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Arbeitsbericht NAB 13-56

Thermo-hydraulic modelling of the temperature distribution in the siting region Nördlich Lägern

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Für die Einengung der möglichen Standortgebiete im Rahmen der Etappe 2 des Sachplans geologische Tiefenlager auf mindestens 2 Standortgebiete je Abfallart müssen alle Gebiete im Rahmen des sicherheitstechnischen Vergleichs umfassend bewertet werden. In diese Bewertung fliessen neben zahlreichen anderen Aspekten auch die thermo-hydraulischen Zustände der jeweiligen Standortgebiete mit ein. Der vorliegende Bericht beschreibt die zu diesem Zweck durchgeführten thermo-hydraulischen Simulationen für das Standortgebiet Nördlich Lägern.

Die hydraulischen Simulationen, die die Grundlage für die hier vorgestellten thermo-hydraulischen Simulationen bilden, sind umfassend in Luo et al. (2014) beschrieben. Die zusätzlich benötigten Parameter und Randbedingungen, die für die vorliegenden Simulationen genutzt wurden, beruhen hauptsächlich auf geophysikalischen Messungen der Tiefbohrung Weiach bzw. der nahegelegenen Tiefbohrung Benken, aus denen durch 1D Inversionen die benötigten Parameter errechnet wurden.

Es wurden insgesamt 5 Fälle berechnet, die sich durch unterschiedliche Annahmen bezüglich der thermischen Randbedingungen unterscheiden. Der Referenzfall bezieht sich auf ein steady-state Szenario, bei dem die Randbedingungen aus den 1D Inversionen der Messwerte aus den Tiefbohrungen entnommen wurden. Die Ergebnisse zeigen die zu erwartende Zunahme der Temperatur mit zunehmender Tiefe, die maximalen Temperaturen werden im tiefsten Teil des Modells erreicht.

Während den regionalen Störungen im Referenzfall eine Durchlässigkeit von 1e-7 m/s zugewisen wurde, werden diese Flächen in Variante 1 mit Durchlässigkeiten von 1e-15 m/s belegt. Dies ermöglicht es, die Rolle von Störungen, die bei geeigneten Durchlässigkeiten einen Austausch von Grundwasser auch zwischen den hydrogeologischen Einheiten erlauben, abzuschätzen. Die Ergebnisse dieser Simulation zeigen, dass im Allgemeinen die Temperaturen etwas höher sind als im Referenzfall, da kein Grundwasseraustausch zwischen den einzelnen hydrogeologischen Einheiten entlang der Störungen möglich ist.

Variante 2 unterscheidet sich vom Referenzfall durch die Annahme von abnehmenden Temperaturen an der Oberfläche, so dass, wenn auch vereinfacht, der Einfluss von Eiszeiten abgeschätzt werden kann. Es zeigt sich, dass bei gleichbleibendem basalen Wärmefluss und abnehmenden Oberflächentemperaturen auch im Untergrund tiefere Temperaturen gemessen werden. Diese treten zeitlich versetzt ein, da die Änderungen der Oberflächentemperatur nur langsam bis in tiefere Bereiche des Modells propagieren.

Während in den zuvor beschriebenen Varianten sowie im Referenzfall ein einheitlicher basaler Wärmefluss angewandt wurde, wurde dieser für Variante 3 räumlich variiert. Es wurde ein von Ost nach West linear zunehmender, basaler Wärmefluss zugewiesen, um so die Temperaturanomalien im Raum Bad Zurzach - Unteres Aaretal (westlich des Modelliergebiets) zu berücksichtigen. Die aus dieser Variante resultierenden Temperaturen zeigen im Vergleich zum Referenzfall niedrigere Temperaturen im Osten (hier ist, wieder im Vergleich zum Referenzfall, der basale Wärmefluss niedriger) und höhere Temperaturen im Westen (hier ist der basale Wärme-fluss höher als im Referenzfall). Ausserdem zeigen die Simulationen, dass untiefe Bereiche deutlich von den Oberflächentemperaturen beeinflusst werden, während in tieferen Bereichen der basale Wärmefluss die Temperaturverteilung dominiert.

Variante 4 unterscheidet sich vom Referenzfall durch eine zusätzlich radiogene Wärmeproduktion der im Modell berücksichtigten Einheiten; im Referenzfall wurde diese zusätzliche Wärmequelle vernachlässigt. Diese zusätzliche Wärme entsteht beim Zerfall radioaktiver Isotope bestimmter Minerale. Die Ergebnisse der Simulationen dieser Variante zeigen jedoch praktisch keine Auswirkung auf die Temperaturverteilung im Untergrund. Dies zeigt, dass der basale Wärmefluss bzw. die Oberflächentemperatur einen weitaus höheren Einfluss auf die erreichten Temperaturen hat als die radiogene Wärmeproduktion der berücksichtigten Einheiten im Modell.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass wie erwartet die Temperaturen im Untergrund massgeblich vom basalen Wärmefluss, den hydraulischen Eigenschaften der Störungen und der Oberflächentemperatur beeinflusst werden. Andere Effekte wie die hydrogeologischen Verhältnisse abseits von Störungen oder die radiogene Wärmeproduktion der Gesteine selber haben keine bzw. nur vernachlässigbar kleine Auswirkung auf die Temperaturverteilung im Untergrund des Modellgebiets Nördlich Lägern.

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