Appendix C Borehulslogging og logstratigrafi

Borehulslogging er en geofysisk undersøgelse der foregår ved at lade en sonde passere langsomt ned eller op gennem en boring. Ved hjælp af mekaniske, elektriske, nukleare og akustiske metoder måler sonden geofysiske parametre som f.eks. boringsdiameter, strømningshastighed, elektrisk modstand/ledningsevne, naturlig radioaktiv stråling, porøsitet, densitet og lydhastighed af de gennemborede geologiske formationer og væsken i boringen.

Borehulslogging anvendes i grundvandskortlægningen primært til lithologisk tolkning, log-stratigrafisk korrelation, bestemmelse af vandkvalitet og kortlægning af saltvandsgrænsen, kortlægning af porøsitet, sprækker og indstrømningsmønstre og korrelation med seismiske data. Andre anvendelser i forbindelse med f.eks. indvindings- eller undersøgelsesboringer kan blandt andet være verifikation af boringsudbygning og filtersætning, lokalisering af utætheder i forerør, tilstand af filter og forureningsudbredelse.

Et optimalt logprogram i forbindelse med kalkkortlægning består af de logs som er angivet i Tabel 1 herunder.

Tabel 1. Oversigt over logtyper som er anvendelige i forbindelse med kortlægning af kalkmagasiner.
tabel_c1

Naturlig gamma bidrager til den generelle geologiske tolkning og til vurdering af lerindhold og er vigtig i forhold til tolkning af logstratigrafi.

Induktions- og resistivitetslogs er afgørende for bestemmelse af saltvandsgrænsen og vigtige i forhold til tolkning af logstratigrafi.

Porøsitetslogs kan medvirke betydeligt til en bedre fastlæggelse af saltvandsgrænsen og er også vigtig i forhold til tolkning af logstratigrafi.

Temperatur- og ledningsevnelogs kan blandt andet bidrage til beregning af formationsfaktor i forbindelse med vurdering af grundvandets elektriske ledningsevne, men er typisk ikke direkte anvendelige til fastlæggelse af saltvandsgrænsen. Temperatur- og ledningsevnelogs udført under pumpning kan give informationer om selv ganske svage indstrømningshorisonter. Elektrisk ledningsevne er temperaturafhængig, og det kan være nyttigt at omregne ledningsevne målt ved formationstemperatur til standardbetingelser (25 grader celcius) ved sammenligning af målinger optaget under forskellige temperaturforhold. Omregning kan foretages med formlen:

ligning_sc2

hvor ECt og EC25 er vandets elektriske ledningsevne ved henholdsvis 25 og t grader celcius. Benyttes ledningsevnen til beregning af formationsfaktor skal målinger ved den aktuelle temperatur benyttes.

Soniclogs giver informationer om lydhastigheden i kalken. Lydhastigheden hænger sammen med stivheden af formationen og kan dermed indirekte sige noget om i hvilken grad kalken kan forventes at være opsprækket. Loggen er også vigtig i forbindelse med tolkning af logstratigrafi.

Flowlogs giver information om indstrømningshorisonter og hermed om indstrømningen er matrix eller sprækkedomineret. Flowlogs er vigtige i forhold til opstilling af en hydrostratigrafi i kalken.

Kaliperlogs giver informationer om diametervariationer i boringen og benyttes til at vurdere kvaliteten af de øvrige logs i forhold til f.eks. kaviteter i boringen og til korrektion af flowlogs for diametervariationer.

For konkrete krav og anbefalinger til udførelse af de enkelte logtyper henvises til ”Kravspecifikation for udførelse af geofysisk borehulslogging i forbindelse med den afgiftsfinansierede grundvandskortlægning” (Vangkilde-Pedersen, 2010).

I det følgende vil logstratigrafi i kalken og kortlægning af saltvandsgrænsen med logging blive nærmere beskrevet.

Logstratigrafi
Logstratigrafi består af en systematisk inddeling i geologiske enheder og korrelation af geologiske lag fra boring til boring baseret på karakteristiske log-mønstre og markante maksima/minima, såkaldte logmarkere (Olsen og Nielsen, 2002), se Figur 1.

Både København Kalk og Lellinge Grønsand Formationen er karakteriseret ved en tydelig og regionalt udbredt lagdeling med vekslende bløde og hårde horisonter og en relativ stor tæthed af flintbænke (Nygaard, 1993; Klitten m.fl., 1994; Klitten, 2003). Denne lagdeling gør kalksekvenserne velegnede til inddeling i logstratigrafiske enheder baseret på genkendelige logmønstre. I København-Amager-Saltholm området har det været muligt at opstille en regionalt udbredt logstratigrafi for København Kalken (Klitten m.fl., 1994), mens det i resten af Nordøstsjælland (Klitten og Wittrup, 2006) og f.eks. for Lellinge Grønsand Formationen (Klitten, 2003) kun har været muligt at opstille en lokal logstratigrafi.

Selvom lagdelingen og dermed log-motiverne i bryozokalken ligesom i København Kalken er karakteriseret ved skiftende hårde og blødere lag, betyder bankestrukturen i denne kalktype at de enkelte kalkbænke som regel er svære at følge længere end få hundrede meter. Det har således hidtil ikke været muligt at opstille en logstratigrafi for bryozokalken (Klitten m.fl., 1994).

figur_c1

Figur 1. Eksempel på logstratigrafisk korrelation mellem 4 boringer på Bøstofte kildeplads på Sjælland.

Kalken i skrivekridtet er mere blød, ensartet, kun svagt lagdelt og med væsentligt færre flintbænke (Nygaard, 1993). I den dybt begravede kalk er den stratigrafiske korrelation blevet forbedret væsentligt ved hjælp af borehulslogging fra omkring 1950 og frem, men i de øvre dele af skrivekridtet som er relevant for vandindvinding, har det vist sig svært at korrelere logs over større afstande (Nygaard, 1993). Flintlag og erosive hardgrounds er sparsomme, men der optræder flere mergelhorisonter som kan identificeres på naturlig gamma og elektriske logs. Ofte synes de dog både i det Nordøstsjællandske og Nordjydske område kun at have lokal udbredelse (Klitten og Wittrup, 2006; Nielsen og Jørgensen, 2008).

Lellinge Grønsand Formationen
I Klitten (2003) er det beskrevet at Lellinge Grønsand Formationen entydigt kan adskilles fra Kerteminde Mergel ud fra logmønstrene af naturlig gamma og resistivitetslogs. Det naturlige gammaniveau er generelt lavt i begge formationer, men der ses en jævn stigning efterfulgt af et jævnt fald i gammaniveau henover grænsen. I Kerteminde Merglen er resistiviteten generelt relativt lav og uden peaks, mens den i Lellinge Grønsand Formationen er højere og med mange markante resistivitetspeaks og logmønsteret i de to formationer er således væsentligt forskelligt og nemt at adskille.

Ligeledes i Klitten (2003) er det beskrevet og vist hvorledes Lellinge Grønsand Formationen kan inddeles i otte log-stratigrafiske enheder på basis af log-mønstrene fra resistivitetslogs eller induktionslogs.

København Kalk / kalksandskalk
Overgangen mellem Lellinge Grønsand Formation og kalksandskalk (eller København Kalk) vil typisk kunne identificeres ved et fald i gammaniveau til et lavere niveau i kalksandskalken og en stigning i resistivitet samt flere og mere markante resistivitetspeaks i kalksandskalken (Klitten, 2003).

I København-Amager-Saltholm området er der opstillet en detaljeret logstratigrafi for København Kalk Formationen (Klitten m.fl., 1994; Olsen og Nielsen, 2002), med inddeling af denne i tre lithologiske sub-sekvenser: Nedre, Mellem og Øvre København Kalk. I Klitten og Wittrup (2006) konkluderes det at der inden for afgrænsede områder i form af kildepladser kan opstilles tilsvarende logstratigrafiske subsekvenser i kalksandskalken i Nordøstsjælland, men at logmønstrene ikke lader sig korrelere fra kildeplads til kildeplads. Der er således basis for lokal opstilling af logstratigrafi i kalksandskalken i sub-sekvenser med forskellige karakteristika og egenskaber, men ikke for nærværende basis for at udstrække lithostratigrafien for København Kalken til kalksandskalken i hele Nordøstsjælland.

Bryozokalk
Det er relativt sikkert at identificere grænsen mellem København kalk og bryozokalk i København-Amager-Saltholm området på baggrund af naturlig gammalogs. Niveauet for den naturlige gammastråling er højere og mere varierende i København kalken og falder til et meget lavt og ensartet niveau i bryozokalken. Samtidig er tætheden af flintbænke generelt mindre i bryozokalken og højresistive peaks har derfor større afstande.

Uden for dette område eksisterer ikke umiddelbart undersøgelser af grænsens beskaffenhed ud fra logdata og det bør generelt antages at gammaniveauet i både kalksandskalk og bryozokalk er lavt og relativt ensartet, mens resistiviteten er relativt høj og med et uroligt mønster med mange peaks afspejlende en generelt inhomogen kalktype med vekslende bløde og hårde kalklag og med vekslende indhold af flint.

Bryozokalken er mere uregelmæssig i sin opbygning end København Kalk Formationen og mere præget af bankestrukturer end horisontal lagdeling. Klitten m.fl. (1994) konkluderer at der ikke for bryozokalken i København-Amager-Saltholm området kan opstilles en regional logstratigrafisk inddeling i underenheder som for København Kalken. Så vidt vides er der senere gjort forsøg, blandt andet i Malmø-området, hvor det imidlertid ikke har været muligt at korrelere fra boring til boring over andet end relativt korte afstande.

Skrivekridt
Overgangen mellem bryozokalk og skrivekridt kan identificeres ved en entydig forskel i logmønsteret på resistivitets- og induktionslogs (Klitten og Wittrup, 2006). I modsætning til logmønsteret i bryozokalk som er beskrevet ovenfor er resistiviteten i skrivekridtet generelt lavere og meget mere roligt, afspejlende en mere ensartet blød kalk med få flintlag og med en generelt højere porøsitet end i bryozokalk. Typisk ses ingen forskel i gammaniveau og gammamønster mellem de to kalktyper, men af og til kan der optræde en markant gammapeak ved overgangen fra bryozokalk til skrivekridt, forårsaget af lokalt forekommende Fiskeler.

Kortlægning af saltvandsgrænsen
Ved hjælp af borehulslogging kan både toppen af overgangszonen mellem fersk og salt grundvand og størrelsen af gradienten (stigning i kloridkoncentration per meter dybde) i overgangszonen bestemmes. Man skal dog være opmærksom på at det meget sjældent er tilstrækkeligt at måle den elektriske ledningsevne af væsken i borehullet. Dels kan der være tale om at forskelle i porevandstryk i forskellige dele af kalken medfører intern strømning i borehullet, så porevand med forskellige egenskaber blandes i vandsøjlen, og dels kan også f.eks. barometereffekten foranledige strømninger i borehullet så ledningsevnen ned gennem væskesøjlen varierer tidsmæssigt (Klitten og Wittrup, 2006).

Den elektriske ledningsevne og dermed saltindholdet i porevandet i formationen vurderes bedst ud fra induktions- eller resistivitetslogs som måler den samlede henholdsvis ledningsevne og resistivitet af matrix og porevæske. Kalk og flint er elektrisk neutrale, og ledningsevnen eller resistiviteten af kalkformationer (med undtagelse af ler-/mergellag) kan derfor helt og fuldt tilskrives porevandets elektriske ledningsevne og så mængden af porevand, dvs. formationens porøsitet (Klitten og Wittrup, 2006).

Det betyder at variationer på induktions- og resistivitetslogs er en kombination af variationer i porevandets elektriske ledningsevne og variationer i formationens porøsitet. Derfor anbefales det ligeledes at optage en porøsitetslog for en bedre vurdering af de virkelige variationer af porevandets elektriske ledningsevne og dermed saltholdighed (Vangkilde-Pedersen og Olsen, 1997).

Formationsfaktor
Med kendskab til størrelsen af formationsfaktoren for en bjergart, er det muligt udfra formationens elektriske ledningsevne at beregne porevandets ledningsevne som igen kan omsættes til en kloridkoncentration.

Formationsfaktoren (F) er defineret som forholdet mellem formationens resistivitet (Rf) og porevandets resistivitet (Rv):

F = Rf / Rv

For rene sandsedimenter er formationsfaktoren udelukkende bestemt ved porøsiteten (P) med følgende sammenhæng mellem (F) og (P):

F = (P)-m   (Archie’s lov)

For en stærkt cementeret sandsten kan (m) ifølge Archie (1942) sættes til 2,0 i Archie’s lov herover. Denne sammenhæng bruges normalt også for stærkt cementerede kalksedimenter uden ler, men med aftagende cementering bliver (m) mindre og en typisk værdi for kun lidt cementerede kalkbjergarter er 1,6. For skrivekridt sættes (m) således ofte til 1,6, mens der i f.eks. Danienkalk formentlig skal anvendes en lidt højere værdi på 1,8-2,0 (Klitten og Wittrup, 2006).

I skrivekridt hvor porøsiteten typisk varierer mellem 35 % og 45 % varierer formationsfaktoren mellem 5,4 og 3,6 ved en værdi af (m) på 1,6. I Danienkalk varierer formationsfaktoren typisk mellem 4 og 6, svarende til en lidt mere cementeret bjergart og generelt lavere porøsitet (Klitten og Wittrup, 2006).

Baseret på ovenstående er det muligt at beregne resistiviteten af porevandet (Rv) ud fra formationens resistivitet (Rf) og formationsfaktoren (F):

Rv = Rf / F

Porevandets resistivitet kan nu omsættes til kloridindhold på baggrund af sammenhænge mellem ionkoncentrationer og elektrisk ledningsevne (Klitten og Wittrup, 2006).

Benyttes i stedet for resistivitetslog en induktionslog angivet i enheden mS/m gælder følgende sammenhæng ved omregning mellem elektrisk ledningsevne og resistivitet:

Ledningsevne (mS/m) = 1000/Resistivitet (Ohmm)

Hvis der er udført en porøsitetslog kan porevandets resistivitet også beregnes som:

Rv = Rf × (P)m hvor (m) jf. ovenstående typisk kan sættes til en værdi mellem 1,6 og 2,0.

Som kvalitetssikring er det nyttigt også at beregne formationsfaktoren ud fra borehulsvæskens temperatur og ledningsevne. Det kan ligeledes tjene som en kvalitetssikring af det målte niveau for formationsledningsevnen idet formationsfaktoren gerne skal ligge nogenlunde som angivet i intervallerne ovenfor for henholdsvis skrivekridt og Danienkalk.

Fastlæggelse af saltvandsgrænsen
For at konkretisere starten af overgangszonen tager Klitten og Wittrup (2006) udgangspunkt i den tidligere grænseværdi for klorid i drikkevand på 300 mg/l. De viser hvordan 300 mg/l svarer til en ledningsevne af porevandet på ca. 100 mS/m og dermed til en formationsledningsevne på 25 mS/m (eller en formationsresistivitet på 40 Ohmm) for skrivekridt med en formationsfaktor på 4.

De foreslår således at man som tommelfingerregel kan placere saltvandsgrænsen ved en formationsledningsevne i skrivekridtet på 25 mS/m (eller en formationsresistivitet på 40 Ohmm). Samtidig påpeger de at grænsen også kan placeres anderledes. Hvis niveauet for formationsledningsevnen er konstant og under 25 mS/m over et længere interval og der f.eks. i forbindelse med et mergellag indtræffer en jævn stigning, sættes grænsen ved starten af denne stigning selvom formationsledningsevnen måske er mindre end 25 mS/m. Endelig viser de at gradienten for stigningen i kloridindholdet i skrivekridt typisk kan antages at være ca. 12 gange gradienten for stigningen i formationsledningsevne.

Baseret på en analyse af ca. 160 logging-datasæt fra den nordøstlige del af Sjælland konkluderer Klitten og Wittrup (2006) endvidere at overgangszonen til højt kloridindhold i skrivekridtet næsten altid ses på induktionslogs som en jævn stigning i formationsledningsevne med dybden. Det afspejler en jævnt stigende saltkoncentration da ledningsevnen er proportional med denne. Derimod er ledningsevne og resistivitet hinandens reciprokke og på resistivitetslogs ses derfor et ikke-liniært fald med aftagende gradient med dybden.

Referencer
Archie, G.E. 1942: The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. The American Institute of Mining, Metallurgical, and Petroleum Engineers, Petroleum Transactions, Volume 146, pages 54-62.

Klitten, K., Ploug, C. & Olsen, H. 1994: Geophysical log-stratigraphy of the København Limestone. Proceedings of the Eleventh European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Copenhagen. Bulletin of the Danish Geotechnical Society 11, Vol. 5, pp. 127-134.

Klitten, K. 2003: Log-stratigrafi for Selandien Lellinge Grønsand formationen og Kerteminde Mergel formationen. DGF Grundvandsmøde 18. september 2003. Geologisk Tidsskrift 2003 hæfte 2, pp. 20-22, København.

Klitten, K. & Wittrup, C.S. 2006: Saltvandsgrænsen i kalkmagasinerne i Nordøstsjælland, delrapport 2. Undersøgelse af saltvandsgrænsen ved hjælp af geofysisk borehulslogging. GEUS rapport 2006/17.

Nielsen, K.S. & Jørgensen, J.B. 2008: Lavpermeable horisonter i skrivekridtet – Fase A. Faglig rapport, Miljøministeriet, Miljøcenter Aalborg, Team Grundvand.

Nygaard, E. 1993: Denmark. In: Downing, R.A., Price, M. & Jones, G.P. (eds.): The Hydrogeology of the Chalk of North-West Europe. Oxford Science Publications, Oxford, pp. 186-207.

Olsen, H. & Nielsen, U.T. 2002: Logstratigrafisk inddeling af kalken i Københavns-områder, I: Frederiksen, J.K., Eriksen, F.S., Hansen, H.K., Knudsen, C., Jørgensen, M.E., Møller, H.M.F. & Brendstrup, J. (eds.): Ingeniørgeologiske forhold i København. DGF Bulletin 19, 2002.

Vangkilde-Pedersen, T. & Olsen, H. 1997: Grundvandssænkning – hvad sker der med saltvandsgrænsen, og kan det måles? Særtryk fra Vandteknik nr. 3.

Vangkilde-Pedersen, T. 2010: Kravspecifikation for udførelse af geofysisk borehulslogging i forbindelse med den afgiftsfinansierede grundvandskortlægning. GEUS. 21 pp.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *