Finner kvikkleire på billigste måte

Finner kvikkleire på billigste måte

Bruk av elektriske motstandsmålinger kan gi en rask og rimelig oversikt over grunnforholdene. Samtidig kan de bidra til at geotekniske boringer gjøres mer målrettet.

Områder på Østlandet, i Trøndelag, Nord-Norge og langs deler av vestlandskysten blir hvert år rammet av skred i kvikkeleire. Kvikkleireskred er derfor et samfunnsproblem som blir tatt på høyeste alvor av myndighetene.

Kvikkleire er marin leire hvor de elektriske bindingene mellom kornene er svekket på grunn av utvasking, og som ved omrøring blir tyntflytende. I mange av skredhendelsene er det kun snakk om små utglidninger knyttet til erosjon i bekker og elver, og som ikke får store konsekvenser. Men av og til skjer det utrasninger av en slik størrelse at det blir materielle ødeleggelser. Tap av menneskeliv er også en mulig konsekvens, og historien har mange eksempler på fatale hendelser. Den aller største er Verdalsraset i 1893 der 116 mennesker omkom.

Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) har fra 2009 det overordnede ansvaret for den statlige kartlegging av skredfare i Norge. Norges geologiske undersøkelse (NGU) bistår NVE med geofaglig ekspertise, skredkartlegging og metodeutvikling.

Rimelig kunnskap

Forebygging av kvikkleireskred krever kunnskap om kvikkleireforekomsten, som for eksempel tykkelsen, sidevegs utbredelse og helning til laget, i tillegg til kvikkleiras geotekniske egenskaper (graden av sensitivitet, poretrykksforhold m.m.).

Tradisjonelt har undersøkelsene av grunnforholdene omfattet geotekniske sonderboringer og prøvetaking. Prøvetaking med testing av materialegenskaper i laboratorium er den sikreste måten å påvise kvikkleire. Disse metodene gir likevel bare punktvis informasjon om grunnforholdene, og det er derfor nødvendig både å ekstrapolere og intrapolere med utgangspunkt i disse punktene. Denne formen for grunnundersøkelser er både kostbar og tidkrevende, og i mange tilfeller foreligger det derfor bare få og spredte datapunkter.

Resistivitetsmålinger kan her være et nyttig supplement til boringene. Lavere saltinnhold i porevannet gjør at kvikkleire har høyere elektrisk motstand enn marin leire som ikke er utvasket. Motstandsmålinger kan således indikere hvor det potensielt kan finnes kvikkleire.

Fordelen ved 2D resistivitetsmålinger er at de gir sammenhengende profiler, og metoden kan gi en oversikt over grunnforholdene på relativt kort tid. Metoden er også rimelig, sammenlignet med å dekke samme område med boringer. Utvikling av både måleutstyr og programvare for dataprosessering (bl.a. inversjonsmetoden) har gjort målingene enklere, raskere og mer pålitelige.

De siste årene har resistivitets­metoden således blitt benyttet for å kartlegge kvikkleireutbredelse i flere prosjekter, i hovedsak av NGU. Ved å trekke frem noen eksempler vil vi demonstrere hvilke fordeler og muligheter metoden har.

Metode

Resistivitetsmålinger i to dimensjoner (2D) utføres ved å legge ut kabler på bakken og knytte elektroder til disse. Avhengig av hvor stort område som ønskes undersøkt, kan det benyttes én eller flere kabler, og antall elektroder kan være fra 20 og opp til 80, gjerne flere.

Når utlegget er etablert, startes en automatisk styrt måleprosess der forskjellige elektrodepar benyttes som strømelektroder mens den oppsatte elektriske spenningen måles mellom to andre elektroder. Ved å la en slik elektrodekonfigurasjon vandre langs kabelutlegget kartlegges resistiviteten lateralt. Når elektrodeavstanden økes, trenger strømmen dypere ned i bakken. Da kan resistiviteten kartlegges mot dypet. Kombineres disse to teknikkene, kan kartleggingen skje i to dimensjoner. Ved å benytte parallelle målelinjer kan en 3D-modell av resistivitetsforholdene konstrueres.

Alle registreringer representerer et veid middel av resistiviteten til alle jordarter som faller innenfor influensvolumet for en måling. Dette betyr at måleverdiene blir en tilsynelatende verdi, og måledata må inverteres for å finne frem til den ”sanne” resistivitet. Da er det mulig å finne frem til en fysisk modell av resistivitetsforholdene i bakken som kan forklare de målte data.

Resistivitetsmålinger i Buvika, Sør-Trøndelag. Elektroder settes ned i leire og knyttes til kabelen. Leirterreng som her egner seg generelt godt til resistivitetsmålinger på grunn av god elektrodekontakt. Foto: Inger-Lise Solberg.

Resistivitetsmålinger i Buvika, Sør-Trøndelag. Elektroder settes ned i leire og knyttes til kabelen. Leirterreng som her egner seg generelt godt til resistivitetsmålinger på grunn av god elektrodekontakt.
Foto: Inger-Lise Solberg.

Løvaasvegen

2D-resistivitetsmetodens potensial for kartlegging av løsmasser og kvikkleire kommer frem allerede i et av de første testprofilene som NGU målte i 2002 sør for Trondheim.

Profilet viser et høymotstandslag i de høyere deler av terrenget (lilla farge i figuren) som ligger oppå avsetninger med lavere motstand. Orange og røde farger representerer trolig sand og grus, mens grønt og gult avspeiler marine sedimenter. Denne fordelingen stemmer godt overens med kvartærgeologiske kart, tilgjengelig boreinformasjon, samt den eksisterende geologiske modellen for området som viser en lokal breelveavsetning av sand og grus under og over marine, leirrike avsetninger.

Valget av fargeskala betyr en del for hvilke deler av avsetningene en ønsker å fokusere på, om det er grusavsetningen eller kvikkleire­utbredelsene i de marine avsetningene. De overordnede geometriene kommer klart frem med denne metoden, men tynne lag kan ikke vises på et resistivitetsprofil.

Seismikk og gravimetri ble utført langs det samme profilet for å sammenligne metodenes evne til kartlegging av fjelloverflaten under løsmassene (se figuren). Her ses det ganske varierende resultater som tildels kan forklares ved en uregelmessig fjelloverflate. Seismikken viser relativ grunt fjell som delvis kan være et resultat av siderefleksjoner. Dyp ned til fast fjell kan dermed være undervurdert, siden gravimetrimålingene viser dypereliggende fjell. Resistivitetsverdiene her er lave til å være fjellverdier, som vanligvis er på flere tusen Ωm. Dette kan skyldes de dominerende, godt ledende marine sedimentene over en fjelloverflate som varierer på tvers av profilet. Resultatet blir en overvurdering av dyp til fjell. For kartlegging av fjelloverflater på større dyp vil resistivitetsmetoden derfor kun gi en grov indikasjon.

2D resistivitetsprofil ved Løvaasvegen utført av NGU i 2002. Tolkning av boredata langs eller nært resistivitetsprofilet vises i de grunne delene av profilet (skravert: antatt kvikkleire, hvit: leire, svart: sand/grus). Tallverdiene (hvite) på profilet er seismiske hastigheter (m/s). Det er god overensstemmelse mellom boredata og resistivitetsdata. Illustrasjon: NGU

2D resistivitetsprofil ved Løvaasvegen utført av NGU i 2002. Tolkning av boredata langs eller nært resistivitetsprofilet vises i de grunne delene av profilet (skravert: antatt kvikkleire, hvit: leire, svart: sand/grus). Tallverdiene (hvite) på profilet er seismiske hastigheter (m/s). Det er god overensstemmelse mellom boredata og resistivitetsdata.
Illustrasjon: NGU

Buvika

Grunnforholdene i en liten dal i Midt-Norge (Buvika) er karakterisert av store forekomster av kvikkleire, dokumentert gjennom omfattende geotekniske undersøkelser knyttet til vegutbygging. Muligheten for å sammenligne med foreliggende felt- og laboratoriedata gjorde derfor området til et egnet teststed for kartlegging av kvikkleire med resistivitetsmetoden.

En rekke profiler ble målt i området i forbindelse med Solbergs doktorgradsprosjekt (2003-2007), og resultatene ble sammenlignet med eksisterende boredata. Konklusjonen var at det i hovedtrekk var veldig godt samsvar mellom de ulike metodene. Det ble således konkludert med at metoden burde utprøves i flere testområder, og det har den blitt de påfølgende år.

2D resistivitetsmålinger (profiler) og tolkede boringer (søyler) fra Buvika. Det er en fordel med kryssende profiler slik at man får en kvasi-3D-fremstilling som letter tolkningen av grunnforholdene. Klassifisering av løsmassene og deres egenskaper basert på resistivitetsverdiene: Ikke utvasket leire: 1-10 Ωm (blå), mulig kvikkleire: 10-100 Ωm (grønn-gul), tørrskorpeleire og grovere masser: over 100 Ωm (orange-rød-lilla). Intakt fjell har vanligvis resistivitetsverdier på flere tusen Ωm. Det understrekes at det er glidende overganger mellom klassene, og at grensene kan påvirkes av lokale variasjoner i geologi, mineralogi og hydrologi. Tolkningen kan raffineres etter sammenligning med geotekniske undersøkelser. Kilde til figuren: Solberg 2007.

2D resistivitetsmålinger (profiler) og tolkede boringer (søyler) fra Buvika. Det er en fordel med kryssende profiler slik at man får en kvasi-3D-fremstilling som letter tolkningen av grunnforholdene. Klassifisering av løsmassene og deres egenskaper basert på resistivitetsverdiene: Ikke utvasket leire: 1-10 Ωm (blå), mulig kvikkleire: 10-100 Ωm (grønn-gul), tørrskorpeleire og grovere masser: over 100 Ωm (orange-rød-lilla). Intakt fjell har vanligvis resistivitetsverdier på flere tusen Ωm. Det understrekes at det er glidende overganger mellom klassene, og at grensene kan påvirkes av lokale variasjoner i geologi, mineralogi og hydrologi. Tolkningen kan raffineres etter sammenligning med geotekniske undersøkelser.
Kilde til figuren: Solberg 2007.

Pågående prosjekter

Selv om flere undersøkelser viser at 2D resistivitetsmålinger er lovende som metode i kvikkleiresammenheng, trengs det flere studier for å øke erfaringsgrunnlaget. Som en videreføring av arbeidet i Buvika ble det derfor i 2008, i et samarbeidsprosjekt mellom NGU og SINTEF, målt resistivitet for kvikkleire­kartlegging på Rødde i Midt-Norge. I området driver NVE for tiden med utredning av kvikkleiresoner.

NGU har i løpet av 2009 og 2010 etablert to andre testområder der det allerede er utført mange geotekniske undersøkelser, og hvor kvikkleire­problematikk er høyst relevant.

Det ene testområdet er skråninger langs Botnen i Rissa der ny vei planlegges. Her er det stedvis komplisert geologi som gir mulighet for å utvide erfaringene ved bruk av metoden. Vi har også hatt et godt samarbeid her med NTNU (masteroppgave) hvor 1D resistivitetsmålinger i borehull har blitt utført.

Det andre testområdet er langs fjorden i Namsos der forståelsen av kvikkleireutbredelse er blitt særdeles viktig etter kvikkleireskredet i strandsonen i 2009. Her er det målt både i skredgropa og i omkringliggende områder.

For å få vurdert hvor egnet metoden er for kvikkleirekartlegging, er det viktig å teste ut resistivitetsmålinger både i områder med mye grunnlagsdata, men også i områder som har ulik geologi. På den måten kan vi skaffe oss erfaring knyttet til tolkning av profilene under typiske geologiske variasjoner (ulik lagdeling som f.eks. leire med sand/grus over/under, grunt-/dyptliggende fjell m.m.).

Resistivitetsprofil fra Rissa (2010). Profilet krysser skredgropa etter Rissaraset i 1978. Tolkningen er basert på resistivitetsverdiene og på data fra borepunkter langs midtre deler av profilet (ikke vist). Leira er mest utvasket i tilknytning til den bratte fjellsida i øst, samt i et opp til 8 m tykt topplag vest for skredgropa. Illustrasjon: NGU

Resistivitetsprofil fra Rissa (2010). Profilet krysser skredgropa etter Rissaraset i 1978. Tolkningen er basert på resistivitetsverdiene og på data fra borepunkter langs midtre deler av profilet (ikke vist). Leira er mest utvasket i tilknytning til den bratte fjellsida i øst, samt i et opp til 8 m tykt topplag vest for skredgropa. Illustrasjon: NGU

Boreprofil fra Rissa som viser 1D-resistivitetsdata (til venstre) i tillegg til konvensjonelle boredata (CPTU). Data fra 2D resistivitetsmålinger (grønn linje) er plottet inn sammen med 1D resistivitetsdata. Det er også tatt prøver fra samme sted (prøvedyp 0-11m), som viser kvikkleire i dyp 3,8-10,5m, og saltinnhold lavere enn 5 g/l. Det er også målt resistivitet på prøvene (blå punkter). Det er godt samsvar mellom de ulike testene, til tross for at influensområdet til 1D-målinger er mye mindre enn for 2D-målinger. Boredata fra masteroppgave ved NTNU (Aasland).

Boreprofil fra Rissa som viser 1D-resistivitetsdata (til venstre) i tillegg til konvensjonelle boredata (CPTU). Data fra 2D resistivitetsmålinger (grønn linje) er plottet inn sammen med 1D resistivitetsdata. Det er også tatt prøver fra samme sted (prøvedyp 0-11m), som viser kvikkleire i dyp 3,8-10,5m, og saltinnhold lavere enn 5 g/l. Det er også målt resistivitet på prøvene (blå punkter). Det er godt samsvar mellom de ulike testene, til tross for at influensområdet til 1D-målinger er mye mindre enn for 2D-målinger.
Boredata fra masteroppgave ved NTNU (Aasland).

Kryssende resistivitetsprofiler målt i skredgropa i Kattmarka, april 2010, visualisert i et 3D-program. Profilene viser begynnende tørrskorpe i toppen og under ei lomme av saltholdig leire (blå) i utvasket leire (grønn/gul). Fjell i bunnen av profilene (lilla). Illustrasjon: NGU

Kryssende resistivitetsprofiler målt i skredgropa i Kattmarka, april 2010, visualisert i et 3D-program. Profilene viser begynnende tørrskorpe i toppen og under ei lomme av saltholdig leire (blå) i utvasket leire (grønn/gul). Fjell i bunnen av profilene (lilla).
Illustrasjon: NGU

Et godt supplement

Resistivitetsmålinger er ikke en ny metode, men for kartlegging av kvikkleire har bruken vært beskjeden. Dette har forandret seg de siste årene, da metoden har blitt benyttet i flere prosjekter, både i Norge, Sverige og Canada.

Resistivitetsprofilene vil kunne gi informasjon om utbredelsen av ulike typer sedimenter, deres fordeling, egenskaper og eventuelt lagdeling (i grov skala). Dataene vil også kunne indikere dyp til fjell, selv om andre undersøkelser vil kunne angi mer korrekt dyp. Informasjon om oppstikkende fjell og/eller andre type løsmasser enn kvikkleire, vil være svært nyttig for å forstå dreneringsforholdene og utstrekningen av et eventuelt skred.

Siden profilene ofte dekker et relativt stort område, vil målingene gi en mer helhetlig forståelse av de geologiske forholdene, noe som kan ha stor betydning for bedre å kunne forutsi om leirskred kan forekomme.

Det må påpekes at 2D resistivitetsmålinger ikke er en erstatning for tradisjonelle geotekniske boringer som prøvetaking og sonderboringer, men metoden kan være et verdifullt supplement, særlig i en innledende fase av grunnundersøkelser.

Erfaringene så langt viser et stort potensial for bruk av resistivitetsmålinger i kvikkleirekartlegging, og metoden bør derfor utprøves i flere prosjekter for å øke forståelsen av resultatene fra målingene og sammenligningen med andre typer data.

Derfor er det positivt at private konsulentselskaper nå har begynt å se nytten av slike målinger og selv ønsker å bruke metoden. Et eksempel på dette er NGIs prosjekt i et kvikkleirområde på Østlandet (Smørgrav), hvor 1D- og 2D-resistivitetsmålinger benyttes som supplement til tradisjonelle geotekniske undersøkelser.

Skredmassene i Kattmarka, ca. ett år etter skredhendelsen som ødela en liten bygd og satte menneskeliv i fare (GEO 03, 2009), er et uhyggelig vitne om at kvikkleire er et samfunnsproblem. Rent hell hindret at liv gikk tapt. Foto: Inger-Lise Solberg

Skredmassene i Kattmarka, ca. ett år etter skredhendelsen som ødela en liten bygd og satte menneskeliv i fare (GEO 03, 2009), er et uhyggelig vitne om at kvikkleire er et samfunnsproblem. Rent hell hindret at liv gikk tapt.
Foto: Inger-Lise Solberg

Fra 1D til 3D på 100 år

Elektriske motstandsmålinger, eller resistivitetsmålinger som metoden gjerne kalles i dag, er ikke noe nytt. Conrad Schlumberger (1878-1936) eksperimenterte allerede tidlig på 1900-tallet med å sende strøm i bakken mellom to elektroder og måle oppsatt spenning ved to andre. På denne måten var han i stand til å få et bilde av de elektriske egenskapene i undergrunnen.

I Norge begynte de første forsøkene med å benytte teknikken i malmleting mot slutten av 60-tallet. Ole Bernt Lile tok i 1971 sin licentiatgrad på en spesialversjon av elektriske målemetoder kalt ”Oppladet Potensial”. I løpet av 70-årene ble det vanlig å lete etter malm med elektriske målinger. Gode elektriske ledere i bakken kunne avdekkes enten ved å måle den elektriske ledningsevnen (invers av resistivitet), mens impregnasjonsmalmer kunne kartlegges med indusert polarisasjon (IP). Sistnevnte gir respons på malmer, selv om mineraliseringen ikke har sammenhengende metalliske mineraler som bidrar til elektrisk ledningsevne.

Etter hvert ble det vanlig å benytte metoden til løsmassekartlegging. I sin dr.ing-grad fra NTH i 1983 studerte Bjørn Berger bl.a. elektriske egenskaper i kvikkleire ved hjelp av Vertikale Elektriske Sonderinger (VES). Han viste at man kan skille kvikkleire fra intakt saltholdig leire ved bruk av elektriske målemetoder, og han var kanskje den første i landet som inverterte sine data slik at sann resistivitet kunne beregnes. Riktignok måtte han forutsette horisontal lagdeling (1D modell), men metoden fungerte.

Moderne resistivitetsmålinger i 2D og 3D ble for alvor aktuelt tidlig på 90-tallet. Thorleif Dahlin utviklet et kabelsystem for effektive målinger i både 2D og 3D i sitt dr.gradsarbeide fra Lund i 1993 (Lund-systemet). Parallelt med dette arbeidet M.H. Loke med inversjonsrutiner både for 2D og 3D i sin doktorgrad ved universitetet i Birmingham (1994). Etter at disse to arbeidene ble kommersialisert, ble det mulig å investere i effektive målesystem og inversjonsprogramvare.

Norges geologiske undersøkelse (NGU) introduserte, i et samarbeid med Universitetet i Lund, 2D resistivitetsmålinger for kartlegging av svakhetssoner i fjell innenfor prosjektet ”Miljø og Samfunnstjenlige tunneler” i 2001. Etter at NGU anskaffet det første utstyret i 2002, er metoden også benyttet ved kartlegging av svakhetssoner i fjell (se GEO 05, 2000, GEO 05, 2004), kartlegging av ustabile fjellparti (bl.a. Åknes og Nordnes), generell løsmassekartlegging, permafrostundersøkelser, grunnvannsundersøkelser, miljøundersøkelser, grusundersøkelser og til å karakterisere leiravsetninger.

Innen rammene av ICG (International Centre for Geohazards) tok NGU i 2003 det første initiativet til 2D resistivitetsmålinger i norske kvikkleireområder. Inger-Lise Solberg fikk finansiering fra ICG, NGU, NVE og NTNU til å gjennomføre et doktorgradsarbeide hvor bl.a. resistivitetsmålinger ble benyttet til karakterisering av marine avsetninger i Buvika, sørvest for Trondheim (GEO 03, 2006). Planlegging av ny E39 gjennom dalen hvor kvikkleire var hyppig forkommende, ga tilgang på mye geotekniske boredata som kunne korreleres med resultater fra resistivitetsmålinger. Som en fortsettelse av dette ble metoden også brukt for kvikkleirekartlegging i strandsonen i Finneidfjord (Nordland) i 2007 (ICG-prosjektet ”Offshore Geohazards”). Det ble etterhvert etablert en gruppe innen ICG som kalles ”Geofysikk for Geohazards”, og som ledes av Isabelle Lecomte. Formålet er å teste og anvende geofysiske metoder, deriblant resistivitet, i potensielt skredfarlige områder.

Skrevet av Inger-Lise Solberg, Jan Steinar Rønning, Louise Hansen

COMMENTS

WORDPRESS: 0
X