Maatutkaluotauksen soveltuvuudesta maan ... - Arkisto.gsf.fi

Yksikkö
P 31.4/2009/12 02.03.2009
Espoo
Maatutkaluotauksen soveltuvuudesta
maan lohkareisuuden määrittämiseen
Pekka Hänninen, Pekka Huhta, Juha Majaniemi ja Osmo
Äikää

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS
KUVAILULEHTI
Päivämäärä / Dnro
Tekijät
Pekka Hänninen, Pekka Huhta, Juha Majaniemi ja
Osmo Äikää
Raportin laji
Sisäinen raportti
Toimeksiantaja
Raportin nimi
Maatutkaluotauksen soveltuvuudesta maan lohkareisuuden määrittämiseen
Tiivistelmä
Maatutkaluotaus havaitsee keilakulmaansa osuvat ympäristöstään sähköisesti poikkeavat objektit kuten kivet ja
lohkareet. Lohkareiden havaitseminen riippuu niiden koosta, käytettävästä antennitaajuudesta, kohteen syvyydestä
sekä lohkareiden tai kivien esiintymistiheydestä. Keilakulmassa ajallisesti samalla etäisyydellä olevat kohteet ovat
maatutkasignaalilla yksi kohde. Lajittuneissa maalajeissa yksittäiset lohkareet on havaittavissa, mutta lohkareisessa
moreenissa yksittäisten kohteiden erottaminen on vaikeaa tutkatuloksen puuroutuessa useisiin heijasteisiin.
Asiasanat (kohde, menetelmät jne.)
Maatutkaluotaus, maan lohkareisuus
Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä)
Karttalehdet
Muut tiedot
Arkistosarjan nimi
Arkistotunnus
Kokonaissivumäärä
12
Kieli
Suomi
Hinta
Julkisuus
Yksikkö ja vastuualue
ESY, VA 212
Hanketunnus
2533001
Allekirjoitus/nimen selvennys
Allekirjoitus/nimen selvennys

Sisällysluettelo
Kuvailulehti
1 JOHDANTO 1
2 MAATUTKALUOTAUKSEN TEORIAA 1
3 ESIMERKKITAPAUKSIA 3
3.1 Lajittunut maa-aines, helppo kaivaa 3
3.2 Hiekkainen moreeni 4
3.3 TAATA -hankkeen moreenitutkimukset 6
4 JOHTOPÄÄTÖKSET 9
KIRJALLISUUSLUETTELO
9

1
1 JOHDANTO
Maan lohkareisuus vaikuttaa merkittävästi maan kaivettavuuteen ja siitä syntyviin kustannuksiin.
Lohkareisuutta voidaan arvioida alueen yleisen geologian ja pintakivisyyden perusteella. Näin
tehtyä arviointia voi edelleen varmentaa kairauksilla tai tutkimuskaivannoilla. Ennen kairauksia
tai tutkimuskaivantoja voidaan kuitenkin käyttää maatutkaluotausta kairauspisteiden tai tutkimuskaivantojen
ohjaamiseksi tarkoituksen mukaisille paikoille.
TAATA –hankkeessa tehtiin Lempäälän alueelle ennen tutkimuskaivantoja maatutkaluotauslinjoja
niille kohteille, joille tutkimuskaivannot katsottiin tarpeellisiksi. Paikat olivat pääasiassa moreenipeitteitä,
joilla pintakivisyys oli kohtalaista tai runsasta.
Tässä raportissa on esitetty myös maatutkaluotauksen teoriaa ja järven jäältä tehtyjen testien tuloksia
sekä otettu mukaan myös kohteita vähäpintakivisiltä alueilta.
2 MAATUTKALUOTAUKSEN TEORIAA
Maatutkaluotauksessa voidaan havaita ympäristöstään sähköisesti poikkeava kappale, kuten kivi
tai lohkare. Kappaleen havaitsemiseen vaikuttavat :
1) Kappaleen koko
2) Kappaleen etäisyys antennista
3) Antennitaajuus
4) Kappaleen asema keilakulmassa
5) Kappaleen etäisyys muista objekteista
6) Kappaleen dielektrisyyden poikkeama ympäristöstään.
7) Kappaleesta saatavien heijasteiden lukumäärä
Kiteisten kivien dielektrisyydet vaihtelevat viidestä seitsemään. Poikkeustapauksia lukuun ottamatta
kivi muodostaa ympäröivän maa-ainekseen nähden sähköisen rajapinnan.
Ratkaisevaa on kiven/lohkareen koko ja etäisyys suhteessa aallon pituuteen eli käytettävään antennitaajuuteen.
Nyrkkisääntönä voi pitää, että näkyäkseen tutkaprofiililla kiven/lohkareen on
oltava vähintään aallonpituuden puolikkaan kokoinen ja kappaleen syvyys jaettuna kappaleen
halkaisijalla on oltava viisi tai vähemmän. Esimerkiksi, kun maatutkaluotaus tehdään 200 MHz:
antennilla, taulukon 1 moreenissa 2,5 metrin syvyydellä olevan lohkareen olisi oltava halkaisijaltaan
60 cm kokoinen näkyäkseen tutkaprofiililla.

2
Testien mukaan (kuva 1) GTK:n nykyiset antennit näkevät kulun suunnassa 13° eteen- ja taaksepäin,
mikä tarkoittaa noin yhtä neljäsosaa kappaleen syvyydestä. Vastaavasti antenni näkee kulkua
vasten kohtisuoraan sivulle noin 10° kulmassa, mikä on tarkoitta noin yhtä viidesosaa syvyydestä.
Nämä arvot poikkeavat vuonna 1986 80 MHz:n antennilla tehdyistä mittauksista
(Hänninen et. All).
Aikaisemman esimerkin mukaan 2,5 metrin syvyydellä olevat kappaleet alkavat sekoittua, jos
niiden välinen etäisyys reunasta reunaan on alle 120 cm tai ne ovat antennin sivulla noin 80 cm
keskilinjasta eli tutkan signaali heijastuu 2,5 metrin syvyydellä moreenimaassa lähes 2 m² alueelta.
Jos tällä alueella on yhdeksän halkaisijaltaan 20 cm kappaletta, heijasteen tulkinta on halkaisijaltaan
0,6 m lohkare. Pyöreinä kappaleina 0,6 m lohkareen massa on kolminkertainen yhdeksään
0,2 kiveen nähden.
Maa-aines Dielektri-
syys
Aallon-
kulkunopeus
cm/ns
Aallonpituus
100 MHz 200 MHz 500 MHz 1000 MHz
Ilma 1 30 3 m 1,5 m 60 cm 30 cm
Kuiva
hiekka
Märkä
hiekka
4 15 1,5 m 75 cm 30 cm 15 cm
25 6 60 cm 30 cm 12 cm 6 cm
Moreeni 16 7,5 75 cm 38 cm 15 cm 8 cm
Turve 64 3,8 38 cm 19 cm 8 cm 4 cm
Vesi 81 3,3 33 cm 17 cm 7 cm 3 cm
Taulukko 1. Joidenkin väliaineiden ohjeellisia dielektrisyys, aallonkulkunopeus ja aallonpituusarvoja.

3
Kuva 1. 200 MHz antennitesti. Kuvissa on neljä vedessä olevaa ilmatäytteistä aallonpituuden
suuruista kohdetta 60 cm etäisyydellä toisistaan. Linja kohteiden päältä (a), puoli antenninleveyttä
sivussa (b) ja koko antenninmitta sivussa (c).
3 ESIMERKKITAPAUKSIA
3.1 Lajittunut maa-aines, helppo kaivaa
Hausjärven Halkomäellä ajettiin helmikuussa 2009 neljä linjaa. Kaksi linjaa meni poikittain
syöttävän harjun yli, yksi meni harjun laella ja yksi harjun liepeellä. Kuvassa 2 on esitetty harjun
yli kaakosta luoteeseen menevä maatutkalinja. Harjun reuna-alueella on lajittuneita helposti kaivettavia
rantakerrostumia, jotka makaavat vasten karkeampaa harjumateriaalia. Alla on rakenteeton
lohkareinen harjun ydin. Lukuun ottamatta harjun ydintä, maa-aines voidaan kaivaa traktorikaivurilla

4
Kuva 2. Vasemmalla on helposti kaivettavaa rantakerrostumaa, joka nojaa karkeampaa harjuainesta
vasten. Harjun rakenteeton karkea ydin näkyy heijastamattomana alueena. Nimetyt kohteet
ovat esimerkinomaisia.
3.2 Hiekkainen moreeni
Lieksassa Pielisen rannalla tehdyissä moreenimuodostuman maatutkaluotauksessa (kuva 2) kartoitettiin
pohjaveden pintaa ja kallion topografiaa. Pintakivisyyden perusteella ei voida päätellä
varmuudella moreenin kivisyyttä. Maatutkaluotausprofiileilla on runsaasti merkkejä kivisyydestä
(kuva 3). Kivisyys on niin runsasta, että kivien heijasteet ovat sekoittuneet. Heijasteissa ei ole
selviä lohkareheijasteita. Muodostuman pintaosassa noin kahden metrin syvyyteen asti on vähäkivistä
materiaalia sekä paikoin on selviä hienoainespitoisia taskuja.

5
Kuva 2. Maatutkaluotausta Lieksassa moreenimuodostumalla. Kuvassa GSSI:n SIR3000 maatutka
ja 200 MHz:n antenni.
Kuva 3. Lieksan moreenimuodostuman maatutkaluotauslinja. Tutkalinjalla näkyy runsaasti kiviä,
osaaa heijasteista osoitetaan nuolilla. Osa kivien heijasteista on sekoittunut. Tulkittu kallion pinta
on merkitty punaisilla ja pohjavesi sinisillä palloilla.

6
3.3 TAATA -hankkeen moreenitutkimukset
Syksyllä 2008 tehtiin Lempäälän kunnan alueelle TAATA-hankkeen rakennusteknisiä tutkimuksia
varten 19 tutkimuskaivantoa, joissa erityistä huomiota kiinnitettiin moreenin kaivettavuuteen
ja lohkareisuuteen. Osa kaivantojen sijaintipaikoista maatutkattiin ennen kaivuutöitä.
Lempäälän itäosan tasaiselle moreenialueelle tehtiin tutkimuskaivanto 2008MPM_001 (kuva 4).
Alueella oli runsas pintakivisyys. Maatutkaluotauksen perusteella oli odotettavissa, että moreenissa
on runsaasti kiviä, mutta viitteitä isoista lohkareista ei ollut. Tutkasignaalin vähäisen
vaimenemisen perusteella matriksen savespitoisuus on alhainen. Kallion pinnan topografia oli
selvästi nähtävissä ja sen perusteella tutkimuskaivannon paikan valinnassa voitiin välttää ohuen
maapeitteen alueet.
Kuva 4. Lempäälän itäosan tasainen moreenialueen tutkimuskaivanto 2008MPM_001. Alueella
on runsas pintakivisyys. Myös tutkimuskaivannon materiaalin kivisyys oli runsasta.

7
Kuva 5. Maatutkaluotaustulos kaivannolta 2008MPM_001. Kaivanto on likimain kohdassa 30.
Kallion pinnan tulkinta on merkitty punaisilla palloilla.
Tutkimuskaivanto 2008MPM_002 tehtiin moreenipeitteeseen, vanhaan leikkaukseen. Tutkimuskaivannon
yläosassa oli metri kivistä hiekkamoreenia, jonka jälkeen oli metri lohkareista hiekkamoreenia
(kuva 6). Moreenipeitteen alla oli rikkonainen kallio kahden metrin syvyydessä.
Maatutkaprofiililla erottuu kuvan 6 keskikohdassa, tutkimuskaivannon kohdalla, näkyvä vähäkivisempi
moreenitasku. Profiilin molemmilla reunoilla on runsaskivistä tai lohkareista moreenia.
Huolimatta rikkonaisesta kallion pinnasta kallion topografian tulkinta onnistui hyvin.
Kuva 6. Lempäälän TAATA tutkimuskaivanto 2008MPM_002. Kaivanto on kuvan keskellä. Se
on tehty valmiiseen leikkaukseen. Maatutkaprofiili on liimattu leikkauskuvan päälle.

8
Lempäälän länsiosassa tehtiin tutkimuskaivanto 2008MPM_016 lohkareiseen moreenipeitteeseen
(kuva 7). Maa-aines oli erittäin kivinen ja lohkareinen. Maan pinnalla oli runsaasti kiviä ja
lohkareita. Raeanalyysin perusteella maa-aineksessa oli yli 20% savea. Kun raeanalyysin näytemateriaalista
oli poistettu yli 6 mm kivet, saviaineksen todellinen osuus maa-aineksesta on pieni.
Maatutkaprofiilin alkupäässä matriksen osuus maamateriaalista on ilmeisesti suurempi ja kivisyys
on vähäisempää kuin linjan loppuosassa (kuva 7), sillä tutkasignaali vaimenee linjan alkuosassa
voimakkaasti eikä kiviheijasteita ole merkittävästi. Linjan loppuosassa kallioon pinnan
tulkitseminen on epävarmaa, sillä maa-aines sisältää runsaasti heijastavia objekteja, jotka voi
tulkita kallion rakoiluksi. Kuitenkin tutkimuskaivannon mukaan kallion pinta alueella oli ehjä,
jonka perusteella tulkinnan mukaan kallion pinta olisi maatutkalinjan loppupäässä noin kolmen
metrin syvyydellä, kun se kaivannon mukaan oli noin kahdessa metrissä.
Kuva 7. Tutkimuskaivanto 2008MPM_016 Lempäälän länsiosassa. Maan pinnalla on runsaasti
roudan nostamia lohkareita. Tutkimuskaivantokuvasta voi havaita, että alle 6 mm materiaalin
osuus koko maa-aineksesta on pieni.

9
Kuva 8. Tutkimuskaivannon 2008MPM_016 maatutkaprofiili.
4 JOHTOPÄÄTÖKSET
Lajittuneessa maalajissa yksittäisen heijastavan kohteen koon ja paikan määrittäminen on mahdollista.
Moreenissa tai muussa rakenteettomassa ympäristössä yksittäisen lohkareen erottaminen
kivikasaumasta niiden aiheuttamien heijasteiden perusteella ei ole yksiselitteistä. Normaalissa
kaivuusyvyydessä (2,5 m) kalliopinnan syvyys on tulkittavissa.
Kun moreenin keskimääräinen kivikoko esimerkiksi Lempäälässä oli 6-20 cm, niin keskimääräiset
kivet näkyvät maatutkaprofiililla vain niiden kasaantuessa, mutta yksittäinen lohkare riittää
antamaan saman kaltaisen heijasteen. Jos kaivettavuustutkimuksissa käytetyn maatutkaluotauksen
antennin taajuus on 200 MHz:ää, niin pienimmän havaittavan yksittäisen kappaleen halkaisijan
pitää normaalilla kaivuusyvyydellä olla noin 60 cm. Kun kaivettavuus riippuu lähinnä lohkareiden
määrästä, ei maatutkaluotauksella .voida erotta kuin mahdolliset lohkareikot tai kivikasaumat,
mutta niiden erottaminen toisistaan ei ole mahdollista.
KIRJALLISUUSLUETTELO
Hänninen P, Koponen L. ja Perttola R., 1986. Maatutkaluotausten testimittaukset. Geologin tutkimuskeskus,
raportti P 13.5.5.010, 8 s.+12 liitettä.