refraksjonsseismikk - Norges geologiske undersøkelse

refraksjonsseismikk - Norges geologiske undersøkelse

REFRAKSJONSSEISMIKK - METODEBESKRIVELSE
Refraksjonseismikk er en metode som benyttes mye for å bestemme dyp til fjell, gi
informasjon om løsmassetyper og ikke minst kvalitet i fjell. Metoden har derfor et bredt
anvendelsesområde og kan benyttes ved mineral-, grunnvanns-, miljø- og
ingeniørgeologiske undersøkelser. I Norge benyttes metoden mye ved forundersøkelser
for tunneler både på land og i marine miljø.
Målemetode.
Metoden grunner seg på at lydens forplantningshastighet forandrer seg med mediets
elastiske egenskaper. Ved utføring av refraksjonsseismiske målinger benyttes vanligvis
dynamitt eller en slegge som energikilde. Oppsatte lydbølger fanges opp av geofoner
(land) eller hydrofoner (sjø) og disse sendes inn på en digital registreringsenhet
(seismograf, figur 1). Avstanden mellom geofonene kan variere fra 2 og gjerne opp til 20
meter, avhengig av problemstillingen.
Figur 1: Seismograf (24 kanaler), batteri, triggespole og avfyringsenhet.
En forutsetning for refraksjonsseismikken er at hastigheten i jordlagene øker mot dypet.
Ved tolkninger benyttes den første ankomne bølgefront som når geofonene, P-bølgen.
Dersom en "skyter" nært en geofon, vil den første ankomne bølge gå direkte fra skudd til
geofonen, i sandlaget i figur 2. Når avstanden til geofonen øker, vil det etter hvert bli
raskere for energien å gå ned i lag nummer 2 der hastigheten er større (Morene i figur 2),
og etter hvert også ned i lag 3 (Fjell). Ut fra mange målte gangtider fra skudd til geofon
kan et gangtidsdiagram konstrueres, og ut fra dette kan hastigheten i p-bølgene og
lagenes tykkelse beregnes. Det aktuelle hastighetsområde i den såkalte ingeniørseismikk
er fra ca. 200 m/s i visse typer porøst overdekke til godt over 6000 m/s i enkelte bergarter
(se tabell 1).
Figur 2: Enkel utførelse av refraksjonsseismikk. Vanligvis benyttes mange skudd og enda
flere geofoner.
Tolkning
Bruk av refraksjonsseismikk metoden forutsettes at undergrunnen kan beskrives med en
forholdsvis enkelt modell av mer eller mindre horisontale lag med homogene seismiske
parameter. Ved å måle tiden fra et skudd går av til lydbølgen når en geofon, kan
materialenes P-bølgehastighet og lagtykkelser beregnes. Det finnes enkle formler for
beregning av bølgehastighet og dyp til lagene under hvert skuddpunkt. Under de fleste
geofonene mellom skuddpunktene kan hastigheter og tykkelser av lag beregnes ved bruk
av Hagedoorns "Pluss-Minus-metode" eller GRM-metoden (Generalised Resiprocal
Method). Dersom overdekket er homogent med hensyn på lydhastigheten langs profilet,
kan det oppnås en god dybdebestemmelse. Imidlertid vil det ofte være betydelige laterale
variasjoner til stede, og overdekkehastighetene blir ved små dyp bare bestemt i nærheten
av skuddpunktene.
En "lydstråle" fra sprengning i overflaten treffer en grense mellom to sjikt hvor
lydhastigheten er henholdsvis V1 og V2, og vinkelen mellom lydstråle og innfallslodd
kalles i (se figur 3). Etter at strålen har passert sjiktgrensen vil den danne en vinkel R med
innfallsloddet, slik at
sin i/sin R = V1 /V2
Når R=90°, vil den refrakterte stråle følge sjiktgrensen, og vi har
sin ic = V1 /V2
Vi sier da at vi har kritisk refraksjon, og den bestemte innfallsvinkel som tilfredsstiller
denne betingelse kalles kritisk vinkel eller ic.
Figur 3: Snells lov beskriver sammenhengen mellom brytingsvinkel og seismiske
hastigheter i de involverte lagene.
Usikkerheter og feilkilder.
På grunn av usikkerheter i avlesning av førsteankomster og generelle tolkingsfeil, regnes
vanligvis usikkerheten i angivelse av dybde på en meter ned til 10 meters dyp. Ut over
dette angis usikkerheten på 10 % av dypet. Det er imidlertid visse fysiske begrensninger
som kan gjøre denne usikkerheten kan være større og feiltolkinger kan oppstå. Disse er:
Hastighetsinversjon: Hastigheten avtar nedover fra ett lag til et annet. Dette gjør
at bølgestrålene brytes feil veg, og beregnede dybder blir feil.
Blindsonelag: Hastigheten i de forskjellige lag øker mot dypet, men ett lag kan
være for tynt i forhold til hastigheten i underliggende lag slik at det er raskere å gå
ned i det nederste laget. Dette betyr at det tynne laget ikke kan registreres.
Manglende kontrast: Som tabell 1 viser, kan forskjellige geologiske lag ha
samme hastighet. En vil da ikke få noen brytning av bølgene, og laggrensen
overses.
Geofonavstand: I noen tilfeller kan ett lag overses på grunn av at en har for stor
avstand mellom geofonene.
Siderefraksjon: Ved refraksjonsseismikk forutsettes at bølgeenergien en studerer
går i vertikalplanet. Dersom en skyter seismikk langs en laggrense (overgang fra
løsmasser til fjell) kan en komme i skade for på beregne avstanden til fjell i stedet
for dypet til fjell.
Geologisk tolkning
Når en fysisk modell (laggrenser og hastigheter) av undergrunnen er beregnet, er det
viktig å foreta en geologisk, ingeniørgeologisk eller geoteknisk tolkning av denne
modellen. Til dette benyttes kjente hastigheter i ulike geologiske materialer (Tabell 1).
Som det fremgår her, vil en bestemt seismisk p-bølgehastighet gi en entydig geologisk
tolkning. Flere materialtyper har forskjellig hastighet, og andre geofysiske metoder som
for eksempel resistivitet eller boring må benyttes for å få en sikrere tolkning.
Jordarter
Torv
Leire (tørr)
Sand (tørr)
Grus (tørr)
Morene (tørr)
Leire (vannmettet)
Sand (vannmettet)
Grus (vannmettet)
Morene (løs)
Morene (hard)
P-bølgehastighet
(m/s)
150 – 500
600 – 1200
400 – 900
400 – 1000
400 – 1600
1200 – 1600
1400 – 1800
1400 – 1900
1500 – 1900
1900 – 2800
Bergarter, ikke
oppsprukket
Sandstein
Kalkstein
Dolomitt
Kvartsitt
Granitt
Gneis
Diabas
Gabbro
Ultramafisk
P-bølgehastighet
(m/s)
3000 – 3500
4000 – 6000
2500 – 6500
5500 – 6000
4800 – 5500
4700 – 5800
5700 – 6500
6200 – 6700
6500 – 7500
Tabell 1: P-bølgehastighet i noen geologiske materialer. Data er hentet fra norske erfaringer
(NGU og Geomap as). S-bølgehastigheten er ofte lik ca 60 % av P-bølgehastigheten
(varierer). Oppsprekning av bergarten og leiromvandling vil kunne redusere hastighetene
betydelig.
Eksempel på tolkning.
Figur 4 viser et eksempel på tolket refraksjonsseismisk profil. Profilet viser lagdeling i
løsmassene som er forenlig med tørr grus (350 – 600 m/s) over vannmettet sand/grus (1500 m/s).
Fjellet synes å ha god kvalitet (5000 m/s) bortsett fra en ca 50 m bred sone med hastighet 3500
m/s. Stedvis finner en dagnært problemer med hastighetsinversjon 750 – 850 m/s over 350 – 620
m/s, og mot høyre kan vannmettet sand/grus med hastighet 1500 m/s ligge som en blindsone.
Maksimal tykkelse av dette laget er angitt med piler.
Figur 4: Eksempel på tradisjonell refraksjonsseismisk tolkning (Fra Tønnesen 1979).
Referanse:
Tønnesen, J.F. 1979: Seismiske undersøkelser over sand- og grusforekomster i
Storbjørkåsen ved Kolvereid, Nærøy i Nord-Trøndelag. NGU Rapport 1703, (7 sider).