Fysiska och geotekniska egenskaper

Densitet och vatteninnehåll
Hållfasthetsegenskaper och konsolidering
Gasförekomst och gasbildning
Referenser

Densitet och vatteninnehåll

Fiberbankar är uppbyggda av fibrer eller träbitar, vilka har låg kompakt- och skrymdensitet. Den låga skrymdensiteten beror på ett högt innehåll av organiskt material (träfibrer) och att gasbildning förekommer (se film). Gasen bildas genom naturliga processer när det organiska materialet långsamt bryts ned. Mätningar i labb har visat att skrymdensiteten kan vara nästan samma som för vatten, men är inte stabil eftersom fiberbankarna producerar mycket gas. Det kan göra att mäktigheten ökar samtidigt som densiteten minskar. Processen är kopplad till en förlust av vatten. Fiberbankarna kan då få lägre densitet än vatten vilket i vissa fall kan leda till att delar av fiberbanken lossnar och flyter upp till ytan. Preliminära labbförsök visar att processen är vanligare i fiberbankar som är uppbyggda av finare fibrer, förmodligen för att bubblor lättare fastnar mellan fibrerna jämfört med fiberbankar som innehåller mer träbitar.

Även mineralpartiklar kan suspendera på och blandas ned i fiberbankarna beroende på i vilka typer av miljöer fiberbankarna är belägna. I de fallen blir fiberbankarnas kompaktdensitet högre, särskilt i översta decimetern.

Eftersom fiberrika sediment består av mer minerogena sediment än rena fiberbankssediment är deras densitet mycket högre och mer liknande vanligt sediment, beroende på koncentrationen av organiskt material. Ofta är de fiberrika sedimenten inte lika präglade av gasbildning som fibersediment i fiberbankar. Deras densitet och vatteninnehåll kan snarare liknas vid naturligt avsatt gyttja.

I de pågående forskningsprojekten FIBREM och GASFIB arbetar forskare vidare med att undersöka fibersedimentens egenskaper.

Hållfasthetsegenskaper och konsolidering

Sediment i fiberbankar skiljer sig från typiska minerogena sediment, framför allt för att deras densitet är så låg och att gasproduktionen är hög. Labbförsök på fiberbanksmaterial har visat att en stor del av konsolideringen i sedimenten sker inom några timmar, men därefter ökar gasmängden, vilket får sedimenten i försöken att flyta upp till vattenytan. Det innebär att det är svårt att studera fiberbankarnas konsolidering med vanliga metoder. Försök att bestämma fiberbankens densitet har därför gjorts med sedimentationsanalys. Vid två försök, som fick pågå under 21 dagar, erhölls en beräknad skrymdensitet på 1,003 respektive 1,01 g/cm3. Skrymdensitet beräknad från ett försök som fick pågå under 895 dagar uppgick till 1,02 g/cm³ (3).

På grund av fiberbanksmaterialets trådiga karaktär och att de i princip flyter på bottnen är det inte heller möjligt att bestämma hållfastheten med geotekniska standardmetoder. För att studera fiberbankmaterialets beteende och brottmekanism i en slänt under vatten byggdes därför inom TREASURE-projektet en genomskinlig låda av plexiglas. Vid ett försök fylldes lådan succesivt med bräckt vatten, fiberbanksmaterial lades ut på den upphöjda delen av insatsen till önskad höjd och hela lådan tippades därefter till önskad lutning för att studera brottmekanismen. Något direkt brott i materialet uppträdde inte vid försöken utan enstaka tussar av materialet lossnade då lådan med modellfiberbanken tippades. Ett försök som utfördes med last visade sprickor i modellfiberbanken när lådan tippades, vilket tyder på att materialet dras isär, snarare än skjuvas.

Hållfasthetsegenskaperna hos fiberrika sediment är vanligtvis snarlika egenskaperna hos gyttja. Sedimenten har avsatts tillsammans med naturligt sedimenterande material, såväl mineralpartiklar som organiskt material av annat ursprung. Ytliga sediment är underkonsoliderade (konsolidering pågår och är inte fullt utbildad för tyngden av överlagrande sediment). Skjuvhållfastheten och deformationsmodulen hos sådana ytliga sediment är extremt låg och svår att mäta med konventionella geotekniska metoder.

Gasförekomst och gasbildning

När det organiska materialet i fiberbankarna bryts ned av mikroorganismer förbrukas stora mängder syre vilket kan leda till att syrebrist uppstår i sedimentet. Nedbrytningen övergår då i syrefria (anaeroba) nedbrytningsprocesser som ger upphov till rötgaser så som metan, koldioxid och kväveoxider (4). Gasen som bildas kan bryta igenom sedimentytan som gasbubblor (se film) och efterlämnar spår i form av gasavgångskratrar, så kallade ”pockmarks” på sedimentytan. Vid SGU:s undersökning av fiberbankarnas yta med undervattenskamera kunde man observera gasbubblor som kom ut från sedimentytan eller ”pockmarks” vid 76 % av de undersökta fiberbankarna, se Figur 1 nedan. (2).

Figur 1. Till vänster, gasbubblor stiger upp i vattnet ovanför en fiberbank. I bottenytan formas gasavgångskratrar, så kallade pockmarks. Till höger, på 22 av 29 fundersökta iberbankar fanns observationer av detta slag som påvisade gasavgång. Att sådana tecken inte observerats på de sju övriga fiberbankarna (24 %) är ingen garanti för att gasavgång aldrig inträffar. Bilden är tidigare publicerad i Norrlin & Josefsson 2017 och har spridningstillstånd enligt Sjöfartsverkets beslut med beteckning 12-02372.

Inom forskningsprojekten GASFIB och FIBREM har man också utfört kontrollerade laboratorieexperiment för att jämföra gasproduktionen mellan två olika typer av fiberbankar: en som är rik på cellulosafiber och en som är rik på träbitar. Båda typerna visade hög gasproduktion och en tydlig koppling till temperatur (4). En del av gasen fastnar i sedimenten och friges vid störning av sedimenten eller när gastrycket blir för högt. Det leder till att gasutsläppen ofta inte är konstanta under korttidsobservationer.

Gasavgång i fiberbankar kan potentiellt bidra till att sprida miljöföroreningar från fiberbankarna till den omgivande miljön. Gasavgången kan även försvåra åtgärder som övertäckning, se kapitel in situ-metoder. Dessa frågor undersöktes inom GASFIB projektet.

Laboratoriestudier har visat att fiberbankarna producerar mycket mer metan än andra sediment (4). Detta beror troligen på fiberbankarnas höga innehåll av organiskt material men också på sättet som fibermaterialet deponerats, vilket skiljer sig väldigt mycket från hur naturligt organiskt material typiskt sedimenterar.

Referenser

1. Lehoux, A.P., Jersak, J., Snowball, I., Laboratory study of in-situ capping polluted fibrous sediments, SedNet conference 2019. https://sednet.org/wp-content/uploads/2019/05/A.-Lehoux-Poster-Mngt.pdf

2. Norrlin, J., Josefsson, S., 2017: Förorenade fibersediment i Svenska hav och sjöar. SGU-rapport 2017:07. Sveriges geologiska undersökning.

3. Snowball, I., Apler, A., Dahlberg, A.K., Frogner-Kockum, P., Göransson, G., Hedfors, J., Holmén. M., Josefsson, S., Kiilsgaard, R., Kopf, A., Löfroth, H., Nylander, P., O’Regan, M., Paul, C., Wiberg, K., Zillén, L. 2020, TREASURE – Targeting Emerging Contaminated Sediments Along the Uplifting Northern Baltic Coast of Sweden for Remediation, En sammanfattning av ett fyraårigt forskningsprojekt om fiberbankar inom forskningsprogrammet TUFFO, Statens geotekniska institut, SGI, Linköping, 2020-07-07.

4. Lehoux, A.P., Isidorova, A., Collina, F., Koestel, J., Snowball, I., Dahlberg, A.K., Extreme gas production in anthropogenic fibrous sediments: An overlooked biogenic source of greenhouse gas emissions.Extreme gas production in anthropogenic fibrous sediments: An overlooked biogenic source of greenhouse gas emissions. Science of The Total Environment, Volume 781, 10 August 2021, 146772