Arbeitsbericht NAB 14-78

Safety Considerations for a Trackless Transport System (Heavy Load Vehicle) for a Future Geological Repository

Résumé

In Switzerland there are currently six regions under consideration for hosting a deep geological repository for nuclear waste. The host rocks can be found several hundreds of meters below surface. There are several possibilities for accessing these deep geological repository facilities, e.g. access tunnels (straight, winding or spiral ramps), shafts (vertical or inclined, "day shafts" (shafts reaching to the surface) or "blind shafts" (shafts reaching to a surface-near, but underground area, including a more or less horizontal access tunnel)), or even combinations of tunnels and shafts.

Underground access structures cross the rock formations above the host rocks and contain installations for transportation of materials, goods and/or people. Depending on the type of the access structure, there are various transportation systems possible, e.g. rack railway, cable car, shaft transport, trackless transport.

Arbeitsbericht NAB 14-77

Sicherheitstechnische Betrachtungen zu Standseilbahnen für den Zugang zu einem zukünftigen geologischen Tiefenlager

Résumé

In der Schweiz sind derzeit sechs Standortgebiete für die Tiefenlagerung radioaktiver Abfälle in Diskussion. Die Wirtgesteine liegen dabei in Tiefen von mehreren hundert Metern. Für die Zugänge zu diesen Tiefenlagern sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar, z.B. Zugangstunnel (geradlinige, kurvige oder wendelartige Rampen), Schächte (Vertikal- oder Schrägschächte, Tages- oder Blindschächte), oder auch Kombinationen von Tunneln und Schächten.

Die Zugangsbauwerke durchqueren die das Wirtgestein überlagernden Gesteinsschichten ("Gesteinsformationen im Hangenden" resp. "Deckgebirge") und enthalten Einrichtungen zur Förderung von Materialien, Gütern und/oder Personen. Je nach Ausgestaltung des Zugangsbauwerks kommen unterschiedliche Fördersysteme in Frage, z.B. Zahnradbahn, Standseilbahn, Schachtförderung, Gleislostransport.

Arbeitsbericht NAB 14-76

Sicherheitstechnische Betrachtungen zu Zahnradbahnen für den Zugang zu einem zukünftigen geologischen Tiefenlager

Résumé

In der Schweiz sind derzeit sechs Standortgebiete für die Tiefenlagerung radioaktiver Abfälle in Diskussion. Die Wirtgesteine liegen dabei in Tiefen von mehreren hundert Metern. Für die Zugänge zu diesen Tiefenlagern sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar, z.B. Zugangstunnel (geradlinige, kurvige oder wendelartige Rampen), Schächte (Vertikal- oder Schrägschächte, Tages- oder Blindschächte), oder auch Kombinationen von Tunneln und Schächten.

Die Zugangsbauwerke durchqueren die das Wirtgestein überlagernden Gesteinsschichten ("Gesteinsformationen im Hangenden" resp. "Deckgebirge") und enthalten Einrichtungen zur Förderung von Materialien, Gütern und/oder Personen. Je nach Ausgestaltung des Zugangsbauwerks kommen unterschiedliche Fördersysteme in Frage, z.B. Zahnradbahn, Standseilbahn, Schachtförderung, Gleislostransport.

Arbeitsbericht NAB 14-75

Sicherheitstechnische Betrachtungen zu Schachtförderanlagen für den Zugang zu einem zukünftigen geologischen Tiefenlager

Résumé

In der Schweiz sind derzeit sechs Standortgebiete für die Tiefenlagerung radioaktiver Abfälle in Diskussion. Die Wirtgesteine liegen dabei in Tiefen von mehreren hundert Metern. Für die Zugänge zu diesen Tiefenlagern sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar, z.B. Zugangstunnel (geradlinige, kurvige oder wendelartige Rampen), Schächte (Vertikal- oder Schrägschächte, Tages- oder Blindschächte), oder auch Kombinationen von Tunneln und Schächten.

Die Zugangsbauwerke durchqueren die das Wirtgestein überlagernden Gesteinsschichten ("Gesteinsformationen im Hangenden" resp. "Deckgebirge") und enthalten Einrichtungen zur Förderung von Materialien, Gütern und/oder Personen. Je nach Ausgestaltung des Zugangsbauwerks kommen unterschiedliche Fördersysteme in Frage, z.B. Zahnradbahn, Standseilbahn, Schachtförderung, Gleislostransport.

Arbeitsbericht NAB 14-74

Vergleich der 2D-seismischen Linien mit dem geologischen 3D-Modell Wellenberg 2014

Résumé

Im Rahmen der ergänzenden geowissenschaftlichen Arbeiten in SGT Etappe 2 wurde ein neues geologisches 3D-Modell des Wellenbergs erstellt (Hänni 2014). In früheren Interpretationen der seismischen Profile konnte keine Übereinstimmung von seismischen Daten mit vermuteten geologischen Strukturen und lithologischen Grenzen festgestellt werden (Roth 1994). Auf der Basis des neuen geologischen Modells und bestehenden reflexionsseismischen Daten soll überprüft werden, ob geologische Schichtflächen des Modells mit Reflexionen in den seismischen Profilen in Zusammenhang gebracht werden können.

Arbeitsbericht NAB 14-73

Nachweis von fünf Karstniveaus in Obwalden und Nidwalden mit ersten radiometrischen U/Th-Datierungen von Stalagmiten in den beiden jüngsten fossilen Karstniveaus
Teil 1: Karstniveaus im Raum Engelbergertal und Melchtal mit Schwerpunkt Melchsee-Frutt
Teil 2: Radiometrische U/Th-Datierungen von Stalagmiten der Karstniveaus C (1580 bis 1750 m u. M.) und D (1300 bis 1380 m u. M.) Melchsee-Frutt OW

Résumé

Zum vorliegenden Bericht

Über 370 Karsthöhlen sind in den Kantonen Obwalden und Nidwalden inventarisiert. Allein auf der Melchsee-Frutt konnten inzwischen über 58 km Höhlengänge vermessen werden. Durch die damit verbundenen speläologischen Dokumentationsarbeiten seit 1976 liess sich eine Vielzahl von Beobachtungen insbesondere zur Anlage und zum Verlauf der Karströhren samt deren Morphologie, Sedimentation usw. anstellen.

Aufgrund der im 2013 publizierten Forschungschronik der Obwaldner Karst- und Höhlenforschung «Vom Fuchsloch zur Schrattenhöhle», Bd. 4 und Bd. 5, erteilte die nagra dem Autoren den Auftrag, das bereits vorliegende Wissen thematische zu verdichten. Es ging vorweg darum, von der Karstforschung weitere Informationen zu den eiszeitlichen Taleintiefungsprozessen im Hinblick auf die Langzeitentwicklung des Gebiets Wellenberg zu erhalten.

Beim vorliegenden Bericht wurde der Fokus auf die Karst-niveaus im Raum Engelbergertal und Melchtal gelegt. Da im Gebiet Melchsee-Frutt die grösste Höhlendichte vorhanden ist und dort sogar verschiedene Karstniveaus miteinander verbunden sind, wurde der Schwerpunkt auf diese Region gelegt. Die Erkenntnisse sind nun im Teil 1 dieses Berichts zusammengetragen.

Aufgrund dieses Berichts zeigte sich, dass die Karstniveaus wichtige Fakten zu den Taleintiefungsphasen zumindest über mehrere Eiszeiten liefern können. Unbeantwortet blieben jedoch die Fragen zum Alter der einzelnen Karstniveaus. Der Autor regte dazu an, U/Th-Datierungen von ausgewählten Stalagmiten vorzunehmen, die in den verschiedenen Karstniveaus vorkommen. Mit den radiometrischen Datierungen der Tropfsteinbasis liesse sich das Mindestalter der Karstniveaus eingrenzen, denn die Tropfsteine konnten erst wachsen, nachdem sich die unter phreatischen Bedingungen entstandnenen Karströhren ausgebildet hatten.

Aufgrund dieser Überlegungen wurden nach Abschluss des Bericht über die Karstniveaus verschiedene Sinterproben entnommen. Die Proben-Entnahmen beschränkten sich dabei auf das zweitunterste fossile Karstniveau C (1580 bis 1750 m ü.M.) und auf das unterste fossile Karstniveau D (1300 bis 1380 m ü.M.), da gemäss bereits vorliegender Datierungen anzuneh-men ist, dass die oberen Karstniveaus älter als die Nachweisgrenze der radiometrischen U/Th-Datierungsmethode sind.

Durch die finanzielle Beteiligung der NeKO-Stiftung konnte von den zu untersuchenden Stalagmiten nicht nur die Basis der Tropfsteine datiert werden, sondern jeweils die wichtigsten visuell sichtbaren Wachstumsveränderungen. Die Resultate und Erkenntnisse über die radiometrischen U/Th-Datierungen wurden in einem Folgebericht zusammengestellt und bilden nun den Teil 2 des Gesamtberichtes über die Karstniveaus im Engelbergertal und Melchtal.

Arbeitsbericht NAB 14-70

Potenzial der Kohlenwasserstoff-Ressourcen in der Nordschweiz

Résumé

Als Teil der geologischen Abklärungen für die von der Nagra vorgeschlagenen Standortgebiete (Sachplan geologische Tiefenlager, Etappe 2) wurde das mögliche Potenzial von fossilen Energieressourcen in der Nordschweiz abgeschätzt. Dabei wurden alle möglichen Lagerstättentypen (Plays), einschliesslich der neueren nicht-konventionellen Vorkommen wie Schiefergas/-öl, Kohleflözgas oder Gas in dichten Sandsteinen berücksichtigt. Eine erste ähnliche Potenzialabschätzung wurde bereits früher für das Gebiet des gesamten Schweizer Mittellands und des subalpinen Bereichs erarbeitet (Leu 2008). Der vorliegende Bericht ist eine Aktualisierung und Vertiefung für die Nordschweiz.

Die Datengrundlage für die Evaluation umfasst neben publizierten Informationen alle relevanten Resultate anderer Untersuchungen der Nagra (2D-Seismik 2011/12, Interpretation des Permokarbons, Gravimetrie, geochemische Analysen etc.) sowie der Erdölindustrie, insbesondere der SEAG.

Das gewählte Beurteilungskonzept basiert auf einer detaillierten Analyse der für spezifische Lagerstättentypen relevanten Parameter, wie Formationstiefe, -mächtigkeit, Gesteinscharakteristiken und Migrationsgeschichte von Erdöl und Erdgas. Das geologische Potenzial der individuellen Ressourcen wurde unter Annahme der heute gängigen Technologien beurteilt. Für die lokalisierten Potenzialgebiete wurden semi-quantitative Hochrechnungen des vorhandenen förderbaren Gesamtvolumens der Kohlenwasserstoffe berechnet. Weiter wird die wirtschaftliche Relevanz dieser möglichen Lagerstätten diskutiert.

Untersucht wurde das Potenzial von:

Kohlebergbau
Kohleflözgas (CBM, coal bed methane)
In situ-Kohlevergasung (UCG, underground coal gasification)
Konventionelle Erdöl-/Erdgaslagerstätten
Erdöl- und Erdgas in dichten Gesteinen (tight oil, tight gas)
Schiefergas und Schieferöl (shale gas, light tight oil)
Teer- und Ölsande
Ölschiefer

In einem ersten Schritt wurden die petroleumgeologischen Rahmenbedingungen des weiteren Untersuchungsgebiets für diese Lagerstättentypen analysiert. Schlüsselfaktoren sind die generelle stratigraphische Abfolge und ihre geologische Geschichte mit Subsidenz- und Hebungsphasen, die tektonische Entwicklung und dadurch bedingte Strukturelemente, die Temperatur- und Maturitätsgeschichte sowie bekannte Indikationen an der Oberfläche und Öl- und Gasanzeichen in Bohrungen. Eine Schlüsselrolle spielen in der Nordschweiz die paläozoischen Trogstrukturen mit ihren Permokarbonsedimenten.

Ein Untertag-Kohleabbau ist mit heutiger Technologie im besten Fall in einem nur relativ kleinen Gebiet im Bereich der Permokarbon-Trograndzone Nord (Mandach – Unterehrendingen – Siglistorf) möglich. Verschiedene Faktoren, wie grosse Tiefe und relativ hohe Gebirgstemperaturen sind jedoch eher erschwerende Faktoren. Schätzungen für das förderbare Kohlevolumen ergeben 6'000 Mt (Mt = 10⁶ t), die jedoch heute kaum wirtschaftlich nutzbar sind.

Ein Potenzial für Kohleflözgas wird in einem ca. 5 km breiten Streifen je entlang der Trograndzone Nord (Aare bis Eglisau) und der Trograndzone Süd (Aarau – Wettingen – Frauenfeld) lokalisiert. Der Nachweis der Wirtschaftlichkeit für die Förderung der abgeschätzten ~ 25 Milliarden m³ Erdgas würde weitere Explorationsbohrungen benötigen.

Das einzige Gebiet mit einem Potenzial für eine In situ-Kohlevergasung der Karbonkohleflöze konnte nur in der Trograndzone Nord im Gebiet Mandach – Unterehrendingen – Böbikon lokalisiert werden. Da die Technologie jedoch noch nicht ausgereift ist, kann die wirtschaftliche Relevanz nicht beurteilt werden.

Ein Potenzial für konventionelle Erdöl- und Erdgaslagerstätten ist nach bisherigen Erkenntnissen in einer relativ untiefen Antiklinalstruktur im Permokarbon im Raum Siglistorf und generell im mesozoischen Intervall im sudöstlichen Untersuchungsgebiet (Langenthal – Frauen-feld), unter der flachliegenden Molasse vorhanden. Basierend auf den Untersuchungen der Erdölindustrie von 2007 für die Antiklinalstruktur bei Siglistorf kann, ohne die damit verbundenen Risiken einzubeziehen, ein wirtschaftlich förderbares Erdgasvolumen von 4.5 – 6.0 Milliarden m³ hochgerechnet werden.

Die besten Chancen für ein Potenzial von Erdgasressourcen in den dichten Permokarbonsedimenten bestehen im zentralen Teil des Nordschweizer Permokarbontrogs und den westlichen Teilen der dazugehörenden Trograndzone Nord. Ein spekulatives Potenzial besteht zudem entlang der ganzen Trograndzone Süd (inklusive Bereich Olten – Aarau) und möglicherweise im vermuteten Trog bei Schaffhausen. Für den zentralen Teil des Permokarbontrogs kann ein förderbares Erdgasvolumen im Bereich von 50 – 65 Milliarden m³ berechnet werden. Die Wirtschaftlichkeit einer Nutzung kann jedoch auch hier nur mit weiteren Untersuchungen abgeklärt werden.

Ein spekulatives Potenzial für Schieferöl und Schiefergas in Tonsteinen ist nur südöstlich der Linie Langenthal – Hallwil – Wohlen – Kloten – Herdern vorhanden, wo der Opalinuston und der direkt darunterliegende Posidonienschiefer des obersten Lias Maturitäten > 0.6 %Ro (Beginn Ölfenster) erreicht haben. Die bituminösen Tonschiefer des Autunien im Nordschweizer Permokarbontrog haben zwar geeignete geochemische Eigenschaften für diese nicht-konventionellen Ressourcen, aber die geringe Mächtigkeit der einzelnen Tonsteinintervalle (in der Regel < 10 m, maximal 13.5 m) und die teilweise tektonische Beanspruchung erlauben heute keine Förderung.

Ein Potenzial für Teer- und Ölsande fehlt im ganzen Untersuchungsgebiet.

Aus der Gesamtbeurteilung des Untersuchungsgebiets resultiert generell ein Potenzial für fossile Lagerstätten entlang der Längsachse des Nordschweizer Permokarbontrogs mit teilweiser Überlappung von mehreren Ressourcentypen. Weitere Gebiete mit spekulativem Potenzial befinden sich in einem Streifen entlang des gesamten Jura-Südfusses und weiter östlich bis nach Frauenfeld sowie im Bereich Klettgau – Schaffhausen. Ein Potenzial für mesozoische oder tertiäre Lagerstätten (konventionell oder nicht-konventionell) kommt nur in der Südosthälfte des Untersuchungsgebiets vor.

Die Untersuchungen zeigen, dass nur das vorgeschlagene geologische Standortgebiet Zürich Nordost in grossen Teilen kein Potenzial für fossile Rohstoffe aufweist. Die Standortgebiete Jura-Südfuss und Südranden sind von einem spekulativen Potenzial für Erdgas in dichten Gesteinen des Permokarbons sowie Kohleflözgas in den Karbonkohlen betroffen. Im gesamten Standortgebiet Jura Ost besteht ein mögliches Potenzial für Erdgas in dichten Gesteinen des Permokarbons. Dasselbe gilt für das Standortgebiet Nördlich Lägern, wobei dort der Nordwestrand auch im Bereich von weiteren möglichen Lagerstättentypen liegt.

Arbeitsbericht NAB 14-72

Sachplan geologische Tiefenlager – Etappe 2
Standortspezifische Baugrundmodelle für die Zugangsbauwerke
Geologische Profile nach SIA 199 (Rampen und Schächte)

Résumé

Die im vorliegenden Bericht präsentierten standortspezifischen Baugrundmodelle möglicher Zugangsbauwerke sind integrierter Bestandteil des Sachplans geologische Tiefenlager Etappe 2 und verstehen sich in erster Linie als geologisch-geotechnische Grundlage für die bautechnische Risikoanalyse (Nagra 2014b).

Dem vorliegenden Bericht sind die geologischen Profile der Zugangsbauwerke (Rampen und Schächte) nach SIA 199 (SIA 1998) zwischen den bezeichneten Standortarealen für Oberflächenanlagen und dem Haupterschliessungspunkt (HEP) auf Niveau Tiefenlager (Hauptzugang) bzw. dem Eingang der Nebenzugangsbauwerke und dem HEP beigelegt (Beil. 1 – 13). Der Bericht kommentiert die generelle Konzeption der geologischen Profile. Auf einzelne standortspezifische Aspekte wird nicht eingegangen bzw. es wird auf entsprechende Grundlagen verwiesen.

Die im Jahr 2011 festgelegten geologischen Standortgebiete zur Lagerung radioaktiver Abfälle sind: Südranden, Zürich Nordost, Nördlich Lägern, Jura Ost, Jura-Südfuss und Wellenberg. In der Regel wurden pro Standortgebiet ein Profil zur Variante "Hauptzugang über Zugangstunnel (Rampe)" und ein Profil zur Variante "Hauptzugang und/oder Nebenzugang über Schacht" konstruiert.

Der Aufbau der geologischen Profile richtet sich nach der Empfehlung SIA 199 des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins (SIA 1998). Für die Darstellung wurde die dort eingeführte Dreiteilung gewählt: Im oberen Teil ist das geologische Profil im engeren Sinne dargestellt. Der mittlere Teil beschreibt die bautechnisch relevanten Gesteins- und Gebirgseigenschaften und im unteren Teil wird eine erste Grobbeurteilung risikorelevanter Gefährdungen vorgenommen.

Die Projektachsen repräsentieren mögliche Zugangskorridore und sind noch nicht definitiv. In dieser Phase – vor definitiver Auswahl eines Standortgebiets – verstehen sich die geologischen Profile als "Erstinterpretation" der Untergrundverhältnisse auf Stufe Vorstudie.

Von zentraler Bedeutung ist die Beurteilung der Herkunft und Qualität der Daten, die der Beschreibung der durchörterten Formationen (≈ Homogenbereiche) dienen. Für die Planung der Zugangsbauwerke wurden bisher keine spezifisch ausgelegten Untersuchungen durchgeführt. Solche sind erst Bestandteil des Sachplans in Etappe 3. Sämtliches Datenmaterial entstammt somit bereits vorhandenen Grundlagen.

Trotz der im Einzelfall grossen Variabilität der Datenzuverlässigkeit und der daraus resultierenden mässigen bis mittleren Prognosegenauigkeit wird bereits in diesem frühen Stadium eine sehr umfassende Parameterliste zur Beschreibung des Gesteins- und Gebirgsverhaltens zusammengestellt. Die deskriptiven Kriterien sind hinsichtlich ihrer projektspezifischen Eigenschaften in vier Stufen eingeteilt.

Die vorliegenden Profile dienen als Grundlage für eine erste standortspezifische bautechnische Risikoabschätzung. Die zusammengetragenen Gesteins- und Gebirgsparameter bilden in der jetzigen Phase die Grundlage für die Entwicklung und Beurteilung der Gefährdungsbilder und einer ersten Abschätzung zu deren Eintretenswahrscheinlichkeit im Rahmen der bautechnischen Risikoanalyse.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Bewertungen der Daten noch keine abschliessende Beurteilung nach SIA 199 (d.h. gemäss Stufe "Bauprojekt") darstellt. Erst nach Prüfung und Verifizierung der relevanten Gesteins- und Gebirgseigenschaften mittels detaillierter Untersuchungen in einer späteren Etappe können diese auch als Grundlage in die eigentlichen Bauwerksplanungen einfliessen. Die vorgelegten umfassenden Profile sind in diesem Sinn als Grundraster für weiterführende Bearbeitungsschritte zu sehen, anhand dessen nicht zuletzt auch noch bestehende Wissenslücken genauer aufgezeigt werden können.

Arbeitsbericht NAB 14-59

Aktualisierte Abschätzung des Tonmineralgehalts anhand von Bohrlochmessungen in Bohrungen der Nordschweiz (update NAB 12-56)

Résumé

Kontinuierliche Profile des Tonmineralgehalts sind wesentlich für die Charakterisierung der Wirt- und Rahmengesteine. Ziel der Tonmineralgehaltsanalysen ist unter anderem die Identifikation und laterale Korrelation von potentiell wasserführenden kalkigen und sandigen (tonarmen) Abfolgen innerhalb der Wirt- und Rahmengesteine.

Der vorliegende Bericht ergänzt die bereits bestehenden Tonmineralgehaltsanalysen, die für 24 Bohrungen aus dem Grossraum der 5 Nordschweizer Standortgebiete Südranden, Zürich Nordost, Nördlich Lägern, Jura Ost und Jura-Südfuss (Nagra 2008) durchgeführt wurden (Albert & Schwab 2013). Dabei wurden die Wirt-und Rahmengesteine (Effinger Schichten, 'Brauner Dogger' bzw. 'Mittlerer und Oberer Dogger', Opalinuston, Lias, Keuper) hinsichtlich des Tonmineralgehaltes analysiert. In der Regel wurden die bestehenden Tonmineralgehaltsberechnung aus Albert & Schwab (2013) mit wenigen Änderungen übernommen und um die Auswertung bohrlochgeophysikalischer Daten aus EWS-und Sondierbohrungen ergänzt, die seit 2012 im Auftrag der Nagra gemessen wurden oder der Nagra zur Verfügung gestellt wurden. Dazu gehören insbesondere die Erdwärmesondenbohrungen (EWS) unterschiedlicher Auftraggeber (vgl. Tab. 1.1), in denen die Nagra bohrlochgeophysikalische Messungen durchführen konnte (vgl. Bläsi et al 2014). Die Änderungen zu Albert & Schwab 2013 resultieren aus einem methodisch verändertem Vorgehen – sind aber relativ gesehen klein und liegen innerhalb der Ungewissheiten.

In den bestehenden Tonmineralgehaltsanalysen (Albert & Schwab 2013, Albert 2008) lagen für einen Teil der analysierten Bohrungen Kern-oder Cuttingproben vor, an denen in unregelmässigen Abständen der Tonmineralgehalt direkt bestimmt wurde (Sondierbohrungen Benken, Riniken, Schafisheim und Weiach, Erdwärmesondenbohrungen (EWS) Küttigen-2 und Oftringen und der Geothermiebohrung (GTB) Schlattingen-1). Basierend auf der Korrelation von Log und gemessenem Tonmineralgehalt an den Proben wurde der Tonmineralgehalt zwischen den Probenahmestellen aus den geophysikalischen Logs interpoliert. In den in diesem Bericht ergänzten EWS-und Sondierbohrungen wurde lediglich ein eingeschränktes geophysikalisches Messprogramm durchgeführt; nur für zwei zusätzliche Bohrungen (EWS Frick-2 und Gansingen-1) existieren mineralogische Analysen, allerdings lediglich an wenigen Cuttingproben. Eine exakte quantitative Tonmineralgehaltsbestimmung ist unter diesen Umständen nicht möglich. Die ermittelten relativen Tonmineralgehalte erlauben daher nur eine qualitative Beschreibung der relativen Tonmineralgehaltsänderungen entlang der Bohrungen, können aber trotzdem sehr gut zur Korrelation zwischen den betrachteten Bohrungen verwendet werden.

Arbeitsbericht NAB 14-58

Reflexionsseismische Analyse des 'Braunen Doggers'

Résumé

In den Standortgebieten Nördlich Lägern und Zürich Nordost wird die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' als potenzielles Wirtgestein für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA) im Rahmen von SGT Etappe 2 vertieft untersucht. In der vorliegenden Studie wird der 'Braune Dogger' mit Fokus auf diese beiden Standortgebiete anhand von 2D-Seismikdaten analysiert, welche mit Bohrdaten verglichen werden. Sie dient als Ergänzung zu jener von Bläsi et al. (2013), in welcher der aktuelle Wissensstand über die Sedimentologie und Stratigraphie des 'Braunen Doggers' und seiner westlichen Äquivalente dargelegt ist. Die vorliegende Studie baut auf der strukturgeologischen Zeit- und Tiefeninterpretation von 2D-Seismikdaten auf (Maritsch et al. 2013, Meier et al. 2014), welche alle im Rahmen von SGT Etappe 2 reprozessierten und neu erhobenen Seismikdaten berücksichtigt. Die Studie wurde parallel zur reflexionsseismischen Analyse der Effinger Schichten durchgeführt (Meier & Deplazes 2014).

In einem ersten Arbeitsschritt wurden Formen und Trends in bohrlochgeophysikalischen Logs analysiert. Eine detailliertere Logkorrelation der lithostratigraphisch definierten Formationen und Members lässt sich jedoch mithilfe von zugeordneten Logkriterien nicht vornehmen. In einem zweiten Arbeitsschritt wurde das Sedimentpaket 'Brauner Dogger' zwischen dem seismischen Hilfshorizont 'Near-Top Opalinuston' und dem Markerhorizont Basis Malm seismisch untersucht. Eine Unterteilung des 'Braunen Doggers' durch zusätzliche Hilfshorizonte ist nicht durchwegs möglich. Aufgrund der seismisch-stratigraphischen Analyse von Reflexionsgeometrien konnten aber deutliche Hinweise gefunden werden, dass es im 'Braunen Dogger' laterale Fazieswechsel gibt. Die 2D-Seismik wurde mit lithostratigraphischen und bohrlochgeopyhsikalischen Daten verglichen, und gewisse seismische Reflexionseigenschaften konnten als seismische Fazieseinheiten zusammengefasst und definiert werden. Diese seismischen Fazieseinheiten können in erster Näherung als repräsentativ für einzelne oder zusammengefasste Formationen betrachtet werden. Es muss allerdings betont werden, dass die Einteilung vielerorts einen konzeptionellen Charakter hat. Durch die Einteilung in diese seismischen Fazieseinheiten entsteht über weite Bereiche der Standortgebiete Nördlich Lägern und Zürich Nordost eine Zweiteilung des 'Braunen Doggers' in einen oberen, weniger reflektiven Teil, welcher hauptsächlich den Parkinsoni-Württembergica-Schichten entspricht und einen unteren, stärker reflektiven Teil, welcher die Humphriesioolith-, Wedelsandstein- und Murchisonae-Oolith-Formationen umfasst.

Im östlichen Teil des Standortgebiets Nördlich Lägern lässt sich aufgrund von Reflexionsgeometrien eine etwa N-S streichende 'Schwellenzone' umreissen, welche ein positives Relief über dem meist flach gelagerten Opalinuston bildet. Innerhalb der stark reflektiven seismischen Fazieseinheit sind teilweise linsenartige, 'transparente' Invervalle mit teils geneigten Reflexionen eingeschaltet. Die stark reflektive seismische Fazieseinheit lässt sich bis in die Bohrung Weiach verfolgen und entspricht dort etwa der Murchisonae-Oolith-, Wedelsandstein- und Humphriesioolith-Formation. Die linsenartige, transparente seismische Fazieseinheit wurde bisher nicht erbohrt. Ein Vergleich der Sedimentkörper im Bereich der 'Schwellenzone' mit ähnlichen Sedimentkörpern aus dem schwäbischen Faziesraum und weiteren auch rezenten Beispielen legt nahe, dass es sich hierbei um Sandwälle, -dünen oder -barren handeln könnte, welche sehr heterogen zusammengesetzt sein können (Kalk, Quarzsand, Eisenooide, tonige Abschnitte).

In den seismischen Daten lassen sich keine N-S streichenden tiefer liegenden Strukturen im Mesozoikum oder Grundgebirge erkennen, welche mit der Geometrie der 'Schwellenzone' in Verbindung gebracht werden könnten. Beobachtete Mächtigkeitssprünge des 'Braunen Doggers' entlang der südlichen Begrenzung des zentralen Nordschweizer Permokarbontrogs südlich des Standortgebiets Nördlich Lägern könnten hingegen ein Hinweis auf eine mitteljurassische Reaktivierung des Permokarbontrogs geben.

Arbeitsbericht NAB 14-57

Reflexionsseismische Analyse der Effinger Schichten

Résumé

Im Standortgebiet Jura-Südfuss werden die Effinger Schichten als potenzielles Wirtgestein für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA) im Rahmen von SGT Etappe 2 vertieft untersucht. In der vorliegenden Studie werden die Effinger Schichten mit Fokus auf das Standortgebiet Jura-Südfuss anhand von 2D-Seismikdaten analysiert, welche mit Bohrdaten verglichen werden. Sie dient als Ergänzung zu jener von Deplazes et al. (2013), in welcher der aktuelle Wissensstand über die Sedimentologie und Stratigraphie der Effinger Schichten dargelegt ist. Die vorliegende Studie baut auf der strukturgeologischen Zeit- und Tiefeninterpretation von 2D-Seismikdaten auf (Madritsch et al. 2013, Meier et al. 2014), welche alle im Rahmen von SGT Etappe 2 reprozessierten und neu erhobenen Seismikdaten berücksichtigt. Die Studie wurde parallel zur reflexionsseismischen Analyse des 'Braunen Doggers' durchgeführt (Meier & Deplazes 2014).

In einem ersten Arbeitsschritt wurden Formen und Trends in bohrlochgeophysikalischen Logs analysiert und stratigraphische Logeinheiten definiert. Diese Logeinheiten weisen im Allgemeinen eine hohe Kontinuität auf, und sie lassen sich über mindestens 20-25 km korrelieren (Bohrung Pfaffnau-1 bis EWS Bohrung Biberstein), was die Analysen von Deplazes et al. (2013) bestätigt. Die Gerstenhübel-Schichten, welche die Effinger Schichten in die Oberen und Unteren Effinger Schichten unterteilen, lassen sich auf eine bestimmte Logeinheit eingrenzen. Der Top dieser Logeinheit kann als regionaler Leithorizont für die Logkorrelation verwendet werden.

In einem zweiten Arbeitsschritt wurden die Effinger Schichten im Standortgebiet Jura-Südfuss seismisch untersucht. Der Top der Effinger Schichten konnte in erster Näherung mit dem im Rahmen dieser Studie neu definierten seismischen Hilfshorizont Near-Top Effinger Schichten (nTEff) kartiert bzw. konstruiert werden. Der Top der Gerstenhübel-Schichten lässt sich regional in einer ersten Näherung mit dem ebenfalls neuen seismischen Hilfshorizont Near-Top Gerstenhübel-Schichten (nTGer) kartieren, wodurch die Oberen Effinger Schichten und die Unteren Effinger Schichten s.l. (inklusive Gerstenhübel- und Birmenstorfer Schichten) voneinander unterschieden werden können. Die Effinger Schichten weisen bei guter Datenlage und etwas grösserer Überlagerung in der Regel eine subparallel gelagerte, kontinuierliche seismische Fazies auf, welche der Ausdruck einer lateral ausgedehnten Wechsellagerung von Kalkbank- und Kalkmergelabfolgen ist. Die Auflösung der Seismik reicht generell aber nicht aus, um einzelne Kalkbank- und Kalkmergelabfolgen abzubilden.

Aus der Kartierung der Hilfshorizonte nTEff- und nTGer- und dem Markerhorizont Basis Malm können Mächtigkeitsangaben abgeleitet werden. Diese müssen mit Vorsicht betrachtet werden, weil (a) die Horizonte in Bereichen mit schlechter Datenqualität stellenweise konstruiert werden mussten und (b) noch Ungewissheiten in den seismischen Intervallgeschwindigkeiten hinzukommen. Regionale Trends sind aus den Mächtigkeitskarten aber durchaus abschätzbar. Es zeigt sich, dass die Mächtigkeitsverteilung der gesamten Effinger Schichten besonders durch das Verteilungsbild der mächtigeren Oberen Effinger Schichten geprägt ist. Dieses zeigt maxi-male Mächtigkeiten südlich des eigentlichen Standortgebiets.

Als Ursache für die Mächtigkeitsverteilung der Effinger Schichten werden synsedimentäre Subsidenzbewegungen vermutet. So finden sich nach der palinspastischen Rekonstruktion Hinweise auf einen lokalen Zusammenhang zwischen den Sedimentmächtigkeiten in den Effinger Schichten und darunterliegenden Permokarbontrog-Strukturen. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Mächtigkeitsverteilung der Effinger Schichten und bekannten Grundgebirgsstrukturen und Permokarbontrögen kann aber nicht nachgewiesen werden.

Arbeitsbericht NAB 14-56

Das neue Schwachbebennetz in der Nordschweiz: Standortsuche, Standortauswahl, realisierte Stationen

Résumé

Der Schweizerische Erdbebendienst (SED) betreibt im Auftrag der Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) seit ca. 30 Jahren das sogenannte Schwachbebennetz. Das Netz ist eine Verdichtung des existierenden Schweizer Netzwerkes digitaler Messstationen (SDSNet), welches die Seismizität in der Schweiz und in den umliegenden Gebieten überwacht. Im Rahmen des Sachplans 'Geologische Tiefenlager' soll das bestehende Netzwerk in der Nordschweiz und in Süd-Deutschland weiter ausgebaut werden. Mit der erneuten Verdichtung soll die Beobachtung von kleinen seismischen Ereignissen mit Magnituden M < 2 deutlich verbessert werden. Eine vollständige Beobachtung von Beben mit Magnitude M > 1, sowie eine Lokalisierungsgenauigkeit mit Unsicherheiten < 0.5 km für das Epizentrum und < 2.0 km für die Herdtiefe ist angestrebt. Das Projekt konzentrierte sich ursprünglich auf das Schweizer Mittelland und die Nordschweiz. Dieses Untersuchungsgebiet umfasste neben den Regionen um potentielle Standortgebiete für geologische Tiefenlager für hochaktive Abfälle auch die Umgebung von damals geplanten Ersatz-Kernkraftwerken. Aufgrund des politischen Entscheids in der näheren Zukunft keine neuen Kernkraftwerke in der Schweiz zu realisieren, wurde das Untersuchungsgebiet im Februar 2012 auf die Nordostschweiz und das Deutsch-Schweizer Grenzgebiet reduziert.

Dem Bau der Messstationen gingen zwei Arbeitsschritte voraus. Im Ersten Arbeitsschritt wurde eine numerische Modellierung zur Optimierung der Netzgeometrie durchgeführt. Das Verfahren ist im Detail in dem Bericht Optimization of a large-scale micro-seismic monitoring network in northern Switzerland (Kraft et al., Juli 2011) beschrieben. Die Modellierungsergebnisse für das neue Zielgebiet sind im Bericht Standortauswahl in den Zielperimetern XN01-XN04 des Schwachbebennetzes Nordschweiz (Plenkers und Husen, 2012) festgehalten. Es wurden zehn Zielperimeter für den Bau von neuen Stationen deﬁniert (Abbildung 1). Laut Optimierung werden bei Berücksichtigung der neuen Stationen die Ziele für Lokalisierungsgenauigkeit und Vollständigkeitsmagnitude (Abbildung 2) im Zielgebiet fast erreicht.

Im zweiten Arbeitsschritt wurde eine Standortsuche durchgeführt. Dafür wurde im Rahmen dieses Projektes ein differenziertes und strukturiertes Vorgehen entwickelt, welches die Standortsuche und -auswahl nachvollziehbar und vergleichbar macht. Das Vorgehen wurde im Detail in dem Bericht Standortauswahl in den Zielperimetern XN01-XN04 des Schwachbebennetzes Nordschweiz (Plenkers und Husen, 2012) beschrieben.

Der vorliegende Bericht beschreibt die Ergebnisse der Standortsuche für alle Zielperimeter im neu deﬁnierten Untersuchungsgebiet im Detail. Insgesamt wurden sieben Oberﬂächenstationen und drei Bohrlochstationen realisiert. Die Ergebnisse der Standortsuche für Oberﬂächenstationen sind in Kapitel 2 beschrieben. Die Erfahrungen und Ergebnisse bei der Realisierung der Bohrlochstationen sind in Kapitel 3 festgehalten. Nach Fertigstellung der drei Bohrlochstationen wurde die Dämpfung der Bodenunruhe im Bohrloch untersucht. Die Ergebnisse sind in Kapitel 4 festgehalten. Kapitel 5 gibt eine abschliessende Zusammenfassung und einen Ausblick.

In allen Kapiteln werden die einzelnen Standorte in der Reihenfolge der Nummerierung ihres Suchperimeters (XN05 bis XN15) beschrieben. Die beiden Zwillingsperimeter XN06/XN14 und XN10/XN16 sind zusammengefasst unter der kleineren Nummer eingeordnet.

Arbeitsbericht NAB 14-53

The HE-E Experiment: Layout, Interpretation and THM Modelling

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-52

Geochemische Nahfeld-Daten zu den SMA und ATA für die provisorischen Sicherheitsanalysen in SGT Etappe 2

Résumé

Zweck und Umfang des vorliegenden Berichts

Dieser Bericht hat den Zweck die geochemischen Nahfeld-Daten für das Zementnahfeld des SMA- und LMA-Lagers zur Verwendung in den provisorischen Sicherheitsanalysen für SGT Etappe 2 bereitzustellen. Dies umfasst die (i) Festlegung der Modellreaktionen von organischen Verbindungen der eingelagerten Abfälle und die zugehörigen Zersetzungsraten, die (ii) Einteilung der Abfälle in Abfallgruppen, die (iii) vereinfachte Bestimmung eines lokalen pH-Wertes innerhalb von Abfallgebinden zur Abschätzung der Korrosionsraten, sowie (iv) Annahmen und Parameter zur Freisetzung von ¹⁴C. Im Hauptteil des Berichts wird das Vorgehen bei der Datenableitung detailliert beschrieben. Die resultierenden geochemischen Nahfeld-Daten für die einzelnen Abfallsorten sind in den Anhängen ersichtlich.

Im Vergleich zur ersten Version des Berichtes, beziehen sich in dieser Version alle Annahmen über die Zusammenstellung der ATA und SMA auf das Materialinventar MIRAM 14 (Nagra 2014a). Die Schreibweise der Standardmaterialien (Anhang 1), die Abfallgruppeneinteilung (Anhang 2) und die ¹⁴C-Freisetzung (Anhang 3) wurden entsprechend aktualisiert.

Arbeitsbericht NAB 14-51

Ergänzende Sicherheitsbetrachtungen für die Untertageanlagen der geologischen Tiefenlager in der Betriebsphase:
Vorgaben, Vorgehen und Dokumentation der Ergebnisse

Résumé

Im Rahmen der Etappe 2 des Sachplans geologischer Tiefenlager wird im vorliegenden Bericht entsprechend ENSI 33/170 stufengerecht anhand einer systematischen generischen Betrachtung der sichere Normalbetrieb der Untertageanlagen des geologischen Tiefenlagers (inkl. der Zugangsbauwerke und Fördermittel) sowie die Sicherheit bei Störfällen diskutiert und aufgezeigt. Mit dieser Betrachtung werden allfällige Störfälle identifiziert und durch eine systematische Analyse der Störfälle und deren Abläufe die Beherrschbarkeit der Auswirkungen unter Berücksichtigung von Massnahmen und Sicherheitssystemen aufgezeigt. Dies beinhaltet auch eine systematische Betrachtung der sich aus den Ereignissen ergebenden Belastungen, Schäden und Konsequenzen für die verschiedenen zu betrachteten Schadenstypen (Schadenstypen: (i) nukleare Betriebssicherheit und Strahlenschutz, (ii) die Personensicherheit, die Arbeitssicherheit und der Gesundheitsschutz während der Betriebsphase, (iii) die Auswirkungen der Betriebsphase auf die Langzeitsicherheit und (iv) die Auswirkungen der Betriebsphase auf die Umwelt).

Die Analysen dienen als grundsätzlicher Nachweis, dass ein sicherer Betrieb des geologischen Tiefenlagers in Übereinstimmung mit den geltenden gesetzlichen und behördlichen Vorgaben möglich ist. Darüber hinaus dienen die in diesem Bericht durchgeführten Analysen dem Zweck der sicherheitsgerichteten Optimierung der Anlagen durch Definition neuer und Optimierung vorhandener Massnahmen, so dass Abweichungen vom Normalbetrieb und Störfälle soweit wie möglich vermieden werden können. Wo dies alleine durch Auslegungsmassnahmen nicht möglich ist, sollen durch die Einplanung von Sicherheitssystemen die Auswirkungen entsprechend begrenzt bzw. die Eintrittshäufigkeiten der Störfälle reduziert werden. Die systematische Diskussion der Massnahmen erfolgt dabei in Anlehnung an das international empfohlene Konzept der gestaffelten Sicherheitsvorsorge (defence in depth, mehrere hintereinander gestaffelte komplementäre Ebenen von aktiven und passiven Massnahmen, die zum Teil redundant und/ oder Fail-Safe ausgelegt werden).

Diese generische Analyse der Untertageanlage infolge von inneren und äusseren Einwirkungen (Normal- und Störfallbetrieb) wird ergänzt durch den Vergleich der Standortgebiete und -areale hinsichtlich ihres Gefahrenpotenzials als auch dem Vergleich der Zugangsoptionen des Hauptzugangsbauwerks (Zugangstunnel oder Zugangsschacht) inkl. der Betrachtung der Fördermittel.

Die Ergebnisse der ergänzenden Sicherheitsbetrachtungen zeigen in Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Tiefenlagerprojekte und den Erfahrungen des konventionellen Bergbaus, dass für den Einlagerungsbetrieb unabhängig vom gewählten Standortgebiet und der Zugangsoption ein hohes Sicherheitsniveau gewährleistet werden kann. Eine sicherheitsrelevante Freisetzung von Radioaktivität in die Umwelt ist im Normalbetrieb und im Fall von Störfällen nicht zu erwarten. Eine irreversible Schädigung der relevanten technischen und natürlichen (geologischen) Barrieren während des Einlagerungsbetriebs und bei allfälligen Störfällen ist ausgeschlossen, wodurch auch eine Beeinflussung der Langzeitsicherheit ausgeschlossen werden kann. Die Personensicherheit, die Arbeitssicherheit und der Gesundheitsschutz ist durch die sicherheitsgerichtete Auslegung der Untertageanlagen und der Betriebsabläufe jederzeit sichergestellt, wobei insbesondere die Möglichkeit von Flucht, Rettung und Evakuation der in den Untertageanlagen befindlichen Personen in der derzeitigen Projektstufe im Vordergrund steht. Der Einlagerungsbetrieb hat sowohl im Normalbetrieb als auch im Falle eines Störfalls keinen relevanten Einfluss auf die Umwelt, der Schutz der Umwelt ist jederzeit gewährleistet.

Die Schutzziele können – aufgrund der Wahl geeigneter Standortareale und in Verbindung mit der sicherheitsgerichteten robusten Auslegung der Strukturen, Systeme und Komponenten – jederzeit für alle Schadenstypen gewährleistet werden.

Arbeitsbericht NAB 14-50

Bautechnische Risikoanalyse zur Realisierung der Zugangsbauwerke

Résumé

Im Rahmen der Etappe 2 des Sachplans geologische Tiefenlager wurde entsprechend ENSI (2013) eine stufengerechte, qualitative bautechnische Risikoanalyse (BTRA) für die Zugangsbauwerke pro Standort durchgeführt.

Die in der Etappe 1 festgelegten geologischen Standortgebiete einerseits und die in der Etappe 2 bezeichneten Standortareale (vgl. Nagra 2013/2014) andererseits beruhen auf einem Einengungsprozess, dem bereits Optimierungen zugrunde liegen, um auch bautechnische Risiken auszuschliessen oder auf ein akzeptierbares Niveau zu bringen. Zusammen mit einer geeigneten Trassierung der Zugangsbauwerke basiert die vorliegende BTRA auf einem der Planungsstufe entsprechend optimierten Projekt, bei dem gewisse Risiken bezüglich Baugrund gar nicht mehr eintreten können.

Die BTRA basiert auf einem stufenweisen Vorgehen bei der Identifikation von Gefährdungen, der anschliessenden Überprüfung der Risikorelevanz dieser Gefährdungen unter Berücksichtigung von Massnahmen und dem Festlegen der für den Folgeschritt verbleibenden, risikorelevanten Gefährdungen. In zwei Schritten werden Gefährdungen identifiziert, ausgehend von Schadenstypen (Schritt 1) mit anschliessender Ergänzung mit relevanten Gefährdungen aus der Geologie (Schritt 2). Die Prüfung der Risikorelevanz erfolgt in drei Schritten und berücksichtigt in den beiden ersten Schritten die Umsetzung von Standardmassnahmen, im dritten Schritt auch Zusatzmassnahmen. Die nach jedem Schritt verbleibenden Gefährdungen werden im nächsten Schritt einer erneuten Prüfung der Risikorelevanz unter Berücksichtigung von Massnahmen unterzogen. Mit diesem schrittweisen Ausschliessen von Gefährdungen, die mit Standard- und Zusatzmassnahmen beherrscht werden können oder die bei den standortbezogenen Betrachtungen gar nicht auftreten können, verbleiben nach dem dritten Schritt "verbleibende, potenziell relevante Gefährdungen". In den auf den standortspezifischen Bau-grundmodellen basierenden geologischen Längenprofilen entlang der Korridore für Zugangsbauwerke (vgl. Biaggi et al. 2014) sind u.a. Eintretenshäufigkeiten dieser "verbleibenden, potenziell relevanten Gefährdungen", ohne Berücksichtigung jeglicher Massnahmen, aufgeführt. Pro Standortgebiet und Zugangskonfiguration werden Risikoprofile erstellt für die Phasen

Bau ohne Massnahme

Bau mit Massnahmen (Rohbau)

Verhalten des Rohbaus während der Betriebsphase mit weiteren Massnahmen

Bewertet wird nicht ein einziges Zugangsbauwerk, sondern jeweils die Zugangskonfiguration, d.h. die Zugangsbauwerke für die Phase Bau (Felslabor, i.d.R. zwei Zugangsbauwerke) und für die Phase Betrieb (i.d.R. drei Zugangsbauwerke).

Dieses schrittweise Vorgehen hat nach Umsetzung von Standard- und Zusatzmassnahmen sechs "verbleibende, potenziell relevante Gefährdungen" für die Zugangsbauwerke für die Phasen Bau und Betrieb ergeben, alle stehen im Zusammenhang mit Wasserzutritten. Anhand dieser sechs Gefährdungen erfolgt die standortspezifische Beurteilung und Bewertung der Risiken aller Zugangskonfigurationen gemäss (Nagra 2014/2014) in den sechs Standortgebieten.

Mit Ausnahme der Zugangskonfiguration K1 bei JS-1 mit zwei Rampen während der Phase Bau können alle risikorelevanten Gefährdungen mit Standard- und Zusatzmassnahmen zuverlässig beherrscht werden und die technische Machbarkeit der Zugangsbauwerke ist gegeben. Zudem kann der grösste Teil der Gefährdungen in der Bauphase mit Standardmassnahmen beherrscht werden. Mit dem heutigen Kenntnisstand zur Geologie/Hydrogeologie bestehen zurzeit Vorbehalte zum Risiko eines initialen Wassereinbruchs im Standortgebiet JS-1 bei der Zugangskonfiguration K1. Eine erneute Überprüfung der Risiken bei JS-1 zu einem späteren Zeitpunkt ist angezeigt, sofern diese Zugangskonfiguration weiter verfolgt würde.

Die Risikoprofile der Zugangskonfigurationen für die Phasen Bau und Betrieb (Verhalten Rohbau während Betriebsphase), jeweils nach Umsetzung von Massnahmen, zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Standortgebieten. Die Risikoprofile innerhalb der verschiedenen Standortgebiete zeigen für die Betriebsphase für die beiden Zugangskonfigurationen i) Schacht/Rampe oder ii) nur Schacht keine signifikanten Unterschiede.

Arbeitsbericht NAB 14-49

The PSI/Nagra Chemical Thermodynamic Database 12/07

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-47

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Jura Ost

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Jura Ost ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Auf dieser Grundlage wurde von Kessler & Hertrich (2013) für das Messgebiet Jura Ost das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter, wie Überdeckung, Offsets und Azimute, überprüft. Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien1 simuliert. Die gleiche Studie beinhaltet auch ein 3D Ray-Tracing und eine Illuminations-Analyse der Schusspunktplanungen auf Grundlage eines geologischen Modells des Messgebietes.

Die vorliegende Studie basiert auf den von Kessler & Hertrich (2013) berechneten Modellen und untersucht die mit der Durchführung der 3D-seismischen Messung verbundenen Überdeckungsrisiken. Hierzu wurde zwei grundlegenden Fragen nachgegangen:

Offset- und Mute-Abschätzungen anhand von vorliegenden seismischen Daten

Abschätzung der effektiven Überdeckung bei simuliertem Schusspunktausfall

Im ersten Teil der Studie wurde der Offset-Bereich verschiedener geologischer Schichtgrenzen analysiert. Dieser ist von grosser Bedeutung für die Qualitätsabschätzung eines Survey-Designs. Jede Schichtgrenze kann abhängig von ihrer Teufenlage nur von seismischen Spuren mit einem bestimmten maximalen Quell-Empfänger-Abstand (Offset) dargestellt werden. Die vorliegende Studie untersucht den maximalen Offset folgender Schichtgrenzen:

Basis Malm

"Leithorizont Blau"

Top Lias (Basis Opalinuston)

Die Basis Malm stellt in einem grossen Teil des Messgebietes den ersten stark ausgeprägten Leithorizont dar. Zwischen ihm und der der Schichtgrenze des Top Lias wurde manuell ein weiterer starker Reflektor in den vom Madritsch et al. (2013) interpretierten Profilen der 2D-seismischen Messkampagne von 2011/12 ausgewählt. Für beide Horizonte wurde untersucht, in weit diese für die Berechnung der Reststatik im seismischen Daten-Processing herangezogen werden können. Die Schichtgrenze am Top Lias kennzeichnet den Zielhorizont der geplanten Messung.

Anhand von NMO-korrigierten und statisch korrigierten Einzelschüssen (Records) der 2011/12er Messung im Messgebiet Jura Ost wurden die Offset-Bereiche für die drei Reflektoren untersucht. Für die Basis Malm wurde ein maximaler Offset-Bereich von rund 250 m, für den zusätzlich gepickten "Leithorizont Blau" ein maximaler Offset-Bereich von 600 m und für den Top Lias ein maximaler Offset-Bereich von rund 850 m ermittelt. Diese Offset-Bereiche hängen in erster Linie von der Teufe der Schichtgrenze ab. Diese variiert im Messgebiet, daher variiert der Offsetbereich in ähnlichem Umfang.

Im zweiten Teil der Studie wurde eine Schusspunktplanung mit Ausfallflächen von Anregungspunkten simuliert. Bei der Durchführung einer seismischen 3D Feldmessung können einzelne Betretungsgenehmigungen (Permits) von geplanten Flächen verweigert werden. Hiervon sind vor allem Anregungspunkte betroffen. Die ausfallenden Punkte beeinflussen den Überdeckungsgrad und die Offset- und Azimut-Verteilung der seismischen 3D-Messung.

Für eine Überdeckungsanalyse und der damit möglicherweise verbundenen Qualitätsbeeinträchtigungen wurde ein Szenario gewählt, in dem bis zu 5 % der Flächen im landwirtschaftlichen Bereichen, Siedlungen und speziell bei den Sprengpunkten ersatzlos ausfallen. Die zufällig ausgewählten Bereiche (Polygone) wurden als Shape-Files erzeugt und in OMNI Workshop als "Obstacle" im Survey-Design der oben zitierten Studie von Kessler & Hertrich (2013) angewandt.

In der Schusspunktplanungssimulation von Kessler & Hertrich (2013) gab es 113 (0,6 %) Anregungspunkte, die aufgrund von Hindernissen und Sicherheitsabständen ausfielen. Durch die zufällig erzeugten Ausfallsflächen sind in der neuen Schusspunktplanungssimulation 1173 (6,1 %) aller Anregungspunkte entfernt worden. Es entstanden vor allem in der Überdeckungsverteilung der Near-Offsets einige neue kleinräumige Lücken. Dies ist bei der Überdeckungsanalyse der für die Abbildung der Basis Malm nötigen Offsets im Bereich von 0 bis 250 m erkennbar. Der tiefer liegende "Leithorizont Blau" eignet sich in jedem Falle für die Berechnung der statischen Korrekturwerte im seismischen Daten-Processing. Hier ist eine rund 10- bis 20-fache Überdeckung des gesamten Untersuchungsgebietes flächendeckend gegeben. Die Abbildungsqualität des Zielhorizontes des Top Lias bleibt dagegen von Punktausfällen weitestgehend unberührt.

Zusammenfassend ist anzumerken, dass die Ausfallsflächen die Qualität der geplanten 3D-seismischen Messung beeinflussen, jedoch ist bei einem Anregungspunkteausfall von rund 6 % die Qualität der Messung noch immer ausreichend um Ihre Ziele zur Erkundung des Untergrunds im Messgebiet Jura Ost zu gewährleisten.

Vorrangige Aufgabe der Schusspunktplanung während der laufenden Messkampagne sollte die tägliche Überprüfung und Optimierung der Near-Offset-Verteilung sein. Durch geschickte Verschiebungen von nicht betroffenen Nachbarpunkten können Lücken in der Near-Offset-Verteilung verkleinert oder ganz vermieden werden. Insgesamt gilt die alte Regel der Seismik, dass dort, wo nicht angeregt und gemessen werden kann, der Nahbereich des Untergrunds nicht erforscht werden kann.

Arbeitsbericht NAB 14-46

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Jura Ost

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Jura Ost ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Für diesen Bericht wurde auf dieser Grundlage für das Messgebiet Jura Ost das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien nochmals mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter wie Überdeckung, Offsets und Azimute überprüft.

Einzelne geologische Horizonte und die Topographie des Messgebietes stellte die Nagra als xyz-Datei mit Koordinatenpaaren und Höhenwerten zur Verfügung (Roth et al. 2010). Hieraus wurde ein 3D-geologisches Modell mit 6 Schichten konstruiert. Auf Grundlage des 3D-Modells wurden im weiteren Verlauf dieser Studie verschiedene Illuminations-Analysen mit diversen Schusspunktplanungen berechnet.

Die Illuminations-Analyse mit der Basis Mesozoikum als tiefstem Reflektor zeigt grosse Übereinstimmungen mit der Standard CMP-Überdeckung (siehe Fig. 1). Im Mittelteil des Messgebietes ist ein Streifen mit geringerer Überdeckung sichtbar, der durch Unregelmässigkeiten im geologischen Modell bedingt ist. Hierbei handelt es sich aber nur um scheinbare Einbussen in der Überdeckung der Illuminationsanalyse. Bei der finalen Schusspunktplanung auf dem Messtrupp muss jedoch speziell auf eine ausgewogene Verteilung der Anregungspunkte geachtet werden, so dass es im Near-Offset-Bereich zu keinen Lücken kommt. Dies hätte sonst direkte Auswirkungen auf die seismische Darstellbarkeit der oberen geologischen Horizonte.

Verschiedene 2D-Profile, die aus dem 3D-Modell herausgeschnitten wurden, halfen bei der Analyse des genauen Strahlenverlaufes. Hierdurch konnten die Effekte der einzelnen Horizonte klar dargestellt werden.

Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen/Auflagen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien simuliert. Es wurde versucht, so viele Vibrationspunkte wie möglich auf Strassen und Wege zu legen. In flacheren Gebieten kamen auch landwirtschaftliche Flächen hierfür in Frage. In Wäldern und Freiflächen mit starkem Gefälle wurden ausserhalb von Wegen Anregungspunkte als Sprengpunkte definiert. Diese Simulation kommt einer realen Schusspunktplanung auf einem späteren Messtrupp sehr nahe. Somit konnten die Qualitätsmerkmale, wie Überdeckung, Offsets und Azimute mit dem theoretischen Liniennetz verglichen werden.

Von den 19'161 geplanten Anregungspunkten könnten rund 93,4 % als Vibrationspunkte auf Wegen oder landwirtschaftlichen Flächen ausgeführt werden. Weitere 6 % müssten als Sprengpunkte für den Lückenschluss in Wäldern oder stark geneigten Gelände geplant werden. Lediglich rund 0,6 % der geplanten Anregungspunkte fallen in der momentanen Schusspunktplanungssimulation aus.

Für das Messgebiet Jura Ost wurde auch eine Fallstudie für die dort zahlreich vorhandenen Bienenstöcke erstellt. Während des Winterhalbjahres ruhen die Bienenvölker und es muss ein Sicherheitsabstand beim Vibroseis-Verfahren von mindestens 100 m zu den Bienenstöcken eingehalten werden. Anregungspunkte im Sicherheitsbereich müssen verlegt werden oder fallen ganz weg.

Arbeitsbericht NAB 14-45

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Südranden

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Südranden ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Auf dieser Grundlage wurde von Kessler & Hertrich (2013) für das Messgebiet Südranden das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter, wie Überdeckung, Offsets und Azimute, überprüft. Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien1 simuliert. Die gleiche Studie beinhaltet auch ein 3D Ray-Tracing und eine Illuminations-Analyse der Schusspunktplanungen auf Grundlage eines geologischen Modells des Messgebietes.

Die vorliegende Studie basiert auf den von Kessler & Hertrich (2013) berechneten Modellen und untersucht die mit der Durchführung der 3D-seismischen Messung verbundenen Risiken. Hierzu wurde zwei grundlegenden Fragen nachgegangen:

Offset- und Mute-Abschätzungen anhand von vorliegenden seismischen Daten

Abschätzung der effektiven Überdeckung bei simuliertem Schusspunktausfall

Im ersten Teil der Studie wurde der Offset-Bereich verschiedener geologischer Schichtgrenzen analysiert. Dieser ist von grosser Bedeutung für die Qualitätsabschätzung eines Survey-Designs. Jede Schichtgrenze kann abhängig von ihrer Teufenlage nur von seismischen Spuren mit einem bestimmten maximalen Quell-Empfänger-Abstand (Offset) dargestellt werden. Die vorliegende Studie untersucht den maximalen Offset folgender Schichtgrenzen:

Basis Malm

"Leithorizont Blau"

Top Lias (Basis Opalinuston)

Die Basis Malm stellt in einem grossen Teil des Messgebietes den ersten stark ausgeprägten Leithorizont dar. Zwischen ihm und der Schichtgrenze des Top Lias wurde manuell ein weiterer starker Reflektor in den vom Madritsch et al. (2013) interpretierten Profilen der 2D-seismischen Messkampagne von 2011/12 ausgewählt. Für beide Horizonte wurde untersucht, in weit diese für die Berechnung der Reststatik im seismischen Daten-Processing herangezogen werden können. Die Schichtgrenze am Top Lias kennzeichnet den Zielhorizont der geplanten Messung.

Anhand von NMO-korrigierten und statisch korrigierten Einzelschüssen (Records) der 2011/12er Messung im Messgebiet Jura Ost wurden die Offset-Bereiche für die drei Reflektoren untersucht. Für die Basis Malm wurde ein maximaler Offset-Bereich von rund 300 m, für den "Leithorizont Blau" ein maximaler Offset-Bereich von 600 m und für den Top Lias ein maximaler Offset-Bereiche von rund 850 m ermittelt. Diese Offset-Bereiche hängen in erster Linie von der Teufe der Schichtgrenze ab. Diese variiert im Messgebiet, daher variiert der Offsetbereich in ähnlichem Umfang.

Im zweiten Teil der Studie wurde eine Schusspunktplanung mit Ausfallflächen von Anregungspunkten simuliert. Bei der Durchführung einer seismischen 3D-Feldmessung können einzelne Betretungsgenehmigungen (Permits) von geplanten Flächen verweigert werden. Hiervon sind vor allem Anregungspunkte betroffen. Die ausfallenden Punkte beeinflussen den Überdeckungsgrad und die Offset- und Azimut-Verteilung der seismischen 3D-Messung.

Für eine Überdeckungsanalyse und der damit möglicherweise verbundenen Qualitätsbeeinträchtigungen wurde ein Szenario gewählt, in dem bis zu 5 % der Flächen im landwirtschaftlichen Bereichen, Siedlungen und speziell bei den Sprengpunkten ersatzlos ausfallen. Die zufällig ausgewählten Bereiche (Polygone) wurden als Shape-Files erzeugt und in OMNI Workshop als "Obstacle" im Survey-Design der oben zitierten Studie von Kessler & Hertrich (2013) angewandt.

In der Schusspunktplanungssimulation von Kessler & Hertrich (2013) gab es 35 (0,5 %) Anregungspunkte, die aufgrund von Hindernissen und Sicherheitsabständen ausfielen. Durch die zufällig erzeugten Ausfallflächen sind in der neuen Schusspunktplanungssimulation 320 (4,7 %) aller Anregungspunkte entfernt worden. Es entstanden vor allem in der Überdeckungsverteilung der Near-Offsets einige neue kleinräumige Lücken. Dies ist bei der Überdeckungsanalyse der für die Abbildung der Basis Malm nötigen Offsets im Bereich von 0 bis 300 m erkennbar. Der tiefer liegende "Leithorizont Blau" eignet sich in jedem Falle für die Berechnung der statischen Korrekturwerte im seismischen Daten-Processing. Hier ist eine rund 8- bis 20-fache Überdeckung des gesamten Untersuchungsgebietes flächendeckend gegeben. Die Abbildungsqualität des Zielhorizontes des Top Lias bleibt dagegen von Punktausfällen weitest-gehend unberührt.

Zusammenfassend ist anzumerken, dass die Ausfallsflächen die Qualität der geplanten 3D-seismischen Messung beeinflussen, jedoch ist bei einem Anregungspunkteausfall von rund 6 % die Qualität der Messung noch immer ausreichend um Ihre Ziele zur Erkundung des Untergrundes im Messgebiet Jura Ost zu gewährleisten.

Vorrangige Aufgabe der Schusspunktplanung während der laufenden Messkampagne sollte die tägliche Überprüfung und Optimierung der Near-Offset-Verteilung sein. Durch geschickte Verschiebungen von nicht betroffenen Nachbarpunkten können Lücken in der Near-Offset-Verteilung verkleinert oder ganz vermieden werden. Insgesamt gilt die alte Regel der Seismik, dass dort, wo nicht angeregt und gemessen werden kann, der Nahbereich des Untergrundes nicht erforscht werden kann.

Arbeitsbericht NAB 14-44

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Südranden

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Südranden ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Auf dieser Grundlage wurde für das Messgebiet Südranden das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien nochmals mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter, wie Überdeckung, Offsets und Azimute, überprüft.

Einzelne geologische Horizonte und die Topographie des Messgebietes stellte die Nagra als xyz-Datei mit Koordinatenpaaren und Höhenwerten zur Verfügung. Hieraus wurde ein 3D geologisches Modell mit 6 Schichten konstruiert. Auf Grundlage des 3D-Modells wurden im weiteren Verlauf der Studie verschiedene Illuminations-Analysen mit diversen Schusspunktplanungen berechnet.

Die Illuminations-Analyse mit dem Basis Mesozoikum als tiefsten Reflektor zeigt grosse Übereinstimmungen mit der Standard CMP-Überdeckung (siehe Fig. 1). Im Nordwestlichen Teil, im Mittelteil und im südlichen Teil des Messgebietes ist ein Streifen mit geringerer Überdeckung sichtbar, der durch Unregelmässigkeiten im geologischen Modell bedingt ist. Hierbei handelt es sich aber nur um scheinbare Einbussen in der Überdeckung der Illuminationsanalyse. Bei der finalen Schusspunktplanung auf dem Messtrupp muss jedoch speziell auf eine ausgewogene Verteilung der Anregungspunkte geachtet werden, so dass es im Near-Offset-Bereich zu keinen Lücken kommt. Dies hätte sonst direkte Auswirkungen auf die seismische Darstellbarkeit der oberen geologischen Horizonte.

Verschiedene 2D-Profile, die aus dem 3D-Modell herausgeschnitten wurden, halfen bei der Analyse des genauen Strahlenverlaufes. Hierdurch konnten die Effekte der einzelnen Horizonte klar dargestellt werden.

Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen/Auflagen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien simuliert. Es wurde versucht so viele Vibrationspunkte wie möglich auf Strassen und Wege zu legen. In flacheren Gebieten kamen auch landwirtschaftliche Flächen hierfür in Frage. In Wäldern und Freiflächen mit starkem Gefälle wurden ausserhalb von Wegen Anregungspunkte als Sprengpunkte definiert. Diese Simulation kommt einer realen Schusspunktplanung auf einem späteren Messtrupp sehr nahe. Somit konnten die Qualitätsmerkmale, wie Überdeckung, Offsets und Azimute mit dem theoretischen Liniennetz verglichen werden.

Von den 11'776 geplanten Anregungspunkten könnten rund 91,8 % als Vibrationspunkte auf Wegen oder landwirtschaftlichen Flächen ausgeführt werden. Weitere 7,5 % müssten als Sprengpunkte für den Lückenschluss in Wäldern oder stark geneigten Gelände geplant werden. Lediglich rund 0,7 % der geplanten Anregungspunkte fallen in der momentanen Schusspunktplanungssimulation aus.

Im Messgebiet befindet sich der Rheinfall von Schaffhausen, der grösste Wasserfall Mitteleuropas. Eine weitere Schusspunktplanungssimulation untersuchte die Einflüsse des Rheinfalls auf die zu erwartende Datenqualität. Im Bereich des Hochrheins werden einige Anregungspunkte und Empfängerpunkte wegfallen und durch das zu erwartende Rauschen des Wasserfalls sind die Messdaten benachbarter Geophone nur bedingt brauchbar. Die Überdeckung wird um rund 1/3 zurückgehen.

Arbeitsbericht NAB 14-43

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Nördlich Lägern

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Nördlich Lägern ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Auf dieser Grundlage wurde von Kessler & Hertrich (2013) für das Messgebiet Nördlich Lägern das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter, wie Überdeckung, Offsets und Azimute, überprüft. Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien1 simuliert. Die gleiche Studie beinhaltet auch ein 3D-Ray-Tracing und eine Illuminations-Analyse der Schusspunktplanungen auf Grundlage eines geologischen Modells des Messgebietes.

Die vorliegende Studie basiert auf den von Kessler & Hertrich (2013) berechneten Modellen und untersucht die mit der Durchführung der 3D-seismischen Messung verbundenen Überdeckungsrisiken. Hierzu wurde zwei grundlegenden Fragen nachgegangen:

Offset- und Mute-Abschätzungen anhand von vorliegenden seismischen Daten

Abschätzung der Datenqualität bei simuliertem Schusspunktausfall

Im ersten Teil der Studie wurde der Offset-Bereich verschiedener geologischer Schichtgrenzen analysiert. Dieser ist von grosser Bedeutung für die Qualitätsabschätzung eines Survey-Designs. Jede Schichtgrenze kann abhängig von ihrer Teufenlage nur von seismischen Spuren mit einem bestimmten maximalen Quell-Empfänger-Abstand (Offset) dargestellt werden. Die vorliegende Studie untersucht den maximalen Offset folgender zweier Schichtgrenzen:

Basis Malm

Top Lias (Basis Opalinuston)

Die Basis Malm stellt in einem grossen Teil des Messgebietes den ersten stark ausgeprägten Leithorizont dar. Die Schichtgrenze Top Lias kennzeichnet den Zielhorizont der geplanten Messung. Anhand von NMO-korrigierten und statisch korrigierten Einzelschüssen (Records) von der 2D seismischen Messung 2011/12 im Messgebiet Nördlich Lägern wurden die Offset-Bereiche untersucht. Für die Basis Malm wurde ein maximaler Offset-Bereiche von rund 500 m und für den Top Lias ein maximaler Offset-Bereiche von rund 900 m festgestellt. Diese Offset-Bereiche hängen in erster Linie von der Teufe der Schichtgrenze ab. Diese variiert im Messgebiet, daher variiert der Offsetbereich in ähnlichem Umfang. Im Kernbereich des Messgebietes kann die Basis Malm mit Offsets von 0 bis rund 900 m registriert werden.

Im zweiten Teil der Studie wurde eine Schusspunktplanung mit Ausfallsflächen von Anregungspunkten simuliert. Bei der Durchführung einer seismischen 3D-Feldmessung können einzelne Betretungsgenehmigungen (Permits) von geplanten Flächen verweigert werden. Hiervon sind vor allem Anregungspunkte betroffen. Die ausfallenden Punkte beeinflussen den Überdeckungsgrad und die Offset- und Azimut-Verteilung der seismischen 3D-Messung.

Für eine Überdeckungsanalyse und der damit möglicherweise verbundenen Qualitätsbeeinträchtigungen wurde ein Szenario gewählt, in dem bis zu 5 % der Flächen im landwirtschaftlichen Bereichen, Siedlungen und speziell bei den Sprengpunkten ersatzlos ausfallen. Die zufällig ausgewählten Bereiche (Polygone) wurden als Shape-Files erzeugt und in OMNI Workshop als "Obstacle" im Survey-Design der oben zitierten Studie von Kessler & Hertrich (2013) angewandt.

In der Schusspunktplanungssimulation von Kessler & Hertrich (2013) gab es 50 (0,4 %) Anregungspunkte, die aufgrund von Hindernissen und Sicherheitsabständen ausfielen. Durch die zufällig erzeugten Ausfallflächen sind in der neuen Schusspunktplanungssimulation 794 (6,7 %) aller Anregungspunkte entfernt worden. Es entstanden vor allem in der Überdeckungsverteilung der Near-Offsets einige wenige neue kleinräumige Lücken. Der Offsetbereich ab 500 m ist jedoch noch immer mindestens einfach überdeckt. Die Abbildungsqualität des Zielhorizontes des Top Lias bleibt dagegen von Punktausfällen weitestgehend unberührt.

Die Ausfallsflächen beeinflussen die Qualität der geplanten 3D-seismischen Messung, jedoch ist bei einem Anregungspunkteausfall von rund 7 % die Qualität der Messung noch immer ausreichend um Ihre Ziele zur Erkundung des Untergrundes im Messgebiet Nördlich Lägern zu gewährleisten.

Vorrangige Aufgabe der Schusspunktplanung während der laufenden Messkampagne sollte die tägliche Überprüfung und Optimierung der Near-Offset-Verteilung sein. Durch geschickte Verschiebungen von nicht betroffenen Nachbarpunkten können Lücken in der Near-Offset-Verteilung verkleinert oder ganz vermieden werden. Insgesamt gilt die alte Regel der Seismik, dass dort, wo nicht angeregt und gemessen werden kann, der Nahbereich des Untergrundes nicht erforscht werden kann.

Arbeitsbericht NAB 14-42

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Nördlich Lägern

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Nördlich Lägern ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Auf dieser Grundlage wurde für das Messgebiet Nördlich Lägern das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien nochmals mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter, wie Überdeckung, Offsets und Azimute, überprüft.

Einzelne geologische Horizonte und die Topographie des Messgebietes stellte die Nagra als xyz-Datei mit Koordinatenpaaren und Höhenwerten zur Verfügung (Roth et al. 2010). Hieraus wurde ein 3D-geologisches Modell mit 6 Schichten konstruiert. Auf Grundlage des 3D-Modells wurden im weiteren Verlauf dieser Studie verschiedene Illuminations-Analysen mit diversen Schusspunktplanungen berechnet.

Die Illuminations-Analyse mit der Basis Mesozoikum als tiefstem Reflektor zeigt grosse Übereinstimmungen mit der Standard CMP-Überdeckung (siehe Fig. 1). Im Mittelteil des Messgebietes ist ein Streifen mit geringerer Überdeckung sichtbar, der durch Unregelmässigkeiten im geologischen Modell bedingt ist. Hierbei handelt es sich aber nur um scheinbare Einbussen in der Überdeckung der Illuminationsanalyse. Bei der finalen Schusspunktplanung auf dem Messtrupp muss jedoch speziell auf eine ausgewogene Verteilung der Anregungspunkte geachtet werden, so dass es im Near-Offset-Bereich zu keinen Lücken kommt. Dies hätte sonst direkte Auswirkungen auf die seismische Darstellbarkeit der oberen geologischen Horizonte.

Verschiedene 2D-Profile, die aus dem 3D-Modell herausgeschnitten wurden, halfen bei der Analyse des genauen Strahlenverlaufes. Hierdurch konnten die Effekte der einzelnen Horizonte klar dargestellt werden.

Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen/Auflagen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien simuliert. Es wurde versucht so viele Vibrationspunkte wie möglich auf Strassen und Wege zu legen. In flacheren Gebieten kamen auch landwirtschaftliche Flächen hierfür in Frage. In Wäldern und Freiflächen mit starkem Gefälle wurden ausserhalb von Wegen Anregungspunkte als Sprengpunkte definiert. Diese Simulation kommt einer realen Schusspunktplanung auf einem späteren Messtrupp sehr nahe. Somit konnten die Qualitätsmerkmale, wie Überdeckung, Offsets und Azimute mit dem theoretischen Liniennetz verglichen werden.

Von den 11'776 geplanten Anregungspunkten könnten rund 95,6 % als Vibrationspunkte auf Wegen oder landwirtschaftlichen Flächen ausgeführt werden. Weitere 4,0 % müssten als Sprengpunkte für den Lückenschluss in Wäldern oder stark geneigten Gelände geplant werden. Lediglich rund 0,4 % der geplanten Anregungspunkte fallen in der momentanen Schusspunktplanungssimulation aus.

Arbeitsbericht NAB 14-41

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Jura-Südfuss

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u. a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Jura-Südfuss ein 3D Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Auf dieser Grundlage wurde von Kessler & Hertrich (2013) für das Messgebiet Jura-Südfuss das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter, wie Überdeckung, Offsets und Azimute, überprüft. Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien1 simuliert. Die gleiche Studie beinhaltet auch ein 3D-Ray-Tracing und eine Illuminations-Analyse der Schusspunktplanungen auf Grundlage eines geologischen Modells des Messgebietes.

Die vorliegende Studie basiert auf den von Kessler & Hertrich (2013) berechneten Modellen und untersucht die mit der Durchführung der 3D-seismischen Messung verbundenen Überdeckungsrisiken. Hierzu wurde zwei grundlegenden Fragen nachgegangen:

Offset- und Mute-Abschätzungen anhand von vorliegenden seismischen Daten

Abschätzung der Datenqualität bei simuliertem Schusspunktausfall

Im ersten Teil der Studie wurde der Offset-Bereich verschiedener geologischer Schichtgrenzen analysiert. Dieser ist von grosser Bedeutung für die Qualitätsabschätzung eines Survey-Designs. Jede Schichtgrenze kann abhängig von ihrer Teufenlage nur von seismischen Spuren mit einem bestimmten maximalen Quell-Empfänger-Abstand (Offset) dargestellt werden. Die vorliegende Studie untersucht den maximalen Offset folgender zweier Schichtgrenzen:

Basis Malm

Top Lias (Basis Opalinuston)

Die Basis Malm stellt in einem grossen Teil des Messgebietes den ersten stark ausgeprägten Leithorizont dar. Die Schichtgrenze Top Lias kennzeichnet den Zielhorizont der geplanten Messung. Anhand von NMO-korrigierten und statisch korrigierten Einzelschüssen (Records) von der 2D-seismischen Messung 2011/12 im Messgebiet Jura-Südfuss wurden die Offset-Bereiche untersucht. Für die Basis Malm wurde ein maximaler Offset-Bereiche von rund 500 m und für den Top Lias ein maximaler Offset-Bereiche von rund 900 m festgestellt. Diese Offset-Bereiche hängen in erster Linie von der Teufe der Schichtgrenze ab. Diese variiert im Messgebiet, daher variiert der Offset Bereich in ähnlichem Umfang.

Im zweiten Teil der Studie wurde eine Schusspunktplanung mit Ausfallsflächen von Anregungspunkten simuliert. Bei der Durchführung einer seismischen 3D-Feldmessung können einzelne Betretungsgenehmigungen (Permits) von geplanten Flächen verweigert werden. Hiervon sind vor allem Anregungspunkte betroffen. Die ausfallenden Punkte beeinflussen den Überdeckungsgrad und die Offset- und Azimut-Verteilung der seismischen 3D-Messung.

Für eine Überdeckungsanalyse und der damit möglicherweise verbundenen Qualitätsbeeinträchtigungen wurde ein Szenario gewählt, in dem bis zu 5 % der Flächen im landwirtschaftlichen Bereichen, Siedlungen und speziell bei den Sprengpunkten ersatzlos ausfallen. Die zufällig ausgewählten Bereiche (Polygone) wurden als Shape-Files erzeugt und in OMNI Workshop als "Obstacle" im Survey-Design der oben zitierten Studie von Kessler & Hertrich (2013) angewandt.

In der Schusspunktplanungssimulation von Kessler & Hertrich (2013) gab es 130 (1,1 %) Anregungspunkte, die aufgrund von Hindernissen und Sicherheitsabständen ausfielen. Durch die zufällig erzeugten Ausfallsflächen sind in der neuen Schusspunktplanungssimulation 706 (5,9 %) aller Anregungspunkte entfernt worden. Es entstanden vor allem in der Überdeckungsverteilung der Near-Offsets einige neue kleinräumige Bereiche niedriger Überdeckung. Dies ist bei der Überdeckungsanalyse der für die Abbildung der Basis Malm nötigen Offsets im Bereich von 0 bis 500 m erkennbar. Die Abbildungsqualität des Zielhorizontes des Top Lias bleibt dagegen von Punktausfällen weitestgehend unberührt.

Die Ausfallsflächen beeinflussen die Qualität der geplanten 3D-seismischen Messung, jedoch ist bei einem Anregungspunkteausfall von rund 6 % die Qualität der Messung noch immer ausreichend um Ihre Ziele zur Erkundung des Untergrundes im Messgebiet Jura-Südfuss zu gewährleisten.

Vorrangige Aufgabe der Schusspunktplanung während der laufenden Messkampagne sollte die tägliche Überprüfung und Optimierung der Near-Offset-Verteilung sein. Durch geschickte Verschiebungen von nicht betroffenen Nachbarpunkten können Lücken in der Near-Offset-Verteilung verkleinert oder ganz vermieden werden. Insgesamt gilt die alte Regel der Seismik, dass dort, wo nicht angeregt und gemessen werden kann, der Nahbereich des Untergrundes nicht erforscht werden kann.

Arbeitsbericht NAB 14-40

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3:
3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Jura-Südfuss

Résumé

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.

Die Nagra bereitet sich darauf vor, die vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden in der Etappe 3 des Sachplanverfahrens Geologische Tiefenlager 3D-seismisch zu untersuchen. Das Standortgebiet Zürich Nordost wurde bereits in den 90er Jahren für den Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht. Im Standortgebiet Wellenberg sind aufgrund der lokalen Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen werden für vier potenziell zu untersuchenden Gebiete durchgeführt und in separaten Berichten dokumentiert.

Scharf & Hertrich (2013) haben in ihrer Studie über Vibrations- und Sprengseismik im Gebiet Jura-Südfuss ein 3D-Survey-Design entwickelt und die Basisparameter hierfür aufgelistet. Für diesen Bericht wurde auf dieser Grundlage für das Messgebiet Jura-Südfuss das Liniennetz der Quell- und Empfängerlinien nochmals mit dem Softwarepaket OMNI Workshop von GEDGO erstellt und die Qualitätsparameter wie Überdeckung, Offsets und Azimute überprüft.

Einzelne geologische Horizonte und die Topographie des Messgebietes stellte die Nagra als xyz-Datei mit Koordinatenpaaren und Höhenwerten zur Verfügung (Roth et al. 2010). Hieraus wurde ein 3D-geologisches Modell mit 6 Schichten konstruiert. Auf Grundlage des 3D-Modells wurden im weiteren Verlauf dieser Studie verschiedene Illuminations-Analysen mit diversen Schusspunktplanungen berechnet.

Die Illuminations-Analyse mit der Basis Mesozoikum als tiefsten Reflektor zeigt grosse Übereinstimmungen mit der Standard CMP-Überdeckung. Im nordwestlichen Teil, im Mittelteil und im südlichen Teil des Messgebietes ist ein Streifen mit geringerer Überdeckung sichtbar, der durch Unregelmässigkeiten im geologischen Modell bedingt ist. Hierbei handelt es sich aber nur um scheinbare Einbussen in der Überdeckung der Illuminationsanalyse. Bei der finalen Schusspunktplanung auf dem Messtrupp muss jedoch speziell auf eine ausgewogene Verteilung der Anregungspunkte geachtet werden, so dass es im Near-Offset-Bereich zu keinen Lücken kommt. Dies hätte sonst direkte Auswirkungen auf die seismische Darstellbarkeit der oberen geologischen Horizonte.

Verschiedene 2D-Profile, die aus dem 3D-Modell herausgeschnitten wurden, halfen bei der Analyse des genauen Strahlenverlaufes. Hierdurch konnten die Effekte der einzelnen Horizonte klar dargestellt werden.

Mit Hilfe von detaillierten Luftbildern, topographischen Karten, Shape-Files von Wegen und Flächen mit Einschränkungen/Auflagen und Hangneigungskarten wurden verschiedene Schusspunktplanungsszenarien simuliert. Es wurde versucht so viele Vibrationspunkte wie möglich auf Strassen und Wege zu legen. In flacheren Gebieten kamen auch landwirtschaftliche Flächen hierfür in Frage. In Wäldern und Freiflächen mit starkem Gefälle wurden ausserhalb von Wegen Anregungspunkte als Sprengpunkte definiert. Diese Simulation kommt einer realen Schusspunktplanung auf einem späteren Messtrupp sehr nahe. Somit konnten die Qualitätsmerkmale, wie Überdeckung, Offsets und Azimute mit dem theoretischen Liniennetz verglichen werden.

Von den 12'053 geplanten Anregungspunkten könnten rund 95,5 % als Vibrationspunkte auf Wegen oder landwirtschaftlichen Flächen ausgeführt werden. Weitere 3,4 % müssten als Sprengpunkte für den Lückenschluss in Wäldern oder stark geneigten Gelände geplant werden. Lediglich rund 1,1 % der geplanten Anregungspunkte fallen in der momentanen Schusspunktplanungssimulation aus.

Für das Messgebiet Jura-Südfuss wurde auch eine Fallstudie für die dort zahlreich vorhandenen Bienenstöcke erstellt. Während des Winterhalbjahres ruhen die Bienenvölker und es muss ein Sicherheitsabstand beim Vibroseis-Verfahren von mindestens 100 m zu den Bienenstöcken eingehalten werden. Anregungspunkte im Sicherheitsbereich müssen verlegt werden oder fallen ganz weg.

Arbeitsbericht NAB 14-39

Thermo-hydraulic modelling of the temperature distribution in the siting region Jura Ost

Résumé

Für die Einengung der möglichen Standortgebiete im Rahmen der Etappe 2 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager auf mindestens 2 Standortgebiete je Abfallart müssen alle Gebiete im Rahmen des sicherheitstechnischen Vergleichs umfassend bewertet werden. In diese Bewertung fliessen neben zahlreichen anderen Aspekten auch die thermo-hydraulischen Zustände der jeweiligen Standortgebiete mit ein. Der vorliegende Bericht beschreibt die zu diesem Zweck durchgeführten thermo-hydraulischen Simulationen für das Standortgebiet Jura Ost.

Die hydraulischen Simulationen, die die Grundlage für die hier vorgestellten thermo-hydraulischen Simulationen bilden, sind umfassend in Luo et al. (2014) beschrieben. Die zusätzlich benötigten Parameter und Randbedingungen, die für die vorliegenden Simulationen genutzt wurden, beruhen hauptsächlich auf geophysikalischen Messungen der Tiefbohrungen Benken, der nahegelegenen Tiefbohrung Weiach und Riniken, aus denen durch 1D Inversionen die benötigten Parameter errechnet wurden.

Es wurden insgesamt 5 Fälle berechnet, die sich durch unterschiedliche Annahmen bezüglich der thermischen Randbedingungen unterscheiden. Der Referenzfall bezieht sich auf ein steady-state Szenario, bei dem die Randbedingungen aus den 1D Inversionen der Messwerte aus den Tiefbohrungen entnommen wurden. Die Ergebnisse zeigen die zu erwartende Zunahme der Temperatur mit zunehmender Tiefe. Die maximalen Temperaturen werden im tiefsten Teil des Modells erreicht.

Während den regionalen Störungen im Referenzfall eine Durchlässigkeit von 1e-7 m/s zugewiesen wurde, werden diese Flächen in Variante 1 mit Durchlässigkeiten von 1e-15 m/s belegt. Dies ermöglicht es, die Rolle von Störungen, die bei geeigneten Durchlässigkeiten einen Austausch von Grundwasser auch zwischen den hydrogeologischen Einheiten erlauben, abzuschätzen. Die Ergebnisse dieser Simulation zeigen, dass im Allgemeinen die Temperaturen mit denen des Referenzfalls vergleichbar sind. Nur lokal in der Nähe der Störungen werden leicht erhöhte Temperaturen simuliert.

Variante 2 unterscheidet sich vom Referenzfall durch die Annahme von abnehmenden Temperaturen an der Oberfläche, so dass, wenn auch vereinfacht, der Einfluss von Eiszeiten abgeschätzt werden kann. Es zeigt sich, dass bei gleichbleibendem basalen Wärmefluss und abnehmenden Oberflächentemperaturen auch im Untergrund tiefere Temperaturen gemessen werden. Diese treten zeitlich versetzt ein, da die Änderungen der Oberflächentemperatur nur langsam bis in tiefere Bereiche des Modells propagieren.

Während in den zuvor beschriebenen Varianten sowie im Referenzfall ein einheitlicher basaler Wärmefluss angewandt wurde, wurde dieser für Variante 3 räumlich variiert. Es wurde ein von West nach Ost linear zunehmender, basaler Wärmefluss zugewiesen, um so die Temperaturanomalien im Raum Bad Zurzach - Unteres Aaretal zu berücksichtigen. Die aus dieser Variante resultierenden Temperaturen zeigen im Vergleich zum Referenzfall nur leicht erhöhte Temperaturen. Ausserdem zeigen die Simulationen, dass untiefe Bereiche deutlich von den Oberflächentemperaturen beeinflusst werden, während in tieferen Bereichen der basale Wärmefluss die Temperaturverteilung dominiert.

Variante 4 unterscheidet sich vom Referenzfall durch eine zusätzlich radiogene Wärmeproduktion der im Modell berücksichtigten Einheiten; im Referenzfall wurde diese zusätzliche Wärmequelle vernachlässigt. Diese zusätzliche Wärme entsteht beim Zerfall radioaktiver Isotope bestimmter Minerale. Die Ergebnisse der Simulationen dieser Variante zeigen jedoch praktisch keine Auswirkung auf die Temperaturverteilung im Untergrund. Dies zeigt, dass der basale Wärmefluss bzw. die Oberflächentemperatur einen weitaus höheren Einfluss auf die erreichten Temperaturen hat als die radiogene Wärmeproduktion der berücksichtigten Einheiten im Modell.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass wie erwartet die Temperaturen im Untergrund massgeblich vom basalen Wärmefluss, den hydraulischen Eigenschaften der Störungen und der Oberflächentemperatur beeinflusst werden. Andere Effekte wie die hydrogeologischen Verhältnisse abseits von Störungen oder die radiogene Wärmeproduktion der Gesteine selber haben keine bzw. nur vernachlässigbar kleine Auswirkung auf die Temperaturverteilung im Untergrund des Modellgebiets Jura Ost.

Arbeitsbericht NAB 14-38

Kinematische Gesamtausgleichung der Schweizer Landesnivellementlinien 2013 und Detaildarstellung der rezenten vertikalen Oberflächenbewegungen in der Zentralschweiz

Résumé

Geodätisch gemessene Hebungsraten sind eine wichtige Grundlage für die Analyse von jungen Krustenbewegungen und damit auch für die Beurteilung der Langzeitentwicklung von geologischen Tiefenlagern. Für die Gegend der geologischen Standortgebiete in der Nordschweiz liegen mit NAB 12-33 (Fuhrmann & Zippelt 2014) und NAB 12-34 (Schlatter 2013) aktuelle Auswertungen der Nivellement-Daten vor, welche sowohl auf Daten aus der Schweiz, als auch aus Süddeutschland beruhen. Im vorliegenden Bericht wird im Hinblick auf das geologische Standortgebiet Wellenberg eine Auswertung der bis und mit 2013 vorliegenden Nivellement-Daten für die Zentralschweiz vorgestellt. Als Grundlage für den Vergleich der Standortgebiete in Etappe 2 des Sachplans geologische Tiefenlager (SGT) wird neben einer Detaildarstellung der Zentralschweiz auch eine Karte mit den Gesamtschweizerischen Hebungsraten gezeigt.

Der vorliegende Bericht beschränkt sich auf die Erläuterung des Vorgehens und die Präsentation der Resultate in Form von Karten. Ein Vergleich der Hebungsraten mit der geologischen Situation und der Seismizität in Hinblick auf die rezente Geodynamik erfolgt in Deichmann & Pfiffner (2014).

Arbeitsbericht NAB 14-36

Provisorische Sicherheitsanalysen für SGT Etappe 2:
Elektronischer Daten- und Resultateordner (EDR) zu den Dosisberechnungen in NTB 14‑03

Résumé

Inhalt

Dosisberechnungen und charakteristische Dosisintervalle zur Ermittlung der prioritären Wirtgesteine:

SMA-Lager
Standortgebiet Jura-Südfuss (JS)
- Wirtgestein Effinger Schichten (EFF)
- Wirtgestein Opalinuston (OPA)

Standortgebiet Nördlich Lägern (NL)
- Wirtgestein 'Brauner Dogger' (BD)
- Wirtgestein Opalinuston (OPA)

Standortgebiet Zürich Nordost (ZNO)
- Wirtgestein 'Brauner Dogger' (BD)
- Wirtgestein Opalinuston (OPA)

Dosisberechnungen und charakteristische Dosisintervalle für die Standortgebiete:

HAA-Lager
- Standortgebiet Jura Ost (JO)
- Standortgebiet Nördlich Lägern (NL)
- Standortgebiet Zürich Nordost (ZNO)

Kombilager
- Standortgebiet Jura Ost (JO)
- Standortgebiet Zürich Nordost (ZNO)

SMA-Lager
- Standortgebiet Jura Ost (JO)
- Standortgebiet Jura-Südfuss (JS)
- Standortgebiet Nördlich Lägern (NL)
- Standortgebiet Südranden (SR)
- Standortgebiet Wellenberg (WLB)
- Standortgebiet Zürich Nordost (ZNO)

Weitere Daten:

- Sicherheitsrelevante Nuklide und Zerfallsdaten
- Inventar abgebrannte Brennelemente (BE)
- Inventar verglaste hochaktive Abfälle (HAA)
- Inventar LMA-Lager
- Inventar SMA-Lager
- Biosphären-Transferkoeffizienten

Arbeitsbericht NAB 14-35

Chemische Risikobewertung
Beurteilung von Stoffen in einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle aufgrund ihrer Chemotoxizität

Résumé

Im Hinblick auf eine Umweltverträglichkeitsprüfung für ein geologisches Tiefenlager für radioaktive Abfälle wurde die Chemotoxizität der zur Einlagerung vorgesehenen Materialien abgeschätzt sowie eine Risikobetrachtung für den als Trinkwasser genutzten Biosphären-Aquifer durchgeführt.

Für die Tiefenlagerung werden gemäss Kernenergieverordnung (KEV 2004) die folgenden Kategorien von radioaktiven Abfällen unterschieden:

a. hochaktive Abfälle (HAA):

1. abgebrannte Brennelemente (BE), die nicht wiederaufgearbeitet werden;

2. verglaste Spaltproduktlösungen aus der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen (HAA);

b. alphatoxische Abfälle (ATA): Abfälle, deren Gehalt an Alphastrahlern den Wert von 20'000 Becquerel/g konditionierter Abfall übersteigt;

c. schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA): alle anderen radioaktiven Abfälle.

Für alle Abfallkategorien ist als Wirtgestein der Opalinuston vorgesehen.

Basierend auf der Chemotoxizität der Stoffe wurden analog dem Vorgehen im Rahmen der Lebensmittelsicherheit (toxikologisch basierte) tolerierbare Trinkwasserkonzentrationen abgeleitet. Unter Anwendung sehr konservativer Modelle wurden worst-case Konzentrationen im für Trinkwasser genutzten Biosphären-Aquifer abgeschätzt.

Die durch Vergleich der geschätzten Konzentrationen im Aquifer mit den tolerierbaren Trinkwasserkonzentrationen ermittelten Risikoquotienten (RQ) liegen für sämtliche potenziell chemotoxischen Stoffe auch unter der Annahme ihrer augenblicklichen und vollständigen Auflösung im Porenwasser der Lagerkammern unter RQ = 1. Daher besteht im Hinblick auf die hier untersuchte Chemotoxizität der zur Einlagerung vorgesehenen Materialien keine Gefährdung des Biosphären-Aquifers und damit kein Risiko beim Konsum des Grundwassers als Trinkwasser.

In weniger konservativen Szenarien (realistische Auflösungsrate der Abfälle bzw. Gebinde, mögliche Sorption der gelösten Stoffe im Wirtgestein, biologische Abbaubarkeit organischer Chemikalien etc.) würden die Konzentrationen im Biosphären-Aquifer weiter reduziert.

In Bezug auf die Indikatorwerte für die Grundwasserqualität gemäss BAFU (2004) liegen die durch Vergleich der geschätzten Konzentrationen mit den Indikatorwerten ermittelten Qualitäts-quotienten (QQ) nach Einbezug der maximalen Löslichkeit für sämtliche potenziell chemotoxischen Stoffe unter QQ = 1. Das Grundwasser kann daher als anthropogen nicht belastet bezeichnet werden.

Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass keine chemotoxische Gefährdung bzw. Beeinträchtigung der Grundwasserqualität durch die Einlagerung der vorgesehenen Materialien in einem geologischen Tiefenlager besteht.

Arbeitsbericht NAB 14-34

Tiefenkonvertierung der regionalen Strukturinterpretation der Nagra 2D-Seismik 2011/12

Résumé

(Ausgangslage)

Für Etappe 2 des Sachplans Geologische Tiefenlager (SGT) wurde im Winter 2011/12 im Auftrag der Nagra eine 2D-Reflexionsseismik-Kampagne in der zentralen Nordschweiz durchgeführt. In den Kantonen Schaffhausen, Zürich, Aargau und Solothurn wurden 20 neue Seismikprofile mit einer Gesamtlänge von 300 km gemessen (Fig. 1-1 und Beil. 1-1).

Die Explorationskampagne zielte auf die vertiefte Charakterisierung jener potenziellen geologischen Standortgebiete für geologische Tiefenlager in der Nordschweiz ab, die von der Nagra im Zuge von SGT Etappe 1vorgeschlagen worden waren (Nagra 2008). Es sind dies die sowohl für die Entsorgung von hoch- als auch schwach- und mittelaktiven Abfällen in Betracht gezogenen Standortgebiete Nördlich Lägern und Jura Ost (HAA- und SMA-Lager) sowie die ausschliesslich für schwach- und mittelaktive Abfälle vorgesehenen, möglichen Standortgebiete Südranden und Jura-Südfuss (SMA-Lager).

Die neuen Seismikprofile stellen eine Verdichtung des bestehenden 2D-Seismiknetzes dar, dessen Profile im Rahmen von SGT Etappe 2 im Vorfeld der Akquisitionskampagne reprozessiert worden waren (Rybarzcyk 2012). Die regionale strukturgeologische Auswertung des kombinierten 2D-Seismik-Datensatzes im Zeitbereich ist in Madritsch et al. (2013) ausführlich dokumentiert. Das prioritäre Ziel dieser Auswertung der Pre-Stack Zeitmigration (PSTM) war die Verifikation und Präzisierung des Verlaufs von regionalen Störungen im Nahbereich sowie die Identifikation kleinräumiger, eventuell anordnungsbestimmender Störungen innerhalb der oben genannten, potenziellen Standortgebiete. Die Interpretation des Grundgebirges wurde anschliessend durch Naef & Madritsch (2014) noch lokal verfeinert.

Zwischen Juli 2013 und Dezember 2013 erfolgte die Datenverarbeitung der 2D-Seismik 2011/12 in Tiefe. Im Zuge der Bearbeitungssequenz, welche im Bericht von Rybarczyk (2013) beschrieben ist, erfolgte eine Pre-Stack Tiefenmigration (PSDM1). Analog zum Vorgehen bei der Reprozessierung bestehender Seismikprofile (Rybarczyk 2012) wurde ausserdem eine wieder in Zeit zurückgewandelte Version dieser Sektionen (DTconv2) erstellt.

Im Sommer 2013 wurde Proseis AG mit der Überführung der Zeitinterpretation der seismischen Daten in Tiefe beauftragt. Die in Madritsch et al. (2013) dokumentierte, regionale, strukturgeologische Interpretation im Zeitbereich sollte den Ausgangspunkt dafür darstellen. Der Auftrag umfasste also die Übertragung dieser bestehenden Zeitinterpretation in Tiefe und, sofern notwendig, Anpassungen der Horizont- und Strukturinterpretation aufgrund eines andersartigen seismischen Abbilds. Der vorliegende Bericht dient der Dokumentation dieses Arbeitsschritts und ist somit als Ergänzung zum Bericht von Madritsch et al. (2013) zu verstehen.

(Beilagen und Anhang auf CD kostenlos bestellbar)

Arbeitsbericht NAB 14-33

Geologisches 3D-Modell Wellenberg 2014

Résumé

Im Hinblick auf die Abgrenzung und Bewertung der Lagerperimeter in Etappe 2 des Sachplans geologische Tiefenlager wurde ein neues geologisches 3D-Modell des potenziellen Standortgebiets Wellenberg erstellt. Dieses beruht im Wesentlichen auf neuen geologischen Karten, den vorhandenen Bohrungen sowie einer (tektonischen) Neuinterpretation mit mehreren Profilschnitten, die von Hänni und Pfiffner (2014) erstellt wurde. Im Modell werden die wesentlichen geologischen Grenzflächen dargestellt, insbesondere die Wirtgesteinsgrenzen. Das Wirtgestein umfasst die Palfris-Formation, die Vitznau-Mergel sowie die Globigerinenmergel und den Schimberg-Schiefer (tertiäre Anteile). Modelliert wurden die Begrenzungen der Palfris-Formation sowie die Grenze Kreide-Tertiär innerhalb der Drusberg-Decke. Daneben wurden weitere wichtige Überschiebungen modelliert.

Die Unterschiede im Verlauf der Grenzflächen zwischen dem neuen und dem alten Modell (Kuhn 2009) werden anhand einer Serie von Profilschnitten aufgezeigt. Aufgrund der Neuinterpretation der tektonischen Verhältnisse ergeben sich vor allem in den östlichen und westlichen Profilschnitten unterschiedliche Verläufe der jeweiligen Grenzflächen. Dies betrifft vor allem die tektonischen Schuppen süd-südöstlich des Wirtgesteinskörpers. Bezüglich des nutzbaren Wirtgesteinsvolumens ergeben sich jedoch nur geringe Abweichungen zwischen den beiden Modellen. Die tektonischen Neuinterpretationen sind massgeblich in Hänni und Pfiffner (2014) dokumentiert; in diesem Bericht werden nur diejenigen tektonischen Überlegungen weiter erläutert, welche für die Konstruktion des 3D-Modells zusätzlich wichtig waren.

Arbeitsbericht NAB 14-29

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal ZNO-6b-Kombi
im Planungsperimeter Zürich Nordost
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers Kombi
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-28

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal ZNO-6b-HAA
im Planungsperimeter Zürich Nordost
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers HAA
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-27

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal ZNO-6b-SMA
im Planungsperimeter Zürich Nordost
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers SMA
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-26

Seismotektonik der Zentralschweiz

Résumé

Die Analyse von jungen Krustenbewegungen ist eine wichtige Basis für die Beurteilung der Langzeitentwicklung im geologischen Umfeld eines Tiefenlagers. Das geologische Standortgebiet Wellenberg liegt als einziges der in Etappe 2 des Sachplans Geologische Tiefenlager (SGT) untersuchten Gebiete in den Alpen, genauer gesagt in deren nördlichem Teil. Diese Region wies im Vergleich zur Nordschweiz in den letzten ca. 1'000 Jahren eine höhere Seismizität auf, insbesondere wenn man die für die vorliegende Fragestellung relevanteren Beben mit einer Herdtiefe < 15 km betrachtet. Zudem liegt die Zentralschweiz in einer Zone mit gegen Norden relativ stark abnehmenden Hebungsraten.

Im vorliegenden Bericht werden die Kenntnisse über die Seismiziät und Tektonik der Zentralschweiz zusammengefasst und in den grösseren Rahmen gestellt. Dabei wird versucht, Hebungsraten, Seismizität und tektonischer Bau in einem regionalen Rahmen direkt miteinander zu verbinden und die heute aktiven Bewegungen mit den Kenntnissen über die alpine Orogenese in Einklang zu bringen. Neben einer detaillierten Betrachtung der Zentralschweiz werden anhand von Karten und Profilen auch die generellen Unterschiede zwischen der Zentralschweiz und der Nordschweiz aufgezeigt und diskutiert.

Im ersten Teil des Berichts erfolgt eine Beschreibung der tektonischen Situation, der historischen und instrumentellen Seismizität, der geodätisch gemessenen vertikalen und horizontalen Bewegungsraten und der Herdmechanismen. Anschliessend werden die verschiedenen Daten in den Zusammenhang mit der Tiefenstruktur der Schweiz gestellt und anhand von zwei Profildarstellungen diskutiert.

Im gesamtalpinen Rahmen stellt man eine örtliche Koinzidenz zwischen rezenter Hebung und dem Auftraten von Erdbeben fest, welche auf eine gemeinsame Ursache schliessen lässt. In den Alpen sind die Erdbebenherde auf die oberen 10 bis 12 km konzentriert, während sie im nordalpinen Vorland die gesamte Erdkruste umfassen. Die in den Alpen und im Vorland aus den Herdmechanismen abgeleiteten Spannungszustände unterscheiden sich. Der Gradient der vertikalen Hebungen vom nördlichen Alpenvorland über die Alpen und weiter in die Po-Ebene deutet darauf hin, dass die Gebirgsbildung in den Alpen und möglicherweise im Juragebirge noch im Gange ist. Die Verteilung der jüngsten Spaltspuralter in den Alpen spricht dafür, dass das heutige Hebungsmuster auch in den nächsten 1 bis 2 Millionen Jahren noch aktiv sein wird.

In der Zentralschweiz treten die Erdbeben in regionalen Anhäufungen auf. Seichte Bebengruppen sind im Aar-Massiv und in den helvetischen Decken häufig, eine tiefer gelegene Anhäufung tritt im Autochthon unter den helvetischen Decken auf. Eine genauere Zuordnung der Erdbeben(gruppen) zu geologischen Strukturen ist nicht möglich. Das Auftreten von Erdbeben mit Dehnungs- und Aufschiebungscharakter in nächster Nähe nebeneinander lässt lokal geringe Gesteinsfestigkeiten vermuten. Bezüglich des zeitlichen Auftretens von Erdbeben lösen sich kurzzeitige lokale Schwärme örtlich ab. Diese Schwärme lassen vermuten, dass die Anwesenheit von Fluiden im Gestein, wie Erdgas oder Karstwasser, als Auslöser in Betracht kommen. Der Vergleich der Seismizität und der vertikalen Hebungen offenbaren, dass sich der Wellenberg und das Aar-Massiv noch als Körper bewegen. Die damit verknüpfte interne Deformation des Alpenkörpers ist diffus verteilt.

Arbeitsbericht NAB 14-25

Erosion und Landschaftsentwicklung Nordschweiz
Zusammenfassung der Grundlagen im Hinblick auf die Beurteilung der Langzeitstabilität eines geologischen Tiefenlagers (SGT Etappe 2)

Résumé

Im vorliegenden Bericht werden Daten und Überlegungen dargelegt, welche für die Beurteilung der zukünftigen Entwicklung der Topographie und der Felsoberfläche im Bereich der Nordschweizer Standortgebiete wichtig sind. Dabei wird auf weiterführende thematische Berichte und Fachliteratur verwiesen. Nicht diskutiert wird die standortspezifische Tiefenlage der Wirtgesteine, welche für die Beurteilung der Relevanz der zukünftigen Erosion auf die Langzeitsicherheit eines geologischen Tiefenlagers und für den sicherheitstechnischen Vergleich der Standortgebiete zusätzlich wichtig ist. Die Ableitung der in SGT Etappe 2 verwendeten Erosionsszenarien erfolgt in Nagra (2014a), u.a. aufbauend auf dem vorliegenden Bericht. Dort wird für die verschiedenen Standortgebiete auch der Effekt der zukünftigen Erosion auf die Wirtgesteinsüberdeckung aufgezeigt. Der sicherheitstechnische Vergleich der Standortgebiete erfolgt in Nagra (2014b).

Die Klimabedingungen (Kap. 3) sind neben tektonischen Bewegungen ein wichtiger Steuerungsprozess für die Landschaftsentwicklung. Die letzten ca. 2.5 Millionen Jahre waren geprägt durch glazial-interglaziale Zyklen, zuerst mit 40 ka-Zyklizität und ab ca. 1 Million Jahren vor heute mit 100 ka-Zyklizität. Mit grosser Wahrscheinlichkeit werden auch die nächsten 10⁶ Jahre durch ein glazial-interglaziales Klima dominiert sein. Numerische Modellierungen der zukünftigen Klimaentwicklung deuten darauf hin, dass die nächste grössere Kaltzeit mit Gletschervorstössen bis ins externe Alpenvorland in ca. 60 ka stattfinden könnte. Je nach Annahmen zum anthropogenen CO₂-Ausstoss könnte eine solche auch erst deutlich später auftreten. Eine verlässliche Prognose über einen Zeitraum von 10⁶ Jahren ist zurzeit nicht möglich. Die Untersuchungen zur zukünftigen Erosion orientieren sich v.a. an der Landschaftsentwicklung in den letzten ca. 2.5 Millionen Jahren, die geprägt waren durch ein glazial-interglaziales Klima, welches mit grosser Wahrscheinlichkeit auch die nächsten 10⁶ Jahre dominieren wird. Daneben werden aber auch die Effekte von alternativen Klimaentwicklungen auf die Erosion kurz aufgezeigt.

Im Hinblick auf die Beurteilung der zukünftigen Erosion wird in diesem Bericht als neue Bezugsfläche die lokale Erosionsbasis eingeführt (Kap. 4). Sie wird im Wesentlichen durch Interpolation der Höhenlage der Haupttäler berechnet und stellt damit die Basis für die lokalen fluviatilen und gravitativen Erosionsprozesse dar. Die im vorliegenden Bericht und in SGT Etappe 2 generell verwendete lokale Erosionsbasis bezieht sich nicht auf das Niveau der heutigen Haupttäler, sondern auf die in der Regel tiefer liegende Basis der heute verfüllten Paläoflusstäler. Diese stellen die tiefste in der Vergangenheit erreichte lokale Erosionsbasis dar. Das Gesteinspaket, welches über diesem Niveau liegt, bildet die lokale Topographie. Unter die lokale Erosionsbasis greifende Felsrinnen (übertiefte Felsrinnen) werden durch glaziale Erosionsprozesse erklärt. Im vorliegenden Bericht werden die Entwicklung der lokalen Erosionsbasis, der lokalen Topographie und der glazialen Tiefenerosion in separaten Kapiteln diskutiert.

Als Basis für die Beurteilung der Entwicklung der lokalen Erosionsbasis (Kap. 5) wurde die Entwicklungs- und Eintiefungsgeschichte der Hauptflüsse der letzten 5 – 10 Millionen Jahre betrachtet. In diesem Zeitraum kam es als Resultat von Flussanzapfungen (Anbindung eines Flusses an ein Einzugsgebiet mit tieferer Erosionsbasis) zu raschen Absenkungen der lokalen Erosionsbasis, zum Beispiel in Zusammenhang mit der Umlenkung der ursprünglichen Aare-Donau Richtung Doubs und schliesslich zum Rhein. Eine Analyse der rezenten Einzugsgebiete und Flussläufe von Donau, Rhein und Rhone ergibt im Bereich der geologischen Standortgebiete für die nächsten 10⁶ Jahre kein Potenzial für eine grössere Absenkung der lokalen Erosionsbasis in Zusammenhang mit der Anbindung an ein anderes Flusssystem. Für die letzten 2.5 Millionen Jahre kann die Flussnetzentwicklung anhand von Schotterniveaus rekonstruiert werden. Dabei zeigt sich, dass die Eintiefung der Hauptflüsse in den Fels unregelmässig war:

Neben Zeiten mit prägnanter Tieferlegung der lokalen Erosionsbasis gab es Abschnitte mit längerem Auf und Ab (Aufschotterungs- und Einschneidephasen), ohne dass die Felsbasis netto vertieft wurde. Für das SMA-Lagers (Betrachtungszeitraum 10⁵ Jahre) muss demnach für die Berücksichtigung des ungünstigsten Erosionsszenariums mit einer höheren mittleren Eintiefungsrate gerechnet werden als für das HAA-Lager (Betrachtungszeitraum 10⁶ Jahre). Die Höhendifferenz zwischen der Basis der Höheren Deckenschotter und dem tiefsten fluviatilen Felsbett (lokale Erosionsbasis) beträgt im Bereich der Standortgebiete ca. 200 – 250 m, diejenige zwischen Tieferen Deckenschottern und dem tiefsten fluviatilen Felsbett ca. 100 – 200 m, wobei die Differenz im Allgemeinen von Basel Richtung Bodensee und von Koblenz Richtung Alpen zunimmt. Grund für die vergangene Eintiefung der lokalen Erosionsbasis dürfte eine Kombination von Hebung und exogenen Phänomenen (Änderung von Klima und damit Eismächtigkeit und -dynamik im Alpenraum, Vergrösserung Rhein-Einzugsgebiet) sein.

In Zusammenhang mit der Abtragung der lokalen Topographie (Kap. 6) wird zuerst auf die flächenhaften Denudationsraten eingegangen. Die vorhandenen Daten ergeben für die Nordschweiz für glazial nicht stark überprägte Gebiete durchschnittliche Werte von < 0.1 mm/Jahr. In Gebieten mit hohem Relief oder mit rückschreitender Erosion können diese auch erhöht sein. Auch zeitlich kann es innerhalb von Glazial-Interglazial-Zyklen grössere Variationen der Denudationsrate geben. Viel schneller und deshalb kritischer für zukünftige Erosionsbetrachtungen wird die lokale Topographie durch sogenannte Durchbruchsrinnen eingeschnitten. Solche können in Zusammenhang mit Gletschervorstössen entstehen, wenn durch Eis, Moränen und/oder Aufschotterung bestehende Täler verschlossen werden und als Folge neue Täler durch Erhebungen oder Felsriegel eingeschnitten werden können. In der Nordschweiz wurden auf diese Weise bestehende 100 – 200 m hohe Felsriegel durchbrochen und in relativ rascher Zeit bis nahezu auf das Niveau der lokalen Erosionsbasis eingeschnitten. Das Potenzial für die zukünftige Entstehung solcher Durchbrüche oder neuerer Täler ist dort am grössten, wo die Topographie flach ist und Gletschervorstösse in der Vergangenheit vergleichsweise häufig aufgetreten sind (und deshalb auch in Zukunft vergleichsweise häufiger auftreten dürften). Dies betrifft v.a. die Standortgebiete Zürich Nordost und den Ostteil des Standortgebiets Nördlich Lägern. Zudem ist in Gebieten mit vielen bestehenden Durchbruchsrinnen eher mit neuen Rinnen zu rechnen (Ostteil des Standortgebiets Südranden) als in Bereichen mit intakten Hochzonen (Standortgebiet Jura Ost). Die Bedeutung allfälliger Durchbruchsrinnen für die vorliegende Fragestellung ist massgeblich von der Tiefenlage des Wirtgesteins abhängig (vgl. dazu Nagra 2014a, b).

Bei der Entstehung der übertieften Felsrinnen (Kap. 7) im externen Alpenvorland scheinen subglaziale Schmelzwässer eine wichtige Rolle gespielt zu haben, einerseits durch direkte Erosion, und andererseits durch das effiziente Abtransportieren von erodiertem Material. Das Modell der Felsoberfläche zeigt für die Nordschweiz in den Hauptrinnen Übertiefungen relativ zur lokalen Erosionsbasis an, welche meist zwischen 50 und 200 m liegen und maximal ca. 250 m erreichen. Da die Zentren der Täler aber nur selten erbohrt wurden, sind für die zentralen Haupttäler auch grössere Tiefen möglich. Die Konzentration der Übertiefungen auf das Molassesubstrat deutet auf einen wichtigen Einfluss der Lithologie des Substrats hin. Einzig die Rinnen im Reuss- und im unteren Aaretal sind in mesozoische Schichten als Übertiefung eingeschnitten, wobei sich diese Rinnen vor allem im Bereich der Durchbrüche durch die Malmkalke verengen. Ihr Tiefgang relativ zur lokalen Erosionsbasis nimmt gemäss Felsoberflächenmodell auf maximal 50 – 100 m ab. In der Nordschweiz sind in den Standortgebieten Zürich Nordost und im Westteil von Nördlich Lägern mehrere Übertiefungen bekannt und können demnach wahrscheinlich auch in Zukunft vergleichsweise einfach entstehen. Im mesozoischen Substrat ist allerdings mit einem im Vergleich zu den heutigen, in die Molasse eingeschnittenen Rinnen mit einem geringen Tiefgang der Rinnen zu rechnen. Zudem ist bei der Beurteilung der Relevanz von neuen Übertiefungen die Tiefenlage des Wirtgesteins zu beachten (Nagra 2014a, b).

Arbeitsbericht NAB 14-23

Sensitivity of modelled erosion rates to hydrologic transients and process representation in a hydraulicallycoupled ice-flow model

Résumé

This report summarizes the research accomplished since the beginning of the project in January 2013. Most of the results obtained are summarized in a manuscript that was submitted to the international peer-reviewed journal Geomorphology on 14 November 2013. The nal submitted manuscript forms the primary basis for this report and is appended below. To this we have added two appendices: Appendix A describes an alternative cavity-based description of the distributed drainage system and its implications for the erosion modelling summarized in the manuscript, and Appendix B brie
y summarizes a strategy that we had devised to obtain some insight into
the implications of our seasonal-scale results for long-term simulations of glacial erosion. Based on our discussions with Urs Fischer and Wilfred Haeberli at the nal project meeting in San Francisco on 11 December 2013, it was decided that we should turn our attention to the next phase of model development, rather than pursue long-term simulations with the existing model. Appendix A therefore represents the bulk of what has been accomplished since the time of submission of the interim report. Table 1 summarizes the project tasks accomplished and where in this report the results can be found. In addition to the research conducted since the interim
report, Flavien Beaud has also presented this Nagra-funded work in two oral presentations: at the Annual Meeting of the Northwest Glaciologists (Vancouver, Canada, October 2013) and at the Fall Meeting of the American Geophysical Union (San Francisco, USA, December 2013).

Arbeitsbericht NAB 14-21

Scientific basis for the production of gas due to corrosion in a deep geological repository

Résumé

The Swiss national program for the disposal of radioactive waste involves emplacement of spent fuel (SF), vitrified high level waste (HLW) and long-lived intermediate level waste (ILW) in a deep geological repository constructed in Opalinus Clay. On the other hand, low and intermediate level radioactive waste (L/ILW) will be disposed either in a combined repository in Opalinus Clay, or in a separate repository constructed in Opalinus Clay, 'Brown Dogger', Effingen Member or Helvetic Marls host rocks. Under disposal conditions, processes which can lead to the generation of gases may occur. One such process is the anaerobic corrosion of metals which exist in the wastes themselves or are used for the disposal containers or in the construction of the repository. Such gases play an important role in safety assessment since they can lead to increased pressures in the repository making the characterization of their nature and production rate necessary. Consequently, the aim of this report is to critically review the available literature and identify the relevant mechanisms and representative corrosion and gas generation rates.

Corrosion is an irreversible interfacial reaction of a material with its environment, resulting in the loss of material or in the dissolution of one of the constituents of the environment into the material (Landolt 2007). Corrosion is a system property and thus the corrosion behavior of a material depends on its chemical/physical/mechanical properties as well as the chemical / physical / mechanical conditions of the environment. As a result, the mechanism and rate of corrosion of a metallic material will evolve with the conditions prevailing in the near field of a deep geological repository.

Due to the differences between the respective near field environments in the current Nagra reference repository concepts, spent fuel and vitrified high-level waste are considered separately from the long-lived intermediate-, and the low- and intermediate-level waste. In a first approach, the disposal concepts and the expected evolution of the conditions in the near field of each of the two above mentioned cases are presented in Chapter 2. Specific details with regards to corrosion-relevant materials properties and the criteria for selecting representative corrosion studies from literature are discussed. Carbon steel is the current reference material for a SF/HLW disposal canister as well as the most abundant metal in the L/ILW inventory. Its corrosion mechanisms and rates are discussed in Chapter 3 separately for each repository. Other metals such as aluminium, lead, copper, zinc and magnesium and alloys such as stainless steel and Zircaloy exist in the L/ILW inventory and their corrosion mechanisms and rates are discussed in Chapter 4. In each of those chapters the representative corrosion rates are compared in order to identify critical parameters which lead to the selection of a reference corrosion rate for each metal and repository concept case.

Arbeitsbericht NAB 14-18

Temperatur- und Wärmeflusskarten für definierte Horizonte im Untergrund der Nordostschweiz

Résumé

Im Hinblick auf die Beurteilung potenzieller Ressourcenkonflikte und der bautechnischen Machbarkeit im Rahmen von Etappe 2 des Sachplans geologische Tiefenlager ist die Nagra an der Temperaturverteilung auf unterschiedlichen Horizonten im Untergrund interessiert. Zu diesem Zweck wurden, aufbauend auf einer umfassenden Untersuchung zu Charakterisierung der geothermischen Strukturen in der Nordschweiz der AXPO POWER AG, die Temperaturen auf den Horizonten Basis Quartär, Basis OSM, Basis OMM, Basis Helvetikum (Top USM), Basis Tertiär (Top Malm), Basis Malm, Top und Basis Hauptrogenstein-Formation, Top und Basis Opalinuston, Top und Basis oberer Muschelkalk, Top Buntsandstein und Basis Mesozoikum für 2 Varianten errechnet. Zusätzlich wurde für einige ausgewählte Tiefenlagen (Oberfläche, 500 m, 1000 m, 2000 m) auch der Wärmefluss errechnet. Das zugrundeliegende Temperaturprognosemodell zur Charakterisierung der geothermischen Strukturen beruht auf der Analyse und genauen Bewertung der Qualität der Temperatur-Logs für die Bohrungen im Modell-Perimeter, die anschliessend zur Kalibration des regionalen Temperaturmodells verwendet werden. Dabei geht die Qualität der gemessenen Temperaturen in Form eines Gewichtungs-Faktors in die Kalibration mit ein.

Im hier vorliegenden Bericht werden 2 Varianten berücksichtigt. Die erste Variante beruht auf der Annahme, dass der hohe Temperaturgradient, der in der Bohrung Oftringen gemessen wurde, auf aufsteigendes Grundwasser entlang einer lokalen Störung zurückgeführt werden kann und dass diese Bohrung daher bei der Bestimmung der regionalen, basalen Wärmeflussverteilung nicht einbezogen wird. Die zweite Annahme, die der Berechnung einer alternativen Temperaturverteilung zugrunde gelegt wurde, besteht darin, dass die Bohrung Oftringen als "ungestört" betrachtet wird, die hohen Temperaturen auf einen erhöhten regionalen basalen Wärmefluss zurückzuführen sind und die Bohrung Oftringen daher mit voller Gewichtung in den Berechnungen berücksichtigt wird. Die daraus resultierenden Temperaturen zeigen wie erwartet, dass die Annahmen über die Ursache (e.g. basale, grossflächige Anomalie gegenüber durch Störungen aufsteigendes, warmes Grundwasser) zu Temperaturanomalien einen grossen Einfluss auf die Untergrundtemperaturen hat. Die genauen Temperaturverteilung sind in Form von Temperaturkarten für beide Varianten im Anhang dargestellt.

Der Wärmefluss wurde ebenfalls für die 2 oben kurz Beschriebenen Varianten errechnet. Die Simulationen zeigen vor allem in oberflächennahen Bereichen im Süden des Modelliergebietes negative Wärmeflüsse, die vor allem auf topographische Effekte zurückzuführen sind. Im Norden zeichnet der Wärmefluss relativ deutlich die Lage des im Modell implementierten Permokarbontroges nach. Hier werden entlang der Trogschultern höhere Wärmeflüsse errechnet als im zentralen Trogteil.

Arbeitsbericht NAB 14-17

Tektonische Karte des Nordschweizer Permokarbontrogs: Aktualisierung basierend auf 2D-Seismik und Schweredaten

Résumé

(Aufgabenstellung und Zielsetzung)

Der vorliegende Bericht dokumentiert die Überarbeitung der synoptischen Strukturkarte des Nordschweizer Permokarbontrogs (NPT) im Rahmen der 2. Etappe des Sachplans Geologische Tiefenlager (SGT-E2). Ausgangspunkt für diese Überarbeitung bildete die zuletzt zum Ende von SGT-E1 publizierte Karte des NPT (vgl. Nagra 2008 bzw. Leu 2008 mit darin enthaltenen Referenzen). Die Überarbeitung dieser Karte erfolgte aufbauend auf der Interpretation von in SGT-E2 reprozessierten und neu akquirierten 2D-Seismikdaten (Madritsch et al. 2013) sowie der aktualisierten Auswertung von Schwere-Daten (Green et al. 2013).

Die wesentlichen Ergebnisse der seismischen Grundgebirgsinterpretation wurden bereits in Madritsch et al. (2013) präsentiert. Der vorliegende Bericht widmet sich nun schwerpunktmässig diesen Ergebnissen und enthält eine vertiefte Beschreibung von exemplarischen 2D-Seismik-Schlüsselprofilen mit einer um den Bereich unterhalb von 2 s TWT ('two way travel time', Zweiweglaufzeit) erweiterten Interpretation der Profile. Im Bereich des Grundgebirges wurde die in Madritsch et al. (2013) gezeigte, weitgehend konzeptionelle Interpretation des vollständigen 2D-Seismik-Datensatzes im Zuge der hier vorgestellten Aktualisierung der Karte des NPT dabei an einzelnen Lokalitäten angepasst.

Da die Interpretation des NPT trotz des nunmehr sehr dichten seismischen 2D-Seismik-Datensatzes weiterhin stark von intrinsischen Interpretationsungewissheiten betroffen und daher in vielen Fällen konzeptioneller bzw. schematischer Natur ist, wird in diesem Bericht auch nochmals explizit auf das Interpretationskonzept und die verbleibenden Ungewissheiten eingegangen. Dies soll vor allem auch dazu dienen, die Belastbarkeit der verschiedenen Interpretationsaspekte aufzuzeigen.

Arbeitsbericht NAB 14-16

Long-term Evolution of the Engineered Gas Transport System

Résumé

An "engineered gas transport system" (EGTS), i.e. a backfill and sealing system that allows the controlled transport of gases along the access structures, is an option to limit the gas pressure in a repository for low- and intermediate-level waste (L/ILW) and in the emplacement rooms for long-lived intermediate level waste in a high-level waste repository. This report assesses whether such a system, suitably designed, will function as required over a 100 000 year time frame, taking relevant chemical interactions into account.

It is currently foreseen that high-porosity cementitious mortars will be used as backfill materials for the emplacement rooms and sand/bentonite mixtures will be used to backfill and seal the access tunnels. If these materials were to be in direct contact, there is a possibility that long-term mineralogical changes and corresponding changes in porosity could occur. This could result in the pore spaces becoming clogged and, in an extreme case, in the materials locally becoming impermeable to gas. Of particular relevance is the formation of calcium silicate hydrate (C-S-H) precipitates from the reaction of dissolved Si, released from sand/bentonite when exposed to high pH pore fluid from the cement, with dissolved Ca released from the cement minerals. A transition layer between the cementitious mortars and the sand/bentonite, of suitable length and filled with a suitable material, is a possibility to avoid or reduce such unfavourable chemical interactions.

In the present report, an example EGTS design is considered in which limestone gravel is used to fill the transition layer. This choice of limestone (with calcite as the key mineral) is motivated by the fact that bentonite, cement and Opalinus Clay all contain small amounts of this mineral, and are in thermodynamic equilibrium with it. Geochemical gradients between cementitious and other backfill materials are however not completely avoided by this choice. Their impacts are analysed in illustrative calculations of the evolution of mineralogy and porosity using state-of-the-art coupled reactive transport modelling. Two types of calculations are carried out: simplified 1-D calculations and more realistic 2-D calculations. The 1-D calculations are performed for a simplified system with fully saturated conditions, considering only diffusive transport. The 2-D calculations are performed for partially saturated conditions and include advective as well as diffusive transport. In the modelling work described in the present report, cementitious materials are represented as a generic concrete of average composition, with limestone aggregate. Furthermore, the limestone in the aggregate and in the transition layer is represented as calcite for simplicity.

The 1-D calculations for the example EGTS design indicate that porosity changes are relatively minor and caused either by the replacement of mineral phases with phases that have a different molar volume, or by spatially distributed precipitation of minerals due to diffusive mixing of solutes originating from different materials. A portlandite dissolution front is observed in the concrete and a montmorillonite dissolution front in the sand/bentonite, both of which migrate away from the interfaces with the transition layer over time. As a result of the release of Ca and Si from these migrating fronts, C-S-H precipitation is observed. This precipitation is not, however, highly localised at the material interfaces, but rather is widely distributed across the transition layer. Changes in porosity are small and there are no indications for porosity clogging in the calculations. Montmorillonite dissolution could have a potential detrimental effect on the radionuclide retention properties of the affected sand/bentonite. However, the migration of the montmorillonite dissolution front is limited to just a few metres over 100 000 years and thus only a small part of the access tunnel system backfilled with sand/ bentonite is affected.

On the basis of earlier modelling studies of the saturation of the L/ILW repository, the 2-D model addresses a scenario in which water flows from the sand/bentonite-filled access tunnel system along the lower part of the partially saturated transition layer towards the emplacement rooms, leading to advective as well as diffusive transport. The earlier studies suggest that such flows will persist for about 1000 years during the early evolution of the repository, but the 2-D model represents the hypothetical, more extreme case where the flows are maintained up to 100 000 years. The results indicate that the main chemical interactions, and hence mineralogical and porosity changes, occur in the saturated material at the bottom of the modelled system, as in the 1-D calculations. However, the 2-D model also demonstrates that changes in the partially saturated materials towards the top of the modelled system are much more limited than towards the bottom, where materials are fully saturated.

A limited sensitivity analysis is also carried out to examine the influence of the length of the transition layer on the evolution of the system. Progress of dissolution fronts in the concrete and in the sand/bentonite is found to depend on the length of the transition layer within the modelled time period. Porosity changes remain small across the range of transition layer lengths considered. Sensitivity to the use of quartz as an alternative fill material for the transition layer and as an alternative concrete aggregate material is also examined, to provide insight into possible consequences in terms of mineralogical and porosity changes when materials within the EGTS are not in thermodynamic equilibrium. When quartz aggregate is used, the most significant mineralogical changes are those that occur in the concrete, where large amounts of C-S-H precipitation occur. The precipitates are, however, distributed fairly broadly throughout the concrete, and there are no indications that these could lead to pore clogging. When, in addition, quartz gravel is used to fill the transition layer, no significant further changes in mineralogical evolution are observed.

Overall, qualitative reasoning and quantitative illustrative analyses indicate that, for an appropriately chosen EGTS design, chemical interactions will not lead to a significant reduction in porosity and to a loss of gas permeability, and the EGTS should function as required over a 100 000 year time frame.

Arbeitsbericht NAB 14-15

OPA: Sondierbohrung Benken
Langzeitbeobachtung 2013
Dokumentation der Messdaten

Résumé

Ziel dieses Berichtes ist es, die im Jahr 2013 erhobenen Langzeitbeobachtungsdaten aus der Sondierbohrung Benken (ZH) mit den neuen Beobachtungszonen Nr. 1 bis 8 (nach Einbau des Multipacker-Systems der Firma Baker, Celle) zu dokumentieren.

Alle bisher erhobenen Langzeitmessdaten in der Sondierbohrung Benken sind in der neuen, Nagra-eigenen und zu Windows kompatiblen Datenbank Hydro-Monitor archiviert und jederzeit abrufbar.

Arbeitsbericht NAB 14-11

Thermo-hydraulic simulations of the near-field of a SF/HLW repository during early- and late-time post-closure period

Résumé

Im Hinblick auf die provisorischen Sicherheitsanalysen für Etappe 2 des Sachplans wird in diesem Bericht untersucht, ob in den verfüllten BE/HAA-Lagerstollen des HAA-Lagers durch die Wärmeentwicklung der radioaktiven Abfälle und der damit verbundenen thermischen Ausdehnung des Porenwassers Überdrücke entstehen können, die im Zusammenwirken mit den durch Korrosion hervorgerufenen Gasdrücken allenfalls die Barrierenwirkung des HAA-Lagers negativ beeinflussen können. Die spezifischen temperaturbedingten Phänomene umfassen die Auswirkung der Wärmeentwicklung auf (i) das Wirtgestein und die Auflockerungszone (EDZ), (ii) die Bentonit-Verfüllung, (iii) den Abbau der Abfallgebinde, und (iv) die Löslichkeit, Sorption und Diffusion der freigesetzten Radionnuklide. Für die Beurteilung dieser Fragen wurden numerische Modellanalysen zum Temperatur- und Porendruckaufbau und zur Gasfreisetzung nach Lagerverschluss durchgeführt.

Zu diesem Zweck wurden mit einem generischen 2-D-Modell eines BE/HAA-Lagerstollens Sensitivitätsstudien zur Temperatur- und Druckentwicklung im Lagerumfeld durchgeführt. Der Schwerpunkt der Modellierungen lag auf der Untersuchung des Porendruckaufbaus im den BE/HAA-Lagerstollen und im umgebenden Wirtgestein unter Berücksichtigung der konzeptionellen und parametrischen Ungewissheiten in den vorgeschlagenen Standortregionen. Es sind dies:

der Einfluss der thermohydraulischen Eigenschaften des Wirtgesteins;

der Einfluss der Lagertiefe;

der Einfluss der Wärmeproduktionsrate;

die potenzielle Interferenz mit der Druckentwicklung durch Gasgeneration.

Die Modellierung des Wärme- und Gastransports wurde für die gesamte Bandbreite der Wirtgesteinseigenschaften des Opalinustons und für typische Lagertiefen (450 m, 600 m, 750 m unter Terrain) durchgeführt, wobei zwei generische Wärmeproduktionsraten (durchschnittliche und maximale Rate) benutzt wurden. Die Simulationen zeigen relativ frühe Druckentwicklung im umgebenden Wirtgestein durch thermische Expansion des Porenwassers, wobei der Druckaufbau in den Lagerstollen erst nach der vollständigen Aufsättigung des Nahfelds nach ca. 100 Jahren erfolgt, wenn die Temperatur des BE/HAA Behälters schon auf unter 100 °C gefallen ist. Der thermisch induzierte Druckaufbau in den BE/HAA Lagerstollen ist dadurch immer geringer als der im umgebenden Wirtgestein. Der durch die Gasgeneration hervorgerufenen Gasdruckaufbau im BE/HAA Stollen führt zu maximalen Überdrücken in den Lagerstollen die nach ca. 300 – 600 Jahren auftreten und typischerweise zwischen 7 und 14.5 Mpa liegen. Die Porendrücke bleiben aber in allen Fällen unterhalb des lithostatischen Drucks. Die räumliche Ausdehnung des durch die Gasfreisetzung hervorgerufenen Druckaufbaus ist beschränkt auf einen eng begrenzten Gebirgsbereich um den Lagerstollen (< 20 m), wobei der Druck nach 2'000 Jahren rapide abfällt, nachdem die Korrosion der Einbauten aufhört. Die Gasgeneration durch Korrosion der BE/HAA Behälter zeigt erst nach ca. 10'000 Jahren einen signifikanten Druckaufbau, wobei der Maximaldruck nach 60000 Jahren viel geringer ist als der thermisch bedingte Porendruck in der frühen Nachbetriebsphase.

In keinem der Rechenfälle (mit den Referenzwerten für Gasgeneration) erreichen die Gasdrücke (bzw. die äquivalenten Porendrücke) den lithostatischen Gebirgsdruck, der in der Lagerstättenkunde häufig als Indikator für die Bewertung der Bohrlochstabilität herangezogen wird. Darüber hinaus bleibt der Gasüberdruck im BE/HAA Stollen im Vergleich zum Porendruck im umgebenden Wirtgestein relativ gering. In den 2-D Modellanalysen werden die Gastransportpfade und Wasserflüsse entlang der Auflockerungszone und den verfüllten Untertagebauwerken nicht berücksichtigt. Diese bilden ein zusätzliches Speichervolumen mit einer beträchtlichen Gastransportkapazität, so dass die Gasüberdrücke im BE/HAA-Nahfeld bei deren Berücksichtigung deutlich reduziert werden. Aus den dargelegten quantitativen Abschätzungen und den konzeptuellen Betrachtungen kann geschlossen werden, dass im HAA-Lager nur moderate Überdrücke infolge von Wärme- und Gasfreisetzung auftreten, welche die Barrierenwirkung der technischen und geologischen Barrieren nicht beeinträchtigen. Diese Schlussfolgerungen gelten für alle HAA-Lagerkonfiguration in den vorgeschlagenen Standortgebieten.

Arbeitsbericht NAB 14-10

Sensitivity analyses of gas release from a SF/HLW repository in the Opalinus Clay in the candidate siting regions of Northern Switzerland

Résumé

Im Hinblick auf die provisorischen Sicherheitsanalysen für Etappe 2 des Sachplans wird in diesem Bericht untersucht, ob in den verfüllten BE/HAA-Lagerstollen des HAA-Lagers im Falle der Verwendung von Stahlbehältern durch deren Korrosion und der damit verbundenen Gasbildung Gasdrücke entstehen können, die allenfalls die Barrierenwirkung des HAA-Lagers negativ beeinflussen könnten. Für die Beurteilung dieser Frage wurden numerische Modellanalysen zum Gasdruckaufbau und zur Gasfreisetzung nach Lagerverschluss durchgeführt.

Hierzu wurden mit einem generischen 2-D-Modell eines BE/HAA-Lagerstollens Sensitivitätsstudien zur Gasfreisetzung für verschiedene Situationen durchgeführt. Der Schwerpunkt der Modellierungen lag auf der Untersuchung des Gasdruckaufbaus in den BE/HAA-Lagerstollen unter Berücksichtigung der konzeptionellen und parametrischen Unterschiede bzw. Ungewissheiten in den vorgeschlagenen Standortregionen. Es sind dies:

der Einfluss der Gastransportkapazität des Wirtgesteins;

der Einfluss der Lagertiefe;

der Einfluss der Gasproduktionsraten.

Gasfreisetzungsmodellierungen wurden für die gesamte Bandbreite der Gastransportparameter des Opalinustons (Referenzwerte sowie obere/untere Eckwerte) und für typische Lagertiefen (450 m, 600 m, 750 m unter Terrain) durchgeführt. Die berechneten maximalen Überdrücke in den Lagerstollen treten nach ca. 600 – 2'000 Jahren auf und liegen typischerweise zwischen 2 und 5 MPa. Mit den Referenzwerten erreichen die Gasdrücke in keinem der gerechneten Rechenfälle den lithostatischen Gebirgsdruck, der in der Literatur häufig als Indikator für die mechanische Schädigung des Gebirges herangezogen wird. Selbst unter der Annahme von konservativen Gasproduktionsraten und reduzierter Gastransportkapazität des Wirtgesteins treten nur in einem Rechenfall Gasdrücke über dem lithostatischen Druck auf. In den 2-D Modellanalysen werden die Gastransportpfade entlang der Auflockerungszone und den verfüllten Untertagebauwerken nicht berücksichtigt. Diese bilden ein zusätzliches Speichervolumen mit einer beträchtlichen Gastransportkapazität, so dass bei deren Berücksichtigung die berechneten Gasüberdrücke im BE/HAA-Nahfeld deutlich reduziert würden. Aus den dargelegten quantitativen Abschätzungen und den konzeptuellen Betrachtungen kann geschlossen werden, dass im HAA-Lager nur moderate Gasüberdrücke auftreten, welche die Barrierenwirkung der technischen Barrieren und des Wirtgesteins nicht beeinträchtigen. Diese Schlussfolgerungen gelten für alle HAA-Lagerkonfiguration in den vorgeschlagenen Standortgebieten.

Schliesslich ist zu erwähnen, dass die gasbildenden Materialien im Tunnel bei Bedarf erheblich reduziert werden könnten und dass für den BE/HAA-Behälter Materialien verwendet werden können, bei denen die Gasbildung nahezu null ist. Dies bedeutet, dass die Gasbildung in den BE/HAA-Lagerstollen weitestgehend reduziert werden kann und der Gasdruckaufbau entfällt, falls dies erforderlich wäre.

Arbeitsbericht NAB 14-09

Einfluss der Salinität des Porenwassers der Wirtgesteine auf die Langzeitsicherheit der Tiefenlager

Résumé

In diesem Bericht wird der Einfluss der Ionenstärke der Porenwässer in den vorgeschlagenen Wirtgesteinen auf die einzelnen Barrieren dargestellt. Dabei wurde der ganze Bereich möglicher Porenwasserzusammensetzungen der Wirtgesteine in Betracht gezogen.

Einfluss der Salinität auf die Sorption und auf die Diffusion im Wirtgestein und im Bentonit: Die Ionenstärke beeinflusst die Sorption von Kationen, die mit einem Kationenaustausch-Mechanismus sorbieren. Sorption und Diffusion müssen aber zusammen betrachtet werden, da für die diffusive Radionuklidausbreitung die scheinbare (apparente) Diffusion massgebend ist. Der entsprechende Diffusionskoeffizient D_a hängt vom Verhältnis zwischen effektivem Diffusionskoeffizienten D_e und Sorptionswert K_d ab. Die Abhängigkeiten von D_e und K_d von der Ionenstärke sind stark korreliert, sodass D_a und somit die Radionuklidausbreitung nur sehr schwach von der Ionenstärke abhängen. Trotzdem berücksichtigen die erarbeiteten Sorptionsdatensätze mögliche Sorptionsänderungen infolge einer erhöhten Ionenstärke in konservativer Weise. Diffusion und Sorption von Radionukliden, welche mit einem Oberflächenkomplexierungsmechanismus sorbieren, werden von der Ionenstärke nicht beeinflusst. Wegen der Zunahme der anionenzugänglichen Porosität mit steigender Ionenstärke nimmt die Diffusion der Anionen zu. Dies wird in der Sicherheitsanalyse mit der Wahl der entsprechenden Eckwerte berücksichtigt. Komplexbildung der Radionuklide mit Cl^- oder SO₄^2- kann sowohl in den Wirtgesteinen als auch im Bentonit zu einer Verminderung der Sorption führen, ebenso zu einer Erhöhung der Löslichkeit im Porenwasser des Bentonits. Dies wird in den entsprechenden Datenbanken berücksichtigt.

Im Nahfeld der BE/HAA-Lagerkammern könnte die Kombination einer sehr hohen Ionenstärke (> 3 M) und einer sehr tiefen Einbringdichte (< 1000 kg/m³) eine Abnahme der Quellfähigkeit des Bentonits und eine damit verbundene Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeit bewirken. Allerdings werden in einem geologischen Tiefenlager keine solchen Bedingungen vorherrschen. Innerhalb des möglichen Bereichs der Ionenstärken der Porenwässer und bei der vorgesehenen Einbringdichte des Bentonits kann eine signifikante Beeinflussung sowohl der Quellfähigkeit als auch der hydraulischen Durchlässigkeit ausgeschlossen werden.

Innerhalb des möglichen Bereichs der Chlorid Konzentrationen wird die Stahlkorrosion weder im Nahfeld der BE/HAA-Lagerkammern noch im Nahfeld des SMA-Lagers beeinflusst. Dies gilt auch für Kupfer und Zircaloy. Die Korrosion von Aluminium bei hohem pH-Wert (SMA und LMA) kann aber bei höheren Chlorid Konzentrationen schneller sein, was bei der Abschätzung der Gasbildung berücksichtigt wird.

Mehrere in der Literatur beschriebene Brennstoffauflösungsexperimente zeigen, dass Chlorid keinen Einfluss auf die Auflösung des Brennstoffs hat. Auch auf die Auflösung von Glas konnte keine sicherheitsrelevante Wirkung der Ionenstärke nachgewiesen werden.

Porenwässer mit erhöhten Na⁺, Mg²⁺, SO₄^2- und Cl^- Konzentrationen können im Nahfeld SMA und LMA die Zusammensetzung der Zementminerale beeinflussen. Bei anhaltendem Poren-wasseraustausch mit dem umgebenden Wirtgestein, also über lange Zeiträume von tausenden von Jahren, können durch Mg²⁺ geringe Mengen der C-S-H Phasen in M-S-H Phasen umge-wandelt werden. Sulfat kann auf Kosten anderer Al-haltigen Phasen (AFm) zur Bildung von zusätzlichem Ettringit führen. AFm Phasen können Anionen binden und spielen somit eine wichtige Rolle bei der Rückhaltung von sicherheitsrelevanten Anionen. Eine Chlorid-Bindung an AFm Phasen führt zur Bildung von Friedel’s Salz. Bei den erwarteten Konzentrations-bereichen könnte Na⁺ in geringem Umfang gegen das Ca²⁺ in C-S-H Phasen ausgetauscht werden, was deren Rückhaltungskapazität gegenüber Metallkationen nicht wesentlich verändern würde.

Unter den alkalischen Bedingungen eines Zementporenwassers spielen Chlorokomplexe mit sicherheitsrelevanten Radionukliden kaum eine Rolle, da Hydroxokomplexe fast immer stabiler sind. Der Einfluss der Ionenstärke wird in der Sorptionsdatenbank für Radionuklide berücksich-tigt. Dies betrifft insbesondere die Kationen Cs⁺, Sr²⁺ und Ra²⁺, welche bei erhöhter Ionenstärke wegen der Konkurrenz zu den Kationen im Porenwasser schlechter sorbieren, aber auch die Radionuklide in Anionenform, bei welchen die oben erwähnten möglichen Änderungen der Mineralzusammensetzung berücksichtigt werden.

Arbeitsbericht NAB 14-08

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal NL-6-Kombi
im Planungsperimeter Nördlich Lägern
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers Kombi
Planungsstudie
April 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-07

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal NL-6-HAA
im Planungsperimeter Nördlich Lägern
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers HAA
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-06

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal NL-6-SMA
im Planungsperimeter Nördlich Lägern
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers SMA
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-05

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal NL-2-Kombi
im Planungsperimeter Nördlich Lägern
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers Kombi
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-04

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal NL-2-HAA
im Planungsperimeter Nördlich Lägern
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers HAA
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-03

Sachplan geologische Tiefenlager Etappe 2
Standortareal NL-2-SMA
im Planungsperimeter Nördlich Lägern
für die Oberflächenanlage eines
geologischen Tiefenlagers SMA
Planungsstudie
Mai 2014

Résumé

Der Bericht enthält keine Zusammenfassung.

Arbeitsbericht NAB 14-02

Digitales Höhenmodell Basis Quartär der Nordschweiz – Version 2014 und ausgewählte Auswertungen

Résumé

In Etappe 1 des Sachplans Geologische Tiefenlager (SGT) wurde basierend auf Bohrdaten, geologischen Karten, geologischen Publikationen sowie bestehenden Isohypsendatensätzen zur Basis oder der Mächtigkeit quartärer Lockergesteine ein regionales Modell der Felsoberfläche erarbeitet (Jordan, 2007; Nagra, 2008). Dieses sogenannte digitale Höhenmodell Basis Quartär (DHM Basis Quartär, Version 2008) wurde innerhalb der Etappe 2 des SGT nun überarbeitet (DHM Basis Quartär, Version 2014). Im vorliegenden Bericht werden Datengrundlage, Vorgehen und Resultate dieser Überarbeitung erläutert und diskutiert.

Das DHM Basis Quartär ist ein Rastermodell mit einer Maschenweite von 25 m. Sowohl die Maschenweite als auch die Lage dessen Knotenpunkte sind identisch mit dem digitalen Geländemodell DHM25 des Bundesamts für Landestopografie swisstopo sowie mit anderen digitalen Höhenmodellen von geologischen Schichthorizonten der Nagra. Dies vereinfacht die räumliche Berechnung und Visualisierung quartärgeologischer Aspekte im regionalen Massstab.

Eine kritische Überarbeitung und Aufdatierung des DHM Basis Quartär aus SGT Etappe 1 wurde in Etappe 2 nötig, aufgrund vieler neuer Bohrdaten sowie neuer Interpretationen zum Verlauf der Felsoberfläche aus Erläuterungen von geologischen Karten oder Berichten. Insbesondere die Arbeit von Graf (2009) mit den dazugehörigen lokalen Isohypsenkarten der Felsoberfläche wurde für die Revision des DHM Basis Quartär berücksichtigt. Diese und weitere von Dritten übernommene Isohypsenkarten zur Felsoberfläche wurden in das bestehende DHM Basis Quartär (Version 2008) eingebaut und lokal an zusätzliche Bohrdaten angepasst. Die für die Modellkonstruktion verwendeten Bohrungen und geologischen Ausbisslinien können optisch und rechnerisch mit dem DHM Basis Quartär verglichen werden, was eine lokale Beurteilung der Verlässlichkeit des Modells aufgrund der Datenlage zulässt. Die Änderungen gegenüber dem DHM Basis Quartär aus Etappe 1 werden im vorliegenden Bericht ebenso diskutiert wie die Abweichungen gegenüber den Grundlagendaten inklusive der von Dritten übernommenen Isohypsendatensätzen.

Neben der Dokumentation der verwendeten Daten und des Vorgehens bei der Erarbeitung des neuen digitalen Höhenmodells werden die Resultate in verschiedenen Beilagen visualisiert. Die Felsoberfläche und die Mächtigkeit der quartären Lockergesteine werden flächendeckend dargestellt. Für die Umgebung der verschiedenen geologischen Standortgebiete in der Nordschweiz werden zudem Detailkarten präsentiert, in welchen neben dem eigentlichen Modell auch die wichtigsten Grundlagendaten (Aufschlüsse, Bohrungen) dargestellt werden. Neben diesen klassischen Darstellungen werden Profilschnitte entlang der Achsen der Haupttäler präsentiert. Basierend auf dem Modell der Felsoberfläche wurde zudem ein digitales Höhenmodell bzw. eine Karte der lokalen Erosionsbasis berechnet, dargestellt und diskutiert. Schliesslich wurde für die Beurteilung zukünftiger Erosionsentwicklung das Gefälle von Hauptflusssystemen und deren Beziehung zum Felssubstrat untersucht. Dies ist graphisch entlang von Flusslaufprofilen dokumentiert.

Arbeitsbericht NAB 14-02

Geomechanical properties, rock models and in-situ stress conditions for Opalinus Clay in Northern Switzerland

Résumé

Für die Beurteilung der bautechnischen Machbarkeit geologischer Tiefenlager sind das Verständnis des Deformationsverhaltens des Wirtgesteins sowie die Abschätzung der in den Standortgebieten vorherrschenden geologischen Verhältnisse (Spannungsfeld, Porendruck) und des tektonischen Baus (Störungssysteme, Trennflächen) von zentraler Bedeutung. Der Opalinuston wurde im Rahmen der Etappe 1 des Sachplans geologische Tiefenlager (SGT) als Wirtgestein für hochaktive Abfälle (BE/HAA) bestimmt. Opalinuston ist auch ein mögliches Wirtgestein für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA).

Der vorliegende Bericht fasst den Kenntnisstand geomechanischer Eigenschaften des Opalinus-tons zusammen ("geomechanische Referenzparameter"). Zusätzlich zu den geomechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit werden auch Daten zu Strukturelementen ("Gebirgsmodelle") sowie des In-situ-Spannungszustands auf Lagerebene für die verschiedenen Standortgebiete diskutiert. Das Hauptprodukt des Berichts ist der sogenannte "geomechanische Geodatensatz für bautechnische Anwendungen" (GDS-AB-WG). Er besteht in der Tabellierung von Referenzparametern sowie der Formulierung von Gebirgsmodellen für numerische Modellrechnungen im Rahmen der Beurteilung der bautechnischen Machbarkeit geologischer Tiefenlager im Opalinuston.

Opalinuston kann mineralogisch als ein karbonatischer, sandiger Tonstein klassifiziert werden, wobei die Korngrössenverteilung von der Siltfraktion dominiert wird. Geotechnisch gesehen handelt es sich um einen überkonsolidierten Tonstein mit geringer bis mittlerer Plastizität. Die Überkonsolidierung kommt in Deformationsexperimenten durch eine ausgeprägte Spitzenfestigkeit und sprödes Nachbruchverhalten im für geologische Tiefenlager relevanten Spannungsbereich zum Ausdruck. Die Zunahme der Steifigkeit, der Festigkeit und der Quelleigenschaften mit grösserer Versenkungstiefe bzw. grösserer effektiver Belastung werden für Opalinuston ebenfalls beobachtet. Das elasto-plastische Spannungs-Dehnungsverhalten kann konzeptuell durch die Theorie der kritischen Zustände ("critical state theory)" beschrieben werden, in der die Tiefenabhängigkeit der geomechanischen Eigenschaften des Opalinustons implizit berücksichtigt wird. Für bautechnische Zwecke werden in der Regel vereinfachte Materialgesetze verwendet, die auf dem Mohr-Coulomb Kriterium zur Formulierung der Festigkeit beruhen. Deshalb werden für den GDS-AB-WG zwei Parametersätze abgeleitet:

Der geomechanische Datensatz Opalinuston untief, basierend auf den Grundlagedaten von Kernproben des Felslabors Mont Terri, wird als prioritär angesehen für die Untersuchung des Deformationsverhalten von Opalinuston bis maximal etwa 400 m Tiefe.

Der geomechanische Datensatz Opalinuston tief, basierend auf den Grundlagedaten von Kernproben der Bohrungen Benken und Schlattingen-1, wird als prioritär angesehen für die Untersuchung des Deformationsverhaltens von Opalinuston im Tiefenbereich von etwa 400 – 900 m.

Diskrete Bruchflächen oder Störungszonen werden im Opalinuston zwar beobachtet, sind jedoch in Kernbohrungen der Nordschweiz generell selten. Um eine mögliche Entfestigung des Gebirges durch Strukturelemente in vergleichenden Modellrechnungen zu berücksichtigen, werden skalenunabhängige Gebirgsmodelle formuliert.

Zur Ergänzung der Datenlage der In-situ Gebirgsspannungen, insbesondere bezüglich der Ungewissheiten in der Magnitude der maximalen lateralen Hauptspannung, werden verschiedene Ansätze aus der Fels- und Bodenmechanik eingeführt. Diese erlauben die Formulierung verschiedener Szenarien des vorherrschenden Spannungsfelds auf Lagerebene, die abdeckend sind für das Spektrum der geologischen Situationen in den Standortgebieten.

Glossar

Catégories

Chariot

NABs 2014/1-80

Arbeitsbericht NAB 14-78

Safety Considerations for a Trackless Transport System (Heavy Load Vehicle) for a Future Geological Repository

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-77

Sicherheitstechnische Betrachtungen zu Standseilbahnen für den Zugang zu einem zukünftigen geologischen Tiefenlager

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-76

Sicherheitstechnische Betrachtungen zu Zahnradbahnen für den Zugang zu einem zukünftigen geologischen Tiefenlager

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-75

Sicherheitstechnische Betrachtungen zu Schachtförderanlagen für den Zugang zu einem zukünftigen geologischen Tiefenlager

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-74

Vergleich der 2D-seismischen Linien mit dem geologischen 3D-Modell Wellenberg 2014

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-73

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-70

Potenzial der Kohlenwasserstoff-Ressourcen in der Nordschweiz

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-72

Sachplan geologische Tiefenlager – Etappe 2 Standortspezifische Baugrundmodelle für die Zugangsbauwerke Geologische Profile nach SIA 199 (Rampen und Schächte)

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-59

Aktualisierte Abschätzung des Tonmineralgehalts anhand von Bohrlochmessungen in Bohrungen der Nordschweiz (update NAB 12-56)

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-58

Reflexionsseismische Analyse des 'Braunen Doggers'

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-57

Reflexionsseismische Analyse der Effinger Schichten

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-56

Das neue Schwachbebennetz in der Nordschweiz: Standortsuche, Standortauswahl, realisierte Stationen

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-53

The HE-E Experiment: Layout, Interpretation and THM Modelling

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-52

Geochemische Nahfeld-Daten zu den SMA und ATA für die provisorischen Sicherheitsanalysen in SGT Etappe 2

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-51

Ergänzende Sicherheitsbetrachtungen für die Untertageanlagen der geologischen Tiefenlager in der Betriebsphase: Vorgaben, Vorgehen und Dokumentation der Ergebnisse

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-50

Bautechnische Risikoanalyse zur Realisierung der Zugangsbauwerke

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-49

The PSI/Nagra Chemical Thermodynamic Database 12/07

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-47

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Jura Ost

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-46

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Jura Ost

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-45

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Südranden

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-44

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Südranden

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-43

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Nördlich Lägern

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-42

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Nördlich Lägern

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-41

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: Studie des Überdeckungsrisikos, Gebiet Jura-Südfuss

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-40

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3: 3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Jura-Südfuss

Résumé

Arbeitsbericht NAB 14-39

Thermo-hydraulic modelling of the temperature distribution in the siting region Jura Ost

Sachplan geologische Tiefenlager – Etappe 2
Standortspezifische Baugrundmodelle für die Zugangsbauwerke
Geologische Profile nach SIA 199 (Rampen und Schächte)

Ergänzende Sicherheitsbetrachtungen für die Untertageanlagen der geologischen Tiefenlager in der Betriebsphase:
Vorgaben, Vorgehen und Dokumentation der Ergebnisse

Vorbereitung 3D-Seismik für Etappe 3:
3D-Ray-Tracing-Studie, Gebiet Jura-Südfuss

Provisorische Sicherheitsanalysen für SGT Etappe 2:
Elektronischer Daten- und Resultateordner (EDR) zu den Dosisberechnungen in NTB 14‑03

Chemische Risikobewertung
Beurteilung von Stoffen in einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle aufgrund ihrer Chemotoxizität