VINDUER OG SPRÆKKER I JORDEN OG GRUNDVANDSBESKYTTELSE

Transkript

1

2 VINDUER OG SPRÆKKER I JORDEN OG GRUNDVANDSBESKYTTELSE af Peter Gravesen Vinduer og sprækker er begreber geologer normalt forbinder med hårde krystallinske bjergarter og ikke med løse aflejringer, som f.eks. smeltevandssand og moræneler. Et geologisk vindue er en betegnelse, der oprindeligt er brugt for et fænomen, der forekommer i foldede bjergarter i bjergkæder, hvor ældre lag blottes og direkte kan iagttages i et område, hvor de yngre foldede lag er fjernet som følge af senere tiders erosion. Det er disse erosionshuller, der kaldes for vinduer, og velkendte eksempler fra Alperne er Engadiner vinduet i Schweitz-Østrig og Tauern vinduet i Østrig. Det Strategiske Miljøforskningprograms første fase (SMP-1), er netop afsluttet. Indenfor grundvandsprojekterne er begrebet et geologisk vindue brugt som et centralt element ved beskrivelse af grundvandsmagasinerne og deres dæklag i forbindelse med vurdering af nedbørens nedsivning til grundvandet. Begrebet er blevet udvidet til også at omfatte den underjordiske del af vinduet, der ikke direkte kan iagttages, men som Vandforsyningsboring i Hareskoven, nær København kan påvises indirekte ved hjælp af geofysiske metoder. De geofysiske undersøgelser belyser jordlagenes egenskaber og lejringsforhold. Man kan derved få oplysning om vandets transportveje ned gennem jordlagene til grundvandet og således også om spredningen af opløste stoffer, som har betydning for den kemiske sammensætning af vandet. DEN TIDLIGERE OPFATTELSE AF BESKYTTENDE LERLAGS BETYDNING Udbredte, sammenhængende morænelersdækker over de danske grundvandsmagasiner har været betragtet som sikre barrierer, der forhindrede miljøfremmede stoffer i at sive ned til grundvandet. Antagelsen beroede på, at morænelerets grundmasse har en lav hydraulisk ledningsevne. Man formodede derfor, at vandbevægelsen gennem moræneleret var langsom, således at forurenende stoffer havde en forholdsvis lang opholdstid i leret. Dette vil give mulighed for, at stofferne nedbrydes, inden de når frem til grundvandet. Filosofien har været : Jo tykkere lerlag og jo større horisontal udbredelse, jo bedre beskyttelse af grundvandet. Omkring 40 % af Danmarks overflade består af moræneler. Morænelerets tykkelse, sammensætning og strukturer blev derfor antaget at have stor betydning for nedsivningsmulighederne. I forbindelse med de senere års sårbarhedskortlægninger bl.a. i amterne har lertykkelse og lerudbredelse således været nogle af de vigtigste parametre til klassificering af grundvandsmagasinernes sårbarhed. Disse forhold er f.eks. blevet illustreret med kort, der viser den samlede tykkelse af lerlag ovenfor filtrene i vandindvindsboringer. Sådanne kort er bl.a. udarbejdet på basis af oplysninger fra GEUS boringsdatabase. 75

3 Figur1. Snit gennem iltet, gulbrunt moræneler, der er gennemsat af sprækker. Sprækkernes rand er markeret ved udfældning af jernholdige mineraler, mens sandet i selve sprækkerne er helt lyst. FG - Ferskvandsgrus FS - Ferskvandssand FL - Ferskvandsler FP - Ferskvandsgytje FT - Ferskvandstørv Figur 2. Udsnit af GEUS jordartskort 1315 III SV Hinnerup fra området omkring Grundfør i Østjylland. Jordartssymbolerne og farvesignaturerne kan ses på signaturforklaringen. Kortet viser de kvartære lags sammensætning i 1 meters dybde. Der kan f.eks. ses et større sandområde (TS) nordøst for Grundfør omgivet af moræneler (ML). 76 ES - Flyvesand TG - Ferskvandsgrus TS - Ferskvandssand TL - Ferskvandsler DG - Smeltevandsgrus DS - Smeltevandssand DL - Smeltevandsler MG - Morænegrus MS - Morænesand ML - Moræneler TO BETYDNINGSFULDE FORHOLD DER ØGER SÅRBARHEDEN Indenfor de seneste år er der imidlertid to forhold som særligt er kommet i fokus med hensyn til morænelers egenskaber og optræden: 1. Sprækker og makroporer i de enkelte morænelerslag og 2. Større eller mindre sandvinduer i morænelersdækkerne. Sprækker og makroporer i de øvre morænelerslag har vist sig at have afgørende betydning for vandets nedsivningsmuligheder. Den hydrauliske ledningsevne i de øvre jordlag er således væsentlig højere end i dybere liggende mere ensartede morænelerslag. Nitratholdigt eller pesticidholdigt vand siver derfor relativt hurtigt ned til grundvandszonen, hvor vandspejlet ligger indenfor de øverste ca. 10 meter. For nitrats vedkommende har det vist sig, at der sker en reduktion af nitrat i makroporerne, især hvis der i jordlagene er et højt organisk indhold. På større dybde er sprækkers og makroporers udbredelse og strukturer mindre kendt, bl.a. på grund af vanskelighederne med at undersøge forholdene i de dybereliggende lag. Sandvinduer i morænelersflader kan være vanskelige at erkende ved et blik ud over landskabet, selv om de ofte ligger lidt lavere i terrænet. Ved en traditionel kvartærgeologisk kortlægning bliver de geologiske lag bestemt ned til ca. en meters dybde under jordoverfladen. Overfladenære forekomster af sand- og gruslag i morænelersdækkerne kortlægges også, men de geologiske vinduers rumlige udbredelse under jordoverfladen på større dybde fremgår ikke af overfladekortlægningen. Kun hvis der i forbindelse med kortlægningen er undersøgt sand- og grusgrave eller klintprofiler i nærheden af sandvinduerne, er det muligt at få et mere detaljeret indblik i aflejringernes rumlige udbredelsesforhold. For at få et mere præcist kendskab til disse forhold er det nødvendigt at udføre dybere boringer og anvende geofysiske undersøgelsesmetoder.

4 NYE UNDERSØGELSES- METODER Boringer giver, ud fra boreprøver og borehulslogs, detaljerede oplysninger om sedimenternes sammensætning på selve borestedet. Det videre arbejde med at udrede lejringsforholdene under jordoverfladen mellem boringerne forudsætter kendskab til anvendelse af såkaldte faciesmodeller, der beskriver de forskellige jordarters sandsynlige udbredelse og fordeling, og som dermed giver mulighed for at korrelere fra lag til lag mellem boringerne. En geologisk model baseret på sådanne tolkninger åbner mulighed for at vise de forskellige lags sandsynlige udbredelse, men ikke deres konkrete beliggenhed i alle punkter. Ved at supplere de direkte iagttagelser med geofysiske undersøgelser opnås ofte et mere præcist indblik i lejringsforholdene. Geofysiske undersøgelser kan derfor bidrage til en mere nøjagtig kortlægning af vandets transportveje under nedsivningen til grundvandet. Ved anvendelse af de nye metoder, som er udviklet ved Århus Universitets Geofysiske Afdeling, kan en sammenhængende kortlægning af sandvinduernes rumlige udbredelse i dybden foretages ved hjælp af en særlig metode, hvor strømførende elektroder slæbes henover jordoverfladen efter et køretøj. Herved opnås kontinuerte modstandsmålinger i de linieprofiler, der opmåles. Målingerne kan nå meter ned i jorden. De målte modstandsværdier afhænger af de tilstedeværende jordarter, og en samlet model for et område kan derefter udarbejdes og beskrives. Vinduernes placering i jorden vil fremgå i detaljer, således at lejringen i forhold til det omkringliggende moræneler kan illustreres. Foruden den geoelektriske metode bidrager også georadar undersøgelser, hvor man sender Figur 3. Kort med slæbegeoelektriske målinger fra Grundfør området. Kortet viser jordlagenes modstandforhold i ca. 10 meters dybde. De røde farver angiver de højeste modstande svarende til sandede-grusede lag, mens de blå farver angiver de laveste modstande svarende til lerede lag. Kortet viser således flere områder (vinduer) med sandaflejringer. (Kortet er udarbejdet af K. I. Sørensen, Geofysisk. Afdeling, Aarhus Universitet). 77

5 Morænebakkelandskab ved Grundfør elektromagnetiske bølger, radarstråler, ned gennem jordlagene, til lokalisering af sandvinduer i et lerdække. Radargrammer kan optages til meters dybde alt afhængig af jordlagenes indhold af ler. Muligheden for at kunne skelne mellem ler og sand er netop afgørende for stedfæstelse af vinduerne. EKSEMPEL PÅ VINDUER Ved Grundfør i Østjylland er der, i forbindelse med et projekt under det Strategiske Miljøforskningsprogram, kortlagt en 160 meter dyb, begravet dal, dvs. en dal der ikke kan spores på jordoverfladen. Dalen er en del af et større nordsyd gående dalsystem. På langs med og henover dalen, i de aflejringer der opfylder dalen, ligger det udbredte, regionale grundvandsmagasin i Haldum Formationen, der er delvis dækket af moræneler. Imidlertid er der også påvist sandvinduer oven over magasinet, ved hjælp af de metoder, der er beskrevet ovenfor. Projektet gik specielt ud på at undersøge nitratforholdene i den umættede zone over grundvandsspejlet og i grundvandsmagasinet og om muligt forklare årsagerne til variationerne i de nitratmængder, man finder i grundvandsmagasinet. Grundfør ligger øst for hovedopholdslinien for isens største udbredelse i sidste istid (Ussings linie under Weichsel istiden) og vest for den yngre østjyske israndlinie (Harders linie), der blev dannet under et længere ophold i isens generelle tilbagesmeltning. Aflejringerne er blevet forstyrret i flere omgange af istryk, og forstyrrelserne af lagene har man kunnet iagttage i områdets sandog grusgrave. Haldum Formationen er blevet foldet og forkastet af et tryk fra sydøst. Trykket tilskrives Den Gammel Baltiske is, som har aflejret et lag af morænesand ovenpå formationen. Derefter har en gletcherbevægelse fra nordøst, der tilskrives NØ-isen, aflejret det øverste, regionalt udbredte moræneler. Det er denne morænelersaflejring, der ligger som et dække over magasinet. Morænelersdækket er mellem 2 og 5 meter tykt, og stedvis kan man skelne mellem to forskellige morænelersenheder. Morænelersdækket følger delvis terrænet, således at der på det højere liggende plateau er sammenhængende morænelerslag med kun mindre huller (vinduer) i, mens der i de lavereliggende dele er skåret snit igennem leret, ned i den underlig-

6 gende Haldum Formation. Det har bl.a. den virkning, at en stor del af den nedbør, der falder i området, strømmer overfladisk af, hen imod vinduerne og mod vest til den dal i terrænet, der rummer Lilleå. Et meter tykt legeme af smeltevandsler træffes i det meste af området ca. 20 meter under jordoverfladen. Smeltevandsleret har, nord for Grundfør, forbindelse opad til det dækkende morænelerlag. Dette massive lerlegeme har indflydelse på transport af vand i området. Eksempelvis sker det i perioder med stor nedbør, at den umættede zone i moræneleret fyldes helt op til terræn, og da vandet ikke kan komme væk, vil der stå vand på markerne. Noget vand vil strømme langsomt gennem leret, men det meste vil strømme af overfladisk og i den øverste meget permeable del af leret mod lavninger i terrænet. Når der er sandvinduer i området, kan det få stor betydning for vandtransporten og dermed for vandkvaliteten i grundvandsmagasinet. Nordøst Boringer Fårup till Ringshøj till (Weichsel) Grundfør 100 m Smeltevandssand og grus (Weichsel, Haldum F.) Sydvest Tertiært ler Kote i m Smeltevandssand og grus (Elster) Figur 4. Geologisk profil beliggende lige øst for Grundfør. Profillinien er orienteret nordøst-sydvest. Profilet, der er baseret på boringsdata, viser, at der findes tre sandgrusmagasiner adskildt af smeltevandsler eller moræneler (till). Det store, øvre magasin, Haldum Formationen, er delvis overlejret af moræneler, men sandvinduer findes i morænelersdækket. Sandmagasinet grænser op til et stort legeme af smeltevandsler og silt. Dette legeme har en rand, hvorfra lange lertunger strækker sig ind i sandmagasinet og på denne måde opdeler det i flere delmagasiner. Hinnerup till (Saale) Smeltevandsler og silt (Elster) Ler till (Elster) 79

7 NITRATUNDERSØGELSE Ved Grundfør afhænger vandkvaliteten ikke mindst af nitratforholdene i grundvandsmagasinet og i det overliggende moræneler. Laboratorieundersøgelser af morænelersprøver fra området har vist, at der især sker transport af vand og opløste stoffer igennem sprækker og andre makroporer. Desuden sker der en nitratreduktion i sprækkerne. Denne proces er med til at formindske den nitratmængde, som når ned til grundvandet. Imidlertid viser målinger, at nitratindholdet i vand over grundvandsspejlet (jordvandet) næsten er det samme som i det øverste grundvand. Desuden varierer nitratindholdet ned gennem grundvandsmagasinet på en sådan måde at yngre vandlag med et højt nitratindhold ligger under ældre vandlag med et lavt indhold. Denne fordeling synes styret af jordlagenes opbygning i magasinet. I sand-grusmagasinet findes der lertunger fra det store lerlegeme, der strækker sig langt ud og opdeler sandlaget i en række mindre legemer eller lag. Årsagen til den komplekse og varierende fordeling af nitrat i magasinet er grundvandets strømning, som hovedsagelig vil foregå i sandlagene mellem lertungerne. Denne strømningsmodel er blevet underbygget af matematisk hydrogeologisk modellering af området. Forklaringen på at nitratindholdet i grundvandet er lige så højt som i jordvandet er, at der sker et tilskud til grundvandet under moræneleret som følge af nedsivning af nitratholdigt vand gennem sandvinduerne, hvor strømning fører til en opblanding af vandet i magasinet. I vinduerne er mulighederne for nitratreduktion desuden mindre end i lerområderne, da sand og grus indholder færre komponenter, fx. organisk stof og svovlkis, der kan reducere nitrat. Man kan således konstatere at tilstedeværelsen af sandvinduerne har stor indflydelse på grundvandskvaliteten i Grundfør området. Også andre steder i Østjylland har undersøgelser vist at sandvinduer er medvirkende årsag til ændringer i kvaliteten af grundvandet. Det gælder f.eks. ved Beder, hvor det ser ud til at iltning af svovlkis i jordlagene giver et forøget nikkelindhold i vandet. OMRÅDER MED SÆRLIGE DRIKKEVANDSINTERESSER For at de fremtidige områder med særlige drikkevandsinteresser i Danmark kan fungere efter hensigten, er det en forudsætning at grundvandet beskyttes mod nedsivning af uønskede stoffer. I sidste instans måske ved at forbyde brugen af forurenende stoffer f.eks pesticider på jordoverfladen i de områder, der er udvalgt med særlige drikkevandsinteresser. Kendskab til forholdene omkring de beskyttende lerdækker og viden om grundvandets strømningsforhold er nødvendigt, hvis en grundvandskvalitet i de særlige drikkevandsområder skal kunne holdes på det ønskede niveau. Transport i sprækker og makroporer i moræneler nedsætter lerets beskyttende egenskaber betyde- 80

8 ligt. Nedefter i leret formindskes antallet af sprækker og porer, men i dag vides ikke, hvor langt ned, man kan finde sådanne betydende transportveje. Indtil videre er det dokumenteret, at morænelerslag nærmest overfladen med tykkelser på 5-8 meter er opsprækkede. I lerlag på mere end 10 meter og i lerlag på større dybde vil betydningen af sprækker antagelig være mindre. Der er dog ingen garanti for, at transportfremmende sprækker ikke forekommer. Sandvinduernes beliggenhed i overfladen, og på større dybde, kan kun påvises ved detaljerede geologiske og geofysiske undersøgelser. Det er vigtigt at have rede på forekomsten af sprækker og vinduer indenfor de udpegede områder med særlige drikkevandsinteresser. Endvidere må der gennemføres en kortlægning af det regionale grundvandsmagasins strømningsforhold, der kan transportere forurenende komponenter udefra til området, samtidigt med at de kemiske forhold vurderes. Abstract The Groundwater Group through support from the Danish Environmental Research Programme (SMP-1) conducted projects concerning groundwater systems. The hydrogeology of the study area consists of a surficial clayey till-cover overlying sand aquifers. Recharge to the sand aquifers is by the infiltration of precipitation through the till-cover and occurs in two significantly different ways: preferential flow through macropores and through sand windows in the till. Movement of water throught the matrix of the clayey till is typically very slow. Fractures, root channels and worm holes create preferential flow paths in the till along which the vertical movement of water is rapid. The tillcover is not continuous but contains large areas of sand and gravel which are throughgoing to the underlying aquifers. These windows offer minimal resistance to infiltration of precipitation and are considered to be important recharge zones to the underlying aquifers. Groundwater quality is dependent upon the use of nutrients and pesticides on the soil surface and processes occurring in the unsaturated zones above the groundwater table. Nitrate reduction of water that recharges the aquifers occurs in macropores in the clayey till but not in the sand and gravel windows. Nitrate has been detected in the upper part of the aquifer at concentrations similiar to those in the unsaturated zone. This is attributed to the vertical movement of infiltrating water through the sand windows and subsequent horizontal movement in the upper part of the aquifer. The similiarity between nitrate concentrations in the unsaturated zone and the upper part of the aquifer indicates that a large part of the recharge to the aquifer occurs through the sand windows. Heterogenieties within the sand aquifer also control the distribution of redox and flow conditons. A 50 meter thick clay body with inter calated sands occurs within the sand aquifer. The groundwater is layered and different redox conditions exist between the sand interbeds. Locally, older groundwater is found above younger groundwater in the aquifer. The results highlight the importance of taking into account the presence of macropores and windows when defining protection areas for aquifers used for drinking water. 81