Konzepte zur geophysikalischen Erkundung möglicher Endlager-Standorte

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1 Sichere Entsorgung radioaktiver Abfälle in der Schweiz Konzepte zur geophysikalischen Erkundung möglicher Endlager-Standorte 1. Essener Fachgespräch Endlagerbergbau am im Technologiepark Essen Philip Birkhäuser Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle Themen Was heisst «Endlager» in der Schweiz? Erkundungsprogramme und wichtigste Beiträge der Geophysik Einengung im Standortwahlverfahren Nächster Schritt bei der geophysikalischen Erkundung 2 1

2 Heute: Zwischenlagerung Zwischenlagerung hochaktiver Abfälle in speziellen Transport- und Lagerbehältern (Castor) im ZWILAG Zwischenlagerung schwach- und mittelaktiver Abfälle in verfestigter, konditionierter Form 3 Morgen: geologische Tiefenlager Lager für hochaktive Abfälle (Betrieb ab 2040) Lager für schwach- und mittelaktive Abfälle (Betrieb ab 2030) Option «Kombilager» offen Gesamtvolumen: ca m3 4 2

3 Themen Was heisst «Endlager» in der Schweiz? Erkundungsprogramme und wichtigste Beiträge der Geophysik Einengung im Standortwahlverfahren Nächster Schritt bei der geophysikalischen Erkundung 5 Erkundungsprogramme in der Schweiz Felslabor Mont Terri Felslabor Grimsel 6 3

4 Erkundungsprogramm Kristallin ( ) bautechnische Eignung gegeben Überdeckung mit Meter Sedimentgesteinen genügende Ausdehnung des Lagergesteins (aber wo?) steilstehende Störungszonen 7 Felslabor Grimsel (1984 heute) WFI & sonic vel. (NTB 97-05) Tomographie war das wichtigste geophysikalische Forschungsprojekt im FLG (P. Blümling, C. Gelbke, B. Lehmann, G. Sattel, G. Pratt, H.R. Maurer, K. Holliger, W. Albert, ) 8 4

5 Lagerkonzept Kristallin low permeability domain of crystalline basement (?) higher permeability domain of basement (?) mayor water conducting fault zones (LDFs?) C formation B formation A formation river valley with quarternary deposits transmissive elements in the host rock: a b c cataclastic zones (?) jointed zones with open joints (?) fractured dykes (?) 9 Erkundungsprogramm Sediment ( ) 500 N Sondierbohrung Cholfirst Benken Benken Marthalen Alten S Tiefe [m ü.m.] km Legende: Quartär Lockergesteine (Quartär) Tertiär Obere Meeresmolasse/ Untere Süsswassermolasse Mesozoikum oberer Malm unterer Malm mittlerer bis oberer Dogger Opalinuston Lias Keuper Muschelkalk und Buntsandstein Grundgebirge Kristallin Permokarbon (vermutet/wahrscheinlich) Einfache Schichtabfolge der Sedimentgesteine Tektonisch ruhige Verhältnisse Opalinuston in erforderlicher Tiefenlage Genügende Ausdehnung des Lagergesteins 10 5

6 3D-Seismik Zürcher Weinland 1996/97 SB Benken Opalinuston Die lückenlose dreidimensionale Abbildung mit einer Bin- Grösse von 15 x 15m ermöglichte den Standortnachweis 11 3D-Seismik Zürcher Weinland 1996/97 SB Benken Opalinuston Die lückenlose dreidimensionale Abbildung mit einer Bin- Grösse von 15 x 15m ermöglichte den Standortnachweis 12 6

7 Kalibration Reflexionsseismik (Bohrung Benken) Vibroseis-Linie Lithostratigraphie Impedanz VSP (Walk-away-) Vertical Seismic Profile 13 VSP Synthetisches Seismogramm Felslabor Mont Terri (1995 heute) Schweiz als international anerkannter Forschungspartner: Abklärungen betr. Sicherheit, bautechnischer Machbarkeit, etc. FORGE WP5 HG-C/D P. Marschall, G.W. Lanyon Opalinuston detailliert unter Tage untersucht 14 7

8 Themen Was heisst «Endlager» in der Schweiz? Erkundungsprogramme und wichtigste Beiträge der Geophysik Einengung im Standortwahlverfahren Nächster Schritt bei der geophysikalischen Erkundung 15 Informationsbasis für Standortwahlverfahren 1 Zuteilung der Abfälle auf die beiden Lager 2 Sicherheitskonzept Anforderungen an Geologie 3 Geeignete geologische Grossräume 4 Geeignete Wirtgesteine 5 Geologische Standortgebiete 16 8

9 Eignung Grossräume Räumliche Verhältnisse & Langzeitstabilität SMA-Lager (100'000 Jahre) ganze Schweiz möglich geometrische Komplexität in Alpen & Faltenjura erhöht HAA-Lager (1 Million Jahre) Mittelland & östlicher Tafeljura möglich Alpen & Faltenjura ausgeschlossen (Langzeitstabilität, Komplexität) 17 Standortgebiete: Was ist zu meiden? Regionale Störungszonen Zu meidende Zonen (Neotektonik) Zonen mit kleinräumiger Zergliederung Übertiefte Felsrinnen (Gletschererosion) ungenügende Mächtigkeit bzw. ungeeignete Tiefenlage der Wirtgesteine 18 9

10 Gravimetrie: Residualfeld Bougueranomalien nach Abzug des auf 5000 m fortgesetzten Schwerefeldes (2010) Beispiele von abgebildeten Strukturen: Quartäre Talfüllungen Permo-Karbontrog (gemäss Leu 2008) Thurtal Limmattal Ehem. Glattal Reusstal Geobasisdaten Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( 19 Geologische Standortgebiete (festgesetzt Nov. 2011) Resultat systematischer Anwendung der Vorgaben im Sachplan berücksichtigt die geologischen Möglichkeiten der ganzen Schweiz abgeleitet mit systematischer, schrittweiser Einengung aus Sicht Sicherheit und technischer Machbarkeit 20 10

11 Sachplan geologische Tiefenlager (SGT) Etappe 1 Auswahl von geologischen Standortgebieten ( ) Etappe 2 Partizipation zur Festlegung der Standortareale (Vorschlag Nagra veröffentlicht ) Ergänzung der geologischen Unterlagen Sicherheitstechnischer Vergleich zur Einengung der Standortgebiete Etappe 3 Standortuntersuchungen (3D-Seismik, Tiefbohrungen) Rahmenbewilligungsgesuche 21 Reprocessing 3D-Seismik: Quartärrinne Oerlingen-Dachsen 22 11

12 Ergebnisse Reprocessing (Profil von 1983 alt) 23 Ergebnisse Reprocessing (Profil von 1983 neu) 24 12

13 Anforderungen für die Reflexionsseismik Parameter für abzubildende Gesteinsschichten in Tiefenlagen > 100m u.t. Wellenlänge (λ) ~ 40-80m (Vrms = m/s; fdom = 60 Hz) erreichbare Vertikale Auflösung ( λ / 4 ) = m Radius Fresnelzone (rf) ~ 50m (unmigriert) (Vrms = m/s; fdom = 60 Hz; t = 50 ms) migriert = bestmögliche laterale Auflösung ( λ / 8 - λ / 4 ) = 5-10m, Aliazing (dx) ~ 13m (mit Schichtneigungen bis max. 50) (Vrms = m/s; fmax = 90 Hz, a = 40 Grad (Einfallwinkel am äussersten Geophon der Messauslage) und b = 50 Grad (max. abbildbare Schichtneigung) Messintervall zur Abtastung des Wellenfeldes = 12m Resultierender Messvorschlag für Seismik 2011/12: 6m Abstand der Empfängerpunkte 12m Abstand der Anregungspunkte 25 Mute (Linie 83NF06 mit Störwellen) Nutzbarer Bereich Das Ausblenden der nicht reflektierten Wellenanteile (refraktierte Wellen und Oberflächenwellen) ist kritisch, da mitten im nutzbaren Bereich 26 13

14 Mute (Linie 83NF06 ohne Störwellen) Nutzbarer Bereich Das Ausblenden der nicht reflektierten Wellenanteile (refraktierte Wellen und Oberflächenwellen) ist kritisch, da mitten im nutzbaren Bereich 27 Modellierung anhand bestehender Daten Effektiv nutzbare Offsetbereiche für oberflächennahe Horizonte bei ca. 6m Messgruppenabstand - 130m + 130m - 450m + 450m Überdeckung: ca. 50-fach auf Zielhöhe ~110m u.t. Überdeckung: ca. 180-fach auf Zielhöhe ~380m u.t. Tomographisch berechnete Verteilung der seismischen Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten (Vrms) im Messgebiet 28 14

15 2D-Seismik mit DMT 24. Oktober März 2012 (I) Vermessung der Profillinie Geofone und Messkabel 29 2D-Seismik mit DMT 24. Oktober März 2012 (II) Vibrationsseismik 1. Vibrationsfahrzeuge erzeugen entlang der vorbestimmten Linien leichte Schwingungen an der Erdoberfläche 2. Anwendung der Methode auf Strassen und Wegen (auch in überbauten Gebieten) Sprengseismik 1. Bohren kurzer Löcher (ca. 2 8 m Tiefe) 2. Einbringen kleiner Sprengladungen (0,15 bis max. 1 kg) 3. Verschluss der Bohrlöcher mit Split (Ableitung der Druckenergie in den Untergrund) 4. bei der Zündung ist an der Erdoberfläche nur eine leichte Erschütterung wahrnehmbar 5. Anwendung der Methode im offenen Feld und im Wald Aufzeitmessung Standardverfahren zur Bestimmung der Mächtigkeit der Lockergesteine (inkl. Verwitterungszone) und der seismischen Geschwindigkeiten. In einzelnen Bohrungen (bis max. 220 Meter tief) werden Geofone abgeteuft um die Laufzeit der seismischen Welle bis zur Erdoberfläche zu messen

16 Ergebnis einer einzelnen Registrierung Zielhorizont 31 Themen Was heisst «Endlager» in der Schweiz? Erkundungsprogramme und wichtigste Beiträge der Geophysik Einengung im Standortwahlverfahren Nächster Schritt bei der geophysikalischen Erkundung 32 16

17 Wie weiter? 33 Realisierungsplan für Tiefenlager hochaktiv 34 17

18 Erkundung mit 3D-Seismik vorgesehen für 2014 / 2015 Maximale Ausdehnung eines der potentiellen 3D-Seismik Gebiete Geschätzter Messlinienabstand = m Geschätzter Stationsabstand = 30 m (wie im Zürcher Weinland) Resultierende Anzahl Messpunkte: ca Tests zukünftiger Empfänger für 3D-Seismik Mirco-Electronic Mechanical Systems (MEMS) digitale 3-Komponenten Beschleunigungsaufnehmer von Sercel (DSU) + geringerer Materialaufwand + geringe Wartung höhere Materialkosten höherer Energieverbrauch 36 18

19 Amplitudenspektrum - Geophongruppe 24 db Abfall zwischen 20 und 100 Hz 37 Amplitudenspektrum - DSU 10 db Abfall zwischen 50 und 100 Hz 38 19

20 Zusammenfassung / Ausblick In der nächsten Phase geophysikalischer Erkundungen auf dem Weg zum Bau eines Tiefenlagers wird die Reflexionsseismik weiterhin eine zentrale Rolle spielen. 3D-Seismik (wenn möglich mit digitalen Empfängern und leichten Vibratoren) Auswertung Strukturen und Anisotropie aber auch: Walkaway VSP Bohrlochgeophysik (DSI, MR, Spectral Neutron, ) Ingenieurgeophysik (Baugrund bis 200 m Tiefe) Micro-Gravimetrie (Quartärtäler) Tomographie (untertage) 39 Die geophysikalischen Erkundungen zusammen mit den weiteren laufenden und geplanten Untersuchungen im Rahmen des Standortauswahlverfahrens liefern einen wichtigen Beitrag für stichhaltige sicherheitstechnische Aussagen entsprechend den Kriterien und Vorgaben der Sicherheitsbehörden