Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring

Transcript

1 TARTU ÜLIKOOL ÖKOLOOGIA JA MAATEADUSTE INSTITUUT GEOLOOGIA OSAKOND Salajõe karstiala geofüüsikaline uuring Uuringuaruanne Koostajad: Jüri Plado Argo Jõeleht Kaidi Sarv Tartu 2015

2 Sisukord 1 SISSEJUHATUS METOODIKA TULEMUSED KOKKUVÕTE VIIDATUD KIRJANDUS Tartu Ülikooli geoloogia osakond 2

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 (Maaamet) taustal. Kollased täpid tähistavad käesoleva töö käigus kaardistatud langatuslehtrite asukohta. Tartu Ülikooli geoloogia osakond 3

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 aastast, kui Haapsalu Rajooni TSN Täitevkomitee 22. aprilli 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 (KLO ) moodustati a Niiduelupaigatüüpide kaitseks on A neeldumisala ja Tiberna augu vahelisele alale moodustatud Salajõe hoiuala (KLO ). Joonis 2. Radari- ja elektriliste profiilide asend. Radariprofiilide puhul vastab värv joonisele märgitud päeval teostatud töödele. Märgitud on joonisel 4 ja 5 toodud Tartu Ülikooli geoloogia osakond 4

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 pinnakattesetendi 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. Dielektriline läbitavus (-) Elektromagnetlainete kiirus (cm/ns) Kuupäev Mõõtmiste arv Keskmine Mediaan Keskmine Mediaan ,3 8,0 10,4 10, ,2 9,5 9,4 9, ,8 8,6 10,1 10,2 Tartu Ülikooli geoloogia osakond 5

6 ,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. Tartu Ülikooli geoloogia osakond 6

7 Elektromeetrilisi mõõtmisi tehti kolmel NE SW-suunalisel profiilil ja (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 Tartu Ülikooli geoloogia osakond 7

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. Tartu Ülikooli geoloogia osakond 8

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. Tartu Ülikooli geoloogia osakond 9

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 Ωm). Läbilõigete sügavama osa moodustavate aluspõhja lubjakivide eritakistus on enamasti >400 Ωm. Tartu Ülikooli geoloogia osakond 10

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 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 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 Tartu Ülikooli geoloogia osakond 11

12 NW Profiil 2 SE NW Profiil 3 NW Profiil 1 SE Joonis 8. Eritakistuse läbilõiked. Sinised rombid tähistavad profiili 2 läheduses esinenud langatuslehtrite asukohti. SE Tartu Ülikooli geoloogia osakond 12

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 ( 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 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 Tartu Ülikooli geoloogia osakond 13

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., Salajõgi. Eesti Loodus 1984, 12: Tartu Ülikooli geoloogia osakond 14