i pulsen. Till exempel genom att använda dynamit i stället för slägga, på detta sätt kan man minimera bakgrundsbruset i förhållande till den skapade pulsen. 3.2 P-vågshastighet och bergkvalité Refraktionsseismiska mätningar är en viktig geofysisk metod eftersom seismiska hastigheter är nära relaterad till bergmassans egenskaper. Metoden används speciellt vid tunnelbygge, då man lätt kan identifiera svaghetszoner i berget, dessa visas då som zoner med lägre seismiska hastigheter (Palmström, 1995). Hastigheten av den seismiska vågen i olika material beror på materialets egenskaper såsom; densitet, porositet, elasticitetsmodul och vatteninnehåll. Ju mer konsoliderad till exempel en jordart är desto snabbare går vågen. Den seismiska hastigheten i berg beror på bergarten och kvalitén på bergmassan (Mussett & Khan, 2000). En granit har i genomsnitt en hastighet runt 5 Km/s och en sandsten 2 Km/s (Figur 7). Figur 7. Kompressionsvågornas utbredningshastigheter i olika jord- och bergmaterial (Bild från Palmström 1995). Hastigheten kan variera längs en profil även då det är samma bergart. Om man mäter längs en profil så spelar flera faktorer roll, med detta menas att berggrunden kan innehålla sprickor och vara vittrad. Dessa faktorer har då inte direkt att göra med de fysiska och kemiska 5

egenskaperna som bergarten har. På grund av att bergarten blir mer konsoliderad och sprickorna minskar, kan man ofta se en stor hastighetsökning med djupet. Palmström 1995 har sammanställt uppskattade samband mellan P-vågshastighet, bergmassans förhållande och förväntad bergförstärkning (Tabell 1). Tabell 1. Visar olika seismiska hastigheter och bergartskvalité (Tabell från Palmström 1995). 3.2.1 Rock tunneling Quality index (Q-systemet) Q-systemet är utvecklat genom 6 punkter för att ge en bättre bedömning av bergmassan genom följande parametrar: - RQD, Rock Quality Designation - Jn, Sprickguppstal - Jr, Sprickråhetstal - Ja, Sprickomvandlingstal - Jw, Sprickvattental - SRF, Spänningsreduceringsfatkor Figur 8. Samband mellan P-vågshastigheten och Q-värde (Barton 2002). Utifrån refraktionsseismik så kan man göra en empirisk prognos på bergkvalitet (Barton, 2002) (Figur 8). Generellt gäller att om P-vågshastigheten är hög, över 5 000 m/s, så indikerar det god bergkvalité. Enligt detta skulle P-vågshastigheten på 3500 m/s motsvara Q=1. Denna metod har många faktorer som påverkar, så man får ta hänsyn till detta när man använder den, speciellt vid jämförelser och tolkning av olika P-vågshastigheter. 6

3.3 Kärnborrhål och sonderingar Kärnborrhål görs främst för att bestämma RQD-värdet längs ett borhåll. Man kan med hjälp av detta se eventuella sprickor och svaghetszoner. 3.3.1 Rock Quality Designation (RQD) RQD Rock Quality Designation är ett system för att klassificera bergmassan utifrån sprickfrekvensen. Klassificeringen görs genom att räkna den sammanlagda längden av berg som har större sprickavstånd än 10cm på en mätsträcka. Systemet lämpar sig för undersökningar av borrkärnor (Tabell 2). Tabell 2. Visar RQD-värden i procent och därefter trolig bergkvalitet (Bild från Bergman 2007). Sonderingar görs främst för att bestämma jordlagers mäktigheter och därmed djup till berg. 3.4 Datainsamling och bakgrundsmaterial Insamling av seismisk data utfördes av Bergab Berggeologiska undersökningar AB. Som seismograf användes en 24 kanals ABEM Terraloc Mark 6. Mätupplösningen sattes till 50 mikrosekunder och från varje skott samlades1024 värden in från varje geofon. Mätningen utfördes längs en profil uppdelad på 3 stycken utlägg (Figur 9). Utlägg 6.3 ligger längst väster ut, utlägg 6.2 i mitten och 6.1 längst österut. Alla utlägg är orienterade i en väst-östlig riktning och geofonerna är numrerade från 1-24 från väst mot öst, med 5 meters avstånd. Det finns 14 skott per utlägg. Man kan se en ganska stor höjdskillnad mellan geofonerna. Flertalet geofoner placerades i jord, vid mycket tunt jordtäcke (<ca 10 cm) eller på hällområden borrades geofonerna ner direkt i berg. Ett skott (nr 4) sköts i en vattenfylld hink direkt på berghäll då inget jordlager fanns tillgängligt för att sätta ned dynamiten i. Yxhugget ligger inom utlägg 6.2. Mellan utlägg 6.2 och 6.1 finns det ett en sträcka av 30 meter där det inte finns några mätningar. Mätningen utfördes på detta sätt för att få bra täckning över yxhugget. 7

Figur 9. Profilernas läge. Röd punkt är geofonernas läge (Bild från Bergab). För varje skott lagras all uppmätt seismisk data från samtliga geofoner i en SEG-2 fil. Information över geofonernas läge och höjd över havet tillhandahölls från Bergab i form av en Excelfil. En digital topografisk karta med höjdkurvor och geofonernas läge tillhandahölls också tillsammans med fältanteckningar med information för varje skott. I förekommande fall noterades även information om avvikelser eller andra uppgifter av värde. Dessutom filmades utläggen för att dokumentera hur varje geofon sitter. Vidare användes information från sonderingar och kärnborrhåll. För att tolka och kunna modellera rådata så användes Rayfract V3.16 och V2.65 från intelligent Resources, samt Surfer från Golden Software Inc. V9.0. Dessa program beskrivs mer utförligt i punkt 3.5. I Rayfract anges lägen på geofoner och skottpunkter i form av stationsnummer, där avståndet mellan stationerna i huvudsak överensstämmer med geofonavståndet. Läget för samtliga geofoner och skottpunkter har därför räknats om till stationsnummer med ett använt stationsavstånd på 5 meter. Tider för först ankommen våg (24 stycken per skott) har plockats manuellt i programmet Rayfract. Detta är ett av de avgörande momenten på hela arbetet, eftersom man utgår från dessa data när man senare modellerar. Tiderna för först ankommen våg exporterades till en ASCII fil varpå uppgifter om stationsnummer för geofoner och skott, höjder för geofoner och skott samt skottens laterala avvikelse från mätlinjen lades in med hjälp av Excel (se exempel i tabell 3). ASCII filen med all data importerades sedan till programmet. 8

Shot Shot receiver First receiver shot shot nr. station station break elev. elev. depth offset 1-1 1 0.010525 32.4 31.2 0.5 0.0 2 1.5 1 0.012325 32.4 32.8 0.5 0.8 3 3.5 1 0.013100 32.4 34.2 0.4 Tabell 3. Exempel på en Excel fil med de parametrar som importeras in till Rayfract 0.5 3.5 Modelleringsprogram 3.5.1 RAYFRACT Rayfract är ett program som använder tomografi för att modellera data från refraktionsseismik. Med Rayfract så kan man få en bild av underjodiska kroppar och lager av olika berg- och jordarter. Programmet gör en inversion av första ankomsttiderna för att uppskatta en 2D hastighets modell baserat på Wavepath Eikonal Traveltime (WET) tomografi (Schuster & Quintus-Bosz, 1993). Eikonal ekvationerna får man genom den elastiska vågekvationen och ger tiden för först ankommen våg. Denna metod heter Smooth Inversion. Smooth inversion metoden används helst där geologin visar gradvisa övergångar mellan olika lager, vilket skiljer sig lite från svenska förhållanden. Med detta menas att den har svårt att tolka skarpa övergångar från jord till berggrund. Programmet kommer alltid ge en modell med gradvisa övergånga mellan lager med distinkt olika hastigheter. I äldre versioner (v2.65) så har man kunnat använda en alternativ inversionsmetod, Delta-t-V inversion (Rohdewald, 1999). Delta-t-V modellering saknas i version 3.16, men har återinförts i version 3.17. För att utnyttja möjligheterna med tomografisk inversion så behöver man mycket data. Minst 7-8 skott per profil vid 24 geofoner men helst mer. Om man har flera profiler längs en linje så ska man helst ha några stationer som överlappar varandra. Eftersom en modell är en uppskattning av hur verkligheten ser ut, vill man gärna att den ska vara så lik verkligheten som möjligt. För att få en bra modell på Rayfract krävs det att man har valt de första ankomsttiderna med stor noggrannhet. Helst ska man helt utesluta en station om det finns mycket brus som innebär att man inte kan plocka tiden med stor noggrannhet. 3.5.2 Surfer Surfer är ett 2D modellerings program från Golden Software Inc. som använder sig utav GRID filer. Surfer används bland annat för att analysera topografi och göra 2D modeller (Golden Software Inc, 2010). Rayfract importerar en GRID fil som öppnas genom Surfer för att kunna skapa en modell. Jag har använt mig av version 9.0. 3.6 Modellering I ett första steg prövades WET modellering baserad på en 1D smooth inversion som initialmodell. Högsta tillåtna hastighet sattes till 6000 m/s. En ny GRID fil skapades och öppnades i Surfer. Modellering gjordes med varierande antal iterationer, från 3 till 100 st. I arbetet visas en representativ modell efter 20 iterationer (Figur 11). Då Rayfracts 1D initialmodeller visat sig ge generellt för låg hastighetsgradient i övergången mellan berg och jord prövades även WET modellering där ingångsmodellen räknats om i Surfer med högre berghastigheter som följd. En 1D gradient bild skapades som ingångsmodell automatiskt av Rayfract, för att ha en utgångsmodell (Figur 10). 9

Figur 10. Visar 1D gradient över profilen. Seismisk hastighet i m/s. I ett andra steg användes Rayfracts Delta-t-V metod (stöds i v2.65) för att generera ingångsmodellen till en WET modell (Figur 12). Utskotten utelämnades för att se om modellen stämde bättre överens med verkligheten (skott 1, 14, 15, 28, 29 och 42). När den senare öppnades i Surfer så användes denna modell som indata för att göra två WET modeller med 3 respektive 100 iterationer (Figur 13 och 14). 4 Resultat Figur 11 visar resultatet från 1D smooth inversion med 20 WET iterationer. De seismiska hastigheterna ligger generellt mellan 500-1000 m/s ner till ungefär 3 meter under markytan. Under detta finns det en övergångszon från 2500-4500 m/s vilket också har en tjocklek av ca 3 meter tills den seismiska hastigheten ökar till 4500 m/s. Undantag är ställen där det finns berg i dagen, då hastigheter på 2500-3000 m/s syns redan i markytan. Vid yxhugget kan man se att ungefär ner till 15 meter under markytan finns det en zon med låg seismisk hastighet, hastigheten är där är mellan 500-1500 m/s. Under denna zon finns det en kort övergång på ett par meter där hastigheten ökar till 5500 m/s. Mellan skott 21-26 finns det ett grunt lager med låga hastigheter, med ett djup på 3-4 meter där det övergår till 5500 m/s. Programmet modellerar området där mätningar saknas som en sektion ner till ca 20 möh. Från skott 29-42 så ser man inga stora skillnader jämfört med mellan skott 1-14. Djupet är ungefär 5 meter tills man kan se en övergångszon som också är ungefär 5 meter tills den högsta seismiska hastigheten på 5500 m/s. 10

Figur 11. Smooth inversion efter 20 Iterationer. De röda trianglarna är skott, de gråa är geofoner. Avstånd i meter. Seismisk hastighet i m/s. Figur 12. Hastighetsfördelningen från Delta-t-V inversion. X-axeln visar avstånd i meter. Seismisk hastighet i m/s. Figur 12,13 och 14 visar modeller baserade på data utan utskott. Skillnaden är störst mellan skott 14-16, där det finns dokumenterat berg i dagen. Figur 11 visar att det var en ganska låg seismisk hastighet där men efter att ha tagit bort utskotten stämmer modellen bättre överens med verkligheten. I figur 13 och 14 är ingångsmodellen gjord på Delta-t-V metoden och 11

eftersom de är gjorda med en äldre version av Rayfract (v2.65) så visas inte geofonlägen eller skotten. Dessa är dock desamma som i Figur 11. Vid yxhugget så var djupet på låghastighetszonen ungefär 15 meter, den nya modellen tolkar istället att det är 5 meter, under detta finns det en övergångszon på 3500 m/s för att sedan vid 20 meter öka till 5500m/s. Figur 13. Hastighetsfördelningen efter WET inversion med tre iterationer och Delta-t-V modellen som ingångsmodell. X-axeln visar avstånd i meter. Seismisk hastighet i m/s. Efter 100 iterationer (Figur 14) så visar modellen en mer skarp övergång till högre seismiska hastigheter. Vid yxhugget så syns det tydligare övergång med ett djup till 5000 m/s på ungefär 15 meter. 12

Figur 14. Hastighetsfördelningen efter WET inversion med hundra iterationer och Delta-t-V modellen som ingångsmodell. X-axeln visar avstånd i meter. Seismisk hastighet i m/s. Figur 15 visar bedömt bergläge baserat på sonderingar, fältobservationer och refraktionsseismik efter konventionell delay-time tolkning. Filmerna som finns om geofonoch skottlägen visar ställen där man har borrat in geofonen i berget. I modellerna representeras dessa ställen med en högre seismisk hastighet efter att utskotten togs bort. 70 60 50 40 30 20 10 0 Y topografi Y Djup berg 6 3.1 6 3.5 6 3.10 6 3.15 6 3.19 6 3.23 6 2.3 6 2.7 6 2.11 6 2.15 6 2.19 6 2.23 6 1.3 6 1.7 6 1.11 6 1.15 6 1.19 6 1.23 Figur 15. Tolkning av djup till berg. X-axeln Från vänster utlägg 6 profil 3 geofon 1. Y axeln m.ö.h. Ett 130,20 meter långt kärnborrhål (KBH4) har borrats längs profilen, tvärs yxhugget för att närmare studera berg och bergkvalité. Kärnan är borrad åt öster med en flack stupning på 6 grader från horisontalplanet och med början ca 50 m in i seismikprofilen (Figur 16). Huvuddelen av kärnan utgörs av en rödgrå grov- till medelkornig granit som är till större del homogen och opåverkad med relativ få sprickor. Den har några zoner där den är bitvis mer röd och oxiderar. Den innehåller grovkornig kalifältspat, medan kvarts och plagioklas är mer medelkornig. En mindre mängd finkornig amfibol återfinns också längs kärnan. Sprickorna är relativt flacka i början av borrkärnan, för att sedan bli mer brantstående. På flertal ställen skärs borrkärnan av sprickor som är nästan helt längsgående, dessa har ofta lerig sprickfyllnad. De vanligaste sprickfyllanden är lera, klorit och oxid. 13

Figur 16. Visar kärnborrhållet som går igenom yxhugget. Den är 130,20 meter långt. Borrkärnan är borrad i ca 6 från horisontalplan. Den svarta linjen längs profilen är jorddjupet. Seismisk hastighet i m/s. 5 Tolkning 5.1 Tolkning refraktionsseismik En låg seismisk hastighet (500-1500m/s) kan tolkas som lera eller sand. Alla modeller visar en högre hastighet, mellan 2500-3000 m/s och detta kan tolkas som en hårdpackad morän, vittrad berggrund eller en skenbar hastighet orsakad av programmet vilket alltid skapar gradvisa övergångar. De högsta hastigheterna är mellan 4500-5500m/s och detta tolkas som massiv granit. I början av kärnborrshålet finns några sprickor, trots detta ligger RQD värdet generellt på 75-100 (Mycket bra). Efter ungefär 60 meter från borrkärnan så börjar övergångszonen till yxhugget. Modellen visar en seismisk hastighet mellan 3500-4500m/s, där är det en stor sprickningsfrekvens och berget är vittrat och oxiderat. RQD värdet är mellan 50-75 (Bra). Genom yxhugget är materialet väldigt vittrat, graniten går över i mer rött och ser ofta oxiderat ut. RQD värdet varierar väldigt mycket med lägsta värden på 15-65 (Mycket dåligt- Bra). De seismiska hastigheterna varierar beroende på modell, men ligger generellt runt 2500 m/s. Efter 90 meter så är RQD värdet 75-100 (Mycket bra- Utmärkt). Efter 100 meter så ligger RQD värdet på ungefär 100 (Utmärkt), graniten är finkornig vid detta ställe. Modellen visar här seismiska hastigheter som generellt ligger runt 4500 m/s. Utifrån Tabell 1, så kan man tolka olika seismiska hastigheter med en trolig bergkvalité. Vid yxhugget så ligger den seismiska hastigheten på 2500m/s. Detta skulle tolkas då som en berggrund med mycket jord, eller ett helt fragmenterad berg material med många sprickor. Under detta ökar hastigheten till 4500 m/s, detta är fortfarande en mer kompakt berggrund, fast med några sprickor fortfarande. 14

Den seismiska hastigheten för de översta 5 meter vid yxhugget är på 1500 m/s. Efter detta kommer ett lager som är 12 meter, med en seismisk hastighet på 3500m/s, har finns troligen mycket jord. Efter 15-20 meter så ligger de seismiska hastigheter på 4500m/s, som motsvarar ett Q värde 5.5 (Bra-Väldigt bra) (Figur 11). 5.2 Tolkning resistivitet och IP Tolkningen av Resistivitet och IP mätningarna (Farvardini, 2010) visar ungefär samma resultat som för refraktionsseismiken. Tolkningen styrks av RQD värdet som finns genom borrkärnan. De resterande delar av sektionen ger generellt höga resistivitetsvärden. Värden över 15000 Ωm tolkas vara massiv granit dominerade av mineralen kvarts och fältspat. Alla resistivitetsvärden mellan 800 10 000 Ωm tolkas allmänt vara ovittrat granit (Figur 17). För IP sektionen lyckades metoden inte leverera höga IP-effekter som kunde ha styrkt hypotesen om att finna leromvandlat eller sprucket berg (Farvardini, 2010). Figur 17. Resistivitetsdata modellerades med smooth inversion i programmet RES2DINV (Bild från Farvardini 2010). 6 Diskussion Syftet med detta arbete var att utvärdera bedömning av bergkvalité baserat på Rayfract. Man kan se ett tydligt samband mellan P-vågshastighet och bergkvalité i samtliga modeller. I denna undersökning, där det varit en hög hastighetskontrast mellan berg och överlagrande jord, har Delta-t-V metoden visat sig ge bäst resultat, detta trots risker om skenbara hastigheter. Alla metoder visar att bergkvalitén är sämre vid yxhugget än omkringliggande berg. Detta ner till ett djup på ungefär 10-15 meter, där det övergår till en högre seismisk hastighet. Kärnborrhålet konstaterar att berggrunden är väldigt vittrad och har många sprickor. Detta visas på modellen med låga seismiska hastigheter. Q värdet är en väldigt ungefärlig tolkning av bergkvalitén, utvecklat från början för att se hur mycket förstärkning man behöver vid ett tunnelbygge. Denna metod visar dock också att det är sämre bergkvalité vid yxhugget. Resistivitet och IP tolkningen stämmer överens med refraktionsseismik tolkningen. Modellen visar ett område med sämre resistivitets värden vid yxhugget, som motsvarar sprucket berg (Farvardini, 2010). Det finns flera faktorer som påverkar den seismiska hastigheten och därmed tolkning av bergkvalitén. 15

Cecil (1971) sammanfattar att "It can be said almost without exception that on the surface of the hard crystalline bedrocks of Sweden seismic velocities of 4000 m/s or less are indicative of weak zones in the bedrock. Stretches on a profile with such a velocity thus can be considered to be weak zones without further question, provided the surrounding higher velocities are greater than 4900 m/s." Eftersom 1D-Smooth Inversion funktionen antar att hastigheten gradvis ökar med djupet har den svårt att modellera skarpa övergångar, och därmed visar den ganska låga hastigheter som ökar med djupet (Figur 11). På grund av hur topografin ser ut och de Skandinaviska förhållandena så visade sig Delta-t-V metoden bättre i denna undersökning. Man kan se en mycket mer verklig modell efter att ha uteslutit alla utskott, speciellt mellan utlägg 6.3 och 6.2, före yxhugget. Figur 11 visar extremt låga seismiska hastigheter på ett ställe som är dokumenterad berg i dagen. Figur 13 modellerar detta mer verkligt, detta beror på att skottet gick direkt från jord genom berg till jord. Man ska alltid ha i åtanke vilken metod man använder för att på bästa sätt modellera, samt veta vilka föredelar och begränsningar metoderna har. WET efter 1D smooth inversion metoden fungerar bättre där man har en gradvis övergång, som till exempel bergrund som är gradvis vittrad, där hastigheten successivt ökar med djupet. Fördelarna med att modellera refraktionsseismikdata med ett tomografiskt program är att möjligheterna är många. Man slipper till exempel ansätta lager manuellt, detta gör programmet med hjälp av den först ankommen våg. En nackdel med tomografiska modeller med gradvisa hastigheter presenterade som färger är att det kan tas för verklighet. En felkälla är oerfarenheten att välja ut först ankommen våg. Detta är ett av de viktigaste momenten i hela arbetet, eftersom modellerna baserar sig på detta. Längs profilen finns det stora höjdskillnader och mycket berg i dagen, där man har haft väldigt svårt att placera geofoner samt skotten. Mycket data kunde inte användas då det var för mycket brus för en säker tolkning av först ankommen våg. En annan felkälla är att det inte finns några exakta koordinater för kärnborrhålet vilket innebär att det finns en felmarginal på plus minus 10 meter. 7 Slutsats Att använda ett tomografiskt program har många fördelar jämfört med en konventionell tolkning. Man behöver inte ansätta lager manuellt och programmet modellerar utifrån först ankommen våg. P-vågshastigheten visar ett tydligt samband med bergkvalitet vid den kända svaghetszonen, detta styrks också av resistivitet och IP mätningarna. Delta-t-V inversions metoden ger mer verkliga seismiska hastigheter samt ett mer verkligt jorddjup. Efter 100 iterationer med den efterföljande WET-modelleringen så visar modellen en mer skarp övergång, man kan se att ju fler iterationer, desto högre seismiska hastigheter. Extrema variationer i topografin kan ställa till med problem i tolkningen då man inte riktigt kan vara säker på vilken väg vågen tagit. 16

8 Tackord Ett stort tack till mina handledare från Bergab Eric Hegardt och Erik Meland och från Göteborgs Universitet Erik Sturkell. Tack för all material, hjälp och tid som har varit väldigt värdefullt och uppskattat. Jag vill också tacka Mark Johnson som har ställt upp som examinator. Tack Kerstin Ericsson från Göteborgs Universitet som har gjort det möjligt för mig att skriva detta examensarbete. Jag vill också tacka Mats Olsson för all dator hjälp. Ett stort tack även till Danial Farvardini för ett bra jobb och samarbete. 17

9 Referenser Litteratur Barton N., (2002), Some new Q-value correlations to assist in site characterisation and tunnel design. Int. J. of Rock Mechanics and Mining Sciences 39, 185-216. Pergamon Press. Bergman A., (2007), Undersökning av rörelsezoner runt orter kring Kristinebergsgruvan, Luleå tekniska Universitet, 35 sidor. Examensarbete, ISSN1402-1617. Cecil O. S., (1971), Correlation of seismic refraction velocities and rock support requirements in Swedish tunnels. Statens Geotekniska Institut, Publ. no. 40, 58 sidor. Dahlin T., Larsson R., Leroux V., Svensson M., Wisén R., (2001) Geofysik i Släntstabilitetsutredningar, Statens Geotekniska Institut, rapport 62. Farvardini D. In Press., (2010), Modellering med programmet RES2DINV för bedömning av bergkvalité från resistivitet och inducerad polarisation, Institutionen för Geovetenskaper, Göteborgs Universitet. Milson J., (2003), Field Geophysics, The geological field guide series, Wiley. Mussett A., Khan A., (2000), Looking Into the Earth, Cambridge University Press. Palmström A., (1995), RMi a rock mass characterization system for rock engineering purposes. PhD Thesis, Oslo University, Norway, 1995, 400 sidor. Schuster G, Quintus-Bosz A, (1993), Wave-path eikonal travel-time inversion: Theory, Geophysics, 58, pp. 1314-1323. Kearey P, Brooks M, Hill I, (2002), An Introduction to Geophysical Exploration, Blackwell Publishing. Wållberg B, Mattsson H, (2002), Metodbeskrivning för Refraktionsseismik, Svensk Kärnbränslehantering AB, SKB MD 242001, ver 1.0. Internet Golden Software Inc, (2010), http://goldensoftware.com/surfer 2010-06-07 Intelligent Resources Inc, (2010), http://rayfract.com/help/rayfract.pdf 2010-06-07 Rohdewald S. R., (1999), Rayfract manual. http://rayfract.com/manual.pdf/ 2010-06-07 Tanums kommun, (2007), Vägutredning med MKB, Väg E6: delen Pålen-Tanumshede http://www.vv.se/ 2010-06-07 Opublicerat Bergab (2010), Berggeologiska Undersökningar AB. Sturkell E, (2010), Göteborgs universitet. 18