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Technical Report NTB 93-01

Geology and Hydrogeology of the Crystalline Basement of Northern Switzerland

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Dieser Bericht fasst die Ergebnisse eines regionalen geologischen Untersuchungsprogramms zusammen, welches die Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) in der Nordschweiz zur Abklärung der Eignung des kristallinen Grundgebirges als Wirtgestein für ein Endlager für hoch radioaktive und langlebige mittelaktive Abfälle durchgeführt hat. Das Programm erstreckte sich über die Jahre 1981 - 1993 und umfasste:

  • ein Tiefbohrprogramm mit sieben Bohrungen mit Endtiefen zwischen 1306 und 2482 m, 5900 Bohrmeter im Kristallin, 6400 Bohrmeter im überlagernden Sediment, vorwiegend gekernt, mit umfangreichem Logging, Packertest- und Wasserprobenahmeprogramm
  • geophysikalische Untersuchungen (400 km Reflexionsseismik und 230 km Refraktionsseismik, Gravimetrie, Aeromagnetik)
  • Langzeitbeobachtung der Druckverhältnisse der Tiefengrundwässer
  • hydrogeologische Modellierungen
  • hydrochemische Untersuchungen
  • geologische Kartierungen und Kompilation geologischer Karten
  • geologische Studien an Aufschlüssen des kristallinen Grundgebirges im Süd­schwarzwald (Deutschland)
  • neotektonische Untersuchungen (Installation von sieben Erdbebenmessstationen zur Erfassung der Mikroerdbeben, geodätische Messungen, geomorphologische Studien, Spannungsmessungen).

Die Untersuchungsresultate wurden detailliert ausgewertet. Die Ergebnisse sind in über 100 technischen Berichten der Nagra publiziert worden. Im vorliegenden Bericht wird die Synthese dieser Arbeiten dargestellt.

Die heutigen geologischen Verhältnisse in der zentralen Nordschweiz sind das Ergebnis einer geologischen Entwicklungsgeschichte, die sich über eine Zeitspanne von mehr als 400 Mio. Jahren zurückverfolgen lässt. Die bedeutendsten Ereignisse fallen ins Paläozoikum und ins Tertiär. Während der Variskischen Orogenese erfuhr das kristalline Grundgebirge eine starke strukturelle und metamorphe/hydrothermale Überprägung, begleitet von plutonischer und vulkanischer Aktivität. Bezüglich Lithologie und Struktur ist das Grundgebirge seither nicht mehr wesentlich verändert worden. In diesem Grundgebirge entwickelte sich in einer Spätphase der Variskischen Orogenese bis vor ca. 245 Mio. Jahren der Permokarbon-Trog der Nordschweiz. Nach einer rund 200 Mio. Jahre dauernden, tektonisch relativ ruhigen Periode, kam es im Tertär zu einer erneuten Umgestaltung der Region, nämlich zur Bildung des Oberrheingrabens, der Aufdomung des Schwarzwaldes und der Entstehung des Faltenjuras.

Die tektonisch-strukturellen Verhältnisse im kristallinen Grundgebirge sind wegen der Sedimentbedeckung nicht kartierbar und mit den heutigen Explorationsmethoden nur unvollständig erfassbar. Eine deterministische Charakterisierung ist deshalb nicht möglich. Aus diesem Grund musste auf der Basis von Oberflächendaten aus dem benachbarten Südschwarzwald sowie Bohrungen und seismischen Untersuchungen aus der Nordschweiz ein schematisches Störungsmodell erstellt werden, das als Grundlage für das lokale hydrogeologische Modell und die Explorierbarkeitsstudie diente.

Die Wasserführung im Kristallin kann aufgrund einer detaillierten Analyse von Bohrkernen im Bereich von Wasserzuflussstellen mit folgenden strukturellen und lithologischen Diskontinuitäten (wasserführenden Systemen) korreliert werden:

  • kataklastische Zonen
  • geklüftete Zonen mit offenen Klüften
  • spröd deformierte Aplite und aplitische Gneise

Grössere wasserführende Störungen können als lokale Akkummulationen von kataklastischen Zonen, begleitet von offenen Klüften, betrachtet werden. Wegen der extensiven hydrothermalen Umwandlung des Kristallins zeigt das Gestein in der unmittelbaren Umgebung der wasserführenden Systeme im allgemeinen eine erhöhte Mikroporosität sowie hydrothermal gebildete Tonminerale, was sich günstig auf die Radionuklid-Retention auswirkt.

Hydrogeologisch kann das Kristallin in einen mehrere hundert Meter mächtigen, oberen, höherdurchlässigen Bereich mit einer durchschnittlichen hydraulischen Leitfähigkeit in der Grössenordnung von K=1 E-7 m/s und in einen unteren, geringdurchlässigen Bereich von K

Aufgrund der chemischen Zusammensetzung und der Isotopengehalte lassen sich die Grundwässer im Kristallin in vier Gruppen unterteilen: Junge, schwachmineralisierte Calcium-Hydrogenkarbonat-Grundwässer (gelöste Feststoffe

Die geologische und klimatische Langzeitentwicklung der Nordschweiz wird in Form verschiedener möglicher Szenarien diskutiert. Ihre Erarbeitung basiert einerseits auf Erkenntnissen aus der tektonischen Geschichte der Region, andererseits auf Daten der Neotektonik. Zukünftig wird mit einer weiteren Aufdomung des Südschwarzwaldes gerechnet. Dadurch kommt es zu einer Verlagerung des Rheins gegen Süden, stellenweise bis zu 2 km im betrachteten Zeitraum von 1 Mio. Jahre. Die mit der Hebung verbundene Tiefenerosion des Rheins wird auf maximal 200 m im Raume Koblenz geschätzt. Differentialbewegungen entlang von Störungen erster Ordnung (z. B. Vorwaldstörung) werden auf maximal 100 m pro Mio. Jahre prognostiziert. Bewegungen entlang kleinerer Störungen (kataklastische Zonen) dürften im gleichen Zeitraum weniger als 1 m betragen.

Der geologische Datensatz für die Modellkette der Sicherheitsanalyse wurde aus den Ergebnissen des regionalen Untersuchungsprogramms extrahiert und in Form von kon­zeptuellen Modellen mit einem Spektrum von Parametern dargestellt und bezüglich Unsicherheiten diskutiert. Der Datensatz umfasst hydrogeologische Daten (Wasserfluss durch ein Endlager, Verteilung des Flusses auf die einzelnen wasserführenden Systeme, Verdünnungspotential der oberflächennahen Aquifere und des Vorfluters), konzeptuelle Modelle der wasserführenden Systeme mit entsprechenden Daten über ihre Geometrie, Mineralogie und Porosität, eine Abschätzung der hydrochemischen 'in­situ' Bedingungen (Referenzwasser), Angaben über Konzentration und Zusammensetzung der Kolloide im Grundwasser und geotechnische Parameter für Endlagerbau und -auslegung.

In einer Explorierbarkeitsstudie wurde ein Untersuchungskonzept erarbeitet, mit welchem die räumliche Lage von subvertikalen, auslegungsbestimmenden wasserführenden Störungszonen, respektive die Ausdehnung von geeigneten geringdurchlässigen Kristallinblöcken, nachgewiesen werden kann. Das Konzept sieht neben reflexionsseimischen Untersuchungen eine Vertikalbohrung und vier vom gleichen Bohrplatz aus sternförmig angeordnete Schrägbohrungen vor, in welchen hydraulische Tests und seismisch-tomographische Messungen zwischen den Bohrungen und von den Bohrungen zur Erdoberfläche durchgeführt werden können. Statistische Analysen haben gezeigt, dass, falls das Störungsmodell der Nordschweiz die tatsächlichen Verhältnisse im kristallinen Grundgebirge der Nordschweiz widerspiegelt, eine gute Chance besteht, dass mit obigem Konzept mindestens ein Block mit einer Grösse gefunden werden kann, der für die Aufnahme eines Teils eines Endlagers geeignet sein könnte. In einer weiteren Untersuchungsphase müssten nach Bedarf weitere Bohrungen abgeteuft werden bevor dann, mittels Schacht und Sondierstollen, eine Charakterisierung des Kristallins untertage erfolgen kann.

Insgesamt hat die geologische Synthese ergeben, dass potentiell geeignetes Kristallin in geeigneter Tiefenlage in zwei Gebieten der Nordschweiz vorkommt. Die meistversprechenden Standortmöglichkeiten liegen in einem wenige Kilometer breiten Streifen südlich des Rheins (Gebiet West: Kaisten-Leuggern-Böttstein). Eine potentielle Standortregion zweiter Priorität liegt im Kanton Schaffhausen (Gebiet Ost: Siblingen). Das Gebiet Ost ist weniger gut charakterisiert, und es werden, basierend auf den heute verfügbaren Untersuchungsergebnissen, gegenwärtig keine weiteren Untersuchungen empfohlen. Unter Berücksichtigung der projektspezifischen Randbedingungen des schweizerischen Programms für die Entsorgung hochradioaktiver Abfälle wird für die unmittelbar nachfolgende Untersuchungsphase die Durchführung von 3D-Seismik im Gebiet Böttstein-Leuggern und die Abteufung von Schrägbohrungen gemäss obigem Konzept an den ehemaligen Bohrlokationen Leuggern oder Böttstein vorgeschlagen. In diesen beiden Bohrungen wurden bereits grössere Strecken von geringdurchlässigem Kristallin nachgewiesen, das für ein Endlager als geeignet betrachtet wird.

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