Maaperärakenteiden maatutkaus aapasuoalueen hydrologian selvittämiseksi

Diplomityön tarkoituksena oli hankkia maatutkaluotauksen avulla tietoa Pudasjärven kunnan alueella sijaitsevan aapasuoalueen maaperästä ja sen rakenteesta. Tutkimusalue sijaitsee Viinivaaran pohjavesiharjun välittömässä läheisyydessä. Se koostuu kahdesta eri suosta, Mesisuosta ja Sarvisuosta. Lähtökohtainen tarkoitus maaperää koskevan uuden tiedon hankkimiselle oli alueen hydrologisten mekanismien ymmärtämisessä. Ennakkotietojen perusteella monet suoalueella esiintyvistä hydrologisista ilmiöistä ovat pohjaveden ja sen virtauksen aiheuttamia. Maatutkaluotaus on geofysikaalinen menetelmä, joka perustuu maaperän tutkaamiseen sähkömagneettisten aaltojen avulla. Maaperän rakenteessa esiintyvät muutokset, kuten eri maalajien muodostamat rajapinnat näkyvät tutkan avulla, mikäli niissä tapahtuu sähköisten ominaisuuksien muutoksia. Maatutkaukset toteutettiin maaliskuussa 2015. Tutkauksista 42 km tehtiin 50 MHz:n ja 100 MHz:n antenniyhdistelmää moottorikelkalla vetäen. Vaikeakulkuinen maasto tutkattiin vetämällä 50 MHz:n ja 250 MHz:n yhdistelmää suksin tai lumikengin. Tällä yhdistelmällä tutkauslinjaa kertyi 21 km, eli yhteensä linjaa oli 63 km. Ennakkotietoina tutkimusalueesta olivat GTK:n vuonna 1996 toteutettujen tutkimusten kairaustulokset ja Oulun yliopiston tekemistä hydrologiaan liittyvistä tutkimuksista saadut tulokset. GTK:n tutkimusten avulla oli määritetty soiden turvevarantoja sekä turvekerroksen alapuolisen mineraalimaalajin ominaisuuksia. Oulun yliopiston tutkimuksissa oli tutkittu alueen hydrologiaa isotooppitutkimusten ja lämpökamerakuvausten avulla. Hydrologisisten tutkimusten, karttatietojen ja maastokäyntien perusteella alueelta pystyttiin määrittämään sijainnit, joilla esiintyi lähteitä. Merkittävimmät lähteet sijaitsevat Viinivaaran pohjoisreunalla, Niemenmaan harjanteen itäpuolella ja Mesisaaren lounaispuolella. Karttatietojen perusteella voitiin olettaa, että pohjaveden pääsääntöinen virtaussuunta tutkimusalueella on etelästä pohjoiseen. Saatujen tutkaustulosten perusteella pystyttiin määrittämään kattavasti tutkimusalueen turvepaksuuksia ja turvekerroksen alapuolisten mineraalimaalajikerrosten ominaisuuksia. Näiden kahden huomattiin olevan kytköksissä toisiinsa, ja turvekerroksen paksuuden muutokset pystyttiin yleisesti selittämään sen alapuolisissa kerroksissa tapahtuvien rakenteellisten muutosten avulla. Turvekerroksen alapuolisista rakenteellisista tekijöistä nousivat vahvimmin esiin alueella esiintyvät moreenimuodostumat. Maaperän ominaisuuksista saadut tulokset liitettiin alueen hydrologiaan tarkastelemalla sellaisia alueita, joilla esiintyi ennakkotietojen perusteella lähteitä. Näiden alueiden maaperän ominaisuuksista pyrittiin löytämään sellaisia tekijöitä, jotka selittäisivät lähteiden sijainteja ja toimintamekanismeja. Tulosten avulla havaittiin selkeitä yhteyksiä lähdealueiden maaperän rakenteellisten ominaisuuksien ja lähteiden sijaintien välillä. Viinivaaran pohjoisreunassa sijaitsevien lähteiden muodostumiseen vaikuttaa tulosten mukaan turvekerroksen paksuuden äkillinen kasvu. Turvekerros muodostaa pohjaveden etenemiselle esteen, jolloin sen virtaussuunta kääntyy osittain kohti maanpintaa. Suoalueen keskiosissa sijaitsevien lähteiden sijainnit voidaan perustella suoalueella ilmenevien moreenimuodostumien avulla. Pohjaveden pääsääntöisen virtaussuunnan vastaiset moreenimuodostumat estävät matalan hydraulisen johtavuutensa takia virtausta, jolloin pohjavesi pyrkii virtaamaan kohti maanpintaa, purkautuen siellä lähteiden muodossa.The purpose of this thesis was to gather information on string bog subsurface and its properties in area located in Pudasjärvi municipality. The area was studied using ground penetrating radar. The study area was located next to Viinivaara groundwater esker. The area consists of two separate peatlands Sarvisuo and Mesisuo. The reason to gather new information of subsurface layers was to understand the hydrological mechanisms of the peatland. This was due to the fact that many hydrological phenomena present in the area were considered groundwater dominant. Ground penetrating radar is a geophysical method. Its operation is based on probing the ground with electromagnetic waves. It can be used to locate structural changes e.g. soil interfaces in subsurface. Their appearance in the radar is based on the differences in electromagnetic properties of different soils. The measurements of this thesis were done during March 2015. Most part (42 km) of the measurements was done by pulling the radar system with a snowmobile. The combination of used antennae was 100 MHz and 50 MHz. Measurements in rough terrain were done by pulling the antennae with skis. The antenna combination in this case was 250 MHz and the 50 MHz. The length of the measurement line done by skis was 21 km long. In total this makes 63 km of measurements. Prior information on the studied area consists of results of researches done by Geological Survey of Finland and University of Oulu. Studies by Geological Survey of Finland determined the properties of the peat and mineral soil beneath. The research done by the university was about the hydrological aspects of the area. The studies included stable water isotope analysis and determination of surface water temperatures with thermal camera. By using results from the hydrological studies in addition to information gained from the maps and field studies, it was possible to determine the locations of springs in the area. The springs were located in the north edge of the Viinivaara esker, east of Niemenmaa ridge and south-west from Mesisaari moraine formation located in the center of the Mesisuo peatland. The main direction of the groundwater flow in the study area was determined from the cartographic information to be from south to north. The thickness of the peat layer and the properties of soil layer beneath it were determined extensively. The changes in peat layer thickness were generally explainable with structural changes in the soil layer below. The most significant structural changes were found to be the till formations below the peat. The results on subsurface and its properties were integrated with the prior knowledge on hydrology by focusing on the areas where springs were present. Locations and mechanisms of springs were explained with the subsurface properties of the areas. The results indicated clear connections between the spring locations and the structural properties of the subsurface. Sudden thickening of the peat layer appears to be the cause for the location of the Viinivaara esker spring. The thick peat layer formed a block for the groundwater flow and the flow direction partially changed towards the ground surface. The locations of the other springs near the center of the study area can be explained with the locations and properties of the till formations. These thicker till formation hill beneath peat were situated parallel with the groundwater flow direction and blocked the flow. The low hydraulic conductivity of till forces the water to flow vertically towards the peatland surface