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Technischer Bericht NTB 86-26

Überlegungen zur Ausdehnung kristalliner Wirtgesteine für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in der Nordschweiz

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Aufbau des nordschweizerischen Grundgebirges

Das kristalline Grundgebirge der Nordschweiz ist im Südschwarzwald aufgeschlossen. Daher werden aufgrund geologischer Untersuchungen in diesem Gebiet Aussagen über die zu erwartende flächenmässige Verteilung der unterschiedlichen Gesteinsarten gemacht. Für diese Studie wurde eine Fläche von rund 1100 Quadratkilometer erfasst, für die in einer Abbildung die flächenmässige Verteilung der lithologischen Hauptgruppen (Granite; Gneise, Glimmerschiefer, Anatexite; Gangporphyre) festgehalten sind. Mit diesen Daten wurden drei verschiedene statistische Auswertungen durchgeführt. Es wurde ein mittlerer Flächenanteil für die Granite von 59 bis 71 Prozent errechnet. Gneise belegen 25 bis 38 Prozent der Fläche. Eine ähnliche Verteilung kann auch für den kristallinen Untergrund der Nordschweiz angenommen werden. Aus der Untersuchung des Südschwarzwalds, aber auch aufgrund der Kenntnisse aus den Sondierbohrungen der Nagra werden Prognosen zur Ausdehnung kristalliner Gesteinskörper im Untergrund der Nordschweiz gemacht. Aufgrund der Sprunghöhen und kartierten Längen werden Störungen definiert, die ihrerseits Schollen begrenzen. Im Südschwarzwald scheint es sich bei vielen kleineren Störungen um kakiritische Zonen zu handeln, die kartierbare Längen von einigen Hunderten von Metern und Breiten von 0,5 bis 2 Metern haben. Diese kleinen Störungen zeichnen sich durch Versetzungsbeträge aus, die häufig einen Meter nicht überschreiten. Daher kann das Gebiet innerhalb der Schollenränder als tektonisch «stabil» bezeichnet werden.

Hydraulische Versuche zur Bestimmung der Wasserfliesssysteme

Ein typisches Merkmal des Kristallins ist die Beschränkung der massgebenden Wasserbewegungen auf diskrete Klüfte und Adern. Dies kommt in den Tiefbohrungen der Nagra in der Nordschweiz deutlich zum Ausdruck, da im Kristallin das Wasser meist nur an diskreten Stellen dem Bohrloch zufliesst. Damit nun in der kristallinen Formation ein Wasserfluss über grössere Strecken stattfinden kann, müssen die Klüfte ein verknüpftes Kluftnetzsystem bilden. Aus den Tiefbohrungen konnten verschiedenste Hinweise auf die Wasserfliesssysteme gewonnen werden. Die geologischen Informationen aus den Bohrkernen erlauben es, mit den Resultaten aus hydraulischen und bohrlochgeophysikalischen Untersuchungen, verschiedene Wasserfliesssysteme zu unterscheiden. Die Lokalisierung von Stellen mit diskreten Wasserzuflüssen ins Bohrloch erfolgte mit Hilfe des Fluid-Loggings. Zur hydraulischen Charakterisierung der im Bohrloch angetroffenen Fliesssysteme wurden Packer-Tests eingesetzt. Es wurden auch Langzeitbeobachtungen unter Verwendung eines Multipacker-Systems durchgeführt.

Geologische Charakterisierung der Wasserfliesssysteme

Im Bereich der Wasserzuflussstellen wurden die gezogenen Bohrkerne der Tiefbohrungen einer detaillierten geologisch-petrographischen und petrophysikalischen Analyse unterzogen. Es zeigt sich, dass die Wasserfliesswege in den Tiefbohrungen der Nagra an folgende Elemente und Strukturen gebunden sind:

  • Offene grobporöse bis drusige, hydrothermale Mineraladern, -klüfte und -gänge
  • Aplitische und pegmatitische Ganggesteine mit offenen Klüften
  • Offene Klüfte in Gneisen.

Die wasserführenden Klüfte im Granit haben mehr oder weniger mächtige Säume von hydrothermal umgewandeltem Nebengestein. Diese Säume zeigen eine erhöhte offene Mikroporosität, wie die Resultate der Quecksilber-Druckporosimetrie zeigen. Beim Radionuklidtransport wird daher infolge Matrixdiffusion und Sorption in diesen porösen Säumen verstärkte Retention der Radionuklide stattfinden.

Auswirkungen von Störzonen auf die Wasserbewegungen

Mit dem lokalen hydrodynamischen Modell FEM301 wurde der Einfluss tiefreichender hydraulischer Störzonen auf die Wasserbewegungen in der Geosphäre berechnet. Die Resultate zeigen lediglich vernachlässigbare Änderungen im oberen Kristallin. Hingegen sind an der Basis des 500 Meter mächtigen mittleren Kristallins starke Einflüsse festzustellen. Entlang der NW-SE streichenden Störzonen Eggberg und Vorwald ist eine deutliche Absenkung des hydraulischen Potentials zu erkennen. Es wurde auch eine verfeinerte zweidimensionale ModelIierung mit dem Programm FREESURF für vier Szenarien durchgerechnet. In allen Szenarien wurde ein Mindestabstand von 200 Metern zwischen Endlager und Störzone angenommen, sie unterscheiden sich in der relativen Lage der Störzone zum Endlager. Der Fall mit der Störzone direkt über dem Endlager erwies sich sicherheitstechnisch als ungünstigster. Der gesamte Wasserfluss durch das Endlager unterscheidet sich für diesen Fall um 7 Prozent gegenüber dem Fall ohne Störzonen. Die mittleren Fliessgeschwindigkeiten entlang der Fliesswege sind bis 60 Prozent höher, die Fliesswege bis 2,5 mal kürzer.

Die Auswirkungen auf die IndividuaIdosen

Die Ausbreitungsrechnungen für freigesetzte Radionuklide ermöglicht die Umsetzung des Einflusses der hydraulischen Störzonen auf die Wasserbewegungen auf die potentielle Strahlenexposition einer zukünftigen Bevölkerung. Für die Berechnungen wurde angenommen, dass der ganze Transportpfad vom Endlager zur Störzone oder dem oberen Kristallin in Ganggesteinen liegt. Wegen der kleineren Sorptionskapazität des Gesteins entlang offener Klüfte in Ganggesteinen gegenüber jenen in Kakiritzonen, ist dies eine sehr konservative Annahme, es ergeben sich höhere Individualdosen für den Menschen. Für den Transport in der hydraulisch wirksamen Störzone und im oberen Kristallin wurde zudem keine weitere Transportverzögerung angenommen. Trotzdem zeigten die Berechnungen, dass die Auswirkungen hydraulisch wirksamer Störzonen gegenüber anderen Parametern von untergeordneter Bedeutung sind. Die Dosen liegen immer deutlich unterhalb der Richtlinie von 10 mrem pro Jahr.

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