Deponering av gruveavgang i Førdefjorden eksperimentelt arbeid med rasvinkler i deponi.

Transkript

1 Deponering av gruveavgang i Førdefjorden eksperimentelt arbeid med rasvinkler i deponi. Utarbeidet av Astri Kvassnes, Norsk institutt for vannforskning (NIVA). Sammenfatning. Målsettingen med avgangsdeponier på dypt vann er at avgangsmaterialet ikke skal influere på vannkvaliteten i øvre vannlag (0-100 m), og dette er prinsipielt viktig. Om man deponerer avgangen sammen med noe av finfraksjonen, så vil man få den laveste rasvinkelen og mange små ras, heller enn store ras. Dermed vil man få et flatere deponi som kan bre seg som en radiell halvkjegleformet vifte i bassenget. Dette er basert på tankeksperimenter med avgang tilsvarende avgangen på Engebø. Avgangsrøret bør ikke munne grunnere enn på 100 meters vanndyp for å unngå brukerkonflikter knyttet til de øvre vannlag. Submarin avgangsplassering ved Engebøfjellet, Sogn og Fjordane Førdefjorden utenfor Engebøfjellet har en klassisk U-formet tverrprofil, med svært bratte sider og en flat bunn med en lav terskel mot havet, et stabilt sprangsjikt og svake langsgående strømninger langs bunnen. Alt dette gjør at forholdene ligger til rette for avgangsdeponering i sjøen. Når det i tillegg er klart at avgangsmassen har lavt innhold av tungmetaller og sulfider er dette også noe som taler for at et submarint avgangsdeponi kan være miljøakseptabelt. Ideen bak avgangsdeponier på dypt vann er at avgangsmateriale ikke influerer på vannkvaliteten i øvre vannlag, og dette er prinsipielt viktig. Dette innebærer ingen brukerkonflikt knyttet til de øvre vannlag. Tilførselen av gruveavgang til dypbassenger skjer vanligvis via rør som leder avgangen i suspendert form til et nivå signifikant lavere enn sprangsjiktet i vannmassen, gjerne fra 100m dyp eller enda dypere. Rørene må kunne motstå friksjon fra avgangsmassene. Dette er en spesiell utfordring i forbindelse med Engebøprosjektet ettersom avgangen inneholder granater med stor hårdhet (med mindre granaten tas ut som ressurs). Avgangen er ganske granulær og det grovere materialet har lite storkornige sjiktmineraler eller nåleformete mineraler i seg, sett under lupe. Det bemerkes at en utførlig kornformsanalyse er en del av prosjektet om Effekter på fisk i konsekvensutredningen og vil finnes der. 1

2 Figur 1: Turbidittstrømmer i Rupert Inlet, Canada. A: Man ser kanalen der det vanligvis går turbiditter (pil), de sorte flekkene er fisk. B: Kanalen er fylt opp med turbidittstrømmen. C: Mot kollapsen av turbidittstrømmen, massene går over bankene på sidene av kanalen. I henhold til deponeringsmetoder kan faktisk små, hyppige ras muligens være det mest skånsomme, siden de ikke medfører omfattende skader (f.eks. flodbølger). Deponeringsmetode hvordan blir en vifteavsetning i forhold til en kjegleavsetning? I figur 2A sees en submarin vifte slik de opptrer langs kontinentalrendene. Deltaet er en halv flatliggende kjegle med kanaler i, der tunger av sedimenter bygger seg utover på en radiær måte. Den maksimale stabilitetsvinkelen beror på sammensetningen av sedimentene. Kanaler med banker ( levees ) på sidene fordeler sedimenter utover på den relativt flate bunnen. Sedimenter avsatt av turbiditter får ofte en klassisk Bouma -sekvens, der man har en omvendt gradient av materialet, de groveste kornene bringes til toppen av strømmen, med fine leirlag imellom. Det er kjent at disse massestrømmene (turbidittstrømmer) som skjer langs kontinentalrendene kan få en hastighet på opp til ~30km/t. Ved deponering i Førdefjorden vil det være en fordel om avgangen distribueres i disse kanalene utover i fjorden. I figur 2B sees en skisse av situasjonen som oppstår ved en kjegleavsetning ved fritt fall av sedimentene. De underliggende sedimentene i fjorden har mye silt og leire (40-50% er <4µm, Aarseth et al., 1989), og er dermed lite motstandsdyktige mot erosjon. Disse vil dermed bli gravd ut i senter av disse kjeglene og man får istedenfor en ringformet avsetning der det vil rase ofte. Om de finkornete sedimentene virvles opp i vannmassene kan dette gi økt turbiditet i bunnvannet. 2

3 Rasvinkler og ras hva er kjent fra naturen? I motsetning til avsetninger på land vil ikke sedimentavsetninger under vann kunne være stabile med særlig høye vinkler. Fjorder generelt Figur 2A: Submarin vifte på en kontinentalrand. (Thurman, 1997.) Ved Engebøfjellet vil det istedenfor daler være rør og kontinentalranden er erstattet av bratt fast fjell. har gjerne ekstremt flate bunnprofiler, 0,3 helning eller flatere er ikke uvanlig i store områder, avgrenset av terskler. De flate områdene er hovedsakelig dannet ved avsetning av leire og silt, mens tersklene er morener med til dels svært usortert hardpakket materiale (Aarseth, 1997). Det er kjent at kontinentalranden Figur 2B: Skisse av tverrsnitt til en utenfor Alaska, som er et seismisk deponeringskjegle. Man vil få erosjon av sedimenter aktivt område, raser periodisk i i midten av kjeglen, dette kan gi turbiditetsproblemer i vannmassen. områder der det er brattere enn 1,3 (Schwab & Lee, 1988). Det er kjent fra det submarine avgangsdeponiet ved Rupert Inlet, Vancouver Island, Canada, at turbidittstrømmer gikk hver 2de til 5te dag under driften av Island Copper Mine (Hay, 1982, 1984), figur 1. Det berømte Storeggaraset gikk i et område på norsk sokkel som hadde en generell overflate mellom 0,5 og 1,5 vinkel (Bryn et al., 2004). Det var imidlertid en relativ bratt front med vinkel og et bakenforliggende sediment med et internt høyt poretrykk. Det at rasene skjedde i den bratte fronten av sedimentavsetningen førte til at det 150km brede raset ble satt i gang og sedimentene sviktet innover i sekvensen, noe som ga en flodbølge som rammet hele Nordsjøregionen. Eksperimentell design Tankforsøk er en anerkjent måte å undersøke om tekniske løsninger fungerer i sjø og dette har i vært mye brukt i maringeologi, oseanografi, offshoreindustri og skipsindustri. Vi har i dette studiet brukt en sedimentasjonstank som er designet for å simulere sedimentavsetninger i en U-formet tank. Denne Kongstanken ved Institutt for Geovitenskap har vært brukt til simulering av tetthetsstrømmer, deltaavsetninger og 3

4 massebevegelse, derunder rasvinkler og kornstrøm, samt mange andre typer avsetninger fra land til sjø siden 1965 (Figur 3). Arbeidet ble utført i samarbeide med Prof. Emeritus Inge Aarseth, som er spesialist på kvartære avsetninger og fjorder i Norge. Tanken er 1,16m x 3m x 70cm og har et skrått brett i den ene enden. Tanken har et vertikalt skille slik at det effektive løpet i tanken blir rundt 6-7 meter, siden strømmen går i en U-bevegelse. Vi tilsatte i overkant av 1000L vann og 40kg salt for å simulere saltvannet fra et fjordmiljø. På denne måten kan man vurdere om observasjonene fra naturlige miljøer er relevant for avgangsmaterialet fra Engabøfjellet. Resultatene gir en indikasjon på hvordan avgangen fra Engebø oppfører seg i et submarint deltadeponi. Selv om skalaen er 1:1000 (vertikalt for tank : fjord) kan mange av effektene som er forventet i en deltaavsetning av observeres og kalkuleres direkte. Optimisering og tilpassing til de mest hensiktsmessige rasvinklene og utslippsmetodene i detalj vil måtte skje fortløpende når deponiet etableres i fjorden. Rasvinkler med eller uten finfraksjon? Bør finfraksjonen deponeres sammen med den grovere fraksjonen fra avgangen? Simulering av deponering uten finfraksjon, vifteavsetning I de første forsøkene (Figur 4) separerte vi ut finfraksjonen ved å blande avgangen med saltvannet og dekantere bort det som lett ble suspendert. Når finfraksjonen er separert bort blir resten en såkalt friksjonsmasse, et sediment der kornene er i kontakt med hverandre, liknende sand. Friksjonsmasser kan være stabile i relativt høye vinkler sammenlignet Figur 3 A: Kongstanken ved UiB. Figur 3 B: Randdeltaet som er lagt opp i den ene enden av tanken. De opprinnelige sedimentene. i tanken er grov sand som fungerer som et stabilt underlag. 4

5 med kohesjonsmasser som har finfraksjonen bevart i seg. Vi brukte en trakt og et rør for å føre sedimentene ned i vannmassene, og det ble forsøkt å ikke føre med luft i røret. Figur 4: Røret der sedimentene løper ut på bunnen i tanken. Lappen er en vanlig post-it lapp for skala. Se det innsatte bildet, der de finlaminerte lagene som produseres av vekselsvis granater og pyroksener med små rester av finfraksjon imellom. Sedimentene ble utblandet sammen med saltvannet som allerede var i den store tanken. I disse forsøkene la den lille resten av finfraksjon seg langs bunnen og det ble lite turbiditet i vannet. Figur 5: Krypvinkel etter brudd, kornene ruller, forsøk uten finfraksjon. Se spesielt hvor den nederste delen av helningen kommer tilbake mot de originale lagene Vi fant at friksjonsmassesedimentene generelt legger seg i en vinkel på 12-15, og disse er i 5

6 denne vinkelen ganske stabile. En slik masse har et maksimalt porevolum på 20-30%, og bevegelsene skjer ved at kornene ruller. Man får en krypvinkel på 15 grader. Dette betyr at hvis man får et brudd i sekvensen (se figur 5) så restabiliseres sedimentene til 15. I disse forsøkene la den lille resten av finfraksjon seg langs bunnen og det ble lite økt turbiditet i vannet. Sedimentene vil i det naturlige miljøet etter hvert pakkes relativt hardt sammen og er forventet å få en porositet på mellom 20 og 30%. Figur 6: Sammenstilling av forsøkene med og uten finfraksjon. Bildene er orientert horisontalt og de to linjene som indikerer den stabile rasvinkelen er den samme på begge bildene. Disse er henholdsvis 15 og 10 fra horisontallinjen. Se også den økte turbiditeten i det øvre bildet. Simulering av deponering med finfraksjon, vifteavsetning Vi utførte så et forsøk der finfraksjonen ble inkludert. Man får da en kohesjonsmasse, der det ikke nødvendigvis er kontakt mellom de større kornene og man får en usortert masse som har stort porevolum. Slike masser vil gi flatere avsetninger (figur 6). Vi fant at sedimentene ga en stabil vinkel på 7-10, og en krypvinkel på 10. I disse forsøkene var det mye mer turbiditet i vannmassene, som forventet (figur 7). Forsøk med å deponere fritt i vannmassen, 6

7 Figur 7 A: Fordeling av finfraksjon i vannmassen. Sedimentviften sees i bankgrunnen (skrå skygge), bak den gjennomskinnelige skilleveggen. kjegleforsøk, uten finfraksjon Vi gjorde et forsøk med å deponere fritt i vannmassen, som en kjegle på bunnen. Vi fant at dette var vanskelig å observere, fordi det ble mye turbiditet i vannmassen siden avgangen blandet seg fullstendig med vannet. Vi så også effekten av innblandet luft i slurryen, noe som førte til omrøring i hele vannmassen. Da vi tappet ut vannet av tanken på slutten av forsøkene så vi at kjeglen var svært flat, med et erosjonsarr i midten. Figur 7B: Fordeling av finfraksjonen i forsøket der finfraksjon ikke ble forsøkt fjernet fra avgangen. Det er markert økt mengde partikler i vannet lengst borte fra sedimentviften. 7

8 Deponeringsretning og kapasitet i deponiet Den dype fjorden gir et stort volum tilgjengelig til deponering. Om man bruker de demonstrerte maksimale rasvinklene som utgangspunkt og regner ut en halvkjegle inntil fjellveggen (en vinkel i underkant av den maksimale vinkelen er mest sannsynlig), vil man få muligheten til å fylle opp fjorden på tvers med en eneste vifte Figur 8: Fjordområdet utenfor Engebøfjellet, med inntegnet basert på anslått mengde potensielt deponivifte. Viften har størst mektighet mot neset nedenfor Engebøfjellet. avgang som produseres i driftsperioden. Topp-punktet av viften mot Engebøfjellet vil ligge vel 100 meter over den nåværende fjordbunnen. Om man deponerer slik på tvers av fjorden så minimerer man muligheten for at man skal få lateral spredning av materialet til fjordområdene både vestover og østover, og minker sannsynligheten for at man deponerer over terskelen mot vest. Om sedimentene raser, vil de dermed enten rase mot den motsatte bergveggen mot sør, eller mot tersklene både i øst og vest. Dermed vil det kunne begrense uutbredelsen av avgangen også i disse retningene. Konklusjon Tankforsøk viser at avgangsmaterialet fra Engabøfjellet vil deponeres på en måte som er kjent fra naturen fra før. Rasvinklene vil være lave relativt til de som vil være forventet på land. Om man deponerer avgangen sammen med noe av finfraksjonen, så vil man få den laveste rasvinkelen og mange små ras, heller enn store ras.. Dermed vil man få et flatere deponi som kan bre seg som en radiell halvkjegleformet vifte i fjord bassenget. Avgangsrøret bør ikke munne grunnere enn på 100 meters vanndyp for å unngå brukerkonflikter knyttet til de øvre vannlag. 8

9 Tilleggsundersøkelser bruk av flokkuleringsmidler. Bakgrunn: NIVA har fulgt opp forsøkene beskrevet i ovenfor med nye forsøk ved å sammenligne deponering av avgang via rør under vann med eller uten flokkuleringsmidler. Vi har testet Magnafloc 155, varianten av Magnafloc fra Ciba som hadde best effekt i forsøkene gjengitt i delrapport #1 i konsekvensutredningen. Eksperimentell design: De eksperimentelle metodene var liknende de som er beskrevet ovenfor. Vi blandet nå en gitt mengde avgangsmateriale (nedmalt eklogitt fra Engebøfjellet) og blandet med 5 L vann tilsatt salt. Dette ble rørt sammen manuelt. Finfraksjonen i vannet ble dekantert (helt over) i et annet kar og tilsatt flokkuleringsmiddelet i forskjellige mengder i det nye karet. Dette ble rørt manuelt i noen få minutter og fnokker ble observert i alle forsøkene. Den flokkulerte finfraksjonen ble så tilbakeført til restmaterialet, rørt sammen og deponert sammen i det store karet via rør langs en skrånende helning. Karet er 3m x 1,6m og 70cm dypt. Det er en sperrevegg på langs slik at løpet tilsvarer en U. Vannet ble tilsatt salt for å komme nært forholdene man kan forvente i en fjord. Turbiditeten (steinstøvet i vannmassen) ble målt i karet både ved utslippet og i andre enden av U-løpet i karet. Å påvise hvorvidt tilsetning av Magnafloc 155 ga endring i turbiditeten var en av hovedmålene med disse forsøkene. Det skulle også undersøkes om vi kunne observere forskjell i strukturen i deponiet. Vi har også testet Magnafloc 155 i enkle blandingsforsøk i laboratoriet, der en gitt mengde avgangsmasse ble blandet med vann og gitte konsentrasjoner med Magnafloc 155. Observasjoner: Vi observerte betydelig flokkulering i alle forsøkene der Magnafloc ble tilsatt. I forsøkene beskrevet i delrapport #2 ble det brukt 4ml 0,5 % løsning av Magnafloc til 1L sjøvann og 10g avgangsmasse. Polymerdosen var trolig alt for høy og dette kan gi dårligere resultater enn lavere dose. Dosen i det forsøket var altså 1:500 Magnafloc vs avgangsmateriale, eller 2g Magnafloc per kg avgangsmasse. Vi observerte at selv i de enkle forsøkene i laboratoriet der 0,5mg Magnafloc / kg avgangsmasse (total) ble brukt var det merkbar effekt. En god effekt ble sett ved tilsats på 1mg/kg. I forsøkene i Kongstanken der 1,5mg/kg ble benyttet fant vi at det umiddelbart var betydelig lavere turbiditet nært utslippet enn i forsøket uten flokkuleringsmiddel og betydelig bedring 9

10 etter en time i hele tanken. I forhold til et utslipp av avgangsmasse på 4 millioner tonn årlig tilsvarer dette 6,25 tonn Magnafloc. I forsøkene der vi benyttet ca 7mg/kg fant vi en umiddelbar reduksjon av turbiditeten i tanken, denne mengden Magnafloc tilsvarer 29 tonn per år. Det tok bare sekunder før vi fikk en fullstendig flokkulering i finfraksjonen i blandebeholderen og det var ingen målbar turbiditet i tanken etter en time. Med den dobbelte dosen ble deponiet svært porøst og ustabilt og raste lett. Denne dosen tilsvarer 58 tonn / år. I samtale med produsenten av Magnafloc, Ciba, ble det opplyst at det bør unngås å overdosere flokkuleringsmiddelet siden det da kan forårsake ustabilitet i deponiet. Basert på disse forsøkene anbefales at doseringen av Magnafloc nedjusteres i forhold til tidligere anslag på årsforbruk på 50 tonn pr.år. 10