Naturstyrelsen Aarhus

Transkript

1 Naturstyrelsen Aarhus Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Endelig rapport Oktober 2011 Udgivelsesdato : 10. oktober 2011 Projekt : Udarbejdet : Niels Peter Arildskov og Tom Martlev Pallesen Kontrolleret : Jesper Albinus Godkendt : Peter Alfred Petersen

2 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 1 INDHOLDSFORTEGNELSE SIDE 1 BAGGRUND OG FORMÅL 2 2 RESUMÉ 3 3 DATABEHANDLING OG ANALYSERESULTATER Beregning af potentiel reduktionskapacitet Kvalitetssikring af analyseresultater 6 4 VISUALISERING OG TOLKNING AF DATA DGU-nr DGU-nr DGU-nr DGU-nr VURDERING AF DEN FREMTIDIGE UDVIKLING Forudsætninger og usikkerheder DGU-nr DGU-nr DGU-nr DGU-nr LANDSKABSANALYSE Beskrivelse af boringslokaliteter Samlet vurdering 19 7 REFERENCER 20 Bilag 1: Analyseresultater Bilag 2: Legende til landskabskortet Bilag 3: Analyserapporter

3 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 2 1 BAGGRUND OG FORMÅL Naturstyrelsen Aarhus har fra undersøgelsesboringerne DGU-nr , , og i kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup (se Figur 1.1) udvalgt i alt 33 sedimentprøver fra forskellige dybdeintervaller til analyse for reduktionskapacitet. Herudover er der analyseret grundvandsprøver fra sammenlagt 8 boringsindtag. Figur 1.1: Kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup samt beliggenhed af undersøgelsesboringer. De farvede felter repræsenterer intervaller for potentiel årlig kvælstofudvaskning (baseret på Conterra-data) I nærværende rapport er det søgt at sammentolke disse kemiske data med de geologiske data (lagfølge og sedimentets redoxtilstand) og hydrogeologiske data (beliggenhed af grundvandsspejl) og herudfra give det bedst mulige bud på grundvandsmagasinernes nitratsårbarhed samt den sandsynlige fremtidige udvikling. Det er således intentionen, at rapporten skal kunne fungere som baggrundsmateriale og vidensgrundlag for det videre arbejde i grundvandskortlægningen og ved den samlede vurdering af grundvandsbeskyttelsen i kortlægningsområdet. Rapporten indledes med et resumé med de væsentligste konklusioner af undersøgelsen (afsnit 2). Afsnit 3 omhandler metoder til databehandling samt kvalitetssikring af data og kan springes over, uden at det går ud over helhedsopfattelsen. I afsnit 4 er resultaterne af undersøgelsen visualiseret og tolket, og i afsnit 5 er det for de enkelte boringer søgt at estimere nitratfrontens vandringshastighed. Endelig er grundvandets nitratsårbarhed i afsnit 6 søgt korreleret med en geologisk landskabsanalyse.

4 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 3 2 RESUMÉ I DGU-nr , beliggende på Mesing Hede i den nordvestlige del af Solbjergområdet er de gennemborede glaciale sandlag på grænsen til at blive bedømt som nitratsårbare, men det kan ikke afvises, at der kan indvindes forholdsvis velbeskyttet grundvand fra sandlagene beliggende m u.t. Boringen er beliggende i forlængelse af en veldokumentet begravet dal, prækvartæret ligger relativt dybt, og det er sandsynligt, at horisontal strømning har væsentlig betydning for den resulterende grundvandskvalitet. Såfremt en vandindvindingsboring ønskes etableret i området, anbefales der inden ibrugtagning udført en langtidspumpetest, således at en evt. negativ vandkemisk udvikling ved oppumpning kan afsløres. I DGU-nr , på Mesing Hede i den nordvestlige del af Solbjerg-området er alle gennemborede potentielle grundvandsmagasiner oxiderede og tydeligt nitratsårbare. Boringen er beliggende i et område med meget rodet geologi og sandsynligvis skråtstillede lag samt evt. geologiske vinduer. Grundvandsindvinding på lokaliteten, eller i tilsvarende geologisk rodede områder, kan ikke anbefales. I DGU-nr , beliggende i Fillerup-området lidt øst for Torrild, peger samtlige resultater i retning af, at lagene af miocæn kvartssand er godt beskyttede imod nitrat. Især de dybere dele af lagpakken må anses for særdeles godt beskyttede med en sandsynlig gennembrudstid på mange tusinde år. Området forventes geologisk set at være relativt homogent og generelt egnet til grundvandsindvinding. I DGU-nr , beliggende i Solbjerg-områdets vestligste del ved Forlev, bedømmes de vandførende sandlag som velbeskyttede imod nitrat, men idet de gennemborede grundvandsmagasiner har ringe udbredelse, og formentlig ringe ydelse, kan vandindvinding fra de gennemborede lag ikke anbefales. Lokaliteten er en af de få i Solbjerg-området, hvor man ud fra landskabsanalysen må forvente en relativt rolig geologi. Generelt synes det bedst beskyttede grundvand i området at forekomme i homogene morænelandskaber uden dødispræg, randmoræner eller begravede dale.

5 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 4 3 DATABEHANDLING OG ANALYSERESULTATER Nitratreduktionspotentialet, eller mere korrekt reduktionskapaciteten, i forskellige geologiske lag i det væsentlige tilskrives 3 reduktionsmidler (se f.eks. /1/): Reaktivt organisk (kul)stof. Reaktivt pyrit (eller andre jern(ii)-sulfider) Reaktivt jern(ii) bundet i den faste fase. De tilsvarende reaktionsligninger kan med nitrat som oxidationsmiddel - udtrykkes som følger: Nitratreduktion ved oxidation af organisk stof: 5CH 2 O + 4NO H + 2N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O (1) Idet CH 2 O traditionelt anvendes som modelstof for organisk stof. Nitratreduktion ved pyritoxidation: 5FeS NO H + 7N 2 + 5Fe SO H 2 O (2) Nitratreduktion ved oxidation af jern(ii): 10Fe NO H 2 O N Fe(OH) H + (3) Herudover kan nitrat reduceres af mangan(ii) (Mn 2+ ), som dog typisk findes i væsentligt lavere koncentrationer end jern(ii), samt af methan (CH 4 ), som imidlertid kun findes i betydelig mængde ved væsentligt lavere redoxpotentialer, end der forventes i nærheden af redoxgrænsen. Det bemærkes, at det er på den sikre side ikke at medregne disse reduktionsmidler, idet reduktionskapaciteten, såfremt mangan(ii) og/eller methan er til stede, underestimeres en smule. Det er vigtigt at bemærke ordet reaktivt i ovenstående liste. Heri ligger der, at en del af hver stofpulje har så lav reaktivitet, at den i praksis er uden betydning. Undlader man at korrigere for de ikke-reaktive fraktioner, får man den potentielle reduktionskapacitet, som imidlertid vil overestimere beskyttelsen imod nedsivende nitrat, eftersom ikke-reaktive reduktionsmidler medregnes. I stedet bør man benytte den aktuelle reduktionskapacitet (ses også mindre heldigt - betegnet den reducerede sumkapacitet), som er den potentielle reduktionskapacitet korrigeret (fratrukket) de ikke-reaktive fraktioner. For en bestemt type sediment har man traditionelt for at bestemme den aktuelle reduktionskapacitet måttet analysere for både TOC, FeS 2 og Fe 2+ på både en reduceret sedimentprøve og en tilsvarende, men gennemoxideret, sedimentprøve, hvor de ikke reaktive fraktioner da er lig analyseresultaterne fra den oxiderede prøve.

6 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 5 Imidlertid giver analyse for reduktionskapacitet ved Ce(SO 4 ) 2 -metoden ifølge /2/ et godt estimat for den aktuelle reduktionskapacitet. Dog viser senere erfaringer, at en ikke-reaktiv fraktion på i størrelsesordenen 5 % typisk medgår i analysen /3/. Set i lyset af de øvrige usikkerheder ved beregning af nitratfrontens vandringshastighed er det dog valgt at se bort fra disse ca. 5 %, som har begrænset indflydelse på resultaterne. Hermed er det med blot en enkelt relativt billig analyse muligt at opnå en realistisk værdi for den mængde reduktionskapacitet, som i en given sedimentprøve rent faktisk er til rådighed for nitratreduktion. 3.1 Beregning af potentiel reduktionskapacitet TOC (Total Organisk Carbon) i sedimentet antages som gennemsnit at have oxidationstrin 0, mens slutproduktet ved oxidation med nitrat eller ilt er CO 2, hvor C har oxidationstrin +4. Dette betyder, at 1 mol (12,011 g) organisk kulstof producerer 4 mol elektroner, der således udgør reduktionskapaciteten, eller sagt på en anden måde: TOC reduktionskapacitet mækv 4 mmol %TOC (mækv/kg) (4) 12,011 mg/kg % mg mmol I stedet for mækv/kg kan man anvende enheden meækv/kg, hvilket i det foreliggende tilfælde er det samme ( e henviser specifikt til en elektronladning i stedet for den generelle elementarladning). Pyrit (FeS 2 ) kan oxideres delvis, idet kun polysulfiddelen oxideres til sulfat, ved en proces benævnt partiel pyritoxidation 1 /4/. I denne reaktion oxideres jerndelen ikke og frigives derfor som Fe 2+. Da bidraget til den samlede reduktionskapacitet hidrørende fra Fe 2+ imidlertid medregnes som en selvstændig pulje (se formel (6)), er den korrekte fremgangsmåde at regne med, at pyritoxidationen kun forløber partielt. 1 mol pyrit indeholder 2 mol svovl, der oxideres fra oxidationstrin -1 til +6, dvs. ved oxidation af 1 mol pyrit (119,979 g) frigives der således 14 mol elektroner, dvs.: FeS 2 reduktionskapacitet (mækv/kg) %FeS mækv mg/kg mmol % 2 (5) mg 119,979 mmol Ferrojern (Fe 2+ ) oxideres til ferrijern (Fe 3+ ), som ved normal ph har meget lav opløselighed, og derfor udfældes som okker (Fe(OH) 3 ). Som det direkte ses af ionladningerne, stiger jerns oxidationstrin med 1, hvilket betyder, at 1 mol jern (55,847 g) producerer 1 mol elektroner, dvs.: Fe 2 reduktionskapacitet 1 (mækv/kg) mækv mmol ,847 mg/kg % mg mmol %Fe(II) Den samlede potentielle reduktionskapacitet beregnes ved at summere bidragene beregnet ud fra (4), (5) og (6). (6) 1 Polysulfiddelen oxideres altid først, idet denne delproces giver et større energiudbytte end oxidationen af jernmolekylet. Især hvis mængden af oxidationsmiddel og ikke mængden af reaktiv pyrit - er begrænsende for processen, kan partiel pyritoxidation lokalt medføre høje koncentrationer af opløst jern(ii) i porevandet.

7 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side Kvalitetssikring af analyseresultater Samtlige analyseresultater er vedlagt på tabelform i bilag 1, mens de originale analyserapporter er vedlagt som bilag 3. Der er efterhånden udført en hel del sedimentkemiske analyser landet over, men der vurderes ikke at foreligge et tilstrækkeligt datagrundlag til, at man med rimelighed kan fastlægge intervaller for reduktionskapacitet til kvalitetssikring af analyseresultater for forskellige sedimenttyper. Dette skyldes flere faktorer, bl.a.: Variationer i sedimenternes kornstørrelsesfordeling Urenheder, f.eks. lerklumper i en sandprøve Variationer i farvebeskrivelser Forskellige reduktionskapaciteter for ellers ret ens udseende sedimenter af forskellig geologisk alder Forskellige reduktionskapaciteter for ellers ret ens udseende sedimenter i forskellige geologiske aflejringsmiljøer Især i sandede glaciale aflejringer og prækvartære aflejringer viser erfaringen, at det kan være vanskeligt at skelne imellem oxiderede og reducerede sedimenter på grundlag af farven alene. I sådanne tilfælde er det nødvendigt at udføre enten en sedimentkemisk analyse eller en grundvandsanalyse for at fastslå sedimentets redoxtilstand. De beskrevne geologiske variationer bevirker, at det ikke giver mening at sammenligne resultater for forskellige sedimenttyper ved statistiske tests, for at identificere eventuelle outliers. I denne rapport vil eventuelle underlige resultater derfor blive søgt identificeret ved en samlet vurdering af analyseresultater, geologisk lagfølge og grundvandskemi, som udføres i afsnit 4. Til gengæld skal indholdet af total-jern i en sedimentprøve naturligvis være større end eller lig med indholdet af ferrojern, hvilket er opfyldt for alle analyser. Endvidere følger det af de foregående afsnit, at analyse af oxiderede sedimenter ved Ce(SO 4 ) 2 -metoden bør give en reduktionskapacitet på nul (dvs. i praksis nær eller under detektionsgrænsen), eller i hvert fald tæt på nul. Hertil kommer, at reduktionskapaciteten beregnet ud fra TOC, pyrit og jern(ii) (afsnit 3.1), ideelt set skal være større end kapaciteten beregnet ud fra Ce(SO 4 ) 2 -metoden. Dette gælder i alle de tilfælde, hvor der er analyseret ved begge metoder. Ingen analyseresultater afviger i øvrigt fra, hvad man kan forvente, og samtlige resultater er derfor anvendt i den videre tolkning.

8 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 7 4 VISUALISERING OG TOLKNING AF DATA Resultater af Ce(SO 4 ) 2 -analyser og vandanalyser samt beliggenhed af visuel(le) redoxgrænse(r), boringsindtag og grundvandsspejl er illustreret på såkaldte redoxprofiler. Disse er opbygget som et koordinatsystem, hvor dybden under terræn er vist på y-aksen, mens reduktionskapaciteten ses på x-aksen. For overskuelighedens og sammenlignelighedens skyld går x-aksen kun til 600 mækv/kg, og højere værdier er blot vist som liggende til højre for profilet. Eksakte værdier kan findes i rapportens bilag 1. Som baggrund for koordinatsystemet er vist et forenklet geologisk profil. Endelig fremgår analyseresultater for redoxparametrene nitrat, jern og sulfat for hvert analyseret boringsindtag. 4.1 DGU-nr DGU-nr blev etableret i januar 2011 som en 99 m dyb undersøgelsesboring. Terrænkoten på borestedet er +90,75 DVR90. Boringen er udbygget med 2 indtag fra hhv m u.t. (filter 1) og m u.t. (filter 2). Der er analyseret vandprøver fra begge indtag. Redoxprofilet for DGU-nr ses på Figur 4.1. Der er ikke registreret noget muldlag i profilet, og jordlagene beskrives som gråfarvede allerede fra terræn (dog med røde slirer 0-2 m u.t.). Redoxgrænsen må således være beliggende stort set i terræn. Øverst består lagserien af et 14 m tykt lag af reduceret moræneler med en væsentlig reduktionskapacitet, og herunder består lagserien indtil 74 m u.t. mest af sand med enkelte indslag af ler og silt. Enkelte lag omkring 30 m u.t. er beskrevet som brune, og det kan ikke afvises, at jordlagene beliggende højere end ca. 37 m u.t., hvor grundvandsspejlet er registreret, er umættede eller delvis umættede. I alt fald har såvel grålige som brunlige sandlag over denne dybde ingen eller meget lav reduktionskapacitet. Også dybere nede er sandlagenes reduktionskapacitet dog ret begrænset. Dette kan skyldes en relativt høj vandgennemstrømning, hvilket også indikeres af manglende kalkindhold i de fleste glaciale sandlag. Fra m u.t. er lagserien beskrevet som gråbrun eller grå moræneler (begge farver repræsenterer overvejende sandsynligt reducerede sedimenter), og herunder følger prækvartæret, der øverst er beskrevet som 2 m sand og herunder oligocæn og eocæn ler. Der er således ikke påtruffet væsentlige grundvandsmagasiner dybere end 74 m u.t. Vandprøver fra begge filtre er reducerede, men med let forhøjede sulfatindhold. Prøverne er iltfri og bærer ikke præg af at være påvirket af umættet zone, men forholdsvis høje indhold af både nikkel og arsen indikerer, at pyritoxidation også er årsag til forhøjet sulfat. Det anses for mest sandsynligt, at nitratreduktionen i det væsentlige sker i det grå morænelerlag fra 0-14 m u.t. Sammenfattende ligger de gennemborede glaciale sandlag på grænsen til at blive bedømt som nitratsårbare, men det kan ikke afvises, at der kan indvindes velbeskyttet grundvand fra sandlagene i m u.t. Inden en evt. indvinding etableres, anbefales det, at der udføres en langtidspumpetest med jævnlig monitering af såvel sulfatsom nitratindhold. Ses der en negativ vandkemisk udvikling (stigende sulfat eller opdukken af nitrat), bør der ikke indvindes grundvand på lokaliteten.

9 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 8 Visuel redoxgrænse Grundvandsspejl 1 Grundvandsspejl 2 Kvartær Indtag 2 <0,5 mg/l NO 3-1,2 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Indtag 1 <0,5 mg/l NO 3-0,6 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Prækvartær (oligocæn, eocæn) Figur 4.1: Redoxprofil for DGU

10 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side DGU-nr DGU-nr blev etableret i januar 2011 som en 91 m dyb undersøgelsesboring. Terrænkoten på borestedet er +99,5 m DVR90. Boringen er udbygget med 2 indtag fra hhv. 57,5-61,5 m u.t. (filter 1) og m u.t. (filter 2). Der er kun analyseret en vandprøve fra indtag 1. Redoxprofilet for DGU-nr ses på Figur 4.2. Der er ikke registreret noget muldlag, og de øverste 7 m består af moræneler, hvoraf de nederste 3 m tilsyneladende er reduceret. Således ligger den øverste visuelle redoxgrænse 4 m u.t. Under morænelerlaget følger 7 m brunt, oxideret sand, der udgør det nederste kvartære lag. Herunder følger hvad der er beskrevet som en prækvartær flade med 16 m glimmerler (oligocæn, miocæn, pliocæn) i brungrå og grå nuancer, hvilket antyder, at i hvert fald dele af laget er reduceret. Fra 30 m u.t. følger igen kvartære aflejringer; først 2 m smeltevandssand, så 3 m smeltevandsler, og herunder et 28 m tykt lag af smeltevandssand (dog med et enkelt 1 m tykt indslag af silt). Det egentlige prækvartær starter 63 m u.t. med 1 m glimmerler og 2 m glimmersand. Herunder er der udelukkende truffet glimmerler, indtil boringen blev afsluttet 91 m u.t. Der er stort set ikke fundet kalk i de kvartære sandlag, hvilket indikerer stor gennemstrømning. Analyserne for reduktionskapacitet viser, at samtlige glaciale sandlag er oxiderede, om end nogle af disse er beskrevet som brungrå. Dette bekræftes af vandanalysen fra indtag 1, som viser et nitratindhold på 36 mg/l i dybdeintervallet 57,5-61,5 m u.t. Grundvandsspejlet i dette magasin står ca. 41 m u.t., dvs. en væsentlig del af magasinet er umættet. Eneste reducerede sandlag i profilet er det 2 m tykke lag af glimmersand fra m u.t., og dette lag er kun adskilt fra den ovennævnte oxiderede vandtype af 1 m glimmerler. Sammenfattende er alle gennemborede potentielle grundvandsmagasiner tydeligt nitratsårbare, og grundvandsindvinding på lokaliteten kan på det foreliggende datagrundlag ikke anbefales.

11 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 10 Øverste visuelle redoxgrænse Kvartær Grundvandsspejl 2 Grundvandsspejl 1 Indtag 2 Ikke analyseret Indtag 1 36 mg/l NO 3-0,03 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Prækvartær (oligocæn, miocæn, pliocæn) Figur 4.2: Redoxprofil for DGU

12 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side DGU-nr DGU-nr blev etableret i december 2010 som en 78 m dyb undersøgelsesboring. Terrænkoten på borestedet er +81,6 m DVR90. Boringen er udbygget med 3 indtag fra hhv m u.t. (filter 1), m u.t. (filter 2) og m u.t. (filter 3). Der er analyseret vandprøver fra alle 3 indtag. Redoxprofilet for DGU-nr ses på Figur 4.3. Under muldlaget findes der et kun 1 m tykt lag af oxideret moræneler, som imidlertid har en høj reduktionskapacitet på omkring 400 mækv/kg. Dette er meget normalt i terrænnært, opsprækket ler, hvor der opstår anaerobe mikromiljøer i forbindelse med fx regnvejr, hvor der dels nedvaskes let omsætteligt organisk stof fra jordoverfladen, og hvor tilgængeligheden af ilt begrænses stærkt pga. vandmætning af sprækkerne. Der foregår således utvivlsomt en vis nitratreduktion i den umættede zone, men denne er ikke medregnet, hvilket er konservativt i forhold til beregning af gennembrudstid. Herunder følger et lag af sandet moræneler (indslag af leret morænesand), indtil 37 m u.t., hvor prækvartæroverfladen er beliggende. Med undtagelse af enkelte indslag af brunt glimmerler består prækvartæret indtil 74 m u.t. hovedsageligt af kalkfrit, miocæn kvartssand. Herunder følger igen brunt glimmerler. Grundvandsspejlet ligger i samme niveau i alle lagene af kvartssand, men magasinet er spændt, idet grundvandsspejlet er stort set sammenfaldende med prækvartæroverfladen. Der må formodes at ligge et terrænnært grundvandsspejl omkring den øverste visuelle redoxgrænse (2 m u.t.), og dermed er gradienten nedadrettet. Ligeledes må det formodes, at det øvre 30 m tykke lag af gråt moræneler udgør en væsentlig hydraulisk barriere, således at grundvandsdannelsen på lokaliteten er meget begrænset. Sedimentanalyserne viser, at samtlige analyserede lag i et eller andet omfang er reducerede, dog er reduktionskapaciteten lav i dele af de miocæne sandlag. I fuld overensstemmelse hermed viser alle tre grundvandsprøver reduceret og nitratfrit grundvand, hvor sulfatindholdet desuden aftager med dybden, således at grundvandet i indtag 1 (64-68 m u.t.) tillige er sulfatreduceret. Derimod er der svagt forhøjet sulfat i øverste filter, hvilket kunne være tegn på en let påvirkning med en yngre grundvandstype, som i givet fald sandsynligvis tilføres ved horisontal strømning fra en opstrøms beliggende lokalitet med en noget ringere geologisk beskyttelse. Sammenfattende peger samtlige resultater i retning af, at lagene af miocæn kvartssand er godt beskyttede imod nitrat. Især de dybere dele af lagpakken må anses for særdeles godt beskyttede.

13 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 12 Visuel redoxgrænse Kvartær Grundvandsspejl 1-3 Indtag 3 <0,5 mg/l NO 3-0,89 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Prækvartær (miocæn) Indtag 2 <0,5 mg/l NO 3-0,9 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Indtag 1 <0,5 mg/l NO 3-1,8 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Figur 4.3: Redoxprofil for DGU

14 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side DGU-nr DGU-nr blev etableret i januar 2011 som en 79 m dyb undersøgelsesboring. Terrænkoten på borestedet er +92,7 m DVR90. Boringen er udbygget med 2 indtag fra hhv m u.t. (filter 1) og m u.t. (filter 2). Der er analyseret vandprøver fra begge indtag. Redoxprofilet for DGU-nr ses på Figur 4.4. Den visuelle redoxgrænse findes umiddelbart under muldlaget, som efterfølges af en lagpakke bestående af 14 m gråt (reduceret) moræneler. Herunder findes glacialt smeltevandssand, der hovedsageligt er beskrevet som gråt, men med et brunt indslag fra m u.t. Analyse af reduktionskapaciteten i dette lag bekræfter, at der er tale om oxideret sediment. Der er mest sandsynligt tale om en umættet del af lagserien, men forklaringen kan også være horisontal tilstrømning af oxideret grundvand. Den nederste del af den glaciale lagserie ser ud til at være kalkfri, hvilket indikerer god vandgennemstrømning. Grundvandsspejlet står i de undersøgte lag så lavt som godt 43 m u.t. Indtag 2 står i den nederste del af den kvartære lagserie, som udgøres af grus. Der er tale om reduceret grundvand, men med let forhøjet sulfat. Såfremt vandet efter at være transporteret igennem det øverste reducerede morænelerlag transporteres lodret igennem umættede eller delvis umættede lag, indtil det rammer grundvandsspejlet ca. 43 m u.t., er der tale om en relativt ung grundvandstype, som typisk er karakteriseret ved et forhøjet indhold af sulfat. Indtag 1 står derimod i øverste miocæne sandlag, hvor analyse af reduktionskapaciteten bekræfter, at der er tale om et reduceret lag. Her er sulfatindholdet normalt. Det kan formodes, at grundvandet i eventuelle dybere liggende miocæne sandlag vil være sulfatreduceret. Umiddelbart virker grundvandet under 14 m reduceret moræneler velbeskyttet imod nitrat, men reelt afhænger beskyttelsen i høj grad af, i hvilket omfang transporten igennem dette lag sker ved matrixstrømning. Konklusionen er derfor behæftet med en lidt større usikkerhed end normalt. Sammenfattende bør de vandførende sandlag betragtes som velbeskyttede imod nitrat. De gennemborede grundvandsmagasiner har imidlertid begrænset udbredelse, og på den baggrund vil det, såfremt der ønskes indvundet grundvand på lokaliteten, være hensigtsmæssigt at søge dybere liggende prækvartære sandlag af større mægtighed.

15 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 14 Visuel redoxgrænse Prækvartær (oligocæn, miocæn, pliocæn) Kvartær Grundvandsspejl 1+2 Indtag 2 <0,5 mg/l NO 3-1,5 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Indtag 1 <0,5 mg/l NO 3-1,6 mg/l Fe mg/l SO 4 2- Figur 4.4: Redoxprofil for DGU

16 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 15 5 VURDERING AF DEN FREMTIDIGE UDVIKLING I det følgende er der baseret på årlig kvælstofudvaskning samt målt reduktionskapacitet i det øverste beskyttende lerlag under redoxgrænsen udført beregning af nitratfrontens teoretiske nedadrettede bevægelseshastighed. Ved nitratreduktion fra NO 3 - til N 2 går N fra oxidationstrin 5 til 0, mens O omdannes til H 2 O og således ikke ændrer oxidationstrin (-2): 2NO H e - N 2 + 6H 2 O Således skal der bruges 5 meækv for at reducere 1 mol (= 1 mækv) nitrat. 5.1 Forudsætninger og usikkerheder Beregningerne er udført under følgende forudsætninger: Alt udvasket kvælstof rammer redoxgrænsen i form af nitrat (konservativ antagelse, først og fremmest fordi der ikke tages hensyn til nitratreduktion i den umættede zone under 1 m dybde og fordi der ikke tages hensyn til sekundær afstrømning, eksempelvis via dræn) Strømningen igennem det beskyttende lag sker vertikalt (konservativ antagelse, idet en horisontal flowkomponent vil øge vejlængden og dermed den effektive tykkelse af det beskyttende lag) Nitrat reduceres umiddelbart ved redoxgrænsen (forudsætter, at reduktionshastigheden er væsentligt større end tilførslen af nitrat), hvilket er en diskutabel antagelse. Dette skyldes, at der er stor spredning på reaktivitet for ethvert mineral, og idet den mest reaktive del naturligvis forbruges først, vil reduktionshastigheden aftage på et tidspunkt så meget, at nitratreduktionen ikke længere kan følge med belastningen ovenfra) Infiltrerende nitrat kommer i kontakt med hele sedimentmatricen (formentlig tilnærmelsesvis korrekt antagelse for sand, men ingenlunde for kalk eller opsprækket ler i tilfælde af sprækketransport er denne antagelse i høj grad diskutabel) Grundvandsdannelsen foregår igennem et sedimentprofil som det gennemborede (dette er kun tilfældet ved meget homogen geologi ellers søger grundvandet den hurtigste vej nedad, hvilket vil sige igennem de mest permeable aflejringer, og i tilfælde af eksempelvis geologiske vinduer eller skråtstillede lag kan hovedparten af grundvandsdannelsen foregå udenom de beskyttende lag, som måtte fremgå af den gennemborede lagserie) Som det fremgår, er nogle antagelser konservative, mens andre i høj grad er til den usikre side. I kombination vurderes forudsætningerne kun sjældent at være tilnærmelsesvis opfyldte, og primært i de tilfælde, hvor magasinerne er tydeligt velbeskyttede imod nitrat. De beregnede gennembrudstider må på denne baggrund anses for at repræsentere en urealistisk idealtilstand, og de anvendes derfor i den videre tolkning kun som en rettesnor ved vurdering af grundvandets nitratsårbarhed.

17 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side DGU-nr Som nævnt i afsnit 4.1 ligger den visuelle redoxgrænse omkring terræn. Reduktionskapaciteten i det øverste, reducerede morænelerlag er bestemt til 559 mækv/kg. Conterra har beregnet den potentielle årlige N-udvaskning til 62,6 kg/ha, svarende til 71 mg/l nitrat. Beregningsmetoden for nitratfrontens bevægelseshastighed er illustreret i nedenstående boks. Potentiel N-udvaskning: 62,6 kg/ha/år Omregning til mmol pr. m 2 overfladeareal pr. år: 62,6 kg/ha/år ( mg/kg / m 2 /ha) / 14,00674 mg/mmol = 446,9 mmol/m 2 /år Antages al nitrogen udvasket i form af nitrat, er forbruget af reduktionskapacitet: 5 mækv/mmol 446,9 mmol/ m 2 /år = 2234,6 mækv/m 2 /år Antages der en tør bulkdensitet for den reducerede moræneler på 1670 kg/m 3, og anvendes reduktionskapaciteten på 559 mækv/kg, fås nitratfrontens teoretiske vandringshastighed: (2234,6 mækv/m 2 /år) / (1670 kg/m mækv/kg) = 0,0024 m/år = 2,4 mm/år, svarende til 418 år/m Beregningen forudsætter vertikal transport igennem laget af moræneler. Sandsynligvis er vandflowet overvejende lodret så tæt på terræn, hvilket medfører, at der er tale om en realistisk antagelse. Med en samlet tykkelse af det reducerede smeltevandslerlag på 14 m vil det altså i teorien tage knap 6000 år, før der forekommer nitratgennembrud til den øverste del af det kvartære sandmagasin. Dette forudsætter dog matrixflow, og tilstedeværelsen af brune slirer i de øverste 2 m indikerer sprækketransport. Ovenstående gennembrudstid må derfor anses for en næppe realistisk best case værdi. Desuden er reduktionskapaciteten i selve sandmagasinet lav, og nitrat ville derfor hurtigt brede sig, såfremt det fik adgang til laget. 5.3 DGU-nr I DGU-nr er hele den kvartære del af profilet (de øverste 63 m) oxideret og sedimentet nitratholdigt i alle relevante grundvandsmagasiner, hvorfor der ikke forligger et grundlag for at beregne en teoretisk gennembrudstid. Der må dog forventes en lang gennembrudstid til dybere liggende prækvartære magasiner. Conterra-data viser en potentiel årlig N-udvaskning på 55,9 kg/ha, svarende til 70 mg/l nitrat. 5.4 DGU-nr For DGU-nr viser Conterra-data en potentiel årlig N-udvaskning på 71,1 kg/ha, svarende til 114 mg/l nitrat. Reduktionskapaciteten i det underliggende reducerede lerlag er målt til 480 mækv/kg.

18 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 17 Beregning af nitratfrontens bevægelseshastighed er udført som beskrevet i afsnit 5.2. Resultatet viser en bevægelseshastighed på 3,2 mm/år, svarende til 316 år/m. Antages der som worst case rent vertikalt flow, svarer dette til en gennembrudstid på år igennem de 35 m reduceret ler, som dækker det øverste sandmagasin. På den baggrund må samtlige gennemborede (miocæne) sandlag anses for særdeles velbeskyttede overfor nitrat. 5.5 DGU-nr For DGU-nr viser Conterra-data en potentiel årlig N-udvaskning på 68,3 kg/ha, svarende til 79 mg/l nitrat. Reduktionskapaciteten i det underliggende reducerede morænelerlag fra 1 til 15 m u.t. er målt til 360 mækv/kg. Beregning af nitratfrontens bevægelseshastighed er udført som beskrevet i afsnit 5.2. Resultatet viser en bevægelseshastighed på 4,1 mm/år, svarende til 247 år/m. Antages der som worst case rent vertikalt flow, svarer dette til en gennembrudstid på 3500 år igennem de 14 m reduceret ler, som dækker det øverste sandmagasin. På den baggrund må de gennemborede sandlag anses for godt beskyttede overfor nitrat. 6 LANDSKABSANALYSE I den følgende analyse er det søgt at korrelere grundvandets nitratsårbarhed med geologiske landskabselementer. Med dette formål for øje er de undersøgte boringer inddelt i følgende tre kategorier: Grøn kategori: Ingen undersøgte magasiner er nitratsårbare, bortset fra terrænnære, geologisk ubeskyttede sand- og grusmagasiner. Gul kategori: Tvivl om beskyttelsen eller kun de dybest liggende lag er beskyttede imod nitrat. Rød kategori: Alle eller stort set alle undersøgte magasiner er nitratsårbare. Nitratsårbarhedskategorier for undersøgelsesboringerne samt landskabselementer ses på Figur 6.1. For overskuelighedens skyld er legenden til landskabskortet placeret i bilag 2 til rapporten.

19 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Figur 6.1: Nitratsårbarhedskategorier og landskabselementer Side 18

20 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 19 I Solbjerg-området (nordligst) er den helt dominerende landskabstype morænelandskab fra sidste istid med overvejende lerbund (brunternet signatur). Området gennemskæres af en tunneldal (hvid med hakket sort rand). Der findes indtil flere begravede dale i området. I Fillerup-området (sydligst) er landskabet mere homogent og ret ligeligt fordelt imellem morænelandskab fra sidste istid med overvejende lerbund (brunternet signatur) og morænelandskab fra sidste istid med overvejende sandbund (brun skråskravering). Området betragtet som helhed er landskabeligt komplekst, og udgør en del af Det Midtjyske Søhøjland. Israndslinier, forkastninger i undergrunden og talrige begravede dale er med til at komplicere de geologiske forhold. 6.1 Beskrivelse af boringslokaliteter DGU-nr (Solbjerg) tilhører gul kategori og ligger i umiddelbar forlængelse af en begravet dal ( Aar15 ), samt på grænsen imellem et randmorænelandskab og et dødislandskab (Per Smed). Jordartskortet viser generelt moræneler i området. Da boringen er beliggende i en begravet dal, må de geologiske forhold betragtes som potentielt meget komplekse - ikke mindst set i lyset af placeringen i et dødis- og randmorænelandskab. DGU-nr (Solbjerg) tilhører rød kategori og ligger i et område som har randmorænepræg, samt desuden tæt på et område med dødispræg. Landskabsformerne vidner således om en placering nær en tidligere israndslinie, og jordlagenes opbygning vil sandsynligvis være præget heraf med hyppig lithologisk vekslen og skråtstillede/overskudte lagfølger. Dette afspejles i den gennemborede lagserie, hvor der bl.a. ses en tyk flage af glimmerler i den kvartære lagserie. Jordartskortet viser generelt moræneler, dog med flere mindre områder med smeltevandssand. DGU-nr (Fillerup) tilhører grøn kategori og ligger i et område bestående af såvel sandet som leret morænelandskab (Per Smed). Desuden ses såvel dødislandskab som randmoræne i området, og der er derfor stor sandsynlighed for, at særligt den øverste del af lagserien veksler stærkt. Jordartskortet viser overvejende moræneler, dog med en lokal forekomst af smeltevandssand meget tæt på boringen. I området ses flere vådområder og småsøer, ligesom der særligt i skovområderne (eksempelvis Sønderskov) findes mange drængrøfter. Dette indikerer generelt lerede jordlag, hvor overfladevand drænes til lavningerne. DGU-nr (Solbjerg) tilhører grøn kategori og ligger i et område, der landskabeligt er tolket som leret morænelandskab med et nærliggende dødislandskab. Terrænnært må der forventes lokal stor lithologisk variation, mens de dybere jordlag sandsynligvis er mindre irregulære. 6.2 Samlet vurdering De dårligt beskyttede boringer ligger i Solbjerg-områdets nordlige del, hvor de mest komplicerede geologiske forhold forekommer. Den gule boring ligger i direkte forlængelse af en begravet dal. I randen af begravede dale er de geologiske forhold ofte inhomogene, og horisontalt flow har typisk stor indflydelse på den resulterende grundvandskvalitet. Dette harmonerer med det forhøjede og stigende sulfatindhold med dybden (Figur 4.1).

21 Tolkning af sedimentkemiske analyser fra kortlægningsområde Solbjerg-Fillerup Side 20 Den røde boring ligger længere imod nord i et dødislandskab og desuden ved et randmorænelandskab. De komplicerede geologiske forhold er således ikke overraskende, og de mange redoxgrænser der observeres i profilet (Figur 4.2), indikerer skråtstillede lag og/eller geologiske vinduer, hvilket normalt kendetegner sådanne områder. Det bemærkes, at de to grønne boringer ligger i de landskabeligt mest rolige områder, dvs. på lerede moræneflader uden direkte præg af dødislandskab eller randmoræner, og desuden i god afstand fra begravede dale. Det forholdsvis sparsomme datagrundlag indikerer, at det bedst beskyttede grundvand i området kan findes i det lerede morænelandskab uden væsentlige geologiske inhomogeniteter. Det er tænkeligt, at også det sandede morænelandskab i Fillerupområdet byder på grundvand med en fornuftig beskyttelse overfor nitrat, men der findes ikke umiddelbart data, som kan underbygge dette. 7 REFERENCER /1/ Ernstsen, V., Henriksen, H.J. & von Platen, F Principper for beregning af nitratreduktion i jordlagene under rodzonen. Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen nr. 24. /2/ Ernstsen, V., Jørgensen, N. & Lynge, C.R., Metode til analyse af reducerede stoffer i sedimenter. Miljøstyrelsen, Miljøprojekt nr /3/ Ernstsen, Vibeke, personlig kommunikation. /4/ Appelo C.A.J. & Postma, D., Geochemistry, groundwater and pollution, 2 nd ed. Balkema. /5/ Ernstsen, V., Ejsbøl, K., Jensen, O.D. & Storgaard, J.C. Metode til analyse af reducerede sedimenter og reduktionskapacitet. Foreløbigt manuskript klargjort til publicering i Vand & Jord.

22 Bilag 1: Analyseresultater Analyseresultater, Ce(SO 4 ) 2 -metoden DGU-nr. Dybde Vægt af samlet sedimentprøve Vægt af finjordsfraktion (<2 mm) Reduktionskapacitet (fraktionen <2 mm) Reduktionskapacitet beregnet for hele prøven (m) (g) (g) (mækv/kg) (mækv/kg) ,87 100, ,95 101, ,99 92, ,32 176, ,66 152, ,54 114, ,54 37, ,39 74, ,94 131, ,67 87, ,13 66, ,37 93, ,86 129, ,63 96, ,32 166, ,88 107, ,64 191, ,07 105, ,38 54, ,16 86, ,20 148, ,06 71, ,29 145, ,06 99, ,05 144, ,41 160, ,81 100, ,33 163, ,03 135, ,11 124, ,77 93, ,87 164, ,83 148,

23 Analyseresultater, specifikke reduktanter DGU-nr. Dybde Vægt af samlede sedimentprøve Vægt af finjordsfraktion (<2 mm) Tab ved udsyring TOC Pyrit Fe(II) Fe-tot Beregnet reduktionskapacitet Reduktionskapacitet, hele prøven (m) (g) (g) (%) (%C) (%FeS 2 ) (%Fe) (%Fe) (mækv/kg) (mækv/kg) ,99 92,10 5,76 0,04 0,00 0,27 1, ,54 37,56 0,83 0,03 0,00 0,11 0, ,63 96,13 1,63 0,03 i.a. 0,18 0, * 131 * ,64 191,29 0,73 0,02 0,00 0,07 0, ,05 144,09 0,63 0,03 0,05 0,01 0, ,77 93,63 1,20 0,04 0,00 0,08 0, *: Pyrit er ikke analyseret på denne prøve, og bidraget herfra er derfor sat til nul i beregningen

24 Bilag 2: Legende til landskabskortet

25 Bilag 3: Analyserapporter

26 Naturstyrelsen Århus Lyseng Allé Højbjerg Att.: Ole Dyrsø Jensen Geokemisk afdeling J.nr. GEUS Ref. VE/- 31. maj 2011 Vedr. analyseresultater for kortlægningsområdet Solbjerg- Fillerup - reducerende stoffer Hermed resultaterne for indhold af reducerende stoffer i sedimenter fra kortlægningsområdet ved Solbjerg-Fillerup. Prøverne blev opbevaret frosne på GEUS indtil analyse. Analysemetode: Summeret nitrat-reduktions-kapacietet er udført som beskrevet af V. Ernstsen, N. Jørgensen og C.R. Lynge i Metode til analyse af reducende stoffer i sedimenter, Miljøprojekt nr. 1024, Miljøstyrelsen. Ved analysen rystes jord og 25 mm Ce(SO 4 ) 2 opløst i 5 % svovlsyre i 24 timer. Efter centrifugering bestemmes forbruget af Ce(SO 4 ) 2 ved titrering med jernsulfat. Analysen gennemføres på tørret (105 C) og sigtet (<2 mm) prøvemateriale. Indholdet opgives i millielektronækvivalenter pr. kg jord. Indholdet af partikler > 2mm er bestemt for en delmængde af den til laboratoriet fremsendte sedimentprøve efter tørring ved 105 ºC. Med venlig hilsen Vibeke Ernstsen GEUS De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Øster Voldgade København K Tlf Fax CVR-nr EAN-nr geus@geus.dk GEUS er en forsknings- og rådgivningsinstitution i Klima- og Energiministeriet

27 G E U S Resultater: Labnr. Boring Dybde (m) Total prøve (g) Prøve <2mm (g) Reducerende stoffer beregnet for fraktionen < 2mm (millielektronækvivalenter/kg) Reducerende stoffer beregnet for hele prøven (millielektronækvivalenter/kg) ,87 100, ,95 101, ,99 92, ,32 176, ,66 152, ,54 114, ,54 37, ,39 74, ,94 131, ,38 54, ,16 86, ,20 148, ,06 71, ,29 145, ,06 99, ,05 144, ,41 160, ,81 100, ,33 163, ,03 135, ,11 124, ,77 93, ,87 164, ,83 148, ,67 87, ,13 66, ,37 93, ,86 129, * 96,63 96, ,32 166, ,88 107, ,64 191, ,07 105,

28 Naturstyrelsen Århus Lyseng Allé Højbjerg Att.: Geolog Ole Dyrsø Jensen Geokemisk afdeling J.nr. GEUS Ref. VE/- 16. juni 2011 Vedr. analyser af jordprøver fra korlægningsområdet ved Solbjerg-Fillerup Hermed analyseresultaterne for TOC, massetab i forbindelse med HCl behandling af finjord til TOC analyse, pyrit, FeII og Fe-total bestemt på sedimentprøver fra kortlægningsområdet Solbjerg-Fillerup. Prøverne blev opbevaret frosne på GEUS indtil analyse. De anvendte analysemetoder er som følger: Målingerne af organisk bundet kulstof (TOC) er foretaget på LECO CS-200 efter nedsyring med 2 M saltsyre (HCl) og efterfølgende vask af jordprøven indtil den fremstår chlorid-fri. Analysen gennemføres på lufttørret, sigtet (<2 mm) og findelt (<250 μm) prøvemateriale. Til pyritbestemmelse koges jordprøven først med saltsyre for at fjerne opløselige jernforbindelser (med undtagelse af pyrit) og dernæst med salpetersyre for at få frigjort jern fra pyrit. Indholdet af jern måles ved atomabsorption (AAS) og beregnes som pyrit (FeS 2 ). Analysen gennemføres på tørret (105 C) og sigtet (<2 mm) prøvemateriale. Til måling af ferrojern og Fe-total koges jordprøven med en blanding af svovlsyre, flussyre og phenanthrolin hvorefter indholdet af FeII måles ved spektrofotometri. Herefter belyses væsken og det totale indhold af jern bestemmes ved spektrofotometri. Analysen gennemføres på tørret (105 C) og sigtet (<2 mm) og lettere findelt prøvemateriale. De fremsendte sedimentprøver vil blive opbevaret i to måneder fra d.d. Med venlig hilsen Vibeke Ernstsen GEUS De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland Øster Voldgade København K Tlf Fax CVR-nr EAN-nr geus@geus.dk GEUS er en forsknings- og rådgivningsinstitution i Klima- og Energiministeriet

29 G E U S Resultater: Lab. Nr. Boring Dybde (m) TOC (% C) Forbehandling - tab ved TOC (%) Pyrit (% FeS 2 ) FeII (% Fe) Fe-tot (% Fe) ,04 5,76 <0,02 0,27 1, ,03 0,83 <0,02 0,11 0, ,03 0,63 0,05 0,01 0, ,04 1,20 <0,02 0,08 0, ,03 1,63 0,18 0, ,02 0,73 <0,02 0,07 0,20 2