27. september 2022

Avslører hvordan leire blir dannet

Bilde av Jasmin Schönenberger og Roelant van der Lelij.
Jasmin Schönenberger og Roelant van der Lelij har hovedansvaret for laboratorieanalysene av prøvene fra det omfattende BASE-prosjektet. Alle foto: Gudmund Løvø
Ørsmå prøver av forvitret grunnfjell bidrar til å kaste lys over store geologiske prosesser gjennom millioner av år. Bli med til seksjon for laboratorier ved NGU.

Både næringsliv, forskningsmiljø og utbyggere av infrastruktur er interesserte i bedre kunnskap om leirmineraler fra forvitret og oppsprukken berggrunn. Ønsket kommer blant annet fra olje- og gassindustrien, fra tunellbyggere, og fra etater som arbeider med fangst og lagring av CO2.

Hva skjedde når?

Norges forskningsråd har bevilget 20 millioner kroner over fire år til prosjektet «Basement weathering and fracturing on- and offshore Norway» (BASE), og NGU har blant annet etablert nye laboratoriemetoder for å forstå hvordan og når den dype forvitringen har oppstått. 

- Spørsmålet er «hva skjedde når», sier forsker Roelant van der Lelij. 

For å finne svaret må prøvematerialet fra forvitret berggrunn gjennom en rekke steg i laboratoriet. En plastflaske med utvannede prøver blir først utsatt for frysing og tining 100 ganger, helt til vannet har trengt seg inn i sprekker og langs korngrensene. Hensikten er at prøven skal smuldres så skånsomt som mulig uten at mineralkornene blir knust. Så lar forskerne prøvene synke til bunns i flaskene, før de blir sentrifugert og frysetørket i fem størrelsesfraksjoner. 

Allerede her vet de at de minste kornene er yngre enn de større.

Bilde av en beholder med glykol.

I en beholder med glykol utsettes prøvene fra det forvitrede grunnfjellet for både isende kulde og sterk varme.

Bilde av plastbeholdere.

Prøvematerialet synker til bunns i plastbeholdere. De største kornene legger seg nederst.

Detaljerte analyser 

-  En ny bergart kan bli dannet under stort trykk og høy temperatur, en såkalt omdanning eller metamorfose. Vi ønsker å vite hva som har skjedd med bergarten etter at den er dannet, under senere forvitring, forkastninger og oppsprekking av grunnfjellet, sier van der Lelij.  

Prøvene, som nå har blitt til et smuldrende pulver i laboratoriet, skal gjennomgå detaljerte analyser:

- Vi bruker røntgendiffraktometri, et XRD-instrument, til å identifisere mineralene. Gjennom flere analysesteg og matematiske modeller sørger vi for både en kvantifisering og en karakterisering av mineralene, forteller forsker Jasmin Schönenberger.

Bilde av en sentrifuge.

Det finkornige materialet som er valgt ut til analyse, blir sentrifugert i denne maskinen.

Bilde av prøvefraksjoner.

Prøvene er frysetørket og oppdelt i fem fraksjoner, den minste størrelsen er bare <0.1 mikrometer (µm).

Danner leire

Samtidig skal elementfordelingen og det kjemiske innholdet i prøvene bestemmes. Det skjer i et massespektrometer i temperaturer opp til 1400 grader. Forskerne bruker dateringsmetoden «kalium-argon», som bygger på nedbryting av isotopen 40K til 40Ar. Metoden egner seg til aldersbestemmelse av alle bergarter som er eldre enn 10 000 år. 

I BASE-prosjektet er forskerne mest interesserte i kaliumholdige mineraler. Her trengs det XRD for å finne ut hva som dateres. Er det et gammelt mineral fra en opprinnelig bergart, et nydannet leirmineral fra forvitring eller en blanding av begge deler?

- Når vi har produsert en alder på mineralene kan vi se om de er laget etter at bergarten ble dannet. I så fall tilhører de prosesser som danner leire, sier NGU-forskerne.

Dypforvitring er utbredt i Norge. Trolig er årsaken tropiske forhold for om lag 100-250 millioner år siden. På den tiden lå det som i dag er Norge mye lenger sør, og den varme tropiske nedbøren forsterket forvitringen av berggrunnen. Forvitring skjer også under kalde klimatiske forhold, som under siste istid, da isen knuste berget til grus.

Bilde av en liten prøve.

Bilde av et massespektrometer.

Så liten er en prøve som blir kjørt gjennom et massespektrometer. Her blir den kjemiske sammensetningen av prøven bestemt.

Bilde av en liten prøve.

Her er en ny liten prøve. Denne skal analyseres i et røntgendiffraktometer (under) for å identifisere hvilke mineraler materialet inneholder.

Bilde av Jasmin Schönenberger og et XRD-instrument.

Grunnleggende forståelse

Prosjektleder Jochen Knies ved NGU opplyser at det er stort behov for kunnskap om denne problemstillingen: 

- De nye oljefeltene på Utsirahøyden i Nordsjøen er påvist blant annet i grunnfjell. Det er svært sjeldent. Vår oppgave er å forbedre den grunnleggende forståelsen av slike reservoarer i grunnfjellet. Arbeidet er viktig for å forstå når, hvorfor og hvordan hydrokarboner kan dannes, men det er også viktig for å vurdere om slike bergarter kan brukes til lagring av klimagasser som CO2. I tillegg har forskningen nytte for bygging av for eksempel tuneller gjennom fjell.

- Samtidig er det et spennende forskningsspørsmål å få vite hvordan dagens landskap er blitt til gjennom tidene, påpeker van der Lelij.

Relaterte prosjekter

Grunnboring
BASE – om forvitret grunnfjell
Norges forskningsråd har bevilget 20 millioner kroner til NGU for et kompetansebyggende prosjekt for næringslivet.