Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
TARTU ÜLIKOOL
ÖKOLOOGIA JA MAATEADUSTE INSTITUUT
GEOLOOGIA OSAKOND
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring
Uuringuaruanne
Koostajad: Jüri Plado
Argo Jõeleht
Kaidi Sarv
Tartu 2015
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 2
Sisukord
1 SISSEJUHATUS .......................................................................................................... 3
2 METOODIKA ............................................................................................................. 5
3 TULEMUSED .............................................................................................................. 7
4 KOKKUVÕTE .......................................................................................................... 13
5 VIIDATUD KIRJANDUS ......................................................................................... 14
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 3
1 Sissejuhatus
Käesolev uuringuaruanne kirjeldab georadari ning elektromeetriliste uuringute
tulemusi Salajõe (Läänemaa, Lääne-Nigula vald) karstialal. Salajõe on Lääne-Eesti suurim
karstiala, mis asub Ordoviitsiumi lubjakivi Pirgu lademe avamusel. Karstiala on 20 ha
suurune karstihäilude ja –lehtrite ala, kus salajõgi maa alla kaob. Neeldumisala on 600
meetrit pikk, kohati kuni 100 meetrit lai ja kuni 7,5 m sügav kirde-edela-suunaline org, kus
leidub 35 mitmesuguses arengustaadiumis karstilehtrit (Heinsalu, 1984; Joonis 1). Kõige
edelapoolsemaid kuni 50 m pikkuseid, 20 m laiuseid ja 3-4,5 m sügavaid lehtreid
nimetatakse kõrvalasetsenud talu järgu Aua haudadeks. Suviti on lehtrid kuivad. Jõgi
väljub Aua haudadest ligikaudu 1 km kaugusel edelas Salajõe külas alaliste, kuid suurvee
ajal lehtritest ~600 m kaugusel asuvate ajutiste allikate kaudu. Ajutised allikad
Joonis 1. Salajõe maastikukaitseala (2 lahusseisvat ala) ning hoiuala asend ortofoto (Maa-
amet) taustal. Kollased täpid tähistavad käesoleva töö käigus kaardistatud langatuslehtrite
asukohta.
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 4
annavad aastas vett tavaliselt vaid paar nädalat. Tuntuim ajutiste allikate grupp paikneb nn
Tiberna augus, kuid alalised allikad levivad mitmesaja meetri laiusel loode-kagu-suunalisel
frondil (Heinsalu, 1984). Ajutisi allikaid leidub ka Vanatõnu ja Seasaare talude lähistel,
kust saab alguse Vahuleeme jõgi. Salajõe neeldumis- ja allikateala vahel paiknevad
üksikud langatuslehtrid (asukohad kaardistatud ka käesoleva töö raames; Joonis 1). Nende
üksikute leidude alusel oletas Heinsalu (1984), et jõgi on maa all tugevasti hargnenud.
Sama autor on viidanud ka võimalikule karstioru all kulgevale kirde-edela-suunalisele
tektoonilisele rikkevööndile aluspõhjas ning karstivormide viimase jääaja eelsele vanusele.
Ala on olnud kaitse all alates 1964. aastast, kui Haapsalu Rajooni TSN Täitevkomitee
22. aprilli 1964. a otsusega nr 17 „Looduslikult kaunite kohtade, parkide, põliste puude, ja
teiste kaitset väärivate looduslike objektide säilitamine” võeti kaitse alla maastiku
üksikelement „Salajõgi”. Salajõe maastikukaitseala (KLO1000262) moodustati 2001. a
Niiduelupaigatüüpide kaitseks on 2006. A neeldumisala ja Tiberna augu vahelisele alale
moodustatud Salajõe hoiuala (KLO2000266).
Joonis 2. Radari- ja elektriliste profiilide asend. Radariprofiilide puhul vastab värv
joonisele märgitud päeval teostatud töödele. Märgitud on joonisel 4 ja 5 toodud
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 5
radariläbilõigete asend. Taustaks on kasutatud varjutatud reljeefi kaarti (Maa-ameti
LIDAR-andmete alusel).
Uuringute käigus kaeti karstiala ja selle vahetu lähiümbrus radariprofiilidega
kogupikkuses 21,2 km (Joonis 2). Radari-läbilõiked töödeldi (filtreeriti ja võimendati),
võimalusel leiti aluspõhja lasuvalt pinnalt tekkinud peegeldus, iseloomustati pinnakatte-
setendi tüüpi ning võimalusel ka omavahelisi piire. Kuna suuremal osal uuritaval alal on
aluspõhi kaetud elektromagnetlaineid varjestava moreeniga ja aluspõhjapeegeldused sageli
puudusid, siis täiendati radariuuringuid kolme elektromeetrilise profiiliga (ERT – electric
resistivity tomography) kogupikkuses 1,65 km.
2 Metoodika
Kõik radaritööd teostati Radar Systems Inc poolt valmistatud georadariga Zond
12e. Kuna georadar mõõdab aega elektromagnetimpulsi saatmisest registreerimiseni, on
peegeldumissügavuste arvutamiseks vaja teada elektromagnetlainete levikukiirust
pinnases. Levikukiirust iseloomustatakse suhtelise dielektrilise läbitavuse (r, kaudu. Selle
määramiseks kasutati hüperboolide meetodit. Hüperboolid tekivad radaripildis
punktobjektidelt (näiteks suuremad kivid) saabuvatest peegeldustest, kuna radarilaine levib
pinnases erinevates suundades ja tugevalt peegeldavat objekti „nähakse“ enne, kui selle
kohale jõutakse. Hüperbooli haarade kallutatuse alusel saab arvutada elektromagnetlaine
levikukiiruse (ning ka suhtelise dielektrilise läbitavuse).
Dielektrilise läbitavuse määramiseks mõõdeti igalt profiililt 1-3 hüperbooli (kokku
159 tükki) ja arvutati elektromagnetlainete kiirus erinevate uuringupäevade tarbeks.
Erinevus uuringupäevade vahel tuleneb pinnaste erinevast niiskussisaldusest ehk siis
Tabel 1. Keskkonna dielektriline läbitavus ning vastav elektromagnetlainete levikukiirus.
Kuupäev
Dielektriline läbitavus (-) Elektromagnetlainete kiirus
(cm/ns)
Mõõtmiste arv Keskmine Mediaan Keskmine Mediaan
10.08.2014 50 8,3 8,0 10,4 10,6
03.09.2014 73 10,2 9,5 9,4 9,7
18.09.2014 16 8,8 8,6 10,1 10,2
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 6
31.10.2014 20 15,8 14,8 7,6 7,8
kaudselt ka uuringutele eelnenud päevade/nädalate sademete hulgast. Dielektriline
läbitavus ei sõltu oluliselt sügavusest; sõltuvust absoluutkõrgusest ei analüüsitud.
Sügavuste arvutamisel kasutati elektromagnetlainete kiiruste mediaanväärtuseid (Tabel 1).
Uuringutel kasutati elektromagnetlainete sagedusi 300 ja 500 MHz liigutades antenni
kõndimis- (põllud, heinamaad ja metsasihid) või siis 100 MHz aeglase autosõidu kiirusel
(maantee ja kohalikud kruusateed). Radarikomplekti positsioneerimiseks kasutati
integreeritud mõõteratast ja GPS-antenni (asukohamäärangu viga kuni 3 m avatud
vaateväljas, kuni 30 m metsas). Tagasipeegelduvat signaali mõõdeti 200 ns jooksul ja iga 5
kuni 10 cm tagant.
Andmete töötlemine toimus “Prism2” tarkvara abil kasutades erinevaid filtreid
(võimendus, madalsagedusliku komponendi eemaldamine registreeritud signaalist)
läbilõigete parema visuaalse kvaliteedi saavutamiseks ning kasulikku informatsiooni
kandvate peegelduste äratundmiseks. Läbilõigetelt leiti võimalusel aluspõhja lasuvale
pinnale vastav peegeldus / mustrierinevus, mis klikiti käsitsi igas virtuaalses punktis (~10
m tagant) üle. Igale klikile omistati ajaväärtus, millest arvutati pinna sügavus. Saadud
interpretatsiooni alusel koostati aluspõhja reljeefi pinnakatte paksuse (Joonis 6) ja
aluspõhja reljeefi (Joonis 7) ning kaardid.
Kuna radaritööd ei andnud piisavalt andmeid karstinähtuste iseloomustamiseks
Salajõe Aua haudade ja Tibernaaugu vahelisel alal (Joonis 1, Joonis 2) teostati nimetatud
alal elektromeetrilised uuringud eesmärgiga määrata pinnakatte ja aluspõhja
elektritakistuste jaotus. Selleks eeldati, et aluspõhjas esinevad karstinähtused seonduvad
võrreldes rikkumata lasumusega erineva takistuste mustriga. Elektromeetriliste meetodite
korral juhitakse madala sagedusega elektrivool maa sisse kahe (toite)elektroodi abil, ning
kahe eraldiseisva (vastuvõtu)elektroodi vahel mõõdetakse potentsiaalide vahet (ΔV).
Mõõtes potentsiaalide vahet, pinnasesse juhitud voolu tugevust (I) ning teades elektroodide
kaugust üksteisest, arvutatakse näiveritakistuse väärtus.
Mõõtmised teostati vastavalt Wenneri konfiguratsioonile, mille puhul on
kasutatavate elektroodide vahekaugused on võrdsed ja toiteelektroodid neliku otstel.
Süsteem, mis koosneb 48 elektroodist, võimaldab teha automaatselt mõõtmisi 360
kombinatsioonis kasvatades järk-järgult elektroodide vahelisi kaugusi ja selle kaudu
iseloomustada läbilõiget üha sügavamalt.
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 7
Elektromeetrilisi mõõtmisi tehti kolmel NE–SW-suunalisel profiilil 14.09 ja 31.10
(Joonis 2). Käesoleva uuringu käigus teostati tööd kasutades eritakistuse tomograafilist
(ERT - ingl. Electrical Resistivity Tomography) meetodit kasutades aparatuuri P.A.S.I.
Korraga maandati 2-meetriste vahedega 48 elektroodi (liini kogupikkus = 94 m). Profiili
pikendamisel nihutati elektroode 32 m (16 elektroodi) võrra ja korrati mõõtmisi täismahus.
Selliselt jätkates saavutati profiili keskosas maapinnalähedastes kihtides andmete kuni
kolmekordne ülekate võimaldades kontrollida tööde kvaliteeti.
Elektroodide asukohad määrati käsi-GPS seadmega. Reljeefi lisamiseks profiilidele
kasutati Maa-ameti Lidar-mõõdistuse andmeid. Mõõtmistel kasutati sagedust 7,2 Hz.
Välitööde tulemused interpreteeriti ja illustreeriti tarkvara RES2DINV (GEOTOMO
SOFTWARE, Malaisia) abil. Tarkvara abil muudeti mõõdetud näiveritakistuste väärtused
vähimruutude meetodil itereerides need eritakistuste läbilõigeteks. Käesolevas töös
kasutatakse kõigi profiilide puhul illustratsioonidena viiendaid iteratsioone. Nende puhul
on ruutkeskmine viga kahanenud alla 2 % ning tulemused peegeldavad geoloogilist sisu,
mis edasiste iteratsioonide käigus sai tavaliselt kannatada.
3 Tulemused
Radariläbilõigetel ilmneb aluspõhja pealispinnaga seostuv peegeldus vaid kohati,
valdavalt uuritud ala põhjaosas, kus pinnakate on õhem (Joonis 3). Sellisel puhul ilmneb
lubjakivi-sisene kihipindadelt või savikamatelt kihtidelt tulenevate üksteisega paralleelsete
peegelduste muster (Joonis 4, Joonis 5). Aluspõhjast pärinevad peegeldused erinevad
oluliselt kaootilise iseloomuga „säbrulistest“ pinnakatte peegeldustest. Pinnakattes esineb
suuremal või vähemal määral hüperboolseid tagurpidi V-tähe kujulisi peegeldusi, mis
pärinevad suurematelt veeristelt. Peegelduste mustri alusel koosneb pinnakate suuremas
osas moreenist, kuid kohati esineb ka merelise päritoluga setteid.
Pinnakatte paksus on väiksem ala põhjaosas jäädes valdavalt vahemikku 2-5 m. Ala
lõunaosas oli defineeritav lõik, kus pinnakatte paksus oli ~6 m (Joonis 3). Ülejäänud
profiilidel ei õnnestunud pinnakatte paksust iseloomustada. Selle põhjuseks võib tuua (i)
pinnakatte valdavalt suure paksuse (>3 m) ning (ii) pinnakatteks oleva moreeni hea
elektrijuhtivuse, mis varjestab elektromagnetlainete leviku. Aluspõhja lasuv pind (Joonis
6) jääb uuritud alal kõrgusele 10 kuni 0 m (ü.m.p.). Aluspõhja pind laskub edelakaarde.
Olulisi karstitühemeid radariläbilõigetel ei ilmne. Seal, kus aluspõhjastruktuurid on
radaripildis nähtavad, esinevad üksikud ilma näiva põhjuseta suurema amplituudiga
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 8
aluspõhjasisesed peegeldused viidates võimalikele väljalahustumise nähetele (näiteks
Joonis 3. Salajõe piirkonna pinnakatte paksuse kaart georadari uuringute tulemustel.
Pinnakatte paksus on ära toodud vaid nendes kohtades, kus aluspõhja lasuv pind oli
identifitseeritav.
Joonis 4). Tugevamad peegeldused levivad mitmekümne meetri laiuse vööndina ja näivad
järgivat Salajõe neeldumisalast algselt lääne-loode-suunas ja hiljem lääne-edela poole
kulgevat madalamat ala, mis Heinsalu (1984) järgi on suurvee ajal toiminud Sarapiku
ojana (Joonis 2). Tugevamad peegeldused võivad esineda mitmes tasandis ja kohakuti.
Tühemike kõrgus jääb tõenäoliselt cm-dm mõõtkavasse, kuna läbilõigetel ei ole
näha (i) sügavamate reflektorite selget kerkimist/vajumist ümbritsevaga võrreldes, (ii)
eraldi peegeldusi tühemiku pealis- ja alapinnalt, ning (iii) järelkaja efekti. Nagu eespool
mainitud, on Aua haudade ja Tiberna allikate vahelisel alal pinnakate liiga paks, et
sarnaseid tugevamaid peegeldusi jälgida.
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 9
Joonis 4. Interpreteeritud väljavõte profiilil salajoe140903b koostatud läbilõikest.
Kollased toonid markeerivad pinnakatet, punakad aluspõhja lubjakive. Vertikaalsete
nooltega on näidatud peegeldused võimalikelt karstunud pindadelt.
Joonis 5. Interpreteeritud väljavõte profiilil salajoe140903d koostatud läbilõikest.
Kollased toonid markeerivad pinnakatet, punakad aluspõhja lubjakive.
Samas on Aua haudade ja Tiberna allikate vahelisel alal jälgitav aluspõhja
absoluutkõrguse järsk vähenemine, seda võrdluses kõrvalseisva alaga (Joonis 7). See
asjaolu võib kaudselt olla väljavoolu asukoha arenemise põhjuseks.
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 10
Joonis 6. Salajõe piirkonna aluspõhja kõrgus võttes aluseks georadariga saadud
informatsiooni. Aluspõhja kõrgus on ära toodud vaid nendes kohtades, kus aluspõhja lasuv
pind oli identifitseeritav.
Kohati (näiteks Joonis 5) ei moodusta aluspõhja pealispind „siledat“ peegeldust
viidates pinna konarlikkusele ja võimalikele pindmise karsti nähetele. Neis kohtades, kus
radariprofiilid külgnesid langatuslehtritega, ei leitud kasutatud metoodika alusel saadud
pinnakattepeegeldustes ümbritsevast oluliselt erinevaid mustreid.
Elektrilise tomograafia meetodil saadud eritakistuse läbilõiked näitavad Salajõel
kihilist keskkonda. Pinnakatte maapinnalähedane osa on väga muutlik tulenevalt pinnakihi
niiskuse ja liivakuse variatsioonidest, aga mõningal määral ka elektroodide maandamise
tingimustest. Pinnakatte sügavam osa on samuti muutlik, kuid väiksemas ulatuses
(eritakistus valdavalt vahemikus 100–500 Ωm). Läbilõigete sügavama osa moodustavate
aluspõhja lubjakivide eritakistus on enamasti >400 Ωm.
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 11
Joonis 7. Interpretatsioon Salajõe piirkonna aluspõhja absoluutkõrgusest võttes aluseks
georadariga saadud pindalalaliselt ebaühtlaselt paikneva informatsiooni (Joonis 6).
Joonisele on kantud Salajõe hoiu- ja maastukukaitsealad (hallid laigud) ning tõenäoliseim
vee levikuala (kollane punktiirjoon) Aua haudade ja Tiberna allikate vahel.
Piir pinnakatte ja aluspõhja kivimite vahel ning karstivormide esinemiskohad ei ole
eritakistuse läbilõigetel üheselt määratavad. Näiteks kõige kirdepoolsema ehk
neeldumiskohale lähima profiili vahetus läheduses kaugustel 70 m ja 105 m esinesid
heinamaal langatuslehtrid ning kaugustel 30–60 m olid jälgitavad väiksemad lohud
(läbimõõt 0,5–1,5 m, sügavus 0,2–0,4 m), kuid läbilõigetel ei esine nendes kohtades olulisi
selgelt piiritletavaid eritakistuse anomaaliaid. Samas on täheldatav pinnakatte sügavama
osa ja/või aluspõhja ülaosa tasemel eritakistuse suhteliselt madalaid, kuid samas muutlikke
väärtusi (näiteks Tiberna augule lähimal profiilil 2 kaugusel 120–450 m). Horisontaalselt
kihipinnalõhesid pidi areneva karstumise tulemusena on aluspõhjakivimite ülaosa
eritakistus vähenenud ning seetõttu pinnakattest raskesti eristatav. Karstivormide
esinemine pinnakatte all on põhjustanud viimase ebaühtlast kuivamist (mõõtmistele eelnes
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 12
Joo
nis
8. E
rita
kist
use
läbil
õik
ed. Sin
ised
rom
bid
tähis
tava
d p
rofi
ili
2 l
ähed
use
s es
inen
ud l
angatu
sleh
trit
e asu
kohti
.
NW
Pro
fiil
2
Pro
fiil
3
Pro
fiil
1
SE
SE
SE
NW
NW
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 13
suhteliselt kuiv suvi ja sügis). Elektromeetriliste tööde tulemused toetavad Heinsalu (1984)
seisukohta, et langatuslehtrite vähesus viitab maa-aluse „jõe“ tugevale hargnemisele ja
suurte tühemete puudumisele.
Kõigil kolmel eritakistuse läbilõikel on profiilide kaguosas jälgitav suhteliselt väikese
eritakistusega (100–300 Ωm) kiht (profiilil 2 kaugusel >220 m, profiilil 3 kaugusel >500 m
ja profiilil 1 kaugusel >450 m). Seda nähtust võib mõningal määral mõjutada karsti
esinemine, kuid tõenäoliselt on põhjuseks savikama pinnakatte esinemine.
Salajõe karstioru joonelisusest ja suunast lähtudes oletas Ü. Heinsalu (1984), et
aluspõhjas esineb tektooniline lõhevöönd, mis on soodustanud karsti arengut.
Elektromeetrilised mõõtmised ei toeta rikkevööndi ideed. Läbilõigetel esineb aluspõhja
kivimite sügavusel eritakistuse lateraalset muutlikkust, kuid varieeruvus ei ole piisav
rikkevööndi välja eraldamiseks. Suuremate riketega kaasneb tavaliselt karbonaatkivimite
puhul vööndina eritakistuse oluline langus väärtusteni 200–400 Ωm, mida käesoleval juhul
ei täheldatud. Rikkevööndi puhul eeldaks, et allikad esinevad piiratud alal mitte mitmesaja
meetri laiuse vööndina.
4 Kokkuvõte
Salajõe karstiala geofüüsikalise uuringu käigus kaeti karstiala ja selle vahetu
lähiümbrus radariprofiilidega kogupikkuses 21,2 km. Aua haudade ja Tibernaaugu
vahelisel alal täiendati radariuuringuid kolme elektromeetrilise profiiliga kogupikkuses
1,65 km.
Radariprofiilidel on aluspõhja pealispind ja lubjakivide siseehitus nähtav ainult kohati
õhema pinnakattega aladel. Suuremal osal uuringualast esineb >3 m paksune moreen, mis
varjestab georadari signaali. Karst avaldub radariläbilõigetel aluspõhjasiseste
peegeldustena, mis mingis lõigus on ilma näiva põhjuseta oluliselt suurema amplituudiga.
Nähtust põhjustab tõenäoliselt kihipindasid mööda arenev väljalahustumine. Asukoha
poolest on nähtus seostatav kunagise Sarapiku ojaga, mis toimis suurvee perioodidel.
Pindmise karsti kohatisele esinemisele viitavad „mittesiledad“ peegeldused aluspõhja
pealispinnalt.
Eritakistuse läbilõiked näitavad kihilist keskkonda. Suurema eritakistusega aluspõhjal
lasub muutlik, kuid üldiselt väiksema eritakistusega pinnakate. Kvaternaarisetete pinnakihi
muutlikkust põhjustab pinnakihi liivakuse ja niiskuse varieerumine. Pinnakatte sügavam
Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring 2015
Tartu Ülikooli geoloogia osakond 14
osa on eeldatava karstivööndi läheduses muutlikum ja seda saab selgitada rohkem
varieeruva niiskusrežiimiga karstivormide kohale jäävas pinnases.
Piir pinnakatte ja aluspõhja kivimite vahel ning karstivormide esinemiskohad ei ole
eritakistuse läbilõigetel üheselt määratavad. Horisontaalselt kihipinnalõhesid pidi areneva
karstumise tulemusena on aluspõhjakivimite ülaosa eritakistus vähenenud ning seetõttu
pinnakattest raskesti eristatav. Elektromeetriliste tööde tulemused toetavad seisukohta, et
langatuslehtrite vähesus viitab maa-aluse jõe tugevale hargnemisele ja suurte tühemete
puudumisele. Tööde tulemusena on antud maa-aluste voolude levikuala Aua haudade ja
Tiberna allikate vahel (Joonis 7).
Salajõe kaitsekorralduses ei ole autorite arvates tarvis midagi olulist muuta. Nagu iga
veekogu puhul, tuleks vältida reoainete sattumist veekogusse. Kuna pinnakate on Salajõe
maa-aluse leviku alal suhteliselt paks siis ei ole tõenäoline väetiste sattumine
karstivormidesse pinnakatet läbiva infiltratsiooni teel, välja arvatud langatuslehtrite kohal
ja vahetus ümbruses.
5 Viidatud kirjandus
Heinsalu Ü., 1984. Salajõgi. Eesti Loodus 1984, 12: 792-795.