Ympäristögeologia ja -geotekniikka

1. Ympäristögeologia ja -geotekniikka Tero Hokkanen

2. Geofysiikka ja Sovellettu geofysiikka Geofysiikka • Tutkii Maan fysiikkaa • Lähteinä maan omat kentät, geologia ja petrofysiikka sekä ulkopuoliset tekijät, kuten kentät, hiukkassäteily.. Sovellettu geofysiikka • Hyödynnetään/tutkitaan maankamaran fysiikkaa arvoaineiden etsinnässä, ympäristötutkimuksissa, geotekniikassa ... • Lähteet voivat olla ja usein ovat keinotekoisia • Yhdistetään geologian (GEO) ja fysiikan (FYSIIKKA) hyvät puolet

3. Sovelluskohteet • Perustutkimus • Malmin (öljyn) etsintä • Ympäristögeofysiikka • Pohjatutkimukset • Veden etsintä • Kallion laatututkimukset • Erikoissovellukset (UXOt, militaari yms.) Maalla, merellä, ilmassa, labrassa sekä maan alla

4. Ympäristögeofysiikan vahvuudet • Usein kohtuullisen hyvä syvyysulottuvuus • Tietoa saadaan vahingoittamatta itse kohdetta • Toisinaan turvallinen tutkittaessa myrkyllisiä kohteita • Alueellinen edustavuus • Nopeasti ja edullisesti kattavat mittaukset • Jo olevista kairarei’istä ja niiden ympäristöstä tietoa pienin lisäkustannuksin

5. Ympäristögeofysiikan heikkoudet • Tulkinnan monikäsitteisyys. Geofysiikalla vahva, eksakti fysikaalinen perusta, mutta väliaineen epähomogeeni-syys (mm. geologia) => monikäsitteisyyttä. • Monet menetelmät ovat alttiita erilaisille häiriöille: mm. sivilisaatiohäiriöt, luonnonkenttähäiriöt, geologinen kohina ja varjostus. • Alueellisten mittaustulosten huono resoluutio => pienet piirteet häviävät • Fysikaalisten ominaisuuksien ja ympäristöparametrien yhteys • Edellä mainittujen syiden tähden hyvältä geofyysikolta vaaditaan teorian lisäksi riittävää käytännön kokemusta

6. Tutkimukset liittyvät usein • Saastuneen maan tai pohjaveden kartoitukseen ja monitorointiin • Erilaisten maaperään joutuneiden ihmisen tekemien kappaleiden tai rakennelmien paikantaminen • Ennalta ehkäisevään ja ympäristöongelmaan vaikuttavien geologisten tekijöiden selvittämiseen. Esim. Maakerrosten paksuudet, ominaisuudet Kalliopinnan topografia, rapautuneisuus ja rikkonaisuus Hydrogeologisten tekijöiden mm. veden virtausreittien selvittäminen Routa

7. Fysikaalisten ominaisuuksien ja ympäris-tötutkimusparametrien väliset yhteydet • Yhteydet usein kokeellisia. Esim. maaperän sähkönjoh-tavuus riippuu mm. huokoisuudesta, savipitoisuudesta, liuenneiden suolojen määrästä sekä vesikylläisyydestä ja fluidien ominaisuuksista => Archien-lain

8. Puhdas maaperä vs. epäpuhdas maaperä • Kohteen havaitseminen edellyttää sen riittävää fysikaalista poikkeamaa ympäristöstä • Kaikilla menetelmillä ei voi erottaa jokaista kontrastia • Menetelmävalinta riippuu kohteesta • Saastuneen osan rajat eivät välttämättä yhdy alueen geologisiin rakenteisiin

9. Suomessa käytettyjä menetelmiä • geofysikaaliset matalalentomittaukset • aeromagneettinen mittaus • aerosähköiset mittaukset • aeroradiometriset mittaukset • maan pinnalta tehtävät geofysikaaliset mittaukset • EM-johtavuusmittarit • magnetometraus • seisminen taittumisluotaus • sähköinen maavastusluotaus • maatutkaus • gravimetraus • kairarei’issä tehtävät geofysikaaliset mittaukset

10. Aeromagneettinen menetelmä • Maan magneettivuon tiheyden totaaliarvoa • Tietoa magneettisten mineraalien jakautumasta => tietoa geologisista muodostumista • Ympäristötutkimuksissa käytetty kallioperän ruhjeiden paikallistamiseen ja metalli-esineiden havaitsemiseen esimerkiksi kaatopaikalla

11. AEM- ja aeroradiometrinen menetelmä • AEM:llä voidaan paikantaa hyvin sähköä johtavia maa- ja kivilajeja sekä ruhjevyöhykkeitä • Käytetty mm. kaatopaikkojen suotoveden kulkeutumis-suunnan ja –alueen laajuuden määrittämisee • Aeroradiometristen mittausten hyödyntäminen perustuu lähinnä siihen, että radioaktiivinen säteily vaimenee sitä tehokkaammin mitä kosteamman vyöhykkeen se joutuu lävistämään. Tällöin siis vuotavat alueet voivat paljastua säteilyn vaimentumisen kautta

12. Sähkömagneettiset (EM-) johtavuusmittarit • Mittaavat maapohjan sähkönjohtokykyä • Perustuu EM-induktioon • Pilaantuneiden maiden tutkiminen ja metallikap-paleiden paikantaminen • Helppokäyttöisiä • Lähellä pintaa olevat kohteet (< 10 m)

13. Magneettiset mittaukset • Perustuvat kohteen suskeptiivisyyden poikkeamaan • Kohteina usein ihmisen tekemät kappaleet, kuten säiliöt, putket, UXOt jne... • Syvyysulottuvuus on samaa suuruusluokka EM-johtavuusmittareiden kanssa • Gradienttimittaukset mahdollisia

14. Seisminen taittumisluotaus • Perustuu aikaansaadun P-aallon nopeuden mittaamiseen, mikä riippuu maaperän kimmo-ominaisuuksista ja tiheydestä • Voidaan määrittää pohjaveden-pinta, kallionpinta, kerrospaksuu-det, ruhjeet, maalaji ja geoteknis-ten ominaisuuksien suuruusluokka • Hiekka- ja sora-alueiden sekä tie-, tunneli- ja metrolinjaustutkimuksiin • Talvella routa vaikeuttaa mittauksia

15. Sähköinen maavastusluotaus • Perustuu maan sähköisen ominaistastuksen mittaamiseen • Kaksi virtaelektrodia ja kaksi potentiaalielektrodia • Nykyään monieletrodijärjestelmät • Vastusarvo riippuu mm. maaperän ja maaveden sähköisistä ominaisuuksista, lienneista aineista ja lämpötilasta • Eri maalajien rajat ja maakerrosten paksuudet, arvio kerrosten geoteknisistä ominaisuuksista ja useiden haitta-aineiden aiheuttamaa maan pilaantuneisuutta.

16. Sähköinen maavastusluotaus

17. Maatutkaluotaus • Perustuu EM-aallon heijastumiseen sähköisiltä rajapinnoilta (vrt. seismiset) • Lähetin-vastaanotinotinantennit • Taajuusalue 10 MHz – 1 GHz • Rekisteröidään signaalin kulkuaika • kallionpinnan sijainti, kerrosrajojen ja pohjavedenpinnan sijainti, lohkareiden, vieraiden esineiden, putkien tms. Sijainti, nykyisten teiden rakennekerrosten paksuus, kallion eheys, maan pilaantuneisuutta: Nestemäisten polttoaineiden ja sähköä johtavien aineiden esiintymistä. • Ei sovellu savikoille

18. Maatutkaluotaus

19. Gravimetrinen menetelmä • Perustuu maan painovoimakentän mittauksiin • Pohjavesi-inventointitutkimuksiin • Maapeitteenpaksuus, kalliopinnan topografia ja kallion ruhjevyöhykkeet sekä pohjavesipinnan taso yhdessä muiden tulkintaa auttavien menetelmien kanssa

20. Kairarei’issä tehtävät mittaukset • Monet em. mittauksista voidaan siirtää kairareikiin • Käytetty etenkin ydinjätteenloppu-sijoituspaikkatutkimuksissa • kallion heikkousvyöhykkeet, rakoilu ja vedenvirtaus sekä johtavuus

21. Eri menetelmien soveltuvuus XX soveltuu hyvin X mahdollinen - ei sovellu 1) alueellinen menetelmä, linjaväliminimi 100 m 2) vaatii tietoja mittausprofiilin maapeitteen paksuudesta 3) maaperän sähkönjohtavuus rajoittaa syvyysulottuvuutta 4) soveltuu erityisesti detaljimittauksiin, syvyysulottuvuus joitain metrejä 5) lähetinaseman suunta vaikuttaa mittaustulokseen, sähkö- ja puhelinlinjat häiritsevät

22. Ympäristögeofysikaalisia tutkimuskohteita • Syynä sivilisaatio tai luonnonolosuhteet • Suoraan tai epäsuorasti ympäristöongelman tutkimiseen - Haudatun metallijätteen, säiliöiden yms. etsintä - Kaatopaikkojen, teollisuuslaitosten ja niiden ympäristön saastuminen - Pohjavesialueiden kartoitus ja luokittelu yhdyskuntasuunnittelun tarpeisiin - Akviferien laadun ja laajuuden selvitys - Orgaanisten saasteiden leviäminen maaperään - Kaivosten ympäristövaikutusten tutkiminen - Vuotavat jätealtaat, vesialtaat ja padot - Tiesuolauksen leviäminen - Tienvarsien eristekalvojen eheyden monitorointi - Pohjaveden suolaisuus rannikkoseudulla - Ydinjätteen sijoituspaikkatutkimukset - Radioaktiiviset jätteet ja laskeumat - Sisäilman radonpitoisuus ja geologinen ympäristö - Routa ja ikijää - Maanvieremät - Erilaiset arkeologiset kohteet

23. Ympäristögeofysiikka Suomessa • Suomessa geofysikaalisia menetelmiä on käytetty monipuolisesti, vaikkakin se on määrällisesti ollut melko vähäistä. Seuraavassa kolme esimerkkiä tarkemmin 1) Kaatopaikkojen ympäristövaikutusten kartoitus lentomittauksilla 2) Pohjavesialueiden kartoitus geofysikaalisilla menetelmillä 3) Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset

24. Kaatopaikkojen ympäristövaikutusten kartoitus lentomittauksilla Ämmässuon kaatopaikka perustettu 1987 GTK:n matalalento-ohjelmassa vuonna 1984 • Monitorointi nollahetkestä alkaen Mikäli tietoa ennen perustamista ei ole, rakennetaan malli jätekasasta => luonon vaste voidaan erottaa ja monitorointi aloittaa Samankaltaisia tutkimuksia ainakin Mankkaan, Vuosaaren ja Seutulan kaatopaikoilla

25. Kaatopaikkojen ympäristövaikutusten kartoitus lentomittauksilla 1. EM-vaste => johtava jäte ja leviävät suotovedet 2. Magneettiset mittaukset metalliromun paikantamiseen ja ruhjeiden havainnointiin 3. Radiometristen mittausten hyödyntäminen maan kosteden seurantaan

26. Pohjavesialueiden kartoitus geofysikaalisilla menetelmillä GTK 90-luvulla uuden metodin paikallisten pohjavesivarantojen inventointiin, saastumisriskin minimointiin ja maankäytön suunnitteluun. 1. Ruhjevyöhykkeiden paikannus Alueellinen rakennetulkinta käyttäen topografista aineistoa, ilmakuvia ja aerogeofysikaalisia karttoja. =>paikantaa ruhjevyöhykkeet. 2. Maapeitteen paksuuden ja kalliopinnan topografian karkea arviointi gravimetrisesti Painovoimaprofiileja huomioiden topografia ja ruhjeet. Linjat siten, että ne risteävät ja siten, että ne alkaisivat ja /tai päätyisikalliopaljastumaan. Keskitiheys eri tyyppisille alueille. Huomioidaan pohjaveden vaikutus.

27. Pohjavesialueiden kartoitus geofysikaalisilla menetelmillä 3. Painovoimatulkinnan varmennus ja tarkennus muiden menetelmien avulla Mm. seiminen refraktioluotaus, maatutkaus ja kairaus =>tarkempi arvio pohjavesipinnasta ja kallion topografiasta. 4. Lopullinen painovoimamittausten tulkinta Sovittamalla laskettu malli todellisiin mitatuksiin (Kuva). 5. Pohjavesialueen 3D mallin rakentaminen 2D tulkinnat + muu data => 3D malli ja arvio pohjaveden määrästä, sopivista paikoista hyödyntää pohjavettä sekä mahdollisista pohjaveden saastumisriskeistä.

28. Esimerkki mallinnus Useita tutkimuksia seutukaavaliittojen ympäristökeskusten kanssa (mm. Virttaan-Oripäänharju, Kiikalannummi, Köyliö-Ulvila, Vehoniemenharju.

29. Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset • Vuosina1983 – 1985 aluevalintaselvityksen 1. vaihe, => 100 tutkimusaluetta, joista edelleen 5 jatkotutkimuksiin • Vuosina1987 – 1992 alustavat sijoituspaikkatutkimukset, => 3 paikkaa: Olkiluoto, Kivetty, Romuvaara • Vuosina 1993- 2000 yksityiskohtaisia sijoituspaikkatut-kimuksia, kohteena myös Hästholmen vuodesta 1997 • Vuonna 2000 sijoituspaikaksi valittiin Olkiluoto • Vuoden 2012 loppuun mennessä rakentamiseen liittyvien selvitysten oltava valmiina • Vuonna 2020 loppusijoituksen tarkoitus alkaa.

30. Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset • Geofysiikan lisäksi geologian ja hydrogeologian tutkimus • Aluepoliittiset näkemykset, suojelualueet, maanomistusolot ja infrastruktuuri (tiet jätteen kuljetuksiin) • Tavoite turvallinen ja vakaa säilytysympäristö ja eristää jäte biosfääristä tuhansiksi vuosiksi => riitävän suuri ja ehyt kalliolohko heikkousvyöhykkeiden ympäröimänä. Lisäksi tilassa ei saisi olla liikkuvaa ja/tai suolaista vettä • Kuljetusmatka mahdollisimman lyhyt • Suuri merkitys geofysiikalle: lento-, maanpinta- ja reikämittauksilla (taulukot 2.3, 2.4 ja 2.5).

31. Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset

32. Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset

33. Ydinjätteen loppusijoituspaikkatutkimukset

34. Arvio ympäristötutkimusten määrästä SAMASE- raportti, 1994: Suomessa on noin 1200 saastunutta maa-aluetta, jotka tulisi kunnostaa vuoteen 2015 mennessä.   - 810 likaantunutta teollisuus- ym. aluetta - 330 kaatopaikkaa - 35 kaivosjätealuetta Kokonaiskustannus tästä olisi 5,4 mrd mk, joka jakautuisi seuraavasti: - likaantuneet teollisuusalueet 3,0 mrd mk - kaatopaikat 1,1 mrd mk - kaivosjätealueet 1,4 mrd mk Yhteiskunnalle tulevien kustannusten määrä lähes 2,2 mrd mk - likaantuneet teollisuusalueet 0,78 mrd mk - kaatopaikat 0,62 mrd mk - kaivosjätealueet 0,76 mrd mk SAMASE-raportti 2000: saastuneita alueita jopa 18 100 kpl ja kustannusarvio vajaat 2 miljardia €.

35. Arvio ympäristötutkimusten määrästä