Alunskifer. Problemstillingar med eksempel frå nye Rv 4 Gran grense - Jaren. Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen TMT Vegdirektoratet

Transkript

1 Alunskifer Problemstillingar med eksempel frå nye Rv 4 Gran grense - Jaren Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen TMT Vegdirektoratet

2 Alunskifer krev meir enn vanleg! Forundersøkingane krev mykje meir enn tradisjonell ingeniørgeologi Handbok 021 seier ingenting om kva «meir» vi bør gjøre Problemstillinga er mineralkjemisk og geokjemisk: kor aggressiv? Kor mange m 3? Kor mykje forureining kan vi vente? Alunskifer reagerer med vatn og kan gi giftig avrenning Resipient. Vernestatus? Kor sårbar? Deponering: Hittil bare til godkjente deponi, som regel Langøya i Vestfold som eigentleg er reservert for farlegare avfall. Kostbart! Må søke både Miljødirektoratet og Statens strålevern! Også utsleppstillatelse frå Fylkesmannen, meir krevande enn vanleg Rv 4: SVV har utfordra tradisjonen og får lov til å deponere alunskifer lokalt!

3 Tema i dag: Litt generelt om alunskifer og svartskifer Eksempel: Rv 4 Gran grense Jaren - Fagleg problematikk (geologi, kjemi, vatn, avrenning m.m.) - Lokal deponering av alunskifer - Forureiningsmyndigheitene - m.m. Oppsummering vegen vidare

4 Alunskifer fører til mange problem: Alunskiferkomiteen ( ) Alunskifer varierer mykje i samansetning (pyritt, pyrrhotitt, organisk karbon/grafitt, +/-kalkspat) Oksidasjon av jernsulfida: svovelsyre, frigjør sulfationar og metall Syre og sulfatangrep på betong Korrosjon: stålrør, armering Geoteknisk: Sveller, vekst av gips er ein av årsakene Miljø: Uran, tungmetall, sur avrenning (bl.a. Jeng 1991,1992) Arbeidsmiljø - tunnel: Ikkje spesielt problematisk ved normal utlufting

5 Frisk, uforvitra alunskifer, med typisk svart kol-liknande preg Alunskifer inneholder svovel (Fesulfider) og organisk materiale (karbon). Jernsulfida er reaktive. I kontakt med luft og vatn vil det skje en kjemisk forvitring (oksidasjon). Det blir danna svovelsyre.

6 Det er viktig å handtere alunskifer riktig! Virkninger av sigevatn frå alunskiferdeponiet på Taraldrud, S. for Oslo. Eksempel på at ting er ute av kontroll (svært surt vann, ph < 2/utfelling av giftige metall) Årsak: Gjennomstrøyming av oksigenrikt vatn (ikkje tett nok)

7 Forvitra alunskifer (Slemmestad). Brune og gule utfellinger av rust og sulfater. Forvitring fører til avrenning av giftige tungmetaller, inklusive uran og arsen, samt svovelsyre.

8 Kambrium og Ordovicium i Oslofeltet NGI (2013) Alunskifer formasjonen gir størst problem = Andre svarte skifrar, kan gi avrenning

9 Lokal problemstilling nye Rv 4: Geologi i grove trekk Mænaitt m.m. i veksling med Alunskifer (5-10 %) Svartskifer 3bβ NGI (2013) Mørk kalkstein, leirskifer, svartskifer

10 Forundersøkingar på Gran Problem: svært liten blotningsgrad (< 1 %) Geologisk kartlegging (oversikt) Oppdrag E-234 A, Iversen, ) Grunnboringar - stort omfang over tunneltrase og høge skjeringar (lausmasse og 5 m ned i berg) (E. Sloreby 2005). Undersøking av borekaks, stratigrafisk plassering (Geokart AS v/ I. Rui, & B Funke 2005) Undersøking av utvalde borekaks med basis i Rui s undersøking:, utlekkingstest (ph, vasskjemi), mineralidentifikasjon (Hagelia 2005) Vannprøver/kjemisk analyse: Jarenvannet; bekker, brønnar, samt råd om deponiløysingar m.m. (v/t Dekko, Multiconsult ) Kjerneboringar (4 stk) i tunnelområdet, inklusive ingeniørgeologisk logging (Multiconsult 2010). Lithologisk logging av kjernene; stratigrafisk -geokjemisk karakterisering for samanlikning med Oslofeltstratigrafien generelt (NGI v/erik Endre, bistand frå paleontolog Fredrik Bockelie 2013: under arbeid). Hensikt bl.a. kalibrering av hh XRF for måling av utsprengt masse og «foran stuff».

11 Statens vegvesen Undersøkingar og arbeid Supplerande kaksboring 3 plassar over tunnel traseen til 20 m) Supplerande kjerneboringar (2stk) i tunnelområdet Meir detaljert geologisk tolking av geologien langs tunneltraseen (for endeleg geologisk rapport) Etablering av pumpetest i område reservert for lagring av alunskifer og svartskifer, inklusive undersøkinging av lausmasser (mineral, sorpsjon etc) og kjemiske analysar av grunnvatn (NORWAT) Utlekkingsforsøk ved UMB (to MSc: Halldis Fjermestad; nå SVV og Tari Helmers)

12 Statens vegvesen Alunskifer i felt Frå Rv 4 rett nord for Gran sentrum Merk forvitring med sannsynleg størst forureiningspotensiale Frå Rv 4 lengre nord. Alunskiferlag i kalkstein (venstre) Alunskifer og mænaitt (høgre)

13 Statens vegvesen Mænaitt i veksling med alunskifer nord for Gran sentrum aust for Jaren Mænaitt har ofte utfelling av jarosittliknande mineral. Også kvite/lyse. Ikkje undersøkt Muleg syregivande

14 Statens vegvesen 2005: Statisk utlekkingstest på alunskiferkaks (ca µm) Ca 100 ml kaks fylt til 500 ml med «Geotun drikkevann» Lukka og deretter omrøring Oppnådde ikkje sterk grad av oksidasjon

15 ph Statens vegvesen Statisk utlekking: Resultat etter 42 dagar Relativt uforvitra alunskifrar og kalkstein NB! Meir forvitra alun gir ofte sterk forsuring Rv 4 Gran: ph utvikling i vatn 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Med to lokk Lufttilgang Kraftig risting /13-14m 9052/16-17m Alunskifer (etg 2?) Sotgrå kalkstein (etg 3cβ) Svartskifer (etg 3bβ ) Urein kalkstein (etg 3a) Mørk skifer (etg 4a) 0, Måletidspunkt (dagar)

16 Ca (mg/l) HCO3 - (mg/l) Statens vegvesen Relativt uforvitra alunskifrar og kalksteinar Statisk utlekking av ioner (alle i mg/liter i eluat) SO 4 2- Mest frå uforvitra alunskifer, Sulfatkilder: sulfidoksidasjon og oppløysing av sulfat (anhydritt) Anhydritt blei også påvist ved XRD SO42- (15) CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO 3 - (16) CaCO 3 + H + Ca 2+ + HCO 3 - Fe 2+ varierte mellom ca mg/l i prøver med alunskifer. Sulfidbidraget er ikkje svært stort ved ph = Ca (mg/l) Anhydrite dissolution Oppløysing av kalkspat ved CO 2 = Oppløysing av kalkspat ved syre = Sulfide dissolution SO 2-4 (mg/l)

17 Statens vegvesen 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Fe2+ utlekking: høgst i alunskifer m rustflater og i urein kalkstein (etg 3c) Fe Oksidasjon av Fe2+: Utfelling av rust gir syre Svært lite Fe oppløyst Al utlekking: tilsvarande 1,2 1 0,8 0,6 Al-frå feltspat & glimmer m.m Aukande ved låg ph (fisk) 0,4 0,2 Al 0

18 Statens vegvesen 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Cu blir bunde i alunskifer og kalkstein Cu 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Ni mest frå feit alunskifer Ni Cd Mn 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 Cd 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Mn Kadmium (Cd) under drikkevassnorm,. Arsen er også muleg, Norm = 0,010 mg/l : analysar var hittil for unøyaktige Bly var under 0,010 mg/l. Krom svært lågt < Utlekking av tungmetall også ved nøytral ph

19 NGI v/ Erik Endre har etablert ny klassifisering av alunskifer og svart skifer, basert på geokjemisk stratigrafi: Resultat Rv 4 Gran basert på stort antal prøver frå borekjerner Høgt syrepotensiale (og dermed metallmobilering): - Skifer med høg totalt organisk karbon (TOC) og svovel (S) Høgt total uorganisk karbon (TIC = karbonat) gir bufferevne

20 Eksempel NGI (2013) Vi kan bruke totalkjemisk analyse til å skille mellom ulike variantar av svart skifer

21 Grantunnelen: Sannsynlig geologisk tolking; likevel er det detaljerte forløpe usikkerheit. Mørk-lys kalkstein m/leirskifer og svartskifer (etg. 4 a) Mørk skifer (etg 3b) Mørke kalksteinar mm (etg. 3c) Må til deponi: (ref. NGI 2013) Svartskifer: ev ein viss type (Galgebergleddet 3bβ) Alunskifer

22 Alunskifer og svartskifer Alunskifer (2-3a) har mikroskopisk kis Svartskifer (3bβ) har ofte innslag av store pyrittkorn Mindre reaktiv enn mikroskopisk

23 Svak og forvitra alunskifer ved nordre påhoggsområde: Fare for sur avrenning: Pel 9350-Pel 9450 Kjerneboring: kjørte seg fast, samt ekstremt stort kjernetap Alunskifer

24 «Avbrutet hål» - BH 6 første forsøk (vinteren 2013) Alunskifer (etasje 2-3a) og mænaitt (lys). Ekstremt stort kjernetap

25 Det er nødvendig å analysere bergprøver kjemisk under driving mht. klassifisering Handholdt XRF Borekaks ved sonderboring Kjerneboring Supplert med/i lys av geologiske registreringar Etablere fast rutine straks vi er inne i ordinær tunneldrift. Statens vegvesen utarbeider prosedyrer, og er ansvarleg for klassifiseringa (kva som skal til deponi) Alltid i tett kontakt med entreprenør, som har behov for svar seinast straks etter at salva har gått

26 Finstoff er ei utfordring; Er også mest reaktivt NGI (2013)

27 Kort om forundersøkelser på stuff for å skille utsprengte masser Kontrolltiltak, grunnvannsbrønner, drensvann, Vigga NGI (2013)

28 Resultat frå UMB i regi av etatprogrammet NORWAT Undersøkte forureinsingspotensiale ved - Sekvensiell ekstraksjon (fleire trinn/ulike kjemiske vilkår) - Ulike ph (2 t.o.m. 8) - <2 mm kaks i varierande aggressive trinn Mineralogisk analyse utført av SVV på materialet ved Naturhistorisk museum SEIER OSS MYKJE OM KVA SOM KAN RENNE UT/ DIMENSJONERING FOR AVBØTANDE TILTAK (ANLEGG/DRIFT)

29 Ni - ekstrahert (mg/kg) Pb - ekstrahert (mg/kg) Zn - ekstrahert (mg/kg) Cd - ekstrahert (mg/kg) Geologisamling Teknologidagane 23. oktober 2013 Dimensjonerer etter ph 5, 2 timar (eks. frå H. Fjermestad) Zn - tot bergart (mg/kg) ,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Cd - tot bergart (mg/kg) 4,1 0,096 4,7 2 0,24 0,26 0,045 0,092 0,047 0,029 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Ni - tot bergart (mg/kg) 120 7, , ,5 2 1,5 1 0, Pb - tot bergart (mg/kg) 72 4, ,7 6,1 7,5 16 7,3

30 Innhald av forureinande metall: Statistikk for ulike bergartar, basert på NGI sine analysar frå Gran (v/ Halldis Fjermestad) Forslag til totalkjemisk grenseverdi (raud strek)

31 Kjemisk klassifisering: - gjer oss i stand til å avdekke kor mykje lokal kalkstein som skal til for å frikjenne blanda salver - god prosjektøkonomi trur vi, særleg med tanke på riktig utnytting av lokal deponeringskapasitet - lite plunder og heft så lenge vi avdekker kva som skal til deponi «inna salva går»

32 Deponering av alunskifer og svartskifer på Gran Bakgrunn: dumper-lass til Langøya er for dyrt - stort behov for masseutskifting av djup myr Søknad til KLIF nå MD (sendt 2012). Fekk nyleg tillatelse på 32 vilkår! Søknad radon: Undersøking viser at det ikkje er deponeringspliktig avfall : under grensa på 1 Bq/gram (NGI+IFE 2012) (søknad sendt 2012)

33 Plassering av alunskifer og annan reaktiv svartskifer i myr (kombinert med behov for masseutskifting)

34 Krav til deponi/masseutskifting: Kjemisk optimale forhold Unngå gjennomstrøyming av oksygenrikt vatn Geoteknisk stabilt (graving og fortrenging) Det skal ligge veg oppå!

35 PUMPETEST UTFØRT: Vår-sommar 2013 Ved Elisabeth Gundersen SVV Assistanse frå UMB ved N-O Kitterød, samt Trygve Dekko - Multikonsult Kjemisk analyse av brønnvatn på ulike tidspunkt Søndre tunnelpåhogg Deponiområde

36 Borekjerner frå myra (54 mm sylinder) Myrjord/torv (2-5(-7)m) Marin siltig leire med lokale innslag av sand (4-12 m) Morene nederst (ofte).

37 Hovudresultat frå pumpetesten Torva viser ikkje nemneverdig lateral vanntransport Innslag av permeble lommer av sand, neppe kommunikasjon Nedre lag (berg +/- morene) fører mest vatn: Ikkje artesisk!! Gradienten går til ein viss grad frå berg mot overflate Dette er ein fordel, fordi grunnvatnet i berg er reduserande! Topografiske forhold gir ikkje direkte avrenning ut til resipient (elva Vigga); myrområder og fjelltopografi stenger MEN, det er heilt nødvendig: - å legge alunskifermassen under minste grunnvasstand (kote 203 m) - Sørge for at overvatn renner godt til side for sjølve deponiet

38 Reduserande forhold er viktig for og stabilisere Fe-sulfid.

39 In situ målingar dagen før pumpetesten starta. Varierer frå oks til red, men greit nok på djupet i kontakt med berg Well Depth [m] Depth below (Aproximatley) watertable [m] Temprature [C] ph O2 consentration [mg/l] O2 saturation [% O2] ORP (Redox) [mv] Conductivity [ms] Turbidity [NTU] 1 6 0,67 5,97 7,66 2,92 24,9 190,4 0,53 0, ,65 5,84 7,52 0,45 3,9 33,2 0,62 220, ,12 6,63 6,75 0,46 4,2 129,9 0,83 256, ,20 6,80 7,54 6,46 58,0 15,9 0,63 136, ,92 6,36 7,51 0,43 4,0-273,0 0,72 0, ,58 6,30 7,25 4,78 42,4 226,0 0,63 247, ,57 5,99 8,96 1,03 9,1-152,3 0,82 0,8 4b 6 0,78 6,13 7,00 4,07 36,0 143,5 0,69 44, ,94 5,74 7,30 3,78 32,7-64,8 0,66 4, ,94 5,46 7,03 1,04 8,5-172,0 0,73 44, ,18 6,48 7,70 9,95 88,8 256,0 0,54 3, ,18 5,31 7,17 1,38 12,0 261,4 0,73 57, ,68 4,86 6,49 1,23 10,5 98,6 0,55 3, ,67 5,02 6,53 0,41 3,5 50,6 0,62 205, ,17 6,54 6,45 1,07 9,1 87,8 0,62 12, ,16 6,40 6,52 0,34 3,0 50,2 0,70 11, ,56 6,40 7,46 4,29 36,6 147,8 0,62 17, ,57 6,08 7,35 0,42 3,7-19,5 0,70 113,9 10 * * * * * * * * * 11 * * * * * * * * * 12 * * * * * * * * * ,98 5,28 7,24 0,99 0,6-277,7 0,73 1, ,14 5,46 7,25 0,46 4,0-313,7 0,74 287,0

40 Redoksprofil i 54 mm sylinder in situ målingar Lokalt låg ph i torv (2-3 m djup) Torv Innslag av silt i torv Siltig leire Lokalt låg ph i torva pga myrsulfid : skal ikkje i kontakt med deponert alun

41 In situ eigenskapar vs stabilitet av svovelkis (FeS 2 ): Miljø i kontakt med atm Nedre stabilitet av Fe 3+ Regn/bekker Torv Gran in situ Gran in situ Silt/leire Gran in situ Djupt grunnvatn Gran in situ Vatn frå fjell vil vere på trygg side. Neppe problem med Fe 3+ oksidasjon av sulfid (som er svært syregivande)

42 Vi vil oppnå permanent reduserande forhold: Svart pil viser venta effekt av skjerming mot oksygenrikt overflatevatn i kombinasjon med innblanding av djupt grunnvatn (redusert). Oppnår stabilitet av sulfid ved Eh = -200 mv til -300 mv ph = (5) 7-8

43 Det bør vere muleg å deponere andre stader også, MEN: Alunskiferen på Gran er noko snillare enn f.eks i Oslo Stort behov for analysar/dokumentasjon av lokal alunskifer Lokal deponering er avhengig av at ein lagrar skiferen slik at ein unngår oksigenrikt vatn. IKKJE alle stader er eigna for deponering (topografiske forhold, kvartærgeologi, etc)

44 Konklusjonar om handtering av alunskifer: Tverrfagleg arbeid er heilt nødvendig Også med tanke på overvaking i driftsfasen Vi ser nok etterkvart eit behov for ei ny handbok Takk til: - Trygve Dekko Multiconsult - Ei framifrå og vaken prosjektleiing på Gran, kanskje spesielt Jon Kvisberg og Anne Brit Moen! - Elisabeth Gundersen Geoteknikk og skredsekjsonen - Live Hesthagen miljøkoordinator Region Øst - NORWAT, som tok utfordringa på strak arm og knytta nye kontaktar (UMB Ås og CERAD) - Erik Endre NGI - Nils Otto Kitterød - UMB - Halldis Fjermestad Tunnel og betongseksjonen - Men fleire andre var med, bare spør!