Sammenligning av flybåren og bakkebaserte resistivitetsmålinger for å indikere kvikkleire i Orkdal, Trøndelag

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet som en del av et samarbeidsprosjekt mellom Norges geologiske undersøkelse (NGU) og Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE), som ble initiert av Orkland kommune, Trøndelag i forbindelse kvikkleirproblematikk i kommunen. Prosjektet har som hovedmål å videreutvikle anvendelsen av geofysiske metoder for tredimensjonal kartlegging av dalfyllinger, med spesielt fokus på marin leire og identifisering av potensielle kvikkleireforekomster. Løsmassene i Orkdal er avsatt i den karakteristiske lagrekkefølgen som oppstår som et resultat av isens tilbaketrekning under siste istid og påfølgende strandforskyving. På dalbunn blir det avsatt sedimenter fra breen, inkludert morene og mulige breelvavsetninger. Disse sedimentene blir deretter dekket av mektige hav- og fjordavsetninger, og på toppen dekkes dalen av elveavsetninger.

På bakgrunn av at de tradisjonelle metodene for å påvise kvikkleire er kostbare, tidkrevende og kun gir punktvis informasjon om undergrunnen, er det de siste tiårene sett nytten av supplerende geofysiske undersøkelser. Denne oppgaven fokuserer hovedsaklig på ulike resistivitetsmålinger, fra helikopter, langs bakken, i borehull og i laboratoriet. Resistivitetsmålinger bygger på prinsippet om at jordarter har naturlig store forskjeller i elektrisk ledningsevne, og kan ved hjelp av det differensiere mellom marin, saltholdig leire og utvasket, mulig kvikkleire. Det mest brukte resistivitetsintervallet for utvasket, mulig kvikkleire er 10-100 \ohm m, og bestemmelse av dette intervallet er viktig for tolkningsmulighetene ved bruk av metodene. Resistiviteten til leire påvirkes av en rekke faktorer og videre forskning på dette vil ha stor nytteverdi.

De geofysiske metodene elektrisk resistivitetstomografi (ERT) og helikopterbåren elektromagnetiske (HEM) målinger gir sammenhengende informasjon om undergrunnen og dekker store områder på forholdsvis kort tid. Dette gjør de egnet til tidlig fase kvikkleirekartlegging for å optimalisere borelokasjoner. Resultatene fra bakkebaserte og helikopterbaserte resistivitetsmålinger viser både i denne studien og tidligere studier et godt overordnet samsvar hvis man sammenligner hovedstrukturer. En en-til-en sammenligning blir ofte misvisende på grunn av forskjell i oppløsning og inversjonsprosedyre. Metodene viser også samsvar med resistivitetsmålinger utført i borehull og i laboratoriet, noe som styrker metodenes pålitelighet og anvendbarhet. ERT- og HEM-data viser best lineær korrelasjon ved lave resistivitetsverdier, slik som i leire. Og viser en avtagende trend ved høyere resistivitetsverdier. De største avvikene fra den lineære trenden mellom metodene er funnet til å være i de grunneste 10 meterene i undergrunnen, ofte på grunn av tilstedeværelse av tørrskorpeleire.

This master's thesis is written as part of a collaborative project between the Geological Survey of Norway (NGU) and the Norwegian Water Resources and Energy Directorate (NVE), initiated by the municipality of Orkland in Trøndelag. The main objective of the project is to further develop the application of geophysical methods for three-dimensional mapping of valley fill deposits, with a specific focus on marine clay and identification of potential quick clay. The sediments in Orkdal reflects the characteristic stratigraphy resulting from the deglaciation during the last glacial period. At the base, sediments from the glacier, including till and glaciofluvial deposits, are deposited. These sediments are then covered by thick layers of marine deposits, and finally the valley floor will be covered by fluvial deposits.

Due to the expensive, time-consuming, and localized nature of traditional methods for detecting quick clay, there has been an increasing recognition in recent decades of the utility of supplementary geophysical investigations. This thesis primarily focuses on various resistivity measurements conducted from helicopters, on the ground, in boreholes, and in the laboratory. Resistivity measurements are based on the principle that different soil types exhibit natural variations in electrical conductivity, allowing for differentiation between marine, saline clay and leached, potentially quick clay. The most common resistivity range for leached, potentially quick clay is 10-100 Ωm, and the determination of this range is crucial for the proper interpretation of results. The resistivity of clay is influenced by various factors and is a promising parameter for further research.

The geophysical methods electrical resistivity tomography (ERT) and helicopter-borne electromagnetic (HEM) measurements provide continuous information about the subsurface and cover large areas in relatively short timeframes. Consequently, they are suitable for early-phase quick clay mapping to optimize drilling locations. The results from both ERT and HEM demonstrate good overall agreement for the main sedimentological structures, both in this and previous studies. One-to-one comparisons can be misleading due to differences in resolution and inversion procedures. These methods also show consistency with resistivity measurements conducted in boreholes and in the laboratory, which strengthens the reliability and applicability of the methods. ERT and HEM data exhibit the strongest linear correlation at low resistivity values, such as those corresponding to clay. As resistivity values increase, the correlation tends to decrease. The largest deviations from the linear trend are found in the shallowest 10 meters of the subsurface, often due to the presence of dry crust clay.