TRANSPORT I SPRÆKKET KALK VED SIGERSLEV

TRANSPORT I SPRÆKKET KALK VED SIGERSLEV Seniorforsker, Peter Roll Jakobsen Civil Ingeniør, Annette Rosenbom GEUS ATV MØDE TRANSPORT I SPRÆKKET KALK VED SIGERSLEV HELNAN MARSELIS HOTEL 24. oktober, 2002

RESUMÉ På Stevns er sprækkesystemer i skrivekridt undersøgt med for at kunne udpege de sprækker der har størst indflydelse på grundvandsstrømning. Undersøgelsen kombinerer sprækkeopmåling og termografi, der er en innovativ teknik til karakterisering af hydraulisk aktive sprækker. Der er observeret 5 sprækkesystemer, 1 horisontalt og 4 vertikale der stryger 30, 60, 145 og 175. Vertikale flerlagsprækker, sprækker med mineralbelægninger og sprækker hvorfra grundvandet strømmer viser en primær orientering på 30 og 175. Termografien viste en grundvandsindstrømning primært fra de nordlige vægge og kun lidt fra de vestlige vægge. En konceptuel strømningsmodel er opstillet med en stærk anisotrop grundvandsstrømning i NNØ-SSV lig retning. INDLEDNING I Danmark indvindes ca. en tredjedel af drikkevandet fra kalkbjergarter, så som skrivekridt, bryozokalk og kalksandskalk. Kalkbjergarterne udgør derfor vigtige grundvandsmagasiner i Danmark. Kalkbjergarterne er opsprækkede og grundvandsstrømning foregår primært i sprækkesystemer. Det er derfor vigtigt at kende og forstå strømningsvejene i kalkbjergarter. Især er det vigtigt at kunne skelne mellem sprækker, der har indflydelse på grundvandsstrømning, og dem der ikke har, så man kan opstille så realistiske grundvandsmodeller som muligt. I forbindelse med et EU medfinansieret forskningsprojekt med titlen Fracflow /1/, /2/ har GEUS afprøvet en innovativ metode til at forstå og belyse grundvandsstrømning i opsprækket kridt, nemlig termografi /3/. Termografiundersøgelserne er udført i Sigerslev Kridtbrud (fig. 1), og de er kombineret med opmåling af de sprækker der er synlige på væggene i bruddet. Undersøgelserne danner basis for en konceptuel strømningsmodel for området omkring Sigerslev Kridtbrud. Desuden er der opstillet en tektonisk model for at forklare dannelsen af sprækkerne, og for at vurdere om det er muligt at opskalere den konceptuelle model til regional skala. Figur 1. Kort over kridtbruddet ved Sigerslev. Beliggenheden er vist på det lille Danmarkskort. Væggene hvor undersøgelserne er foretaget er markeret med linier

FORMÅL Det overordnede formål ved undersøgelserne ved Sigerslev er at skabe en forståelse for sammenhæng mellem sprækkemodel og grundvandsstrømning. Dette er forsøgt ved at kombinere den klassiske sprækkeopmåling og termografi, som er en innovative teknik til at karakterisering af strømningsmønstre på lokalitets niveau. På baggrund af sprækkemodellen og termografiundersøgelserne skulle der opstilles en konceptuel model for strømning i skrivekridtet ved Sigerslev Kridtbrud. Formålet med sprækkeopmålingen er at etablere en rummelig sprækkemodel, der beskriver sprækkesystemer, sprækkestørrelse, spacing og sprækkekonnektivitet. Derudover er sprækkeflader med mineralske belægninger kortlagt med henblik på, at kunne kortlægge sprækker der har været hydraulisk aktive. Termografi er anvendt for at kunne visualisere og kortlægge indstrømningsmønstre i bruddet. Hensigten var dels at kunne give et generelt billede af indstrømningen, og desuden at kunne erkende de enkelte sprækker, hvor grundvand strømmer ind i bruddet. En geologisk/tektonisk model er opstillet for at kunne forklare og forstå dannelsen af sprækkerne, med henblik på at foretage en opskalering af sprækkemodellen til regionalt niveau. LOKALITET OG GEOLOGISK RAMME Lokalitet Undersøgelsen er foretaget i Sigerslev Kridtbrud på Stevns. Bruddet ligger meget tæt på Østersøkysten. Terrænet omkring bruddet ligger i kote +28 m til +32 m, og bunden af bruddet var i kote 20 m i den dybeste del. Der blev pumpet fra den dybeste del af bruddet, så grundvandet her stod i kote 20 m. Det skal her bemærkes at der trods grundvandssænkningen, og kun ca. 400 m til kysten, ikke er observeret nogen saltvandsindtrængning i bruddet. Geologisk ramme På Stevns halvøen udgør bryozokalk og skrivekridt prækvartær bjergarterne /4/,/5/. Undersøgelsen er foretaget i Sigerslev Kridtbrud, hvor skrivekridt er overlejret af moræneler. Her er bryozokalken altså ikke repræsenteret over skrivekridtet, som det ellers er tilfældet på det øvrige Stevns. Skrivekridtet er aflejret i det Danske Bassin (Fig. 2). Det Danske Bassin er udviklet tæt op ad Den Fennoskandiske Randzone, der er afgrænset af større forkastninger, og hvorfra flere nord-syd gående forkastninger udgår. Forkastningerne har været aktive i slutningen af kridttiden og ind i den tidlige del af Tertiær, hvor der er sket en inversion i Den Fennoskandiske Randzone /5/. Inversionen er et resultat af et skub sydfra, under den Alpine

bjergkædedannelse. Herved er der sket en sideværts dextral (højre lateral) forskydning langs forkastningerne. I Neogen foregår der en regional hævning med en resulterende erosion, hvor der eroderes ca. 500 til 750 m af paleocæne, eocæne og oligocæne aflejringer /6/, /7/, /8/, /9/. I Kvartærtiden er området overskredet af flere isfremstød. Der er observeret en morænelersenhed, som antagelig er aflejret under det Baltiske Isfremstød i Weichsel. METODER Figur 2. Kort over kalkaflejringernes tykkelse, Den Fennoskandiske Randzone og de tilhørende forkastninger. Sprækkeanalyse Sprækkedata er indsamlet langs 8 horisontale målelinier, der er udlagt langs væggene. To af linierne er orienteret N-S og er tilsammen 90 m, og de seks øvrige linier er orienteret V-Ø og er tilsammen 180 m. Langs med linienerne er sprækkernes skæring med denne indmålt, og den enkelte sprækkes orientering er målt. Desuden er sprækkesporslængden målt og sprækkens form beskrevet. For de vertikale sprækker er der ligeledes angivet, hvorvidt de er afgrænset af horisontale sprækker, eller om de skærer flere. Horisontale sprækkesystemer bliver ikke repræsenteret langs de horisontale målelinier, idet de ikke skærer linierne. De er derfor målt direkte op langs kalkvæggene i lodrette linier Ved sprækkeopmåling og sprækkeanalysen er følgende sprækkeparametre anvendt: Orientering: Strygning, hældning og hældningsretning er målt for hver sprække. Sprækkernes orientering kan vises i et stereonet, hvor polen til sprækkeplanerne er udtegnet, eller de vertikale sprækkers strygning kan vises i et rosediagram. I rosediagrammet kan hyppigheden af sprækker med en given orientering aflæses i procent. Sprækkesystem: Et sprækkesystem er parallelt orienterede sprækker. Sprækkesystemer defineres således ud fra sprækkernes orientering. I et stereonet vil et sprækkesystem blive udtegnet samlet. Ikke systematiske sprækker udtegnes spredt i stereonettet. Sprækkeafstand: Er den gennemsnitlige afstand vinkelret på et sprækkesystem. Sprækkens skæring med andre sprækker. For de vertikale sprækkers vedkommende er det beskrevet om de skærer de horisontale sprækker, og om de skærer flere af dem.

Sprækkefladebelægning: Det er registreret hvorvidt sprækkefladerne har en belægning af jernoxider og/eller manganoxider. Termografi Til infrarød termografi undersøgelserne, der er foretaget i Sigerslev kridtbrud, er anvendt et AGEMA 550 håndholdt kamera. Det er et digitalt kamera der kan registrere temperaturer fra 20 C til 1000 C med en nøjagtighed på ±2%. Undersøgelsen er foretaget en kold vinterdag lige før solopgang for at få en så ensartet baggrundstemperatur fra kridtvæggene som muligt. Det forholdsvis varme grundvand vil i dette scenarie fremstå som relativt varme partier, hvor det siver ud på overfladen. Man kunne også vælge at monitere på en varm flade om sommeren, hvor grundvandet vil fremstå som relativt kolde partier. RESULTATER Sprækkeanalyse I Sigerslev kridtbrud er der observeret 5 sprækkesystemer. Et horisontalt og 4 subvertikale. De horisontale sprækker kan hælde op til 4, men omtales som horisontale. De subvertikale er enten lodrette eller hælder mere end 75, og de bliver herefter omtalt som vertikale sprækker. De horisontale sprækker er et dominerende indslag i bruddet, idet de har en sprækkesporslængde på mere end 20 m. Den gennemsnitlige sprækkeafstand for de horisontale sprækker er ca 35 cm. Sprækkeafstanden aftager gradvist opefter. I de 9 øverste meter under moræneleret aftager afstanden hurtigt, og lige under moræneleret er kridtet knust. Figur 3. Orientering af alle målte vertikale sprækker. De vertikale sprækker kan opdeles i 4 systemer, der stryger i 30, 60, 145 og 175 (fig. 3). De horisontale sprækker opdeler kridtet i mekaniske lag, og de vertikale sprækker kan kategoriseres som enkeltlags- eller flerlagssprækker, alt efter om de er begrænset til et mekanisk lag, eller om de skærer flere lag. I hydraulisk henseende har flerlagssprækkerne en større konnektivitet end enkeltlagssprækkerne og må forventes at have en større betydning for det hydrauliske system. Orienteringen af flerlagssprækker er primært i 30 og 175, og enkeltlagssprækkerne er hyppigst repræsenteret i 145 retningen (fig. 4).

Figur 4. Orientering af vertikale flerlagssprækker og enkeltlagssprækker På en del af de undersøgte sprækkers sprækkeflader var der belægninger af jernoxider og manganoxider. Disse belægninger indikerer, at sprækken har været vandførende. Orienteringen af sprækker med belægnninger på sprækkefladerne er primært i 30 og 175, hvorimod sprækker uden belægning er lidt mere spredt orienteret, med et maximum i 145 (fig. 5). Figur 5. Orientering af vertikale sprækker med fladebelægni ng af jernog manganoxid. I bunden af bruddet er der i små vandpytter og søer set indsivende grundvand som laver kratere og vulkanlignende toppe i mudderet på bunden af søerne. Disse udsivningskratere ligger på linie og markerer derved hydraulisk aktive sprækker. Orienteringen af disse sprækker er ca. 30 (fig. 6). Termografi I kridtbruddet er der foretaget termografiundersøgelser på en nordlig og en vestlig væg i den nordlige del af bruddet i et niveau mellem kote +10 m og +20 m. Der er ligeledes foretaget undersøgelser i den dybe del af bruddet på den nordlige og vestlige væg mellem kote 20 m og 0 m (fig. 7). De østlige og sydlige vægge kunne ikke undersøges, idet de ikke var blottede. Figur 6. Orientering af hydraulisk aktive sprækker

I begge niveauer er der højere temperaturer på de nordlige vægge end på de vestlige vægge, og de højeste temperaturer på de nordlige vægge ses i den nederste del af væggen. I det nederste niveau er de højeste temperaturer registreret, hvor man direkte kan se grundvand sive ud. I denne del ser man ligeledes, at udsivningen sker i punkter. Disse punkter er blevet identificeret som skæringer mellem vertikale sprækker og horisontale sprækker. Termografien viser således, at den indstrømning der sker i kridtbruddet, hovedsageligt sker fra de nordlige vægge. Figur 7. Termografimålinger på bruddets vægge. Forbeliggenhed se fig. 1. Konceptuel strømningsmodel Orienteringen af de vertikale flerlagssprækker, de vertikale sprækker med belægninger og de vertikale hydraulisk aktive sprækker er i 30 og 175 d.v.s. i NNØ lig retning (fig. 8). Disse sprække data indikerer, at der er en foretrukken strømning-sretning i NNØ SSV lig retning. Termografi under-søgelserne underbygger denne hypotese, idet den viser større indstrømning fra de nordlige and fra de vestlige vægge. Denne retning, der er forårsaget af grundvandssænkningen i bruddet, er parallel med kysten og vikelret på den generelle strømningsretning mod kysten. Figur 8. Konceptuel strømningsmodel for for skrivekridtet ved Sigerslev kridtbrud.

Denne stærkt anisotropiske kystparallelle strømningsretning kan forklare, at der ikke er sket nogen saltvandsindtrængning i bruddet, trods grundvandssænkningen til kote 20 m. Opskalering For at kunne opskalere et sprækkesystem, der er opstillet på en given lokalitet, kræves det at sprækkesystemet kan reproduceres i en hel region. Det betyder at dannelsesmekanismen for spræk-kerne skal være den samme i hele regionen. Af denne grund er der opstillet en tektonisk model for regionen, som forklarer dannelsen af de enkelte sprækkesystemer, og dermed giver en bedre forståelse for hvilke sprækker, der har betydning for strømningsmønsteret. Hele regionen har været udsat for hævning og erosion i Neogen, hvor 500 700 m sediment antageligt er borteroderet /6/, /7/. /8/ og /9/. De horisontale sprækker er antageligt dannet som aflastningssprækker i forbindelse med denne erosion. I sen Kridt og tidlig Tertiær sker der en inversion i Den Fennoskandiske Randzone, hvor der i forkastnings-systemerne sker et højrelateralt vrid. I Stevns området er der nord-sydgående forkastninger øst og vest for Stevns halvøen. Ved et højrelateralt vrid vil det maximale stress være i NØ- SV-lig retning (fig. 9). Når de fire vertikale sprækkesystemer relateres til dette stress kan 30 sprækkesystemet tolkes som et ekstensionelt sprækkesystem. 175 og 60 sprækkesystemerne kan tolkes som shearsprækker, hvor 175 er det bedst udviklede. Endelig kan 145 sprækkesystemet tolkes som et ekstensionelt aflastnings-sprækkesystem. Med denne tektoniske model som dannelsesmodel kan sprækkesystemerne opskaleres til at være gældende for skrivekridtet på hele Stevns. Figur 9. Tektonisk model for Stevns. På oversigtskortet er det maximale stress σ 1 angivet. På den indsatte skitse er sprækketyper relateret til stressfeltet.

KONKLUSION I skrivekridtet ved Sigerslev kridtbrud er der ved opmålinger langs målelinier erkendt 5 sprækkesystemer; et horisontalt og fire vertikale, der stryger henholdsvis 30, 60, 145 og 175. Det har været muligt ud fra sprækkeparametre indsamlet under opmålinger langs målinierne at udpege sprækkesystemer, der har større betydning for sprækkestrømningen, og som har været mere hydraulisk aktive end andre: Sprækker med større konnektivitet (flerlagssprækker) er primært orienteret i 30 og 175 Sprækker med jernoxid og manganoxid udfældninger på sprækkefladerne er primært orienteret i 30 og 175 Hydraulisk aktive sprækker observeret i bunden af bruddet stryger 30. Termografiundersøgelser har vist at de nordlige vægge har en større indstrømning end de vestlige vægge, og at indstrømningen er størst i de dybeste dele af de enkelte vægge og i bruddet. Desuden kan man på termografibillederne erkende enkelte vandførende sprækker. En konceptuel strømningsmodel er opstillet ud fra sprækkeopmålingerne og termografiundersøgelserne. Den viser, at der er et stærkt anisotropt strømningsmønster i NNØ-SSV lig retning, parallelt med kysten. Termografi har, som metode til undersøgelse af grundvandsstrømning i sprækkede medier, vist sig at være meget lovende. Den har givet et generelt billede af grundvandsudstrømning, og man har kunnet kortlægge enkelte hydraulisk aktive sprækker. Vores vurdering er, at det er en metode, der har stort potentiale i udpegning af hydraulisk aktive sprækker, og derved i optimering af grundvandsmodeller. Det er en metode, der kræver, at man har egnede profilvægge tilrådighed. Har man det, vil man dog kunne opsamle vigtig grundlæggende viden og kunne opstille konceptuelle modeller, der så kan overføres til områder, hvor man kun har boringsoplysninger til rådighed. En storskala undersøgelse kan give et godt billede af de sprækkesystemer der er styrende for grundvandsstrømningen, og det giver mulighed for at opstille en konceptuel model for en type kalkbjergart i et givet geologisk/tektonisk miljø. Denne undersøgelse er således kun en et lille bidrag til forståelsen for grundvandsstrømning i kalkbjergarter i Danmark. Der er behov for lignende undersøgelser i de øvrige kalkbjergarter, og i andre tektoniske miljøer. REFERENCER /1/ WWW.Fracflow.dk /2/ Fracflow, Final Report. Project title: Contaminant transport, moniteringtechniques, and remediation strategies in cross European fractured chalk. Contract No.: ENV4-CT97-0441 Nygaard, E. (Compiler). 2001.

/3/ IR Thermography Investigation of Preferential Flow in Fractured Chalk. Rosenbom, A, E. & Jakobsen, P.R. in prep. /4/ Maastrichttian and Danian strata in the southeastern part of the Danish Basin. Surlyk & Håkansson. In Pedersen, G.K. and Clemmensen, L.B. (Eds.), Proceedings: 19 th Regional European Meeting of Sedimentology, Copenhagen. Excursion A3. University of Copenhagen, 1999. /5/ The tectonic evolution of the Fennoscandian Border Zone in Denmark. Liboriussen, J., Ashton, P. and Tygesen, T. Tectonophysics, Vol. 137, pp. 21-29. 1987. /6/ Tertiary uplift and erosion in Skagerak, Nordjylland and Kattegat. Jensen, L.N. and Michelsen, O. Dansk Geologisk Forening, Årsskrift for 1990-199. 1992. /7/ Landhævninger i Sen Kridt og tertiær i det nordlige Danmark. Japsen, P. Dansk Geologisk Forening, Årsskrift for 1990-1991, pp. 169-182. 1992. /8/ Influence of Lithology and Neogene Uplift on Seismic Velocities in Denmark: Implications for Depth Conversion of Maps. Japsen, P. The American Association of Petroleum Geologists Bulletin. Vol. 77.2, pp. 194-211. 1993. /9/ Japsen & Bidstrup. Quantification of late Cenozoic erosion in Denmark based on sonic data and basin modelling. Bulletin of the Geological Society of Denmark vol. 46. 1999.