DECEMBER 2005 Said Lahriri , Edita Talic

Transkript

1 11422 Arktisk teknologi VEJ MELLEM SISIMIUT OG KANGERLUSSUAQ DECEMBER 2005 Said Lahriri , Edita Talic

2 I n d h o l d s b e t e g n e l s e I n d h o l d s b e t e g n e l s e 2 I n d l e d n i n g 3 G e o l o g i 4 P e r m a f r o s t 8 V e j b y g n i n g 14 G e o e l e k t r i k 19 F e l t a r b e j d e 33 J o r d p r ø v e r 33 K o n k l u s i o n 42 K i l d e h e n v i s n i n g 43 B i l a g s l i s t e 44 2

3 I n d l e d n i n g Denne rapport er tiltænk som en fortsættelse af rapporten Vej mellem Sisimiut og Kangerlussuaq skrevet i juni I sommeren 2005 blev feltarbejdet indledt, hvor der ved området Kelly Ville Kangerlussuaq blev fortaget geoelektriske sonderinger, samt udtaget jordprøver til slemme og kornkurve analyse. Rapporten omhandler, den geologiske forhistorie, hvordan man opbygger en vej, om permafrosten, om fordele og ulemper ved etablering af en vej, geoelektrik, feltarbejde, samt behandling af jordprøver. Said Lahriri Edita Talic

4 G e o l o g i Grønland er verdens største ø med et overfladeareal på ca km 2. For et par millioner år siden var hele Grønland dækket af is. I dag er 80 % af øen dækket med indlandsis. Området mellem Kangerlussuaq og Sisimiut var dækket af is indtil for år siden. Da isen trak sig tilbage, formede den områdets nuværende landskab. Isen tog mange klippeblokke med sig fra central Grønland, transporterede dem og efterladte dem da den trak sig tilbage. Landskabet hævede sig og der findes sedimenter fra havet. For ca millioner år siden blev foldekæden Nagssuqtoqqiderne dannet (se venligst figur 1), og siden da har været udsat for geologiske processer og deformationer, der har været medvirkende til at give fjeldene, dalene og bjergkæderne deres nuværende form. Inden for det Nagssuqtoqidiske mobile bælte udgør bjergarterne et ca. 300 km bredt område. Hovedsageligt er bjergkæden af arkaisk oprindelse, ellers er der postarkaiske sedimentære og vulkanske bjergarter. Figur 1 Geologiske kort over det Nagssuqtoqidiske mobile bælte (Escher, 1976) Strækningen mellem Kangerlussuaq og Sisimiut er domineret af den lyse Ikertoq-gnejs, der opfører sig forskelligt på forskellige underlag. I og med at Ikertoq-gnejs er relativt 4

5 blødt, er området præget af de langstrakte søer og fjorde, hvilket er blevet dannet af gletschertunger. Amphibolit kan ses som lange mørke bånd i gnejsen. I amphibolitten findes der røde og brune granater. Strækningen Kangerlussuaq og Sisimiut kan opdeles i to zoner. Forskellen i zonerne er såvel landskabsmæssigt som klimatisk. Området fra Kangerlussuaq til ca. midtvejs er præget af løse aflejringer og overfladen er velafrundet. Regionen betegnes som bakkedrag, idet at højderyggene ofte ligger i lange rækker. Området fra midtvejs til Sisimiut er præget af fast fjeld med tynde dækker af løse aflejringer. Kystområderne består hovedsageligt af fast fjeld, mens områder inde i landet er hovedsageligt områder med en blanding af løse aflejringer med fjeld. Der findes også moser og blødbundarealer i området, hvilket skyldes den impermeable permafrost. Aflejringerne består af marine sedimenter og sedimenter afsat af gletschere eller smeltevand. 5

6 Figur 2 Udbredelsen af løse aflejringer (Bøcher, 1980) Nedsmeltningen af Grønland begyndte for ca. 3 millioner år siden. Det antages, at Store Hellefiskebanke blev dannet ved isens rand af materialer, som den havde førte med sig fra de i dag isfri områder. Smeltning af isen har medført en landhævning af områderne, hvilken fortrængte havet, og de periglaciale processer tog over. I dag findes der marine sedimenter, som kan være helt op til 120 m over havniveau. Uensartede sedimenter findes i de områder, som ikke har været dækket af havet, hvorimod de ensartede sedimenter findes i områder med marine aflejringer. Under afsmeltning efter sidste istid blev glacio-fluviale aflejringer, som er grovkornede sedimenter, afsat af smeltevandet i dale og i bunden af fjorden. Mere eller mindre sorterede sedimenter af glacial, fluvial eller marin oprindelse er bestanddele af den vigtigste aflejringsform. 6

7 Figur 3 Glaciale stadier og israndslinier i Sisimiut/Holsteinsborg kommune (Bøcher, 1997) På figur 3 kan der ses glaciale stadier og israndslinier i Sisimiut kommune, som har stået i længere perioder ved de linier som vist. Fast fjeld er mest præget af moræneaflejringer og befinder sig hyppigst på højderygge og disses flanker. Derimod er smeltevandsaflejringer, der ofte udgør flere terrasseniveauer, mere knyttet til dalene. Alpine landskaber er regionen mellem de alpine områder mod nord og syd og som udgøres af randzonelandskaber. Regionen er meget præget af stor grad af afrundethed og skarpe tinder. 7

8 P e r m a f r o s t Permafrosten er defineret som en årsmiddeltemperatur i løsjord eller fjeld på under 0 C i to på hinanden følgende vintre og den mellemliggende sommer (Johnston, 1981). Den geografiske udbredelse af permafrost afhænger af mange ting. Først og fremmest kræves en årsmiddeltemperatur i luften på under -3 (Andersland, 1994), hvilket selvsagt begrænser permafrosten til områder nær polerne eller ved høje elevationer. Det anslås at ca. 1/5 af jordens landområder er permafrosne og drejer sig hovedsageligt om det nordlige Amerika, Grønland samt Sibirien. (Vej mellem Sisimiut og Kangerlussuaq, 2002) Følgende faktorer, udover klimaet, har indflydelse på udbredelsen af permafrost: - vegetation, tørv, snedække, topografi, vindretning, smeltevand, ufrosne søer, bjergarternes termiske konduktivitet og jordens evne til at absorbere lys. Følgende faktorer har isoleringsevne imod kulde om vinteren og imod varme om sommeren: - snedække, tørv og vegetation. Længden af vinteren og dermed snedækkets varighed, medvirker til udbredelsen af permafrosten. Disse har større effekt og virkning end temperaturekstremerne. Dette kan forklares ved, at den varme luft om foråret ikke kan i samme grad påvirke permafrosten nede i jorden. 8

9 Figur 4 Den beregnede regionale fordeling af årsnedbøren i Sisimiut/Holsterbro kommune (Bøcher, 1980) På figur 4 ses der forskelle i nedbørsmængder i kommunen, hvilke sammen med temperaturforskelle har væsentlig betydning for snedækkets tykkelse, varighed, udbredelse og afsmeltningsproces. Snedækkets begyndelsespunkt forekommer i begyndelsen af september og dets totale varighed er i alt 7 måneder nærmest indlandsisen. På figur 5 kan man se hvordan permafrosten fortrænges over en periode på 26 år, hvis vegetation og tørv fjernes fra overfladen. 9

10 Figur 5 Tilfældet hvor vegetation og tørv fjernes fra overfladen I tabel 1 vises permafrostudbredelsens afhængighed af temperatur. Zonerne vises med de tilhørende årsmiddeltemperaturer i jorden og i luften, som stammer fra undersøgelser i Canada (Johnson, 1981). Forskellig litteratur angiver forskellige værdier for temperaturerne i jord, men de er alle i samme størrelsesorden. ZONE C I JORD C I LUFTEN KONTINUERT < - 4 C < - 8 C DISKONTINUERT - 4 C C - 8 C C SPORADISK > - 2 C > - 4 C Tabel 1 Undersøgelser foretaget i Canada, der beskriver zonernes årsmiddeltemperaturer i jorden og i luften Udbredelsen af permafrost deles op i tre zoner; 1. Den kontinuerte zone Det er kun ved elve og ikke-bundfrosne søer at permafrosten er fraværende. Tykkelsen af permafrosten er størst her med en dybde på op til 1000 m. 2. Den diskontinuerte zone Permafrosten findes i forholdsvis store mængder. Hovedsageligt i områder med tørv, men også ved nordvendte skråninger, hvor permafrost-effekten vil 10

11 forstærkes, fordi solen ikke kan varme jorden om sommeren, der resulterer i at sneen vil ligge længere. Tykkelsen af permafrosten findes på et par meter op til 50 meters dybde. 3. Den sporadiske zone Permafrosten forekommer ret sjældent. I den sporadiske zone findes tykkelser af permafrosten op til max 12 meters dybde. Figuren nedenfor viser variation af permafrostens tykkelse Den del af jorden, der er frosset om vinteren og optøet om sommeren, samt områder mellem permafrostspejlet og overfladen benævnes som det aktive lag. Det lag, der er blevet optøet og smeltet om sommeren, kan ikke drænes bort nedad, fordi at vandet ikke kan trænge igennem den frosne jord. Vandet kan kun drænes bort langs jordoverfladen og fanges derfor i den optøede jord. Når det aktive lag fryser igen, vil porerummene udvides pga. isdannelsen. Jorden vil udvide sig opad og jordoverfladen vil hæve sig om vinteren. På skrånende flader vil dette 11

12 medføre erosion i form af frostkrybning. Frostkrybning betyder at jordoverfladen skiftevis hæves, vinkelret på jordoverfladen, og sænkes, lodret ned. På skrånende flader vil der ske det, at jordlags bestanddele bevæger sig nedad skråningen i zigzag. Om sommeren vil jorden derimod sænke. Jord der udvides, når den fryses betegnes den som frostfarlig jord. Ved vejbygning kan dette resultere i ujævnheder og buler på vejen. Udvidelsen kan forebygges ved at der lægges et lag af kapillarbrydende groft materiale (bundsikringsgrus, se venligst afsnit Vejbygning ), som har en stor permeabilitet og lille kapillar stighøjde. Kapillarbrydende lag sørger for, at vandet ikke kan hæves op fra grundspejlet. Grøfter på begge sider af vejen sørger for, at vandspejlet holdes nede. Det aktive lag befinder sig på forskellige måder i den kontinuerte og den diskontinuerte zone, se venligst figur 6. I den kontinuerte zone fryser hele det aktive lag og tykkelsen af det aktive lag er mellem 0,5 m og 2,0 m.. I den diskontinuerte zone kan være et område mellem det aktive lag og permafrosten, der aldrig fryser. Her er tykkelsen af det aktive lag mellem 0,7 m og 10 m. Figur 6 Det aktive lag i hhv. den kontinuerte og den diskontinuerte zone Mellem Sisimiut og Kangerlussuaq ligger grænsen mellem kontinuert og diskontinuert permafrost. Idet at Sisimiut har en årsmiddeltemperatur på -3.9 C og Kangerlussuaq har 12

13 en årsmiddeltemperatur på -5.7 C (DMI, 2002), kan man se at værdierne stemmer ikke overens med de årsmiddeltemperatur i tabel 1. Kontinuert permafrost findes ved omkring -5 C på Grønland, mens der i tabel 1 er angivet -8 C. Uoverensstemmelsen skyldes at lufttemperaturen er gældende for Canada og at der er bedre isolering mod kulden, hvilken skyldes mere vegetation i Canada. Permafrostens beliggenhed afhænger af den geometriske gradient. Det forgår sådan, at under overfladen er temperaturen afhængig af årstiderne, mens der i en meters dybde er temperaturen konstant henover året. Herunder stiger temperaturen i henhold til den geometriske gradient, som ligger typisk mellem 1 C pr meter (Andersland, 1994). Stigning i temperaturen skyldes varmen fra jordens indre. Permafrosten ophører når temperaturen er over 0 C. 13

14 V e j b y g n i n g En vej opbygges af flere forskellige lag, som vist på figur 7. Figur 7 Opbygning af en vejbefæstigelse Slidlag er det øverste lag, hvis funktion er at reducere nedsivning af vand til de underliggende lag. For at kørebanen bliver behagelig og sikker at køre på, skal slidlag have gode overfladeegenskaber. Slidlaget består hovedsageligt at grus med max kornstørrelse på mm, så dette ikke bliver for groft. Materialets kohæsion gør overfladen mere stabil og holdbar. Kohæsion frembringes ved at slidlaget opbygges af to lag, hvor det øverste lag er af finkornet materiale. Der skal sørges for at der ikke sker en opblødning på grund af mangelfulde afvandingsforhold. Bærelag er det lag, der skal kunne sørge for at belastningen fra trafikken ikke overskrider den tilladelige bæreevne på to nederste lag, nemlig bundsikringslaget og underbunden. 14

15 Bundsikringslag (kapillarbrydende lag) et det lag, der placeres før bærelaget. Dets funktion er at forøge tykkelsen af den samlede befæstelse, således at varmetransporten til underbunden begrænses i tilfælde af frostfarlighed. Laget består af sand eller grus og sikrer, at al vand, der sives ned, ledes ud til vejens grøft eller dræn. Bundsikringslag kan bestå af sprængt klippe (genbrug af materialer). Veje i Grønland findes kun i byerne. Dette gør Grønland til det eneste land i Arktis, der ikke har en længere vej mellem byer. Amerikanerne har anlagt mange af de veje udenfor byerne, samt landingsbanerne bl.a. i Kangerlussuaq. Grønlænderne har benyttet sig af andre transportveje såsom land og vandvejen til fly- og bådtransport. Idéen om vejen opstod i starten af 1960 erne. Det var amerikanerne der foreslog en vej mellem Kangerlussuaq, hvor den amerikanske base lå og Sisimiut, den isfri atlanthavn, hvor de forsynede deres base fra. Den samlede vejlængde er ca. 170 km. En væsentlig faktor for anlæggelse, drift og vedligeholdelse af vejen er landskabsmæssige og klimatiske forhold. Havet, indlandsisen, klimavariationer, højfjeldenes beliggenhed i den kystnære del af kommunen samt isens forskellige dannelser under afsmeltningsforløbet vil medvirke til stor forandring i kommunens naturgeografiske forhold. En af ovenover nævnte faktor såsom forskelle i nedbørsmængder og temperatur, samt en meget begrænset vandføring i vandløb og søer i områder fra Kangerlussuaq til halvvejs af strækningen, hvilket skyldes den store fordampning og meget begrænsede nedbørsmængde, resulterer i nogle gode betingelser for etablering, drift samt vedligeholdelse af vejen. I og med at strækningen er mest præget af løse aflejringer og afrundethed, som skrevet ovenover, samt lave nedbørsmængder, vil den være billig både i anlæggelse og drift. Der kan være problemer med permafrosten, pga. de løse aflejringer på strækningen. Dette er ikke sikkert, da en vej med lav trafikintensitet, ikke vil medføre ændringer i permafrosten, men også det at området omkring Kangerlussuaq ligger i den stabile kontinuerte zone med årsmiddeltemperaturer på -5,7 C. 15

16 Områder med bart fjeld og større nedbørsmængder vil til gengæld blive dyrere at anlægge og drive, men derimod give færre problemer med permafrosten. Dette er tilfælde på strækningen Sisimiut og halvvejs. En vej mellem Kangerlussuaq og Sisimiut vil have følgende effekter; den vil øge tilgængelighed, forbedre regulariteten og fleksibiliteten. Den interne trafik foregår via fly og skib. De vil ikke blive erstattet med vejen, men til gengæld vil det mindske prisen på transporten mellem Sisimiut og Kangerlussuaq, da flyene er dyre og skibene umulige at benytte pga. vejret, der er ret ustabil langs kysterne. På nuværende tidspunkt er de eksisterende transportmidlerne ikke tilstrækkelige, især om sommeren, hvor turistantallet er ret stor. Flyene har ikke kapacitet nok og turisterne kan ikke komme videre fra Kangerlussuaq. Vejen vil kunne få turister videre uden ventetid på flyet. Problemet med skibene er, at de ikke kan sejle nord for Sisimiut og op ad Kangerlussuaq fjorden en stor del af året. Besparelsen vil komme i, at der ikke vil være brug for så mange fly om dagen, døgndriften vil blive sat ned og skibene vil kun sejle langs kysterne. Endvidere vil Kangerlussuaq blive forbundet med Vestkysten, og dermed udenrigstrafikken med den interne skibstrafik. På figur 8 er der skitseret det eksisterende og det kommende vejnet. Tykkelsen af stregerne viser, hvor meget trafik den enkelte rute kan tage, hvor den tynde streg viser, at der er kapacitetsproblemer. De punkterede linier viser, at trafikken må indstilles en del om året. De røde veje er flyruter, de blå skibsruter og den grønne er vejen mellem Kangerlussuaq og Sisimiut. 16

17 Figur 8 Det eksisterende vejnet (venstre) Det fremtidige vejnet (højre) Mange turister besøger Sisimiut og hermed også Kangerlussuaq. Etablering af vejen vil forhåbentlig få flere turister til at besøge begge destinationer, idet turister der besøger Kangerlussuaq ikke tilfældigvis besøger Sisimiut. Turisterne vil også kunne opleve Grønland på land, luft og vand. Øget antal af turister vil ikke kun komme til gode for Kangerlussuaq og Sisimiut, men også andre områder i Grønland. For den grønlandske befolkning vil vejen betyde, at de kan besøge deres familie og venner noget oftere. De vil får en stigning inden for udbydere af erhvervsmæssig og offentlig tjenesteydelse. Friske varer vil kunne transporteres hurtigere og vejen vil også gavne eksporten. 17

18 Fordele og ulemper ved vejen mellem Sisimiut og Kangerlussuaq er: Fordele er følgende: o Samfundsøkonomiskrentabel for det grønlandske samfund o Stor fordel for hele Grønland o Forøgelse af den grønlandske trafiks fleksibilitet, tilgængelighed, regularitet o Åbner landområder op o Stor økonomisk fordel, da veje generelt er den billigste transport og da transport foregår på dem selvstændigt og fleksibelt o Mindre forurening og energiforbrug ende den eksisterende transportstruktur o Binder byen Sisimiut og Kangerlussuaq sammen o Flere turister, som vil kunne komme billig og fleksibelt rundt o Vil give flere arbejdsplader, samt en bredere viden om vejbygning på Grønland o Billigere flyfriske varer o Bedre adgang til et utroligt stort rekreativt område Ulemper er følgende: Jord- og vandforurening Støj og vibrationer Barrierer for planter og dyr 18

19 G e o e l e k t r i k Ved geoelektrik kortlægges jordlagenes specifikke elektriske modstand (resistivitet) i undergrunden. Måling af resistiviteten giver meget værdifulde oplysninger om bl.a. lokalisering og lagdeling af forskellige jordarter. Her kan nævnes vekslende lerindhold, sand- og grusforekomster osv. Resistiviteten af sedimenter er meget varierende. En lille tommelfingerregel er at en lille kornstørrelse medfører en lav resistivitet og en stor kornstørrelse en høj resistivitet. Ler har f.eks. en resistivitet på omkring Ωm, hvorimod granit, som har et stort indhold af kvarts, har en resistivitet på op til 2500 Ωm. Dette skyldes at kvarts ledningsevne er tæt på nul, men stor mængder af kvarts giver en høj resistivitet. Resistiviteten afhænger meget af sedimentets porøsitet, vandindhold, vandets ledningsevne, indholdet samt koncentration af mineraler i sedimentet. Indhold af betydelige mængder af metal og metalsulfider, resulterer i en bedre ledningsevne. Vandets ledningsevne afhænger af koncentrationen af vandets ioner, der leder strøm igennem. Vandet er et godt ledende materiale. Dets resistivitet er fra ca. 0,5 Ωm for saltholdigt grundvand til 1000 Ωm for glacialt smeltevand. Resistiviteten af det grønlandske vand i forhold til det danske er meget højere, da det er meget rent og indeholder færre ioner. Hvis vandet derimod er frossen kan resistiviteten stige helt op til Ωm, der svarer til resistivitet af is ved -12 C. Til forskel fra vand er is meget dårligt ledende materiale og virker som isolator. Der kan konkluderes, at i vandholdige sedimenter er ledningsevnen ret god, men ret dårlig i frosne, vandholdige sedimenter. 19

20 Relevante resistiviteter for området: Jordarter Den tilsyneladende resistivitet Granit Vandmættet sand Sand og grus Frosne sedimenter Permafrost [Kilde: Reynolds, 1997] Der er antaget at jordlagene er planparallelle, homogene og isotrope. Schlumberger-konfiguration I dette tilfælde er der anvendt Schlumberger konfigurationen. a A M N B SCHLUMBERGER a << L De to yderste spyd (A og B) benævnes som strømelektroderne, mens de to inderste spyd (M og N) benævnes som potentialspydene. Når der sendes vekselstrøm gennem strømelektroderne, vil det påtrykte strømfelt bevirke, at der opstår en spændingsforskel mellem potentialspydene. Spændingsforskellen afhænger af den påtrykte strøm, elektrodernes placering og modstandsforholdene i jorden. I Schlumberger-konfiguration foretages de geoelektriske målinger med symmetrisk ekspansion af strømspydene (strømelektroderne), men fastholdelse af målespydene (potentialspydene), hvorved der fås et endimensionalt dybdebillede af forholdene under målespydene. Udstyr der anvendes ved en Schlumberger-konfiguration: 20

21 4 velisolerede kabler i to farver rød og blå. 2 2½ mm 2 enheder kabler (flettet kobbertråd) med ladningsudtræk til fx bananstik i hver ende, 5 stålspyd, batteri, voltmeter (strømforsyning), amperemeter og evt. saltvand 5 jordspyd anbringes på en ret linie. Der placeres et i midten, to 30 cm fra, og de sidste to 1 meter fra. Afstanden mellem de to yderste spyd varieres. For hver L afstand måles ΔV R =, hvorved den tilsyneladende modstand ρ a beregnes. I Figur ovenover viser bl.a. potentialspydene, samt måleudstyret. 21

22 Indtrængningsdybden vokser med stigende afstand mellem strømelektroderne. På illustrationen ovenover og til venstre ses det at hovedparten af strømmen løber i det øverste lag, mens strømmen til højre trænger dybere ned ved L s forøgelse. Ud fra sensitivitetsanalyse kan det vise sig at indtrængningsdybden for konfigurationen anvendt i dette projekt kan ansættes til en femtedel af afstanden mellem strømelektroderne. Strømmen løber så vidt muligt mod lavere modstand. Dette vil siges at strømmen afbøjes væk fra højmodstandslaget, når den bevæger sig ned gennem et lavmodstandslaget mod et højmodstandslaget og omvendt vil strømmen afbøjes mod det lavmodstandslaget. Afstanden L fordeles logaritmisk, at hver L afstand er en bestemt faktor gange den foregående. Dette vil siges at, at den faktor der ganges på den foregående L værdi er: Hvis den første værdi er 1m, er den næste10 1, 26m, den næste igen1,26 1,26 1,58m og igen 2,00 m osv Målingerne udføres på følgende måde. Efter at man har opstillet sit forsøg korrekt og kontrolleret at kredsløbet er tilsluttet, vælges der en tilstrækkelig strømstyrke gennem jorden, så det giver et udslag på amperemeteren. Hvis det viser sig at der intet udslag er, lige gyldigt hvor stor en strømstyrke man påfører, kan det skyldes elektrodekontakten med jorden, som forekommer ved tørre aflejringer. Problemet løses ved at hælde saltvand på kontaktpunktet. 22

23 Amperemeteren har to funktioner, den ene er at den kan måle på kredsløbet gennem jorden og den anden er at den kan måle på kredsløbet gennem et indre kredsløb med en variabel resistor. Der er indbygget en forstærker til apparatet. Først måles der gennem jorden, derved justeres forstærkeren så amperemeteren giver et jævnt udslag. Derved skifter man over til det indre kredsløb, hvor der justeres på den variable resistor. Amperemeteren skal vise den samme for målingen gennem jorden og det indre kredsløb når man switcher på knappen. Der aflæses direkte af indstillingen på den variable resistor. Jordens tilsyneladende specifikke modstand mellem målespydene kan bestemmes ud fra ΔV Ohms lov: R= K, idet den inducerede strømstyrke kendes og den resulterende I spænding måles. Jordens modstand måles med udstyret i feltet og angiver en gennemsnitsværdi for modstanden (resistiviteten) af lagene. Der er forudsat at jordlagene er sammensat af homogene materialer. Idet strømmen løber som en tilnærmet kugleflade i jorden og ikke som en lige linie mellem strømelektroderne, korrigeres der med en geometrisk faktor K, som afhænger af konfigurationen, dvs. elektrodekonfigurationen samt afstanden mellem elektroderne. For Schlumberger - konfigurationen er den tilsyneladende specifikke modstand givet ved: 2 π L ρa = d 1 R 2 d Den anden hyppigst anvendte elektrodekonfiguration er Wenner. 23

24 Sonderingerne er foretaget på området som vist på kortet bilag 1. 24

25 Fejlkilder En typisk fejlkilde, kaldet elektrodeeffekt, er den relative forskydning af en geoelektrisk sonderingskurve på grund af små laterale modstandsvariationer i overfladen omkring potentialelektroderne. Elektrode placeret over en sten eller lignende er skyld i små hop i måledaterne. Potentielelektroderne er meget følsomme for ændringer i området mellem dem. Risiko for geologisk støj mellem potentielelektroderne stiger når disse flyttes længere og længere fra hinanden. Dette forårsager en flytning af dataene parallelt i den ene eller den anden retning afhængig af fortegnet for ændring af resistansen. Dette kan løses ved en parallelforskydning og overlapning af kurvene under databehandling. 25

26 Der kan opstå støj på geoelektriske målinger fra både, måleinstrumentet, omverdenen og ukorrekte opsætning af måleopstillingen. Anledning til geologisk støj opstår, når antagelserne, som nævnt tidligere, ikke er opfyldte. Afvigelserne som f.eks. ujævnlagdeling vil påvirke målingerne, som vil afvige fra den ideelle kurve. Afvigelserne kan være nemme at spotte og dermed er mulige at eliminere, hvorimod de andre gør tolkningerne svære og kan derfor giver anledning til fejlfortolkning. Tolkning af Schlumberger Måledataene fundet i feltet, den tilsyneladende specifikke modstand, omregnes til en geologisk model, som man kan tolke og sammenligne med f.eks. tabelværdierne (der henvises til figur XXX) der er fastsat for at kunne fastlægge den geologiske opbygning af området. Måledataene afbildes i dobbeltlogaritmisk koordinatsystem, hvor kurven ikke må overstige en vinkel på 45. På bilagene 5, 9,13, 17 kan man se elektrisk sonderingskurve på et dobbeltlogaritmisk koordinatsystem. Ud fra abscisse aksen er der afbildet den tilsyneladende specifikke modstand og ud fra ordinat aksen er der ½ strømelektrode afstand. Hvis man betragter sonderingskurvene nærmere, kan man se at de er parallelforskudte, se venligst bilag 4. Dette skyldes elektrodedefekten og man er nødsaget til at korrigere måledataene. Dette er blevet gjort, se venligst bilagene 3, 7, 11, 15, hvor man har parallelforskudt de punkter på kurven med de større værdier for potentiale elektrode afstande, d. Hver gang kurven ændrer hældning resulterer det i at der skiftes over til et nyt lag. På denne måde kan man faktisk tælle hvor mange lag området er opbygget af. Begge ender af kurven vil konverger mod resistiviteten for laget i den tilhørende dybde. Kurven vil altid ligge mellem den største og den mindste resistivitet af måledata-serien. Begrundelsen ligger i de mellemliggende lag, som er meget svære at vurdere, der nærmest trækker i kurven. Til tolkningen af sonderingsdataene anvendes programmet VES. VES vil ved hjælp af invertering komme frem med et bud på lagtykkelser og resistivitet for de enkelte lag. Dette vil sige at VES ved hjælp af de indtastede måledata fra feltet, vil iterere sig frem 26

27 bedst muligt til en løsning med mindst mulige afvigelser mellem måledataene fra feltet og den konstruerede model. Inden iterering og brug af programmet er det nødvendigt at lave en tekst fil, med alle målinger opdelt i to kolonner, den første er L (½ strømelektrode afstand) i meter, og den anden er ρ (tilsyneladende specifikke modstand) i Ω m. VES a startes op og der vælges at den funktion, hvor VES automatisk selv ved invertering giver det bedste bud til lagtykkelsen og resistiviteten af 2-3 lag. Derved indlæses tekst filen. Parameter som antal af lag, antal iterationer, samt lagtykkelse eller resistivitet kan man selv indtaste. Der vælges normalt 30 iterationer og de allerede foreslåede lagtykkelser og resistiviteter af VES. VES viser punkterne samt det bedste bud på kurven. Hvis der f.eks. er punkter der afviger voldsomt meget kan der vælges at negligere nogle af dem, slette eller addere et ekstra lag. Jo flere punkter der er at iterere med, jo bedre og mere præcis vil ens model være. Efter programmet har udført en invertering vurderes resultaterne og ændres evt. i parametrene, inden man kører endnu en invertering. Sådan fortsættes der indtil man er fuldt tilfreds med resultaterne. Sondering1 Sonderingsmålingen på bilag 5 resulterer i en meget stejl kurve igennem hele forløbet. Hvis man kigger nærmere på sonderingskurven, kan man se at den stiger allerede fra starten af, hvilket kan betyde at det øverste lag er tøet op og befinder sig i ringe dybde. Punkterne ligger meget tæt på kurven. Der er ikke de helt store afvigelser og der er valgt ikke at negligere nogle af punkterne. Afvigelserne kan begrundes ved de allerede nævnte fejlkilder, se afsnittet fejlkilder. Sonderingskurvens hældning stiger langsomt og holder sig under de 45 indtil L/2=2,00m hvor den bliver stejlere og kommer over 45. Ved at hældningen stiger, men stadig holder sig under de 45 indikerer at der findes frosne aflejringer. Punktet L/2 = 1,58m burde i dette tilfælde egentlig ligger på selve kurven mellem punkterne L/2=1,26m og L/2=2,00m. Kurvestykkets hældning omkring dette punkt betragtes som om den ikke overstiger grænsen på de 45. Kurvens hældning på kurvestykket mellem L/2=2,51m til L/2=31,62m bliver en smule lavere, men igen overstiger grænsen. Når den når til punkt L/2=31,62m stiger den endnu voldsommere og derefter bøjer af. 27

28 Sonderingerne er suppleret med boringerne, hvor der er blevet observeret at aflejringerne i omkring 1 meters dybde var frosne. Området ligger tæt på en sø, hvor der er gennemstrømning. Visuelt set på bilag 5 skifter sonderingskurven hældning omkring 2 steder, hvilket indikerer at området består af 2 forskellige lag. I VES har man valgt at invertere med 2 lag. VES er kommet med et bud på en tykkelse og den tilsyneladende resistivitet, hvilke i øvrigt passer fint med data målt i feltet. Schlumberger Resistivity Modelling Lagnr. Lagtykkelse Resistivitet Jordarter Sand og grus, leret 2 infinite Frosne sedimenter Sondering 2 Sonderingskurven forløber med en ret skiftende hældning, nærmest som bølgeformet med et toppunkt for hvert kurvestykke. Sonderingskurven er ret stejlt i starten. Indtil L/2=7,94m forløber den som en kurve/parabel med toppunktet i L/2=3,98m. For enden af 28

29 parablen, skifter den voldsomt hældning og overstiger 45, hvor den igen forløber som en parabel med et toppunkt i L/2=12,62m. Det sidste parabelstyk løber fra L/2=15,85m til L/2=39,8m. Idet at kurvestykket når sit toppunkt skifter den pludseligt hældning og afslutter som en stejl linie. Den tilsyneladende resistivitet er meget høj i området og stiger igennem hele forløbet. Sonderingskurven skifter hældning omkring 3 steder, som beskrevet ovenover. Derved er der i VES valgt at invertere med 3 lag. VES bud på en tykkelse og den tilsyneladende resistivitet er: Schlumberger Resistivity Modelling Lagnr. Lagtykkelse Resistivitet Jordarter Frosset sand, leret Frosne sedimenter, permafrost 3 infinite Frosne sedimenter, permafrost Der formodes at området ned til 1 meter består af frosset leret sand og grus. Resten med så høj resistivitet er frosset sedimenter og permafrost. 29

30 Sondering 3 Sonderingskurven på bilag 13 forløber som en parabel, den stiger i starten og på ca. midtstykket når den sit toppunkt, hvor den nærmest knækker og bliver voldsomt stejlt. Knækpunktet nås ved L/2=3,98m. Som det kan ses på bilag 12 er de to kurver efterfølgende parallelle, bortset fra punktet L/2=7,94m som afviger meget og er valgt at negligeres. På kurvestykket hvor kurvene er parallelle falder hældningen efterhånden. Kurven vender ved L/2=25,12m og fortsætter. Schlumberger Resistivity Modelling Lagnr. Lagtykkelse Resistivitet Jordarter Frosset sand og grus 2 infinite Frosne sedimenter, permafrost På bilaget 13 kan der ses at sonderingskurven skifter hældning omkring 2 steder, hvilket indikerer at området består af 2 forskellige lag. 30

31 I VES har man valgt at invertere med 2 lag. Området har høj resistivitet, hvilket betyder at permafrosten ligger højt oppe. Området ligner områder fra sonderingen 2. I en meters dybde kan der forventes frosne sedimenter og permafrosten. Sondering 4 Sonderingskurve 4 afviger ikke ret meget fra Sonderingskurve 3. Dog skal der bemærkes at der lige i starten er hældningen ret skiftende fra stejl til mindre stejl, hvilke kan forklares med at grundfjeldet har en relativt lavere resistivitet i forhold til frosne aflejringer. Den stiger langsomt igennem det meste af forløbet, hvor den nå sit knækpunkt ved L/2=5,01m og igen L/2=15,85m. Det sidste stykke er der valgt at se bort fra, da hældningen skifter voldsomt retning og kurven ender i en bue. Ved hjælp af VES er man kommet frem til et bud på geologisk opbygning af området, som kan ses i tabellen nedenunder. Sammenlignet med andre sonderinger er der ikke ret stor forskel, da resistiviteten er ret højt i området. Dette betyder at der findes frosne sedimenter i områder i 1 meters dybde. 31

32 Schlumberger Resistivity Modelling Lagnr. Lagtykkelse Resistivitet Jordarter Frosset sand og grus 2 infinite Frosne sedimenter, permafrost 32

33 F e l t a r b e j d e På bilagene 1 og 2 kan man se området, hvor der er udført feltarbejde. Området hedder Kelly Ville og jordprøverne er taget i strækningen fra Kelly Ville og ca. 10 km ind mod Sisimiut. Der blev i alt taget 14 jordprøver, hvor fire af dem er taget under geoelektriske sonderinger. Disse er markeret med X nedenfor og kaldt for målinger på bilag 1. Til udtagning af jordprøverne er der brugt en håndskovl og der er gravet ca. en halv meter ned som det kan ses på billedet nedenunder. J o r d p r ø v e r I laboratoriet i Kangerlussuaq på Bygge og Anlæg skolen er jordprøverne analyseret. Jordprøverne blev sorteret og følgende prøver blev valgt til forsøg; 1X, 2X, 3X, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9. Formålet med laboratorieforsøg er at afgøre om der er frostfølsomhed og hvor stor den er i de områder hvor prøverne blev taget, altså i områder hvor vejen skal etableres. 33

34 Faktorer såsom temperatur, tilgængelighed af vand og jordtype er meget vigtige i forbindelse med dannelse af islinser, da de er afgørende for frostfølsomhed i et sediment. Behandling af prøverne Slemmeanalyser Slemmeanalyser udføres bl.a. ved vejanlæg, nedsivningsanlæg, dimensionering af en grundvandssænkning osv. Formålet med en slemmeanalyse er, at bestemme kornfordelingen i silt- og lerfraktionen i en jordprøve. Fremgangsmåde o Nogle skefulde våd jord skylles Cl - - fri med destilleret vand o Ledningsevnen måles (ledningsevnen skal være < 1 milliomh 1000 µs). o Ca. 50g afvejet jordprøve udrives med destilleret vand og skylles over i saftflaske. o Saftflasken fyldes op til 900 ml med vand og 20 ml 0.1 M Na 6 P 6 O 18. o Derved hældes indholdet gennem en 63 µ sigte over i 1000 ml bægerglas. o Det tilbageblevne på sigten skylles grundigt med destilleret vand for at fjerne ler, der skylles ned i begæreglasset. o Resten på sigten skylles med destilleret vand over i en vejet porcelænsskål. o Derefter dekanteres og tørres den. o Den totale sigtefraktion vejes og sigtes. o 8 små porcelænsskåle (10 cm dybde) tørres ved 105 C natten over. o Porcelænsskålene afkøles i ekssiccator og vejes. Vejning skal foregår hurtigt pga. lerets hydroskopicitet. Porcelænsskålene afmærkes. o Opslæmningen piskes op med en speciel, stempellignende pisker, der føres op og ned i glasset. Der piskes indtil al bundfald er slæmmet op. o Piskeren fjernes og stopuret startes. 34

35 o 20 ml 0-prøve udtages med Knudsen pipette under grundig omrøring med stempelpisker. Pipetten skal holdes roligt. De 20 ml kommes i en tørret, vejet og afmærket lille porcelænsskål. o Herefter udtages prøver til følgende tidspunkter (hvilket gælder for prøver med en temperatur på 23 C): omrøring 68 s 1 m 46 s 7 m 06 s 28 m 27 s 1 h 54 m 3 h 48 m 29 h Jordprøverne stammer fra Kangerlussuaq-området og der er i alt 10 prøver. De første tre prøver stammer fra områderne, hvor der er blevet udført geoelektriske sonderinger. Resultater Vi vejede ca. 50g jord af. Idet at jordprøverne bundfalder for hurtigt, pga. stort saltindhold, skyldte vi Cl - (salt) væk med destilleret vand. Derved målte vi lednings evnen. Det viste sig at jordprøvens lednings evne var under det tilladte. Jordprøven med destilleret vand hældte vi i en saftflaske. Prøverne er udtaget på de angivne tidspunkter. Temperaturen af prøverne målte vi til 35

36 23 C. På bilagene kan man se sigtefraktion. Sigteanalyse Vi vejede 100g af. Vi lod det til at tørre i et varmeskab i et par dage. Derefter tog vi det ud og sigtede. Se venligst bilagene Behandling af resultater Man skelner mellem en tørsigtning og en vådsigtning. Vi har arbejdet med en vådsigtning, der betegnes som differensen mellem hele prøvens tørmasse og tørmassen af det materiale, der er grovere end 0,63 mm, er lig med tørmassen af det vækvaskede finmateriale. Kornfordelingskurven frembringes ved at der plottes mængden af materialet med korndiameteren med diameter der svarer til sigtes maskevidde, som nævn ovenover. Den bedste kornfordeling i en jordprøve frembringer en meget stejl kurve. Prøve 1X På bilag 19 og kornkurven kan man direkte aflæse d 60, d 50, d 10. Uensformighedstal beregnes ud fra de aflæste værdier på følgende måde: U = d d Resultaterne kan tolkes på følgende måde: U < 2 velsorteret 2 < U < 3,5 sorteret 3,5 < U < 7,0 ringe sorteret U > 7 usorteret 36

37 Der kan konkluderes at jordprøve 1X er usorteret. I tabel nedenunder er der oversigt over uensformighedstal og tolkning af beregningerne, samt d 60, d 50, d 10 for alle 10 prøver. PRØVE NR d 75 d 60 d 50 d 25 d 10 U Beskrivelse (U) Sorteringsgraden 1X 13 0,443 0,215 0,140 0,062 0,023 9, Usorteret 2,7 2X 14 0,639 0,340 0,230 0,083 0,019 18,28219 Usorteret 2,8 3X 32 0,377 0,150 0,089 0,029 0,016 9, Usorteret 3, ,577 0,306 0,208 0,069 0,019 15,81118 Usorteret 2, ,797 0,505 0,306 0,075 0,021 24,39712 Usorteret 3, ,068 0,039 0,034 0,021 0,011 3, Sorteret 1, ,035 0,015 0,009 0,002 0,001 20,49635 Usorteret 3, ,193 0,157 0,137 0,039 0,002 83,4796 Usorteret 2, ,655 0,385 0,283 0,102 0,023 17,07527 Usorteret 2, ,123 0,088 0,063 0,037 0,020 4,33151 Ringe sorteret 1,8 Værdien d 10 påvirker materialets hydrauliske egenskaber. En lille d 10 medfører en stor stighøjde, h c : 2 hc d10 30mm d10 = 0,023mm hc = 1304mm Materialetabet for prøve 1X ligger på under 1 %, hvilke er fint, da der normalt tolereres højest 3 %. d 75 0,443 Sorteringsgraden: = = 7, 1 d 0, Materialetabet samt sorteringsgraden for de andre prøver kan aflæses på bilagene Naturligt vandindhold Det naturlige vandindhold, w nat, bestemmes på prøverne for at afgøre om prøven tidligere har indeholdt is. Det naturlige vandindhold i en prøve beregnes som det procentvise vægttab af prøven ved udtørring i ovn ved 105 C til massen er konstant: w nat vandvægt m = = kornvægt før m m efter efter 37

38 Vandindholdet i prøverne er bestemt et par dage efter de er udtaget, hvilke kan betyde at de har mistet noget vand. Som det kan ses nedenfor er vandindholdet i prøverne rimelig højt, hvilke kan betyde at sedimentet har indeholdt is. Det kan skyldes dårligt dræning af området. Prøve NR Tom skål Våd prøve + skål [g] Tør prøve + skål [g] Tør prøve Glødet prøve + skål [g] Vandindhold [g] [g] [g] [%] 1X 13 11, , , , ,2429 3,5 35,4 2X 14 11, , , , ,9395 2,3 22,6 3X 32 10, , ,6459 1,847 11,8709 5,2 282, , , ,7404 9, ,5880 3,5 35, , , ,3872 7, ,3175 2,5 32, , , ,0615 4, ,8684 2,0 43, , , ,7533 8, ,6877 0,8 9, , , ,1457 4, ,6397 3,1 70, , , , ,276 20,8165 4,5 43, , , ,3601 5, ,7655 6,0 102,2 w nat 38

39 På skalaen foroven kan man ved hjælp af diameteren aflæse, hvilke jordtype jordprøverne tilhører. PRØVE NR d 50 Beskrivelse 1X 13 0,140 Sand, fint 2X 14 0,230 Sand, mellem 3X 32 0,089 Sand, fint ,208 Sand, mellem ,306 Sand, mellem ,034 Silt, groft ,009 Silt, mellem ,137 Sand, fint 39

40 6 68 0,283 Sand, mellem ,063 Sand, fint Frostfølsomhed af sedimenter afhænger primært af sedimentets type, hvilket betyder hvorledes det fordeler sig inden for de følgende fraktioner, ler, silt, sand og sten. Isdannelser sker i områder, hvor der er tilførsel med vand og er hermed størst i områder, hvor sedimentet har en stor kappilar stighøjde. Områder, der består af aflejringer med en lille permeabilitet fremskynder isdannelser. Permeabiliteten er voksende for voksende korndiameter, dermed er den størst i sand og grus. Hvorimod den kapillare stighøjde er voksende for faldende korndiamater, hermed er den størst i ler. Prøverne, som det kan ses i tabellen ovenover, består primært af finkornede materiale, primært sand. Jorden kan betegnes værende frostfarligt hvis den indeholder tykke lag af silt og det, der er finere. Rene sandaflejringer er ikke frostfølsomme, da sandet har en meget lille kapillar stighøjde. Aflejringer der indeholder ler betragtes ikke som frostfarlige, da sådan en aflejring har en meget lille permeabilitet. Normalt vil de dannede islag være tynde. Nedenunder er der vist Schaibles grænsekurve, som kan benyttes til vurdering af aflejrings frostfølsomhed. 40

41 Prøve 1X, 2X og 3X Ved betragtning af kornkurverne se venligst bilag 19, 20, 21 for prøverne i forhold til kurven foroven, vurderes det at sandaflejringen er frostfølsom, og på grænsen til at være frostfarlige, da indhold af korn i alle kurverne med d<0,125mm er over de 20%. Dog skal det nævnes at det er sandaflejringer har en ringe kapillar stighøjde, og mængden af vand vil være af mindre betydning. Prøve 1, 2, 3, 4, 5, 6 og 9 Samlet for alle prøver vurderes der at de ligger i det frostfølsomme område, undtagen prøve nr. 6, som er frostsikker. 41

42 K o n k l u s i o n Det konkluderes at permafrosten i nær Kelly Ville området ligger relativt højt, ca. 1 meters dybde. Behandling af de geoelektriske måledata viser at permafrosten er beliggende i ca. 1 meters dybde, som stemmer over ens med de fysiske iagttagelser under feltarbejdet. Ved jordudtagning blev jorden meget hårdt og meget koldt ved en halv meters dybde. Analyserne af jordprøverne i laboratorium fortæller at den overliggende jord består af sandaflejringer. Primært for disse sandaflejringer er at de er frostfølsomme. Sandaflejringerne har en ringe kappilar stighøjde og mængden af vand er af ringe betydning, men desværre er permafrosten beliggende højt i området. Ved f.eks. en vejbebyggelse skal sandet ikke graves væk, men der skal til gengæld ovenover etableres en bundsikringsgrus/sprængte klipper. På denne måde sikrer man at permafrosten forbliver minimum i en meters dybde og ikke kommer højere op ved f.eks. at fjerne sandet. Indledning Denne rapport er tiltænk som en fortsættelse af rapporten Vej mellem Sisimiut og Kangerlussuaq skrevet i juni I sommeren 2005 blev feltarbejdet indledt, hvor der ved området Kelly Ville Kangerlussuaq blev fortaget geoelektriske sonderinger, samt udtaget jordprøver til slemme og kornkurve analyse. Rapporten omhandler, den geologiske forhistorie, hvordan man opbygger en vej, om permafrosten, om fordele og ulemper ved etablering af en vej, geoelektrik, feltarbejde, samt behandling af jordprøver. 42

43 K i l d e h e n v i s n i n g - Vej mellem Sisimiut og Kangerlussuaq af Louise Munkholm Buhelt, Anders Stuhr Jørgensen, Johan Alexander Meincke og Henrik Rex Buskov Mortensen, Geoteknisk undersøgelse af Deltaet ved Itennq af Anders Stuhr Jørgensen, Holsteinsborg, Sisimiut kommune af Ministeriet for Grønland, 1980 (Bøcher) - Vej mellem Sisimiut og Kangerlussuaq, konsekvensanalyse af fordele og ulemper af Sisimiut kommune, Indføring i Sedimentgeologi af Jens Galsgaard - Frozen ground engineering af Orlando B. Andersland, Branko Ladanyi, An introduction to applied and environmental geophysic af Reynolds J. M., Environmental and engineering geophysics af Prem V. Sharma, Forundersøgelse på Akia, Sisimiut, af Karen L. M. og Karsten L.,

44 B i l a g s l i s t e Bilag 1: Kort over Kelly Ville området, samt positioner af de 4 sonderinger Bilag 2: Kort over Kelly Ville området, samt markerede positioner af udtaget jordprøver Bilag 3: Sondering 1 Bilag 4: Elektrisk sondering 1 Bilag 5: Sonderingskurve 1 Bilag 6: VES sonderingsdata 1 Bilag 7: Sondering 2 Bilag 8: Elektrisk sondering 2 Bilag 9: Sonderingskurve 2 Bilag 10: VES sonderingsdata 2 Bilag 11: Sondering 3 Bilag 12: Elektrisk sondering 3 Bilag 13: Sonderingskurve 3 Bilag 14: VES sonderingsdata 3 Bilag 15: Sondering 4 Bilag 16: Elektrisk sondering 4 Bilag 17: Sonderingskurve 4 Bilag 18: VES sonderingsdata 4 Bilag 19: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 1X Bilag 20: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 2X Bilag 21: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 3X Bilag 22: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 1 Bilag 23: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 2 Bilag 24: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 3 Bilag 25: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 4 Bilag 26: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 5 Bilag 27: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 6 Bilag 28: Kornstørrelses- og sammensætning, prøve 9 44