Bildet viser rehabilitering av kjellerarealer i en forretningsgård i Oslo sentrum. Det opprinnelige bæresystemet for bygningen er midlertidig erstattet (utvekslet) med stålpeler. Foto: Erik Endre
Alunskifer har fått sitt navn fra alunbruddet ved foten av Ekebergskrenten i Gamlebyen i Oslo. Dette regnes som Christianias eldste industri, og råstoffet fra bruddet ble benyttet til å produsere fargestoffet alun.
Alunskifer er en svart leirskifer fra tidsepoken kambrium – tidlig ordovicium for ca. 500 millioner år siden. Den ble dannet av slam på havets bunn (mer om dannelse lenger ned i teksten).
Hva gjør alunskifer så fascinerende?
- Gitt «riktige» forhold med relativ fuktighet kan alunskifer forandre karakter fullstendig i løpet av 10-20 år! Hvilken annen bergart kan det?
- Tro kan flytte fjell sies det, men alunskifer kan løfte bygninger! Alunskifer kan ha en løftekraft ca. 30-50 tonn/m2! Dette kalles svelletrykk. Svelletrykk kan utvikles ved relativ fuktighet (RH) i alunskiferen og i luften rundt alunskiferoverflaten. Relativ fuktighet må være 90 > RH >30(40) for å utvikle svelletrykk. Svovelmineralene (sulfidene) pyritt og magnetkis omdannes til sulfatmineraler med vannmolekyler i mineralformelen. Sulfatene som dannes har et større volum enn sulfidmineralene de erstatter. Det er særlig gips (CaSO4•2H2O) som er mineralet som er mest beryktet for svelletrykk (utvidelser av alunskifervolumet).
- pH kan bli 3 eller lavere. Også jern/aluminiumsulfater kan gi svelletrykk, men ikke så kraftig som gips. Jern-/aluminiumsulfatene gir derimot lav pH, helt ned mot pH 3 eller lavere. Sulfatene er saltene fra svovelsyre. Ved lav pH kan alunskiferen omdannes til et «leiraktig» materiale med lav mekanisk styrke.
Alunskifergrunn er kostbar byggegrunn
Svelletrykk og sigevann med pH = 3 har medført omfattende skader på bygninger i området sentralt i Oslo sentrum som kalles Kvadraturen. Bygningers bæresystem ødelegges med omfattende skader og svært kostbare reparasjoner som resultat, noen ganger med fare for bygningskollaps.
Bygningsmassen i Kvadraturen har fått rehabilitert bæresystem og fundamenter flere ganger fra de ble oppført rundt år 1900 grunnet løft (svelletrykk og forvitring i alunskifer). Man lærer stadig … Når bæresystemet svikter, er reparasjonskostnadene store og gjennomføringen krevende.
Brune/oransje og gulfargede masser i forgrunnen på bildet fra en kjeller i Oslo sentrum er alunskifer som er helt gjennomforvitret og som kan plukkes fra hverandre med hendene. Dette har skjedd i løpet av ca. 100 år. Heldigvis går arbeidet raskere med maskinen i bildet som kalles en «brokk» eller «kjellermus». Rehabilitering av nytt bæresystem er kostbart.
Alunskifer kan også forurense
Sulfidmineralene kan danne svovelsyre (H2SO4), en syre som kan løse opp det meste. Den lave pHen (grunnet svovelsyren) resulterer i akselerert forvitring/kjemisk oppløsning av enkeltmineraler. Konsentrasjoner av de uorganiske grunnstoffene i alunskiferen blir da svært høye i vannfasen i kontakt med alunskifer som forvitrer.
Risiko ved akselerert forvitring («grunn som kan dannes syre») medfører at masser av alunskifer (og andre svarte leirskifere) må leveres til deponier godkjent for å håndtere alunskifer. Godkjente deponier er for tiden på Hamar og Langøya utenfor Holmestrand (Langøya er fylt opp og skal avsluttes om få år).
Alunskifer er lavradioaktiv/radioaktiv og den mest uranrike bergarten vi har. Det har tidligere blitt gjort vurderinger av alunskifer i Norge (Skoppum-området) og i Sverige (Østersund-området) som kilde for urananrikning. Uraninnholdet er typisk mellom 100 og 200 mg uran/kg, men kan overstige 300 mg uran/kg.
Hvordan forvitrer alunskifer?
Alunskifer kan forvitre i løpet av tiår. Det er svært raskt! Derfor gir den bygningsskader og forårsaker forurensning. Årsaken til denne raske forvitringen kan forklares med to forhold: den er laminert i mindre enn millimeter-tykke sjikt (engelsk: fissile texture) og den inneholder jernsulfidene pyritt (FeS2) og magnetkis (Fe1-xS) i relativt høye konsentrasjoner (5-10 (15)) %.
I en kjemisk analyse vil som en tommelfingerregel mer enn 10 g svovel/kg kunne medføre svovelsyreproduksjon i tilstrekkelig mengder til at akselerert forvitring kan ta til. Jernsulfider trenger tilgang til fukt og oksygen for å forvitre. Ved relativ fuktighet (RH) <30 % er det ikke tilstrekkelig tilgang på vannmolekyler til at den kjemiske reaksjonen som kalles «red-oks» kan bryte ned sulfidene til sulfatforbindelser. Alle sulfatmineraler (SO42-•xH2O) har vannmolekyler og oksygen i sin krystallstruktur.
Dannelse
Alunskifer er som nevnt dannet av slam på havets bunn. Der slammet ble avsatt (sedimentert), var det ikke tilgang til oksygen, det var såkalt anaerobe forhold i avsetningsmiljøet.
Under anaerobe forhold konserveres organisk materiale. Kilden til organisk materiale var på den tiden (kambrium – ordovicium) små organismer som levde i vannmassene, og som sank mot bunnen når de døde. Anaerobe forhold «suger» til seg flere grunnstoffer fra sjøvannet og ned i slammet. Særlig grunnstoffer med flere oksidasjonstrinn (red-oks-elementer) vil oppkonsentreres i slammet.
Derfor er svarte leirskifere anriket på flere grunnstoffer, der det tok tusener av år å danne det som i dag er én millimeter alunskifer.
Faguttrykk for slike leirskifere i internasjonal litteratur er «black shale». Engelsk språk har tre begreper med økende metamorf (økende trykk og temperatur) påvirkning: Slate-shale-schist. Begrepene gir en nødvendig mer presis informasjon om trykk og temperatur dette slammet rikt på leirmineraler har blitt utsatt for (høyere trykk og temperatur fra slate til schist).
Norsk terminologi har kun ett: skifer. Derfor er det viktig å sette «leir» foran skifer til leirskifer for å fortelle at leirskifer (inneholder leirmineraler) er dannet ved svært lav metamorf grad (< ca. 200 grader C).
Det er ikke uten grunn alunskifer kalles bergartenes sorte får.
ERIK ENDRE
Rambøll
Dette visste du ikke
I denne spalten formidler geovitere populærvitenskapelig kunnskap fra sitt eget spesialfelt som allmennheten kan ha glede av å få vite mer om.
