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Technischer Bericht NTB 96-01

Geosynthese Wellenberg 1996 Ergebnisse der Untersuchungsphasen I und II

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Der vorliegende Bericht ist der Schlussbericht zu den am Wellenberg durchgeführten Oberflächenuntersuchungen. Diese umfassten im wesentlichen sieben Tiefbohrungen, mehrere reflexionsseismische und refraktionsseismische Messkampagnen, Piezo­meter- und flache Aufschlussbohrungen sowie eine Reihe geologischer Feldstudien.

Mit diesen Untersuchungen sollte eine ausreichende geologische Datenbasis bereit gestellt werden, um grundlegende Fragestellungen zur Standorteignung beantworten zu können. Die wichtigsten dieser Fragen beziehen sich auf die Langzeitsicherheit ei­nes zukünftigen Endlagers. Dementsprechend waren auch die konkreten Untersuchungsziele in erster Linie auf die Bedürfnisse der Sicherheitsanalyse ausgerichtet. In zweiter Linie gefordert war der Nachweis der bautechnischen Machbarkeit und eine belastbare geologische Datengrundlage für die Planung der weiterführenden Untertageuntersuchungen.

Der Abschluss der Oberflächenuntersuchungen ist ein Meilenstein auf dem Weg zur geologischen Standortcharakterisierung. Eine signifikante Verbesserung des jetzt erreichten Kenntnisstandes wird erst dann möglich sein, wenn der geplante Sondierstollen einen direkten Zugang zur Endlagerzone öffnet. Der vorliegende Bericht hat das Ziel, die bisherigen Untersuchungen am Wellenberg und ihre Resultate zusammenfassend zu dokumentieren, die Auswertungen und Interpretationen darzustellen und zu diskutieren sowie die daraus abgeleiteten Folgerungen verständlich zu machen. Im Bericht wird Wert darauf gelegt, die dabei angewandte und gegenüber früheren Arbeiten weiterentwickelte Methodik der Synthese transparent und nachvollziehbar darzustellen.

Im Rahmen der Sicherheitsanalyse direkt verwendbare Geodaten sind Parameterwerte (üblicherweise empfohlene Werte mit zugehöriger Bandbreite) und die wichtigsten konzeptuellen Annahmen, die bei der Ableitung zugrunde gelegt wurden. Für die Gesamtheit der erdwissenschaftlichen Daten, die direkt in die Sicherheitsanalyse einfliessen, wird der Begriff Geodatensatz (GDS) verwendet. GDS-Parameterwerte sind in den meisten Fällen (wenn auch nicht ausschliesslich) aus Modellierungsrechnungen abgeleitet. Modelle und Modellvorstellungen bilden deshalb zentrale Angelpunkte im Datenflussschema der Geosynthese. Sie enthalten in kondensierter Form sowohl Erkenntnisse aus den Felduntersuchungen wie auch aus den konzeptuellen Annahmen. Sie schaffen so eine überblickbare Verbindung zwischen den Felddaten auf der einen und den Parameterwerten des Geodatensatzes auf der anderen Seite.

Mit dem geologischen Standortmodell wird die grossräumige geometrische und strukturgeologische Konfiguration des Standorts beschrieben und für alle weiterführenden Bearbeitungsschritte als Rahmenbedingung vorgegeben. Die räumliche Festlegung der Formationsgrenzen stützt sich einerseits auf Bohrungsresultate und Oberflächenaufschlüsse, andererseits auf stratigraphische und tektonische Studien, die überall dort herangezogen werden, wo Raumlagen nicht durch Feldbeobachtungen allein fixiert werden können.

1994 wurde das ursprünglich auf die Palfris-Formation und die Vitznau-Mergel der Drusberg-Decke beschränkte Wirtgestein um das interhelvetische Mélange und die tertiären Schiefer (Globigerinenmergel, Schimberg-Schiefer) der Axen-Decke erweitert, da die sicherheitsrelevanten Eigenschaften dieser Formationen als gleichwertig beurteilt wurden. Die neueren Untersuchungen in der Bohrung SB4a/v/s haben diese Erweiterung vollumfänglich gerechtfertigt. Das Wirtgestein wird im Norden durch die Kalke der Drusberg-Decke und im Süden durch die Kalke und Sandsteine der Axen-Decke begrenzt. Seine Basis, das infrahelvetische Mélange bzw. die Oberfläche des tektonischen Äquivalents der Wissberg-Scholle, liegt etwa 1000 m unter der geplanten Lagerebene. Der Wirtgesteinskörper hat, gemäss der realistischen Interpretationsvariante, auf Endlagerniveau eine N-S Ausdehnung von über 1700 m, die E-W Ausdehung ist topographiebestimmt. Auch die pessimistische Variante geht immer noch von fast 1200 m N-S Ausdehnung des Wirtgesteins aus, was für die Plazierung des geplanten Endlagers vollständig ausreicht.

Grossräumige Störungszonen oder Fremdgesteinseinschlüsse, die aufgrund ihrer hydraulischen Eigenschaften (T > 10-7 m2/s bzw. K > 10-9 m/s) und ihrer Ausdehnung eine bevorzugte Verbindung zur Biosphäre oder zu einer höher durchlässigen Nebengesteinseinheit schaffen könnten, wurden keine angetroffen. Dies kann bedeuten, dass solche Inhomogenitäten («auslegungsbestimmende Elemente») im Endlagergebiet nicht vorkommen (bevorzugte Hypothese) oder aber, dass die abgeteuften Sondierbohrungen als Erkundungsmittel für diesen Zweck nicht ausreichen (alternative Hypothese). Mit den Untertageuntersuchungen in der nächsten Explorationsphase wird es möglich sein, diese Frage, soweit sie die Anordnung der Endlagerbauten beeinflussen könnte, abschliessend zu klären.  

Zur quantitativen Erfassung des rezenten Spannungsfelds wurden in vier Sondierbohrungen in verschiedenen Tiefenintervallen in situ Messungen durchgeführt, die insgesamt ein sehr konsistentes Bild zeigen. Für die Ausrichtung der maximalen horizontalen Hauptspannung SH ergab sich ein tektonisch plausibles Azimut von 131° ± 10°, nahezu senkrecht zur Front der Axen-Decke. Die Verteilung der Gebirgsspannungen im gesamten Standortgebiet (und insbesondere im Bereich der Endlagerzone) wurden mit einem dreidimensionalen (Distinct Element) Modell auf der Basis der Bohrlochmessungen abgeschätzt.

Die Zentralschweiz zählt zwar zu den Regionen mit erhöhter seismischer Aktivität, trotzdem ist, wie weltweite Erfahrungen aus Untertagebauten und standortspezifische Untersuchungsbefunde zeigen, durch Erdbeben keine Gefährdung der Langzeitsicherheit des Endlagers zu erwarten. Die in mehreren Bohrungen nachgewiesene Unterdruckzone sowie die alten salinen Formationswässer im sehr geringdurchlässigen Teil des Wirtgesteins zeigen, dass die zahllosen Erdbeben der geologischen Vergangenheit bis heute keine massgeblichen Spuren (z. B. neu gebildete starkdurchlässige Wasserfliesswege) hinterlassen haben.

Bei der Erarbeitung der geologischen Langzeitszenarien waren vor allem Ergebnisse überregionaler Studien und empirische Daten über die Zusammenhänge zwischen Klima und Erosion massgebend. Es wird damit gerechnet, dass die Langzeitentwicklung des Standorts weiterhin von den Auswirkungen der alpinen Orogenese (Hebung und Erosion) dominiert wird. Auch bei der Berücksichtigung der ungünstigsten aller möglichen Klimaszenarien und der Wahl sehr konservativer Parameter ist das Endlager bei einer Betrachtungszeit von 100'000 Jahren von der Erosion nicht direkt betroffen; es ist aber in diesem Zeitbereich mit einer allmählichen Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit im umgebenden Wirtgestein zu rechnen.

Alle bisherigen Beobachtungen haben gezeigt, dass das Wirtgestein als geklüftetes Medium mit extrem geringdurchlässiger Matrix zu betrachten ist. Die Wasserführung ist praktisch ausschliesslich an Strukturen der spröden Deformation und an spröd überprägte (reaktivierte) duktile Strukturen gebunden. Rein duktile Strukturen zeigen keine bevorzugte Wasserwegsamkeit. Um den inneren Aufbau, insbesondere das Netzwerk der hydraulisch wirksamen Kleinstrukturen im Wirtgesteins quantitativ zu beschreiben, kommt wegen der benötigten Datendichte nur ein Modell in Betracht, das die statistische Variabilität berücksichtigt.

Das Blockmodell stellt einen typischen Wirtgesteinswürfel von 500 m Kantenlänge dar. Es beruht im wesentlichen auf einer statistischen bzw. stochastischen Analyse von geologischen und hydrogeologischen Beobachtungen. Durch die Resultate der Sondierbohrungen ist belegt, dass die geometrische Verteilung der hydraulisch relevanten Strukturen im Grössenmasstab von 500 m nicht tiefenabhängig ist. Die hydraulischen Parameter zeigen dagegen eine ausgesprägte Tiefenabhängigkeit, die durch entsprechend tiefenabhängige Mittelwerte berücksichtigt werden kann. Es wird angenommen, dass die nach oben zunehmende Entlastung zu einer Öffnung einzelner Scherflächen und Mikrorisse und damit zu einer partiellen Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeit geführt hat.  

In Anlehnung an frühere Arbeiten werden vier Typen wasserführender Systeme (WFS) unterschieden: kataklastische Scherzonen (Typ 1), dünne diskrete Scherzonen (Typ 2), Kalkmergel-/Kalkbänke mit drusigen Adern innerhalb bzw. ausserhalb Kalkbankabfolgen (Typ 3a/b) und Klüfte in Tonmergeln und Mergeln (Typ 4). Ihre Verwendung im Blockmodell beruht auf einer statistischen Beschreibung der geometrischen Eigenschaften (Ausdehnung, Häufigkeit, Orientierung, interne Heterogenität) und auf einer detaillierten hydraulischen Charakterisierung. Wie die Bohrungsresultate und die anschliessenden Modellierungsarbeiten zeigten, hat der WFS-Typ 1 (kataklastische Scherzonen) die bei weitem grösste Bedeutung für die Wasserführung im Wirtgestein. Bei grossen Störungen wurde auch die Heterogenität der Transmissivitätsverteilung (Channeling) berücksichtigt. Zur Abschätzung des Channeling-Faktors wurde das Verhältnis von transmissiven zu nicht-transmissiven WFS in den Bohrungen herangezogen. Die grössten Unsicherheiten bei der Konzeptualisierung der WFS betreffen ihre Ausdehnung und Vernetzung. Sie wurden mit Parametervariationen abgedeckt, die z. T. aus Studien an Oberflächenaufschlüssen (Störungen), z. T. aus Korrelationen zwischen benachbarten Bohrungen (Kalkbankabfolgen) abgeleitet wurden.

Die Quantifizierung der Grundwasserzirkulationsverhältnisse erfolgte zweckabhängig in verschiedenen Betrachtungsmassstäben. Diesen Massstäben entsprechen zwei konzeptuelle Ansätze, die bei der Darstellung der hydraulischen Eigenschaften des Wirtgesteins gewählt wurden. Das Blockmodell ist Grundlage für die detaillierte, auf das unmittelbare Kavernenumfeld fokussierte Betrachtung der Fliessverhältnisse (Hektometer-Skala). Das Wirtgestein wird in diesem Fall als Netzwerk diskreter wasserführender Systeme aufgefasst, die durch planare Elemente approximiert werden (Kluftnetzwerk-Ansatz). Für Fragestellungen, die eine grossräumige Beschreibung der Fliessverhältnisse verlangen (Kilometer-Skala), ist dieses Vorgehen weder sinnvoll noch möglich. In diesem Massstab werden deshalb Wirtgestein und Nebengesteine als äquivalent poröse Medien behandelt (EPM-Ansatz).

Während den Nebengesteinseinheiten eine jeweils konstante hydraulische Leitfähigkeit zugeordnet wird, wurde zur differenzierten Beschreibung der Leitfähigkeitsverteilung im Wirtgestein ein neuartiges, auf einem geostatistischen Verfahren (Kriging) beruhendes 3D-Modell eingeführt. Das K-Modell liefert für jeden Punkt des Wirtgesteins einen interpolierten Leitfähigkeitswert zusammen mit der zugehörigen Schätzvarianz. Im Rahmen dieser Schätzvarianz können durch konditionale Simulation verschiedene K-Felder (Realisationen) generiert werden, welche die natürliche räumliche Variabilität der Leitfähigkeitsverteilung nachbilden. Die Eingangsgrössen für das K-Modell (und die Randbedingungen der K-Feld Realisationen) werden aus den in den Bohrungen ermittelten hydraulischen Transmissivitäten abgeleitet. Sie schwanken im oberen Teil des Wirtgesteins zwischen 10-5 m2/s und 10-8 m2/s und im unteren Teil zwischen 10-9 m2/s und 10-12 m2/s. Bei der Umwandlung der gemessenen Transmissivitäten in effektive Leitfähigkeiten (T➝ K Konversion), wie auch bei der umgekehrten Ableitung von WFS-Transmissivitäten aus den ortsgebundenen Leitfähigkeiten des K-Modells (K➝ T Konversion) spielt das Blockmodell die zentrale Rolle. Die gemeinsame Datenbasis, die beiden Verfahren zugrundeliegt, sichert die innere Konsistenz der Modellierungskette.

Die Potentiale in den Nebengesteinseinheiten sind wichtige Randbedingungen für die hydrodynamischen Modellrechnungen im Regionalmassstab. Insbesondere gilt dies für die Sättigungsverhältnisse in den Kalkformationen der Drusberg- und der Axen-Decke.

Quellen- und Piezometerbeobachtungen lassen darauf schliessen, dass diese Kalke, im Gegensatz zum Wirtgestein, nicht voll gesättigt sind. Die grösste Unsicherheit, die bei der hydrodynamischen Modellierung durch Parametervariationen berücksichtigt werden muss, betrifft die Lage des Karstwasserspiegels in der Axen-Decke.

Die hydraulischen Potentiale im Wirtgestein reichen von hydrostatischen bis artesischen Werten im oberen Teil bis zu sehr tiefen Werten unmittelbar unter der Kote des Engelbergertales. Die letzteren liegen deutlich unter dem lokalen bzw. regionalen Vorfluter und erreichen in den Bohrungen SB1 und SB2 beinahe Meeresniveau. Der ähnliche Verlauf der Potentialprofile lässt auf eine zusammenhängende Unterdruckzone (UDZ) im zentralen Bereich des Wirtgesteins schliessen. Wahrscheinlich ist sie, wie spezielle Modellierungsstudien gezeigt haben, durch mechanische Entlastung des sehr geringdurchlässigen Gesteinskörpers infolge des Gletscherrückzugs am Ende der letzten Eiszeit entstanden. Es handelt sich demnach um ein instationäres, seither im Abbau begriffenes Phänomen, das bei der hydrodynamischen Modellierung entsprechend berücksichtigt wird. Anfangsbedingungen sind die heutige Ausbildung und die erwarteten (konservativ angesetzten) Dissipationsraten.

Für die numerische Modellierung der Grundwasserfliessverhältnisse wurden den unterschiedlichen Fragestellungen entsprechend drei Betrachtungsmassstäbe gewählt. Sie werden durch drei untereinander kompatible Modelle abgedeckt. Das Regionalmodell ist das Werkzeug, mit dem vorrangig Wechselwirkungen zwischen Wirt- und Nebengestein und der Einfluss der UDZ auf die grossräumigen Fliessverhältnisse untersucht werden. Ein wichtiges Ergebnis der Modellrechnungen besagt, dass solange die Unterdruckzone existiert, d. h. während mind. 20'000 Jahren, eine Exfiltration aus dem Endlagergebiet in die Biosphäre praktisch nicht möglich ist. Nach Erreichen stationärer Fliessverhältnisse ist das Tal der Engelberger Aa das einzig mögliche Exfiltrationsgebiet. Auch unter extremen Randbedingungen kommt es zu keiner Exfiltration in die Hanglagen von Altzellen oder ins Secklis-Bach-Tal.

Das Endlagermodell dient vor allem dazu, die Auswirkungen der geplanten Untertagebauten auf das natürliche Fliessfeld abzuklären (Ausmass und Dauer der Potentialstörung infolge Bau und Betrieb, Auswirkung der Auflockerungszone um Kavernen und Stollen, hydraulische Wirkung der Versiegelungen etc.). Die Bauten einer beispielhaften Endlageranlage werden deshalb explizit modelliert. Im Endlagermodell manifestiert sich bei fortgeschrittenem Abbau der UDZ die topographiebedingte Grundwasserscheide unter dem Eggeligrat durch einen ausgeprägten Potentialrücken, der zentral durch das Endlager verläuft. Das grossräumige Strömungsbild wird durch die Untertagebauten resp. die von ihnen verursachte temporäre Drucksenke kaum beeinträchtigt. Durch die vorgesehenen Versiegelungszonen wird eine Entwässerung der Kavernen durch die Stollen wirksam verhindert. Die hydraulischen Gradienten in den Kavernen bleiben sehr gering (< 0.1 m/m), und die berechneten Flussraten betragen auch nach 20'000 Jahren im Mittel nur ca.1 m³/a pro Kaverne.

Mit dem Kavernenumfeldmodell, das im Gegensatz zu den beiden anderen Modellen auf einer Kluftnetzwerkbasis aufgebaut ist, wird in erster Linie die Verteilung des Grundwasserflusses auf die verschiedenen wasserführenden Systeme im engeren Bereich um die Endlagerkavernen untersucht. Die Simulationen zeigen, dass im Vergleich mit den Ergebnissen früherer Arbeiten die Anzahl der erwarteten Strukturen pro Stollenmeter grösser ist, da nicht nur die hydraulisch wirksamen, sondern alle wasserführenden Systeme berücksichtigt wurden. Der Gesamtwasserfluss durch das Endlager ist dagegen, unter quasi stationären Fliessbedingungen, etwa eine Grössenordnung geringer als früher angenommen.

Aus den hydrochemischen und isotopenhydrologischen Eigenschaften der Grundwasserproben aus den Sondierbohrungen werden Hinweise auf Alter (Verweilzeit) und Fliesspfade des Wassers abgeleitet. Die Grundwässer und die extrahierten Porenwässer zeigen eine mit den hydrogeologischen Modellvorstellungen konsistente Tiefenzonierung mit oberflächennahen rezenten Ca-HCO3-Wässern, mindestens vierzig bis mehrere tausend Jahre alten Na-HCO3-Wässern darunter und, ab Tiefen unterhalb 400 m unter Terrain, bedeutend älteren Na-Cl-Wässern, die noch grössere Anteile eines mehrere Millionen Jahre alten, neoalpinen Formationsfluids enthalten. Im Endlagergebiet, resp. in der Endlagerzone, können Wässer mit beliebigen Mischungsverhältnissen der beiden Endglieder Na-HCO3 und Na-Cl auftreten. Die hydrochemischen Befunde wurden u. a. dazu benutzt, die Plausibilität einiger wichtiger Modellierungsvorgaben (K-Verteilung, Porosität, Speicherkoeffizient) zu überprüfen. Dieser Vergleich hat gezeigt, dass die Annahmen und Wirtgesteinsparameter, die den hydrodynamischen Modellierungsrechnungen zugrunde gelegt wurden, mit den hydrochemischen Beobachtungen verträglich sind. Auch die Prüfung mit anderen unabhängigen Evidenzen (einschränkende Bedingungen aus der bevorzugten UDZ-Entwicklungshypothese) führten zum gleichen Ergebnis.

Nach Abschluss der Auswertung aller verfügbaren erdwissenschaftlichen Standortdaten kann festgehalten werden, dass die in früheren Berichten dargestellten Erkenntnisse zum grössten Teil bestätigt und verfeinert werden konnten. Durch die verbesserte Datenbasis und die weiterentwickelte Methodik der Modellierung und Synthese war es auf einigen Gebieten möglich, überkonservative Annahmen durch realistischere zu ersetzen, und insgesamt ein in sich geschlossenes und plausibles Bild des Standortes zu erarbeiten.

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