Ignorer kommandoer på båndet
Gå til hovedindhold
Naviger op
Log på
> Forsiden > Publikationer > Populærvidenskab > Geologi nyt fra GEUS > Kalk, sprækker og termografi - Geologi nyt fra GEUS 3, 2000

Nr.3 2000 - Kalk, sprækker og termografi

 
Geologi nyt fra GEUS nr 3 2000. - Kalk og kridt i Danmarks undergrund har i årtusinder haft vekslende betydning for samfundsøkonomien. I stenalderen var flinten i kridtet et vigtigt til fremstilling af redskaber. Siden slutningen af 1800tallet har kridtet været råstof for cementfabrikation, og kridtet er den vigtigste reservoirbjergart for olieindvinding fra Nordsøen. Kalklagene er også reservoir for grundvand. Behovet for viden om grundvandets dannelse og strømning i kalklagene har været stigende gennem mange år. Dette behov er skabt i takt med den øgede rapportering om forurening af grundvandet. De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS)

*
Bladets navn Annette Rosenbom * Peter Roll Jakobsen

Kalk, sprækker og termografi

af Annette Rosenbom & Peter Roll Jakobsen


Kalk og kridt i Danmarks undergrund har i årtusinder haft vekslende betydning for samfundsøkonomien. I stenalderen var flinten i kridtet et vigtigt råstof til fremstilling af redskaber, senere i renæssancens blev flinten brugt til bøsseflint. Siden slutningen af 1800tallet har kridtet været råstof for cementfabrikation, og kridtet er den vigtigste reservoirbjergart for olieindvinding fra Nordsøen (se GEOLOGI nyt fra GEUS nr. 2 september 2000).

Kalklagene er også reservoir for grundvand. Behovet for viden om grundvandets dannelse og strømning i kalklagene har været stigende gennem mange år. Dette behov er skabt i takt med den øgede rapportering om forurening af grundvandet og ønsket om at kunne håndtere de nuværende og fremtidige forureningsproblemer, som truer drikkevandet.


Kort over udbredelsen af kalkmagasiner og vandværksboringer i Danmark

Figur 1. Kort over udbredelsen af kalk magasiner i Danmark og vandværksboringer, hvorfra der indvindes drikkevand fra kalkmagasinerne. Cirka en tredjedel af den danske drikkevandsforsyning hentes via disse boringer. Det er derfor vigtigt at forstå grundvandsstrømningen i kalkmagasiner for bl.a. at kunne afværge forureningstrusler.


I Danmark indvindes ca. en tredjedel af drikkevandet fra kalklag, som findes i store dele af landet ( figur 1). Kalklag udgør derfor vigtige grundvandsmagasiner i Danmark. Kalklag er i sig selv ret tætte; men da de tit er opsprækkede, kan der alligevel foregå en hurtig og relativ stor grundvandsstrømning i kalken. Det er derfor nødvendigt at kunne forstå strømningsvejene i kalklag for bl.a. at kunne sætte ind mod en forurening eller forureningstrussel.

Forskere overalt i verden har i mange år søgt at beskrive grundvandets strømningsforhold i forskellige typer af grundvandsmagasiner. Man er nået langt; men specielt beskrivelsen af strømningsvejene i opsprækkede lag volder stadig problemer.

Flerdimensionale sprækkemodeller, der tager udgangspunkt i opmålinger i felten sammen med diverse andre hydrauliske oplysninger, danner baggrunden for matematiske simuleringer af strømning af vand i sådanne lag. Det er dog ikke altid muligt at forudsige, i hvilke sprækker grundvandsstrømningen præcist foregår.
I forbindelse med et EU medfinansieret forskningsprojekt med titlen Fracflow (for mere information se: www.fracflow.dk) har GEUS afprøvet en ny metode til at forstå og belyse grundvandsstrømning i opsprækket kridt, nemlig termografi. Termografiundersøgelserne er udført i Sigerslev Kridtbrud (hvortil der velvilligt er givet adgang af Faxe Kridt A/S), og de er kombineret med opmåling af de sprækker, der er synlige på væggene i bruddet (figur 2 og 3).
Undersøgelserne danner basis for en strømningsmodel for området omkring Sigerslev Kridtbrud; men kan modellen anvendes i hele Stevnsområdet? For at forsøge at besvare dette spørgsmål er der opstillet en tektonisk model for hele Stevnsområdet.

Sigerslev Kridtbrud

Figur 2. I forbindelse med et EU medfinansieret forskningsprojekt (Fracflow) har GEUS søgt at belyse grundvandets strømning i et opsprækket kalkmagasin bestående af kridt. Sigerslev Kridtbrud ligger på Stevns umiddelbart ud til Østersøen. Her er der blevet udført sprækkeopmålinger samt, som noget nyt, termografiske undersøgelser. Resultaterne er blevet brugt til at opstille en strømningsmodel i skrivekridtet omkring Sigerslev Kridtbrud.



Sprækker

Faxe Kridt A/S kridtbrud ved Sigerslev på Stevns *
Figur 3. Faxe Kridt A/S kridtbrud ved Sigerslev på Stevns. Der opmåles sprækker i forbindelse med det EU støttede projekt "Fracflow". Projektet går ud på at undersøge opsprækket kridt med hensyn til strømning af grundvand gennem sprækkerne.

I Sigerslev Kridtbrud ( figur 3) er kridtlagene blottede i lodrette vægge og visse steder også i bunden af bruddet. Dette har muliggjort en detaljeret opmåling af sprækker fra kote 30 m o.h. til 20 m u.h. (kote +30 m til kote -20 m)

Formålet med opmålingen af sprækker er bl.a. at finde ud af, hvor tæt opsprækket kalken er, hvilke typer af sprækker, der forekommer, at bestemme deres rumlige fordeling, deres udstrækning og forholdene mellem sprækketyperne.
Sprækkerne er beskrevet med hensyn til placering, orientering, størrelse, og hvorvidt der er belægninger på sprækkefladerne. Belægninger på sprækkefladerne tyder på, at der har strømmet meget iltholdigt vand i sprækkerne.

Sprækker kan efter orientering opdeles i sprækkesystemer. I Sigerslev Kridtbrud er der bestemt fem sprækkesystemer: et vandret og fire stejle.
De vandrette sprækker kan oftest følges mere end 10 m og skærer horisonter med flintlag uden at ændre retning. Flintlagene markerer mindre banker i skrivekridtet.
Afstanden mellem de vandrette sprækker aftager opad fra 40 cm til 20 cm ( figur 4).
De øverste ca. 6 meter af kridtet under det overliggende moræneler er tæt opsprækket; øjensynlig som følge af det tryk, som vægten af istidens gletschere i området har påvirket kridtet med.

De fire stejle sprækkesystemers orientering er: 25°, 60°, 145° og 175°. De stejle sprækker er opmålt langs afmærkede vandrette målelinier i kridtgraven ( figur 2).

De stejle sprækkers længde i profilet varierer fra 20 cm til mere end 20 m. De vandrette sprækker deler kridtet op i en slags mekaniske lag. De stejle sprækker kan derfor inddeles i tre grupper efter hvor mange lag, de skærer ( figur 6): flere lag, et enkelt lag eller indenfor et lag.

Afstanden mellem de vandrette sprækker bliver mindre opad i kridtlagene * Sprækkeflade med belægning af jernoxider

Figur 4. Afstanden mellem de vandrette sprækker bliver mindre opad i kridtlagene. De øverste 6 meter af kridtlagene er tæt opsprækkede som følge af knusning af en gletscher i sidste istid.

Figur 5. På billede ses sprækkeflade med belægning af jernoxider (rust).



Vandrette sprækker, som opdeler skrivekridtet i lag

Figur 6. Billede af kridtvæggen viser de vandrette sprækker, som opdeler skrivekridtet i lag. Desuden ses stejle flerlagssprækker og enkeltlagssprækker.


Flerlagssprækkerne forbinder flere sprækker end enkeltlagssprækkerne og vil dermed også kunne have større betydning for grundvandets strømning. Flerlagssprækkernes foretrukne orientering er nord-nordøst syd-sydvest ( figur 10).

På en del sprækkeflader er der belægninger af jernoxider og manganoxider ( figur 5).
Belægningerne er afsat over tid fra iltholdigt grundvand og viser derfor, at grundvandet har strømmet gennem sprækken. Sprækker med belægninger har ligeledes en nord-nordøstlig syd-sydvestlig retning ( figur 10). I bunden af kridtgraven siver der vand op fra sprækker også med en nord-nordøstlig syd-sydvestlig retning (figur 7 og 10).

Udstrømmende vand fra sprække i sø i bunden af kridtgraven *
Figur 7. Billede af udstrømmende vand fra sprække i sø i bunden af kridtgraven. Bunden af søen er dækket af kridtslam, og det udsivende vand danner kratere i slammet.


Termografi

For at finde ud af i hvilke sprækker, der strømmer grundvand, er vandets temperatur, som noget nyt, brugt som sporingsmiddel (tracer). Dette kan lade sig gøre, hvor kridtbruddet er gravet ned under grundvandsniveauet i omgivelserne. Da grundvandets temperatur er forholdsvis konstant hele året (ca. 8°C), er det muligt v.h.a. et infrarødt kamera (IR-kamera) at tage "temperaturbilleder" (termografi), som viser, hvor grundvandet siver ud fra en enten varmere eller koldere vægoverflade i kridtbruddet. Med andre ord udnyttes den vejr- og årstidsafhængige temperaturforskel mellem kridtvæggenes overflade og grundvandets konstante temperatur til at bestemme udstrømningen af grundvand fra sprækkerne i kridtbruddets vægge.

Termografiske billeder der viser, at de sydvendte vægge er varmere end de østvendte vægge

Figur 8. Termografiske billeder af to hjørner i kridtbruddet set fra sydøst. Det øverste billede viser niveauet A (svarende til kote 0 til 20 m) og det nederste niveau B (svarende til kote -20 til 0m). Billederne er taget en kold vinter morgen, hvor det forholdsvis varme grundvand siver ud på de kolde kridtvægge. Billederne viser, at de sydvendte vægge er varmere end de østvendte vægge, og at grundvandsstrømning til kridtgraven derfor er størst fra de sydvendte vægge


Tidsserier af termografiske billeder

Figur 9. Tidsserier af termografiske billeder af den sydvendte væg ved kridtbruddets søer (niveau B) under injektion af koldt vand i boring 1 (øverste billedserie) og 2 (nederste billedserie). På hvert temperaturbillede er arealer, hvor temperature er under 16°C, markeret med en farve. Disse arealer illustrerer det udstrømmende kolde vand på kridtvæggens overflade. For at kunne sammenholde den tidsmæssige ændring i temperaturen er arealer med temperaturer under 16°C videreført til næste temperaturbillede i billedserien. Der ses en minimal og tidsmæssig sen udstrømning af det kolde vand på væggen ved injektion i boring 1, hvorimod injektionen i boring 2 resulterer i en hurtig og markant udstrømning på væggen. Disse to vidt forskellige udstrømningsmønstre viser, hvor kompleks sprækkestrømning er. Forklaringen på den store forskel kan være, at to store stejle sprækker skærer boring 2.


En kold vinter morgen, hvor solen endnu ikke var stået op, blev to nordvestlige hjørner i kridtbruddet fotograferet med IR-kamera ( figur 2). Hjørnerne, hvor kridtlagene var helt blotlagte, repræsenterer to niveauintervaller: Niveau A, øverst (kote 0 til 20 m) og B, nederst (kote -20 til 0 m). Resultatet af undersøgelsen ( figur 8) viser generelt:

· at de sydvendte vægge er varmere end de østvendte vægge.
· at niveau A er koldere end niveau B.

Dette stemmer overens med, at det forholdsvise varme grundvand især strømmer ned mod bunden af bruddet på grund af den oppumpning og grundvandssænkning, der finder sted. Siden temperaturen af de sydvendte vægge er højere end de østvendte vægge må der tilføres mere energi til dem. Dette peger på en større udstrømning af det forholdsvise varme grundvand fra de sydvendte vægge end de østvendte vægge. En sammenkædning af denne iagttagelse med, at især flerlagssprækker med orienteringerne 25° og 175° har belægninger, er et godt tegn på, at det er disse sprækker, som styrer grundvandets strømning i dette kridtmagasin.
Termografier kan også vise, i hvilke sprækker grundvandsstrømningen foregår: På en varm sommerdag blev den sydvendte væg ud mod søerne i bruddets bund (niveau B) undersøgt v.h.a. termografi. To boringer (boring 1 og 2, figur 2) et stykke bag kridtvæggens overflade blev fyldt med koldt vand, hvorved vandstanden i kridtet blev hævet. Vandet søgte ud til kridtvæggens overflade via sprækker. Den temperatur-ændring, det kolde udsivende vand forårsagede på overfladen, blev illustreret med IR-videokamera og kunne yderligere følges over tid. På figur 9 ser man en minimal og tidsmæssigt sen ændring af væggens temperatur ved injektion af vand i boring 1 og en hurtigere og markant ændring ved en tilsvarende injektion i boring 2. Denne forskel i udstrømningsmønster viser, hvor kompliceret strømningen er i opsprækkede lag. Dog viser sprækkekarakteriseringen, at to store stejle sprækker med belægning og orienteringer mod nord- nordøst syd-sydvest krydser boring 2, og at tilsvarende sprækker ikke krydser boring 1. Dette kan være forklaringen på den store kontrast i udstrømningsmønster, og hvornår det kolde grundvand siver ud på overfladen i de to situationer. Ved injektion af vand i boring 2 muliggør de to sprækker, at vandet hurtigt strømmer ud til kridtvæggens overflade, hvor det primært siver ud på de horisontale sprækker. Med tiden mættes kridtlagene omkring boring 2, og vandstanden begynder at stige i kridtvæggen, hvorfor der efter 60-70 minutters injektion ses en kraftig udstrømning af vand fra horisontale sprækker længere oppe i profilet. I boring 1 haves der ingen "motorveje" til kridtvæggens overflade, hvorfor udstrømningen af vandet forsinkes og minimeres betydeligt.

Termografien har vist sig at være et godt og brugbart redskab til at illustrere, hvor kompleks grundvandsstrømningen i dette kridtmagasin er; men at der alligevel er en form for systematik i det overordnede strømningsmønster. Koblingen mellem sprækkekortlægningen og termografien har belyst grundvandsstrømningen i det opsprækkede kridtmagasin på en helt ny måde.


Strømningsmodel

Ved at kombinere sprækkedata fra opmålinger med termografidata er der opstillet en model for grundvandsstrømning i kridtmagasinet. Den samstemmende orientering af flerlagssprækkerne, sprækkerne med belægninger og sprækkerne i bruddets bund, hvorfra der strømmer vand, peger alle på en strømning mod syd-sydvest i det undersøgte område. Denne strømningsretning bekræftes af termografiundersøgelserne, hvor de sydvendte vægge (om vinteren) er varmere og dermed gennemstrømmet af mere grundvand end de østvendte vægge. Den generelle strømningsretning i kridtlagene må, i den nuværende situation med kunstig sænkning af vandstanden i søerne, være mod syd-sydvest ( figur 10).

Strømningsmodel for Sigerslev kridtbrud

Figur 10. Strømningsmodel for Sigerslev kridtbrud. Modellen er baseret på sprækkekortlægning og termografi. Fra sprækkekortlægningen vides, at sprækker med belægning og flerlagssprækker hovedsagelig har en nord-nordøstlig syd-sydvestlig orientering, samt at vandførende sprækker kridtbruddets bund har samme retning. Fra termografierne vides, at de sydvendte kridtvægge er mere vandførende end de østvendte kridtvægge. Disse resultater viser, at den dominerende strømningsretning i den nuværende situation med kunstig afsænkning af vandstanden i søerne er mod syd-sydvest (se pilene på figuren).



Opskalering

Strømningsmodellen er opstillet for Sigerslev Kridtgrav. Spørgsmålet er nu, om denne model gælder for hele Stevns eller blot beskriver forholdene i og omkring kridtgraven. Hvis modellen skal kunne opskaleres til en større del af Stevns, kræver det, at de geologiske forhold, der har dannet sprækkerne også er gældende her.

De vandrette sprækker, der kan følges indenfor ret store arealer, tolkes til at være dannet ved aflastning, idet der i løbet af de sidste 24 mill. år er borteroderet 500 til 750 m overliggende sedimenter på Stevns. Da dette gælder for hele Stevns, må de vandrette sprækker antages at være tilstede i skrivekridtet på store dele af Stevns.

De stejle sprækker er antagelig dannet i forbindelse med tektoniske hændelser.
En overordnet tektonisk model er vist i figur 11. På Stevns er grænsen mellem Kridt/Tertiær (grænsen mellem skrivekridt og bryozokalk) foldet. Foldeakserne ligger nogenlunde parallelt i nordvest-sydøstlig retning. Ved roden af Stevns halvøen og i havet øst for halvøen er der nord-syd gående forkastninger. Foldernes orientering i forhold til forkastningsmønsteret tyder på, at der er sket en vridning mellem forkastningerne (sideværts bevægelse). Denne tektoniske hændelse må have fundet sted senere end aflejringen af bryozokalken, fordi denne indgår i folderne. Hændelsen hænger antagelig sammen med en nord-syd rettet sammenpresning i forbindelse med Alpernes dannelse og skyldes derfor i sidste ende kollisionen mellem den afrikanske og den europæiske kontinentalplade. De stejle sprækker i Sigerslev med orienteringen nord-nordøst syd-sydvest tolkes i denne tektoniske model som ekstensionssprækker ( figur 11).

Tektonisk model for Stevnsområdet

Figur 11. Tektonisk model for Stevnsområdet. Den tektoniske model er baseret på strukturerne på Stevns. På Stevns er grænsen mellem skrivekridt og bryozokalk foldet. Foldeakserne ligger nogenlunde parallelt i nordvest-sydøstlig retning. Ved roden af Stevns halvøen og i havet øst for halvøen er der nord-syd gående forkastningslinier. Foldernes orientering i forhold til forkastningsmønsteret viser, at der er sket en sideværts bevægelse med et vrid mellem forkastningerne. Ved en sideværts bevægelse langs to forkastninger sker der en deformation mellem dem, således at en oprindelig cirkulær form bliver elliptisk. I ellipsens længderetning sker der en strækning, og på tværs af ellipsen sker der en sammenpresning. Foldernes længderetning er parallelt med ellipsens, og sammenpresningen, der folder lagene, er vinkelret herpå. De sprækker, der dannes på tværs af deformationsellipsen, er udsat for en sammenpresning på langs af sprækken, hvilket åbner dem (udvidelsessprækker/ekstensionssprækker). Sprækkerne på langs af deformationsellipsen er udsat for strækning eller forskydning (forskydningssprækker). Orientering af flerlagssprækkerne, sprækkerne med belægninger og sprækkerne i bruddets bund, hvorfra der siver vand, er i nord-nordøstlig retning og tolkes på baggrund af den tektoniske model som værende ekstensionssprækker.


Med baggrund i bl.a. den tektoniske model ( figur 11) antages både de horisontale og de stejle sprækker at have regional udbredelse, sådan at sprække- og strømningsmodellen kan opskaleres til at omfatte kridtlagene i hele Stevns området.

Denne sprække- og strømningsmodel vil, når den indgår i matematiske modeller give et mere realistisk billede af grundvandsstrømningen og dermed være et bedre værktøj til afværgelse af en forurening eller forureningstrussel fra overfladen.


Kalk, sprækker og termografi - Geologi nyt fra GEUS 3, 2000