Gravity effects of local soil moisture and groundwater fluctuations to the superconducting gravimeter at Metsähovi, Finland

Thumbnail Image

Files

isbn9789526071695.pdf (4.26 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-12-16
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2016

Department

Rakennustekniikan laitos
Department of Civil Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

71 + app. 43

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 253/2016

Abstract

The Finnish Geodetic Institute has been operating a Superconducting Gravimeter (SG) since 1994. According to Newton's law of universal gravitation, every point mass in the universe attracts every other point mass. Depending on the differences in scale between masses and their distances from each other, the gravity effects of independent sources and phenomena differ greatly from each other. The research scope of this study was to define and model the effect of local hydrology influencing the gravity g at Metsähovi. The study was conducted in two separate phases. In the first one, local hydrogeological phenomena and sources influencing g were identified and characterized. Moreover, the range of their theoretical impact on g was calculated and modelled. As a result of this thesis, four different factors influencing g were named. They are the hydraulic conductivity difference of non-homogeneous soils and bedrock, the water flow in the fractures in the bedrock above the groundwater table below the gravity station, the variation in the porosity of the bedrock within the range of the groundwater level, and the time-varying amount of surface and soil water at the study site. According to this study, the gravity effect of all the factors that were identified is so significant that without accounting for them and their modelling the behavior of g cannot be explained precisely. The second phase of the study was performed after a sufficiently long time series of soil moisture and groundwater observations had been collected; a soil model of the study site was built that included the topography of the study site. As a result of this work, a 3D time-lapse model describing the gravity impact of the local hydrology was constructed. Moreover, the significance of the modelling of the immediate vicinity of the SG, the phasing of the modelling parameters, and the dense sampling interval for the modelling of the gravity impact of the local hydrology were understood. The gravity model based on real hydrogeological data was also compared to the g gained when the global and regional gravity effects were removed from the SG data. This result showed that the gravity effect calculated with the hydrogeological model that was constructed does not explain well the residual gravity. This is explained by the inaccuracy of a local, regional and/or global model. According to the results, is clear that the local model must be based on denser sampling and more accurate modelling, especially in the vicinity of the SG, than those the 3D time-lapse model constructed in the present work is based on.

Geodeettinen laitos on mitannut painovoimaa (g) suprajohtavalla gravimetrillä (SG) vuodesta 1994. Newtonin yleisen painovoimalain mukaan universumin jokainen massapiste vetää jokaista muuta massapistettä puoleensa. Johtuen massojen ja niiden etäisyyksien suurista kokoluokkaeroista eri lähteiden ja ilmiöiden painovoimavaikutukset eroavat suuresti toisistaan. Nyt tehdyn väitöstutkimuksen tavoitteena oli määrittää ja mallintaa Metsähovin paikallisen hydrologian painovoimavaikutus. Tutkimus jakautui 2 vaiheeseen, joista ensimmäisessä pyrittiin erottelemaan erilaiset maaveteen liittyvät g:hen vaikuttavat ilmiöt sekä lähteet. Sen lisäksi laskettiin ja mallinnettiin niiden teoreettisen vaikuttavuuden vaihteluväli g:hen. Väitöstyön tuloksena nimettiin neljä g:hen vaikuttavaa tekijää. Ne ovat epähomogeenisen maankamaran aikaansaama pohjavesipinnan tasoeroista aiheutuva massayli- ja/tai massa-alijäämä, kallion rakoihin tutkimusaseman välittömässä läheisyydessä valuva vesi, tutkimusaseman alla pohjavesipinnan vaihteluvälillä oleva maankamaran huokoisuusvaihtelu sekä pinta- ja maaveden määrän ajallinen ja paikallinen vaihtelu. Tutkimusten perusteella kaikkien edellä mainittujen tekijöiden vaikutus g:hen on niin merkittävä, että ilman niiden huomioon ottamista ja mallintamista g:n käyttäytymistä ei voida selittää tarkasti. Toinen vaihe tutkimusta toteutettiin, kun oli kerätty riittävän pitkä aikasarja maa- ja pohjavesihavaintoja ja alueen maaperämalli topografiatieto mukaan lukien oli valmis. Työn tuloksena syntyi paikallisen hydrologian aiheuttamaa painovoimavaikutusta kuvaava 3D time-lapse -malli. Sen lisäksi ymmärrettiin välittömästi SG:n alla olevan tilan mallinnuksen tärkeys, eri mallinnusparametrien vaiheistuminen sekä näytteenottotiheyden merkitsevyys. Kun todelliseen hydrogeologiseen dataan perustuvaa painovoimamallin antamaa tulosta verrattiin g:hen, joka oli saatu, kun SG mittaustuloksista oli eliminoitu globaali ja alueellinen painovoimavaikutus, saatu tulos osoitti, että rakennetun hydrogeologisen mallin avulla laskettu painovoimavaikutus ei selitä kovin tarkasti jäännöspainovoimaa. Tämä selittyy joko paikallisen, alueellisen tai globaalin mallin tai niiden kaikkien epätarkkuudesta. Tulosten perusteella varmaa on kuitenkin, että paikallisen mallin tulee perustua tiheämpään näytteenottotiheyteen ja varsinkin SG:n välittömän läheisyyden tarkempaan mallintamiseen kuin, mihin nyt tehty paikallinen malli on perustunut.

Description

Supervising professor

Leveinen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, Finland

Thesis advisor

Leveinen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, Finland

Keywords

superconducting gravimeter, soil moisture, 3D time-lapse model, hydrogeological modelling, gravity effect, Metsähovi, suprajohtava gravimetri, painovoimamittaukset, maakoskeus, 3D time lapse malli, hydrogeologinen mallinnus, painovoimaefekti

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Hokkanen, Tero; Virtanen, Heikki, Pirttivaara, Mika. 2007. On the Hydrogeological Noise in Superconducting Gravimeter Data. European Association of Geoscientists and Engineers. Near Surface Geophysics, volume 5, issue 2, pages 125-131. ISSN 1569-4445.
  • [Publication 2]: Hokkanen, Tero; Korhonen, Kimmo; Virtanen, Heikki, Laine, Eeva-Liisa. 2007. Effects of the Fracture Water of Bedrock on Superconducting Gravimeter Data. European Association of Geoscientists and Engineers. Near Surface Geophysics, volume 5, issue 2, pages 133-139. ISSN 1569-4445.
  • [Publication 3]: Hokkanen, Tero; Korhonen, Kimmo; Virtanen, Heikki. 2006. Hydrogeological Effects on Superconducting Gravimeter Measurements at Metsähovi, Finland. Environmental & Engineering Geophysical Society. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, volume 11, issue 4, pages 261-267. ISSN 1083-1363.
    DOI: 10.2113/JEEG11.4.261 View at publisher
  • [Publication 4]: Mäkinen, Jaakko; Hokkanen, Tero; Virtanen, Heikki; Raja-Halli, Arttu; Mäkinen, Risto. 2014. Local hydrological effects on gravity at Metsähovi, Finland: implications for comparing observations by the superconducting gravimeter with global hydrological models and with GRACE. In: Urs Marti. Gravity, geoid and height systems: IAG symposium series 141, Venice, Italy, October 9-12, 2012. Springer. International Association of Geodesy Symposia. ISSN 0939-9585.
    DOI: 10.1007/978-3-319-10837-7_35 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7169-5

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG