Kritiske faktorar ved deponering: E18 Lillesand og Rv 4 Gran grense - Jaren

Transkript

1 Kritiske faktorar ved deponering: E18 Lillesand og Rv 4 Gran grense - Jaren Per Hagelia Tunnel og betongseksjonen Vegdirektoratet

2 Utfordringar i korte trekk Å vite kva som må deponerast (kor kjem forureininga frå?) Å finne fram til pålitelege klassifiseringsmåter Å finne riktig lokalisering av deponi Å handtere masse på miljømessig riktig måte i anlegget Å tette deponiet på hensiktsmessig måte Eksempel 1: E18 Lillesand Eksempel 2: Rv 4 Gran grense Jaren Sentral problematikk: faglege utfordringar, planarbeid & kontrakter Det som går til deponi er alltid eit geologiske materiale. Minerala i bergartane avgjer kva som renner ut.

3 Kort om utfordringar knytta til miljøkrav frå Fylkesmannen, Miljødirektoratet og Statens strålevern Avrenning miljøgifter og partiklar Behov for geologi, mineralogi, geokjemi og vatn krevande forundersøkingar og gjennomføring Klassifisering, verktøy m.m. Ikkje generelt over same lest. Eksempel: Rv 4 Gran grense Jaren Eksempel E18 Lillesand Tema for foredraget: Problematikk vi trenger å løyse (fagleg innhald i forundersøkingane planarbeid, kontrakter, anlegg m.m.)

4 Utfordringar knytta til miljøkrav «Nytt» om Forureiningslova: F.o.m. 1 januar 2011 er radioaktivite tatt inn Forskriften: «1. Saklig virkeområde: Forskriften gjelder forurensningslovens anvendelse på stråling fra radioaktive stoffer som er eller kan være til skade eller ulempe for miljøet». «... Gjennom forskriften gis forurensningsloven anvendelse på radioaktiv stråling og radioaktive stoffers virkning på miljø og helse. Forurensningsloven gjelder for forurensning i det ytre miljø og ikke for arbeidsmiljø». Konsekvens for Statens vegvesen: - Utsleppstillatelse frå Fylkesmannen (i praksis som før) - Må dokumentere at vi ikkje bruker radioaktivt berg i veg (> 1 Bq/gram) og i motsatt tilfelle søke Statens strålevern om løyve Miljødirektoratet følger opp Fylkesmannen i enkeltsaker. SVV må søke MD og Statens strålevern om tillatelse til lokal deponering av alunskifer o.l.

5 Avrenning miljøgifter og partiklar Sur avrenning frå svovelførande bergartar, ofte p.g.a. jernsulfid (pyritt, pyrrhotitt), men også nokre sulfat bidrar her (jarositt m.m.) Alunskifer, svartskifer og rusta sufid og sulfatførande gneisar representerer ofte hovudproblemet, på grunn av sulfidoksidasjon eller syregivande sulfat Finstoff er mest reaktivt, dvs. jo lettare bergarten fragmenterer (sprenging, anleggsverksemd) dess meir forureining Avrenning frå slike bergartar gir tungmetallutlekking (Ni, Cd, As, Cu, etc etc) også i blant uran (alunskifer, og andre) Svært mange tungmetall er bundne til sulfid og det er viktig å unngå oksidasjon ved tilgang på luft og vatn Nokre resipientar har bra bufferevne (karbonat i fleire alunskifer område); andre har lita/inga bufferevne (Sørlandet bl.a.). Sulfidoksidasjon kan pågå sjølv om det ikkje slår raskt ut på ph (ved høg bufferevne, og samtidig tilgang på oksygen)

6 Geologi, mineralogi, geokjemi og vatn Alle lokalmiljø har sine særdrag! Endeleg sikker klassifisering - til deponi eller fritt bruk - kan bare gjørast dersom ein veit kor forureininga kjem frå Geologisk feltkartlegging må fange opp viktige variasjonar mht forureinande bergartar. Geokjemi Totalkjemi til bergartane er viktig, men seier ikkje alt! Mineralogien er avgjerande, generelt viktig med fokus på: - Jernsulfid (pyritt og pyrrhotitt) - Nokre sulfatmineral (jarositt-variantar og andre sekundære) Generelt: Stort behov for geologar med lang og variert erfaring frå felt og laboratorium!

7 Klassifisering verktøy Tidlegare erfaringar med avrenning (alunskifer, rusta gneis, m.m.) Tidlegare kartgrunnlag, bergartar, mineral, petrografi Geologisk feltarbeid: alltid behov for ny detaljert kartlegging, feltanalysar (fordel med XRF), samt prøvetaking av bergartar & vatn Laboratoriemetodar - undersøking i binokular - tynnslipmikroskopering - mineralidentifikasjon (XRD og SEM) - kjemisk analyse av vatn Oppsummering : Dokumentert grunnlag for klassifisering Minimumskrav mht. klassifisering i utføringa

8 Klassifisering to eksempel Vise forskjellen mellom to typer berggrunn. Ulike geologisk historie og bergart gir ulike problemstillingar Alunskifer og svart skifer - Rv 4 Gran Jaren Basert på geokjemisk stratigrafi i Kambro-Siluriske bergartar. Det meste av svovelet er bunde til pyritt. Forvitring stort sett mot overflata Rustforvitra sulfid- og sulfatførande gneiss - E18 Lillesand Varierande bidrag frå 1) uomvandla Prekambrisk sulfidførande gneis og 2) djup gammal rustomvandling + seinare forvitra delar med jarositt ± sulfid. Tungmetall i begge minerala.

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

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

11 Alunskifer og svartskifer Alunskifer (2-3a) har mikroskopisk kis Svartskifer (3bβ) har ofte innslag av store pyrittkorn Lite reaktiv, men kan ha reaktiv mikroskopisk også

12 Lokal lagring under ferdig Rv. 4 Vi må oppnå permanent reduserande forhold i deponiet: 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 Viss ikkje kan utstrakt oksidasjon føre til uønska høge metallnivå, samt muleg utfelling av gips og svelling

13 Eksempel frå Rv 4 Gran Karakterisering av alunskifer med XRF

14 Svarte leirskifrar i stratigrafien på Gran Svarte leirskifrar i tunnelløpet: Galgebergleddet (3bβ): ROSA Alunskifer (1 3 aβ): ORANGE Geologiske profil tolka i forundersøkinga stemte ganske godt

15 XRF X-ray fluorescens Bruk av røntgenstråler til Kjemisk analyse frå Mg U n24.pdf?sfvrsn=2

16 Fordelar med XRF Handhaldt og enkel i bruk kan ta med ut i felt Gjev raske svar Kan måle direkte på steinen, utan preparering av prøva Relativt låge deteksjonsgrenser. Nøyaktigheit blir betre ved aukande analysetid. Identifiserer bergartar ved hjelp av totalkjemi Gjer det mogleg å skilje ut deponipliktige massar. Godkjent som dokumentasjon Miljødirektoratet, Statens Strålevern

17 Vurdering av XRF-resultat Syrepotensial: Svovel og kalsium Scatterplot of Ca vs S(-S i BaSO4) Bergart Alunskifer 2-3aα kalkleirskifer 3ba leirskifer 4a Svartskifer 3bβ urein kalkstein 3c Ca mg/kg S(-S i BaSO4) mg/kg Ca:S < 2 Potensielt syreproduserande

18 Vurdering av XRF-resultat Tungmetallinnhald Grunnstoff Grenseverdi (mg/kg) Deteksjonsgrenser for XRFinstrumentet sum U+Mo+As+Zn+Pb+Cu (mg/kg) Alunskifer 2-3aα sum U, Mo, As, Zn, Pb, Cu kalkleirskifer 3ba leirskifer 4a Svartskifer 3bβ U 25 5 Zn As 20 5 Cu Pb Mo 35 3 Tot tungmetall urein kalkstein 3c > NB! Nikkel og kadmium har relativt høge deteksjonsgrenser i forhold til våre krav

19 U (mg/kg) Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. september 2015 Uran U (mg/kg) Alunskifer 2-3aα kalkleirskifer 3ba leirskifer 4a Svartskifer 3bβ urein kalkstein 3c Når Bg/g > 1 er det radioaktivt avfall Radiaoaktivitetsmålingar i alunskifer frå Gran y = 96,493x + 1,2906 R² = 0, ,5 1 1,5 Bq/gram

20 Logging av kjerner & uttak av steinprøver frå stuff Kjerneboring framfor stuff (ofte ca 100 m) for å avdekke geologien Supplert med uttak av steinprøver frå stuff i områda med svartskifer og alunskifer Ferdig klassifisering Beslutning om massedisponering Prøver frå heile stuffen

21 Erfaringar Heterogene bergartar. XRF er ein overflateanalyse, og måler på små punkt Fleire målingar gir meir representative resultat for bergarten. Fleire brukarar på XRF-en. Sikre at alle har kunnskap om rett bruk, og har same prosedyre for uttak av stein. Enkle rutinar for å vurdere XRF-resultat. Klare reglar på førehand for når salva skal til deponi (masselager). Pyritt (FeS 2 )-klump i kjerne av Galgeberg svartskifer

22 Eksempel E18 Lillesand Utbygging av E18 Grimstad Kristiansand gjennom rusta sulfid og sulfatførande gneis ( ) Geologiske forundersøkingar ( ) ved Geologi og tunnelseksjonen: Resultata blei tolka til at omvandla & forvitra materiale var mest problematisk mht. sur avrenning & tungmetallmobilisering og relativt liten effekt av sulfid i frisk bergart (lågt innhald) Utbyggar valgte å legge vekt på «potensialet» i uforvitra materiale og utan vekt på forvitringa/omvandlinga Erfaring etterpå viser eksempel på at «rein stein» gir ph 4!

23 Forundersøkingar - E18 Lillesand Langedalstjenna «Historisk» forureining

24 Grove NGU trekk av Lillesand S = rusta sulfid- og sulfatførande gneis

25

26 Mineralogi versus ph- respons Lillesand Lin (Counts) d= d= d= Jarositt-FeOOH crust utan sulfid Feltprøver: ph Abrasjons-pH. Prøver frå Kirkemyr, Lillesand 5,0 ph i nedbør 4,5 4,0 Prøve 1 3,5 Prøve 2 3,0 Prøve 3 Prøve 4 2,5 ph i kjeldeområdet 2, Tid i min Lillesand File: lillesand 2.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: 1. s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 5 s - 2-Theta: Theta: Phi Operations: Background 6.761,1.000 Import 2-Theta - Scale (N) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Hexagonal - a b c alpha beta gamma Primitive - P6222 (180) (N) - Jarosite, syn - K(Fe3(SO4)2(OH)6) - Y: % - d x by: 1. - WL: Rhombo.H.axes - a b c alpha beta gamma Primitive - R-3m ( (I) - Muscovite-2M1, vanadian barian - (K,Ba,Na)0.75(Al,Mg,Cr,V)2(Si,Al,V)4O10(OH,O)2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Monoclinic - a b c alpha beta (I) - Albite, calcian, ordered - (Na,Ca)Al(Si,Al)3O8 - Y: % - d x by: 1. - WL: Triclinic - a b c alpha beta gamma Base-centered - C Frisk pyrrhotitt: ph = 4.2 Omvandla pyrrhotitt ph = Jarositt- førande rusta skorper: ph = 2.3 to 3.8 Frisk pyritt på sprekker; ph ca. 2.5 Oksidert pyritt, ph ca. 4 Sulfid-separat & omvandlingsprodukt: ph 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 Abrasjons-pH. Prøver frå Kirkemyr, Lillesand ph i nedbør ph i kjeldeområdet 2, Tid i minutter Prøve 2469 Prøve 2470 Prøve 2471 Prøve 2472 Prøve 2475 Prøve 2477 Prøve 2478 Prøve 2650 Prøve 2651 Hindar & Lydersen (1994): teoretisk ph ca 2.4 in kildeområdet i Lillesand

27 Sulfidfri omvandling med jarositt Lillesand E18 Lillesand - isotopar Lin (Counts) Jarositt d34s Langedalstjenna Bekker i fylling /204 Pb d= d= d= Theta - Scale Lillesand File: lillesand 4.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: 1. s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 7 s - 2-Theta: Theta: Operations: Background 6.761,1.000 Import (I) - Muscovite-2M1, vanadian barian - (K,Ba,Na)0.75(Al,Mg,Cr,V)2(Si,Al,V)4O10(OH,O)2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Monoclinic - a b c alpha beta (D) - Quartz, low - SiO2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Hexagonal - a b c alpha beta gamma Primitive - P3121 (152) I/Ic (I) - Jarosite - K(Fe3(SO4)2(OH)6) - Y: % - d x by: 1. - WL: Rhombo.H.axes - a b c alpha beta gamma Primitive - R-3m (166) (I) - Albite, calcian, ordered - (Na,Ca)Al(Si,Al)3O8 - Y: % - d x by: 1. - WL: Triclinic - a b c alpha beta gamma Base-centered - C d= Isotopane i vatn (sirkel) tilsvarer omvandlinga: Sulfida er oftast forskjellige (firkant)

28 Omvandling med jarositt og pyritt Lillesand Lin (Counts) d= d= Theta - Scale Lillesand File: lillesand 3.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: 1. s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 7 s - 2-Theta: Theta: Operations: Background 6.761,1.000 Import (I) - Muscovite-2M1, vanadian barian - (K,Ba,Na)0.75(Al,Mg,Cr,V)2(Si,Al,V)4O10(OH,O)2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Monoclinic - a b c alpha beta (N) - Pyrite S-deficient - FeS Y: % - d x by: 1. - WL: Cubic - a b c alpha beta gamma Primitive - Pa-3 (205) I/I (N) - Cristobalite low - SiO2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Orthorhombic - a b c alpha beta gamma Primitive - P (19) (I) - Jarosite - K(Fe3(SO4)2(OH)6) - Y: % - d x by: 1. - WL: Rhombo.H.axes - a b c alpha beta gamma Primitive - R-3m (166) (I) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: % - d x by: 1. - WL: Hexagonal - a b c alpha beta gamma Primitive - P3221 (154) I

29 Fokus på rustforvitring eller sulfid?

30 Some jarosites do generate acid Desborough et al. (2010): Welch et al.(2008), and references therein report that jarosite can be a major source of acidity in some Australian coastal soils. Jarosite can generate acid by the following reaction:.. KFe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 + 3H 2 O 3Fe(OH) 3 + K + + 3H + (H 3 O +, K) Fe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 + 3H 2 O 3Fe(OH) 3 + K to 4H + U.S. Geological Survey (2008): Results from our synthetic jarosite studies indicate that natural H 3 O-bearing jarosite (alkali-site deficient) and iron-deficient forms of natural jarosite are metastable and likely are significant factors in acid generation of some mining wastes. Jarosite is a sink for toxic metals: Stable at ph 1,5-2,5 and high Eh. Dissolves in water with higher ph leading to release of metals (Cd/Zn )

31 NORWAT: Electron microprobe analysis shows that jarosite K + was substituted by H 3 O + & Fe-deficent! H-jarosite FeOOH Degraded pyrrhotite (Fe+Al)/S (atomic %) Lillesand jarosites H-substitution (%) Notice: fine net work of hydronium substituted jarosite (ca. 20 %), FeOOH (with a little S) and degraded pyrrhotite (here no trace of sulfide left). Several of our XRD results indicate H-substituted jarosite.

32 XRF - E18 Lillesand (NORWAT ) 3 Analysane utført med XRF av Halldis Fjermestad med solid erfaring frå Gran

33 Al-S-Si skorper utfelt i strandsona ved Kaldvell: Høg U, As m.m. Måtte fjerne med trykkspyling

34 Bare ytre omvandling/forvitrings har høg S! XRD viser at ytre hud har jarositt, delvis med H 3 O + substituert for K + Ny forskning seier dette er årsak til syre!

35 «Rein stein»: XRF viser høg S i jarositt-skorper (vist med gule symbol) E18 Lillesand - Git-MGit - XRF E18 Lillesand Git-MGit XRF Mørk rust + biotitt S (ppm) Svakt forvitra Zn (ppm) glimmerrik flate svakt forvitra grå gneis Aukande omvandling aukande svovel Tungmetall er omtrent likt, men løyser seg lettare/raskare ut i materiale som er svakt og omvandla /forvitra! I dette deponiet med rein stein er det faktisk sur avrenning (ph= 4-5) Alutfelling og tungmetallmobilisering. Forklaringa ligger i at omvandlingsskorpene ikkje blei rekna med. S (ppm)

36 Stability of jarosite and Fe-sulfides in Lillesand deposits. Acid rock drainage also due to lack of safe cover. Fe 3+ J Eh ph measured in waters straight from deposits: different from stability fields of jarosite (J) & Fe-sulfides! Both are unstable! Jarosite predominates several places Saturation indices (PHREEQC) of K-jarosite and H-jarosite very negative: - 15 to -25 Suggests reductive dissolution of H,K- jarosite within the deposits.

37 Deponeringskrava er ulike for alunskifer og rustgneis Alunskifer er blitt ein juridisk bergart med strenge krav til deponering (hittil stort sett Langøya: spesialtillatelse på Rv. 4 Gran). Det har ikkje på same måte vore så strenge krav deponering av rusta sulfat og sulfid-førande bergartar, trass i at miljøproblema kanskje er vel så store! Ikkje krav om at berg frå E18 måtte kjørast til Langøya. Dvs. ope for lokale løysingar for mange ikkje juridiske bergartar

38 Deponi må vere tette! Må vere både geoteknisk og geokjemisk stabile. Det er som regel avgjerande å kunne lagre alunskifer og rusta svovelførande gneis a) under varige reduserande forhold og b) hydrostatiske forhold Der lokale topografiske og hydrologiske forhold ikkje garanterer for dette er det særleg behov for å stenge inne avfallet. Store deponi som ikkje fungerer blir i staden tikkande miljøbomber. Høg kvalitet på forundersøkingane i enkeltprosjekt er derfor svært viktige, med tanke på a) å forstå dei geokjemiske og geotekniske utfordringane, b) finne ut korleis det er praktisk muleg å designe deponiet, og c) få alle nødvendige ingrediensar prissett i konkurransegrunnlaget. Eksempelet E18 viser at dette er relevant. Problem at lokket først settast på til slutt når kassa er tom!

39 U (µg/l) Varige konstruksjonar Teknologidagane 22. september 2015 Du kan ikkje alltid nøytralisere deg ut av alle problem. Kanskje betre med lutanlegg? Lillesand: Uran aukar etter kalking nedstrøms deponi, men Al minkar Lillesand E18 Lillesand E18 U (mikro g/l ) Al (mikrogram/l) y = 9E+08x R 2 = ph ph Gran: Uran auka kraftig i storskala eksperiment ved kalking av alunskifer (H.Fjermedal) Alunskifer m/kalk Alunskifer u/kalk 0 uke 1 uke 2 uke 3 uke 4 uke 6 Uke 8

40 Avsluttande merknader Erfaringane våre frå Rv 4 Gran og E18 Lillesand viser at klassifisering av bergartar mht. forureining er komplisert. Det er behov for auka fokus frå geologar i Statens vegvesen. I løpet av 2015 vil Vegdirektoratet sende ut eit rundskriv som omhandlar problemstillinga, med vekt på å etablere gode rutinar: Tidleg inn i planleggingsarbeidet/inn i kontrakter. NGI (NIVA) har levert ein rapport til etatsprogrammet NORWAT om «Bergarters potensielle effekter på vannmiljøet» (neste foredrag) I NORWAT vil vi utforme eit fagleg grunnlag for relevant klassifisering med utgangspunkt i SVVs erfaringar (geologi, mineralogi, kjemi). Dette vil ligge føre i Miljødirektoratet (NGI) vil gje ut veiledar. Vi veit ennå ikkje om det blir i år. Statens vegvesen vil i stor grad støtte seg på denne, men vi må sikre oss at våre eigne erfaringar blir brukte i nye prosjekt.