Undersøgelse af det sedimenterede materiale i Kangerlussuaq fjord til brug som cementfortrængende tilsætning

Transkript

1 Undersøgelse af det sedimenterede materiale i Kangerlussuaq fjord til brug som cementfortrængende tilsætning Af Ditte Alm og Susanne Brix Center for Arktisk teknologi BYG DTU 2005 Vejleder: Professor Arne Villumsen

2 2

3 1. Forord Nærværende projekt er udarbejdet på Center for Arktisk Teknologi (ARTEK), BYG DTU i år 2005 på Danmarks Tekniske Universitet. I den forbindelse vil vi gerne takke for den hjælp og vejledning, vi har fået af vejleder professor Arne Villumsen, ARTEK, DTU. Herudover fik vi hjælp fra nedenstående, hvilket vi desuden er taknemmelige for: Bente Frydenlund, BYG DTU Britta Roll, BYG DTU Mette Geiker, BYG DTU Erik Christensen, BYG DTU Niels Nielsen Foged, BYG DTU Bjarke Tinghus for sejlads i Kangerlussuaq fjord Barten Abdel, BYG DTU Morten Holtegaard Nielsen, BYG DTU Peter Laugesen, Pelcon ApS Ole Bjørslev Nielsen, Aarhus Universitet Jens Thomsen, Aalborg Portland A/S Anne-Lene Felland, BYG DTU Klaus Myndal, BYG DTU Niels Brock, BYG DTU Poul Linnert Christiansen, BYG DTU Bent Grelk, Rambøll Det skal bemærkes, at der i opgaven af og til anvendes ord, som er yderligere beskrevet under afsnit 10. Ordliste. Første gang et forklaret ord optræder i teksten, er det markeret med kursiv. Ved kildehenvisninger anvendes de i afsnittet 11. Litteraturliste og 12. Internetsider angivne referencer. Alle billeder, der ikke er henvisning til, er fotograferet af undertegnede. Bagest i rapporten findes bilag. På forsiden er vist et billede af Kangerlussuaq fjord og by set fra Black Ridge. Dato: Dato: Ditte Alm s Susanne Brix s

4 4

5 2. Sammenfatning Formålet med nærværende projekt er at udtage prøver af det sedimenterede materiale i Kangerlussuaq fjord (Søndre Strømfjord) med henblik på at vurdere, om det kan anvendes som mineralsk tilsætning til cement og derved virke cementfortrængende. Cementforbruget i Grønland er meget stort. I Grønland fremstilles ikke cement, men i stedet importeres det fra Danmark, og i Grønland tilsættes tilslagsmaterialet for at fremstille beton. Grundet de store omkostninger, der er forbundet med importen af cement, vil det være fordelagtigt, hvis det er muligt, at fortrænge en del af cementen ved at tilsætte et andet materiale, som Grønland selv kan levere. Derved vil mængden af importeret cement kunne reduceres. For at fortrænge noget af cementen i beton kan finkornet materiale tilsættes. Studierne er forløbet i hele år 2005 med: - først et halvt års forundersøgelser i Danmark om foråret (Del 1), hvor der er foretaget litteraturstudie om Grønlands naturforhold, bjergarter og mineraler samt ler og cement; - dernæst feltundersøgelser ved en 3-ugers studierejse til Sisimiut og Kangerlussuaq i Grønland om sommeren (Del 2), hvor der er blevet udtaget prøver; og - endelig laboratorieundersøgelser i Danmark om efteråret (Del 3), hvor følgende forsøg er udført: slemmeanalyse, vandindhold og glødetab, chloridindhold, mineralogisk undersøgelse, mikroskopi, karbon- og svovlindhold, magnesiumindhold, sorptionsisotermer, bearbejdelighed, bøjnings- og trykstyrke. Det skal bemærkes, at de i alt 57 udtagne prøver fra Kangerlussuaq fjord i Del 3 blev sorteret og blandet ud fra data fra slemmeanalysen og den geografiske beliggenhed til kun 4 prøver. De udførte forsøg efter sammenblandingen giver derfor et langt mere repræsentativt og mere realistisk billede af virkeligheden. På figurerne ses mikroskopbilleder af de 4 prøver. Prøve 1 Prøve 2 Prøve 3 Prøve 4 5

6 Resultaterne af de udførte forsøg er opsummeret i nedenstående tabel. OPSUMMERING AF RESULTATER Forsøgstype Resultat Krav til og fakta om cement*) Slemmeanalyse For 15 prøver var 90 % af kornstørrelsen mindre end 0,1 mm. 90 % af cementen skal være mindre end 0,1 mm. Vandindhold W våd mellem 2,8 % - 59,9 % - W tør mellem 2,9 % - 149,4 % Glødetab Mellem 0 % 1,7 % Maks. 6 % ifølge DS. Chloridindhold 19 af prøverne har et acceptabelt chloridindhold, men de øvrige prøver har Maks. 0,1 % ifølge DS 196-2, del 1. højere værdier helt op til 21,9 %. Mineralogisk undersøgelse Højest indhold af plagioklaser, og ellers generelt højt indhold af kvarts og augit. I lerfraktionen er generelt højest indhold af illit, plagioklas feldspat og augit. Andelen af lermineraler består stort set kun - af biotit. Mikroskopi Undersøgelsen gav et visuelt indtryk, som kan understøtte resultaterne fra slemmeanalysen. Desuden var det muligt at observere form og farve på de større korn. - Karbonindhold Mellem 0,01 % -0,09 % - Rapid-cement er målt til 0,61 % Svovlindhold Mellem 0,01 % -0,05 % Rapid-cement er målt til 2,22 % Maks. 4,5 % ifølge DS 427. Rapid-cement bør være ca. 3,2 % Magnesiumindhold Mellem 0,08 % 1,48 % Rapid-cement er målt til 0,53 % Maks. 3 % ifølge DS. Rapid-cement bør være ca. 0,9 % Sorptionsisotermer De udarbejdede sorptionsisotermer gav mulighed for at proportionere en cementmørtel til de resterende bearbejdeligheds- og styrkeforsøg. Ved 97 % blev vandtørstofforholdet: Prøve 1: 26,28 % Prøve 2: 11,92 % Prøve 3: 5,42 % - Prøve 4: 0,11 % Bearbejdelighed Bearbejdeligheden stiger med stigende - kornstørrelse. Bøjningsstyrke Mellem 4,18 MPa 6,95 MPa, idet styrken falder med stigende erstatning af sedimenteret materiale og med stigende - kornstørrelse. Rapidmørtel er målt til 7,34 MPa. Trykstyrke Mellem 20,39 MPa 46,71 MPa, idet styrken falder med stigende erstatning af sedimenteret materiale og med stigende kornstørrelse. Rapidmørtel er målt til 49,68 MPa. Rapid-cement skal være mellem 47 MPa -55 MPa. Mindst 26 MPa ifølge DS 427. Det anbefales på baggrund af resultaterne fra nærværende projekt, at bruge det finkornede materiale nær Kangerlussuaq havn (prøve 1), og at der maksimalt tilsættes 10 % som erstatning af Rapidcement. Formålet med projektet er derfor opfyldt. Der er i nærværende projekt givet retningslinjer for, om det sedimenterede materiale kan anvendes som cementfortrængning. Før en udførelse af cementfortrængning i Grønland kan finde sted, bør der foretages flere undersøgelser, som underbygger resultaterne fra nærværende projekt. 6

7 2.1 Abstract The purpose with the existing project is to pick out samples of the deposited material in Kangerlussuaq fiord (Søndre Strømfjord) with the purpose to estimate its use as a mineral admixture for cement and thereby as an admixture to force out cement. The consumption of cement in Greenland is quite large. Cement is not produced in Greenland but it is imported from Denmark, and the aggregates are added in Greenland to make concrete. Due to the large costs caused by the import of cement, it could be advantageous to force out a part of the cement by replacing it with another material, which Greenland can deliver. Thus it would be possible to reduce the amount of cement imported in Greenland. To force out some of the cement in concrete, very fine aggregates can be added. The structure for the studies during the whole year 2005 is as follows: - First half a year with preliminary work in Denmark (Part 1) where a literature study about nature in Greenland, rocks and minerals plus clay and minerals took place. - then field investigation in Sisimiut and Kangerlussuaq in Greenland by a 3-week study trip during the summer (Part 2), where a lot of samples has been taken; and - finally laboratory investigations in Denmark during autumn (Part 3), where the following experiments has been made: grain size distribution, water content, loss of ignition, chlorid content, mineralogical investigation, microscopy, carbon- and sulfur content, magnesium content, sorption isotherms, workability of cement, flexural- and compressive strength. It has to mentioned that the 57 samples taken from Kangerlussuaq fiord in part 3 was sorted and mixed, based on the data from the suspend analysis and the geographical position, into only 4 samples. The mixtures of the samples made the preformed experiments much more representative and contribute to a more realistic result that reality. On the figures are shown microscopy images of the 4 samples. Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 7

8 The results of the preformed experiments are summarized in the table underneath. SUMMERIZED RESULTS Investigation type Result Standards and facts about cement Grain size distribution 15 of the samples had 90 % of the grain size smaller than 0.1 mm. 90 % of the cement has to be smaller than 0.1 mm. Water content W wet between 2.8 % % - W dry between 2.9 % % Loss of ignition Between 0 % % Max. 6 % according to DS (Danish Standard) Chlorid content 19 of the samples have an acceptable content, but the remaining samples have high values Max. 0.1 % according to DS 196-2, part 1. with a max. of 21.9 %. Mineralogical investigation Highest content of plagioclase and in general a high content of quartz and augite. In the clay fraction highest amount of illite, feldspar and augite. The fraction of clay minerals is primarily biotite. - Microscopy The investigation gave a good visual impression to support the results from the suspend analysis. Furthermore it was possible to observe the shape and color on - the larger grains. Carbon content Between 0.01 % % - Rapid cement is measured to 0.61 % Sulfur content Between 0.01% % Rapid cement is measured to 2.22 % Max. 4.5 % according to DS 427. Rapid cement is around 3.2 % Magnesium content Between 0.08 % 1.48 % Rapid cement is measured to 0.53 % Max. 3 % according to DS. Rapid cement is around 0.9 % Sorption isotherms The sorptions isotherms made it possible to propose the recipe of a cement mortar for the remaining workability- and strength experiments. At 97 % RF the water content was: Sample 1: % Sample 2: % Sample 3: 5.42 % - Sample 4: 0.11 % Workability of cement The workability increases with increasing - grain size. Flexural strength Between 4.18 MPa 6.95 MPa because the strength decreases with increasing substitution of the deposited material and - with increasing grain size. Rapid cement is measured to 7.34 MPa. Compressive strength Between MPa MPa because the strength decreases with increasing substitution of the deposited material and with increasing grain size. Rapid cement is measured to MPa. Rapid cement is aroung 47 MPa -55 MPa. At least 26 MPa according to DS 427. In the light of the results from the existing project it is recommended to use the very fine aggregates near the harbor of Kangerlussuaq (Sample 1) and that the maximum add is 10 % replacement of the Rapid cement. The purpose of the project is fulfilled. In the existing project guidelines have been given to how to use the deposited material as a substitute for a part of the cement. Before a production of substitution of cement can take place, further investigations should be made to support the results from the existing project. 8

9 3. Indholdsfortegnelse 1. Forord Sammenfatning Abstract Indholdsfortegnelse Indledning og formål Del 1: Forundersøgelser i Danmark Grønlands naturforhold Sisimiut Kangerlussuaq Glaciale landskaber Strømning- og aflejringsforhold ABC-modellen og terrassedannelse Bjergarters hovedgrupper Lermineraler Kaolin Montmorillonit Illit Glimmer-gruppen Prøvebeskrivelse Ler Ler i Grønland Cement Cementfremstilling Cements egenskaber Mineralske tilsætninger Cementprøvning og -krav Forberedelser til opholdet i Grønland Del 2: Feltundersøgelser i Grønland Rekognisering og planlægning Prøveudtagning Del 3: Laboratorieundersøgelser i Danmark Slemmeanalyse Vandindhold og glødetab Chloridindhold i sediment Mineralogisk undersøgelse Blanding af udtagne prøver Mikroskopi Karbon- og svovlindhold Magnesium-indhold vha. atomabsorption flamme Sorptionsisotermer Bearbejdelighed Bøjnings- og trykstyrke Sammenfattende diskussion Forslag til fremtidige projekter Sammenfattende konklusion

10 10. Ordliste Litteraturliste Internetsider Bilag Bilag 1: Data for flyveaske Bilag 2: Produktdata og projektering for Rapid-cement Bilag 3: Kornkurver fra slemmeanalyse Bilag 4: Vandindhold og glødetab Bilag 5: Chloridresultater Bilag 6: Principskitse for CS-200 Carbon Sulfur Analyzer Bilag 7: Sorptionsisotermsresultater Bilag 8: Bindetid og volumenbestandighed Bilag 9: Prøvningsmetode for puzzolancements puzzolanitet Bilag 10: Mineraler Bilag 11: Prøvebeskrivelse Bilag 12: Bøjnings- og trykstyrkeresultater Bilag 13: Temperatur- og saltvariation i Kangerlussuaq fjord, sommeren Bilag 14: Jord- og bjergarter Bilag 15: Aktivitetsfaktor for mineralske tilsætninger

11 4. Indledning og formål Cementforbruget i Grønland er meget stort. Jens Thomsen fra Aalborg Portland giver et kvalificeret bud på 5000 til 8000 tons pr. år afhængig af hvad der bygges i Grønland. I Grønland fremstilles ikke cement, men i stedet importeres det fra Danmark, og i Grønland tilsættes tilslagsmaterialet for at fremstille beton. Grundet de store omkostninger, der er forbundet med importen af cement, vil det være fordelagtigt, hvis det er muligt, at fortrænge en del af cementen ved at tilsætte et andet materiale, som Grønland selv kan fremstille. Derved vil mængden af importeret cement kunne reduceres. For at fortrænge noget af cementen i beton kan finkornet materiale tilsættes. Formålet med nærværende projekt har derfor været at udtage prøver af det sedimenterede materiale i Kangerlussuaq fjord (Søndre Strømfjord) med henblik på at vurdere, om det kan anvendes som mineralsk tilsætning til cement og derved virke cementfortrængende. Det skyldes bl.a., at der er problemer med kraftig sedimentation at Kangerlussuaq havn, og der er derfor nødvendigt at uddybe havnen ca. hvert 10. år, hvilket er en stor økonomisk belastning. Derfor kan det være økonomisk fordelagtigt i stedet at udnytte det udgravede sedimenterede materiale, så der er en yderligere gevinst ved at fjerne det. Der er mange faktorer, der har betydning for cement - og dermed betons egenskaber, og det kræver derfor omfattende undersøgelser, at vurdere om noget materiale er egnet eller uegnet som tilsætning til cement. Grundet projektets omfang er det derfor ikke muligt, at give et endelig facit på hvorvidt materialet kan anvendes eller ej; men på baggrund af teorien og en række relevante undersøgelser, gives der kvalificerede retningslinjer. Studierne er forløbet i hele år 2005 med 1) et halvt års forundersøgelser i Danmark om foråret, 2) feltundersøgelser ved en 3-ugers studierejse til Sisimiut og Kangerlussuaq i Grønland om sommeren, og endelig 3) laboratorieundersøgelser i Danmark om efteråret. De omtalte undersøgelser er mundet ud i nærværende projektrapport, der af hensyn til overskuelighed er inddelt i de tre tilsvarende dele. Da del 1 særligt omhandler litteraturstudie, kan den med fordel for læseren springes over, hvis der haves særlig interesse for projektets forsøg og resultatbehandling. 11

12 12

13 5. Del 1: Forundersøgelser i Danmark 13

14 5. Del 1: Forundersøgelser i Danmark Første del af nærværende rapport omhandler de forundersøgelser, der er udført i Danmark i løbet af 3-ugers-perioden i januar og forårssemesteret Forundersøgelserne omhandlede litteraturstudie om Grønland generelt, for at lære om de geologisk styrende processer i området; herudover emnerne bjergarters hovedgrupper, mineraler, prøvebeskrivelse, ler og cement, som har relevans for det aktuelle projekt og endelig praktiske forberedelser til opholdet i Grønland. De omtalte emner er derfor beskrevet her i Del 1. Formålet med forundersøgelserne var at opnå viden omkring forholdene i Grønland (både i almindelighed og lokalt), om materialet cement (herunder egenskaber, fremstilling mv.) samt at fastlægge hvilken type materiale, det vil være fordelagtigt at finde på Grønland. 14

15 5.1 Grønlands naturforhold Grønland er verdens største ø, og beliggenheden i det nordlige, hvor Atlanterhavet møder Polarhavet medfører, at Grønland hovedsagelig er omgivet af kolde havstrømme. Derved bliver kysterne til stadighed afkølet, hvilket sammen med kuldeudstråling fra indlandsisen giver Grønland sit arktiske klima. Grønland er ca. 52 gange større end Danmark. Det isfrie område udgør km 2 - svarende til størrelsen af Frankrig. Indlandsisen er den nordlige halvkugles største gletscher, og den repræsenterer således 10 % af verdens ferskvandsreserver. Den dækker et område på km 2 svarende til 85 % af Grønlands samlede areal, og den strækker sig dermed km fra nord til syd og op til km fra vest til øst. Isen har en gennemsnitstykkelse på 1790 m (på midten er isen op til meter tyk) og en volumen på 2,6 millioner km 3. I Grønlands indlandsis findes, hvad der svarer til ca. 8 m havvand på jordkloden. Til sammenligning mangler der alt i alt på hele jorden ca. 100 m hav, som således er i form af is. De resterende ismængder forefindes primært på Antarktis. [Greenland 2005], [Schou 2004] Figur 1: Grønlands højdekurver samt tværsnit af sektion A-B. [Press et al. 2004] 15

16 Klima Grønland hører til det arktiske klima, som betyder, at det ligger nord for 10 C-juli-isotermen. Områder betegnes at have et koldt klima, hvis frosten trænger mere end 0,3 m ned mindst hvert 10. år. Det er bl.a. gældende for Danmark, men forholdene er dog langt strengere på Grønland grundet det arktiske klima. 1 De lave temperaturer i Grønland betyder, at luften kun kan indeholde meget lidt fugt. Klimaet er derfor ekstremt tørt, og al nedbør, der falder over iskappen, falder som sne, der forbliver på jorden og med tiden gradvist hobes op. [Schou 2004] Is og gletschere En gletscher bliver dannet ved et kraftigt vintersnevejr, som ikke smelter væk om sommeren. Sneen bliver langsomt konverteret til is, og når isen er blevet tilstrækkelig tyk (ca meter), begynder den at flyde. For at en gletscher skal dannes, kræver det derfor, at visse betingelser er opfyldt. For det første kræver det lave nok temperaturer til at bevare sneen på jorden hele året rundt. Sådanne forhold gør sig gældende i højtliggende egne, dels i polare og subpolare områder, dels i høje bjerge. I polare og subpolare områder varmer solen med lavere intensitet, da den her rammer jorden med en lavere vinkel. Ligeledes er der koldt på toppen af høje bjerge, fordi de nederste 10 km af atmosfæren langsomt bliver koldere, efterhånden som højderne over jordoverfladen stiger. Selv i varme klimaer, kan der derfor dannes gletschere, hvis bjergene er store nok. Se Figur 2. [Press et al. 2004] Figur 2: Snelinjens højde (niveauet, over hvilket sne ikke smelter fuldstændigt i løbet af sommeren) varierer med breddegraden. I polare områder befinder snelinjen sig ved eller nær havniveuet, og ved ækvator befinder den sig i højder fra 5000 m og opefter. [Press et al. 2004] For det andet kræver det, at en gletscher kan dannes, at der findes rigelige mængder sne. Sne og dannelsen af gletschere kræver fugt og kulde. Når små nyfaldne snefnug falder ned på jorden, krymper de og bliver til runde korn. Under ændringen kompakteres massen af snefnug og der dannes en tung, granuleret sne. Når ny sne falder og begraver den gamle sne, kompakteres sneen 1 Kilde: Mundtligt fra Arne Villumsen. 16

17 endnu mere og danner en endnu mere tæt sne kaldet firn, som kan overleve varmeperioder (somre). Yderligere begravelse og aldring gør, at der bliver dannet en fast, glacial is efterhånden, som de mindste korn krystalliserer og binder samtlige korn sammen. Hele processen kan foregå på blot nogle få år, selvom 10 til 20 år er mere almindeligt. Se Figur 3, hvor de forskellige former for sne er angivet. [Press et al. 2004] Figur 3: Stadier i omdannelsen af snekrystaller til granuleret is, derefter til firn og endelig til glacial is. Ved transformationen sker der en tilsvarende stigning i densitet, idet luft bliver elimineret fra krystallerne. [Press et al. 2004] Den samlede mængde sne, som tilføres en gletscher pr. år, kaldes gletscherens akkumulation. Dannelsen af gletscheren er fuldført, når gletscheren er blevet tyk nok til at kunne bevæge sig. Ligesom vand, flyder is under påvirkning af tyngdekraften. Isen flytter sig derfor væk fra midten, hvor den er højest, og ud mod lavere højder, hvor temperaturen er højere. Den totale mængde is, der bortsmelter pr. år, kaldes ablation, og det sker først og fremmest på grund af smeltning og kælvende isbjerge, men også på grund af sublimation (i kolde klimaer kan is direkte blive omdannet fra fast form til gasform) og vinderodering. Forskellen i akkumulation og ablation benævnes gletscherens budget, som således resulterer i enten en forøgelse eller en formindskelse af gletscheren. Det betyder med andre ord, at hvis akkumulationen overstiger ablationen, vil gletscheren vokse og omvendt. Når en gletscher smelter, flyder store mængder koldt smeltevand ud under isen fra dens rande. Hvis det totale budget er nul over en lang periode, forbliver gletscherens størrelse konstant. 17

18 Figur 4: Gletscher ved Kangerlussuaq fjord. Gletschere, som er blevet tykke nok til at bevæge sig, kan flyde på to forskellige måder plastisk flydning eller almindelig glidning. Ved plastisk flydning finder bevægelsen sted inde i selve isen, ved almindelig glidning flyder isen nedad som en enhed på gletscherens sål. Førstnævnte finder sted i polare områder, hvorimod sidstnævnte ofte forekommer i tempererede områder, og det er derfor kun den plastiske bevægelse, der i det følgende bliver uddybet. Dog skal det nævnes, at der hvor isen er tilstrækkelig tyk, vil den glide på en sål af vand. Det skyldes, at Grønlands iskappe virker beskyttende og isolerende, og temperaturen er derfor højere i bunden af isen end i toppen af isen grundet geotermisk varme fra radioaktiv stråling fra Jorden. Det betyder også, at der findes en vandhinde under isen, så der hvor isen er tykkest, flyder den på en sål af vand. Bevægelsen foregår så langsomt, at den ikke kan registreres fra dag til dag, men den er synlig over lang sigt, og den sætter sine spor i geologien omkring os. I kanten er iskappen ikke tyk nok til at holde bunden ufrosset, og de steder hænger den dermed fast på underlaget. Her ses bakker, randmoræne mv., hvor materiale er skubbet op fra bunden, som følge af isens bevægelse. Grundet urenhederne i kanten af iskappen er isen mindre hvid, og der er dermed ikke så stor tilbagestråling af solen. Figur 5: Gletscherrand i Kangerlussuaq. 18

19 Under det enorme tryk, som findes inde i en gletscher, slipper individuelle krystaller fra hinanden i ekstremt små afstande (ca. en milliontedel af en millimeter) under korte tidsintervaller. Bevægelsen kaldes en plastisk flydning, fordi det virker som en plastisk deformation af en dybt begravet bjergart. Det samlede resultat af alle de små bevægelser de mange krystaller imellem er, at hele gletscheren bevæger sig som en hel ismasse. Figur 6: Drivis. Udsigt fra luften på vej fra København til Kangerlussuaq. Isfjelde og isbjerge flyder, fordi is har en lavere densitet end havvand. Flydningen eller opdriften skyldes at den del af isen, der er under havniveau, har lavere densitet end den mængde havvand, som isen erstatter. Opdriften modarbejder gravitationskraften, som presser isen nedad. Når isbjerge, som befinder sig i havvandet, smelter, vil der ikke ske en stigning i havniveau, fordi isen allerede befinder sig i havvandet, og når is smelter, fylder det som bekendt mindre. Når is derimod smelter på land, vil det medføre en stigning i havniveau, fordi der bliver tilført en mængde vand til havet. Det betyder således, at smeltningen af gletschere kan få havniveauet til at stige på to måder; dels kan isen på land smelte, og vandet vil løbe ud i havet; dels kan der brække isbjerge af fra kontinentale gletschere og ned i havet. Se Figur 7. [Press et al. 2004] 19

20 Figur 7: Princippet for isostasi viser, at smeltning af isfjelde og isbjerge ikke ændrer havnivauet. [Press et al. 2004] Permafrost I Grønland er der permafrost. Permafrost indikerer termiske forhold i jord eller klippe, hvor temperaturen er lavere end 0 C i to på hinanden følgende vintre og den mellemliggende sommer, typisk for glaciale og subglaciale miljøer. I tundra tør de øverste jordlag ofte om sommeren, mens der er permafrost længere nede. Permafrost dækker 25 % af jordens totale landareal. Udover selve jorden inkluderer permafrost aggregater af iskrystaller i lag, kiler og irregulære mængder. Forholdet mellem jord og tykkelsen af permafrost kan variere fra sted til sted. [Schou 2004], [Press et al. 2004] 20

21 Figur 8: Kort visende fordelingen af permafrost på den nordlige halvkugle. [Press et al. 2004] Grønlands geologi Undergrunden i Grønland er anderledes end i Danmark, idet den på Grønland primært består af fjeld. Grønlands geologiske historie er den ældste i verden, idet der er fundet verdens ældste aldersbestemte bjergarter på millioner år. Grønlands landskab er blevet formet af gletschere fra istiden, men flere steder findes spor af geologiske processer såsom jordskælv, bjergkædedannelser, vulkanudbrud m.m. [Greenland 2005] I det følgende beskrives kortfattet geologien i Sisimiut, hvor en del af Grønlandsopholdet fandt sted, men herefter en mere dybdegående beskrivelse om særlige geologiske forhold fra Kangerlussuaq, hvor prøveudtagningen foregik. Figur 9: Kort over Grønland med Sisimiut og Kangerlussuaq. [Gguide 2005] 21

22 5.2 Sisimiut Sisimiut er beliggende i et område med skærgård og et alpint bagland. Fra byen virker et stort fjeldmassiv som et værn mod den omkringliggende natur. Grundfjeldet i Sisimiut er en del af et stort geologisk område bestående af gnejs 2, især kvarts 3 og granordiorit. Gnejsen bliver gennemskåret af forskellige slags mørke klipper. Mange års nedbør, sol, frost, tø og mindre vandløb eroderer konstant fjeldvæggene. I kystegnene ved Sisimiut ses dette tydeligt ved, at grus bliver vasket bort af regn og smeltevand og danner områder til sletter, banker og nærmest kegler af sten, grus, sand, silt og ler. [Greenland 2005] Figur 10: Udsigt over Sisimiut fra Præstefjeldet. 2 Jf Bilag Jf. Bilag

23 5.3 Kangerlussuaq For millioner år siden blev foldekæden Nassutoqqiderne dannet, og siden da har geologiske processer og deformationer givet fjeldene og dalene deres nuværende form. Dannelsen af den grønlandske indlandsis går 3 millioner år tilbage, og for et par millioner år siden var hele Grønland dækket af is. Store mængder is dækkede området mellem Sisimiut og Kangerlussuaq, indtil isen for år siden trak sig tilbage og dermed var med til at forme det nuværende landskab. Mange af klippeblokkene, der ganske umotiveret ligger spredt i området, er blevet transporteret med isen fra den centrale del af Grønland og efterladt, da isen smeltede. Efter isen smeltede hævede landskabet sig, og helt i 120 meters højde kan der i dag findes sedimenter fra havet. Strækningen mellem Sisimiut og Kangerlussuaq er domineret af den lyse Ikertoq-gnejs, der i modsætning til granit opfører sig forskelligt på forskellige underlag. Som følge af at Ikertoq-gnejs er relativ blød har gletschertunger kunnet danne de langstrakte søer og fjorde, der præger området, se Figur 11. Figur 11: Udsigt fra luften af området mellem Sisimiut og Kangerlussuaq. 23

24 Amphibolit 4 kan ses som lange mørke bånd i gnejsen, og i amphibolitten kan man finde røde og brune granater, se Figur 12. Ved Kangerlussuaq er der fundet granater på størrelse med tennisbolde. Amphibolgang Figur 12: Indsejling til Kangerlussuaq fjord. Bemærk amphibolgangen i højre side. Iskanten i Kangerlussuaq er op til meter høj. Mod indlandsisen er fordampningen meget høj på grund af det tørre klima og det intense sollys, især på sydvendte skråninger. Dette gør sig også gældende for Sandflugtsdalen og Ørkendalen, hvor der er klitter og marehalm. Smeltevandselven i Sandflugtsdalen Akuliarusiarsuup Kuua (Watson River) fører store mængder sand og silt med sig, hvilket kan danne kviksand. [Greenland 2005] I det følgende gennemgås mere generelt hvordan dele af Kangerlussuaqs geologi har udviklet sig. 4 Jf. Bilag 10, hvor amphibolit er beskrevet. 24

25 5.3.1 Glaciale landskaber Gletschere har en enorm kapacitet til at erodere faste bjergarter, og is er derfor en meget mere effektiv eroderingskraft end vind eller vand. En gletscher danner forskellige erosionsformer, når den flyder fra sit oprindelsessted til en rand i et lavere niveau. Gletschere transporterer eroderet bjergartsmateriale af alle former og størrelser med strømmen, og evt. bliver materialet aflejret, hvor isen smelter. Is er en effektiv transportmekanisme af materiale, fordi det materiale, som isen opsamler, ikke sedimenteres som materiale transporteret med en flod gør. Is kan bære store blokke på mange meter i diameter. Når en gletscher smelter, aflejrer den derfor en velgraderet, heterogen mængde af kampesten, småsten, sand og ler. Materiale aflejret fra gletschere er derfor genkendelige på en stor variation i partikelstørrelse. Det materiale er aflejret direkte fra den smeltende is betegnes moræne. Andet materiale bliver aflejret, når smeltevandsstrømme flyder i tunneller i og under isen, og strømme nær isfronten opsamler, transporterer og aflejrer materiale. Som alt andet vandbårent sediment er den type materiale lagdelt og velsorteret, og evt. kan det være krydsaflejret. Den type aflejringer kaldes proglaciale aflejringer, og det er den aflejringstype, der er aktuel i nærværende projekt. Gletschere danner U-formede dale, idet den eroderer en dals bund og sider. [Press et al. 2004] Kangerlussuaq fjord er netop et eksempel på en U- formet dal, idet landet er hævet ca. 100 meter på hver side af fjorden. Glaciale dale er brede og flade, og de har stejle vægge i modsætning til V-formede dale. Gletschere og floder afviger ikke kun i faconen fra de dale de danner, men også i hvordan tilløbsfloderne danner knudepunkter. Når isen smelter efterlader den nemlig hængene tilløbsdale, hvis bunde ligger højt over bunden af den U-formede dal, som kommer til at flyde med smeltevand, se Figur 13. Figur 13: Før glaciation kan der fx være dannet en V-formet dal. Under glaciation dannes kamme og dale, og gletscheren bevæger sig gennem dalene og danner i stedet en U-formet dal. Når isen smelter og trækker sig tilbage efterlades hængende tilløbsdale, og den U- formede dal flyder med smeltevand, hvorved der dannes fjorde. [Press et al. 2004] I det følgende beskrives strømnings- og aflejringsforholdene i en U-formet fjord som Kangerlussuaq fjord. 25

26 5.3.2 Strømning- og aflejringsforhold Strømme eroderer som bekendt grundfjeld, de transporterer og sedimenterer sand, grus og mudder, og på den måde påvirker de landskabet. En strøms evne til at transportere sediment afhænger af balancen mellem turbulens, som løfter partiklerne, og den konkurrerende tyngdekraft, som får partiklerne til at falde til bunds. Den hastighed, hvormed suspenderede partikler af forskellig vægt lægger sig på bunden, kaldes bundfældningshastighed. Små korn som silt og ler bliver nemt løftet ind i strømmen og bundfældes langsomt, så de har derfor tendens til at blive i suspensionen (partikler som bevæger sig frit i vandfasen). Bundfældningshastigheden for større korn er meget hurtigere, og derfor bliver de fleste større korn ikke så længe i suspensionen førend de bundfældes. Når sandkorn bevæger sig i en strøm sker det typisk ved spring en periodisk hoppende bevægelse langs strømlejet (bunden). Sandkornene bliver suget ind i strømmen ved turbulente strømhvirvler og bevæger sig med strømmen et kort stykke, hvorefter de så igen falder tilbage på bunden. Se Figur 14. Jo større korn, desto længere vil det have tendens til at blive på bunden, førend det suges op, og når et stort korn er i strømmen, vil det også lægge sig på bunden hurtigt igen. Jo mindre korn, desto oftere vil det blive samlet op i strømmen, des højere vil det det hoppe og des længere vil det være om at lægge sig på bunden igen. [Press et al. 2004] 1) Strøm flyder over bunden og bærer en suspenderet mængde af fine partikler 3) Jo højere strømningshastighed, des større suspenderede mængde 5) Partikler bevæger sig ved at hoppe langs bunden. 2) og en grovere bundmængde af materiale, der glider og ruller langs bunden. 4) og forskydningen gør, at også bundmængden stiger. 6) Generelt hopper små korn højere og bevæger sig længere end store korn. Figur 14: En strøm flyder over en bund af sand, silt og ler, og den transporterer partiklerne på to måder; bundmængden glider og hopper langs bunden og den suspenderede mængde flyder i selve strømmen højere oppe. [Press et al. 2004] Hjuhlstrøms diagram beskriver strømningshastighed som funktion af kornstørrelse. Af diagrammet fremgår det, at der skal højere fart til at holde materiale med store kornstørrelser (eks. sand og grus) i bevægelse. Ligeledes ses det, at jo finere noget materiale er, des sværere er det at erodere. Det skyldes bl.a. bindingskræfter i ler og silt. Jo finere materiale, des sværere har det ved at falde til bunds. Det forventes at stemme overens med situationen i Kangerlussuaq, hvor ler ikke 26

27 sedimenterer inde i fjorden, hvor strømhastigheden er høj, men derimod længere ude omkring havnen, hvor problemet med sedimentaflejringerne er. 5 Figur 15: Hjulstrøms diagram. [Geology 2005] Herudover har aflejringen af materiale betydning for om det er salt- eller ferksvand, materialet transporteres i. Når de to vandtyper mødes i fjorden, vil det lettere ferskvand flyde oven på det tungere saltvand. Det bevirker, at vandet ikke opblandes med det samme, men derimod opstår en saltvandskile, der strømmer ind under ferskvandet, og det gør, at flodvandet med suspensionen vil fortsætte længere ud i fjorden, se Figur Figur 16: Principskitse for saltvandskile. [Egen tilvirkning] I Kangerlussuaq fjord strømmer således store mængder fersk smeltevand ud i fjorden og blander sig med fjordens saltvand. I Bilag 13 er på baggrund af temperatur- og saltholdighedsmålinger vha. af 5 Kilde: Mundtligt fra Arne Willumsen. 6 Kilde: Mundtligt fra Arne Villumsen 27

28 en CCC-sonde beskrevet, hvordan forholdene præcis er i Kangerlussuaq fjord på tidspunktet for vores prøveudtagning. Grundet tidevandet er vandstanden i Kangerlussuaq fjord meget varierende, og herudover er der en stærk strøm i fjorden. Længere ude i fjorden bliver de to vandtyper blandet, og strømningshastigheden aftager gradvist, hvorfor en sedimentation af materialet i suspensionen sker. Ca. 12 km ude i fjorden sker der en såkaldt flokkulering (en proces hvor ler og andre jordpartikler bindes sammen, idet der dannes større grupper eller aggregater) på grund af saltindholdet. Det aflejrede materiale er med til at danne deltaer, idet der tilføres mere materiale, end der borttransporteres, og det sker i særlig høj grad ved havnen, som sedimenterer hurtigt til. 7 7 Kilde: Mundtligt fra Arne Villumsen. 28

29 5.3.3 ABC-modellen og terrassedannelse I Kangerlussuaq er det tydeligt at se, at landskabet omkring fjorden er opbygget af en række terrasser i forskellige niveauer. Årsagen til terrassedannelsen kan beskrives ved den såkaldte ABCmodel. Figur 17: ABC-model. [Egen tilvirkning] Betragt Figur 17, som viser en principskitse for erosion og ændring i land- og havniveau. Område A indikerer et højtbeliggende landområde, hvor overgangen til indlandsisen er vist til venstre. Område B er et transportområde, hvor materiale fra område A ved erosion bliver transporteret til havet (område C). I havområdet C er vandet nærmest landområdet grumset grundet alt det transporterede materiale, som endnu ikke er sedimenteret. Længere ude i havet sedimenteres transportmaterialerne, og vandet er her klart. Materialetransporten i B betyder, at område A over tid bliver fladt, og til sidst opstår der en såkaldt dødflod. Landniveauet falder således ifølge ABC-modellen. 8 Engang har havniveauet i Kangerlussuaq stået lavere, end det gør i dag, grundet indlandsisen, som har været længere fremme. Til sammenligning har isen i Sisimiut været, hvor den nuværende 200 m højdekurve befinder sig. Isen har, som tidligere omtalt, været årsag til dannelse af den U-formede dal i Kangerlussuaq fjord. Isens enorme masse har dengang forårsaget, at landet er blevet trykket ned, og der er således sket en nedsynkning af materiale ca. 100 meter nede. Sætningen har betydet, at der er sket forskydninger i jordlagene. Senere har klimaet ændret sig, og temperaturen er steget (Weichel-istiden). Da isen trak sig tilbage på grund af smeltning, skete der derfor en modarbejdende landhævning. Havniveauet er således steget hurtigt som følge af den smeltende is, og landniveauet er derimod steget langsommere i en nogenlunde konstant bevægelse. At havniveauet stiger betyder, at vandet får mulighed for at erodere i gamle jordlag. I den af isen dannede U-formede dal, er der begyndt at løbe en 8 Kilde: Mundtligt fra Arne Villumsen 29

30 smeltevandsflod. Landhævning ændrer dog flodens ligevægt, og forårsager at floden eroderer (skærer) ind i flodsletten. Tektonisk hævning kan således ændre ligevægten i en strømmende dal og resultere i flade, afsatslignende overflader, som markerer strømmen over flodsletten. De såkaldte terrasser markerer, at der tidligere har eksisteret flodsletter i højere niveauer, idet den daværende flod har kunnet erodere ind i den tidligere flodslette. 9 [Press et al. 2004] Se Figur 18. 1) Bunden af en gammel flodslette bliver til en terrasse 2) når flodvand eroderer i gamle jordlag og danner en ny flodslette. 3) Senere landhævning eller fald i havniveau gør det muligt at se terrasserne i dag. Figur 18: Terrassedannelse. Profil af flodslette. [Egen tilvirkning] Med tiden genopretter floden en ny ligevægt ved et lavere niveau. Her kan floden igen danne en ny flodslette, som også kan undergå landhævning og blive modelleret til en ny terrasse i lavere niveau end den første. Herefter er der enten sket en regional landhævning eller havniveauet er faldet, hvilket gør det muligt at se terrasserne dag. Terrasser består således af flodsletteaflejringer, og de er som regel parvise, idet der forefindes en på hver side af floden i samme niveau, se Figur 19. [Press et al. 2004] Figur 19: Terrasser ( Terraces ) dannes, når der sker landhævning og en flod eroderer ind i flodsletten og således skabes en ny flodslette i et lavere niveau ( Present floodplain ). Terrasserne er levninger fra tidligere flodsletter ( Original floodplain ). [Press et al. 2004] Kystlinjerne ved Kangerlussuaq fjord består af sådanne terrasser, som består af relativt velsorteret og forholdsvis groft klastisk materiale fra silt- og sandfraktionen. I Kangerlussuaq er den første terrasse ca. 30 m over det nuværende havniveau. I øjeblikket er der ikke havvand nok til at opveje geologien og dermed danne en ny terrasse Kilde: Mundtligt fra Arne Villumsen 10 Kilde: Mundtligt fra Arne Willumsen. 30

31 5.4 Bjergarters hovedgrupper En bjergart er en naturlig forekomst, som hænger sammen med jordskorpen. Bjergarter er opbygget ved en sammenvoksning af mineraler såkaldte bjergartsdannende mineraler. Mineraler er bjergarternes byggesten. Når et mineral i en bjergart skal bestemmes, vil de væsentligste kendetegn være farve, hårdhed og spaltelighed. Nogle bjergarter består kun af ét mineral - eksempelvis hvid marmor, som kun består af calcit. Nogle typer bjergarter er i fast form (fx marmor, granit og basalt), mens andre typer er i løs form (fx sand). Alle bjergarter kan inddeles i tre store hovedgrupper afhængig af deres dannelsesmåde. Disse er magmatiske bjergarter, sedimentære bjergarter og metamorfe bjergarter. Magmatiske bjergarter Alle bjergarter, der er dannet ved afkøling af smeltet stenmasse, kaldes magmatiske bjergarter. Magmatiske bjergarter dannes ved krystallisation af magma, som er smeltet stenmasse, der er skabt dybt i jordens skorpe eller øvre kappe. Her kan temperaturen nå op på 700 ºC eller mere, og ved denne temperatur smelter de fleste bjergarter. Når magmaen langsomt nedkøles, dannes krystaller. Magmatiske bjergarter kan inddeles i plutonske magmatiske bjergarter og vulkanske magmatiske bjergarter. Førstnævnte krystalliserer, når magma trænger ind i usmeltede stenmasser - dybt i jordens skorpe - og danner grovkornede bjergarter. Plutonske magmatiske bjergarter kendetegnes ved store krystaller, der griber ind i hinanden (fx granit). De vulkanske magmatiske bjergarter dannes derimod af hurtigtafkølende magma, der er kommet op til overfladen i et vulkanudbrud. Disse bjergarter er kendetenget ved små krystaller og en glasagtig struktur (fx basalt). [Allaby et al. 2003], [Jessen 1983], [Østergaard 1978] Sedimentære bjergarter Sedimentære bjergarter er dannet ved aflejringer på havbunden eller på land - det vil sige på jordens overflade. Aflejringerne består af løse partikler som sand, silt og skaller fra organismer. De løse partikler kommer fra eroderede højdedrag eller bjerge. De organiske sedimenter indeholder planteeller dyremateriale. Erosionen kan ske ved vand, vind og is, der løsner stykker af bjergfragmenter og transporterer disse til aflejringsstedet. Dette kaldes klastiske sedimenter. De sedimentære bjergarter kan herefter dannes på to måder - enten ved sammenpresning, hvor kornene mases sammen af vægten af de overliggende lag - eller ved cementering, hvor mineralerne udfældes omkring de aflejrede partikler og binder dem sammen. [Allaby et al. 2003], [Jessen 1983], [Østergaard 1978] Metamorfe bjergarter Metamorfe bjergarter er bjergarter, som er omsmeltet ud fra andre bjergarter. Metamorfe bjergarter kan derfor oprindeligt have været både magmatiske, sedimentære eller andre metamorfe bjergarter. Metamorfe bjergarter er omdannet ved høj temperatur og under stort tryk dybt i jordens skorpe. Temperaturen ved omdannelsen ligger over 250 ºC, hvor bjergarterne kan ændre sig ved rekrystallisation eller ved en kemisk reaktion, men under bjergarternes smeltepunkt på ca. 700 ºC. Hele omdannelsesprocessen finder sted i jordskorpen fra omkring 5 km s dybde og nedefter. Rekrystallisation sker, når en smeltemasse fra jordens kappe trænger op i jordskorpen, hvorved skorpens faste bjergarter bliver udsat for en kraftig varmepåvirkning. Dette bevirker, at de 31

32 tilstedeværende mineraler bliver omkrystalliseret. Under den såkaldte metamorfose erstattes de oprindelige mineraler af andre mineraler, som er stabile under de nye betingelser, og der dannes herved en ny bjergart. Samtidig kan der via smeltemassen blive tilført nye stoffer, som kan resultere i dannelse af nye mineraler. Der findes forskellige former for metamorfe bjergarter: regional- og kontaktmetamorfe. Regionalmetamorfose finder sted, når højt tryk og høj temperatur udbreder sig over store regioner, hvilket sker, når kontinental- og oceanplader støder sammen. Kontaktmetamorfose sker, hvor store temperaturstigninger er begrænset til mindre områder med bjergarter i kontakt med en intrusion. De mest almindelige mineraler af metamorfe bjergarter er ligesom for de to andre bjergartstyper silikater. Det skyldes, at metamorfe bjergarter omdannes fra andre bjergarter, hvor de fleste mineraler i forvejen er silikater. [Allaby et al. 2003], [Jessen 1983], [Østergaard 1978] 32

33 5.5 Lermineraler I det følgende gennemgås de almindeligste lermineraler: kaolin, montmorillonit, illit og glimmermineraler. I Bilag 10 er gennemgået silikater og følgende mineraler: smectit, amphibol, chlorit, kvarts, biotit, feldspat og augit, da de er relevante for den mineralogiske undersøgelse (se afsnit 7.4 Mineralogisk undersøgelse ). I øvrigt ses i Bilag 10 en oversigt over de ti mest almindelige mineraler Kaolin Figur 20: Ren kaolin Figur 21: Rød kaolin Figur 22: Blå kaolin [McHenry 2005] [Mii 2005] [Auburn 2005] Kaolin med den kemiske formel Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 består af to enheder eller lag, der holdes sammen af van der Waals kræfter. De to lag består af et lag gibsit - Al(OH) 3 og et lag brucit - Mg(OH) 2. Figur 23: Kaolins lagstruktur [McLean et al. 2004] Kaolin er en bjergart, hvor hovedmineralet er af samme navn. Kaolin er et af de mest almindelige mineraler på jorden, og det kan findes på alle dele af jordens overflade. Kaolin er dannet af individuelle krystaller, der danner enheder af stablede lag. Figur 24: Kaolins mikrostruktur. [Origin 2005] 33

34 Kaolin er et blødt mineral, hvor dets farve er hvid, når det er rent. Fakta om kaolin Hårdhed 2,0-2,5 Spaltelighed God til perfekt Brud Kurvede brudmønstre karakteristisk for siliciumholdige mineraler Glans Mat, jord-, voks- og perleagtig Farve Hvid, farveløs - røde, gule, brune, blå, grå eller plettede farvevariationer kan forekomme. Stregprøve Hvid Densitet 2,63 g/cm 3 Krystalhabitat Kaolin er ofte et massivt eller finkornet aggregat. Tabel 1: Fakta om kaolin. [Mineral 2005] Den primære bestanddel af leraflejringer er dannet af dekomponering af feldspatindeholdende bjergarter. Kaolin dannes af aluminiumholdige lagsilikater og erstatter en variation af mineraler, men især er det feldspat i bjergarter, der udsættes for forvitring. Nedenstående reaktion er et eksempel på den forvitringsproces. 2 Na(AlSi 3 )O 8 +2 H + + H 2 O Al 2 Si 2 O 5 (OH) Na + + H 2 SIO 4 Feldspat (albit) + syre + vand kaolin + kationer + siliciumholdig syre Kaolinmineralet kan uddrives gennem in-situ lækning af vulkansk aske ventileret fra en vulkan af rhyolitisk (granit) komposition. Kaolin er et hydro-aluminiumholdigt silikat - det vil sige, at det indeholder vand i krystalstrukturen. I reaktionen, der producerer kaolin, udsættes feldspat for hydrolyse. Feldspat nedbrydes, og det mister flere kemiske komponenter. Regnvand filtrer ned i undergrunden og ændrer feldspatpartiklerne i bjergarten og efterlader kaolin. Kaolin repræsenterer således det sidste produkt fra kemisk forvitring af feldspat. Figur 25: Atomstruktur for kaolin. [Pubs 2005] Partikelstørrelsen af kaolin er relativ lille, nogle partikler er helt nede på 0,05 µm i diameter. De største partikler rangerer i en størrelsesorden fra 0,25 µm til 5 µm. Partiklerne i kaolin er ofte ret kantede i deres form, og optræder som hexagonale plader, se Figur 24, med en tykkelse på 1/8 af deres diameter. [Alm et al. 2004] 34

35 5.5.2 Montmorillonit Montmorillonit har den kemiske formel (2Al 2 (AlSi 3 )O 10 (OH) 2 ) -2 Figur 26: Montmorillonits struktur. [McLean et al. 2004] Montmorillonit består af to lag af silikat, hvor imellem findes et lag af enten gibsit Al(OH) 3 eller brucit Mg(OH) 2, hvilket giver mineralerne pyrofyllit - Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 og talk - Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2. De kemiske bindinger holdes sammen af van der Waals bindinger, som let ødelægges ved forskydning. Det betyder derfor (ligesom kaolin), at montmorillonit har stor tendens til kløvning og føles sæbeagtig, hvis det gnides mellem to fingre. [McLean et al. 2004] Da montmorillonit bindes sammen af van der Waals bindinger, som er forholdsvis svage bindinger, er der en stærk tendens til at montmorillonitkrystallerne i en væskesuspension nedbrydes til mindre enheder. Derfor kan partikelstørrelsen variere meget i suspensionen. Det er dog muligt at finde store partikler i størrelsesordenen 0,02 µm til 2 µm. Montmorillonitkrystaller, der nedbrydes i vand, sveller, da vandmolekylerne tvinger sig ind imellem silikatlagene. En konsekvens af svelningen er, at densiteten af montmorillonit varierer med væsken, den er neddyppet i. Plasticiteten hos montmorillonit regnes for den største af alle lermineraler. Den høje plasticitet skyldes sandsynligvis partiklernes lille størrelse, som resulterer i et stort overfladeareal. [Worrall 1968] Fysiske karakteristika Farve Hvid, grå, pink med evt. gul eller grøn Glans Mat Transparent Krystaller er halvgennemsigtige, men som masse er den ugennemsigtig Krystal system Monoklin Spaltelighed Perfekt i én retning Brud Ujævn til lamellar Hårdhed 1-2 Specifik densitet 2,3-3 Stregprøve Hvid Andre karakteristika Krystallerne ekspanderer mange gange fra deres oprindelige volumen ved tilsætning af vand Tabel 2: Fysiske karakteristika for montmorillonit. 35

36 5.5.3 Illit Illit også kaldet hydromuskovit er et almindeligt lermineral, som tilhører den gruppe af hydro-silikatmineraler, som danner mest af de finkornede partikler i lerarter. Illit indeholder de samme bestanddele, som kaolin (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ) samt kalium, og illit har således den generelle formel (K, H)Al 2 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 - xh2o, hvor x repræsenterer den varierende mængde vand, som gruppen kan indeholde. Illit, som er monoklint, har et såkaldt 2:1 krystalgitter, og dets struktur består (ligesom montmorillonit) skiftevis af silikatlag og gibsitlag i en s-gs-sekvens. Den varierende mængde af vandmolekyler placerer sig mellem s-g-s-lagene ligesom kaliumionerne. Illit er hovedmineralet i lersedimenter, lersten og skifre [Tiscali 2005] Figur 27: Illit. [Geo 2005] Figur 28: Illits struktur. [McLean et al. 2004] 36

37 5.5.4 Glimmer-gruppen Denne mineralgruppe er ikke lermineraler i den sande betydning af ordet, men ofte er den af interesse, da glimmermineralerne udgør en stor bestanddel af ler. Glimmermineralerne er genkendelige på deres store, meget tynde flager. De kløves let i disse flager, da det er svage bindinger, der binder flagerne sammen. Det er grundet de meget tynde flager, at glimmer er anvendelig som kondensatorer. Selvom flagerne almindeligvis er flere centimeter i diameter, kan partikler så små som 0,5 µm også findes. Glimmer er ikke et særligt plastisk materiale, men det menes dog, at små partikler af glimmer bidrager til lers plasticitet. [Worrall 1968] Glimmer er en vigtig gruppe af mineraler. Glimmer kan findes i alle tre typer af bjergarter; magmatiske, metamorfe og sedimentære. Da tynde skiver af glimmer generelt er fleksible og skøre, er der overraskende hvor resistente og holdbare glimmerkrystaller kan være, når det gælder om at modstå høje temperaturer og højt tryk i metamorfiske miljøer, ligesom glimmerkrystallerne også er gode til at modstå eroderende miljøer. Benævnelsen glimmer er ofte også den officielle betegnelse for mineraler i sig selv, og det selvom gruppen består af flere forskellige mineraler. De mest kendte mineraler er muskovit, biotit og lepidolit, men der findes også mindre kendte mineraler som glaukonit, paragonit, phlogopit og zinnwaldit. Alt i alt er glimmer-gruppen en rigtig stor gruppe med over 30 mineraler. Figur 29: Glimmer. Biotit. [Aol 2005] Figur 30: Glimmer. [Drexel 2005] Glimmer består af plader eller lag af silikattetraeder. Silikatlagene består af forbundne ringe med 6 medlemmer. Disse ringe er skyld i glimmers typiske seks-sidede hexagonale symmetri, realt er de egentlig kun monokline eller trikline. Hver tetraede i ringen deler deres oxygen-ioner med tre andre tetraeder. Glimmer-gruppen hænger tæt sammen med lermineraler. Ler har en lignende struktur, men inkluderer brucit- og gibbsit-lag mellem deres silikatlag. Ofte består krystaller af både glimmer- og lermineraler og kaldes derfor en kompositkrystal. Den generelle formel for glimmer er AB (2-3) (X, Si) 4 O 10 (O, F, OH) 2. Tetraedelaget i sig selv har formlen (X,Si) 2 O 5. I de fleste glimmermineraler er A-ionen almindeligvis natrium, men den kan også være kalium, calcium, barium, cesium og/eller ammonium. B-ionen kan enten være aluminium, lithium, jern, zink, krom, titanium, mangan og/eller magnesium. X-ionen er almindeligvis aluminium, men det kan også være beryllium og/eller jern. [Mineral 2005] 37