Arbeitsbericht NAB 12-61

Kompilation und Archivierung der geothermischen Daten

Résumé

Ziel des Projekts ist die derzeitige geothermische Datensammlung der Schweizerischen Geophysikalischen Kommission mit Nagra-internen Ergänzungen aus Nagra 2002 und Nagra 2008 auf ihre Qualität hin zu prüfen und mit neuen Daten zu ergänzen. Die Struktur der elektronischen Datensammlung orientiert sich an der aktuellen Version der geothermischen Datensammlung der Schweiz (Schärli und Kohl, 2002). Das Gebiet der Schweiz und angrenzender Regionen wurde in drei Prioritätsbereiche eingeteilt. Bohrungen der Priorität 1 liegen entweder direkt innerhalb der von der Nagra vorgeschlagenen Standortgebiete oder sind aufgrund der erreichten Endteufe von Bedeutung. Bohrungen der Priorität 2 liegen innerhalb des Umrisses des geologischen 3D-Modells Nordschweiz 2011.1, sind jedoch nur relativ flache Bohrungen. Bohrungen der Priorität 3 liegen entweder ausserhalb des für die Nagra relevanten Gebietes oder sind redundant mit anderen Bohrungen der 2. Priorität. In der vorliegenden Studie wird hauptsächlich die Datensammlung im Gebiet mit der Priorität 1 bearbeitet.

Folgende Informationen für die in die Datensammlung aufgenommenen Bohrungen wurden als Minimalinformation angestrebt:

• Gemessene Temperaturen und korrigierte Felstemperaturen

• relevante petrophysikalische Daten

• Stratigraphie in der Bohrung

• Literaturangabe

Daten, die in der geothermischen Datensammlung der Schweiz (Schärli und Kohl 2002) bzw. der Nagra (Stand 2002) kompiliert und bewertet wurden, wurden in der vorliegenden Studie nicht erneut überprüft. Daten aus Bohrungen, die in der geothermischen Datensammlung der Nagra (Stand 2002) nicht aufgeführt sind, wurden auf ihre Relevanz und Qualität hin geprüft und gegebenenfalls in die Datensammlung eingefügt. Dabei wurden die Qualitätskriterien der geothermischen Datensammlung (Schärli und Kohl 2002) übernommen. Alle Tiefenangaben der neu hinzugefügten Bohrungen wurden auf den Meerspiegel bezogen. Die gemessenen Temperaturdaten wurden, wenn immer möglich, auf die ungestörte Felstemperatur korrigiert (Lachenbruch und Brewer 1959). Weitere Korrekturen (z.B. Topographieeffekt, transiente Temperatureinflüsse, etc.) wurden nicht durchgeführt. Bevor die Struktur der Datensammlung erläutert wird werden im Folgenden zum besseren Verständnis Prinzip und Messgeräte zur Durchführung von Temperaturmessungen und Messungen relevanter petrophysikalischer Parameter beschrieben.

Arbeitsbericht NAB 12-57

Palynostratigraphie des Mittleren Jura:
Teil I – Bohrungen Benken, Schlattingen-1 und Weiach sowie einige Aufschlussproben der Lägern und deren Korrelation
Teil II – Bohrung Riniken, Aufschlussproben Bernhardholz, Dangstetten und Lägern

Résumé

Teil 1

Der vorliegende Berichtsteil umfasst die Ergebnisse einer semi-quantitativen palynologischen Untersuchung an 153 Kernproben des Mittleren Jura in den drei Bohrungen Benken, Schlattingen-1 und Weiach sowie 5 Aufschlussproben von der Lägern.

Aus der Sondierbohrung Benken wurden insgesamt 78 Proben aus dem Teufenbereich 450.32 m bis 655.48 m bearbeitet. Fünfzehn dieser Proben (462.81-655.48 m) waren Objekt einer ersten palynostratigraphischen Untersuchung im Juni 1999 durch dieselbe Gutachterin (Feist-Burkhardt 1999). Im Jahr 2011 und 2012 wurden weitere 63 Proben (450.32 – 559.68 m) bearbeitet. Die Probendichte hat sich somit deutlich erhöht und der Untersuchungsbereich wurde ins Hangende erweitert. Der vorliegende Bericht integriert die alten Ergebnisse von 1999 mit den neuen von 2011/2012. Von der Geothermiebohrung Schlattingen-1 wurden 43 Proben (752.65-958.43 m) und von der Sondierbohrung Weiach 32 Proben (479.54 – 555.79 m) bearbeitet. Der untere Jura und die Basis des mittleren Jura der Sondierbohrung Weiach wurden zu einem früheren Zeitpunkt bereits einmal palynostratigraphisch untersucht. Die Daten und Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Feist-Burkhardt & Pross (2010) publiziert. Zur Korrelation der Bohrung Weiach mit den anderen zwei Bohrungen wird auf einige Bioevents aus der publizierten Untersuchung Bezug genommen.

Ziel der vorliegenden Studie war die palynostratigraphische Datierung der Proben, die möglichst genaue Zuordnung der Proben zur Ammoniten-Biostratigraphie, und die Korrelation der drei Bohrungen anhand von palynostratigraphischen Events.

Die Beprobungen erfolgten durch Dr. H.R. Bläsi (Universtität Bern) im Zusammenhang mit den Profilaufnahmen für den Bericht zur Sedimentologie des 'Braunen Doggers' (Bläsi et al. 2013). In diesem Bericht finden sich detaillierte lithostratigraphische Profile, aus denen auch die Beprobungslokalität ersichtlich ist.


Einleitung Teil 2

Der vorliegende (zweite) Berichtsteil umfasst die Ergebnisse einer semi-quantitativen palynologischen Untersuchung an 6 Kernproben des Mittleren Jura der Sondierbohrung Riniken (328.50 – 345.47 m), sowie 13 Aufschlussproben von Bernhardholz (3 Proben), Dangstetten (5 Proben) und der Lägeren (5 Proben). 

Ziel der Studie war die palynostratigraphische Datierung der Proben und die möglichst genaue Zuordnung der Proben zur Ammoniten-Biostratigraphie.

Die Beprobungen erfolgten durch Dr. H.R. Bläsi (Universtität Bern) im Zusammenhang mit den Profilaufnahmen für den Bericht zur Sedimentologie des 'Braunen Doggers' (Bläsi et al. 2013). In diesem Bericht finden sich detaillierte lithostratigraphische Profile aus denen auch die Beprobungslokalität ersichtlich ist.

Arbeitsbericht NAB 12-56

Analyse des Tonmineralgehalts anhand von Bohrlochmessungen in Bohrungen der Nordschweiz

Résumé

Kontinuierliche Profile des Tonmineralgehalts sind wesentlich für die Charakterisierung der Wirt- und Rahmengesteine. An Kern- bzw. Cuttingproben wird in unregelmässigen Abständen der Tonmineralgehalt direkt bestimmt. Dies reicht aber in der Regel nicht für ein kontinuierliches Profil. Petrophysikalische Bohrlochmessungen messen unterschiedliche petrophysikalische Parameter direkt an der Bohrlochwand in kontinuierlichen Profilen (Logs), aus denen sich auch der Tonmineralgehalt errechnen lässt.

Im Grossraum der 5 Nordschweizer Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern, Südranden und Zürich Nordost (Nagra 2008) wurden in mehreren Bohrungen petrophysikalische Bohrlochmessungen durchgeführt. Dabei wurden auch die Wirt- und Rahmengesteine (Effinger Schichten, 'Brauner Dogger', Opalinuston, Lias, Keuper) erfasst. Im Rahmen des vorliegenden Berichts werden Bohrungen analysiert, von denen der Nagra Messungen in den Formationen Effinger Schichten bis zu den potenziellen Aquiferen im Sandsteinkeuper vorliegen. Dazu gehören z. B. Sondierbohrungen der Nagra, Erdölexplorationsbohrungen der SEAG, Erdwärmesonden-(EWS)- und Geothermiebohrungen unterschiedlicher Auftraggeber. Für das Standortgebiet Wellenberg gibt es bereits eine vergleichbare Auswertung (Nagra 1996).

Von den einzelnen Bohrungen liegen Bohrlochmessungen aus unterschiedlichen Jahren und in unterschiedlicher Qualität vor. Es war jedoch für alle Bohrungen in Tab. 1.1 möglich, den Tonmineralgehalt verschiedener Schichten absolut oder relativ zueinander mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen. Eine weitere lithologische Differenzierung – z. B. durch Berechnung des Quarz- oder Karbonatgehalts ist sicher auch wünschenswert, aber mit den Daten der meisten, hier betrachteten Bohrungen nicht sinnvoll möglich. Deswegen wird in diesem Bericht darauf verzichtet.

Für die Berechnung des Tonmineralgehalts wird das gleiche Verfahren angewendet, das in Albert (2008) für unterschiedliche Bohrungen, welche die Effinger Schichten durchteuft haben, vorgestellt wurde. Die Berechnungen beruhen in der Regel auf folgenden Parametern:

• Summe der natürlichen Gammastrahlung (SGR, CGR, GR),

• Spezifischer elektrischer Widerstand (FEL, ILD, LLD, RLA5, R64, 64LN) und 

• Seismische (Sonic-)Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kompressionswelle (V_p).

Arbeitsbericht NAB 12-55

Temperaturen an den Grenzflächen der Wirtgesteine und unteren potenziellen Aquiferen

Résumé

Zur Erstellung geochemischer Datensätze zu Sorption und Diffusion am LES/PSI werden für die provisorischen Sicherheitsanalysen in SGT2 eine Reihe Parameter zur Wirtgesteinscharakterisierung benötigt. Diese Parameter umfassen sowohl mineralogische als auch geophysikalische Kenngrössen. Der vorliegende NAB befasst sich mit den geophysikalischen Parametern, genauer mit den Temperaturen an der Ober- bzw. Unterkante der Wirtgesteine (Tabelle 1) bzw. den Temperaturen der möglichen Aquifere unterhalb des Opalinustons (Tabelle 2).

Arbeitsbericht NAB 12-54

Rock and porewater characterisation on drillcores from the Schlattingen borehole

Résumé

Radioactive waste in Switzerland is foreseen to be disposed in deep-seated low permeability sedimentary formations. Currently, the siting process is taking place within the so-called Sachplan procedure, in which Nagra has proposed six potential siting areas. One of these areas lies in the region "Zürich Nordost" where a large geological campaign within the project Opalinus Clay, a demonstration of feasibility (Entsorgungsnachweis), was carried out until 2002.

In 2011, a deep borehole for geothermal purposes was drilled down to a depth of 1'508 m below surface (well head at 416.6 m above sea level) in Schlattingen (TG)1. It is located west of the village of Schlattingen, about 10 km NE of the Benken borehole, which was drilled within the feasibility demonstration study Entsorgungsnachweis. Nagra had the opportunity to accompany the borehole drilling in Schlattingen with an extensive investigation programme. The scope thereof is to gain further information and understanding on the geology of the area, focussing in particular on the low permeability Jurassic sedimentary rocks. Thus, the section 731.5 – 988.9 m (Malm till base Lias) as well as a deeper section in the Muschelkalk were cored and sampled for rock mechanical, geological and geochemical purposes. Geophysical logging was conducted for almost the entire borehole length (130 – 1'508 m depth). Hydrotesting was performed in a number of test intervals in the Jurassic, Triassic and Permian formations and in the underlying crystalline rock. Finally, primary stress measurements were conducted at selected depth levels.

The Rock-Water Interaction (RWI) group of University of Bern has participated in this investigation programme by on-site work (geological mapping and sampling of the drillcores, coordination and distribution of samples to different laboratories), as well as extensive laboratory studies. These were performed to a large extent in-house, but partly also contracted to other laboratories. The focus is on the sediments dominated by clay-rich lithologies from the Malm to the lower Lias, including the Effingen Member, the 'Brauner Dogger', the Opalinus Clay and the underlying Lias unit (also referred to as lower confining unit). The objectives are:

• to complement the mineralogical and geochemical database of the Jurassic rocks in Northern Switzerland,

• to improve the geochemical and hydrogeological process understanding of the porewaters of these rocks,

• to test and to improve new methods for characterising porewater chemistry.

The different tests and analyses are summarised in Tab. 1-1. Therein, it is indicated which of the data are documented in this report. The main scope of this report is to present:

• a comprehensive mineralogical dataset,

• a comprehensive petrophysical dataset (densities, porosities, surface areas),

• a comprehensive dataset on conservative porewater tracers (²H, ¹⁸O and Cl^-) and on anion-acessible porosity,

• additional data on porewater composition: cation concentrations, pH/pCO₂ conditions, cation exchange data,

• data on thermal maturity of organic matter,

• information on diagenetic processes and vein mineralisations, including isotope studies.

Arbeitsbericht NAB 12-52

Speciation Calculations Supporting the Sorption Data Bases for Argillaceous Rocks and Bentonite for the Provisional safety Analyses for SGT-E2

Résumé

This report documents the speciation calculations that were made to support the sorption data bases for argillaceous rocks and bentonite for the provisional safety analyses for SGT-E2 (Baeyens et al. 2014).

Speciation calculations were carried out for Be(II), Co(II), Ni(II), Se(-II), Zr(IV), Nb(V), Tc(IV), Pd(II), Ag(I), Sn(IV), Sm(III), Eu(III), Ho(III), Pb(II), Ra(II), Th(IV), Pa(V), U(IV, V, VI), Np(IV), Pu(III, IV, V, VI), Am(III), and Cm(III) in porewaters for Opalinus Clay and 'Brauner Dogger', the Effingen Member, Helvetic marls, and MX-80 bentonite.

For the selection of source sorption values from experiments with illite, speciation calculations were also made for several radionuclides in 0.1 M NaClO₄ at the different pH values of the hostrock and bentonite porewaters.

Chapter 2 describes how the speciation calculations were carried out with the PHREEQC code, provides templates for creating the necessary input files, lists the names of the output files that were produced, and compiles the resulting speciations.

Chapter 3 describes the structure of the data files and lists all thermodynamic data used in the speciation calculations.

The information contained in this report is needed to reproduce all considered speciation calculations.

Arbeitsbericht NAB 12-51

Sedimentologie und Stratigraphie des 'Braunen Doggers' und seiner westlichen Äquivalente

Résumé

(Ziele und Untersuchungsgebiet)

Im Rahmen des Sachplans geologische Tiefenlager (SGT) Etappe 1 hat die Nagra die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' als potenzielles Wirtgestein für die Lagerung von schwach- und mittelaktiven radioaktiven Abfällen identifiziert (Nagra 2008). Mit dem Begriff 'Brauner Dogger' werden dabei die Gesteinseinheiten zwischen Top Opalinuston und Basis Malm zusammengefasst, welche im Geologischen Atlas der Schweiz mit braunen Farbtönen dargestellt sind und vom unteren Aaretal bis in die Region Schaffhausen in für ein geologisches Tiefenlager günstiger Tiefenlage vorkommen.

In Etappe 2 des SGT geht es darum, die Kenntnisse des 'Braunen Doggers' zu vertiefen: Zentrale Aspekte sind die Mächtigkeit und lithologische Ausbildung der einzelnen Formationen und Schichten sowie die laterale Kontinuität von harten Bänken (sandig-kalkige Einschaltungen, Eisenoolithe), da sie eine wichtige Grundlage für die Beurteilung der hydrogeologischen Verhältnisse bilden.

Der vorliegende Bericht fokussiert auf die Standortgebiete Zürich Nordost und Nördlich Lägern, wo der 'Braune Dogger' als ein potenzielles Wirtgestein für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA) angesehen wird, und zudem den Hauptteil der oberen Rahmengesteine des tiefer liegenden Wirtgesteins Opalinuston ausmacht. Im Gebiet Südranden bildet der 'Braune Dogger' einen Teil der oberen Rahmengesteine des Wirtgesteins Opalinuston allerdings in geringer Tiefenlage. Auch an die Standortgebiete angrenzende Gebiete werden in diesen Bericht mit einbezogen und bei der Darstellung der zeitlichen und räumlichen Darstellung berücksichtigt.

Kap. 1 gibt eine kurze Übersicht über die wichtigsten bisherigen Arbeiten und die im Bericht angewendete Methodik. In Kap. 2 wird die verwendete stratigraphische Gliederung vorgestellt und der Bezug zu älteren stratigraphischen Begriffen gegeben. Die neu aufgenommenen stratigraphischen Detailprofile, sowie eine Serie von einheitlich dargestellten Übersichtsprofilen werden in Kap. 3 vorgestellt und in Kap. 4 mit Hilfe von Korrelationsprofilen zu einem regionalen Bild zusammengesetzt. Dabei werden neu aufgenommene lithologische Detailprofile und biostratigraphische Analysen (Feist-Burkhardt 2012) berücksichtigt. In Kap. 5 wird auf typische Gesteinsabfolgen und die Geometrie der Sedimentkörper eingegangen. Schliesslich wird in Kap. 6 ein zeitlich-räumliches Modell des Ablagerungsraums des 'Braunen Doggers' erstellt und, mit Hilfe einer Serie von Fazieskarten und einem Zeit-Raum-(Wheeler)-Diagramm veranschaulicht.

Arbeitsbericht NAB 12-50

Geotechnical characterization of core samples from the geothermal well Schlattingen SLA-1 by LMS/EPFL

Résumé

(Background and scope)

The Laboratory for Soil Mechanics (LMS) of the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (EPFL) was requested by NAGRA to perform a geomechanical testing program on core samples extracted from a deep geothermal well near the village of Schlattingen in the Molasse Basin of Northern Switzerland. The laboratory studies are aimed at characterising three candidate host rock formations for the disposal of radioactive waste, namely the Effingen Member, the so-called 'Brown Dogger' (stratigraphic sequence of Callovian, Bathonian and Bajocian age) and the Opalinus Clay. The investigation programme comprises basic geotechnical identification tests, determination of the water retention behaviour and hydromechanical tests. The results of the laboratory investigations will feed in Nagra's data base on hydrogeological host rock properties. The electronic data base is enclosed in Appendix A. After completion of the geotechnical characterisation, a mineralogical analysis was performed on the left-overs of the tested core samples. The results of the mineralogical investigations are presented in appendix B.

Arbeitsbericht NAB 12-48

Glacial Overdeepening
Results of a workshop held in Zürich, Switzerland, 20-21 April 2012

Résumé

Glacially-overdeepened valleys and basins are common features in high mountain belts and their forelands. These overdeepenings are of practical and scientific interest, representing sites of potential lake formation, influencing the dynamics and hydrology of ice masses, presenting opportunities for glacial and climate reconstruction, and raising management issues related to aggregate, groundwater and hydrocarbon resources and radioactive waste disposal in deep geological repositories. Although the basic principles of glacial erosion are generally known, the formation of overdeepened valleys beneath glaciers and ice sheets remains incompletely understood.

A workshop organized by the National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste (Nagra) in collaboration with the University of Zürich and held in Zürich, Switzerland, in April 2012 was aimed at assessing the questions of why, how, where and when future glaciations can lead to glacial overdeepening in the foreland of the Alps. This is relevant for the siting and long-term safety of radioactive waste repositories in northern Switzerland. An international group of leading experts was invited to contribute to a discussion of the feedbacks associated with overdeepening among such factors as ice flow, ice mass geometry, bed topography, heat transport, basal thermal regime, subglacial drainage, sediment transfer and basal sliding.

The workshop featured presentations on field observations and measurements in overdeepenings beneath modern glaciers and on modelling studies as a means for developing an improved quantitative understanding of glacial erosion processes. During discussion periods, participants probed questions geared toward exploring the origin and evolution of glacial overdeepening, the role of subglacial drainage in overdeepening formation, and the significance and implications of glaciohydraulic supercooling.

While overdeepening of glacier beds is expected at confluences and in trunk valleys where ice flux and, hence, basal sliding and bedrock abrasion are large, observations of terminal overdeepening in areas of divergent ice flow highlight the limitations of the simple relationship of erosion to glacier basal motion commonly used in current glacial erosion models. Participants suggested that localized bedrock quarrying may play a significant role in glacial overdeepening, whereby the formation of crevasses above initial perturbations caused by bed irregularities focuses the delivery of surface melt and, hence, water pressure fluctuations, to the head of incipient overdeepenings.

According to participants, subglacial drainage along the adverse slope of an overdeepening is perhaps the most critical part of the water system, affecting not only the morphology and transmissivity of drainage in the overdeepened section but also the dynamics of ice flow and the mechanisms and patterns of sediment entrainment, transport, evacuation and deposition. Issues discussed during the workshop included the effect of bedrock lithology on subglacial hydrology and its influence on the efficiency of erosion and sediment evacuation, and the importance of overdeepening formation by the direct action of subglacial meltwater.

The general consensus among participants was that the depth of overdeepening is likely to depend on the extent to which processes and feedbacks are able to focus erosion and maintain the evacuation of water and sediment. However, many of the processes are difficult to observe in nature. Participants pointed to the need for detailed, quantitative measurements of water drainage in overdeepenings, accurate descriptions of the bedrock morphology of existing overdeepenings, systematic analyses of glaciohydraulic supercooling, and the development of numerical models that incorporate coupled ice-water-sediment-erosion processes.

Arbeitsbericht NAB 12-47

Laboratory Characterisation of Cores (Geothermal Well Schlattingen SLA-1, Switzerland):
Petrophysics and rock mechanics / physics

Résumé

(Background and scope)

CSIRO Earth Science and Resource Engineering was requested by NAGRA to perform a broad laboratory characterization of rock cores recovered from the well SLA-1 located in Schlattingen (Switzerland). Fifteen (15) preserved cores in total have been sent to CSIRO (see details in the following section; Appendix B). All cores were X-ray CT scanned. Five (5) cores, namely SCR01 to SCR05, were tested using the scratching method to determine the unconfined compressive strength (UCS) as a function of depth. Three (3) plugs with dimension D = 38mm and L = 76mm were sub-cored from the lower ends of cores SCR01 to SCR03 to perform unconfined uniaxial stress loading to failure and directly determine their UCS. One plug was sub-cored from the lower end of SCR04 and subjected to the Fast Tracked Petrophysics testing workflow. One plug was sub-cored from the lower end of SCR05, X-ray CT scanned and subjected to NMR characterization. The ten (10) remaining cores, namely BD3, BD5, BD9, BD10, BD32, BD37, PEM (835.62m), EMPA (886.60), EMPA (929.86) and PEM (946.08), were sub-cored and all plugs subjected to the Fast Tracked Petrophysics workflow. Table 1-1 summarizes the data associated with the rock cores received by CSIRO.

On the occasion of a status review in December 2011, a comparison was conducted of CSIRO's semi-quantitative XRD measurements and Nagra's own mineralogical analyses on other core samples from the same borehole section of the Schlattingen SLA-1 well (Mazurek 2011). The comparison displayed marked deviations in clay mineral content of several CSIRO samples when compared with the samples from Nagra. In regards of these apparent discrepancies and the recent access to new parameters at CSIRO such as Cationic Exchange Capacity (CEC) from Methylene Blue method, XRD clay analysis using a PANanalytical diffractometer and Specific Surface Area (SSA) from ethylene glycol monoethyl ether method, an extension of the previous contract was proposed. The extension re-addresses the previous results on mineralogy and dielectrics and adds new results on exact amounts of different clay types available in each of the SLA-1 core to properly define the rock types between carbonates, marls and shales. The new XRD results reduced the uncertainties associated with the semi-quantitative XRD measurements. The remaining minor differences between Nagra's own analyses and the CSIRO measurements (CSIRO sample ID "H") can be attributed to the small scale spatial variability of the clay mineral content.

We have also added a significant amount of dielectric data which correlate very strongly with much of the mineralogical and textural information gathered so far. We have verified the NAGRA reported mineralogy for all of the samples provided except for Sample-H which has been identified as a carbonate with a total carbonate content of 87%. SSA for the SLA-1 samples typically ranges from ~10 to ~120 m²/g and this is consistent with the mineralogy from XRD. In fact determination of the analytical SSA, using published values of the SSA for the constituent minerals gives a 93% correlation with a close to 1-to-1 relationship.

Excellent correlations appear between dielectrics, CEC and SSA using paste samples, which suggests that mineralogy alone is the principal determinant. Surprisingly, this also applies to Vp, which would normally be considered as a texturally-controlled parameter. It is found to correlate strongly (up to approximately 86%) with dielectric response determined from paste, which has a significant portion of its textural quality destroyed during preparation. Ions occurring within the shale samples are the dominant cause of both real and equivalent imaginary dielectric permittivity below 100 MHz through Maxwell-Wagner processes and conduction. Above 100 MHz however, the mineralogy and water content dominate the measured dielectric response. This is also consistent with a realistic petrophysical shale model established from high resolution imaging. Paste measurement gives better correlations with textural and mineralogicalproperties than intact preserved shale measurement, although a simple correction based on CEC and water content can convert the preserved measurement into an equivalent paste measurement with nearly 97% correlation. This important relationship is a critical first step in establishing drill cutting based formation evaluation and furthermore a dielectric log to SSA and CEC algorithm.

The new results lead the dielectrics method to a new level of interpretations: it proves to be a very accurate tool to assess the mineralogy control on P-wave velocities, CEC and SSA on rocks BUT also on cuttings without the needs of specific sample preparations or preservations.

Arbeitsbericht NAB 12-41

Characterisation of Cenozoic brittle deformation of potential geological siting regions for radioactive waste repositories in Northern Switzerland based on structural geological analysis of field outcrops

Résumé

This report presents the results of an extensive analysis of brittle deformation structures (fractures) across a large area of Northern Switzerland including five potential siting regions for the disposal of radioactive waste (Jura-Südfuss, Jura Ost, Nördlich Lägern, Zürich Nordost and Südranden). Over 80 field outcrops were mapped in detail resulting in more than 2300 fracture measurements and representing the most extensive dataset of this kind available for the region to date. The gathered data, mostly stemming from outcrops in Upper Jurassic limestones, enabled an enhanced structural geological characterisation of the five geological siting regions in terms of fracture orientation and tectonic regime.

The most common brittle fractures observable in the field across the entire study area are bedding orthogonal joints whose general high frequency varies only slightly depending on the rock type. The most commonly observed joint orientations are NE-SW, NW-SE and N-S. The timing of their formation is only weakly defined. At the latest they formed in conjunction with Early Cenozoic tectonic events (e.g. during uplift associated with the initialisation of the Alpine forebuldge or due to extension related to the formation of the European rift system). The bedding orthogonal joints hardly ever show significant offsets of more than a few centimetres and as such do not represent tectonic faults in the strict sense. However, kinematic indicators are very commonly found on the planes of this kind of fractures allowing for their kinematic analysis for paleostress reconstruction. Relative overprint and cross-cutting criteria of different fracture types allowed establishing a regional chronology of Cenozoic brittle deformation.

Most kinematic indicators found on fracture planes suggest strike-slip faulting. In the region of the Jura Fold-and-Thrust Belt bedding orthogonal joints showing strike-slip kinematics were frequently found to be rotated with the folded sedimentary stack. This indicates that strike-slip faulting initiated pre- or syn-kinematically with the main contractional deformation phase. At some locations strike-slip faulting also appears to postdate folding. Based on the kinematic analysis of strike-slip faults it was possible to constrain a robust paleostress tensor across the entire region indicating NNW-SSE shortening. Occurrence of reverse faults was mostly limited to high strain areas affected by the tectonics of the Jura Fold-and-Thrust Belt. In most cases these reverse faults were found to be kinematically compatible with the strike-slip faults and yielded roughly the same paleostress orientation (e.g. NNW-SSE shortening). Some indications for earlier extensional deformation in the region are given by the occurrence of extensional flexures and normal faults in the Tabular Jura that predate strike-slip faults associated with Neogene Alpine shortening. However, kinematic data related to these extensional events remained scarce and no reliable regional paleostress tensor could be established except for the area of Schaffhausen.

In general, the results of this investigation indicate a comparatively simple Cenozoic deformation history of the region. For example, extension related to the nearby Rhine Graben appears to only have mildly influenced the area. On the other hand, the field observations reported herein also raise some new questions regarding the regional tectonic setting. In particular these include the definition of the Jura Fold-and-Thrust Belt front which seems to reach farther to the north than expected (e.g. beyond north of the Rhine River at some locations) and the complex extension kinematics in the border zone of the Hegau-Bodensee Graben (in the area of Schaffhausen).

The appendix of this report (available from the Nagra info centre on request) includes an outcrop catalogue for the area of investigation. Naturally it has no claim for completeness but, together with the mapping protocols for each analysed outcrop that allow a comprehensive re-evaluation of the field observations and their kinematic interpretation, it is considered a valuable data base for the planning and execution of future investigation steps (e.g. quantitative fracture investigation, sampling campaigns etc.).

Arbeitsbericht NAB 12-40

Untere Rahmengesteine des Opalinustons:
Hydrogeologische Einheiten, Gesteinsparameter und Mächtigkeiten

Résumé

(Allgemeines)

Als Grundlage für die provisorischen Sicherheitsanalysen im Rahmen von Etappe 2 des Sachplans Geologische Tiefenlager (SGT-E2) werden in der vorliegenden Arbeit für die unteren Rahmengesteine des Opalinustons hydrogeologische Einheiten definiert sowie Gesteinsparameter (Porosität, Mineralogie) und Mächtigkeiten hergeleitet. Der Fokus der Arbeit liegt auf den Standortgebieten der Nordschweiz, also das Gebiet zwischen Olten und Schaffhausen.

Die unteren Rahmengesteine werden durch Lias und Keuper gebildet. Diese komplex aufgebauten lithostratigraphischen Einheiten wurden schon in früheren Tiefbohrungen lithologisch beschrieben, hydraulisch getestet und daraus entnommene Gesteinsproben wurden untersucht. Zudem existieren zu einzelnen Lithologien und Teilgebieten Auswertungen und Übersichtsdarstellungen, beispielsweise Dronkert et al. (1990), Klemenz et al. (2000), Albert & Bläsi (2001) oder Reisdorf et al. (2011). In Nagra (2010) finden sich für die einzelnen Standortgebiete Mächtigkeiten der unteren Rahmengesteine (inkl. Ungewissheitsbandbreiten). Es existiert aber für das betrachtete Gebiet kein detailliertes sedimentologisches Modell zur Lithologie, lateralen Kontinuität und Mächtigkeit der einzelnen Schichtglieder.

In der vorliegenden Arbeit werden die Abstraktion der hydrogeologischen Einheiten, deren Gesteinsparameter und Mächtigkeiten hergeleitet. Tonmineral- und Calcitgehalte werden bis zum lokalen Keuper-Aquifer betrachtet. In Abhängigkeit der Datenlage für die einzelnen Parameter handelt es sich um repräsentative, typische Werte für die Nordschweiz oder um 'best guess'-Werte. Zur Abdeckung der Variation werden auch Eckwerte angegeben.

Arbeitsbericht NAB 12-39

Gesteinsparameter der Wirtgesteine Opalinuston, 'Brauner Dogger', Effinger Schichten und Helvetische Mergel als Grundlage für die Sorptionsdatenbank

Résumé

und Ausgangslage

Für die Erstellung der Sorptions- und Diffusionsdatenbanken für die provisorischen Sicherheitsanalysen im Rahmen von SGT Etappe 2 werden u. a. Referenzwerte der Mineralogie, der Porosität, der Gesteinsdichte und der Kationenaustauschkapazität der Wirtgesteine benötigt (Opalinuston, 'Brauner Dogger', Effinger Schichten und Helvetische Mergel).

Diese Werte mussten bereits zu einem vergleichsweise frühen Zeitpunkt in Etappe 2 festgelegt werden, damit die Sorptions- und Diffusionsdatenbanken zeitgerecht erstellt werden konnten. Zum Zeitpunkt der Festlegung der Werte waren beispielsweise die Daten aus der Geothermiebohrung Schlattingen-1 noch nicht verfügbar. Im vorliegenden Bericht wird deshalb bei Opalinuston und 'Braunem Dogger' zuerst gezeigt, wie die Referenz- und Eckwerte ohne den Datensatz Schlattingen-1 hergeleitet wurden. Am Ende des Kapitels zum jeweiligen Wirtgestein folgt ein Vergleich mit dem Datensatz der Bohrung Schlattingen-1.

Arbeitsbericht NAB 12-34

Rezente vertikale Oberflächenbewegungen in der Nordschweiz und in Südwestdeutschland
Kinematische Ausgleichung der Landesnivellementlinien CH/D

Résumé

Das Bundesamt für Landestopografie (swisstopo) bestimmt seit ca. 1970 rezente Bewegungen der oberen Erdkruste mit Hilfe von wiederholten geodätischen Beobachtungen auf der Grundlage der Landesvermessung. Vorliegender technischer Bericht beinhaltet eine Analyse der Landesnivellement-Messungen in der Nordschweiz zusammen mit den umfangreichen Daten aus Südwestdeutschland. Ähnliche Studien mit Hilfe von sog. kinematischen Ausgleichungen von Präzisionsnivellement-Messungen nach der Methode der kleinsten Quadrate wurden bereits ab 1984 für die Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) wiederholt erstellt. Diese neue Arbeit hat sich aufgedrängt, da in der Schweiz und hauptsächlich in Deutschland seit 2006 umfangreiche Neumessungen vorliegen.

Für mehr als 7'000 Punkte (davon ca. 1‘200 Punkte in der Schweiz) konnte eine durchschnittliche Bewegung über einen Zeitraum von 15 - 100 Jahre bestimmt werden. Detaillierte geologische Beurteilungen an ca. 2‘600  Punkten zeigen aber, dass nur ca. 20 % für tektonische Interpretationen verwendet werden dürfen.

Gegenüber früheren Berechnungen [Gubler et al. 1984, Schlatter 1999 und Schlatter 2007b] zeigen sich keine wesentlichen Änderungen. Die Hebungen entlang dem Bodensee scheinen sich auch mit den neusten Messungen zu konsolidieren. Ebenso bestätigen sich rund um Schaffhausen (anstelle der früheren Senkungen) nun mehrheitlich Hebungstendenzen. In den mesozoischen Zonen nördlich des Faltenjuras dominieren klar die Senkungstendenzen. All diese Betrachtungen beziehen sich immer auf den (willkürlich) festgelegten Bewegungs-Nullpunkt in Laufenburg (Höhenfixpunkt im kristallinen Grundgebirge). Am Beispiel des Hauensteinpasses lässt sich der Übergang zwischen den geologisch-tektonischen Einheiten Tafel- und Faltenjura aufgrund der lokalen Änderungen der Hebungsraten deutlich nachweisen.

Arbeitsbericht NAB 12-35

Regionale GIS-Kompilation und -Analyse der Deckenschotter-Vorkommen im nördlichen Alpenvorland

Résumé

Stellenwert und Aufbau des Berichts

Die Deckenschotter bilden einen wichtigen Bezugshorizont für die Rekonstruktion der Landschaftsentwicklung der Nordschweiz während der letzten ca. 2.5 Millionen Jahre. Trotz verschiedenster Publikationen zu diesem Thema und der Kartierung von Deckenschottern auf geologischen Karten und Kartenskizzen stand bis jetzt kein GIS-Datensatz zur Verfügung, welcher die verschiedenen, zum Teil widersprüchlichen Karten inventarisiert und daraus einen – soweit auf dieser Basis möglich – einheitlichen Datensatz ableitet. Der vorliegende Bericht dokumentiert in einem ersten Teil die technische Erstellung eines solchen Datensatzes und erläutert dessen Struktur.

In einem zweiten Teil des Berichts wird der Datensatz im Hinblick auf die Höhenlage der verschiedenen Deckenschotter ausgewertet. Basierend auf den noch vorhandenen Deckenschotter-Relikten wurden durchgehende Flächen der Ablagerungsniveaus dieser Schotter konstruiert. Die Schottervorkommen bzw. die daraus abgeleiteten Flächen werden auf Karten und Profilen mit den heutigen und den tiefsten je erreichten Flussniveaus der Haupttäler verglichen. Dadurch kann die Einschneidung der Flüsse während der letzten 2.5 Millionen Jahre abgeschätzt werden.

Dieser Bericht fokussiert auf technische Aspekte mit dem Ziel, die Nachvollziehbarkeit der Auswertungen so hoch wie möglich zu halten. Eine ausführlichere Diskussion der Deckenschotterablagerungen für die vergangene Landschaftsentwicklung erfolgt in Heuberger et al. (2014) und Schnellmann et al. (2014).

Arbeitsbericht NAB 12-33

Berechnung und Beurteilung rezenter vertikaler Oberflächenbewegungen abgeleitet aus wiederholten Präzisionsnivellements in den Regionen Nordschweiz und Südwestdeutschland

Résumé

Die Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) "... ist von allen Verursachern radioaktiver Abfälle beauftragt, Lösungen für eine sichere, dem Menschen und der Umwelt verpflichtete Entsorgung in der Schweiz zu erarbeiten und zu realisieren" (Nagra 2012). Hierbei sollen für die Entsorgung der radioaktiven Abfälle geologische Tiefenlager geplant werden, wobei hierzu erdwissenschaftliche Abklärungen durchzuführen und Sicherheitsnachweise für mögliche Standorte geologischer Tiefenlager zu erbringen sind. Dies erfordert eine umfangreiche und interdisziplinäre wissenschaftliche Begleitung des Projekts mit der Untersuchung geowissenschaftlicher Abläufe in Vergangenheit und Gegenwart. Die umfassende Information der Öffentlichkeit ist gleichzeitig wesentlicher Bestandteil dieser Planungen.

Eine wichtige Frage in Hinblick auf die Beurteilung der Langzeitsicherheit eines geologischen Tiefenlagers gilt den Einflüssen von zukünftigen neotektonischen Bewegungen (seismische und aseismische) auf die Sicherheit eines geologischen Tiefenlagers. Es ist deshalb wichtig, eine möglichst umfangreiche Bestandsaufnahme über alle Vorgänge in der Erdkruste vorzunehmen, um damit deren Kinematik und Dynamik sowohl in der Vergangenheit als auch in der Gegenwart beschreiben und Folgerungen für Standortsicherheit in der Zukunft schliessen zu können.

Spannungen und Bewegungen der oberen Erdkruste, die in der Gegenwart stattfinden, lassen sich überwiegend durch die Durchführung und Interpretation geophysikalischer Messungen modellieren. Zusätzlich lassen sich an der Erdoberfläche die stattfindenden Bewegungen durch geodätische Messverfahren hoher Genauigkeit beobachten. Durch konkrete und differenzierte Auswertungen, die sich auf diese Beobachtungen beziehen, können Randwerte für das Bewegungsfeld der Erdkruste analysiert werden. Obwohl dieses Bewegungsfeld grundsätzlich dreidimensional angelegt ist, wird dieses in der Geodäsie derzeit üblicherweise in horizontale und vertikale Komponenten aufgeteilt. Zur Analyse der vertikalen Komponente des Bewegungsfelds lassen sich Präzisionsnivellements hoher Genauigkeit, die in Mitteleuropa seit etwa einhundert Jahren von den amtlichen Vermessungsstellen landesweit durchgeführt werden, heranziehen. Da dieses Messverfahren sehr zeit- und kostenaufwändig ist, sind die notwendigen Messungen nicht auf einen speziellen Zeitpunkt konzentriert, sondern in Zeit und Raum nach amtlichen Anforderungen und Regeln angeordnet. Dies hat zur Folge, dass lediglich zwischen zwei benachbarten Punkten, die durch wiederholte Messungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander verbunden sind, der relative Bewegungsunterschied zueinander bestimmt werden kann. Um die Bewegungen, die während einer länger andauernden Messepoche an den Punkten eines flächenhaften Netzes stattgefunden haben, in einer Gesamtanalyse zusammenfassen zu können, ist ein zeitabhängiger, kinematischer Modellansatz erforderlich. Dieser stellt die Höhe eines Punkts als eine Funktion der Zeit dar, so dass konsequenterweise der beobachtete Höhenunterschied zwischen zwei Punkten ebenfalls zeitabhängig wird.

Arbeitsbericht NAB 12-32

Auftreten von Kohlenwasserstoffen in der Region des Jura-Südfusses (Abschnitt Aarwangen – Baden)

Résumé

In der Schweiz werden seit weit über 100 Jahren immer wieder kleinere Vorkommen von Asphalt, Erdöl oder Erdgas gefunden. In der Vergangenheit wurde vor allem in der Westschweiz intensiver nach diesen Kohlenwasserstoffen (KW) exploriert und vereinzelt kommerziell genutzt (Leu 2008a). Die vorliegende Studie befasst sich ausschliesslich mit dem Auftreten von gasförmigen, flüssigen und gebundenen Kohlenwasserstoffen in der Region Jura-Südfuss zwischen Aarwangen und Baden. Vor fast 100 Jahren war diese Region zum ersten Mal im Fokus der Erdölexploration. Seither war das Schweizer Erdöl im Interesse diverser Explorationskampagnen. Etwa 80 Jahre später kam die kommerzielle Suche nach Erdöl faktisch zum Erliegen. Trotzdem wird in der genannten Region regelmässig Erdöl oder Erdgas bei der Erstellung von Untertagebauten oder Bohrungen gefunden. In Zusammenhang mit der geothermischen Wärmegewinnung und den damit verbundenen gestiegenen Bohraktivitäten hat das Wissen über die Lage und Verteilung der Kohlenwasserstoffe deutlich zugenommen. Vereinzelt ist es gelungen, angetroffene Erdöl- oder Erdgasvorkommen zu beproben und hinsichtlich der chemischen und isotopengeochemischen Zusammensetzung genauer zu analysieren.

Unerwartet angetroffene kleinere Vorkommen von Kohlenwasserstoffen wie Erdöl oder Erdgas können im Untertagebau oder bei Bohrungen zu Problemen führen. Häufig werden erhebliche Mehrkosten durch Baustopps und zeitliche Verzögerungen verursacht. Durch den plötzlichen Zutritt von explosionsgefährlichen oder giftigen Gasen bestehen zudem gesundheitliche Risiken für die Bautrupps vor Ort. So ist es beispielsweise bei der Erstellung des "Langeten-Hochwasserentlastungsstollens" (SW von Roggwil, Kt. Bern) zu einer Gasexplosion gekommen (Häberle & Steiger 1990), weil beim Durchfahren der Sedimente der Unteren Süsswassermolasse (USM) austretendes Methangas nicht rechtzeitig festgestellt wurde. Als unmittelbare Konsequenz wurde daraufhin den Fragen der Gassicherheit im Untertagebau besonderes Augenmerk gewidmet (Arbeitsgruppe Gasführung im Untergrund 2002).

Grössere KW-Vorkommen sind wirtschaftlich bedeutsame Bodenschätze. Für die chemische Industrie sind sie wichtige Grund- und Rohstoffe. Als Grundlage der modernen Mobilität sind sie zu Land, auf dem Wasser oder in der Luft nicht wegzudenken. Gleichzeitig ist die Schweiz zu 100 % von ausländischen Importen abhängig. Falls ein genügend grosses KW-Vorkommen in der Schweiz entdeckt werden sollte, so können daraus Nutzungskonflikte entstehen. Nach Leu (2008a) gehört der Bereich Biel – Solothurn – Oftringen zu den Schweizer Gebieten der Potenzialklasse-1 (von drei möglichen Klassen), d. h. es handelt sich um Gebiete, deren KW-Ressourcen in Zukunft wirtschaftlich bedeutsam sein können.

Ölsande bzw. kleinere Erdöl- und Erdgasvorkommen sind für den Bereich Mittelland und Faltenjura einschliesslich Jura-Südfuss seit Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt. In dieser Region wurden bei verschiedenen Bohrungen bis in die jüngste Zeit grössere KW-Ansammlungen nachgewiesen (Wyss 2009, Sachs & Eberhard 2010). Die vorliegende Studie kompiliert die vorhandenen Daten zu den KW dieser Region (Jura-Südfuss zwischen Aarwangen und Baden) und versucht, anhand der geologischen und geochemischen Charakteristika eine Gruppierung und Regionalisierung der einzelnen KW-Vorkommen vorzunehmen.

Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung erfolgte eine Datenrecherche in eigenen und kantonalen Bohrarchiven. Parallel dazu wurde von den Bearbeitern der Studie eine umfassende Recherche der historischen und modernen Literatur durchgeführt. Sofern in den Literaturquellen vertrauenswürdige und genaue Angaben zu KW-Vorkommen gemacht wurden, so sind diese in der Auswertung berücksichtigt worden. Gegebenenfalls wurden ergänzende Begehungen und Beprobungen durchgeführt. Weiter wurden diverse geologische und naturwissenschaftliche Sammlungen konsultiert. Auch diese Daten und Fundpunkte wurden, soweit sie noch nicht in der KW-Datenbank enthalten waren, mit berücksichtigt.

Der neu erstellte Datensatz wurde in einen ersten tektonisch-stratigrafischen Zusammenhang gestellt. Hierbei waren KW-haltige Gesteinsschichten sowie deren Tiefenlage von besonderem Interesse. Die KW-Vorkommen wurden mit dem tektonischen Umfeld (Antiklinalstrukturen, Störungszonen) in Zusammenhang gebracht. Anhand der Vorarbeiten werden die lokalisierten KW-Vorkommen in einzelne Provinzen zusammengeführt.

Arbeitsbericht NAB 12-28

EWS-Bohrungen Biberstein-1 bis -4 (Kt. Aargau)
Geologische Aufnahme und bohrlochgeophysikalische Messungen (Rohdaten)

Résumé

(Zielsetzung)

Die Gesteine des Effingen-Members gelten als ein potenzielles Wirtgestein für ein geologisches Tiefenlager für schwach- und mittelaktive Abfälle im Bereich des Jura-Südfusses. In der näheren Umgebung von Biberstein wurden bislang EWS-Standorte in Küttigen (Albert et al. 2007, Klump et al. 2008) und auf dem Stadtgebiet von Aarau (Sachs et al. 2012) bezüglich Geologie, Geophysik und Hydrologie detaillierter untersucht. Das Ziel der vorliegenden Studie war eine möglichst umfassende geologische und geophysikalische Untersuchung des Effingen-Members im Gebiet von Biberstein. Zusätzlich sollte – soweit Formations- oder Kluftwässer angetroffen werden – eine Tiefenwasserbeprobung durchgeführt werden. In Biberstein bot die Realisierung eines kleinen Erdwärmesondenfelds (Tab. 1.2) die Gelegenheit zur Durchführung dieser wissenschaftlichen Vorhaben. Ein weiteres wichtiges Ziel war das geophysikalische Logging, welches analog zu den Messkampagnen in Küttigen (Albert et al. 2007), Gösgen (Albert et al. 2009) und Aarau (Sachs et al. 2012) durchgeführt werden sollte. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Untersuchungen ist die Schaffung eines vertieften Verständnisses der geologisch-sedimentologischen Lagerungsverhältnisse des Effingen-Members im Bereich des Jura-Südfusses. Die aus den Untersuchungen resultierenden Ergebnisse wurden mit den bereits vorhandenen Daten und Erkenntnissen aus der näheren Umgebung von Biberstein verglichen.

Arbeitsbericht NAB 12-27

Nagra's Biosphere Assessment Code SwiBAC 1.2:
Model Definition

Résumé

This report documents the conceptual and mathematical basis for a compartment model used by Nagra for representing the distribution of radionuclides released from a deep geological repository in the biosphere and for calculating potential effective radiation doses to persons. The model is implemented in a software application and is referred to as the Swiss Biosphere Assessment Code, SwiBAC. SwiBAC builds on Nagra's previous biosphere model TAME, hence, the report draws together a description of the conceptual and mathematical basis for the biosphere model based on previous Nagra reports.

The conceptual model for SwiBAC is based on radionuclide releases to a generic, agricultural biosphere system with the components near-surface aquifer, surface water, rooting zone soils and deeper soil horizons. These components are represented by one or several compartments between which transport can take place in solution and/or with fluxes of solid materials. Radiation doses are evaluated based on the modelled concentrations of radionuclides in the biosphere system. Conservative assumptions are used to ensure that potential doses are not underestimated, including that (i) all food consumed is grown locally and that (ii) the representative person resides in the region of highest concentrations during the entire year. The following exposure pathways are considered:

• consumption pathways:

Arbeitsbericht NAB 12-26

Biosphere Modelling for C-14: Description of the Nagra Model

Résumé

Nagra uses a compartment model for representing the distribution of radionuclides in the biosphere following release from a deep geological repository and for calculating potential effective radiation doses to persons. The compartment model is implemented as the Swiss Biosphere Assessment Code (SwiBAC) and adopts equilibrium assumptions for radionuclide distribution between solid phases, liquid phases and uptake by crops. Such assumptions are suitable for biosphere modelling of most radionuclides relevant to geological disposal. However, for C-14 a more specific modelling approach is appropriate.

This report documents the model that is used by Nagra to represent the distribution of C-14 in the biosphere. The conceptual and mathematical model for evaluating the transfer and accumulation of C-14 released to a local aquifer-soil-crop-atmosphere system is presented. The model draws on discussions and comparisons relating to C-14 modelling made within the international BIOPROTA forum. The data for the model are described and justified, along with details of numerical implementation and illustrative calculations.

The model assumes that C-14 is distributed in the same way as stable carbon and is hence based on masses and fluxes of stable carbon between various carbon pools. The mass balance demonstrates the dominance of the flux of stable carbon through the upper part of the plant canopy and the atmospheric layer above the plants. Organic matter represents the major carbon pool within the top soil in comparison with the amount in exchangeable inorganic form.

Illustrative calculations demonstrate a timescale of several hundred years to equilibrium, reflecting the assumed turnover rate of carbon within the local aquifer. Uptake of C-14 by plants from a layer within the canopy atmosphere that is conservatively represented as being diffusive-dominated is key in comparison to either root uptake from the top soil or uptake from a turbulent layer of the canopy atmosphere.

The C-14 model is used to calculate the following effective parameter values needed to represent the behaviour of C-14 within SwiBAC:

• effective solid / liquid distribution coefficients for the soil compartments and the local aquifer

• additional loss term from the top soil to reflect losses to the atmosphere and crops

• effective soil-to-plant concentration ratios for the different crops considered

Arbeitsbericht NAB 12-24

Erdwärmesondenbohrungen Löhningen (SH), Osterfingen (SH) Hemmental (SH), Beringen (SH) Schönenwerd (SO), Wölflinswil (AG)
Geologische Aufnahme und bohrlochgeophysikalische Messungen (Rohdaten)

Résumé

(Basisdaten)

Im Rahmen des Sachplans geologische Tiefenlager (SGT) soll der Kenntnisstand über die geologischen Verhältnisse an den potenziellen Standorten als Vorbereitung für die Etappe 2 mit ergänzenden Felduntersuchungen, z. B. mit Beteiligung an Untersuchungen in neuen Bohrungen, verbessert werden. In der Vergangenheit wurden bereits zusätzliche Untersuchungen, wie geologische Detailaufnahmen, bohrlochgeophysikalisches Logging und teilweise auch Hydrotests in Bohrungen erfolgreich durchgeführt. Dies betraf in den meisten Fällen Zusatzuntersuchungen in den potenziellen Wirtgesteinen Effinger Schichten, 'Brauner Dogger' sowie untergeordnet auch Opalinuston. Im vorliegenden Fall der EWS-Bohrungen Löhningen, Osterfingen, Hemmental und Beringen im Kanton Schaffhausen, Schönenwerd im Kanton Solothurn sowie Wölflinswil im Kanton Aargau wurden ebenfalls die geologischen Formationen Effinger Schichten bis Opalinuston genauer charakterisiert und somit die lithostratigraphische Korrelation verbessert.

Arbeitsbericht NAB 12-22

2D-Seismik Nordschweiz 2011/12:
- Geologische Aufnahme der Aufzeitbohrungen (Teil 1)
- Aufzeitmessungen (Teil 2)

Résumé

Teil 1: Einleitung (Problemstellung / Auftrag)

Im Rahmen der Standortsuche für ein Tiefenlager für radioaktive Abfälle wurden in der Nordschweiz von Herbst 2011 bis Frühjahr 2012 ergänzende seismische Messungen durchgeführt. Dazu wurden an 36 ausgewählten Stellen Aufzeitbohrungen abgeteuft. Diese Bohrungen dienten dazu, die Mächtigkeit der Quartärbedeckung zu bestimmen und die seismischen Geschwindigkeiten des Lockergesteinsmaterials zu ermitteln.

Teil 2: Veranlassung und Aufgabenstellung

Im Rahmen einer seismischen Messkampagne in der Nordschweiz führte DMT GmbH und Co. KG im Auftrag der schweizerischen nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA) auch seismische Bohrlochmessungen (Aufzeitmessungen) an insgesamt 36 Bohrlöchern durch (vgl. Teil 1). Die Tiefe der Bohrlöcher variierte zwischen 27 m und 296 m unter Gelände.

Die Ergebnisse der Aufzeitmessungen wurden im weiteren Verlauf des Projektes in der reflexionsseismischen Auswertung für die Berechnungen von statischen Korrekturen benutzt. Die Ergebnisse und Auswertungen der Aufzeitmessungen sind in Beilage 37 – 73 dargestellt.

Arbeitsbericht NAB 12-20

Drainage system and landscape evolution of northern Switzerland since the Late Miocene

Résumé

und Aufbau des Berichts

Ein gutes Verständnis der vergangenen Landschaftsentwicklung ist die zentrale Basis für die Eingrenzung der zukünftigen Erosion und Landschaftsentwicklung im Hinblick auf die Beurteilung der Langzeitsicherheit eines geologischen Tiefenlagers. Der vorliegende Bericht fasst das vorhandene Wissen zur Gewässernetz- und Landschaftsentwicklung der Nordschweiz vom Miozän bis heute zusammen.

Der erste Teil (Teil A) des Berichts besteht aus einer ausführlichen Literaturstudie, welche das Wissen über die Gewässernetz- und Landschaftsentwicklung in chronologischer Reihenfolge zusammenfasst. Für die einzelnen Zeitabschnitte werden jeweils die wichtigsten erhaltenen Ablagerungen beschrieben, bevor die Altershinweise und Ablagerungsmodelle diskutiert werden. Die wichtigsten Reorganisationen der Flusssysteme werden in separaten Kapiteln abgehandelt, wobei auch auf die involvierten Auslöse-Prozesse eingegangen wird. Das Ganze wird mit Originalfiguren aus den wichtigsten Publikationen zum jeweiligen Abschnitt illustriert und es wird auf die relevante Literatur verwiesen. Dabei werden bewusst auch unterschiedliche Interpretationen und Theorien aufgezeigt und diskutiert.

Im zweiten Teil des Berichts (Teil B) werden die gesammelten Informationen in zusammenfassenden Karten und Profilschnitten synthetisiert ohne nochmals auf alternative Interpretationen und Modelle einzugehen. Teil B besteht aus sechs Entwässerungssystem-Karten, welche die Entwicklung seit dem späten Miozän wiedergeben (B2), aus einer geologischen Karte des Nordschweizer Quartärs (B3) sowie aus drei Profilschnitten mit quartären Terrassen und Schotterrelikten (B4). Die Ablagerungen in den Karten und Profilschnitten sind farblich aufeinander abgestimmt, so dass sowohl die lateralen Änderungen des Gewässernetzes, als auch die damit verbundene Eintiefung und/oder Aufschotterung erfasst werden können. Dieser zweite Teil des Berichts soll einen raschen Überblick über die Landschaftsgeschichte der Nordschweiz geben und kann in diesem Sinne auch losgelöst von Teil A betrachtet werden.

Arbeitsbericht NAB 12-16

2D-Seismik Südranden (Kanton Schaffhausen)
Quell- und Grundwasserüberwachungsprogramm
Katasteraufnahme

Résumé

Am 9. Dezember 2011 erhielt die Dr. Heinrich Jäckli AG, Zürich, von der NAGRA den Auftrag, im Rahmen der geplanten 2D-Seismik im SMA-Standortgebiet "Südranden" einen sog. Quellkataster zu erstellen. Das Standortgebiet "Südranden" sowie das daran angrenzende Prospektionsgebiet umfassten im Kanton Schaffhausen die Gemeinden Beringen, Guntmadingen, Neuhausen a. Rh., Neunkirch, Löhningen und Wilchingen. Der Quellkataster beinhaltet eine Bestandsaufnahme aller Quell- und Grundwasserfassungen in Form einer Erstbegehung, kombiniert mit einer Nullmessung. Ergänzende Kontrollmessungen wurden in Abhängigkeit der Ergebnisse der Feldbegehung / Nullmessung und in Abhängigkeit der Durchführung der seismischen Untersuchungen im Winter / Frühling 2012 durchgeführt.

Arbeitsbericht NAB 12-15

2D-Seismik Nördlich Lägern (Kantone Aargau und Zürich)
Quell- und Grundwasserüberwachungsprogramm
Katasteraufnahme

Résumé

Am 4. April 2011 erhielt die Dr. Heinrich Jäckli AG, Zürich und Baden, von der NAGRA den Auftrag, im Rahmen der geplanten 2D-Seismik im HAA-Standortgebiet «Nördlich Lägern» einen sog. Quellkataster zu erstellen. Das Standortgebiet «Nördlich Lägern» sowie das daran angrenzende Prospektionsgebiet umfasst im Kanton Zürich die Gemeinden Bachs, Boppelsen, Buchs, Bülach, Dielsdorf, Eglisau, Freienstein-Teufen, Glattfelden, Hochfelden, Höri, Hüntwangen, Neerach, Niederhasli, Niederweningen, Oberweningen, Otelfingen, Regensberg, Regensdorf, Rorbas, Schleinikon, Stadel, Steinmaur, Wasterkingen und Weiach und im Kanton Aargau die Gemeinden Bad Zurzach, Baldingen, Böbikon, Ehrendingen, Fisibach, Freienwil, Kaiserstuhl, Lengnau, Mellikon, Rekingen, Rümikon, Schneisingen, Siglistorf und Wislikofen. Der Quellkataster beinhaltet eine Bestandsaufnahme aller Quell- und Grundwasserfassungen in Form einer Erstbegehung kombiniert mit einer Nullmessung. Ergänzende Kontrollmessungen sind in Abhängigkeit der Ergebnisse der Feldbegehung / Nullmessung im Herbst / Winter 2011/2012 vorgesehen.

Arbeitsbericht NAB 12-08

2D-Seismik Jura-Südfuss (Kantone Aargau und Solothurn) Quell- und Grundwasserüberwachungsprogramm Katasteraufnahme

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 12-07

Vorschläge zur Platzierung der Standortareale für die berflächenanlage der geologischen Tiefenlager sowie zu deren Erschliessung
Vorgehen und Informationen zur Erarbeitung der Vorschläge
Eine Übersicht

Résumé

Der vorliegende Bericht beschreibt das Vorgehen der Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) bei der Erarbeitung von Vorschlägen für Standortareale für die Oberflächenanlage. Der Bericht gibt auch eine Übersicht über die Resultate von Zwischenschritten in Form von Figuren. Damit soll dem Leser aufgezeigt werden, wie die Nagra die Möglichkeiten zur Platzierung von Standortarealen schrittweise evaluiert hat.

Der Bericht ist eine Ergänzung zum Nagra Technischen Bericht NTB 11-01 (Genereller Bericht und Beilagenband). Der Generelle Bericht des NTB 11-01 fasst den gesetzlichen Rahmen zusammen, beschreibt die Funktion und die Elemente der geologischen Tiefenlager sowie die Oberflächenanlage und ihre Erschliessung, liefert generelle Angaben zu möglichen Auswirkungen der Tiefenlager und führt die Kriterien und Indikatoren auf, welche die Nagra für die Erarbeitung der Vorschläge der Standortareale verwendet hat. Der Beilagenband enthält die Vorschläge für Standortareale und für ihre Erschliessung in den sechs Planungsperimetern und stellt die einzelnen Standortareale anhand von Faktenblättern und einer Kurzbeschreibung dar.

Das Vorgehen der Nagra bei der Einengung und Evaluation der Möglichkeiten für die Platzierung der Standortareale enthält erheblichen Ermessensspielraum. Dies gilt sowohl für die Festlegung der Anforderungen in den Schritten der flächenhaften Einengung mithilfe eines geografischen Informationssystems (GIS) als auch bei der Evaluation und Einengung der verbleibenden Flächen und anschliessend bei der vergleichenden Evaluation und Einengung der identifizierten Möglichkeiten. Es ist daher zu erwarten, dass die Standortregionen zu teilweise anderen Einschätzungen und möglicherweise auch zu anderen Vorschlägen gelangen können. Um diese Diskussion möglichst offen zu halten und mit dem Vorgehen der Nagra nicht in eine bestimmte Richtung zu beeinflussen, war geplant, die in vorliegendem Bericht enthaltenen Unterlagen nicht zu publizieren. Nach der Publikation der Vorschläge der Nagra wurden aber von den Kantonen und den Standortregionen verbreitet ergänzende Informationen zum Vorgehen der Nagra und zu Zwischenresultaten gewünscht. In Absprache mit dem BFE wird diesem Wunsch Rechnung getragen. Mit dem vorliegenden Bericht werden die entsprechenden Angaben den am Verfahren Beteiligten und weiteren Interessierten zur Verfügung gestellt.

Bei den Figuren im Bericht handelt es sich mehrheitlich um Arbeitsunterlagen für die Erarbeitung von Vorschlägen. In diesem Sinne ist es durchaus möglich, dass die Unterlagen nicht in allen Details konsistent sind, was jedoch für die Erarbeitung der Vorschläge keine Bedeutung hat.

Arbeitsbericht NAB 12-05

Analyse des rezenten Spannungsfelds der Nordschweiz

Résumé

Der rezente in situ Spannungszustand der Erdkruste ist eine wichtige Feldgrösse, um das Reaktivierungspotenzial von tektonischen Störungen und somit auch die künftige strukturelle Entwicklung einer Region über längere Zeiträume zu prognostizieren. Im Rahmen des Sachplans geologische Tiefenlager wurden ausgehend von der World Stress Map Datenbank 2008 für die Schweiz und angrenzende Gebiete die Datensätze der Orientierung der grössten horizontalen Spannung SH kritisch überprüft, aktualisiert und mit neuen Datensätzen ergänzt. Die revidierte Datenbasis enthält 107 neue Datensätze. In Bezug auf die geologischen Tiefenlager sind insbesondere die 15 Datensätze aus 11 neuen Bohrlokationen aus Tiefen bis 2.5 km von grosser Bedeutung sowie die Re-Analyse von sieben älteren Nagra-Bohrungen, um eine nach gleichen Kriterien evaluierten und somit in sich konsistente Datenbank für die Schweiz zu erhalten. Insgesamt sind in der Schweiz und den angrenzenden Gebieten nun 567 Datensätze verfügbar von denen 289 eine zuverlässige Datenqualität haben.

Das Spannungsmuster der Schweiz zeigt einen langwelligen Trend mit einer mittleren S_H Orientierung von 155° ± 30°; in der Nordschweiz ist die mittlere S_H Orientierung 160° ± 21° (n = 128). Nordöstlich des Bodensees ist S_H in Richtung N-S orientiert und rotiert entlang der alpinen Front von Ost nach West graduell um etwa 40° zu einer WNW-ESE Orientierung in der Westschweiz. S_H steht im Wesentlichen senkrecht zum Streichen der Alpen bzw. parallel zur Richtung der Plattenkonvergenz Adria – Eurasien und zum Gradienten der Moho. Hauptbeiträge des rezenten Spannungsfelds sind die Topographie der Alpen und der Moho (laterale Dichtekontraste) und wahrscheinlich zu einem geringeren Anteil die anhaltende Plattenkonvergenz. Diese Hauptbeiträge bestimmen massgeblich das Spannungsmuster in der Nordschweiz. Die Orientierung von S_H steht annähernd senkrecht zu den Randstörungen des Nordschweizer Permokarbontrogs und wirkt somit einer Reaktivierung als Abschiebung oder Blattverschiebung entgegen. Im Gegensatz dazu ist S_H in Bezug auf die herzynischen und rheinischen Störungen im Mittel mit ~ 30° bzw. ~ 50° orientiert. In den oberen 7 – 8 km dominiert ein Blattverschiebungsregime, während in grösseren Tiefen überwiegend ein Abschiebungsregime vorherrscht. Daten mit Abschiebungsregime zeigen eine grössere Häufigkeit im Dinkelbergblock und in der Region des Bodensee-Hegau-Graben.

Der grossräumige Trend des Spannungsmusters als auch die mittlere S_H Orientierung sind weitgehend unabhängig davon, ob man sich auf eine Subdatenbasis aus dem Grundgebirge oder dem Deckgebirge beschränkt. Man erkennt in den Mittelwerten geringe Unterschiede von 10 – 15°, die jedoch statistisch nicht signifikant sind, da die Standardabweichung der S_H Mittelwerte je nach Datenbasis 15 – 25° beträgt. In den Bohrungen in Basel (BS1/OT2), Zürich (GTB Sonnengarten-1) Weiach und Herdern-1 ist eine Rotation der mittleren S_H Orientierung mit der Tiefe statistisch signifikant. Als mögliche Entkopplungshorizonte kommen der salinar ausgebildete mittlere Muschelkalk und der Gipskeuper in Frage. In Weiach ist die SH Rotation jedoch oberhalb des Opalinustons detektiert. In den anderen Bohrungen ist keine ausgeprägte Rotation mit der Tiefe belegt, was auf eine wirksame mechanische Kopplung hinweist. Bei einer mechanischen Entkopplung würden lokale Spannungsquellen einen grösseren Einfluss erhalten, so dass eine höhere Variabilität der S_H Orientierungen möglich wäre. Insgesamt kann aber die Frage nach einem möglichen Entkopplungshorizont, der das Spannungsmuster heute signifikant beeinflusst nicht beantwortet werden. Die Interpretation, dass die Daten eher für eine heute wirksame mechanische Kopplung sprechen, ist spekulativ.

Arbeitsbericht NAB 12-04

Geologische Profile Wellenberg 2012

Résumé

Der vorliegende Bericht befasst sich mit den Profilkonstruktionen für das Standortgebiet Wellenberg, die 2011/12 ausgeführt wurden. Ziel dieser Arbeit war, seit dem Erscheinen des Syntheseberichts Wellenberg (Nagra 1997) neu gewonnene Erkenntnisse in die Profile einfliessen zu lassen und die in zwei Stellungnahmen (Weh 2002, Mosar 2010) zum Synthesebericht geäusserten Kritikpunkte zu reflektieren.