Metodebeskrivelse AEM og eksempler på prosjekter R_NO 20. juni 2014 Rev. nr.: 0

Transkript

1 Metodebeskrivelse AEM og eksempler på prosjekter R_NO 20. juni 2014

2

3 Prosjekt Prosjekt: E16 Nybakk-Slomarka Resistivitetsmålinger Dokumenttittel: Metodebeskrivelse AEM og eksempler på prosjekter Dokumentnr.: R_NO Dato: 20. juni 2014 Rev. nr./rev. dato: 0 Oppdragsgiver Oppdragsgiver: Kontaktperson: Kontraktreferanse: NIFS Vikas Thakur For NGI Prosjektleder: Helgard Anschütz Utarbeidet av: Helgard Anschütz, Sara Bazin, Andreas A. Pfaffhuber Kontrollert av: Andreas A. Pfaffhuber Norsk oversettelse: Asgeir Kydland Lysdahl, Kristine Ekseth Sammendrag Denne rapporten har som formål å beskrive hvordan luftbårne elektromagnetiske målinger (Airborne Electromagnetic), AEM, kan anvendes innenfor geotekniske og anleggstekniske prosjekter. Det blir gjort rede for det teoretiske grunnlaget for teknikken samt praktiske og logistiske aspekter, det presenteres en oversikt over tilgjengelige systemer og metodens fordeler og ulemper diskuteres med utgangspunkt i tre gjennomførte prosjekter. AEM-metoden er basert på det fysiske prinsippet om elektromagnetisk induksjon. En elektrisk strøm induseres i bakken og produserer et sekundært magnetfelt som avhenger av resistivitetsfordelingen i grunnen. AEM-systemet måler enten tiden signalet bruker på å avta i grunnen eller dets frekvensspekter, og en modell av den tilhørende resistivitetsfordelingen kan konstrueres ved hjelp av inversjon av dataene.

4 Sammendrag (forts.) Dokumentnr.: R_NO Side: 4 Tidsdomene-systemer (TEM) måler hvordan responsen fra et trinnsignal (trinnresponsen) avtar med tiden. Disse er generelt bedre egnet til dypere undersøkelser på grunn av det høye magnetiske momentet senderantennen produserer. Noen TEMsystemer kan gi svært nøyaktige og godt kalibrerte data. Frekvensdomene-systemer (FEM) måler kontinuerlig på flere frekvenser samtidig. Disse er gjerne overlegne der berget har høy resistivitet og gir veldig høy oppløsning nær overflaten. Noen av de viktigste leverandører og systemer er beskrevet både i forhold til TEM og FEM. Valg av system avhenger blant annet av ønsket undersøkelsesdybde og oppløsning, terrenget, og forventede resistivtetskontraster. AEM er et kraftig verktøy i geotekniske prosjekter siden store områder kan dekkes på kort tid. Betydelige besparelser kan forventes dersom geotekniske boringer planlegges med utgangspunkt i en foreløpig geologisk modell fra en AEMundersøkelse. Dersom et begrenset antall boringer integreres med AEM-data, kan man få en komplett modell av hele det aktuelle området. Basert på erfaringer fra tre gjennomførte prosjekter anbefales et følgende oppsett for AEM-undersøkelser i fremtidige geotekniske prosjekter: AEM bør være det første steget i grunnundersøkelsene. Basert på AEMresultatene kan man effektivt planlegge hvor det bør utføres boringer. Boreresultatene bør deretter integreres i visualiseringen og interpretasjonen av AEM-dataene slik at en kombinert geo-modell (for eksempel av grunnfjellsoverflaten) kan lages. Det bør settes av nok tid til å skaffe de nødvendige tillatelser, visum og lignende. Behovet for godt vær under flyvningen begrenser undersøkelsesarbeidet til enkelte sesonger, avhengig av sted. Undersøkelser bør planlegges på et regionalt nivå heller enn for små, isolerte prosjekter. Kostnadene for AEM er relativt store for små undersøkelser. Parallelle flylinjer som tilsammen dekker en viss bredde er å foretrekke, også langs infrastruktur- eller transportkorridorer. Omfanget av undersøkelsen begrenses av kraftlinjer og urban infrastruktur.

5 Innhold Dokumentnr.: R_NO Side: 5 1 Innledning 6 2 Teoretisk grunnlag Elektromagnetisk induksjon versus refleksjon 8 3 Logistikk Undersøkelsesgeometri Landingssted Tillatelser Sesongrelaterte forhold Ledetid og leveringstid Priser Vekselvirkning med infrastruktur på bakken 10 4 AEM-systemer Tidsdomene-systemer (TEM) Frekvensdomene-systemer (FEM) Viktige kommersielle leverandører 13 5 Dataprosessering og inversjon Resistivitet fra rådata Datakvalitet: Oppløsning, nøyaktighet og støy Metoder og algoritmer Integrering med borehull 27 6 Styrker og begrensninger 28 7 Referanseprosjekter Grunnfjellsoverflate og kvikkleireutbredelse en nøkkelreferanse fra E16-utbyggingen Dybde på forvitret lag og svakhetssoner forundersøkelse vannkrafttunnel Dybde til svakhetssoner og forvitrede lag: Forundersøkelser for tunellbygging Svakhetssoner og tallusdybde en geofare- og tunnelstudie 42 8 Tilegnelser 45 9 Litteraturliste 46 Kontroll- og referanseside

6 Side: 6 1 Innledning I januar 2013 gikk NGI inn i en kontrakt med den danske AEM-leverandøren SkyTEM om en undersøkelse langs den planlagte korridoren til den nye E16 mellom Nybakk i Ullensaker og Slomarka i Sør-Odal. Målet med undersøkelsen var å redusere antallet nødvendige geotekniske boringer. Både dybde til grunnfjell og til en viss grad leirtype (mulig kvikkleire) ble kartlagt, og kombinasjonen av AEM-data og boringer bidro til å effektivisere det geotekniske arbeidet betydelig. Basert på disse positive resultatene har Statens vegvesen gjennom det nasjonale NIFSprosjektet (Naturfare-Infrastruktur-Flom-Skred) bestilt en oversiktsrapport som beskriver det teoretiske grunnlaget for AEM og anvendelsespotensialet (fordeler og ulemper) for geotekniske prosjekter. Denne rapporten oppsummerer disse aspektene. Avslutningsvis presenteres tre eksempler der AEM ble benyttet i geotekniske og ingeniørgeologiske prosjekter.

7 Side: 7 2 Teoretisk grunnlag Prinsippet om elektromagnetisk induksjon går ut på følgende: Et tidsvarierende elektromagnetisk felt, kalt primærfeltet, induserer strømmer i omgivende materialer (i dette tilfellet bakken). Det elektromagnetiske feltet som oppstår som følge av disse strømmene kalles sekundærfeltet. Endringsraten til sekundærfeltet kan måles og gir informasjon om resistivitetsfordelingen i grunnen. (Resistivitet er definert som den inverse av ledningsevnen.) Prinsippet er skissert i Figur 1. Figur 1: Prinsippet for elektromagnetisk induksjon benyttet i EM-metoder. (Scrivens, 2005) Hovedhensikten med elektromagnetiske (EM) metoder er altså å kartlegge grunnens resistivitetsfordeling. Lokale resistivitetsendringer vil fanges opp som endringer i det målte elektromagnetiske feltet. AEM har vært i bruk i gruveindustrien helt siden 1950-tallet. I begynnelsen baserte man seg på kvalitative målinger, men i løpet av de siste årene har metoden utviklet seg mye, og er nå blitt en rask og vidtrekkende kartlegging som gir et kvantitativt bilde av grunnens resistivitetsfordeling. De siste årene med utvikling har vært drevet av storskala hydrogeologiske undersøkelser, f.eks. i Danmark (Auken et al., 2003). Denne rapporten vil fokusere på geotekniske anvendelser slik som lateral variasjon (variasjon i horisontalplanet) i elektrisk ledende løsmasser, sprekker, glideplan eller intrusiver som inneholder store mengder grunnvann eller stor leirmektighet.

8 Side: Elektromagnetisk induksjon versus refleksjon EM-metoder baserer seg som nevnt på elektromagnetisk induksjon. Sammenlignet med Elektrisk resistivitetstomografi (ERT) er den viktigste forskjellen at et tidsvarierende felt introduseres i grunnen i stedet for en galvanisk tilkoblet likestrøm, som er tilfellet med ERT. EM-metoder krever ikke at utstyret er i direkte kontakt med bakken og kan derfor brukes der ERT ikke er fordelaktig (det være seg vanskelig terreng eller høy overgangsmotstand). Andre fordeler over ERT er større dekning, dypere penetrering og raskere datainnsamling. GPR er en annen metode som baserer seg på elektromagnetisme, men det er en viktig forskjell fra EM-metoder: Mens frekvensen på feltet benyttet i GPR er så høy at signalet propagerer nedover i bakken (reelt bølgetall), er induksjonsmetodene basert på diffusjon av signalet (imaginært bølgetall). For GPR karakteriseres dermed målobjektet av refleksjoner (f.eks. grunnvannsspeilet) eller diffraksjoner (f.eks. et begravet objekt) av de elektromagnetiske bølgene. Frekvensen benyttet i GPR er i størrelsesorden MHz til GHz, mye høyere enn for EM-metoder. I tillegg krever GPR vanligvis direkte kontakt med grunnen som vist i Figur 2. Undersøkelsesdybden er stort sett mye mindre for GPR (varierer oftest fra noen desimetere til noen titalls meter) enn for AEM. Svært ledende masser (leire, saltvann etc.) begrenser penetreringsdybden til GPR betraktelig. Figur 2: Prinsippet bak GPR. (Hentet fra

9 Side: 9 3 Logistikk Dette avsnittet er ment som en praktisk veiledning, og logistikkrelaterte punkter knyttet til planlegging og gjennomføring av AEM-undersøkelsen er listet opp. 3.1 Undersøkelsesgeometri Undersøkelsen består av et sett parallelle linjer som flys med meters mellomrom. Klienten og tjenesteleverandøren kommer sammen til enighet angående undersøkelsesområdet og orienteringen av flylinjene. Den laterale oppløsningen er større langs flylinjene enn på tvers av dem. Derfor er det vanligvis fordelaktig å plassere linjene slik at de krysser eventuelle geologiske strukturer. Hastigheten på datainnsamlingen er omtrent kvadratkilometer om dagen, avhengig av helikoptertype, linjeavstand og instrumenter. Rekkevidden sideveis ("fotavtrykket") er typisk 3-4 ganger så stor som systemets flyhøyde. Dette må tas med i vurderingen av linjeavstanden (delvis dekning, full dekning eller oversampling). Dersom det er bratt terreng i undersøkelsesområdet bør det vurderes å legge flylinjene rett oppover langs helningsretningen for å få best mulig konsistens i flyhøyde og hastighet. Terrengmodeller (DEM) kan brukes til å finne den beste orienteringen for en bestemt undersøkelse. 3.2 Landingssted Det må legges til rette for et landingssted så nærme undersøkelsesområdet så mulig. Det bør være en flat plass fri for kraftlinjer, høye trær eller antenner, og dersom det er mulig langt unna bygninger av sikkerhetsmessige årsaker. En støvete landingsplass kan skape farlige situasjoner og ødelegge utstyret. Vanligvis hjelper klienten tjenesteleverandøren med å finne en egnet landingsplass og sørger for de nødvendige tillatelser. Helikopteret skaffes vanligvis til veie av tjenesteleverandøren, men det settes også stor pris på hjelp fra klienten. Forskjellige helikopterutleiere har gjerne forskjellige praksis for hvem som har ansvaret for å skaffe personell og om slike kostnader er inkludert i prisen på jobben. I alle tilfeller må det forventes god kommunikasjon mellom tjenesteleverandøren og klienten i alle logistiske ledd. 3.3 Tillatelser Klienten må garantere at alle rettigheter til å samle inn geofysiske data i undersøkelsesområdet foreligger. Klienten må videre hente inn alle nødvendige tillatelser fra aktuelle interessehavere inkludert (men ikke begrenset til) lokale myndigheter. Flytillatelse for helikopteret må foreligge. Visum for feltpersonellet og import/tollfritak på utstyret må ordnes god tid i forveien. 3.4 Sesongrelaterte forhold Tiden for undersøkelsen bestemmes av flyforholdene: Det kan hverken være lave skyer eller sterk vind. Det er vanligvis mindre vind om morgenen enn om kvelden. Dersom ekstremt lav eller høy temperatur ikke hindrer selve helikopteret i å fly, kan systemet opereres under de fleste temperaturforhold. Det kan kun flys i dagslys, noe

10 som reduserer tilgjengelig flytid betraktelig om vinteren i Norge. Dersom dårlig vær (kraftig nedbør, tåke, tordenvær etc.) forhindrer flyvning må det eventuelt påregnes utgifter til ventetid (se også merknadene angående ledetid). 3.5 Ledetid og leveringstid Nødvendig forberedelsestid i forkant av en undersøkelse er hovedsakelig avhengig av tilgjengeligheten på helikopter og utstyr, samt værforhold. Store firmaer har AEM-utstyr stasjonert i flere deler av verden, noe som kan gjøre planleggingen enklere. Danske SkyTEM er den AEM-leverandøren som er nærmest Norge. De fleste entreprenører har en ganske tett tidsplan, så planleggingen må gjøres flere måneder i forveien. Straks anbudet er levert og kontrakten er signert, definerer man en fornuftig tidsramme for prosjektet. Likevel kan forsinkelser forekomme spesielt i mer avsidesliggende områder. Foreløpige data fra undersøkelsen er vanligvis klare etter bare noen dager, og endelige data vanligvis etter noen uker. Tilsvarende gir prosessering og interpretasjon foreløpige modeller etter bare noen dager, mens en endelig 3D-modell tar fra uker til måneder avhengig av undersøkelsens utstrekning og hvor omfattende integrasjonen med andre data er. Det kan være nødvendig å reprosessere AEMresultatene både under og etter grunnundersøkelsene. 3.6 Priser For storskala kartlegginger med titusener av linjekilometer beregnes prisen på undersøkelsen enkelt utfra en fast kilometerpris som inkluderer datainnsamling og prosessering. Undersøkelser med geoteknikk som formål er ofte mye mindre og er derfor ikke så enkle beregne pris på. En undersøkelse tar omtrent en og en halv uke fra utstyret og personellet ankommer til de drar, selv om bare en eller to dager brukes til selve datainnsamlingen. Resten av tiden går med til rigging, kalibrering og andre praktiske oppgaver. For geoteknikk-relaterte undersøkelser i Norge i størrelsesorden linjekilometer er et realistisk budsjett som inkluderer datainnsamling, prosessering og invertering mellom 1 og 1,5 millioner kroner. Omtrent 2/3 av budsjettet går til datainnsamlingen (inkludert kostnader til helikopter), mens omtrent 1/3 til prosessering, invertering, interpretasjon og rapportering. 3.7 Vekselvirkning med infrastruktur på bakken Flylinjene bør legges utenom hus, strømførende kabler, jernbaneskinner og tilsvarende infrastruktur. Dette er ikke alltid mulig å etterkomme, men man må i så fall være oppmerksom på at dataene innsamlet inntil 200 m fra slike objekter må forkastes. Videre må det tas hensyn til sikkerheten knyttet til flyvning i nærheten av kraftlinjer og andre kabler i luften. Dokumentnr.: R_NO Side: 10

11 Side: 11 4 AEM-systemer Det finnes to forskjellige kategorier av systemer for å generere og registrere elektromagnetiske felt: Transient eller tidsdomene-systemer, eller frekvensdomenesystemer. Det første anvendbare fastvingesystemet (montert på et fly) ble introdusert i 1948 og ble etterfulgt av det første fungerende helikoptersystemet i 1955 (Fountain, 1998). Både helikopter- og fastvingesystemer har blitt utviklet parallelt siden, og inntil 1960-årene benyttet alle systemene frekvensdomene. Siden slutten av årene har fastvingesystemer primært brukt tidsdomene mens helikoptersystemene fortsatte å benytte frekvensdomene. Siden 2002 har helikopterbårne tidsdomenesystemer gjennomgått en kraftig utvikling. Så mange slike systemer har blitt introdusert at de i dag overgår antallet tilgjengelige frekvensdomenesystemer fullstendig. Generelt er det stor avstand mellom sender- (Tx) og mottakkerspolen (Rx) i et fastvingesystem. Senderantennen har et stort magnetisk moment som tillater større penetreringsdybde sammenligningsvis. Til gjengjeld gir stor avstand mellom Tx og Rx dårligere oppløsning. 4.1 Tidsdomene-systemer (TEM) I tidsdomenesystemer (TEM) skrus senderen helt av og dempningskurven til sekundærfeltet måles. Rett etter at strømmen skrus av vil de induserte strømmene befinne seg nær overflaten, og signalet som måles avhenger hovedsakelig av resistiviteten i topplagene. Ettersom tiden går diffunderer strømmene nedover i bakken og spres utover, og det målte signalet inneholder informasjon om dypereliggende lag. Prinsippet er vist i Figur 3. I TEM-systemer blir senderantennen enten festet på undersiden av et fastvingefly eller båret under et helikopter ved hjelp av wire. Strømmen som går i senderantennen skrus brått av, og endringen som da oppstår i magnetfeltet genererer strømmer i bakken. Tidsutviklingen til sekundærfeltet fra disse strømmene måles med en induksjonsspole, som gjerne er plassert på rammen under helikopteret eller som henger etter flyet. Endringsraten til styrken på de induserte strømmene er proporsjonal med resistiviteten i bakken. Ved å interpretere dempningskurvene kan man dermed komme frem til resistivitetsfordelingen i bakken. Denne sammenhengen mellom endringsraten til strømstyrken og resistiviteten er ikke lineær, så problemet må løses ved hjelp av linearisert inversjon. (Auken et al., 2009). TEM er spesielt sensitiv til ledende lag som ligger under mer resistive lag. Siden resistiviteten til leire avhenger av leirinnhold og saltinnhold i porevannet er metoden godt egnet til å kartlegge kvikkleire som ligger under tørrskorpe. TEM kan gi veldig god dybdeoppløsning siden det tilgjengelige frekvensbåndet samples med mange tidsvinduer og dermed med høyere oppløsning enn de 5-7 frekvensene som benyttes i FEM. Et godt kalibrert TEM-system kan derfor gi bedre dybdeoppløsning enn et FEM-system. Tilstrekkelig undersøkelsesdybde for TEM oppnås ved at senderantennens magnetiske moment er betydelig større enn for FEM. Typiske TEMp:\2013\00\ \leveransedokumenter\rapport\metodebeskrivelse\ r_no_metodebeskrivelse aem_final.docx

12 systemer rekker flere hundre meter ned i bakken avhengig av resistivitetsfordelingen (lavere resistivitet gir kortere penetrering). Dokumentnr.: R_NO Side: 12 Figur 3: Prinsippet til TEM. a) Strømmen i senderen som funksjon av tiden; b) indusert elektromotorisk kraft; c) Sekundærfeltet med målevinduer. Merk at det kun måles mens senderen er skrudd av. (Hentet fra Sørensen et al., 2006) 4.2 Frekvensdomene-systemer (FEM) Frekvensdomenesystemer opererer med kontinuerlige bølgeformer (typisk sinusbølger) fra senderen. Som følge av et varierende primærfelt induseres også et sekundærfelt i bakken. Mottakerspolen benyttes til å måle endringer både i primærog sekundærfeltet. Mens TEM-målinger kun foretas når senderen er skrudd av, kjøres FEM-målingene kontinuerlig ved flere frekvenser. De lave frekvensene gir stor penetreringsdybde mens de høye frekvensene gir informasjon om mer grunnere strukturer. Virkemåten er skissert i Figur 4. Grunnen rett under bakken (10-50 meters dybde, avhengig av system) avbildes med veldig høy oppløsning med FEM på grunn av de høye frekvensene som benyttes. Måleområdet til FEM omfatter noe høyere resistivitetsverdier enn TEM: For eksempel kan FEM skille klart mellom 1000 Ωm og Ωm, mens TEM kun skiller mellom 1000 Ωm og "høyere verdier". Dette kan være relevant dersom man må skille mellom forskjellige typer grunnfjell, men for løsmassekartlegging er resistivitetsverdiene vanligvis mye lavere enn 1000 Ωm. På den annen side kan FEM-systemer i regelen ikke se igjennom tykk ledende overdekning, og er dermed uegnet for dyptrekkende undersøkelser. FEM-undersøkelser benyttes gjerne til anleggstekniske og miljøtekniske formål der det ikke skal kartlegges dypere enn 150 meter.

13 Videre er FEM-systemer mindre sensitive til støy fra elektrisk infrastruktur på bakken, og kan være et bedre alternativ for undersøkelser som går langs kraftlinjer. FEM og TEM-undersøkelser har begge styrker og svakheter med tanke på kartlegging. Ved å kjøre kombinert inversjon (joint inversion) av data fra de to metodene kan resistivitetsmodellen forbedres betraktelig (Sunwall et al., 2013). Dokumentnr.: R_NO Side: 13 Figur 4: Prinsippet til FEM. Figuren viser primærfeltet ved mottakeren, den elektromotoriske kraften (EMF) i en leder i grunnen og sekundærfeltet ved mottakeren. (Hentet fra thods/electromagnetic_methods/frequency_domain_electromagnetic_methods.htm) 4.3 Viktige kommersielle leverandører Valg av leverandør for undersøkelsen bør baseres på kostnad, tekniske spesifikasjoner og bedriftens bakgrunn. Per i dag (2014) er det tre store AEMleverandører på markedet: 1. Fugro. Tidligere var Fugro verdens største leverandør av luftbårne geofysikkløsninger, og bedriften kan se tilbake på flere tiår med erfaring fra feltet. Som en stor aktør har de et godt omdømme når det gjelder pålitelighet og kvalitet. Fugro Geosciences har nylig blitt oppkjøpt av CGG VERITAS. 2. Geotech Airborne har til sammenligning vært en liten aktør med hovedfokus på helikopterbårne systemer. Bedriften ble den største leverandøren av helikopter-tem da VTEM-systemet ble introdusert noen titalls år tilbake.

14 Deres hovedmarked er gruveindustrien og deres systemer er designet for å rekke så dypt ned i bakken som mulig. 3. SkyTEM er en spinoff-bedrift fra universitetet i Århus i Danmark som ble etablert på grunnlag av et unikt helikopterbasert TEM-system designet for å gi veldig høy oppløsning i den øverste delen av grunnen. Etter etableringen for omtrent ti år siden har bedriften utvidet sin utstyrsstall slik at de nå leverer løsninger både for grunne undersøkelser og for dyptliggende mål innen gruveindustrien. NGI har så langt hatt veldig positive erfaringer fra sine undersøkelser med SkyTEM. Valg av AEM-system bør baseres på ønsket penetreringsdybde og ønsket grad av oppløsning (både i horisontal og vertikal retning). For eksempel opererer SkyTEM med tre forskjellige rammestørrelser: 139 m², 341 m² og 536 m². Den største rammestørrelsen brukes til de dypeste undersøkelsene (opptil 300 meters dybde), den mellomstore brukes når 200 meters penetreringsdybde er nødvendig, og den minste brukes for å få veldig høy oppløsning nær overflaten. Valg av helikopter er avhengig av vekten på AEM-riggen og størrelsen på området som skal dekkes. Det budsjetteres utfra mobilisering og pris per linjekilometer (beregnes på grunnlag av undersøkelsens lengde). Vanligvis sørger klienten for kost og losji, drivstoff og lokal transport. Feltpersonellet består av helikoptermannskapet (1-2 piloter og 1-2 mekanikere) og EM-personellet (2 teknikere). I det følgende gis det en kort oversikt over viktige tjenesteleverandører og deres løsninger med tilhørende spesifikasjoner. Fastvinge-TEM-systemer tilgjengelig i dag omfatter TEMPEST, GEOTEM og MEGATEM, som alle drives av CGG VERITAS (tidligere Fugro). TEMPEST er et system med stor båndbredde som har blitt brukt til å undersøke grunnvann og saltkonsentrasjon, spesielt i Australia (Tabell 1). Undersøkelsen var fokusert nær overflaten. GEOTEM er designet på samme måte som TEMPEST men med en annen bølgeform på sendersignalet for dypere penetrering. Systemet er montert på et Casa 212 fly ombygget til å kunne bære en senderspole med seks sløyfer. Systemet gir stor undersøkelses-dybde og er forløperen til det større MEGATEM-systemet (Tabell 1). MEGATEM har et stort magnetisk moment og passer godt til dyptrekkende undersøkelser. Dokumentnr.: R_NO Side: 14

15 Tabell 1: Viktige fastvinge-tem-systemer med spesifikasjoner. Fotografier er hentet fra cgg.com TEMPEST GEOTEM MEGATEM - Grunnfrekvens: - Areal Tx: 230 m 2 - Maksimalt 25 Hz - Maksimalt magnetisk - Areal Tx: 186 m 2 magnetisk moment: Bølgeform: Firkantet moment: Am 2 - Ant. sløyfer Tx: Am 2 - Justerbar - Maksimalt magnetisk moment: Am 2 - Justerbar grunnfrekvens grunnfrekvens - Samplingsfrekvens: 75 Hz Dokumentnr.: R_NO Side: Helikopterbårne TEM (HTEM)-systemer omfatter HeliTEM (CGG, tidligere Fugro), VTEM (Geotech), SkyTEM (SkyTEM Survey ApS) og AeroTEM (Geotech, tidligere Aeroquest). a. HeliTEM er tilpasset dyptrekkende undersøkelser (Tabell 2). Den tar i bruk en tre-komponents mottakerspole som er festet til et slepetau istedenfor til senderantennen som er tilfellet på andre HTEMsystemer. De siste Heli(Geo)TEM-modellene anvender en såkalt multipulsbølgeform som skal gi veldig høy oppløsning nær overflaten. b. VTEM har en konsentrisk sløyfegeometri der Rx-spolen er plassert i midten av Tx-sløyfen. Avstanden fra sløyfen til bakkenivå er 30 m. I utgangspunktet målte dette systemet kun z-komponenten av sekundærfeltet, men fra 2009 ble enda en Rx-spole installert for å kunne måle x-komponenten. VTEM egner seg til dyptrekkende undersøkelser. De siste modellene har en kompensasjonsspole for å måle B-feltet (magnetfeltet) direkte. Dette er spesielt viktig for sterke ledere slik som mineralforekomster. c. AeroTEM er optimalisert for utforskning av mineraler i gruveindustrien. Systemet er helt stivt, noe som forbedrer effektiviteten til kompensasjonsspolen som brukes til å minimalisere effekten fra primærfeltet. Dette gjør det mulig å begynne målingen før primærfeltet skrus av. Systemet har spoler for å måle både z- og x- komponenten av sekundærfeltet. Undersøkelsesdybden skal være opptil 500 m ifølge Aeroquest (Tabell 2). d. SkyTEM-systemet ble i utgangspunktet utviklet for undersøkelser av grunnvannet. Forutsetningene den gang var at de målte datasettene

16 skulle ha samme kvalitet som dem som kom fra bakkebaserte TEMsystemer. Derfor kan SkyTEM effektivt måle en svært tidlig del av dempningssignalet fra objekter med dårlig ledningsevne (ned mot 2 Siemen). Systemet benytter en Tx-spole med 2 eller 4 sløyfer (høyt magnetisk moment HM) og en Tx-spole med kun en sløyfe (lavt magnetisk moment LM). Systemet har vært i utstrakt bruk i Danmark for å kartlegge grunnvannet. Det leveres løsninger med tre forskjellige rammestørrelser for forskjellige penetreringsdybder. Spesifikasjoner for den mellomstore rammestørrelsen er gitt i Tabell 2. Bølgeformen til sendersignalet for de forskjellige HTEM-systemene er sammenlignet i Figur 5. Videre er en mer detaljert sammenligning mellom spesifikasjonene til AeroTEM, GeoTEM og MegaTEM vist i Figur 6. Dokumentnr.: R_NO Side: 16 Tabell 2: Viktige HTEM-systemer med spesifikasjoner. Fotografier er hentet fra de respektive leverandørers hjemmesider (cgg.com, geotech.ca, aeroquestairborne.com, skytem.com) HeliTEM - Diameter Tx-sløyfe: 14 m - Maksimalt magnetisk moment: Am 2 - Grunnfrekvens: 25 Hz - Bølgeform: Halv sinus - Avstand Tx-sløyfe-bakkenivå: 35 m - Avstand Rx-sløyfe-bakkenivå: 65 m VTEM - Diameter Tx-sløyfe: 26 m - Maksimalt magnetisk moment: Am 2 - Grunnfrekvens: 25 or 30 Hz - Bølgeform: Rektangulær AeroTEM - Diameter Tx-sløyfe: 26 m - Maksimalt magnetisk moment: Am 2 - Grunnfrekvens: 25 or 30 Hz - Bølgeform: Rektangulær SkyTEM - Areal Tx-sløyfe: 341 m 2 - Maksimalt magnetisk moment: NIA (LM) NIA (HM) - Avstengningstid: 4 µs (LM) 60 µs (HM)

17 Side: 17 Figur 5: Bølgeformen til strømmen i senderantennen og indusert elektromagnetisk felt for forskjellige HTEM-systemer. Primærfeltet som registreres av mottakerspolen er proporsjonal til den tidsderiverte av bølgeformen til strømmen i senderen (Allard, 2007).

18 Side: 18 Figur 6: Sammenligning mellom AeroTEM, GeoTEM og MegaTEM (Scrivens, 2005). 2. FEM-systemer omfatter RESOLVE-systemet (Fugro, nå CGG), IMPULSE (Aeroquest, nå Geotech) og DIGHEM (Fugro, nå CGG). RESOLVE benytter 6 frekvenser (fra 400 Hz til 8200 Hz) og er designet primært for en lagdelt geologi. Systemet er derfor best egnet til å kartlegge konduktivitetskontraster nær overflaten for å avdekke soner med mer ledende materialer, noe som er anvendbart i anleggstekniske og miljøtekniske sammenhenger. IMPULSE benytter også 6 frekvenser (fra 870 til Hz) og har et magnetisk moment på Tx-antennen på Am² avhengig av hvilken frekvens som brukes. DIGHEM benytter 5 par sender- og mottakerantenner med 5 forskjellige frekvenser (mellom 900 og Hz). Noen av DIGHEMs frekvenser tas i bruk ved hjelp av koaksiale Rx/Tx-par, noe som øker sensitiviteten for vertikalt orienterte objekter. Systemet egner seg til å kartlegge de øverste 150 meterne av grunnen ifølge leverandøren.

19 Side: 19 RESOLVE DIGHEM IMPULSE Figur 7: Fotografi av RESOLVE, IMPULSE og DIGHEM (hentet fra cgg.com og aeroquestairborne.com)

20 Side: 20 5 Dataprosessering og inversjon 5.1 Resistivitet fra rådata Det viktigste og mest omfattende skrittet for å forstå AEM-data er å overføre rådataene til en resistivitetsmodell. Prosessen involverer sofistikerte inversjonsalgoritmer som fører til en intrinsisk usikkerhet i de resulterende resistivitetsmodellene. Det finnes forskjellige tilnærminger for å løse de ikke-lineære ligningene, men i denne rapporten fokuseres det på linearisert minste kvadraters inversjon som er en av de mest anvendte tilnærmingene. Metoden er implementert i en programvarepakke utviklet ved Universitetet i Aarhus, og er kommersialisert gjennom spinoff-bedriften Aarhus Geophysics. Figur 8 viser stegene som er nødvendige for å oppnå det endelige produktet (konduktivitet/resistivitetskart) fra rådataene samlet inn under flyvningen. Disse stegene samt parametere som bestemmer det endelige resultatet vil det gjøres rede for i større detalj i det følgende. Figur 8: Stegene i prosesseringen som leder frem til det endelige produktet (konduktivitets- eller resistivitetskart) fra rådataene. A - rådata fra flyvningen; B- dempningskurve; C resistivitetsverdier fra inversjonen midlet over dybdeintervallet m; D konduktivitet/resistivitetskart som det endelige produktet. (Bilde gjengitt med tillatelse fra CRC LEME).

21 Side: Datakvalitet: Oppløsning, nøyaktighet og støy Med oppløsning menes AEM-systemets evne til å oppfange og adskille ledere som ligger nærme hverandre og påvirker hverandres signaler. Et system som gjør dette bra produserer også skarpt fremtredende anomalier over isolerte eller avgrensede ledende objekter. Med lateral oppløsning menes oppløsning i horisontal retning, mens med dybde-oppløsning menes evnen til å skille strukturer ved forskjellige dybder (vertikalt). Lateral oppløsning øker generelt med minkende flyhøyde. Av sikkerhetsgrunner skal flyhøyden i åpent terreng være omtrent 30 m (faktisk høyde kan variere mellom 25 og 45 m). Over skogsområder og tekniske installasjoner økes flyhøyden med høyden av objektene det flys over. Under slike forhold (skogsområder, bebyggelse, bratt terreng) er det vanligvis ikke mulig å skaffe høyoppløselige data. Vertikal oppløsning påvirkes av signalstøy-forholdet som blir bedre dersom senderens magnetiske moment gjøres større, strømmen i senderen kobles ut raskt og presist, og dersom man har god kjennskap til alle systemets karakteristikker. Nøyaktigheten til AEM-resultatene kan ikke defineres eller beskrives på generelt grunnlag. Nøyaktigheten som kan oppnås avhenger av de faktiske fysiske parametere som skal kartlegges. Jo lavere resistivitetskontrast det er mellom de forskjellige materialene, desto vanskeligere er det å kartlegge grensene mellom de respektive lag eller objekter. Hvis for eksempel grunnfjellsdybde er hovedformålet med en AEM-undersøkelse og grunnfjellet er skifer med mye leire i løsmassene over, kan dette være vanskelig å kartlegge. Dersom grunnfjellet på den annen side består av hard, intakt granitt eller gneis og løsmassene består av mye leire, kan grunnfjellsdybden kartlegges med høy nøyaktighet. Dybden til et gitt lag påvirker også nøyaktigheten: Dypereliggende strukturer er vanskeligere å kartlegge. I tillegg spiller lagets tykkelse en viktig rolle, i og med at et tynt lag (spesielt hvis det ligger dypt) på samme måte er vanskelig å kartlegge. Penetreringsdybden til et AEM-system er det samme som den effektive undersøkelsesdybden. I tillegg til systemets parametere påvirkes penetreringsdybden også av det lokale miljøet og flyforholdene. Generelt har systemene med stor senderantenne (stort magnetisk moment) større penetreringsdybde enn dem med mindre rammer. Penetreringsevnen er nært knyttet til signal-støy-forholdet siden et system som produserer en stor anomali fra en gitt leder naturligvis også er i stand til å se dypere ned i bakken. Typiske AEM-penetreringsdybder er i størrelsesorden flere hundre meter, og avhenger hovedsakelig av geologien (høyere resistivitet gir større penetreringsevne). Urbane områder gir støy i dataene. Urbane områder har gjerne store mengder infrastruktur, hus, gjerder, kraftlinjer, veier etc. som alt resulterer i induktiv kobling og dermed støy. Derfor bør slike områder unngås i størst mulig grad.

22 Side: Metoder og algoritmer Konvertering av innsamlet data til en tilnærmet resistivitetsmodell av bakken gjøres ved å benytte en rekke programvarebaserte prosesserings- og visualiseringsmetoder (se avsnitt 5.1). Siden både lateral oppløsning og dybdeoppløsning er begrenset av fysikkens lover, leter inversjonsalgoritmene etter konsistente modeller ved hjelp av forskjellige tilnærmingsmetoder. To mye anvendte metoder som setter laterale grensebetingelser på modellen benytter seg av konsistens mellom dataene langs linjene (LCI) eller i undersøkelsesområdet (SCI). Begge metodene beskrives kort i neste avsnitt. Kontroll med dybdeoppløsningen illustreres videre med lagdelt og glatt inversjon LCI Lateralt betinget inversjon I LCI benyttes laterale grensebetingelser til å binde sammen de individuelle sonderingene langs linjene (Auken og Christiansen, 2004). Den laterale oppløsningen skalerer med avstanden mellom sonderingene. LCI-modellen er dermed en rekke av sammenlimte lagdelte 1D-modeller langs profilet/flylinjen. Viktige parametere som varieres under inversjonen er således lagenes tykkelse og resistivitet, men tilsvarende grensebetingelse kan også benyttes mellom lagene i dybderetningen. Prinsippet til LCI er illustrert til venstre i Figur 9. En av metodens største fordeler er at det oppnås kontinuitet i modellseksjonene og at dårlig kartlagte parametere blir bedre bestemt. Figur 9: Venstre: Prinsippet til LCI. Grensebetingelser langs flylinjene. Høyre: Prinsippet til SCI: Grensebetingelser på langs og på tvers av flylinjene. (Hentet fra HydroGeophysics Group, University of Aarhus, 2011.)

23 Side: SCI Romlig betinget inversjon SCI tar i bruk grensebetingelser mellom 1D-modellene på en romlig, tredimensjonal måte, både langsmed og på tvers av flylinjene (Viezzoli et al., 2009). Den største forskjellen mellom LCI og SCI ligger i oppsettet av de laterale grensebetingelsene. I SCI settes grensebetingelsene opp i et triangulert mønster der alle "nærmeste naboer" er koblet sammen. Metoden inkluderer geologisk informasjon både langsmed og på tvers av flylinjene. Dette fører generelt til en mer koherent resistivitetsfordeling. Prinsippet er vist til høyre i Figur Lagdelt versus glatt inversjon. Ved å sette betingelser på modellparameterne økes oppløsningen av resistivitetsverdier og laggrenser som ikke blir godt nok kartlagt ved å invertere de enkelte sonderingene separat. Både LCI og SCI-algoritmene er utviklet for enten parametrisert inversjon med normalt 4-5 lag eller glatt inversjon med f.eks. 18 lag med fast tykkelse og variabel resistivitet. Det er fordeler og ulemper ved begge algoritmene. Laggrenser, resistivitet og penetreringsdybde bestemmes best med parametrisert (lagdelt) inversjon. Glatt inversjon er derimot i større grad uavhengig av startmodellen, og gradvise resistivitetsoverganger er ofte lettere synlige, noe som gjør det enklere å få oversikt over kompliserte geologiske strukturer. Det er alltid nødvendig å prøve ut forskjellige inversjonsalgoritmer (lagdelt versus glatt, frie versus snevre betingelser), og optimalt valg av parametere varierer fra datasett til datasett. De beste resultatene velges til slutt ut på grunnlag av modellenes residualfeil (avvik mellom dataene og modellen). De inverterte dataene inspiseres grundig og forkastes dersom residualfeilen er for høy (generelt over 2). Et eksempel på inverterte modeller langs en flylinje med tilhørende residualer er vist i Figur 10. Figur 10: Eksempel på inversjonsresultat fra en spesifikk flylinje. Hver søyle viser en enkelt 1D-modell, en for hver sondering langs linjen. De tilhørende residualverdier er plottet i grafen under.

24 Figur 11 og Figur 12 viser en sammenligning av lagdelt og glatt inversjon for datasettet fra det første referanseprosjektet (se kapittel 7.1). I dette tilfellet viste det seg at residualene fra den glatte inversjonen (ikke vist) var minst, og derfor ble disse resultatene visualisert og presentert som det endelige resultatet. Dokumentnr.: R_NO Side: 24 Figur 11: Eksempel på et AEM-profil fremskaffet ved glatt inversjon (20 lag). Figur 12: Det samme profilet med samme fargeskala som i Figur 11, men her fremskaffet ved lagdelt inversjon (tre lag).

25 Side: Inversjonsprosedyren Rådataene består av det tidsvarierende elektromagnetiske feltet som registreres med induksjonsspolene. Ved NGI utføres dataanalysen i programpakken Aarhus Workbench ( Dataprosesseringen tar omtrent 2-3 dager for en dags innsamlet data. Leddene i dataprosesseringen går som følger: Importere rådataene som inneholder spenningsverdier og navigasjonsdata og konvertere sistnevnte til det relevante UTM koordinatsystemet. Fjerne refleksjoner fra tretopper i høydedataene (se Figur 13). Maskere sterkt avvikende verdier (outliers) og områder med dårlig signal- /støyforhold. Automatisk og manuell redigering sikrer høy kvalitet på prosesseringen. Induktive koblinger med menneskeskapte objekter fjernes og kontrolleres manuelt. Dette kan være ganske tidkrevende, men er svært viktig av kvalitetshensyn. Data av god og dårlig kvalitet er vist i henholdsvis Figur 14 og Figur 15. Inversjonsprosedyren går som følger: En første inversjon kjøres med glatt modellering og LCI-algoritme. Data med mye støy som ikke har blitt maskert bort under dataprosesseringen og som ikke kan tilpasses blir fjernet. En andre og siste inversjon med 3D-modellering/SCI-algoritme kjøres, vanligvis med et bestemt antall lag. I enkelte tilfeller kan en glatt inversjon gi bedre resultater enn en lagdelt inversjon. Til slutt kan de enkelte resistivitetsverdier interpreteres som forskjellige geologiske enheter. Konduktive områder kan skilles fra mindre konduktive områder. Geologisk eller geofysisk tilleggsinformasjon er vanligvis nødvendig for å kunne utføre en pålitelig interpretasjon. Figur 13: Eksempel på høydedata. Den røde og den grønne kurven viser data fra de to laseraltimeterne som er montert på SkyTEM-riggen. Over skogsområder må kurvene korrigeres manuelt (brun kurve). (Hentet fra HydroGeophysics Group, Universitetet i Aarhus, 2011)

26 Side: 26 Figur 14: Eksempel på rådata av god kvalitet (SkyTEM; øverst: lavt magnetisk moment, nederst: høyt magnetisk moment). Hver linje svarer til ett tidsvindu. Støynivået (nås vanligvis i de siste tidsvinduene) er indikert. Figur 15: Eksempel på rådata av dårlig kvalitet. Disse dataene har blitt forkastet fra inversjonen. Likevel kan grunnfjellet antas å befinne seg der signalet går i ett med støynivået. En såkalt induktiv kobling som forekommer der en kraftledning eller vei krysses kan også sees. Slike data må fjernes fra inversjonen.

27 Side: Integrering med borehull Geoteknisk informasjon fra borehull kan være til stor hjelp for å sette betingelser i inversjonen. Borehullsinformasjon kan legges inn som en inversjonsbetingelse i programvaren, og lagdeling fra geotekniske undersøkelser kan avbildes sammen med AEM-resultatene for sammenligning. Figur 16 og Figur 17 viser et profil fra det første referanseprosjektet (E16) med og uten borehull avbildet. Dersom borehullsdataene brukes til å kjøre en såkalt betinget inversjon representeres grunnfjellsdybden fra borehullene som et lag med en bestemt resistivitetsverdi karakteristisk for grunnfjellet. Inversjonsalgoritmen prøver deretter å tilpasse modellen under denne nye grensebetingelsen, og grunnfjellsoverflaten kan dermed bli bedre kartlagt mellom borehullene. Eksempel på et resultat fra en slik inversjon er vist i Figur 17. Figur 16: AEM-profil langs den nye E16. Blått indikerer materialer med høy ledningsevne (leire), grønt indikerer resistivitetsverdier som kan tilhøre sensitiv leire og rødt kan indikere grunnfjell. Figur 17: Samme profil, men grunnfjellsdybden fra borehull er her innført som en grenseflatebetingelse i inversjonen. Resistiviteten under denne grenseflaten var satt til 500 Ωm for å representere grunnfjellet. Det er brukt samme fargeskala som over.

28 Side: 28 6 Styrker og begrensninger Styrkene til AEM er best beskrevet i referanseprosjektene i kapittel 7, men kan oppsummeres med tre nøkkelkarakteristikker: Effektivitet En AEM-undersøkelse benyttet i riktig prosjektfase (før grunnundersøkelser starter), basert på en grundig mulighetsstudie, kan øke effektiviteten i prosjektet signifikant, både knyttet til tidsplan og innsparinger i utgifter til grunnundersøkelser. Resultatene gir en regional oversikt over den geologiske kompleksiteten og kan derfor brukes til å effektivt planlegge etterfølgende grunnundersøkelser. AEM er et tillegg til, og ikke en erstatning, for bakkebaserte grunnundersøkelser. Tilgjengelighet Helikopter EM-undersøkelser kan flys omtrent overalt. Vegetasjon, innsjøer, elver, dype daler, bratt terreng, grunneiertillatelser etc. står ikke i veien for å produsere AEM-data av høy kvalitet. En av våre mest utfordrende, men mest suksessfulle undersøkelser, ble utført m.o.h. i svært bratt terreng i Himalaya. Avbildning av geologien under ferskvann (sjøer, elver eller bekker) går uproblematisk, selv saltvann kan gjennomtrenges dersom vannet ikke er dypere enn m. Gjennomtrengningsdybde Utvinning av grunnmetall har katalysert utviklingen av kraftige AEMsystemer som kan trenge flere hundre meter ned under overflaten. Dype AEM-undersøkelser kan enkelt utføres, mens typiske ingeniørgeologiske grunnundersøkelser er begrenset til noen titalls meter. Den følgende sjekklisten uthever aspekter som må tas hensyn til når en AEMundersøkelse skal vurderes. Hvis disse begrensningen ikke vurderes under mulighetsstudiet er det ikke gitt at ønsket resultat kan leveres. Geoteknisk mål Er den geofysiske resistivitetskontrasten mulig å kartlegge med AEM, og hvis mulig, med hvilket system? Er en grunnundersøkelse nødvendig som input til et mulighetsstudie? Bør prediksjonsmodeller kjøres for å teste AEMresponsen fra en kjent geologi? Det er ingen fasitsvar på disse spørsmålene, og en mulighetsstudie er, til en viss grad, alltid anbefalt. Et utvalg urealistiske forventninger kan presenteres: Basert på dagens beste teknologi er det umulig å a) bestemme løsmassetykkelse mindre enn 5 m, b) kartlegge leiretykkelse over skifer (da disse ofte har samme resistivitet), c) bestemme individuelle, små forhold som sprekkesett i hardt fjell (forutsatt en sone med leire/vann-fylte sprekker heller enn individuelle sprekker), d) bestemme siltlag i leire på desimeterskala eller e) skille god og svært god fjellkvalitet. (Dårlig og god fjellkvalitet kan derimot skilles.)

29 Størrelse på undersøkelsesområdet Er området stort nok til at en AEM-mobilisering er fornuftig? Kan flere undersøkelser kombineres? Mobilisering er kostbart, så store AEMundersøkelser er derfor mest kosteffektive. Til sammenligning kan små prosjekter være bedre tjent med bakkebaserte målinger heller enn luftbårne. For undersøkelser langs en rett strekning (f.eks. vei- eller jernbaneutbygginger) er en tommelfingerregel at minimum 10 km bør kartlegges. Likevel er det målet med undersøkelsen som til sist avgjør om AEM er finansielt forsvarlig eller ikke. Infrastruktur Er det forstyrrende infrastruktur på bakken, og hvor stor andel av undersøkelsesområdet kan på grunn av dette ikke dekkes? For det første er det ikke lov å fly lavt over bakken med ekstern last i bebygde områder, for det andre vil ikke dataene være brukbare grunnet forstyrrelser fra teknisk infrastruktur. En korridor på noen hundre meter rundt kraftlinjer, jernbaneskinner og lignende må unngås på grunn av induktiv kobling mellom AEMsystemet og kablene. Topografi Fastvingesystemer fungerer godt i flatt terreng. HTEM dekker det meste av terreng mens ekstrem topografi (svært bratte skråninger) kan kreve FEM. Tidsplan Hvor lang tid i forveien må planleggingen starte og når vil resultatene kunne leveres? Disse spørsmålene må settes i perspektiv til den overordnede prosjektplanen, samtidig som man bør tenke på at AEM (og geofysikk generelt) er mest effektivt når det brukes tidlig i et prosjekt. Ledetiden for en undersøkelse (tiden frem til ferdige resultater) kan være 2 til 6 måneder, avhengig av sesong og lokalitet. Se logistikkdelen (kapittel 0) for flere detaljer. Spesifikasjoner på undersøkelsen En maksimal linjeavstand på 200 m (5 linjekilometer per km 2 ) kan velges dersom stor penetreringsdybde er prioritert (f.eks. tunnel-forundersøkelser), og ca. 100 m er å foretrekke dersom strukturer nærmere overflaten skal kartlegges (eksempelvis grunnfjellsdybde). I høyt prioriterte områder kan det være nødvendig å redusere linjeavstanden til så lite som 50 m (f.eks. for kartlegging av forekomst og utbredelse av sensitiv leire). Flylinjer med korte avstandsintervaller gir en høy lateral oppløsning av de geologiske lagene. De faktiske flylinjene kan avvike noe fra de planlagte, rette linjene. Piloten må for eksempel unngå bygninger, høye trær og høyspentlinjer. Valg av flyhastighet er en avveining mellom ønsket lateral oppløsning, kartleggingsdybde og kostnader. En lav hastighet gir høyere tetthet av data, som resulterer i forbedret lateral oppløsning og en større kartleggingsdybde. Flyhastigheten bør være omtrent 45 km/h (12,5 m/s), og bør ikke overstige 55 km/h i mer enn noen minutter av gangen. Dokumentnr.: R_NO Side: 29

30 Side: 30 7 Referanseprosjekter Her presenterer vi tre referanseprosjekter som demonstrerer bruken av AEM i geotekniske og ingeniørgeologiske prosjekter. Alle prosjektene har blitt utført av NGI, og SkyTEMs HTEM-system har blitt benyttet. 7.1 Grunnfjellsoverflate og kvikkleireutbredelse en nøkkelreferanse fra E16-utbyggingen. For å ferdigstille den nye E16 fra Kløfta til Kongsvinger er det planlagt 32 km ny motorvei fra Nybakk til Slomarka, omtrent 50 km nordøst for Oslo (Figur 18). Som underleverandør til COWI leverer NGI et geoteknisk arbeid der det ble besluttet å supplementere grunnboringene med geofysiske undersøkelser. Siden området er relativt stort og dermed ikke tilpasset bakkebaserte undersøkelser, foreslo NGI å utføre en AEM-undersøkelse. NGIs rolle var å ha tilsyn med, kontrollere og interpretere AEM-undersøkelsen. Målet var å finne dybde til grunnfjell og om mulig skaffe informasjon om utbredelsen av sensitiv leire (kvikkleire) Undersøkelsens lokalitet og utstrekning Undersøkelsesområdet var sentrert langs veikorridoren og strakk seg over to kjente kvikkleirefaresoner. Undersøkelsen ble utført av SkyTEM, og deres 314 m 2 ramme ble brukt med både en (lavt magnetisk moment) og to (høyt magnetisk moment) strømsløyfer for å oppnå høy oppløsning nær overflaten. Figur 18: Kart over den undersøkte veitraseen. Totalt 178,2 linjekilometer ble fløyet i løpet av tre dager i januar 2013 (se Figur 19). Tre parallelle linjer med avstand 25 m ble fløyet langs den planlagte veikorridoren. I tillegg ble det fløyet 15 linjer nær Vorma/Vormsund og 9 linjer nær Uåa for å dekke potensielle områder med sensitiv leire. De ekstra linjene hadde en nominell avstand på 125 m.

31 Side: 31 Figur 19: Flylinjer (rødt) og grunnboringer (grønt). Kraftledninger er vist med tynne, hvite linjer Resultater Resultatene fra undersøkelsen gjengir de forventede geologiske kompleksitetene i området. Det er en trend mot grunnere grunnfjell mot nordøst, mens områdene rundt elvene Vorma og Uåa karakteriseres av dypereliggende grunnfjell. I siste tilfelle ble det også observert mulige sensitive leirmasser. Innenfor metodens usikkerhetsramme stemmer AEM-resultatene overens med grunnboringene. I enkelte områder er dataene i stor grad blitt påvirket av infrastruktur (som hus, veier, strømledninger) som ikke kunne unngås på grunn av veiens planlagte trasé. Disse dataene måtte ekskluderes fra inversjonen og interpretasjonen. Andre områder måtte ekskluderes på grunn av svært resistive bergarter som lå oppe i dagen og som ikke ga en tilfredsstillende TEM-respons (Figur 20). Resistivitetsprofiler fra flylinjene følger tydelig grunnfjellstopografien, og indikerer i enkelte områder sensitive leirmasser (Figur 20). Marin leire har resistivitet rundt 1-10 Ωm (Solberg et al., 2008), vist med blå farge. Resistiviteten til sensitiv leire varierer gjerne fra sted til sted fra Ωm (Solberg et al., 2008; Rømoen et al., 2010), vist med grønn farge i profilene. Andre geologiske materialer kan ha samme resistivitet som sensitiv leire, noe som gjør at det ikke er mulig å påvise sensitiv leire basert på resistivitet alene. Det er sannsynlig at ikke alle grønnfargede områder i profilene er sensitive leirmasser. For å ekstrahere en 3D-grunnfjellsmodell fra AEM-resultatene ble det brukt tre ulike tilnærminger: Først ble en forhåndsdefinert terskelresistivitet på 100 Ωm basert på grunnboringsdata fulgt gjennom den tredimensjonale resistivitetsmodellen. Den følgende grunnfjellsdybden fulgte grunnboringene på et regionalt nivå. En

32 tilnærming som denne er vanligvis vellykket for data innen et område der grunnfjellet og kvartærgeologien er homogen over flere hundre meter, men algoritmen har begrenset suksess for utstrekningen på denne undersøkelsen (Figur 20b). Fordi analysen er basert på en glatt inversjonsmodell som blander grunnfjells- og løsmasseresistiviteter sammen ved grunnfjellsoverflaten (bestemt av den faktiske resistiviteten og løsmassetykkelsen) må man forvente store variasjoner i den såkalte tilsynelatende ("apparent") terskelresistivitet. Derfor kan ikke en fast overgangsverdi (som 100 Ωm) anvendes på hele undersøkelsesområdet. Dokumentnr.: R_NO Side: 32 Figur 20: Dybde til grunnfjell representert ved a) En resistivitetsterskel på 100 Ωm (høyre panel) eller b) semi-manuell profilbasert utvelgelse (venstre panel). Områder der data måtte forkastes, men grunnfjell kan antas å være nær overflaten, er markert med mørkeblått. Deretter ble profilene inspisert manuelt, og grunnfjellsoverflaten ble bestemt ut fra resistivitetsmodellen og integrerte grunnboringer (Figur 21). Denne manuelt utvalgte grunnfjellsoverflaten, visualisert over hele undersøkelsesområdet, var ikke fullt ut tilfredsstillende, siden profil-spesifikke grenseflater medfører urealistiske steg fra linje til linje. Til slutt ble det utviklet en helautomatisk sporingsalgoritme for grunnfjellsoverflaten med romlig bestemt terskelresistivitet (Figur 22). Algoritmen følger en trestegstilnærming, basert på en SCI 3D resistivitetsmodell og grunnfjellsdybde i eksisterende grunnboringer: Først blir resistiviteten ved hver grunnboring ekstrahert fra resistivitetsmodellen. Deretter blir disse resistivitetsverdiene interpolert til områder der grunnboringsdata og AEM-data overlapper tilfredsstillende. Til slutt blir dybde til grunnfjell ekstrahert fra resistivitetsmodellen, basert på den ekstrapolerte terskelmodellen. I dette tilfellet varierer terskelverdiene ved grunnboringene fra 100 til 800 Ωm med en median på 500 Ωm.