Geophysical monitoring of redox influenced degradation near the water table

Abstract

Soil contamination of organic origin is a major environmental challenge. Redox reactions drive organic matter degradation in the ground. Monitoring these reactions is therefore needed to protect soil and groundwater. This work addresses the main hypothesis: redox influenced degradation changes the physical characteristics of the soil in a way that is remotely observable by geophysical measurements. This thesis explores three non-intrusive geophysical techniques: electrical resistivity (ER), self-potential (SP) and spectral induced polarisation (SIP) to monitor and understand the degradation of an organic contaminant, propylene glycol (PG), and a potential remediation solution, the electron bridge. The study was conducted through a series of experiments in sandboxes and columns in the laboratory examining the redox processes at the water table interface, where PG degradation would quickly deplete oxygen. Anaerobic redox processes, particularly manganese and iron oxide reduction, were assumed to decrease ER by increasing ion concentration in pore water, and to increase the complex conductivity observable by SIP. As expected, ER decreased when manganese and iron were released in the pore water, and increased when methane formation was strongly suspected. The SIP signal showed an increased real conductivity independent of frequency that preceded the cations release, indicating a change in the mineralogy preceding high metal concentrations in the pore water. The imaginary conductivity also increased at low frequencies (below 1Hz) in PG contaminated sand compared to controls. The suggested remediation process consists of transporting electrons through a metal conductor crossing the capillary fringe to use oxygen as a primary electron acceptor. The electrical current created by this electron flow would create a negative anomaly that would modify the SP signal. The results indicate that the electron bridge has a good potential for remediation as the water samples and ER showed that the electron bridge prevented the release of manganese, iron, and methane (most likely) in the water. The electron bridge could be easily monitored from the surface with the SP method, as expected. The SP did not give information on the natural organic degradation, but ER and SIP showed promising results. Overall, the three tested geophysical methods appeared to be efficient to locate and monitor redox influenced degradation under anaerobic conditions, as well as the activity of the electron bridge, which successfully protected the groundwater in the presented experiment.

Jordforurensning er en stor og økende miljøutfordring. Redoksreaksjoner gir nedbryting av organisk materiale i grunnen. Overvåkning av redokstilstanden bidrar til å beskytte jord og grunnvann. Hovedhypotesen for dette arbeidet var at: Redoks-påvirket nedbrytning endrer jordens fysiske og kjemiske egenskaper slik at de kan overvåkes med geofysiske målinger. Denne oppgaven utforsker tre geofysiske metoder: elektrisk resistivitet (ER), selvpotensial (SP) og spektralindusert polarisering (SIP) for å overvåke og forstå nedbrytningen av en organisk forurensning, propylenglykol (PG), og en mulig rense metode, en såkalt elektronbro. Studien ble gjennomført ved målinger i en rekke laboratorieforsøk i sandkasser og kolonner hvor redoks-prosesser ble undersøkt nær grunnvannsspeilet hvor PG-nedbrytning raskt forsinke tilgjengelig oksygen. Anaerobe prosesser, spesielt jern- og manganreduksjon, ble antatt å redusere ER ved å øke ionekonsentrasjonen i porevann og for å øke den komplekse ledningsevnen som kan observeres med SIP. Som forventet, ble ER redusert ved frigjørelsen av mangan, jern og metan (mest sannsynlig) i porevannet. Signalene observert med SIP viste en økning i den reelle ledningsevnen (uavhengig av frekvensen), forut for frigjørelsen av jern og mangan i porevannet. Dette indikerer at det skjedde en endring i overflatemineralogien og etter hvert økte metallkonsentrasjoner i porevannet. Den imaginære ledningsevnen økte også ved lave frekvenser (under 1Hz) i de forurensede sandkolonene sammenlignet med kontroll kolonnene. Prinsippet for en mulig fremtidig renseprosessen består i å tilrettelegge for elektron transport fra den anaerobe nedbrytningsprosessen gjennom en metallstav (elektronbro) til den oksygenrike overflaten. På denne måten kan oksygen som ikke er lokalt tilgjengelig likevel benyttes som primær elektronakseptor. Den elektriske strømmen som oppstår vil skape en negativ anomali som vil modifisere SP-signalet. Resultatene indikerer at elektronbroen har et godt potensial for å forbedre nedbrytningsprosesser der oksygen er mangelfullt og ER målingene viste at elektronbroen forhindret frigivelse av redusert jern og mangan samt metanutslipp i jordvann. Elektronbroen kan enkelt overvåkes fra overflaten med SP-metoden, som forventet. SP ga ikke informasjon om den naturlige organiske nedbrytningen, men ER og SIP viste lovende resultater. Samlet sett er geofysisk overvåkningsmetoder effektive for å lokalisere og overvåke redoks-påvirket nedbrytning under anaerobe forhold, samt aktiviteten i elektronbroen, som økte beskyttelsen av grunnvannet på en god måte i det presenterte forsøket.

La contamination des sols est un défi environnemental majeur. La dégradation de la matière organique dans le sol se fait par réactions d’oxydoréduction. Etudier ces processus contribue à protéger le sol et les eaux souterraines. Le fait que la modification des propriétés physiques du sol causée par la dégradation soit observable par des mesures géophysiques est la principale hypothèse de travail. Cette thèse explore trois techniques géophysiques, la résistivité électrique, la polarisation spontanée et la polarisation spectrale induite, pour comprendre la dégradation d'un contaminant organique, le propylène glycol, ainsi qu’une possible solution de remédiation, le pont à électrons. L'étude, menée en laboratoire au travers d'une série d'expériences, analyse les processus d'oxydoréduction à l'interface de la nappe phréatique, où la dégradation épuise rapidement l'oxygène. Nous pensions que les processus anaérobies, en particulier la réduction des oxydes de manganèse et de fer, diminueraient la résistivité électrique en augmentant la concentration d’ions, et augmenteraient la conductivité complexe observable par polarisation spectrale induite. La résistivité électrique a effectivement diminué lorsque le manganèse et le fer ont été libérés dans l'eau interstitielle et a augmenté lors d’une probable formation de méthane. La polarisation spectrale induite a montré une conductivité réelle accrue indépendante de la fréquence indiquant un changement de la minéralogie avant libération des cations. La conductivité imaginaire a également augmenté aux basses fréquences (inférieures à 1Hz) dans le sable contaminé par rapport aux témoins. Le processus de remédiation proposé consiste à transporter des électrons à travers la frange capillaire grâce à un conducteur métallique qui utilise l'oxygène comme accepteur d'électrons primaire. Le courant électrique créé par le flux d'électrons créerait une anomalie négative qui modifierait le signal de polarisation spontanée. Les résultats indiquent que le pont à électrons a un bon potentiel comme solution de remédiation, car les échantillons d’eau et la résistivité électrique montrent qu’il empêche la libération de manganèse et de fer dans l’eau et la formation probable de méthane. Le pont à électrons peut être facilement surveillé depuis la surface par polarisation spontanée, comme prévu. En revanche la polarisation spontanée n’a pas fourni d'informations sur la dégradation organique naturelle, mais la résistivité électrique et la polarisation spectrale induite ont donné des résultats prometteurs. Dans l'ensemble, les trois méthodes géophysiques testées semblent être efficaces pour localiser et surveiller la dégradation anaérobie influencée par les conditions d'oxydoréduction, ainsi que l'activité du pont à électrons, qui a protégé avec succès les eaux souterraines dans les expériences présentées.