Refraksjonsseismiske undersøkelser Prosjekt NB Magasin Fjellhall 3 og 4, Mo i Rana

Transkript

1 JULI 2016 Refraksjonsseismiske undersøkelser Prosjekt NB Magasin Fjellhall 3 og 4, Mo i Rana Revidert utgave OPPDRAGSGIVER: STATSBYGG Engelsviken, 17. august 2016

2 RUDEN AS- Moloveien 2, 1628 Engelsviken, NORWAY Tittel: Refraksjonsseismiske undersøkelser på Prosjekt NB Magasin Fjellhall 3 og 4, Mo i Rana (Denne rapport erstatter i sin helhet tidligere rapport datert 30 juni 2016) Forfatter, e-post: Fridtjov Ruden (ruden@rudenas.com) Oppdragsgiver: Statsbygg Kontaktperson, e-post: Fridtjov Ruden, ruden@rudenas.com Fylke: Nordland Prosjektnavn: Refraksjonsseismiske undersøkelser på Prosjekt NB Magasin Fjellhall 3 og 4, Mo i Rana Dato for feltarbeid: juni og 18. juli 2016 Sluttrapport dato: 17. august 2016 Kommuner: Rana Sideantall: 16 Prosjektnummer: P-155 Ansvarlig: Fridtjov Ruden Statsbygg vurderer mulighet for utvidelse av fjellanlegg i Mofjellet ved Nasjonalbiblioteket i Mo i Rana. Formålet ved undersøkelsene var å finne dyp til fjell for tunnel-inngang til ny fjellhall. Rapporten beskriver resultater fra seismikk-undersøkelser utført i Mo i Rana. Det ble anvendt høyoppløselig refraksjonsseismikk med nærmere 200 kanaler/ geofoner i aktive utlegg. Det ble anvendt kort geofonavstand og tette skuddpunkter. Målingene ble utført i 2 omganger, henholdsvis juni og 18 juli Ved første måleserie ble profil 1 og 3 forstyrret av støy fra industriaktivitet i underliggende fjellhaller, samt mulig støy fra vind via trær i skogsområdet. Ved den andre omgangen ble profilene forlenget noe, det ble anvendt tettere geofonavstand, og det meste av støyen fra fjellanlegget ble fjernet. Resultatene ble vesentlig forbedret etter at disse tiltakene ble gjennomført. Berggrunnen er definert som 3500ms -1. Det ble registrert betydelig påvirkning fra parallelle sprekksystemer. Sistnevnte registreres ikke i betydelig grad langs sprekkorienteringen (E-W) men ble plukket opp på tverrprofilet med NE-SW profilorientering. Det er derved viktig å vurdere resultatene mht sprekker i berggrunn ut fra dette. Det anbefales å samkjøre seismisk profilering med geoelektriske undersøkelser (ERT) på lignende prosjekter i fremtiden. Tilstedeværelse av kis (FeS 2) vil imidlertid skape komplikasjoner for ERT i det angjeldende prosjektområdet. Nøkkelord: Høyoppløselig refraksjonsseismikk, dominerende sprekkorienteringer Kategori: Geofysikk Godkjent: Fridtjov Ruden (ruden@rudenas.com) Kontrollert: NR, SA Seismisk undersøkelse for Statsbygg- Mo i Rana

3 OM UNDERSØKELSENE DENNE RAPPORT ER BASERT PÅ GEOFYSISKE UNDERSØKELSER, IKKE-INTRUSIVE OG INDIREKTE METODER FRA MARKOVERFLATE ELLER VANNOVERFLATE. ALLE TOLKNINGER I DENNE RAPPORT ER BASERT PÅ OBSERVASJONER FRA GEOFYSISKE MÅLINGER, SOM VIA PROSESSERING OG TOLKNING REFLEKTERER FORHOLDENE I UNDERGRUNNEN. TIL EN VISS GRAD INFLUERER ERFARINGSGRUNNLAGET TIL VÅRE GEOFYSIKERE INN PÅ DETTE RESULTATET. DENNE RAPPORT ER DERVED ET RESULTAT AV EN SERIE PROSESSER, MED UTGANGSPUNKT I HASTIGHETEN AV ELASTISKE BØLGER I VANN, SEDIMENTER OG BERGGRUNN. DET VIL DERVED KUNNE VÆRE FORHOLD I GRUNNEN SOM IKKE RIMELIGVIS VIL VÆRE KJENT AV VÅRE GEOFYSIKERE. DETTE MÅ TAS MED I BETRAKTNING NÅR RESULTATENE FRA RAPPORTEN SKAL ANVENDES I PRAKSIS. Seismisk undersøkelse for Statsbygg- Mo i Rana

4 Innhold Innledning... 1 PERSONELL... 1 OM GEOFYSISKE UNDERSØKELSER... 1 Refraksjonsseismikk... 1 Refleksjonsseismikk... 2 Hybrid seismikk... 2 Refraksjonsseismisk profilering... 2 Geofysiske kriterier for tolkning av berggrunn... 3 Refraksjonsseismiske profiler D modell av seismiske profiler gjennom prosjektområdet... 3 Kart over prosjektområdet Mo i Rana... 5 Profil Profil Profil L3B Profil Diskusjon basert på 3D modell Diskusjon av krysning mellom profilene L4-L1B Seismisk undersøkelse for Statsbygg- Mo i Rana

5 INNLEDNING Ruden AS har utført refraksjonsseismiske undersøkelser for Statsbygg sitt prosjekt NB Magasin Fjellhall 3 og 4, Mo i Rana. Feltundersøkelsene ble utført i to omganger: juni og 18. juli I første omgang ble det målt 4 profiler (P1-4). Ved nærmere ettersyn viste det seg at deler av Profil 1 og 3 var plaget av dårlig signal-til-støy forhold, noe som innledningsvis ble tilskrevet dårlig kopling (skogbunn), evt forsterket med seismisk støy fra vind/trær. Senere ble åpenbart at en annen støykilde var skyld i dårlig signal-til-støy forhold: Vifteanleggene og annen industristøy fra anlegget i de underliggende fjellanlegg. På vei sørover fra Tromsø stoppet mannskapet over i Mo i Rana og utførte 2 stk komplementerende profiler, med visse endringer i parameterene. Den 18 juli 2016 ble derfor deler av vifteanlegget i fjellhallene slått av under målingene, og de påfølgende målinger var da av dels meget bra kvalitet. Profilene fra de nye målingene fulgte i stor grad de opprinnelige traséene, men disse ble forlenget i noen grad, samtidig som geofonavstanden ble ytterligere redusert (til 1.5m). De første profilene P1 og P3 ble erstattet med nye profiler med nesten samme designasjon (hhv P1B og P3B). Den inneværende rapport erstatter derved i sin helhet den tidligere rapport datert 30 juni Det ble anvendt 8kg slegge som energikilde, og 1-5x stacking av signaler. Energikilden var tilstrekkelig til formålet.det ble anvendt 10Hz geofoner, kontinuerlige utlegg, 1.5/2.0m geofonavstand, 3-4m skuddavstand. Utplassering og orientering av profiler var forhåndsbestemt av oppdragsgiveren, Statsbygg, men visse modifikasjoner ble foretatt for profilene den 18 juli, bl.a. med tettere geofonavstand for bedre oppløsning og lengre profiler for økt undersøkelsesdyp. (forlengelse av profilene P1B og P3B). PERSONELL Prosjektansvarlig: Fridtjov Ruden, Cand.real Fagansvarlig: Dieter Martin, MSc. geofysiker Prosjektleder: Scott Arvesen (BSc). Teknikere: Fabian Isler og Shaby Kifarkis OM GEOFYSISKE UNDERSØKELSER Refraksjonsseismikk Overdekningen beskrives i hovedsak ved hjelp av refraksjonsseismiske tomografier. Dette er en måte å presentere p-bølgers refraksjonshastigheter som kotediagrammer i 2D, og på denne måten kan de seismiske p-bølgenes hastighetsfordeling over profilet beskrives. Dette kalles etrefraksjonsseismisk tomografi. Refraksjonsseismikk måler derved kun p-bølgers hastigheter i grunnen, og fordelingen av denne. I praksis velger man ut et større antall førsteankomster på gangtidsdiagrammer, og deretter inverteres en matematisk modell; denne modifiseres (et stort antall ganger) inntil modellen tilsvarer de målte observasjonene. Siden det er en viss sammenheng mellom hastighet og art av løsmasser tolkes profilene opp mot tabeller av typiske hastighetsverdier for forskjellige kategorier løsmasser. Den samme tilnærmingen gjelder også for tolking av svakhetssoner i berggrunn, idet p-bølgenes hastigheter vil bli redusert gjennom soner med sprekker. En tradisjonell refraksjonsseismisk undersøkelse gjennomføres normalt med et 24, ev. 48 kanalers utlegg, med samme antall geofoner, og vanligvis 7 skuddpunkter per utlegg. Vår tilnærming ved Mo i Rana var imidlertid en annen idet vi anvender et stort antall geofoner, lagt ut hver 1m eller 2m, og med skuddpunkt for hver 2.den geofon. Antall kanaler (geofoner) anvendt i 1

6 prosjektområdene kan derved variere mellom , avhengig av profilets lengde. Alle geofonposisjoner (bortsett fra inne i bygninger) er innmålt ved hjelp av RTK. Refleksjonsseismikk For å bestemme individuelle bergsprekker holder det ikke kun med tradisjonell refraksjonsseismikk. Siden de fleste (ikke alle) sprekker representerer seismiske reflektorer kan man beregne dyp ut fra p- bølgenes gangtid, fra skuddpunkt, gjennom overdekning og bergart, fra reflektor og tilbake til en eller flere geofoner. Dersom man kjenner hastighetsfordelingen i undergrunnen (den får man fra refraksjonsseismikk) kan man beregne dyp til reflektoren. Denne tilnærmingen er refleksjonsseismikk; en metode som krever mange geofoner med liten innbyrdes avstand, tett med skuddpunkter og noe mer komplisert prosessering enn ved tradisjonelle metoder. På vedleggene er de enkelte geofonposisjoner og skuddpunkter angitt på toppen av hvert profil. Refleksjonsseismikk kan kun brukes på dyp >>10m. Det ble registrert refleksjonsseismikk ved én anledning i prosjektområdet; dette er ikke inkludert i inneværende rapport. Hybrid seismikk Kombinasjonen av refraksjonsseismikk og refleksjonsseismikk kalles hybrid seismikk, og gir en brukbar synergi mellom to vidt forskjellige metoder. En bestemmelse av sprekkenes orientering (korrelasjon) vil kreve minst tre parallelle profiler med liten innbyrdes avstand. Dette er ikke gjennomført i denne undersøkelsen; derved er strøket av sprekkene ikke bestemt. Resultatene fra de enkelte profiler er beskrevet i denne rapporten. En beskrivelse av resultatene er skissert i det følgende, basert på en helhetlig tolkning av geofysiske observasjoner inklusive refraksjonsseismikk, refleksjonsseismikk. Sett i et geofysisk perspektiv omfatter overdekningen både løsmasser samt en eventuelt oppsprukket, ev. forvitret berggrunn (saprolitt). Den refraksjonsseismiske hastigheten definerer den geofysiske grenseflaten mellom overdekning og berggrunn, og er i prosjektområdet definert som 3500 m/s. Overdekningen i prosjektområdene kan variere fra leirholdige masser, morene, og til forvitret oppsprukket berggrunn. REFRAKSJONSSEISMISK PROFILERING Det er anvendt hhv 2m geofonavstand og 4m skuddavstand (L2-L4) og 1.5m geofonavstand og 3m skuddavstand. Det er anvendt tilstrekkelig antall geofoner slik at hvert profil er fullstendig dekket med (10Hz) aktive geofoner til enhver tid. (Dette innebærer at samtlige geofoner registrerer impulser fra hvert skudd). Derved kan man kombinere god oppløsning (liten geofonavstand) med optimal dybderekkevidde; dette er ikke mulig med 24/48 geofoners utlegg. Profilene viser skuddpunkter (røde triangler) og geofoner (sorte punkter). Røde vertikale piler indikerer kryssende profiler. Fargekodet refraksjonsseismisk hastighet er angitt i ms -1, se eksempelet nedenfor. Merk at i henhold til seismisk tradisjon starter nummerering av geofoner alltid med tallet 100; dette tallet indikerer derved den første geofon i utlegget. Skuddpunkter nummereres fortløpende fra begynnelsen av profilet og begynner alltid med tallet 1. 2

7 GEOFYSISKE KRITERIER FOR TOLKNING AV BERGGRUNN Hastighetsfordelingen under hvert profil er indikert som ms -1, se fargekoder. Hastigheter over 3500 ms -1 indikerer uforvitret berggrunn. Hastigheter under 3500 ms -1 indikerer løsmasser evt sterkt oppsprukket berggrunn. Koten 3500 ms -1 indikerer derved berggrunnsflaten ut fra refraksjonsseismiske kriterier. Som beskrevet avslutningsvis i denne rapport er det viktig å vite litt om hva som påvirker hastigheten av seismiske p-bølger i berggrunnen. Dersom bølgefronten beveger seg langs parallelle sprekker vil p- bølgehastigheten ikke reduseres i bertydelig grad. Derimot vil et hastigheten av et bølgetog som beveger seg på tvers av den samme dominerende sprekkorienteringen bli redusert i varierende grad. Dette innebærer at man vil kunne få forskjellige verdier på hastighet, målt i samme bergart, avhengig av vinkel mellom profilorientering og en prominent sprekkorientering. Dette forklarer hvorfor den forvitrede sonen kan opptre tilsynelatende forskjellig i krysningspunktet mellom to profiler. Det avsluttende avsnitt i denne rapporten beskriver et slikt konkret tilfelle i prosjektområdet Mo i Rana. Dette innebærer også at refraksjonsseismikk kan benyttes til å vurdere strøkretning på dominerende sprekkorienteringer, når man er klar over de forhold som er beskrevet ovenfor. REFRAKSJONSSEISMISKE PROFILER Profil Lengde Antall geofoner Antall skuddpunkter Start UTM ØST NORD Slutt UTM ØST NORD L1B L L3B L Alle koordinater er i NTM sone 14, NN1954 3D modell av seismiske profiler gjennom prosjektområdet Etter anmodning fra oppdragsgiver er det opprettet en 3D modell basert på resultatene fra den seismiske profileringen. Modellen er Voxler Ver 4 fra Golden Software, Colorado. Formålet med modellen er å visualisere resultatene i relasjon til topografi, geologi og det underliggende fjellanlegg, og for deretter å kunne vurdere all informasjon i sammenheng. For å lette visualiseringen av selve berggrunnsflaten er lagene forsynt med en av/på -funksjon, slik at lag med seismiske hastigheter <3500ms -1 (overdekning) kan slåes av og på etter ønske. Videre vil modellen forsynes med geometrisk informasjon fra de uinderliggende fjellanlegg, slik at også disse kan vurderes i en helhetlig geofysisk og geologisk sammenheng. Voxler-modellen leveres separat fra denne rapport. Det vil bli lagt inn geometri som beskriver de underliggende fjellanlegg i samme modell, slik at prosjektområdet kan vurderes i 3D i sin helhet. 3

8 Det anbefales Versjon 4 eller høyere. En demomodell kan lastes ned fra Den vedlagte Voxler-modellen (uten underliggende fjellanlegg) har filnavn: Mo-i-Rana-3Dmodel.voxb. 4

9 Kart over prosjektområdet Mo i Rana Illustrasjon: Kart over prosjektområdet i Mo i Rana. Berggrunnskart hentet fra NGU. Berggrunn er blottet ca 55m S for tunellåpning (S). Lilla punkter indikerer skuddpunkter. 5

10 PROFIL 1 PROFIL L1B 1 PROSJEKT P-155 Mo i Rana 2 OPPDRAGSGIVER Statsbygg 3 LOKALITET Mo i Rana 4 FILNAVN / VEDLEGG [155-1] MoiRana_1B.png 5 FELTARBEID 18. juli SEISMISKE UNDERSØKELSER OBSERVASJONER OVERDEKNING Refraksjon seismikk med 1.5m geofonavstand, 108 kanaler, 3m skuddintervall, 8kg slegge I profilets Nordre del er løsmassemektigheten >50m; under denne kan berggrunnsflaten ikke sees mellom 0-60m. Mellom m synker løsmassemektigheten fra ca 20m til ca 12m. Mellom m er løsmassemektigheten nominell; fra noen få meter til nær berggrunnsblotning. Overdekningen defineres opp til 3500 m s-1. 8a 9 9a 10 OBSERVASJONER BERGGRUNN KOMMENTARER Refraksjon Refraksjon Varierende mektighet av m s-1 kan være talus (sannsynlig), evt iblandet morene (mindre sannsynlig). I profilets øvre (Sørlige) del er det indikert et lavhastighetslag (ca 2500ms -1 ) som passer relativt dårlig med målingene fra det kryssende profil L4. De lave hastigheter skyldes derved trolig sprekksystemer med foretrukket orientering langs L4, og som derved står på tvers av L1. Med andre ord: sprekkene er parallelle med strøket på dalsiden. Denne anisotropien kan forklare diskrepansen, se diskusjon under avsluttende kapittel. Mellom 60 og 150m er berggrunnsflaten svært jevn og med tilsynelatende gradient (trasen mellom profil og berggrunnsflate) på ca 1:8 mot Nord. Mellom m faller berggrunnsflaten med en tilsynelatende gradient nær 1:1 mot Nord. Vi ser ikke dette som forårsaket av artifakter. God oppløsning, god kopling. Avstengning av vifteanlegget i berghall forbedret datakvaliteten i vesentlig grad. Påvisning av berggrunnsflaten ville neppe vært mulig med færre geofoner enn hva som ble anvendt her. 6

11 Illustrasjon: Refraksjonsseismisk hastighetsfordeling Profil L1B, med krysningspunkter for profilene L3B, L2 og L4. 7

12 PROFIL 2 PROFIL 1 PROSJEKT 2 OPPDRAGSGIVER 3 LOKALITET L2 P-155 Mo i Rana Statsbygg Mo i Rana 4 FILNAVN / VEDLEGG [155-1] MoiRana_2.png 5 FELTARBEID 6 8 SEISMISKE UNDERSØKELSER OBSERVASJONER OVERDEKNING Refraksjon juni 2016 Refraksjon seismikk med 2m geofonavstand, 60 kanaler, 4m skuddintervall, 8 kg slegge Profil 2 er det midterste av de E-W orienterte profilene, orientert langs skråningen. Overdekning bestående av lavhastighetsavsetninger (drenert sand, leire, enkelte blokker) har en mektighet på ca 10m i profilets Vestre del, og øker til ca 20m i profilets Østre del. En steil grense ved 70m gir en skrent på ca 20m mot Øst, og et basseng (0-70m) som kan være fylt av opp til 20m løsmassser/morene (sannsynlig), eller talus (mindre sannsynlig). 8a 9 9a OBSERVASJONER BERGGRUNN Refraksjon Uforvitret berggrunn ligger sub-horisontalt på ca 50m gjennom hele profilet, med slak gradient mot Øst. Denne flaten (definert som 3500ms -1 ) er nær maksimal undersøkelsesdyp for dette profilet (50m i sentrale deler av profilet). I den vestlige delen kan det imidlertid sees noe lavere hastigheter (2500ms -1 ) i høyere nivåer; disse tolkes som lett oppsprukket berggrunn, fra 15m under overflaten (60-120m). For praktiske formål kan det være greit å definere overflaten for oppsprukket berggrunn langs og i underkant av 2500ms -1 -konturlinjen. Man har derved en mulig sone med oppsprukket berggrunn mellom konturlinjene 2500ms -1 og 3500ms KOMMENTARER 8

13 Illustrasjon: Refraksjonsseismisk hastighetsfordeling Profil L2 9

14 PROFIL L3B PROFIL 1 PROSJEKT 2 OPPDRAGSGIVER 3 LOKALITET 4 FILNAVN / VEDLEGG 5 FELTARBEID 6 8 8a 9 9a m10 SEISMISKE UNDERSØKELSER OBSERVASJONER OVERDEKNING OBSERVASJONER BERGGRUNN KOMMENTARER Refraksjon Refraksjon L3B P-155 Mo i Rana Statsbygg Mo i Rana [155-1] MoiRana_3B.png juni (første profilering, L3, forkastet) og 18. juli 2016 (L3B) Refraksjon seismikk med 1.5m geofonavstand, 120 kanaler, 4m skuddintervall, 8kg slegge Overdekning bestående av lavhastighetsavsetninger (<1500ms -1 ) (drenert sand, leire, enkelte blokker) har en mektighet på ca 22m i profilets Østre del, og øker til ca 40m i profilets Vestre del. Underliggende avsetninger oppfattes som avsetninger med høyere grad av kompaksjon, blokker og morene, og danner en mantel på ca 5m mektighet gjennom hele profilet, avgrenset av hastighetslagene hhv 1500ms -1 og 3500ms -1. Berggrunnsflaten beskrives av konturlinje for 3500ms -1, på ca 40m i profilets Østre del, og ca 50m i den Vestre del, mellom m. God oppløsning, god kopling. Avstengning av vifteanlegget i berghall forbedret datakvaliteten i vesentlig grad i forhold til første profilering den 22 juni Profilet ble samtidig noe forlenget for å øke undersøkelsesdypet. 10

15 Illustrasjon: Refraksjonsseismisk hastighetsfordeling Profil L3B 11

16 PROFIL 4 PROFIL 1 PROSJEKT 2 OPPDRAGSGIVER 3 LOKALITET FILNAVN / VEDLEGG FELTARBEID SEISMISKE UNDERSØKELSER OBSERVASJONER OVERDEKNING Refraksjon L4 P-155 Mo i Rana Statsbygg Mo i Rana [155-1] MoiRana_4.png juni Refraksjon seismikk med 2m geofonavstand, 84 kanaler, 4m skuddintervall, 8 kg slegge Profil 4 er det øverste av 3 nær-parallelle E-W profiler langs skråningen. Overdekning bestående av lavhastighetsavsetninger (<1500ms -1 ) (drenert sand, leire, enkelte blokker) har en mektighet på ca 7m i profilets Østre del, og minker til 0-4m i profilets Vestre del. Underliggende avsetninger oppfattes som avsetninger med høyere grad av kompaksjon, blokker og morene, og danner en mantel på opp til 10m mektighet i profilets Østre del, og avtar ca 5m mektighet mot Vest, avgrenset av hastighetslagene hhv 1500ms -1 og 3500ms -1. 8a 9 OBSERVASJONER BERGGRUNN Refraksjon 9a Berggrunnsflaten beskrives av konturlinje for 3500ms -1, på ca 30m i profilets Østre del, avtar til ca 17m i profilets Vestre del. 10 KOMMENTARER 12

17 Illustrasjon: Refraksjonsseismisk hastighetsfordeling Profil 4 13

18 DISKUSJON BASERT PÅ 3D MODELL Diskusjon av krysning mellom profilene L4-L1B Illustrasjon: 3D modell av samtlige 4 profiler viser gjennomgående bra samsvar av målinger i krysningspunkter, med unntak fra krysningen mellom L1 og L4. Sistnevnte stryker parallellt med dalsiden, og sannsynligvis derved også parallell med den foretrukne sprekkorienteringen. P- bølgehastighet bremses i betydelig grad på tvers av sprekksystemer, og i langt mindre grad langs de samme sprekksystemene. Derved kan man oppleve en situasjon som indikert ved pilen: En overvurdering av forvitringsmantel av den øvre delen av L1, og en tilsvarende mangel på registrering av den samme oppsprekkingen i L4 idet sistnevnte sammenfaller med sprekkenes strøkretning. 3D modellen er et viktig verktøy ved tolkning av seismiske (og andre typer-) profiler. Voxler-modellen har filnavn: Mo-i-Rana-3Dmodel.voxb. 14

19 Illustrasjon: De seismiske profilene fra prosjektområdet Mo i Rana, sett fra undersiden. 15

20 Illustrasjon: Eksempel på skrelling av overdekning. Øverst, samtlige profiler, inklusive overdekning. Nederst, overdekning er fjernet, kun uforvitret berggrunn (>3500ms -1 ) vises. 16