KONCEPT FOR HÅNDTERING AF ISTEKTONISKE FORSTYRRELSER I GEOLOGISKE OG HYDROGEOLOGISKE MODELLER

Transkript

1 KONCEPT FOR HÅNDTERING AF ISTEKTONISKE FORSTYRRELSER I GEOLOGISKE OG HYDROGEOLOGISKE MODELLER Chefkonsulent, ph.d. Niels Richardt Rambøll ATV JORD OG GRUNDVAND VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET marts 2008

2

3 RESUMÉ Der er opstillet et koncept for at indarbejde istektoniske forstyrrelser i geologiske og hydrogeologiske modeller. Da den nøjagtige geometri af de istektoniske forstyrrelser normalt ikke vil kunne modelleres i den geologiske model, bygger konceptet i stedet på en zonering af de istektoniske forstyrrelser. Konceptet sikrer, at istektoniske forstyrrelser bliver indarbejdet i modellerne. Resultatet er mere realistiske modeller. BAGGRUND Istektoniske forstyrrelser, der bryder ellers regulære geologiske lag i stykker, repræsenterer et af de største usikkerhedselementer i forbindelse med modellering af den kvartære lagserie i rumlige geologiske modeller. Samtidig har forstyrrelserne med deres mulighed for kortslutninger mellem terræn og grundvandsmagasin eller mellem forskellige grundvandsmagasiner potentielt meget stor betydning for grundvandsdannelse og grundvandsstrømning og dermed også for grundvandets sårbarhed over for påvirkninger fra overfladen. På trods af dette bliver istektoniske forstyrrelser ignoreret i mange geologiske og hydrogeologiske modeller, eller det bliver blot konstateret, at der er forstyrrelser i området. Dette er med tanke på forstyrrelsernes potentielle hydrauliske betydning meget uheldigt. At modellere den nøjagtige geometri af de enkelte strukturelle elementer i istektonisk forstyrrede områder det være sig opskudte flager eller foldede lagpakker - vil i langt de fleste tilfælde være umuligt på grund af et misforhold mellem datadækning og de strukturelle elementers skala og kompleksitet. I enkelte tilfælde vil det på seismiske data og geoelektriske profiler være muligt at se opskudte flager, og det vil da være muligt at modellere flagernes geometri direkte på basis af disse data. I endnu sjældnere tilfælde vil det på baggrund af gode boredata være muligt at foretage en grov modellering af opskudte flager. I langt de fleste tilfælde må man i stedet anvende en løsning, der munder ud i en form for zonering af de istektoniske forstyrrelser. FORMÅL Formålet har været at udvikle et koncept for at indarbejde istektoniske forstyrrelser i geologiske og hydrogeologiske modeller. Konceptet skal sikre, at forstyrrelserne indarbejdes i modellerne på en rimelig ensartet måde naturligvis med hensyntagen til den lokale geologi og til de givne data. Konceptet, der sigter mod at udarbejde en zonering af de istektoniske forstyrrelser, er udviklet i forbindelse med opstilling af en række geologiske og hydrogeologiske modeller, blandt andet /1/, /2/, /3/, /4/ og /5/, og det danner grundlag for beskrivelsen af behandlingen af istektoniske forstyrrelser i den nye geovejledning for opstilling af geologiske modeller /6/. KONCEPT FOR ZONERING AF ISTEKTONISKE FORSTYRRELSER Opstillingen af geologiske modeller kan jr. /6/ inddeles i tre trin: Opstilling af geologisk forståelsesmodel, opstilling af rumlig geologisk model samt opstilling af hydrostratigrafisk model. Arbejdet med zonering af istektoniske forstyrrelser forløber typisk over alle tre trin i den

4 geologiske modellering og bæres videre til den hydrogeologiske numeriske model i form af en zonering af de hydrauliske egenskaber i potentielt istektonisk forstyrrede lag. Fremgangsmåden ved en typisk zonering af istektoniske forstyrrelser er: Kortlægning af istektoniske forstyrrelser i kystklinter og råstofgrave. Baseres oftest på eksisterende geologisk litteratur. Tolkninger findes typisk i DGU/GEUS-publikationer, DGF-publikationer, kvartærgeologiske specialer m.v. Der kan eventuelt udføres supplerende feltstudier, hvis der findes egnede lokaliteter. Sammenstilling af isbevægelsesretninger og israndspositioner samt kortlægning af landskabselementer, der erfaringsmæssigt ofte er associeret med hyppige istektoniske forstyrrelser typisk randmoræner og overskredne randmoræner. Baseres typisk på eksisterende litteratur og kort men kan suppleres af tolkninger fra en landskabsanalyse. Giver et første fingerpeg om mulige zoner med hyppige istektoniske forstyrrelser. Kortlægning af tegn på istektoniske forstyrrelser i boringer og geofysiske data. I boringer er flager af prækvartære bjergarter i den kvartære lagserie sikre tegn på forstyrrelser, mens tæt ved hinanden liggende boringer med meget store afvigelser i lagserien er indikation på istektoniske forstyrrelser. I sidstnævnte tilfælde dog kun hvis boredata er pålidelige. I de geofysiske data ses de istektoniske forstyrrelser (kun storskala) i gunstige tilfælde. Kortlægningen af tegn på istektoniske forstyrrelser i boringer og geofysiske data foretages oftest i forbindelse med profiltolkning i det geologiske tolkningsprogram. Om muligt digitaliseres top og bund for de istektoniske forstyrrelser. Ellers markeres datapunktet blot som et punkt med forstyrrelser, evt. med en kommentar om forstyrrelsernes karakter, formodede dybde m.v. Sammenstilling af alle de ovennævnte tolkninger og data. Denne sammenstilling foretages lettest i kortplan. Der zoneres i første omgang i 2D med inddeling i zoner med forskellig hyppighed af forstyrrelser. Inddelingen afhænger af datagrundlaget samt af de geologiske forhold i det aktuelle område. Hvis datagrundlaget er tilstrækkelig godt kan 2D zoneringen udbygges med en 3D zonering eller delvis 3D zonering, hvor der ud over hyppighed og intensitet også tolkes, hvilke lag i den geologiske lagsøjle, der er forstyrrede. Visualisering af zoneringen på fladekort samt på geologiske profiler, f.eks. ved en skravering, der lægges hen over de geologiske modellag. Zoneringen bæres med fra den rumlige geologiske model til den hydrostratigrafiske model. Analyse af hydrologiske data i forbindelse med tolkningen af den hydrostratigrafiske model kan i nogle tilfælde give ekstra indikationer på udstrækning af istektoniske forstyrrelser åbenlyse lækager, afsnøring af magasiner m.v. Ved overgangen mellem geologisk modellering og hydrogeologisk numerisk modellering tolker geolog og hydrogeolog den hydrauliske betydning af de istektoniske forstyrrelser og implementerer sammen forstyrrelserne i den hydrogeologiske numeriske model f.eks. ved parameterisering af de hydrauliske egenskaber i de istektonisk forstyrrede zoner. Den hydrauliske betydning af forstyrrelserne afhænger af litologi, vandspejl m.m., så det er vigtigt at geologen inddrages aktivt i dette arbejde.

5 EKSEMPELER PÅ ZONERING AF ISTEKTONISKE FORSTYRRELSER Møn er et eksempel på et område, hvor der forekommer meget hyppige og intense istektoniske forstyrrelser. Mest spektakulært ses forstyrrelserne i Møns Klint med sine flager af Skrivekridt, der er skudt mere end 100 meter op. Der er imidlertid store geografiske variationer i hyppighed og intensitet af de istektoniske forstyrrelser, når der ses på hele øen. Figur 1. Zonering af istektoniske forstyrrelser på Møn. Der er også risiko for at finde istektoniske forstyrrelser i de hvide områder. Sandsynligheden for at finde hyppige og/eller intense forstyrrelser er blot større i de skraverede områder. Der kan foretages en yderligere zonering, hvor der også zoneres vertikalt (se teksten). Modificeret efter /3/. I figur 1 ses en illustration af en række af trinnene ved en zonering af istektoniske forstyrrelser i den geologiske model. Isbevægelsesretninger (ispresretninger) baseret på analyse af istektoniske deformationer observeret i blotninger er indsamlet fra litteraturen (referencer findes i /3/), og der er tolket isbevægelsesretninger ud fra markante bakkerygge i randmorænebakker og randmorænestrøg. Randmorænebakker og randmorænestrøg, hvor der som udgangspunkt kan forventes forhøjet hyppighed af istektoniske forstyrrelser, er også vist sammen med boringer med kridtflager i den kvartære lagserie og boringer uden kridtflager i den

6 kvartære lagserie. På baggrund af disse data er der i første omgang tolket tre forskellige zoner med istektoniske forstyrrelser: 1. Områder med normal hyppighed af istektoniske forstyrrelser (hvide områder på figuren). 2. Områder med potentielt hyppige istektoniske forstyrrelser. 3. Områder med særligt intense istektoniske forstyrrelser. Der kan imidlertid zoneres væsentlig mere detaljeret, hvis der også ses på forstyrrelsernes position i stratigrafien. For eksempel adskiller de to områder med særligt intense istektoniske forstyrrelser sig fra hinanden: I Høje Møn området på Østmøn strækker de istektoniske deformationer sig hele vejen fra det faststående Skrivekridt til terræn. I modsætning hertil er der tilsyneladende uforstyrrede leraflejringer mellem det faststående Skrivekridt og tykke flager af Skrivekridt i Hvideklint området på Sydmøn. Dette tolkes som et resultat af, at flagerne ikke er dannet på stedet men er transporteret et stykke vej af isen og lagt oven på den uforstyrrede lerpakke. Disse forhold er illustreret på den geologiske principskitse i figur 2. Høje Møn svarer til figurens område 5, mens Hvideklint området svarer til figurens område 2. Ved opstilling af den rumlige geologiske model er det med nogen rimelighed muligt at modellere den faktiske geometri af ophobningen af kridtflager i område 2 dog med det forbehold, at underordnede kvartære lag mellem kridtflagerne ikke kan opløses i modellen. I område 5 (Høje Møn) bevirker intensiteten af forstyrrelser, at det i praksis ikke er muligt at modellere enkelte lag i den kvartære lagpakke, men at lagpakken i stedet må fremtræde som en black box. Dette er markeret med skraveringen i figur 2. Figur 2. Geologisk principskitse for Møn. Mørkegrå: Kvartær ler, Lys grå: Kvartær sand, Mellemgrå: Skrivekridt. Modificeret efter /7/ og /3/. På samme måde kan der også i et vist omfang detailzoneres inden for områder med potentielt hyppige istektoniske forstyrrelser ved at se på tykkelsen af kridtflager og på flagernes position i stratigrafien (ikke illustreret). Der er ikke opstillet en grundvandsmodel for Møn, men hvis der skulle opstilles en model, ville en detaljeret zonering af de istektoniske forstyrrelser kunne overføres fra den geologiske

7 model i dialog mellem geolog og hydrogeolog. Nordsamsø og Bjergsted Indsatsområde er eksempler på områder, hvor denne proces er gennemført. Nordvestsamsø er et område med meget intense istektoniske deformationer. Et typisk klintprofil er vist i figur 3. Figur 3. Klintprofil fra Nordsamsøs vestkyst. Efter /8/. Under de forstyrrede lag, der ses i kystklinten, findes et gennemgående sandmagasin med vandspejl få meter over havniveau. I boringer es der lige som i klintprofilet ca. 30% lerede aflejringer og 70% sandede og grusede aflejringer i de forstyrrede lag over magasinet. Området er meget fattigt på vandhuller og andre tegn på hængende vandspejl i dæklagene. Forstyrrelsernes komplexitet bevirker, at det ikke er muligt at modellere lagenes faktiske geometri. En analyse af forstyrrelsernes hydrauliske betydning bevirker imidlertid, at der kan opstilles en meget simpel hydrostratigrafisk model, hvor de forstyrrede lag over magasinet modelleres som en del af dette magasin. Argumenterne er, at forstyrrelserne er så intense, at de ca. 30% ler ikke vil influere nævneværdigt på nedsivningen gennem umættet zone. Vandet vil finde veje uden om lerlagene snarere end at infiltrere gennem dem. Bjergsted indsatsområde i Kalundborg Kommune på Vestsjælland byder på et eksempel, hvor den hydrauliske betydning af intense istektoniske forstyrrelser er meget anderledes end på Nordsamsø. Områdets overordnede geologiske opbygning fremgår af den geologiske principskitse i figur 4. Der er i forbindelse med den geologiske modelopstilling foretaget en zonering af istektoniske forstyrrelser. Konklusionen er, at området generelt er ret fattigt på forstyrrel-

8 ser, men randmorænestrøget Bjergsted Bakker er et område med intense forstyrrelser, der påvirker hele den kvartære lagpakke, og som inkluderer hyppige og store flager af tertiær fed ler og mergel. Ud over kvartær ler og opskudte flager af tertiær ler og mergel indeholder den forstyrrede lagpakke også underordnede lag (flager) af sand og grus. Lige som på Høje Møn og Nordsamsø tillader kombinationen af spredte data og en kompleks geometri ikke en modellering af den faktiske laggeometri i Bjergsted Bakker, der i den rumlige geologiske ligesom Høje Møn er modelleret med en black box. I samarbejde mellem geolog og hydrogeolog er forstyrrelsernes hydrauliske betydning blevet tolket. Konklusionen er, at forstyrrelserne bryder tidligere sammenhængende magasiner op i magasiner nordvest for bakkerne og magasiner sydøst for bakkerne, og at lerdominansen bevirker, at sand- og grusflager kun i mindre omfang kommer til at fungere som kortslut-ninger mellem terræn og magasiner. I praksis er Bjergsted Bakker derfor lagt ind i den hydrogeologiske model som en lerpakke med mulighed for lækage såvel lodret som vandret. Figur 4. Geologisk principskitse for den centrale del af Bjergsted indsatsområde. Vandindvindingen foregår fra det regionale kvartære Nedre Bjergsted magasin. Istektoniske forstyrrelser i Bjergsted Bakker har med opskudte flager af tertiær fed ler og mergel brudt tidligere sammenhængende magasiner op. Efter /2/. KONKLUSIONER Der er opstillet et koncept for at indarbejde istektoniske forstyrrelser i geologiske og hydrogeologiske modeller. Konceptet sikrer, at disse strømningsmæssigt vigtige elementer i størst muligt omfang bliver beskrevet i de geologiske modeller, og at de også bliver inddraget ved opstillingen af hydrogeologiske modeller. Resultatet er mere realistiske og dermed bedre modeller.

9 REFERENCER /1/ Rambøll: Opstilling af grundvandsmodel for indsatsområde Nordsamsø-03. Sammenfattende rapport. Aarhus Amt, april /2/ Rambøll: Bjergsted Indsatsområde, Fase 2: Detailkortlægning. Delrapport 16. Detaljeret hydrogeologisk tolkningsmodel. Vestsjællands Amt, november /3/ Rambøll: Møn Fase 1 kortlægning. Hovedrapport. Storstrøms Amt, juni /4/ Rambøll: Geologisk model for Falster. Hovedrapport. Storstrøms Amt, januar /5/ Rambøll: Geologisk model for Sydsjælland. Hovedrapport. Storstrøms Amt, marts /6/ Kristensen, M., Jørgensen, F., Hansen, K.C., Højberg, A.L., Jordt, B.E., Klint, K.E., Richardt, N. & Sandersen, P.: Geovejledning. Opstilling af geologiske modeller til grundvandsmodellering. GEUS, under udarbejdelse. /7/ Faurbye, M.: En kvartærgeologisk og strukturgeologisk undersøgelse af klintprofilet Feriehjemmet på det sydlige Møn, Danmark. Speciale, Københavns Universitet, /8/ Houmark-Nielsen, M. & Berthelsen, A.: Kineto-stratigraphic evaluation and presentation of glacialstratigraphic data, with examples from northern Samsø, Denmark. Boreas vol. 10,

10