Passiv ytvågsseismik – Undersökning och praktisk tillämpning av en geofysisk mätmetod

Abstract (Swedish)

Vid byggande, sanering av före detta avfallsdeponier eller liknande företag som påverkar marken krävs noggranna markundersökningar för att kunna utföra arbetet så tids- och kostnadseffektivt som möjligt samt för att minimera miljöpåverkan. Sådana markundersökningar sker inte sällan med hjälp av geofysiska mätmetoder, där seismik är en av dem. Det är vanligt att använda aktiva metoder med exempelvis en slägga för att skapa en ljudkälla vars, ofta högfrekventa, vågor registreras. Som alternativ till den aktiva seismiken finns passiv seismik, som istället använder signaler från vågor som uppkommer av andra, ofta okända källor. Dessa ljudvågor tillhör ofta vågtypen ytvågor och undergruppen Rayleighvågor, kan komma från trafik och anses ibland utgöra brus i aktiva mätningar. Ytvågor är energirika och kan spridas långt, särskilt då ljudkällorna ofta är lågfrekventa vilket svarar mot långa våglängder. De lågfrekventa vågorna når även ett större djup än högfrekventa, vilket gör passiv ytvågsseismik till en intressant metod att studera närmare.

Rent praktiskt genomförs mätningarna med olika geometriska uppställningar av geofoner, där utformningen av uppställningen och avstånden mellan geofonerna påverkar vilka djup som blir detekterbara. I detta examensarbete har två uppställningar, dels i form av en cirkel, dels i form av en liksidig triangel testats och jämförts, både vad gäller kvaliteten på resultaten och hur de är att ställa upp i fält. Geofonerna har satts ut på två sätt; antingen med förberäknade koordinater i GNSS eller med hjälp av mätband. Att sätta ut geofoner med GNSS ger överlag en mer exakt utsättning av geofonerna, samt är smidigare och mer tidseffektiv i fält än att sätta ut med mätband.

Den seismiska data som mätningarna ger upphov till har analyserats i programmet Geogiga Seismic Pro 9.3 Surface Plus för att skapa frekvens-fashastighetsspektrum, dispersionskurvor samt inversa modeller över skjuvvågshastigheten i förhållande till djupet. Den använda analysmetoden är ESPAC (vidareutveckling av SPAC) som ger ett frekvens-fashastighetsspektrum som kan översättas till en dispersionskurva. Dispersionskurvan används sedan, som i aktiv ytvågsseismik, för att med hjälp av inversion modellera en skjuvhastighetsprofil. Utöver det har kombinationer av mätningar analyserats, likaså inaktivering av geofoner i dataprogrammet, det vill säga en minskad mängd data har analyserats.

Två tredjedelar av resultaten har varit av god kvalitet och diskuteras i texten. Båda fältundersökningslokalerna har haft tillgång till lågfrekventa ljudkällor, vilket har möjliggjort att passiv ytvågsseismik har kunnat användas. De slutsatser som kan dras är att även om triangeluppställningarna innehåller långt färre geofoner än cirkeluppställningarna, ger båda ofta resultat som stämmer överens med redan kända geologiska lagerföljder vad gäller lagersekvensen i de inversa modellerna. Däremot har det saknats möjlighet att jämföra den modellerade skjuvvågshastigheten med geoteknisk bakgrundsinformation. För cirkeluppställningarna skulle antalet geofoner kunna minskas till viss del utan att påverka resultatets kvalitet avsevärt, medan detta inte rekommenderas för triangeluppställningar.
Det finns mycket kvar att studera vad gäller passiv ytvågsseismik och dess användningsområden. En intressant aspekt skulle vara att utföra upprepade mätningar längs en transekt för att på så sätt skapa en profil av sonderingar. Denna kan sedan jämföras med andra geofysiska mätmetoder, för att se vilka styrkor och svagheter som finns hos olika metoder när det gäller att karaktärisera lagerföljden på platsen.

Popular Abstract (Swedish)

Ljudvågor från tåg och trafik kan ge värdefull information om marken under oss

I vårt samhälle behöver man ständigt veta mer om marken under oss, exempelvis när man ska bygga ett nytt hus eller vill pumpa upp grundvatten. Det gäller att hitta sätt att få information på ett så enkelt och oskadligt sätt som möjligt, och här kan så kallad passiv ytvågsseismik vara ett bra alternativ. Den skadar nämligen inte naturen, behöver inte särskilt mycket utrustning och skapar ändå resultat av god kvalitet.

När man vill få mer information om exempelvis i vilken ordning och på vilka djup som olika lager förekommer i marken kan man använda sig av en kombination av geologi och fysik, nämligen geofysik. En del av geofysiken handlar om hur ljudvågor utbreder sig i marken och kallas för seismik. Dessa vågor kan fångas upp av en variant av mikrofoner, så kallade geofoner, som man stoppar ner i marken. Ljudvågorna skapar man ofta själv, genom att till exempel spränga, men det finns en motsats till detta, där man istället bara lyssnar på de ljudvågor som redan finns i vår omgivning. Detta kallas för passiv seismik och har undersökts närmare i examensarbetet.

När man vid passiv seismisk mätning placerar ut sina geofoner kan man variera hur många man vill använda, i vilken geometrisk form de ska vara uppställda och hur stor yta man vill täcka när man samlar in ljudvågor. Resultaten kan nämligen få olika mätkvalitet och djupnedträngningen kan variera, beroende på hur uppställningen ser ut. I detta examensarbete har uppställningar med olika storlekar formade som cirklar och trianglar testats på två platser i Skåne.
I närheten av mätplatserna har det funnits större vägar med trafik och tåg, som skapar ljudvågor med låga frekvenser, ofta lägre än vad vi människor kan höra. Just dessa ljudvågor är extra intressanta för att de kan tränga djupt ner i marken. Om man sedan innan vet i vilken ordning olika jordlager uppträder i marken (exempelvis genom att man tidigare har borrat en brunn i närheten) är det möjligt att jämföra hur bra ens mätningar är på att visa skillnader mellan olika lager. Till exempel är det intressant att veta vilken skjuvvågshastighet olika lager har, eftersom det är viktigt för de ingenjörer som räknar på hållfastheten när man ska bygga något i marken.

Resultaten i examensarbetet har skapats av ett databearbetningsprogram och består bland annat av grafer över skjuvvågshastigheten för olika djup i marken. Det har visat sig att mätningarna generellt har kunnat skilja väl på olika lager samtidigt som man ska komma ihåg att vara kritisk till hur djupt man kan se i marken med metoden. Dessutom visade det sig att det inte behövs särskilt många geofoner för att skapa resultat av god kvalitet, vilket kan spara mycket tid i framtida mätningar. Både uppställningar med cirkel och triangel fungerar bra, men om man vill göra sin mätning så specifik som möjligt för platsen behöver man mycket bakgrundskunskaper eller utföra flera försök i olika storlekar på platsen för att täcka så många djup som möjligt.

Det finns mycket mer att undersöka om passiv ytvågsseismik, till exempel hur metoderna som används funkar i stadsmiljö till skillnad från i jordbruksmark. I städer kan det finnas många hinder, till exempel hus, som gör att det blir svårare att placera geofonerna i ett särskilt mönster eller i stora uppställningar. Samtidigt finns det många ljudkällor att fånga upp där det är mycket trafik och rörelse. I just stadsmiljöer har den passiva ytvågsseismiken troligtvis stora möjligheter att underlätta och effektivisera arbetet för geofysiker, när undersökningar ska göras inför nybyggnation.

• author: Snellman, Anna
• supervisor: Peter Jonsson
• organization: Civil Engineering (M.Sc.Eng.); Engineering Geology
• alternative title: Passive surface wave seismics – Investigation and implementation of a geophysical method
• course: VTGM05 20222
• year: 2023
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Passiv ytvågsseismik, Rayleighvågor, SPAC, ESPAC, Tornhill, Grevie
• publication/series: ISRN
• report number: ISRN LUTVDG(TVTG-5177)/1-143/(2023)
• other publication id: ISRN LUTVDG(TVTG-5177)/1-143/(2023)
• language: Swedish
• additional info: Examiner: Nils Rydén
• id: 9113519
• date added to LUP: 2023-04-18 11:29:53
• date last changed: 2023-04-18 11:29:53