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Technical Report NTB 91-16

Implications of long-term transient flow, coupled flow and borehole effects on hydrogeological testing in the Opalinus clay: Preliminary study with scoping calculations

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Anlässlich einer Besprechung vom 24. Mai 1989 in Keyworth (England) wurden zwischen Vertretern der Nagra und dem British Geological Survey (BGS) mögliche Ursachen für die anomal niedrigen hydraulischen Druckhöhen diskutiert, die in Bohrungen im Opalinuston beobachtet worden sind. Solche anomalen Druckhöhen können nicht mit den üblichen Gesetzen für gravitativ induzierte, advektive Strömung unter stationären Bedingungen interpretiert werden.

AIs Ursachen für diese anomalen Druckhöhen schienen folgende Erklärungen denkbar: (1) langzeitig transiente Fliessbedingungen, (2) gekoppelte Strömung, vor allem mit osmotischen Prozessen und (3) Bohrlocheffekte, zum Beispiel Quellung, Veränderungen der herrschenden Gebirgsspannungen und plastische Deformation der Bohrlochwände.

Dieser Bericht stellt eine vorläufige Abklärung dieser drei identifizierten Prozesse dar. Jeder wird für sich betrachtet, erst auf allgemeiner Stufe, dann spezifisch im Zusammenhang mit dem Opalinuston. Innerhalb eines einfachen theoretischen Rahmens werden verschiedene abklärende Vorberechnungen durchgeführt, um die wichtigsten Auswirkungen von Nebeneffekten unterscheiden zu können. Grundlegende hydrogeologische, geotechnische und geochemische Parameter für den Opalinuston basieren auf vorhandenen Testdaten, oder werden aus bekannten Parametern und Zusammenhängen errechnet. Wo keine Daten vorhanden sind, werden charakteristische Eigenschaften aus der Literatur übernommen.

Obwohl derzeit Ungewissheit herrscht über die genauen Mechanismen der Grundwasserströmung in tonigen Gesteinen, scheinen einige Prozesse tiefgreifenden Einfluss auf die Hydrogeologie zu haben. Die Bedeutung dieser Prozesse geht weit über die Interpretation von Bohrlochdaten hinaus; es sind Auswirkungen auf mögliche Strategien zur Standortcharakterisierung, auf die Modellierung, sowie auf die Sicherheitsanalysen zu erwarten.

Aufgrund der rechnerischen Abschätzungen scheinen im Opalinuston langfristig transiente Strömungen plausibel zu sein. Diese sind mit Spannungsänderungen und Deformation des Gesteins nach der ursprünglichen Überlagerung und der nachfolgenden Druckentlastung während der Erosion darüberliegender Schichten verknüpft. Aufgrund der Häufigkeit, Verteilung und Aktivität vieler neotektonischer Störzonen, kann zusätzlich in vielen Teilen der Schweiz damit gerechnet werden, dass sich vorab in niedrig permeablen Gesteinen, wie dem Opalinuston, infolge von Spannungs- oder Verformungsinduzierten Änderungen des Porendruckes anomale hydrogeologische Verhältnisse bilden.

Beim Mechanismus der Druckentlastung ergibt sich aufgrund der rechnerischen Abschätzungen folgendes generelles Bild: die Grundwasserströmung in Klüften gleicht sich relativ rasch an die neuen Bedingungen an, hingegen verändern sich die Druckverhältnisse im intakten, ungeklüfteten Tongestein sehr viel langsamer. Im letzteren Fall scheint der Grad der diagenetischen Kompaktion (Bindung zwischen Tonmineralien, Zementierung, usw.) der ursprünglich plastischen Tonmineralmatrix eine gewisse Rolle zu spielen. Im allgemeinen Fall ist deshalb zu erwarten, dass die Wasserströmung in Klüften kaum je in Phase sein wird mit der Grundwasserbewegung im intakten Tongestein (Matrix-Strömung).

Die niedrige Porosität und der hohe Gehalt an Tonmineralien lassen den Opalinuston als wirksame semipermeable Membrane deuten, die sowohl innerhalb, wie auch über die Tonschichten hinweg, osmotisch getriebene Wasserbewegungen zulassen könnte. Rechnungen ergeben einen starken Einfluss der osmotischen Drücke auf Messungen von hydraulischen Druckhöhen in Bohrungen. Beim hydraulischen Testen in Tongesteinen müssen solche Effekte in Betracht gezogen werden. Gekoppelte Strömung mag beim Modellieren der Grundwasserströmung in Tongesteinen ebenfalls von wichtiger Bedeutung sein.

Falls osmotische Prozesse eine wesentliche, treibende Kraft für die Grundwasser­bewegung in tonigen Gesteinen sind, dann muss das langfristig transiente Verhalten als das Zusammenwirken hydraulischer und chemischer Ungleichgewichte betrachtet werden.

Die ursprünglich hohe Überlagerung und die nachfolgende Druckentlastung (durch Erosion der überliegenden Sedimente) verursachten einen ausgeprägten "Durst" des Opalinustons. Diese Tendenz, Wasser aufzusaugen, kann man sich vereinfacht folgendermassen vorstellen: entweder mechanisch, als langsame Erholung von einer ursprünglichen Drucküberlastung, oder chemisch, wobei Saugspannungen als Folge von osmotischen Prozessen oder Hydratisierung auf mikroskopischer Skala entstehen können. Grosse Saugspannungen, d. h. negative Porendrücke, entstehen deshalb vorwiegend in oberflächennahen Schichten. Das Vorkommen solcher Saugspannungen ist besonders plausibel im Lichte des beobachteten Quellvermögens des Opalinustons. Diese Saugspannungen sind von grundlegender Bedeutung sowohl bei der Diskussion langzeitiger Transienten wie auch bei der Interpretation einer osmotisch induzierten, gekoppelten Strömung im Tongestein.

Es bestehen eine Reihe von Gründen, weshalb in tonigen Gesteinen und vor allem in hoch kompaktierten Tonschiefern, wie dem Opalinuston, konventionelle Messungen von hydraulischen Druckhöhen nicht einfach mit den Gesetzen der gravitativ getriebenen Strömung unter stationären Bedingungen erklärt werden können. Es ist durchaus möglich, dass in vielen tonigen Gesteinen, vor allem in der Nähe der Erdoberfläche, im Normalfall mit anomalen Druckhöhen zu rechnen ist.

Bohrlocheffekte, die auf mechanische, thermische und chemische Veränderungen im Zusammenhang mit dem Bohr- oder Testablauf zurückzuführen sind, können einen bedeutenden Einfluss auf das Resultat nach dem hydraulischen Testen haben. Obwohl Quellvorgänge infolge vom Einbringen von Süsswasser wahrscheinlich die wichtigsten Effekte darstellen, können in tiefen Bohrungen Veränderungen des umgebenden Spannungszustandes, und die damit verbundene plastische Deformation des Gesteins, wesentliche Störungen der Porendruck-Verteilung in unmittelbarer Nähe des Bohrlochs hervorrufen. Falls das Testsystem eine niedrige «Compliance» hat, können die Messungen zusätzlich durch zeitabhängiges Verformen der Bohrlochwand verfälscht werden.

Im Folgenden wird auf den spezifischen Fall anomaler Druckhöhen-Messungen in der Bohrung RB26B im Gebiet des geplanten Wisenbergtunnels im Homburger Tal (siehe Kapitel 6.2) näher eingegangen. Da man das Vorhandensein von Luft in den Testabschnitten nicht mit Sicherheit ausschliessen kann, wäre dies wohl die naheliegende und einfachste Erklärung der Messdaten. Dennoch soll eine semiquantitative Interpretation der anomalen Druckhöhen hergeleitet werden, wobei in jedem Punkt der Bohrung folgende Beziehung gelten soll.

h = z + hpp + hsp

z entspricht dem geodätischen Potential (elevation head), hpp ist das Druckpotential in den Makroporen (im Zusammenhang mit dem hydrostatischen Porendruck) und hsp ist das chemische Potential in den Makroporen. Falls diese Beziehung gilt, sind in tonigen Formationen bedeutende Auswirkungen bei der Testplanung und bei der Interpretation der Testresultate die Folge. Offensichtlich kann die Grösse der hydraulischen Druckhöhe empfindlich von den chemischen Verhältnissen der Bohrlochflüssigkeit abhängen. Dies stellt die übliche Praxis, jeweils Süsswasser als Testlösung zu verwenden, in Frage. Nichtpolare und nichtreaktive Lösungen wären wohl eher geeignet. Umgekehrt könnten die chemischen Eigenschaften der Testlösung als Variable bei der Entwicklung verschiedener Testmethoden in Tongesteinen in Betracht gezogen werden.

Im Verlauf dieser Studie wurde zwischen der chemisch-osmotisch induzierten Wasserbewegung (gekoppelt) und den physico-chemischen interpartikularen Quellvorgängen ein interessanter Zusammenhang aufgedeckt. In der unmittelbaren Umgebung des Bohrlochs sind die beiden Mechanismen praktisch nicht unterscheidbar, da in beiden Fällen Wasser der Testzone in die umgebende Formation gezogen wird und beide Prozesse empfindlich auf die chemische Zusammensetzung des Testwassers reagieren. Dies wiederum bedeutet, dass beide Prozesse durch eine einzige, umfassende Theorie beschrieben werden könnten. Dabei dürfte es kein Zufall sein, dass für Tone sowohl die Wirkung als osmotische Membrane, als auch deren hohe Quellfähigkeit, durch dieselben Eigenschaften verursacht werden.

Verschiedene Themenkreise, die in diesem Bericht angeschnitten wurden, sind von derart ausschlaggebender Auswirkung für jede hydrogeologische Charakterisierung eines Tongesteins, dass sich einerseits weitere Feld- und Laboruntersuchungen geradezu aufdrängen und anderseits der theoretische Rahmen für das Verständnis der Vorgänge weiterentwickelt werden sollte. Zur weiteren Abklärung werden drei Stossrichtungen empfohlen: (a) Entwicklung einer speziellen Testmethodik für Bohrungen in Tongesteinen und Erstellen der dazu notwendigen theoretischen Ansätze für die Auswertung; (b) Entwicklung eines relativ einfachen, möglicherweise eindimensionalen, numerischen Modells um eine Sensitivitätsanalyse der transienten Strömung aufgrund der hydraulischen und chemischen Gradienten durchführen zu können; und (c) weitere Abklärungen über tektonische Bewegungen, die damit verbundenen Deformationen des Opalinustons und mögliche Auswirkungen auf die regionale Hydrogeologie. Für spezifische Hinweise sei auf Kapitel 9 verwiesen.

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