Repræsentativ sedimentkemisk prøvetagning fra dybe grundvandsboringer

Transkript

1 Repræsentativ sedimentkemisk prøvetagning fra dybe grundvandsboringer December 2006 ÅRHUS AMT Natur og Miljø

2 Udgiver: Århus Amt Natur og Miljø Lyseng Allé Højbjerg Tlf Udgivelsesår: 2006 Titel: Repræsentativ sedimentprøvetagning fra dybe grundvandsboringer ISBN: Grundmateriale: KMS Foto: Redaktion: Korrektur: Layout: Sideantal: Oplag: Natur og Miljø, hvor ikke andet er nævnt Birgitte Hansen, Lærke Thorling, Per V. Misser og Torben Wandall (Århus Amt) Mogens Wium (GEO) Christian Christiansen (Poul Christiansen A/S) Ole Dyrsø Jensen Inge Østergaard 22 sider Udskrives fra Natur og Miljøs hjemmeside

3 Indholdsfortegnelse 1. Indledning Konklusioner og perspektiver Formål Feltmetoder Valg af statistisk metode: Theory of Sampling (TOS) dimentionel primær prøvetagning praktisk eksempel fra HOMÅ Analyse af 2. dimension teoretisk eksempel fra Brabranddalen dimentionel sekundær prøvetagning i laboratoriet teoretisk eksempel Referencer Appendix 1: Data fra repræsentativ prøvetagning fra sandspandsboring ved Homå

4

5 1. Indledning Der er behov for at udvikle de metoder, som bruges til prøvetagning fra dybe grundvandsboringer, specielt den sedimentkemiske, da der ikke foreligger standarder på området. Det langsigtede formål er at få standardiseret den sedimentkemiske prøvetagning, ligesom det f.eks. sker inden for vandprøvetagningen fra grundvandsboringer. Det er vigtigt, at sedimentprøvetagningen standardiseres både med hensyn til forskellige boremetoder (sandspand, snegleboringer, lufthæve etc.) og prøvetyper (geologiske, sedimentkemiske etc.). I denne rapport præsenteres en metode til optimering af den sedimentkemiske prøvetagning, som tager udgangspunkt i den statistiske teori TOS (Theory of Sampling). Denne rapport giver både praktiske og teoretiske eksempler på, hvordan den sedimentkemiske prøvetagning kan forbedres, så resultaterne bliver mere repræsentative. Denne rapport vil også give forslag til udviklingsmuligheder og nye aktiviteter, som kan medvirke til, at den sedimentkemiske prøvetagning kan blive standardiseret i fremtiden. 3

6 2. Konklusioner og perspektiver Baggrund Det er nødvendigt, at de sedimentkemiske resultater (f.eks. bestemmelser af nitratreduktionskapaciteten) fra dybe grundvandsboringer kan generaliseres til større områder i forbindelse med den gebyrfinansierede kortlægning af grundvandsmagasinerne. Dette er indtil videre vanskeligt, på et solidt fagligt grundlag, da de sedimentkemiske resultater udgør mere eller mindre tilfældige punktmålinger. Der er således et stort behov for at udvikle metoder til sedimentkemisk prøvetagning fra dybe grundvandsboringer, sådan at prøvetagningen kan blive standardiseret i fremtiden, og resultaterne kan få større troværdighed. Udgangspunktet for prøvetagningen må være udtagning af repræsentative, gennemsnitlige sedimentkemiske prøver. Dette kræver, at der bruges mere tid på udtagningen af sedimentkemiske prøver både i felten og i laboratoriet. Dermed vil den del af processen blive dyrere end i dag. Men til gengæld reduceres omkostningerne til de kemiske analyser i laboratoriet betydeligt, da et mindre antal sedimentprøver skal analyseres i sidste ende. Denne rapport forsøger at tage hul på problemstillingen ved at fremkomme med forslag til valg af metoder, som illustreres ved praktiske og teoretiske eksempler i kapitel 6-8. Valg af boremetode Ikke alle boremetoder er lige egnede til sedimentkemisk prøvetagning. Ofte er der i forbindelse med kortlægning af grundvandsmagasinerne brug for sedimentprøver fra større dybder end 50 meter. Her bruges ofte lufthæveboremetoden, som dog har den ulempe, at sedimentprøverne kan være påvirket af borevæsken. Ved bestemmelser af nitratreduktionskapaciteten på sedimentprøver fra lufthæveboringer kan der derfor kun analyseres for pyrit, idet både TOC og Fe(II) indholdet kan være påvirket af boremudderet. Dette taler for at optimere lufthæveboremetoden ved at finde forbedringer af borevæsken, f.eks. ved forsøg med anvendelse af polymerer. Valg af statistisk metode Det er valgt at tage udgangspunkt i den statistiske analyse fra TOS (Theory of Sampling), som beskriver de fejl, der er involveret i repræsentativ prøvetagning af heterogene materialer og som anviser, hvordan fejlene kan minimeres og i bedste fald elimineres. For en dybere forklaring og forståelse af metoden henvises til Ålborg Universitet v. Professor Kim Esbensen og Adjunkt Lars Petersen. Der gives forslag til anvendelse af TOS ved at opdele den sedimentkemiske prøvetagning i 3 trin: 1-dimentionel primær prøvetagning i felten. Analyse af 2. dimension og identifikation af hydrogeokemiske enheder. 2-dimentionel sekundær prøvetagning i laboratoriet. Der er lavet et pilotforsøg ved Homå på 1-dimentionel, repræsentativ prøvetagning i felten, hvorfra der vises resultater i denne rapport. Indtil videre foreligger der kun teoretiske overvejelser over trin 2 (analyse af 2. dimension og identifikation af hydrogeokemiske enheder) og trin 3 (2- dimentionel sekundær prøvetagning i laboratoriet). Praktiske forsøg ved Homå Pilotforsøget ved Homå med udtagning af repræsentative 1-meter sedimentprøver fra en sandspandsboring viste gode og lovende resultater. Da boringen hovedsagelig bestod af moræneler, var det kun muligt at afprøve metoden ved udtagning af 3 sedimentkemiske prøver fra et 3 meter tykt sandlag. Der var en god sammenhæng mellem kornstørrelsesfordelingen i disse 3 sedimentkemiske prøver, udtaget efter TOS-principper, og referenceprøver fra slagkerner. Det videre praktiske arbejde Resultaterne fra pilotforsøget ved Homå viser, at det er muligt at optimere den sedimentkemiske prøvetagning med udgangspunkt i TOS-principper. Dog er det nødvendigt med flere afprøvninger og verificeringer af TOS-metoden på andre boremetoder. Der er også behov for at udvikle på det praktiske udstyr (tvangsblander, neddeler osv.) i fuldskala, således at udtagningen af sedimentprøverne effektiviseres i felten. Det videre teoretiske arbejde Det vil være en fordel at nedsætte en arbejdsgruppe af teoretikere og praktikere, som udarbejder konkrete projektbeskrivelser på, hvordan den sedimentkemiske prøvetagning kan standardiseres i fremtiden. 4

7 3. Formål I forbindelse med den gebyrfinansierede kortlægning og grundvandsovervågningen udtages der typisk sedimentprøver fra dybe undersøgelsesboringer med henblik på bestemmelse af bl.a. nitratreduktionskapaciteten ved kemisk analyse af sedimentets indhold af pyrit, jern (II) og organisk stof. Der kan f.eks. også være et ønske om at bestemme sedimenternes indhold af arsen i områder med et højt indhold af opløst arsen i grundvandet. Fælles for disse undersøgelser er, at man ikke er interesseret i en sedimentkemisk punktmåling, men i en flade eller volumenmåling af et geologisk lag. Der er f.eks. i de seneste år lavet punktmålinger af nitratreduktionskapaciteten. Da der er tale om punktmålinger (typisk udtaget over 1 meter i en boring), er det ikke muligt på et solidt fagligt grundlag at generalisere resultaterne til et større område. Der er derfor behov for at optimere sedimentprøvetagningen, sådan at resultaterne kan generaliseres til større områder f.eks. i forbindelse med vurderingen af nitratsårbarheden i et undersøgelsesområde. Formålet med de sedimentkemiske analyser er at kunne bestemme en gennemsnitlig, repræsentativ sedimentkemisk karakter (f.eks. nitratreduktionskapaciteten) af et 3- dimentionelt, udbredt og veldefineret grundvandsmagasin ved hjælp af en standardiseret procedure for prøveudtagning. Formålet med denne rapport er at forbedre den repræsentative sedimentkemiske prøvetagning, sådan at der kan opnås en større statistisk sikkerhed i den samlede sedimentkemiske bestemmelse. Der er således behov for at øge den statistiske sikkerhed i prøvetagningen, idet prøvetagningen indtil videre ikke har været standardiseret, men mere eller mindre tilfældig. Derimod er den statistiske sikkerhed i den kemiske analysekvalitet i laboratoriet relativ høj. Statistiske fejl ved selve prøvetagningen er typisk gange større end de analytiske fejl i laboratoriet (Petersen og Esbensen, 2002). 5

8 4. Feltmetoder I dette kapitel beskrives forhold ved feltarbejdet, som har indflydelse på kvaliteten af sedimentprøverne. Boremetoder Der findes 4 oplagte boremetoder, når formålet er udtagning af sedimentprøver til kemisk analyse (Wandall og Jensen, 2004): 1. Skylleboring (direkte og omvendt skyl/lufthæve). 2. Tørboring (foret snegl- eller sandspandsboring). 3. Hulsneglsboring med kerneprøvetagning (f.eks. Ellog). 4. Rammeboring (Geoprobe og Sonic). Den mest velegnede boremetode til udtagning af sedimentprøver skal opfylde følgende betingelser: a. Alle sedimentfraktioner er bevaret, og lerfraktionen må ikke være skyllet væk. b. Ingen påvirkning af stoffer fra boreprocessen inkl. boremudder. c. Minimal iltning af prøven. d. Ingen sammenblanding af sediment fra flere forskellige dybder. I tabel 1 vurderes forskellige boremetoders egnethed til sedimentkemisk prøvetagning. En skylleboring vil umiddelbart have sværest ved at opfylde disse 4 betingelser. Undersøgelser fra Sedimentsamarbejdet mellem Geologisk Institut og de jysk-fynske amter har vist at også sandspandsboringen, med den traditionelle anvendelse, ikke er optimal, idet der kan ske omrøring og sammenblanding af større intervaller i boringen (Sørensen et al., 2004). Kerneprøvetagning, f.eks. i hulsnegls-, ellog, sonic eller geoprobeboringer, vil være den mest ideelle til udtagning af sedimentprøver til kemisk analyse. Det er også muligt at tage kerneprøver med efterfølgende opboring med foret snegl og sandspandsboring. Hvis der ønskes sedimentprøver fra mere end 50 meters dybde, er det nødvendigt at gå på kompromis med boremetoden på grund af økonomien. På større dybde vil lufthæveboremetoden være den mest hensigtsmæssige. Ved bestemmelser af nitratreduktionskapaciteten på sedimentprøver fra lufthæveboringer er det imidlertid kun muligt at analysere for pyrit, idet både TOC og Fe(II) indholdet kan være påvirket af boremudderet. Dette taler for at optimere på lufthævemetoden ved at finde erstatninger for boremudderet, f.eks. ved forsøg med anvendelse af polymerer. Boremetode Typisk boredybde m Bevaring af alle sediment-fraktioner Iltning Proces Vand Optimeringsmuligheder Kvalitet af sedimentprøver Direkte skyl Lufthæve Omvendt skyl Risiko for tab af lerfraktion Risiko for tab af lerfraktion Risiko for tab af lerfraktion Stor risiko Stor risiko Lille risiko Borevæske Borevæske Borevæske Borevæske uden bentonit f.eks. polymerer. Opsamling af alt opboret materiale. Ikke anvendelig Dårlig Mellem Foret snegl (over vsp.) Minimal risiko God Sandspands-boring 0-50 Risiko for tab af lerfraktion Risiko Vand Opsamling af alt opboret materiale God Hulsnegl med kerneprøver Minimal risiko - God RammeboringGeoprobe Minimal risiko - God Rammeboring Sonic-drill Minimal risiko Tabel 1. Vurdering af forskellige boremetoders egnethed til sedimentkemisk prøvetagning. Virker ikke i alle formationer God 6

9 Opbevaring af sedimentprøver i felten Det er vigtigt, at det opborede materiale opbevares forsvarligt i felten enten på en fiberdug eller f.eks. i en murerbalje. Prøvematerialet, der skal bruges til kemisk analyse, må ikke tørre ud, og skal hurtigst muligt emballeres og indfryses. Beskrivelse af sedimentprøver i felten Der skal foretages en geologisk beskrivelse af de indsamlede sedimentprøver straks efter opboringen og placeringen på fiberdug eller i murerbalje. Til den geologiske jordlagsbeskrivelse anbefales anvendt Vejledning i Ingeniørgeologisk prøvebeskrivelse (G. Larsen m.fl., 1988) Det er især vigtigt, at der foretages farvebeskrivelser af de friske prøver, da prøverne hurtigt iltes, hvilket ofte medfører farveændringer. Der foretages en beskrivelse af sedimenternes egenfarve, såvel som coatningens og skyllevandets farve. Udover en almindelig farveangivelse beskrives sedimentets farve også entydigt med en Munsell farvekode (Pallesen 2004). Desuden er det vigtigt med digitale billeder af 1-meter prøverne på fiberdugen, sådan at de oprindelige farver kan genses, når data senere skal analyseres. Derudover er det nyttigt med nitratmålinger i felten, hvis der ikke bruges procesvand, da disse kan anvendes i forbindelse med tolkningen af redoxmiljøerne. 7

10 5. Valg af statistisk metode: Theory of Sampling (TOS) Theory of Sampling TOS Det er valgt at tage udgangspunkt i TOS (Theory of Sampling) i arbejdet med at optimere sedimentprøvetagningen. Teorien stammer fra 1947 og er udviklet af Pierre Gy. Inspirationen til at arbejde med TOS er hentet fra Ålborg Universitet, Esbjerg. Kort fortalt beskriver TOS de fejl, der er involveret i prøvetagningen af heterogene materialer, og anviser, hvordan fejlene kan minimeres og i bedste fald elimineres. For en dybere forklaring og forståelse af TOS henvises til Ålborg Universitet, Esbjerg v. Professor Kim Esbensen og Adjunkt Lars Petersen. LOT I TOS bruges det centrale begreb en lot, der er den population, som man ønsker at kende koncentrationen af. I denne rapport er en lot defineret som en hydrogeokemisk enhed (se figur 12). Valg af metode: Anvendelse af TOS i forbindelse med optimeringen af den sedimentkemiske prøvetagning kan udføres i følgende 3 trin: 1-dimentionel primær prøvetagning udføres i felten ved udtagelse af sedimentprøver fra hver boremeter vha. homogenisering og neddeling. Analyse af 2. dimension ved databehandling og tolkning af 2- dimentionelle hydrogeokemiske enheder. 2-dimentionel sekundær prøvetagning udføres i laboratoriet, ved hjælp af sammenblanding, homogenisering, neddeling og nedknusning, på baggrund af den 2-dimentionelle analyse. Primær og sekundær prøvetagning Primær prøvetagning defineres som den 1. prøvetagning af sedimentprøver i felten under borearbejdet. Sekundær prøvetagning defineres som den 2. prøvetagning, som udføres i laboratoriet ved sammenblanding af sedimentprøver fra den samme hydrogeokemiske enhed. I de følgende kapitler gives der praktiske og teoretiske eksempler på, hvordan TOS kan anvendes i forhold til de valgte 3 trin, når den sedimentkemiske prøvetagning skal optimeres. 1-, 2- og 3-dimentionel prøvetagning 1-dimentionel prøvetagning fra dybe grundvandsboringer defineres som den prøvetagning, der foretages over en meter under borearbejdet. 2-dimentionel prøvetagning defineres som den prøvetagning, der senere udføres i laboratoriet i forhold til en 2-dimentionel hydrogeokemisk model. En 3-dimentionel prøvetagning i laboratoriet vil være en prøvetagning, som udføres på baggrund af en 3-dimentionel hydrogeokemisk model. 8

11 6. 1-dimentionel primære prøvetagning praktisk eksempel fra HOMÅ I det følgende kapitel præsenteres et pilotforsøg fra en sandspandsboring ved Homå, Grenaa, hvor den 1-dimensionelle, primære prøvetagning er blevet udført med udgangspunkt i TOS principper. Projektbeskrivelse Projektet blev sat i værk i 2005 af Natur og Miljø, Århus Amt med følgende projektdeltagere: Brøndborerfirmaet Poul Christiansen A/S v. Christian Christiansen (PC) Wium Miljøteknik v. Mogens Wium Århus Amt v. Birgitte Hansen, Per Misser, Lærke Thorling, Torben Wandall Desuden deltog Ålborg Universitet (AAUE), Esbjerg v. Kim Esbensen og Lars Pedersen, og Geo-Log v. Lars Jensen med rådgivning under projektforløbet. Formålet med projektet var at udtage repræsentative 1-meter prøver fra løse sandede aflejringer fra en sandspandsboring. Boringen ved Homå, Grenaa Det blev besluttet at udføre forsøgene med repræsentativ sedimentprøvetagning fra en grundvandsovervågningsboring ved Homå, Grenaa. Denne sandspandsboring, med DGU nr (B 25), har en dybde på 45 meter. Lagfølgen består overvejende af moræneler med enkelte tynde sandlag, hvoraf det tykkeste sandlag findes fra m under terræn. Det var fra dette sandlag, der blev udført forsøg med udtagning af repræsentative sedimentprøver fra sandspanden. Det var uheldigt, at boringen ikke indeholdt større sandsekvenser, men det var dog muligt at afprøve metoden. Feltarbejdet Sedimentprøver blev udtaget fra sandspanden, som repræsenterede 1 meter af det aktuelle lag, efter følgende metode: 1. Fraktionen større end 2 cm (sten) blev sorteret fra ved, at sedimentet fra sandspanden blev hældt gennem en 20 mm sigte. 2. Sedimentet blev homogeniseret i en tvangsblander. 3. Det våde sediment blev neddelt fra ca. 200 l til ca. 200 g sedimentprøve ved hjælp af en spaltedeler, som blev tilpasset og udviklet til formålet. De neddelte sedimentprøver fra sandspanden blev sammenlignet med intakte slagkerneprøver, der blev udtaget og brugt som reference. For vurdering af kvaliteten af neddelingen blev begge hold prøver tørret og sigtet. Vurderingen skete ved sammenligning af kornstørrelsesfordelingen i henholdsvis sedimentprøver og kerneprøver, udtaget i samme dybde. Figur 1. Overførsel af sediment fra sandspanden til sold og tvangsblander. Sandspanden Prøvetagning fra sandspandsboringer sker traditionelt fra det materiale, som ligger på jorden efter, at sandspanden er blevet tømt. Ved 9

12 tømningen bliver en stor del af den fine fraktion skyllet væk, og indgår dermed ikke i prøven, der udtages. Den udtagne prøve har derfor en dårlig repræsentativitet. Den anvendte sandspand var 3 meter lang og med et rumindhold på ca. 200 l. Spanden arbejdede inde i et arbejdsrør, som blev ført ned sammen med spanden. Spanden virkede ved, at en klap i bunden åbnede, når spanden blev sænket ned i borehullet, og lukkede når spanden blev hævet. Ved denne hurtige op- og nedadgående bevægelse blev sedimentet arbejdet ind i spanden. Under borearbejdet var sandspanden og arbejdsrøret vandfyldt for at metoden kunne fungere optimalt. Dette medførte at der jævnligt blev tilført vand under borearbejdet. På figur 1 ses, hvordan sandspanden blev tømt. Homogenisering: tvangsblander og sold Tvangsblanderen var en standard betonblander med et rumindhold på ca. 130 l. Oven på tvangsblanderen blev der bygget et sold med en ramme omkring (se figur 2). Sandspanden blev tømt ned i soldet, og herfra løb prøven ned i tvangsblanderen (se figur 1 og 2). De første ca liter blev tømt videre ud i en 90 liters murerbalje, idet der ikke var plads til hele prøven i blandemaskinen. Soldet frasorterede alt materiale større end 20 mm fra prøven. Soldet på tvangsblanderen fungerede fint (se figur 2). Skraberne i blanderen var monteret med gummi, så de kunne rengøre bunden. Aftapning fra maskinen skete i bunden gennem en skydelåge. Denne låge var ikke vandtæt, og der kom indimellem småsten i klemme. Derfor var det svært at regulere aftapningen præcist, og der var spild af materiale ved lågen. Dette spild blev forsøgt opfanget i en murerbalje. Beholderne til spaltedeleren blev fyldt ved at sætte dem under skydelågen. Ved denne proces kom der en del spild. Dette spild blev ligeledes forsøgt opsamlet. Neddelingen spaltedeleren Der blev indkøbt spaltedelen af en standardspaltedeler fra Rational Kornservice i Esbjerg, Denne spaltedeler havde 18 spalter med en spaltebredde på 28 mm. PC byggede 4 beholdere til spaltedeleren, og hver beholder havde et rumindhold på ca. 18 liter. Inden feltarbejdet ved boringen ved Homå blev der udført forsøg hos PC med en spaltedeler udlånt af AAUE. Forsøgene viste at vådt sand, som var bundfældet, klæbede stærkt til materialebeholderen. Forsøgene viste også, at prøven lettere slap beholderen, hvis den blev hældt direkte fra omrøring i prøvebeholderen ned i spaltedeleren. Men i alle tilfælde var det nødvendigt at skylle beholder og spaltedeler for at få hele prøven delt. Ved boringen i Homå lykkedes det fint at få materialet tappet i beholderen til spaltedeleren fra tvangsblanderen og hældt i spaltedeleren. Materialet slap beholderen fint, og det var kun nødvendigt at skylle beholdere og spaltedeler til sidst (se figur 3). Ved den første deling blev den ene halvdel smidt væk og den anden opsamlet i en murerbalje. Denne halvdel blev så hældt i tvangsblanderen, omrørt og delt i to. Den ene del blev hensat til bundfældning til udtagning af prøve til geologisk beskrivelse, den anden halvdel blev delt videre, og således blev prøven delt indtil, den var delt 5 gange. Ved 5. deling var prøven ca. 1-3 liter, og det blev vurderet, at der var tilstrækkeligt materiale til den kemiske analyse. Prøverne bestod hovedsagelig af fint sand, silt og ler og var derfor lette at holde i omrøring og langsomme til at bundfælde. Figur 2. Sandspand, sold og tvangsblander. Soldet frasorterer sten, der er større end 20 mm. Ved prøven fra m under terræn blev den 1. deling, der blev hensat til 10

13 Repræsentativ sedimentkemisk prøvetagning geologisk prøveudtagning, hældt op i et stykke filterdug for hurtigere dræning. Efter 1 døgn var prøven stadig ikke afvandet helt. Kerneprøver Slagkerneprøver blev udtaget ved, at et slagaggregat opfangede en kerne i et 63 mm pvc-rør (se figur 4). Den første kerneprøve var perfekt og fyldte 1 meter, de næste var mindre, ca. 50 cm. Det var ikke altid muligt at udtage kerneprøver. For det første kunne sten sidde i klemme i fangfjedrene, og dermed kom prøven ikke med op. For det andet kunne modstanden blive for stor, hvis formationen var for leret eller siltet, og dermed kom prøven ikke ind i røret. Figur 3. Spaltedeleren i arbejde. Laboratoriearbejdet kornstørrelsesanalyser Laboratoriearbejdet blev udført af Christian Christiansen hos PC. Sedimentprøverne blev tørret i 8-10 timer i en varmluftsovn ved 80 ºC. Efter tørring var prøverne hårde på grund af det store indhold af silt og ler (se figur 5). Prøverne blev knust, før at det var muligt at sigte dem. Knusning af aggregater i prøverne efter tørringen skete efter følgende princip: Fra beholderen, hvori prøverne blev tørret, blev små portioner tømt ned i en metalbeholder. Her blev den lille mængde prøve knust. Den knuste prøve blev flyttet over i en ny beholder, og det hele blev gentaget, ind til alle aggregater i prøven var nedknust. På den måde blev det undgået at knuse de enkelte sandskorn. Figur 4. Slagkerneprøvetager med kerne udtaget i pvc rør. De neddelte sedimentprøver blev efter tørring og knusning delt i spaltedeleren til passende prøvestørrelse i forhold til sigteanalysen. 11

14 Repræsentativ sedimentkemisk prøvetagning Diskussion Problemer med knusning af aggregater Ved alle prøverne var den største forskel på sigtningerne på sigten 0,25 mm (mellem sand). Dette kan eventuelt skyldes en gennemgående fejl opstået ved nedknusning af prøverne. Ifølge Christian Christiansen fra PC var det tydeligt at se på sigterne, at aggregaterne i prøverne ikke var helt knuste, så dette er sandsynligvis forklaringen. Figur 5. Tørret sedimentprøve. Aggregater i prøven er endnu ikke knust. Resultater Figur 6-9 viser resultaterne af sigteanalyserne. Data findes i Appendix 1. Generelt ses det, at der er en god sammenhæng mellem kornstørrelsesfordelingen på kerneprøverne og de neddelte sedimentprøver. Foretages en sammenligning af sigteanalyserne af de neddelte prøver, ses også en fin sammenhæng. Dette indikerer, at det er muligt at neddele prøverne, så de enkelte neddelinger er repræsentative. fra m (figur 7) og m (figur 8). Prøverne er ikke velsorteret og indeholder hovedsagelig mellem til finkornet sand. Ingen sammenligning mellem neddelingsmetoden og traditionel metode Der var kun én sigtning af en traditionel prøve. Dette skyldtes, at det på grund af metoden, ikke var muligt både at foretage en neddeling og samtidig få en traditionel prøve. Derfor kan dette projekt ikke vurdere neddelingsmetoden i forhold til den traditionelle metode Sigteanalysen af meter (figur 6), den traditionelle prøve, er tydelig forskellig fra de andre prøver, med større indhold på sigterne i fraktionen mellem 0,5 mm til 0,25 mm samt på den groveste fraktion >1,25 mm. Diagrammet med de 3 kerneprøver viser, at materialet i de tre prøver er nogenlunde det samme. Prøverne er domineret af sand (85-90 %), mens ler- og silt-indholdet udgør %. Materialet fra m (figur 9) er mere sandet end materialet Figur 6. Sammenstilling af sigteresultaterne fra kerneprøverne og Traditionel prøve fra m. 12

15 Repræsentativ sedimentkemisk prøvetagning Figur 7. Sigteresultater fra prøve meter. Kerneprøven gik tabt. Spild Der var et forholdsvist stort spild af vand og dermed også af fint materiale i forbindelse med håndtering af de store prøver. Dette skyldtes, at spaltedeler og tvangsblander ikke var dimensioneret til at håndtere den store 200 l prøve. Det er ikke muligt at kvantificere spildet. Der var også forskel i spild fra prøve til prøve. Under håndteringen af prøverne i forbindelse med tørring og sigtning var der ligeledes et spild. Poserne kunne ikke tømmes helt, og der sad materiale i netmaskerne på sigten. På trods af dette spild, samt usikkerheden omkring nedknusning af aggregater i prøverne, er der en god overensstemmelse mellem kerneprøverne og de neddelte prøver, samt mellem de enkelte neddelinger fra de 3 niveauer m, m og m. Vådsigtning Det bør undersøges, om det er muligt at foretage en vådsigtning samtidig med, at indholdet af materiale, der er mindre end 0,063 mm, kvantificeres. Dette vil sikre en bedre neddeling af prøven efter tørring samt give en bedre sigtning. Figur 8. Sigteresultater fra prøve meter. Praktiske erfaringer og anbefalinger I det følgende opremses de praktiske erfaringer med dette projekt. Erfaringer, der er gode at lære af til et eventuelt videre arbejde: Neddelingen vil måske fungere anderledes med grovere materiale De 3 prøver, der blev neddelt, bestod fortrinsvist af fint materiale, så derfor gav forsøget kun et fingerpeg om, hvordan delingen af grovere materialer vil kunne fungere. Soldet et godt valg Soldet på 20 mm var et godt valg, da kun en lille del af prøven, lå tilbage på soldet (se figur 2). Omrøring vigtig Det er en god ide at have prøven i omrøring inden neddelingen, da det sikrer et bedre slip af prøven fra beholderen, der bruges til at tømme prøven ned i spaltedeleren. 13

16 Repræsentativ sedimentkemisk prøvetagning Fuldskala udstyr nødvendig Det gav for stort spild af materialer at tvangsblande, og spaltedeler og beholdere ikke var store nok til at kunne håndtere hele prøven. Optimering af neddelingsteknikken vigtig Det tager længere tid at neddele en prøve med spaltedeleren, end det tager at udtage en slagkerneprøve. Men da det ikke altid lykkes at få en kerneprøve op, er det stadig en god idé at arbejde videre med optimering af neddelingsteknikken. Afvanding med filterdug fungerer ikke Ved et forsøg på at afvande en delprøve med et stykke filterdug, var prøven efter 1 døgn stadig ikke helt afvandet. Filterdugen skulle ifølge producenten kunne afvande adskillige m 3 i timen. I dette forsøg stoppede filterdugen effektivt til med silt og ler, på meget kort tid. Bournerdeler Spaltedeleren af typen Bournerdeler (se figur 10) vil sandsynligvis være bedre end den i dette projekt anvendte spaltedeler. Bournerdeleren er i princippet en kegle med en spaltedeler rundt langs kanten. Prøven hældes ned midt over spidsen af keglen, fordeles ned over keglen og deles til sidst af spaltedeleren rundt langs kanten. En kegle med en diameter på ca. 2 meter vil kunne foretage en 4. deling af prøven i første deling. Der skal være mindst 20 spalter pr. deler, helst 30. Desuden bør spaltebredden være 3 gange hulstørrelsen i solden. Det vil her sige en spaltebredde på 60 mm. Dette forhold 1:3 sikrer, at spalterne ikke risikerer at stoppe til. Dette er baggrunden for keglediameteren på ca. 2 meter. Prøvebeholderen over keglen behøver sandsynligvis ikke en omrørt Figur 9. Sigteresultater fra prøve meter. prøve. Ved at eksperimentere med stejlheden på siderne af materialebeholderen kan man finde den beholder, hvor materialet falder bedst ned på keglen. Eventuelt kan der monteres en vibrator, der sikrer, at alt materiale falder ned på keglen. En lagdeling af prøven i materialebeholderen har sandsynligvis ikke nogen væsentlig betydning for den repræsentative neddeling af prøven. Ved at bruge forskellige størrelser af prøvebeholdere kan denne muligvis bruges til hele neddelingen. Ligeledes er det let at automatisere neddelingen, så den er let at håndtere. Denne konklusion er fremkommet ved en drøftelse mellem Lars Pedersen (AAUE), Christian Christiansen (PC) og Mogens Wium. Figur 10. Eksempel på Bournerdeler. Foto: Lars Pedersen (AAUE). 14

17 7. Analyse af 2. dimension teoretisk eksempel fra Brabranddalen Efter at den 1-dimentionelle primære prøvetagning er udført fra en undersøgelsesboring, skal der foretages en 2-dimensionel analyse af de hydrogeokemiske forhold i det lokale område omkring boringen. Formålet med analysen er at nå til en forståelse af området, som gør det muligt at beslutte hvilke prøver, der skal sammenblandes ved den 2-dimentionelle sekundære prøvetagning, som efterfølgende skal udføres i laboratoriet (se kapitel 8). Et udvalgt profilsnit fra Brabranddalen, hvor der er placeret en undersøgelsesboring, vil blive brugt som et teoretisk eksempel på en analyse af den 2. dimension i tolkningen af hydrogeokemiske enheder (LOTS). Målet er at sammenblande prøver fra hver af disse identificerede hydrogeokemiske enheder for at kunne bestemme en repræsentativ, gennemsnitlig sedimentkemisk karakter ( f.eks. nitratreduktionskapaciteten) for hver hydrogeokemiske enhed. På den måde kan de sedimentkemiske resultater fra en boring generaliseres til et større område. Hydrogeokemien i Brabranddalen I Brabranddalen (se figur 11) har grundvandsmagasinerne stor risiko for forurening med arsen og andre naturlige forekomne stoffer, som fluorid og klorid. Dalen er geologisk meget kompleks opbygget, og derfor er den kemiske tilstand af grundvandet også meget varierende. Beskyttelsen af grundvandsmagasinerne i Brabranddalen mod menneskeskabt forurening er mange steder god på grund af tykke lerdæklag over grundvandsmagasinerne. På figur 11 er dette illustreret ved, at de røde områder, hvor der kan være nitrat og pesticider i grundvandsmagasinet, kun findes i de øverste meter af jordlagene. Vandkemien i undersøgelsesboringen og i indvindingsboringerne ved Harlev Kildeplads (under Århus Kommunale Værker) viser, at grundvandet ikke er nitratholdigt. Definition af hydrogeokemiske enheder En nærmere analyse af de hydrogeokemiske forhold ved det valgte profilsnit i Brabranddalen resulterer i, at der kan udpeges i alt 4 hydrogeokemiske enheder (LOTS), som illustreret på figur 12. Figur 11. Skematisk vand- og geokemisk profi l af Brabranddalen. Grundvandsmagasin af kvartære sandede afl ejringer med risiko for arsen i grundvandet. Undersøgelsesboring OSD13-B40 (DGU nr ) ses midt på profi let. 15

18 Figur 12. Eksempel på definition af lots (hydrogeokemiske enheder) ved profi lsnit ved Brabranddalen, Århus. For hver af de 4 hydrogeokemiske enheder kan f.eks. den gennemsnitlige nitratreduktionskapacitet nu bestemmes. Dette gøres ved at sammenblande 1-meter prøverne fra den centrale undersøgelsesboring i laboratoriet for hver hydrogeokemisk enhed (LOT). sentative prøver, en fra hver af de 4 hydrogeokemiske enheder (LOTS). Af tabel 2 og figur 13 fremgår, at der er foretaget en sammenblanding af 1-meter prøverne fra boringen, som dermed er reduceret til i alt 4 repræ- Hydrogeokemisk enhed (LOTS) Geologisk beskrivelse Redox miljø Prøvetagningsintervaller i laboratoriet m.u.t. 1 Smeltevandssand Reduceret 73-76, Smeltevandssand Reduceret Moræneler Reduceret 67-73, Moræneler Reduceret 5-63 Tabel 2. De 4 hydrogeokemiske enheder (LOTS) fra boringen med DGU nr (B40) med tilhørende prøvetagningsintervaller. Sedimentprøverne (1- meter prøverne), som er udtaget for hver meter i felten, bliver i laboratoriet sammenblandet til i alt 4 prøver, en fra hver hydrogeokemisk enhed. Figur 13. Undersøgelsesboring med DGU nr (B40). Lithologi, redoxforhold og identificerede hydrogeokemiske enheder (LOTS) fremgår. Grundvandsspejl og redoxgrænse er sammenfaldende. 16

19 8. 2-dimentionel sekundær prøvetagning teoretisk eksempel Efter udtagning af repræsentative sedimentprøver (1-meter prøver) for hver meter under borearbejdet (vist i kapitel 6) og identifikationen af hydrogeokemiske enheder (LOTS) (vist i kapitel 7), skal der ske en 2-dimentionel, sekundær prøvetagning i laboratoriet. Det vil f.eks. sige, at de udtagne 99 1-meter prøver skal sammenblandes og reduceres til i alt 4 prøver, hvis der tages udgangspunkt i eksemplet fra forrige kapitel (se figur 13 og tabel 2). Den 2-dimentionelle sekundære prøvetagning i laboratoriet bør udføres jf. nedenstående procedure: Optøning og tørring Homogenisering (knusning af aggregater) Sigtning (fraktion >2mm frasorteres) Sammenblanding af 1-meter primære prøver fra samme hydrogeokemiske enhed Neddeling til ca. 25 g delprøve efter TOS-principper Nedknusning til 125 µm Prøven er klar til kemisk analyse 17

20 Referencer Pallesen T Nordsamsø Boreundersøgelser. Beskrivelse af 9 boringer udført af Århus Amt på Nordsamsø. Petersen, L, og Esbensen, K.H., Representative sampling for reliable data analysis: TOS (Theory of Sampling). Sørensen, J., Krohn, C., Kronborg, C. og Nielsen, O.B., Prøvekvalitet, erfaringer fra sedimentsamarbejdet. Prøvens vej fra bor til bord. Helnan Marselis Hotel, 6. oktober Wandall, T. og Jensen, L., Praktiske erfaringer med sedimentprøvetagning under borearbejde. Prøvens vej fra bor til bord. Helnan Marselis Hotel, 6. oktober

21 Appendix 1: Data fra repræsentativ prøvetagning fra GRUMO sandspandsboring (DGU nr ) ved HOMÅ Resultater fra sigtanalyserne. Boredybde m Traditionel prøve m 3. deling m 4. deling m 5. deling Sigte Vægt g Procent % Vægt g Procent % Vægt g Procent % Vægt g Procent % Total 518,00 100,00 526,00 100,00 536,00 100,00 572,00 100,00 1, ,00 22,78 29,00 5,51 31,00 5,78 33,00 5,77 1,000 21,00 4,05 5,00 0,95 6,00 1,12 6,00 1,05 0,800 24,00 4,63 7,00 1,33 8,00 1,49 10,00 1,75 0,630 21,00 4,05 9,00 1,71 10,00 1,87 12,00 2,10 0,500 44,00 8,49 17,00 3,23 15,00 2,80 19,00 3,32 0,400 41,00 7,92 23,00 4,37 21,00 3,92 25,00 4,37 0,315 66,00 12,74 38,00 7,22 39,00 7,28 41,00 7,17 0,250 54,00 10,42 86,00 16,35 76,00 14,18 102,00 17,83 0,200 42,00 8,11 59,00 11,22 61,00 11,38 52,00 9,09 0,160 55,00 10,62 88,00 16,73 94,00 17,54 92,00 16,08 0,125 25,00 4,83 45,00 8,56 46,00 8,58 48,00 8,39 0,100 8,00 1,54 2,00 0,38 2,00 0,37 3,00 0,52 0,090 2,00 0,39 48,00 9,13 51,00 9,51 49,00 8,57 0,080 21,00 4,05 1,00 0,19 7,00 1,31 4,00 0,70 0,063 4,00 0,77 2,00 0,38 3,00 0,56 5,00 0,87 Bund 17,50 3,38 57,00 10,84 62,00 11,57 60,00 10,49 Sidst 0,00 0,00 1,00 0,19 2,00 0,37 2,00 0,35 Spil -45,50-8,78 9,00 1,71 2,00 0,37 9,00 1,57 Tabel 1. Sigtning af meter og meter. 19

22 Kerneprøve m 3. deling m 4. deling m 5. deling Sigte Vægt g Procent % Vægt g Procent % Vægt g Procent % Vægt g Procent % Total 469,00 100,00 355,00 100, ,00 100,00 445,00 100,00 1,250 30,00 6,40 20,00 5,63 350,40 5,31 31,00 6,97 1,000 3,00 0,64 3,00 0,85 53,00 0,80 5,00 1,12 0,800 6,00 1,28 5,00 1,41 90,80 1,38 7,00 1,57 0,630 7,00 1,49 6,00 1,69 114,40 1,73 7,00 1,57 0,500 13,00 2,77 11,00 3,10 198,40 3,01 13,00 2,92 0,400 15,00 3,20 15,00 4,23 230,40 3,49 19,00 4,27 0,315 29,00 6,18 26,00 7,32 582,00 8,83 28,00 6,29 0, ,00 23,45 49,00 13, ,00 24,17 62,00 13,93 0,200 44,00 9,38 42,00 11,83 492,60 7,47 51,00 11,46 0,160 71,00 15,14 64,00 18, ,60 15,93 76,00 17,08 0,125 29,00 6,18 31,00 8,73 444,60 6,74 38,00 8,54 0,100 2,00 0,43 1,00 0,28 51,00 0,77 1,00 0,22 0,090 36,00 7,68 29,00 8,17 420,20 6,37 41,00 9,21 0,080 2,00 0,43 1,00 0,28 40,60 0,62 2,00 0,45 0,063 1,00 0,21 3,00 0,85 73,20 1,11 2,00 0,45 Bund 58,00 12,37 42,00 11,83 625,80 9,49 49,00 11,01 Sidst 5,00 1,07 1,00 0,28 19,10 0,29 2,00 0,45 Spil 8,00 1,71 6,00 1,69 162,90 2,47 11,00 2,47 Tabel 2. Sigtning af meter. 20

23 1. vægt 2. vægt 3.vægt 4. vægt 5. vægt Gennemsnit X) 6. vægt Sum Total 1000, , , , , ,00 594, ,00 1,250 64,00 41,00 54,00 62,00 51,00 54,40 24,00 350,40 1,000 6,00 7,00 6,00 8,00 13,00 8,00 5,00 53,00 0,800 12,00 13,00 13,00 13,00 18,00 13,80 8,00 90,80 0,630 16,00 17,00 19,00 18,00 17,00 17,40 10,00 114,40 0,500 31,00 34,00 34,00 26,00 27,00 30,40 16,00 198,40 0,400 17,00 32,00 50,00 34,00 39,00 34,40 24,00 230,40 0,315 96,00 172,00 75,00 52,00 55,00 90,00 42,00 582,00 0, ,00 133,00 239,00 338,00 286,00 237,00 172, ,00 0,200 82,00 74,00 81,00 60,00 86,00 76,60 33,00 492,60 0, ,00 200,00 164,00 128,00 150,00 161,60 81, ,60 0,125 74,00 62,00 73,00 63,00 61,00 66,60 45,00 444,60 0,100 2,00 18,00 6,00 8,00 6,00 8,00 3,00 51,00 0,090 70,00 72,00 56,00 60,00 58,00 63,20 41,00 420,20 0,080 3,00 4,00 14,00 6,00 6,00 6,60 1,00 40,60 0,063 1,00 12,00 18,00 5,00 5,00 8,20 24,00 73,20 Bund 135,00 83,00 60,00 85,00 101,00 92,80 69,00 625,80 Sidst 0,50 7,00 3,00 4,00 1,00 3,10 0,50 19,10 Spil 35,50 19,00 35,00 30,00 20,00 27,90-4,50 162,90 Tabel 3. Sigtning af meter 4. deling. X) X 6. sigtning af 1000 gram faldt på gulvet og er derfor medtaget som gennemsnittet af de foregående 5 sigtninger. 21

24 40-41 m kerneprøve m 3. deling m 4. deling m kerneprøve Sigte Vægt g Procent % Vægt g Procent % Vægt g Procent % Vægt g Procent % Total 451,00 100,00 441,00 100,00 393,00 100,00 557,00 100,00 1,250 54,00 11,97 9,00 2,04 19,00 4,83 66,00 11,85 1,000 6,00 1,33 8,00 1,81 3,00 0,76 16,00 2,87 0,800 7,00 1,55 9,00 2,04 5,00 1,27 26,00 4,67 0,630 7,00 1,55 9,00 2,04 6,00 1,53 16,00 2,87 0,500 12,00 2,66 16,00 3,63 11,00 2,80 17,00 3,05 0,400 15,00 3,33 20,00 4,54 15,00 3,82 17,00 3,05 0,315 25,00 5,54 35,00 7,94 22,00 5,60 30,00 5,39 0,250 51,00 11,31 98,00 22,22 75,00 19,08 87,00 15,62 0,200 47,00 10,42 47,00 10,66 37,00 9,41 55,00 9,87 0,160 68,00 15,08 62,00 14,06 69,00 17,56 71,00 12,75 0,125 40,00 8,87 34,00 7,71 34,00 8,65 33,00 5,92 0,100 6,00 1,33 5,00 1,13 2,00 0,51 10,00 1,80 0,090 41,00 9,09 32,00 7,26 37,00 9,41 41,00 7,36 0,080 4,00 0,89 3,00 0,68 2,00 0,51 12,00 2,15 0,063 2,00 0,44 4,00 0,91 3,00 0,76 5,00 0,90 Bund 55,00 12,20 45,00 10,20 41,00 10,43 21,00 3,77 Sidst 1,00 0,22 4,00 0,91 1,00 0,25 0,00 0,00 Spil 10,00 2,22 1,00 0,23 11,00 2,80 34,00 6,10 Tabel 4. Sigtning af meter. 22