Measuring techniques of Induced Polarization regarding data quality with an application on a test-site in Aarhus, Denmark and the tunnel construction at the Hallandsås Horst, Sweden

Abstract

It has been shown that surveys of Induced polarization (IP) often contain data of low quality, because it
is highly sensitive against different noise sources. When measuring induced polarization, where the method uses
multicore cables and continuous electrode sounding (CVES, Continuous Vertical Electrical Sounding), noise phenomena
such as capacitive coupling effects have to be considered. It is possible to decrease the capacitive coupling
effect by using separated cables. This noise occur between transmitting current cable and potential reading cable.
Also, other effects such as electromagnetic coupling effects will generate bad quality of data. This appears between
the current electrodes and the electrical properties of the subsurface. It is strongly dependent on the length of the
array. However, to obtain data of good quality, the electrode contact has to be taken into account as well. The purpose
with this thesis is to examine the quality of data when measuring IP, with different techniques, and then apply
the obtained experience in two different geological environments, Aarhus, Denmark and the tunnel construction at
the Hallandsås Horst. The geophysical methods used were CVES 2D sounding of IP and resistivity. For a better
interpretation and analysis, the results of the resistivity measurement are used as a complement to the results of IP.
To achieve the purpose, measurements with both normal layouts, i.e. multicore cable, and separated cables has been
made. Also different types of electrode configurations have been examined. Analysis of negative data and distribution
of chargeabilities gives a good picture of the data quality. Once, electrode contact resistance was measured;
this was done by measuring the resistance of each electrode. The survey was performed on a lawn at the Institute of
Engineering, Lunds University, Lund. From earlier measurements it has been indicated that the area of investigation
in Aarhus contains something that gives IP effect. This was examined with experience from the measurements
in Lund. The survey area at the Hallandsås Horst has never earlier been examined with the method that is used in
this work. Therefore, this site was chosen to complement the last part of the tunnel area and also use the knowledge
from the measurements in Lund. This thesis shows that the capacitive coupling is manifested for example by negative
data, which affect the measured IP effects negatively. Bad electrode contact is probably a strong candidate to
the low quality of data, as well as the inductive coupling effects. The technique of using separated cables contributes
to data of good quality IP data, but are logistically complicated and time consuming. It was shown, both in
Aarhus and at the Hallandsås Horst, that if the geology in an area contributes to a good electrode contact, the results
are satisfying when using normal cable layout. The survey in Aarhus gave a strong IP-effect that is interpreted as a
pipeline. This is situated about 5 to 10 m under the ground surface. The results from the measurement at the
Hallandsås Horst have given three major structures: One dolerite dike that crosses the tunnel, a probable fracture
zone that may be partly clay weathered and partly water bearing. Finally, one more clay weathered fracture zone
was interpreted which might contain amphibolite. The upper boundary is in level with the tunnel.

Abstract (Swedish)

Undersökningar med Inducerad Polarisation (IP) är mättekniskt sett mycket känsliga mot olika
störningskällor och innehåller därför ofta data av dålig kvalitet. När man mäter inducerad polarisation, och använder
sig av multiledare och kontinuerlig mätning (CVES, Continuous Vertical Electrical Sounding), uppstår brus
orsakat av kapacitiv koppling. Denna effekt genereras mellan strömledare och mätande potentialkabel. Det är möjligt
att minska den kapacitiva kopplingen genom att separera dessa kablar. Även andra störkällor påverkar datakvaliteten
negativt. Elektromagnetisk (induktiv) koppling är en sådan effekt som uppstår mellan strömelektrod och
markens ledande egenskaper, denna effekt är också beroende av längden på kabelutlägget. Det är viktigt att ha en
god elektrodkontakt för att uppnå data av god kvalitet. Syftet med examensarbetet är att undersöka datakvaliteten i
IP-mätningar när olika typer av mättekniker använts, för att sedan applicera dessa erfarenheter på två olika geologiska
miljöer, Århus, Danmark och tunnelbygget vid Hallandsås. De geofysiska metoder som användes var CVES
2D-undersökning av IP och resistivitet. Resistivitetsresultaten användes som komplement till IP-resultaten för en
bättre analys och tolkning. För att uppnå syftet har mätningar med både normalt utlägg, d.v.s. en enkel multiledarkabel,
och separerade kablar utförts och analyserats. Även olika elektrodkonfigurationer har undersökts. Analys av
negativa värden och distributioner av IP effekter i pseudosektioner ger en god bild av datakvalitet. Elektrodkontakten
har vid ett tillfälle analyserats genom att resistansen mättes vid varje elektrod. Analyserna är utförda på en gräsmatta
vid Teknisk geologi, Lunds Universitet, Lund. Det fanns indikationer från tidigare mätningar att undersökningsplatsen
i Århus innehöll något som gav IP effekt. Detta undersöktes med erfarenheter från de tidigare mätningarna
i Lund. Undersökningsplatsen på Hallandsås har ej tidigare undersökts med denna metod. Därför valdes
denna plats för att komplettera den sista biten av tunnelsträckningen, samt tillämpa erfarenheterna från mätningarna
i Lund. Resultaten bekräftar att kapacitiv koppling orsakar t.ex. negativa data som påverkar resultaten av IP effekter
negativt. Elektrodkontakten är förmodligen också en stark bidragande orsak till dålig kvalitet på data, likaså den
elektromagnetiska kopplingen. Tekniken med att använda separerade kablar ger god kvalitet på IP data men är också
en väldigt logistiskt komplicerad och tidsmässigt krävande metod. Det har visats sig, både i Århus och på
Hallandsås, att om geologin i ett undersökningsområde är av sådan karaktär att god elektrodkontakt kan uppnås, är
kvaliteten på data tillfredställande även när en normal mätning med en kabel är utförd. Undersökningen i Århus gav
en stark IP-effekt vilket tolkas som ett rör och ligger ca 5 till 10 m under markytan. Resultaten från Hallandsås har
visat tre huvudsakliga geologiska formationer: En diabasgång som skär tunneln, en trolig sprickzon som kan vara
delvis lervittrad och delvis vattenförande. Denna ligger huvudsakligen under tunnelnivån. Slutligen hittades ytterligare
en sprickzon som bör innehålla amfibolit och troligtvist är lervittrad. Sprickzonens övre gräns är i nivå med
tunneln.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Då man för ner en elektrisk ström i marken kommer vissa material i marken laddas upp p.g.a. att positiva och negativa joner samlar ihop sig på ytor och i trånga porkanaler. Detta kallas för polarisering och kan användas för att bestämma t.ex. vad för typ av geologiska material som finns under markytan eller vart föroreningar i marken tar vägen. Fenomenet som uppstår heter Inducerad Polarisation (IP) och det var en man vid namn Conrad Schlumberger som först beskrev detta 1920. Kort kan man säga att man mäter markens förmåga att fungera som en kondensator och det man mäter är hur den uppladdade spänningen minskar med tiden efter man har brutit strömmen. Om det då finns något material i marken som polariserar kraftigt kallas detta för IP-effekt, t.ex. diabas och malmkroppar ger sådana effekter. När Conrad upptäckte fenomenet så insåg han också att metoden är väldigt känslig för brus. Brus kan bero på många saker och några av dem är orsakade av naturen och andra är orsakade av människan och instrumenten. Naturligt brus kan t.ex. bero på elektriska strömmar som bildas i marken p.g.a. att jordens magnetfält varierar, grundvattnets rörelse, etc. Brus som är orsakad av människan kan vara elektrisk utrustning som finns i mark, luft, järnvägar m.m. När man mäter kan även själva utrustningen i sig ge upphov till brus.

Det här examensarbetet handlar just om brus, och ett brus som har studerats noggrant är den s.k. kapacitiva kopplingen mellan ström och mätkabel. Den bildas när en ström sänds genom en kabel med isolering och en annan kabel med isolering ligger nära denna. Då kommer isoleringen att fungera som ett s.k. dielectricum, och en spänning laddas upp mellan kablarna. När man sedan mäter uppladdningsförmågan av t.ex. en diabas eller en sprickzon i marken, kommer mätsignalen även att innehålla uppladdningsförmågan som finns mellan kablarna. Detta resulterar i att det kan bli svårt att urskilja vart diabasen finns och resultatet från mätningen kan vara svårtolkad. Om man separerar ström och mätkabel så kommer uppladdningen mellan kablarna att var mycket mindre och mätvärdet kommer därför vara av bättre kvalitet. Examensarbetet handlar dels om att jämföra skillnader mellan att mäta då ström och mätkabel ligger nära varandra och när de är separerade, men även att undersöka andra effekter som påverkar datakvaliteten negativt. Detta undersöktes på tre olika platser: en gräsmatta i Lund, en gräsväg i Århus som ligger i Danmark och slutligen mellan tunnlarna på Hallandsås. I Lund utfördes olika mätningar med olika uppställningar och bruset studerades i form av antalet negativa värden i insamlad data. Skillnaden mellan normal mätning och s.k. reciprok mätning undersöktes också för att se hur de positiva värdena påverkades av störningar. Resultatet visade stor skillnad mellan att mäta med en kabel och separerade kablar. Även mätning av resistansen av elektrodkontakten utfördes, det är väldigt viktigt att man har en god kontakt mellan elektrod och mark för att få så bra mätsignal som möjligt, detta visade att kontaktresistansen varierar väldigt mycket mellan elektroderna.

I Århus gav resultaten en tydlig IP-effekt som tolkas som ett rör. Geologin består av ett lager morän som ligger ovanpå ett mäktigt lager av tertiär lera. Skillnaden mellan att använda en kabel och separerade kablar visade sig inte vara så stor, men datakvaliteten var ändå något högre när separerad utrustning användes. Resultatet från mätningen på Hallandsås har visat tre geologiska huvudstrukturer. Först en diabasgång, sen en formation som troligtvis är en lervittrad sprickzon, denna kan vara delvis vattenförande. Slutligen en lervittrad sprickzon som förmodligen innehåller amfibolit. Datakvaliteten är något bättre när man använder sig av separerade kablar.

Examensarbetet visar ett det kan göra stor skillnad på datakvaliteten om man använder sig av separerad utrustning jämfört med en konventionell uppställning. Även andra saker påverkar datakvaliteten. Om man t.ex. har en hög markresistans kan detta påverka kvaliteten negativt, p.g.a. att den kapacitiva kopplingen verkar öka. Om man har låg markresistans så är kvaliteten bra även när man mäter med en kabel. Den elektromagnetiska kopplingen verkar bli större med ökad elektrodseparation. Det är också viktigt att man har en god kontakt mellan elektrod och mark samt att undvika uppladdningseffekter av elektroderna när mätningen utförs. Att göra fältmätningar med separerad utrustning är komplicerat och tidskrävande, men det kan ibland vara värt det för att uppnå resultat av god kvalitet.

• author: Månsson, Carl-Henrik and Siikanen, Jonas
• supervisor: Torleif Dahlin; Berit Ensted Danielsen; Per Möller
• organization: Department of Geology
• alternative title: Mättekniker av Inducerad Polarisation med avseende på datakvalitet samt tillämpning på ett testområde i Århus, Danmark och tunnelbygget på Hallandsås, Sverige
• year: 2007
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Induced Polarization, capacitive coupling, separated cables, chargeability, CVES, the Hallandsås Horst, inducerad polarisation, kapacitiv koppling, separerade kablar, Hallandsås
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 217
• language: English
• id: 2335471
• date added to LUP: 2012-01-31 15:31:23
• date last changed: 2012-01-31 15:31:23