3.5 Grænsen mellem fersk og salt grundvand

I modsætning til de fleste øvrige grundvandsmagasiner i Danmark består kalkmagasinerne af marine aflejringer. Det betyder at grundvandet i kalken som udgangspunkt er salt. De øvre dele af de danske kalkaflejringer indeholder dog som oftest en fersk grundvandsressource som er dannet ved udvaskning af det salte grundvand gennem infiltration og cirkulation af fersk grundvand. Udvaskningsgraden/-dybden er styret af de geologiske forhold i og over kalken og den tidsmæssige og geologiske udvikling samt af grundvandsdannelsen og dermed vandbalancen. Indvinding i kalkmagasiner begrænses således typisk af forekomsten og udbredelsen af salt grundvand. Grænsen mellem det ferske og det salte grundvand er ofte en relativt tyk overgangszone der er styret af diffusionsprocesser, snarere end en egentlig grænse med en skarp overgang. Dog kan opsprækningsgraden og tilstedeværelsen af lavpermeable horisonter i kalken også have betydning for tykkelsen af overgangszonen. Beliggenheden af saltvandsgrænsen og forståelsen af denne i samspil med den lokale geologi er en af de centrale problemstillinger i kortlægningen af kalkmagasiner og vil blive grundigt belyst i det følgende.

3.5.1 Terminologi og definitioner

Grundvandet i Danmark er fra naturens side lagdelt og består af fersk grundvand oven på salt grundvand med en mellemliggende overgangs- og diffusionszone (se Figur 30 og Figur 31). Den typiske form for salt grundvand som optræder i kalkmagasiner er enten marint residualt vand eller marint infiltrationsvand (se Figur 30).

Fersk grundvand dannes som følge af nettonedbøren i Danmark. Baggrundskoncentrationen af klorid i fersk grundvand stammer fra nedbøren og den atmosfæriske tørdeposition da der føres store mængder salt (som aerosoler) ind fra havet i forbindelse med især storme. Nedbøren ved Vestkysten har de højeste gennemsnitlige kloridkoncentrationer, og målte regnvandskoncentrationer svinger mellem 3 og 10 mg klorid pr. liter i Danmark (Kristiansen m.fl., 2009). Baggrundskoncentrationen for klorid i grundvand er under 30 mg/l (Kristiansen m. fl., 2009). Mange steder forekommer der saltvandspåvirket ferskvand hvor kloridkoncentration er højere end baggrundskoncentrationen som følge af opblanding/diffusion med salt grundvand. Grænseværdien for klorid i drikkevand er 250 mg/l.

Salt grundvand (<19.500 mg Cl/l) har sin oprindelse i havvand (≈ 19.500 mg Cl/l) og kan underopdeles i ”marint infiltrationsvand” og ” marint residualt vand”. Marint infiltrationsvand optræder ved kysterne hvor havvand direkte kan strømme til, og findes udelukkende få hundrede meter fra recente kyster (f.eks. Olofsson, 1996). Marint residualt vand er derimod vidt udbredt i Danmark på grund af landhævning af havbundssedimenter (Kristiansen m.fl., 2009).

figur_30

Figur 30. Principskitse som viser fordelingen af ferskvand og salt grundvand, som i kalkmagasiner typisk er marint infiltrationsvand eller marint residualt vand (modificeret efter Glover 1959).

3.5.2 Hydrostatisk ligevægt

Ferskvand er lettere end saltvand og vil flyde som en pude oven på dette på grund af densitetsforskellen. Ved hydrostatisk ligevægt mellem ferskvand og saltvand bestemmer tykkelsen af det ferske vand over havniveau tykkelsen af ferskvand under havniveau og altså dybden til det salte vand, hvilket er udtrykt i den såkaldte Ghyben-Herzberg formel. Erfaringen fra undersøgelser i kalkmagasiner i Danmark viser at det ikke er de hydrostatiske forhold, som dominerer beliggenheden af saltvandsgrænsen, men hydrogeologiske og indvindingsmæssige forhold, hvilket beskrives indgående i de næste afsnit.

3.5.3 Karakterisering af saltvandsgrænsen

Som nævnt flere gange i de foregående afsnit, er overgangen fra fersk til salt grundvand i kalkmagasiner sjældent en skarp grænse. Det har været kendt fra skrivekridt i England siden begyndelsen af 1980’erne, og er beskrevet for Københavnsområdet i Hinsby m.fl. (2003). Saltvandsgrænsens natur er blevet undersøgt nærmere i Danmark i forskningsprojektet ”Saltvandsgrænsen i kalkmagasinerne i Nordøstsjælland” (Klitten m.fl., 2006). Undersøgelsen viser at saltvandsgrænsen i Nordøstsjælland de fleste steder er udviklet som en jævn overgang over flere hundrede meter, hvor grundvandet gradvis bliver mere saltholdigt. En af de styrende mekanismer antages at være udvaskning gennem advektiv strømning af ferskvand knyttet til sprækker. Stigningen i saltkoncentrationen fortsætter dog typisk ned til dybder i skrivekridtet hvor sprækker ikke længere forventes at være hydraulisk aktive. Da skrivekridtet samtidig har en meget lav matrix-permeabilitet, antages kloridkoncentrationerne her at være betinget af diffusion af klorid opefter mod ferskvandszonen.

Som en del af ovennævnte projekt er saltvandsgrænsens udvikling i kalkmagasiner blevet detaljeret beskrevet i et område omkring Karlslunde (Larsen m.fl., 2006), blandt andet i en 269 m dyb undersøgelsesboring ved Karlslunde Mose. På baggrund af kloridkoncentrationer og stabile ilt-isotoper ( 18O/16O) i Karlslunde boringen og en analyse af indstrømningsfordelingen i syv boringer i området, er der opstillet en konceptuel hydrogeologisk model for saltvandsforekomsten i skrivekridtet (Figur 31). Modellen indeholder en øvre ”Advektiv zone” hvor der forekommer advektiv transport af fersk grundvand, og hvor der er sket en fuldstændig udvaskning af det oprindelige marine porevand. Dernæst følger en ”Overgangszone” hvor det oprindelige marine porevand kun er delvist udvasket, men hvor isotopsammensætningen viser der er sket udveksling med recent regnvand. I den nedre zone ”Diffusionszonen” foregår udvaskningen af saltvand alene ved en opadrettet diffusion af klorid, og andre ioner, fra det oprindelige marine porevand til det overliggende ferskvand.

Ofte starter overgangszonen få meter nede i skrivekridtet på Nordøstsjælland. Starter den dybere i skrivekridtet, er det ofte i forbindelse med lavpermeable mergelhorisonter (Klitten og Wittrup, 2006). I Hinsby m.fl. (2003) og Klitten og Wittrup (2006) er det endvidere beskrevet hvorledes tilstedeværelsen af lavpermeable horisonter flere steder påvirker både udvaskning ovenfra og diffusion nedefra, og således giver anledning til en mere skarp overgang mellem fersk- og saltvand. Når saltvandsgrænsen på Sjælland optræder i Danienkalken, skyldes det formentlig ofte indvindingsbetinget hævning af grænsen, og den kan optræde som en mere skarp overgang end det sædvanligvis ses i skrivekridtet (Vangkilde-Pedersen og Olsen, 1997; Klitten og Wittrup, 2006).

figur_31

Figur 31. Konceptuel hydrogeologisk model (efter Larsen m.fl., 2006) for saltvandsforekomsten i skrivekridt baseret på undersøgelse af Karlslunde-boringen (DGU nr. 207.3850). Modellen viser opdeling af saltvandsgrænsen i zoner på baggrund af porevandets indhold af klorid og stabile ilt-isotoper (18O/16O).

På Østfyn er der i Nyborg-området eksempler på store variationer i dybden til saltvandsgrænsen i bryozokalk fra Danien. Det tolkes både at hænge sammen med beskaffenheden af de overliggende lag, og at være betinget af naturlig strømning mod udstrømningsområder. Grundvandsdannelsen og dermed udvaskningen af saltvand og dybden til saltvandsgrænsen tolkes at være større i områder uden Kerteminde Mergel eller hvor Kerteminde Mergelen er forkislet og opsprækket samt i områder med tyndt eller opsprækket morænelersdække, se Figur 32 (Mielby & Sandersen, 2005). En 169 meter dyb boring i området (DGU nr. 147.1082) viser at overgangszonen lokalt starter i bryozokalken, fortsætter 7 m i denne og herefter 38 m ned gennem skrivekridtet for at slutte i 145 meters dybde, hvor saltkoncentrationen svarer til havvand.

figur_32

Figur 32 Eksempel på hvordan der forekommer saltvandspåvirket grundvand ved Nyborg. Ved boringernes indtag er angivet kloridkoncentrationen i mg Cl/l. L (modificeret efter Mielby & Sandersen, 2005)

I Figur 33 er vist et eksempel hvor den gradvise overgang fra fersk til salt grundvand er kortlagt ved hjælp af borehulslogging i form af resistivitetslogs.

figur_33

Figur 33. Resistivitets- og fluid resistivitetslog udført i en kalkboring på Batum salttrukturen i Salling, der viser overgangen fra fersk vand til salt grundvand mellem kote -100 m og -140 m. (Kilde: Viborg Amt, 2003).

3.5.4 Geologisk udviklingsmodel for saltvandsgrænsen

I Klitten m.fl. (2006) er der sammenstillet en konceptuel geologisk udviklingsmodel for udvaskning af saltvand fra skrivekridt og Danienkalk i Karlslunde-området. Modellen er illustreret i Figur 34 og det 10 km lange tværsnit strækker sig fra den nordvestlige del af undersøgelsesområdet til Køge Bugt.

Figur 34A viser situationen i Palæogen og Neogen hvor der i den østlige del af det Danske Bassin blev aflejret omkring 500 m sedimenter oven på Danienkalken. Sedimenterne blev begravet med porevandssammensætning som i oceanisk havvand (kloridkoncentration omkring 19.500 mg/l). Porøsiteten i kridtet blev under denne indsynkning reduceret fra omkring 65 % til ca. 40 % hvilket medførte en svagt opadrettet vandbevægelse i sedimenterne.

Figur 34B viser situationen i Sen Neogen hvor tektonisk opløft resulterede i at de overlejrende bjergarter blev borteroderet, og skrivekridtet og Danienkalken blev opløftet og eroderet til det nuværende niveau. Denne hævning foregik indtil for omkring 2-3 millioner år siden. Efterfølgende blev kvartære sedimenter aflejret på kalk- og kridtoverfladen.

figur_34

Figur 34. Konceptuel geologisk udviklingsmodel for udvaskning af saltvand fra skrivekridt i Karlslunde-området (efter Klitten m.fl., 2006).

Figur 34C viser udviklingen gennem Kvartærtiden. Den tektoniske kompression under hævningsprocessen i Sen Neogen skabte hovedsagelig subvertikale sprækker i både kridtet og kalken, medens aflastningen som resultat af den efterfølgende erosion skabte både subhorisontale og subvertikale sprækker i formationerne. De subhorisontale sprækker er siden istiden yderligere forøget og aktiveret som følge af aflastningen af istrykket. Efter opløft, erosion og opsprækning er fersk vand infiltreret et stykke ned i formationerne, og har udvasket det oprindelige marine porevand, hovedsagelig gennem advektiv transport i sprækker. Den relativt hurtige udvaskning af saltvandet har etableret store kemiske gradienter som har igangsat en opadrettet diffusiv transport i den underliggende ikke opsprækkede del af kalken.

3.5.5 Betydningen af de hydrogeologiske forhold

I det følgende gives en række eksempler på betydningen af de hydrogeologiske forhold for beliggenheden af saltvandsgrænsen.

Nordøstsjælland
Undersøgelser af kalkmagasinerne i Nordøstsjælland (Klitten og Wittrup, 2006) har vist at det ikke er det eksisterende ferskvandstryk, dvs. hydrostatisk ligevægt, som styrer saltvandsgrænsens beliggenhed. Grænsen ligger f.eks. højere i den vestlige del af området end nærmere kysten. I størsteparten af undersøgelsesområdet optræder saltvandsgrænsen ved overgangen til skrivekridt eller et stykke nede i skrivekridtet i forbindelse med en mergelhorisont. Det er således de geologiske forhold som er afgørende. Træffes saltvandsgrænsen i Danienkalken er der typisk tale om indvindings- eller forkastningsbetinget optrængning af saltvand eller kystnær beliggenhed.

Østfyn
Grundvandsdannelsen og vandets kredsløb i oplandet har også betydning for forekomsten af ferskvand i kalkmagasinerne. Som beskrevet i afsnit 3.4 sker nedsivningen af ferskvand hovedsagelig i områder med sandede aflejringer eller opsprækket ler (på Østfyn også opsprækket Kerteminde Mergel, afsnit 3.5.3) over kalken og nedadrettede gradientforhold. Opadrettede gradienter og udstrømning forekommer typisk i lavereliggende områder som igen kan hænge sammen med områder, hvor vandet har en præferentiel strømningsretning på grund af f.eks. overordnede sprækkesystemer eller begravede dalsystemer.

Figur 35 viser et eksempel på modelberegnet grundvandsdannelse i kalkmagasinet ved Nyborg sammenholdt med målte kloridkoncentrationer. Sammenstillingen giver et indtryk af den geografiske udbredelse af områder med nedadrettet strømning (røde/gule felter) svarende til områder med fersk grundvanddannelse, og udbredelsen af områder med opadrettet strømning (blå områder) og derved mulighed for opadstigende saltvand. Modelleringen af strømningen underbygges af det målte kloridindhold som også er vist på figuren.

figur_35

Figur 35. Sammenhæng mellem fund af kloridholdigt grundvand og beregnet grundvandsdannelse i Nyborgområdet (efter Mielby & Sandersen, 2005).

I Figur 36 ses den konceptuelle tolkningsmodel som illustrerer optrængning af saltholdigt grundvand ved Hjulby Sø i Nyborgområdet (Mielby & Sandersen, 2005). Kalkoverfladen er svagt hvælvet i en storskala foldestruktur og udgør en antiklinal i området. Kalken er således højtliggende og opsprækket under Hjulby Sø som følge af foldningen og talrige forkastninger associeret med denne, mens landskabet udgør en lavning. Den naturlige vandtransport fra højt til lavt potentiale medfører en cirkulation af ferskvand som i områder med stor grundvandsdannelse og nedadrettet gradient har udvasket det salte vand til stor dybde. Under Hjulby Sø bevirker det lave tryk, den opadrettede gradient og sprækkerne i kalken at det salte vand kan trænge med grundvandsstrømmen op til lave dybder, tæt på terrænoverfladen. Mod sydvest hvor morænelerlagene over kalken er tykkest, er grundvandsdannelsen lille og cirkulationen af ferskvand begrænset, og her optræder der også høje koncentrationer af klorid i de øvre dele af kalkmagasinet.

figur_36

Figur 36. Konceptuel model for opstrømning af salt grundvand fra bryozokalk og skrivekridt ved Hjulby Sø fra hydrogeologisk tolkning af Nyborgområdet (Mielby & Sandersen, 2005).

Vestsjælland
Lignende observationer, hvor dynamikken i vandkredsløbet medfører at saltvandet ”tvinges” op under udstrømningsområderne og begrænser forekomsten af ferskvand, er blandt andet gjort ved Vordingborg (Olsen m.fl., 2005) og Susåen (Steen Vedby, pers. komm.).

På Figur 37 er vist beliggenheden af terrænoverflade, grundvandspotentiale og saltvandsoverflade i et tværsnit fra et vådområde ved Vordingborg. Hvis det alene var hydrostatisk ligevægt som styrede dybden til saltvandet, skulle denne være mere konstant, og det ses da også af figuren at hs/hf forholdet (forholdet mellem tykkelsen af ferskvand under havniveau (hs) og tykkelsen af ferskvand over havniveau (hf) ikke er konstant, fordi saltvandsoverfladen tilnærmer sig terræn i udstrømningsområdet.

figur_37

Figur 37. Tværsnit, der illustrerer sammenhængen mellem den kortlagte saltvandsoverflade og det målte potentiale i et vådområde nord for Vordingborg (Olsen, m.fl., 2005).

Nordjylland
I et område syd for Aalborg har et pilotprojekt om lavpermeable horisonter i skrivekridtet (Nielsen & Jørgensen, 2008) bekræftet at der eksisterer lokalt udbredte mergelsekvenser på 5-8 meters tykkelse med fire markante mergellag. Dybden til mergellagene varierer meget i området, muligvis som følge af forskellig hældning af adskilte forkastningsblokke. Undersøgelsen viser at mergelsekvensen, hvor den optræder, opdeler skrivekridtet i et øvre og et nedre magasin med forskellig grundvandskemi. Nitratholdig vand træffes oftest kun i magasinet over mergellagene, og saltvand som hovedregel kun under mergellagene. Saltvandsgrænsen udgør, ligesom beskrevet for Nordøstsjælland, også her en mange meter tyk overgangszone med gradvis stigende kloridkoncentration. I modsætning til Nordøstsjælland starter overgangszonen typisk 20 m eller mere under mergellagene, hvilket indikerer at der har kunnet trænge ferskvand ned under mergellagene og medvirke til udvaskningen af saltvand. Det kan enten skyldes at mergellagene ikke er helt impermeable, eller at de mange forkastninger og/eller dybe erosionsrender, der optræder i skrivekridtet i området, har skabt hydraulisk kontakt mellem de to magasiner.

Det nordøstlige Djursland
Djursland er beliggende i den centrale del af det Danske Bassin, og er gennemsat af Grenå-Helsingborg forkastningen (se Figur 6) som har haft afgørende betydning for områdets hydrogeologiske udvikling, både med hensyn til tykkelsen af de kvartære aflejringer og opsprækning af kalken.

Det regionale geologiske billede på det nordøstlige Djursland er domineret af et forholdsvist tyndt kvartært dække bestående af relativt sandede sedimenter der overlejrer kalkstensformationer fra Danien. Danien-overfladen fremtræder plateau-agtigt over store områder med små niveauforskelle og med et svagt fald mod vest. Da kalkoverfladen oprindelig har ligget vandret, må området senere være tippet og eroderet i forbindelse med bevægelser langs Grenå-Helsingborg forkastningen. Kalkoverfladen er gennemskåret af markante begravede dale; f.eks. ligger der under Kolindsund en begravet dal som visse steder skærer sig ca. 80-100 m ned i kalken.

Lagdelingen i kalken har en svag hældning (1 %) mod sydvest. Således går skrivekridt i dagen ved Karlby Klint nord for Grenå, og ligger under kote -80 m ved Kirialboringen umiddelbart nord for Kolindsund (Århus Amt, 2004). I samme boring er skrivekridtet overlejret af bryozokalk, kalksiltsten og kalksandskalk.

Kalkmagasinerne er ofte nitratsårbare på grund af en dårlig beskyttelse fra ovenliggende dæklag. De opsprækkede kalkformationer gør endvidere indvindingen sårbar over for både nedsivende nitrat og optrængning af saltvand i kalkmagasinet.

I Kolindsund-området forekommer der højtliggende saltvand, og der er forekomst af saltvandskilder i kanten af sundet. Dannelseshistorien kompliceres dog her af at der i postglacial tid har været hav, og at området i nyere tid er blevet inddæmmet og drænet med henblik på etablering af landbrugsjord.

Dybden til saltvandet i de omkringliggende områder varierer og er af residual oprindelse. Det er også her vist at dybden til saltvandsgrænsen ikke er styret af det hydrostatiske tryk (Mielby m.fl., 1983).

3.5.6 Indvindingens påvirkning af dybden til saltvandsgrænsen

Dybden til saltvandsgrænsen kan påvirkes af menneskelige faktorer. F.eks. kan indvinding af drikkevand eller grundvandssænkninger i kalkmagasiner medføre at salt grundvand trænger op i ferskvandszonen. I Figur 38 er skitseret 4 forskellige geologiske situationer hvor saltvand finder vej til en indvindingsboring. I eksemplet øverst til venstre ses en situation hvor et mergellag adskiller skrivekridt med fersk og salt grundvand henholdsvis over og under laget, og hvor boringen er filtersat under mergellaget. I eksemplet øverst til højre gennemborer indvindingsboringen ikke mergellaget, men en forkastning skaber hydraulisk kontakt mellem saltvandszonen og boringen. I eksemplet nederst til venstre optræder der ikke et lavpermeabelt mergellag, og de hydrauliske forhold i kalken og skrivekridtet medfører at der strømmer saltvand fra skrivekridtet til indvindingsboringen, som er filtersat i Danienkalken. I det sidste eksempel nederst til højre trænger salt marint infiltrationsvand ind fra havet. Dette skyldes at grænsen til det marine saltvand påvirkes umiddelbart omkring indvindingsboringen på grund af den øgede strømning af ferskvand eller det lokalt lavere piezometriske tryk (Jørgensen m.fl., 2008b).

figur_38

Figur 38. Illustration fra Østsjælland som viser forskellige transportveje for salt grundvands indtrængning til en indvindingsboring (efter Kristiansen m.fl., 2009).

Skriv et svar

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