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111 n a 9 ra Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle

TECHNISCHER BERICHT 93-28

Untersuchungen zur Standorteignung im Hinblick auf die Endlagerung schwach- und mittelaktiver Abfälle

Geologische Grundlagen und Datensatz zur Beurteilung der Langzeitsicherheit des Endlagers für schwach- und mittelaktive Abfälle am Standort Wellenberg (Gemeinde Wolfenschiessen, NW)

September 1993

Hardstrasse 73 CH-5430 Wettingen Telefon 056-371111

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ZUSAMMENFASSUNG

Der vorliegende Bericht ist ein Teil der Dokumentation, welche die Wahl des Stand­orts für ein Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle begleitet. Er hat zum Ziel, die standortspezifischen geologischen Kenntnisse und den daraus abgeleiteten Geosphären-Datensatz darzulegen, auf denen die Beurteilung der Langzeitsicherheit eines Endlagers am Wellenberg beruht. Er bildet somit die Grundlage für die gleich­zeitig erscheinenden Berichte einerseits über den Vergleich der vier evaluierten Standorte untereinander (Bois de la Glaive, Oberbauenstock, Piz Pian Grand und Wellenberg, (NAGRA, 1993a) und anderseits über die sicherheitstechnische Beurtei­lung des Standorts Wellenberg an sich (NAGRA, 1993b).

Die Anforderungen dieser bei den Berichte bestimmen die Bearbeitungstiefe der vor­liegenden Arbeit. Nötig gewesen wäre die Darstellung, Kommentierung und Begrün­dung des Geosphären-Datensatzes, der in die Modellrechnungen der Sicherheitsana­lyse eingeht. Dieser Datensatz wurde mit der erforderlichen Bandbreite anfangs 1993 festgelegt, notwendigerweise vor der noch heute laufenden detaillierten Auswertung des umfassenden experimentellen Datenmaterials. Es zeigte sich in der Folge, dass bereits dieser Bericht neben der Herleitung des Datensatzes und der Vermittlung sei­ner erdwissenschaftlichen Grundlage eine recht ausführliche Darstellung der geologi­schen und hydrogeologischen Situation am Wellenberg bieten kann. Der für einen späteren Zeitpunkt vorgesehene zusätzliche Bericht wird das Vorliegende noch um die Ergebnisse der Detailauswertungen und Interpretationen ergänzen und eine geologische Synthese anhand der Ergebnisse der im Frühjahr 1993 abgeschlos­senen ersten Sondierkampagne Wellenberg präsentieren.

Der Bericht umreisst einleitend Zielsetzung, Grundlagen und Aufbau. Im zweiten Kapitel werden nach einem Überblick über die geographische und geologische Situa­tion die früheren geologischen Arbeiten im Untersuchungsgebiet und in der Region vorgestellt und anschliessend die bisherigen Kenntnisse, welche die Grundlage für die Planung der Felduntersuchungen bildeten, diskutiert.

Im Kapitel 3 kommen zuerst Planung und Programm der Untersuchungen zur Spra­che, worauf der aktuelle Untersuchungsstand dargelegt wird. Er umfasst neben um­fangreichen nicht bewilligungspflichtigen Untersuchungen, wie Kartierungen und Quellenmessungen, vor allem fünf Sondierbohrungen mit Endteufen zwischen 430 m und 1870 m und sehr detaillierten geologischen, geophysikalischen und hydrogeolo­gischen Bohrloch-Untersuchungen, sowie seismische Messungen, die zwischen Herbst 1989 und Frühling 1993 zur Ausführung gelangten.

Im vierten Kapitel werden die geologischen Verhältnisse am Standort Wellenberg dargelegt und die darauf fussenden Konzeptualisierungen und Modellierungen be­schrieben, die zur Herleitung eines Datensatzes für die Sicherheitsanalysen im Hin­blick auf die Standortwahl und das Rahmenbewilligungsverfahren dienten. Nach einer Beschreibung des Wirtgesteins und der anderen geologischen Formationen und Ein­heiten, die kartiert oder erbohrt wurden, wird die Strukturgeologie der Region und des Untersuchungsgebiets dargestellt. Anschliessend werden Wasserfliesswege und wasserführende Systeme im Wirtgestein charakterisiert und im Hinblick auf hydrody­namische und Transport-Modellierungen konzeptualisiert, worauf die oberflächenna­hen und tiefen Grundwässer hydrochemisch und isotopenhydrologisch beschrieben

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werden. Hierauf wird die Hydrogeologie des Untersuchungsgebietes in allen ihren Aspekten dargelegt und die darauf beruhenden Modelle und Folgerungen abgeleitet. Den Abschluss von Kapitel 4 bilden Ausführungen über Neotektonik und die Zusam­menfassung einer Studie über Langzeitszenarien.

In Kapitel 5 schliesslich werden die Datensätze für die Langzeitsicherheit und Bau­technik aufgrund der Untersuchungen, Konzeptualisierungen und Modellierungen von Kapitel 4 hergeleitet. Für die Sicherheitsanalyse handelt es sich dabei um Daten und um Parameter-Werte über das grossräumige Grundwasserfliesssystem, über den Grundwasserfluss und die Zusammensetzung der Fliesswege in Endlagernähe, über Charakterisierung und Konzeptualisierung der Wasserfliesswege, über Referenzwäs­ser und über Mineralogie der wasserführenden Systeme. Im Datensatz für das Bau­wesen werden die Daten für die Wirtgesteinsgrenzen und die daraus folgenden Pro­jektvarianten zusammengefasst sowie die geotechnischen Eigenschaften der beim zukünftigen untertägigen Bau wichtigen Formationen nach SIA-Normen beschrieben.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Resultate der bisherigen Sondier­kampagne am Wellenberg die Prognosen in allen relevanten Belangen erreicht, und in einigen Fällen sogar übertroffen haben, z. B. beim verfügbaren Volumen des Wirt­gesteins. Die durchgeführten Untersuchungen ermöglichten einen wichtigen Schritt im Rahmen der geologischen Charakterisierung des Endlagerstandortes Wellenberg. Sie bilden die Grundlage zur Einleitung des Rahmenbewilligungs-Verfahrens im Jahre 1994. Für das Gesuch um die nukleare Baubewilligung des Bundes und später für die Betriebsbewilligung zur Einlagerung der Abfälle sind selbstverständlich noch weitere Sondierungen nötig und vorgesehen - zunächst die Ausschöpfung der bereits vorliegenden Bundesbewilligung (Bau des Sondierstollens . ausserhalb der Endlager­zone und die Durchführung dazugehöriger resp. weiterer vorbereitender Messungen), später dann begleitende Untersuchungen während der Erschliessung des eigentli­chen Endlagerbereichs in der Bauphase.

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RESUME

Le présent rapport fait partie de la documentation qui motive le choix du site de dépot final pour déchets de faible et moyenne activité. Il a pour but d'exposer les connais­sances géologiques spécifiques au site du Wellenberg ainsi que le set de données geologiques qui en découle et sur lequel repose l'appréciation de la sûreté à long terme d'un dépôt final. Il constitue la base des rapports publiés simultanément, relatifs d'une part à la comparaison des quatre sites évalués (Bois de la Glaive, Oberbauen­stock, Piz Pian Grand et Wellenberg, NTB 93-02), et d'autre part à l'appréciation en soi de la sûreté du site du Wellenberg (NTB 93-26).

Le niveau d'exigence de ces deux rapports a dicté le degré d'investigation de cette étude. Les objectifs de ce rapport étaient, au minimum, de fournir la présentation, le commentai re et la justification du set de données géologiques, qui entre dans les mo­dèles de l'analyse de sûreté. Ce set de données fut constitué début 1993, nécessai­rement avant l'évaluation détaillée encore en cours du vaste matériel de données ex­périmentales. Il s'est avéré par la suite que ce rapport permettait non seulement de déduire des données et de connaître ses fondements géologiques, mais également de fournir une image déjà relativement consistante de la situation géologique et hy­drogéologique du Wellenberg. La synthèse géologique, prévue pour la demande d'autorisation générale, à mi-94, complétera le présent rapport (résultats des évaluati­ons et interprétations détaillées) et se basera sur l'ensemble des résultats de la pre­mière campagne de sondage au Wellenberg, terminée au printemps 1993.

Le présent rapport décrit en introduction ses objectifs, les bases sur lequel il repose ainsi que sa structure. Après un aperçu de la situation géographique et géologique, le deuxième chapitre présente les travaux géologiques antérieurs réalisés dans le pé­rimètre d'étude et dans la région, puis aborde les connaissances à la base de la pla­nification des analyses de terrain.

Le chapitre trois aborde la planification et le programme de recherche, avant d'exposer le niveau actuel des recherches. Il comprend outre d'importantes investiga­tions non soumises à autorisation (telles la cartographie et les mesures de sources), surtout cinq sondages de reconnaissance, avec des profondeurs finales s'échelonnant entre 430 et 1870 mètres, des analyses en forage très détaillées au ni­veau de la géologie, de la géophysique et de l'hydrogéologie, ainsi que des mesures sismiques réalisées entre l'automne 1989 et le printemps 1993.

Le quatrième chapitre expose la situation géologique du Wellenberg et décrit les mo­dèles conceptuels et numériques la prenant pour base. Ceux-ci ont servi à déduire tout un ensemble de données pour les analyses de sûreté réalisées en perspecitve du choix du site et de la procédure d'autorisation générale. Après une description de la roche d'accueil et des autres formations et unités géologiques cartographiées et/ou forées, la situation tectonique de la région et de la zone de recherches est esquisée. Les voies de cheminement des eaux et les systèmes aquifères dans la roche d'accueil sont ensuite caractérisés et conceptualisés en perspective de modélisations hydrodynamiques et de transport. Suit une description hydrochimique et isotopique des eaux souterraines profondes et superficielles et un exposé de l'hydrogéologie de la zone de recherches et une description des modèles utilisés et des conclusions. La

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fin du chapitre quatre est consacrée à la néotectonique et au résumé d'une étude re­lative aux scénarios à long terme.

Finalement, le cinquième chapitre est consacré aux données à l'attention de l'analyse de sûreté et de la technique de construction, déduites des investigations, conceptuali­sations et modélisations décrites au chapitre précédent. Pour l'analyse de sûreté, il s'agit de données et de paramètres concernant la circulation en grand des eaux sou­terraines, le débit des eaux souterraines et la composition des voies d'écoulement aux alentours du dépôt final, de la caractérisation et la conceptualisation des voies d'écoulement, les eaux de référence et la minéralogie des systemès aquifères. Le set de données relatives à la construction résume les paramètres relatifs aux limites de la roche d'acccueil et aux variantes de projet qui en découlent, et décrit les caractéristi­ques géotechniques des formations importantes lors de la future construction souter­raine.

Pour résumer on peut dire que les résultats de la récente campagne de sondages au Wellenberg confirment en grande partie les prévisions et dépassent, même les espé­rances, partois, par exemple en ce qui concerne le volume disponible de la roche d'accueil. Les investigations réalisées ont permis de franchir une étape importante dans le cadre de la caractérisation géologique du site de dépôt final du Wellenberg. Elles constituent ainsi la base pour ouvrir la procédure d'autorisation générale en 1994. Pour la requête d'autorisation de construction nucléaire auprès de la Confédé­ration, ainsi que par la suite pour l'autorisation d'exploitation en vue du stockage des déchets, d'autres sondages seront bien entendu nécessaires et dors et déjà prévus -d'abord jusqu'à épuisement des investigations régies par l'autorisation fédérale en vi­gueur (construction de la galerie de sondage en dehors de la zone de dépôt final et réalisation des mesures en faisant partie, respectivement d'autres mesures prépara­toires); puis ils seront suivis d'autres recherches au cours de la phase des con­struction, pendant la mise en valeur de la zone de dépôt final proprement dite.

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RIASSUNTO

Il presente rapporto fa parte della documentazione relativa alla scelta del sito per un deposito finale di scorie di debole e media attività. Suo obiettivo è quello di presentare le conoscenze geologiche specifiche del sito e l'insieme di dati che ne deriva sulla geosfera, sui quali si basa la valutazione della sicurezza per un lungo periodo di tempo di un deposito finale al Wellenberg. Costituisce quindi la base per i rapporti pubblicati contemporaneamente da una parte sul confronto tra di loro dei quattro siti in esame (Bois de la Glaive, Oberbauenstock, Piz Pian Grand e Wellenberg, NTB 93-02) e dall'altra sulla valutazione relativa alla sicurezza del sito Wellenberg (NTB 93-26).

Le esigenze di questi due rapporti determinano la profondità dell'elaborazione del presente lavoro. Sarebbe stata necessaria la presentazione, il commento e la motiva­zione dell'insieme dei dati sulla geosfera, che rientra nel calcolo del modello dell'analisi della sicurezza. Quest'insieme di dati è stato fissato agli inizi del 1993 con il necessario spettro, necessariamente prima della valutazione ancora oggi in corso di tutto il materiale dati sperimentale. El poi risultato che questo rapporto oltre alli apporto dell'insieme di dati ed a quello di una base geologica può offrire una rappresentazione completa e approfondita della situazione geologica e idrogeologica al Wellenberg. Il rapporto complementare previsto verso la metà del 1994 per la domanda d'autorizzazione di massima completerà il presente con i risultati della valutazione dettagliata e delle interpretazioni e presenterà una sintesi geologica sulla base dei ri­sultati della prima campagna di sondaggi conclusasi nella primavera del 1993.

AII'inizio il rapporto definisce gli obiettivi; le basi e la struttura. Nel secondo capitolo, dopo una panoramica sulla situazione geografica e geologica, vengono presentati i lavori geologici effettuati in passato nella zona d'accertamenti e nella regione e in fine vengono discusse le conoscenze attuali che costituiscono la base per la pianificazione degli accertamenti sul terreno.

Nel capitolo 3 si discute la pianificazione e il programma di accertamenti, tenendo presente l'attuale situazione delle indagini. Questo comprende oltre a numerosi accer­tamenti che non necessitano autorizzazioni, come rilevamenti geologici e misurazioni delle sorgenti, soprattutto le cinque trivellazioni con profondità finali tra i 430 e i 1870 metri e accertamenti geologici, geofisici e idrogeologici molto dettagliati effettuati nel foro di trivellazione, nonché le misurazioni sismiche, effettuate tra l'autunno 1989 e la primavera 1993.

Nel quarto capitolo viene presentata la situazione geologica al sito Wellenberg e ven­gono descritte le relative concettualizzazioni e modellizzazioni, che sono seNite alla derivazione dell'insieme di dati per le analisi di sicurezza in vista della scelta del sito e della procedura d'autorizzazione di massima. Dopo una descrizione della roccia ma­gazzino e di altre formazioni e unità geologiche, su cui sono stati effettuati rilevamenti geologici o che sono state trivellate, viene presentata la geologia strutturale della re­gione e della zona in cui si svolgono gli accertamenti. Infine vengono descritti i sistemi acquiferi e le vie di scorrimento delle acque profonde e concettualizzati in vista della modellizzazione idrodinamica e del trasporto, e questo accompagnato da una descri­zione dell'idrochimica e dell'idrologia degli isotopi delle acque di superficie e di quelle profonde. Viene poi presentata l'idrologia della zona di accertamento in tutti i suoi as­petti, da cui vengono poi derivati i relativi modelli e conseguenze. Il capitolo 4 si con-

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elude con un'esposizione sulla neotettonica e il riassunto di uno studio sugli scenari a lungo termine.

Nel capitolo 5, infine, viene derivato l'insieme di dati per la sicurezza a lunga scaden­za e la tecnica delle costruzioni sulla base degli accertamenti, dei concetti e dei mo­delli del capitolo 4. Per l'analisi della sicurezza si tratta di dati e parametri sul sistema di scorrimento delle acque sotterranee a larga scala, sul flusso delle acque sotterra­nee e sulla composizione delle vie di scorrimento nella zona vicina al deposito finale, sulla descrizione e concettualizzazione delle vie di scorrimento delle acque, sulle acque di riferimento e sulla mineralogia dei sistemi di scorrimento delle acque. Nell'insieme di dati per la costruzione vengono riassunti i dati per i limiti della roccia magazzino e vengono descritte le relative varianti del progetto e le caratteristiche geotecniche delle formazioni importanti per la futura costruzione sotterranea, secondo le norme SIA.

Riassumendo si può affermare che i risultati della campagna di sondaggio sinora con­dotta al Wellenberg corrispondono alle previsioni fatte in tutte le questioni fondamen­tali e in alcuni casi sono addirittura migliori, per esempio per quel che riguarda il volu­me di roccia magazzino disponibile. Gli accertamenti effettuati hanno permesso di fare un notevole passo avanti nell'ambito della caratterizzazione geologica del sito di de­posito finale Wellenberg. Essi costituiscono la base per l'avvio della procedura d'autorizzazione di massima nel 1994. Per la domanda d'autorizzazione per la cos­truzione di impianti nucleari della Confederazione e in un secondo tempo per quella relativa al funzionamento del deposito finale sono naturalmente necessari e anche previsti altri sondaggi - dapprima lo sfruttamento completo dell'autorizzazione già con­cessa (costruzione, di una galleria di sondaggio al di fuori della zona di deposito finale e l'effettuazione delle relative misurazioni e di altre misurazioni preparatorie), poi gli accertamenti concomitanti durante l'intervento sul settore vero e proprio di deposito finale durante la fase di costruzione.

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ABSTRACT

This report forms part of the supporting documentation for the low- and intermediate­level waste repository site selection procedure. The aim of the report is to present the site-specific geological data, and the geosphere database derived therefrom, which were used as a basis for evaluating the long-term safety of a repository at Wellenberg. These data also form a key component of other reports appearing simultaneously with the present one, first on the intercomparison of the four potential sites (Bois de la Glaive, Oberbauenstock, Piz Pian Grand and Wellenberg; NTB 93-02) and, second, on the safety assessment of the Wellenberg site itself (NTB 93-26).

The level of detail of the present report is determined by the requirements of the other two reports mentioned, which would include presenting, discussing and justifying the geosphere dataset used in the performance assessment model calculations. The da­taset was defined in sufficient depth at the beginning of 1993, prior to the still ongoing, detailed evaluation of the extensive experimental data acquired during the investigati­ons. It became apparent that, apart from deriving the geosphere dataset and estab­lishing its geological basis, the report should include a very detailed picture of the geology and hydrogeology at the Wellenberg site. The additional report, which will be prepared to accompany the application for a general repository licence in mid-1994, will build on the present report by including the results of the in-depth data interpreta­tion and a geological synthesis based on the results of the exploration campaign which was completed at Wellenberg in spring 1993.

The introductory chapter discusses procedures and goals. The second chapter provi­des an overview of the geographical and geological situation at Wellenberg, followed by a discussion of previous geological investigations carried out in the siting area and the region. The chapter closes with a discussion of the pre-existing information on the site which formed the basis for planning the field investigation programme.

Chapter 3 then discusses the planning and progress of the field programme, and the current status of investigations is presented. Beside investigations which do not re­quire a licence, such as mapping and spring surveys, the main components of the programme were seismic surveys and the five exploratory boreholes which were dril­led to depths between 430 m and 1870 m and in which detailed geological, geophysi­cal and hydrogeological investigations were performed. These investigations were carried out between autumn 1989 and spring 1993.

The fourth chapter presents the geological situation at the Wellenberg site and descri­bes the concepts and models formulated on the basis of this information. These mo­dels were used to derive a dataset for performance assessment relating to site-se­lection and application for a general licence. The host rock and other geological for­mations and units which were either drilled through or mapped are described, together with the structural geology of the region. Water flow paths and water-bearing systems in the host rock are then characterised and conceptualised for the purpose of hydro­dynamic and transport modelling. The hydrochemistry and isotope hydrology of both near-surface and deep groundwaters are described. All aspects of the hydrogeology of the siting area are then presented and models and conclusions are derived from ,these data. Chapter 4 closes with a section on neotectonics and an overview of a study on long-term scenarios.

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Chapter 5 then derives the performance assessment and engineering datasets, based on the investigations, concepts and modelling exercises described in chapter 4. For performance assessment purposes, the dataset includes parameter values and data on large-scale groundwater flow systems, groundwater flow and flow path characteri­stics in the vicinity of the repository, characterisation and conceptualisation of water flow paths and reference waters and the mineralogy of water-bearing systems. The engineering dataset contains data on the host rock boundaries and the resulting pro­ject variants, as well as a description of the geotechnical characteristics of the forma­tions which will be important in terms of underground construction.

In summary, it can be said that, to date, the investigation results from Wellenberg have confirmed predictions in all relevant respects and, in some cases, have even exceeded expectations (e.g. in relation to the available volume of host rock). The in­vestigations represent an important step forward in the geological characterisation of the Wellenberg repository site and the results will form the basis of the general licence application which will be submitted in mid-1994. The application to the Federal Go­vernment for a permit to construct a nuclear facility and, later, for an operating permit for emplacement of the waste will of course require further investigations to be carried out. These will begin by continuing with the federal permit which already exists (for an exploratory drift outwith the disposal zone and related measurements). Further inve­stigations will also take place when accessing the actual disposal zone during the construction phase.

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INHAL TSVERZEICHNIS Seite

ZUSAMMENFASSUNG I RESUME III RIASSUNTO V ABSTRACT VII

I NHAL TSVERZEICHNIS IX

VERZEICHNIS DER FIGUREN XIII VERZEICHNIS DER TABELLEN XVII VERZEICHNIS DER BEILAGEN XIX

1. EINLEITUNG

1.1 Zielsetzung des Berichtes 1 1.2 Grundlagen 1 1.3 Aufbau des Berichtes 2 1.4 Verfasser 2

2 BISHERIGE KENNTNISSE 4

2.1 Geographische und geologische Situation 4 2.2 Frühere Untersuchungen 6 2.3 Stratigraphie 8 2.4 Regionale Tektonik 10 2.5 Oberflächenhydrogeologie 12

3 PROGRAMM DER UNTERSUCHUNGEN UND 15 AUSWERTUNGEN

3.1 Planung und Programm der Untersuchungen 15 3.2 Stand der Untersuchungen 17 3.3 Programm der Auswertungen 22

4 GEOLOGISCHE VERHÄLTNISSE AM STANDORT 24 WELLENBERG UND DAVON ABGELEITETE KONZEPTUALISIERUNGEN UND MODELLIERUNGEN

4.1 Stratigraphie, Lithologie, Mineralogie 24 4.1.1 Quartär 26 4.1.2 Drusberg-Decke 27 4.1.2.1 Helvetischer Kieselkalk 27 4.1.2.2 Graue Mergelschiefer 27 4.1.2.3 Äquivalent der Gemsmättli-Schicht 29 4.1.2.4 Sichel-Kalk 29 4.1.2.5 Diphyoides-Kalk 29

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4.1.2.6 4.1.2.7 4.1.3 4.1.3.1 4.1.3.2 4.1.3.3 4.1.3.4 4.1.3.5 4.1.3.6 4.1.3.7 4.1.3.8 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.3 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2 4.2.5 4.2.5.1 4.2.5.2 4.2.5.3 4.2.5.4 4.3

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.3.1 4.3.3.2 4.3.3.3 4.3.3.4 4.3.3.5 4.3.3.6 4.3.4

4.3.4.1 4.3.4.2

Vitznau-Mergel (Valanginien-Mergel p.p.) Palfris-Formation (Valanginien-Mergel p.p.) Axen-Decke Globigerinenmergel Schi mberg-Schiefer Hohgant-Formation Klimsenhorn- Formation Betlis-Kalk Öhrli-Formation G raspass-Schichten Tros-Kalk Südhelvetischer Flysch Melange Dachschiefer-Altdorfer-Sandstein (Nordhelvetischer Flysch) Vergleich mit bisherigen Daten Strukturgeologie Regionale Tektonik Geometrie der Decken Regionale Störungen Wirtgestein Tektonik des Untersuchungsgebietes Grenzen des Wi rtgesteins Störungen im lokalen Grössenbereich Die Strukturen in den Bohrungen Strukturgeologische Untersuchungen am Kernmaterial Kalkbankabfolgen Verformungsstrukturen im Wirtgestein Das Modell steilstehender Störungen Herleitung und Hauptdaten Abgeleitete Modellannahmen Tektonisches Modell G ru nd an nah men Grenzen des Wi rtgesteins Projektvarianten Überlegungen zur Konservativität Geologische Charakterisierung des Fliessweges und der wasserführenden Systeme Datenbasis Identifikation der Zuflusspunkte Geologische Charakterisierung der Zuflusspunkte Rolle der Gesteinsdeformation Typen wasserführender Systeme Räumliche Heterogenität der wasserführenden Systeme Typ 1: Kataklastische Zonen Typ 2: Dünne diskrete Scherzonen Typ 3: Geklüftete Kalkbänke/Kalkbankabfolgen Kleinräumige konzeptuelle Modelle der wasserführenden Systeme Konzeptuelles Modell für kataklastische Zonen Konzeptuelles Modell für dünne diskrete Scherzonen

30 30 33 33 33 35 35 35 35 36 36 36 37 37 38 38 38 38 39 40 40 40 41 42 42 43 43 47 47 48 50 50 51 52 53 54

54 54 55 55 56 57 58 59 60 62

62 64

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4.3.4.3 Konzeptuelles Modell für geklüftete Kalkbänke 64 4.3.5 Konzeptuelles Modell in grässeren Massstäben 64 4.3.5.1 Kataklastische Zonen 67 4.3.5.2 Geklüftete Kalkbänke/Kalkbankabfolgen 67 4.3.5.3 Räumliche Persistenz und Verbindung wasserführender 68

Strukturen 4.3.5.4 Schlussfolgerungen für den Geodatensatz 70 4.4 Hydrochemie 70 4.4.1 Einleitung 70 4.4.2 Isotopenhydrologische Untersuchungen der Niederschläge 70

und Referenzquellen 4.4.3 Hydrogeochemische und isotopenhydrologische Untersu- 73

chungen an Quellen und oberflächennahen Grundwässern 4.4.4 Grundwässer aus Sondierbohrungen 78 4.4.4.1 Oberflächennahe Na-HC03-Grundwässer in Valanginien- 78

Mergeln und unteren Teilen der Rutschmasse Altzellen 4.4.4.2 Na-CI-Grundwässer in Valanginien-Mergeln 83 4.4.4.3 Tiefe Na-HC03-Grundwässer unter der Basis der 85

Val ang i n ien-Mergel 4.4.4.4 Grundwässer der Sondierbohrung SB2 87 4.4.5 Gasuntersuchungen 89 4.4.6 Zusammenfassung der hydrochemischen und 89

isotopenhydrologischen Untersuchungen 4.5 Hydrogeologie 90 4.5.1 Einleitung 90 4.5.2 Oberflächenhydrogeologie 90 4.5.3 Hydraulische Durchlässigkeiten und hydrogeologische 91

Einheiten 4.5.3.1 Definitionen, Zielsetzungen und Vorgehen 91 4.5.3.2 Transmissivität als Funktion der Tiefe, der Lithologie und 92

der geologischen Strukturen 4.5.3.3 Beschreibung der hydrogeologischen Einheiten 95 4.5.3.4 Hydraulische Eigenschaften der modellierten wasser- 99

führenden Systeme 4.5.4 Hydraulisches Potential 100 4.5.4.1 Packertest- und Langzeitbeobachtungsdaten 100 4.5.4.2 Potentialprofile 100 4.5.5 Hydrogeologisches konzeptuelles Modell 102 4.5.6 Hydrogeologische ModelIierung 109 4.5.6.1 Zielsetzung und Modellkonzept 109 4.5.6.2 Resultate der Grundwasserfluss-Modellierungen 113 4.5.6.3 Schlussfolgerungen 116 4.5.7 Hydraulische Unterdrücke 117 4.5.8 Abschätzung der Gasführung und Zweiphasenfluss- 118

Parameter im Wirtgestein 4.5.8.1 Zweiphasenfluss-Prozesse in den Valanginien-Mergeln 118 4.5.8.2 Quantifizierung der Zweiphasenfluss-Parameter 120 4.6 Neotektonik 121 4.6.1 Einleitung 121 4.6.2 Das rezente Spannungsfeld 121

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4.6.3 Geodätische Daten zur rezenten Kinematik 123 4.6.4 Erdbebentätigkeit in der Zentralschweiz 124 4.6.5 Schlussfolgerungen 129 4.7 Langzeitszenarien 130 4.7.1 Einleitung 130 4.7.2 Berücksichtigte Prozesse 130 4.7.3 Szenarien 131 4.7.4 Entwicklung der Erosionsbasis 131 4.7.5 Lokalerosion 133 4.7.6 Beeinflussung der hydrogeologischen Verhältnisse 133 4.7.7 Bemerkungen zur Konservativität 136

5 G EODATENSATZ 137

5.1 Geodatensatz fü r Sicherheitsanalyse 137 5.1.1 Grundwasserfliessregime im Standortgebiet 137 5.1.1.1 Herleitung des Geodatensatzes 137 5.1.1.2 Zusammenfassung und Präsentation der Resultate 138 5.1.2 Grundwasserfluss und Zusammensetzung der Fliess- 144

wege im Wirtgestein in der näheren Umgebung einer Endlagerkaverne

5.1.2.1 Vorgehen 144 5.1.2.2 Verteilung des Grundwasserflusses 146 5.1.3 Zusammensetzung der Wasserfliesswege 152 5.1.4 Geochemie 155 5.1.4.1 Referenzwässer 155 5.1.4.2 Na-HC03-Referenzwasser 155 5.1.4.3 Na-CI-Referenzwasser 157 5.1.5 Mineralogie der wasserführenden Systeme 158 5.1.6 Zusammenfassung des Geodatensatzes für die 159

Sicherheitsanalyse 5.2 Geodatensatz fü r Bau 161 5.2.1 Wi rtgesteinsgrenzen und auslegungsbestimmende 161

Störungen, Projektvarianten 5.2.2 Geotechnische Eigenschaften des Gebirges 161

LITERATURVERZEICHNIS 171

- XIII - NAGRA NTB 93-28

VERZEICHNIS DER FIGUREN

Figur 2.1.1 Geographische Übersichtskarte des Untersuchungs- 4 gebietes Wellenberg

Figur 2.1.2 Tektonische Übersicht 5

Figur 2.3.1 Stratigraphische Schichtreihen der Drusberg- und 9 Axen-Decke

Figur 2.4.1 Idealisierte Querprofile im Raum Engelbergertal 11

Figur 3.2.1 Grenzen der geologischen Detailkartierung und des 19 hydrogeologischen Katasters

Figur 3.2.2 Lage der Sondierbohrungen und der geophysikali- 21 sehen Messlinien

Figur4.1.1 Beispiele verschiedener Mikrofazies-Type 32

Figur 4.1.2 Faziesverteilung in der Unterkreide des nördlichen 34 Standortgebietes (SB2) nach GEOTEST (1993)

Figur 4.2.1 Darstellung des Störungsmusters zwischen 711.6 m 44/45 und 717.8 m in der Bohrung SB3

Figur 4.2.2 Schema des Verformungs- und Bewegungsablaufes 46 im Untersuchungsgebiet

Figur 4.2.3 Modell steilstehender Störungen 49 Lokalisierung des regionalen Störungsmusters

Figur 4.3.1 Deformationsphasen und ihr Einfluss auf die klein- 56 räumige Struktur und Permeabilität der Palfris-For-mation

Figur 4.3.2 Typen wasserführender Systeme im Bohrkern 61

Figur 4.3.3 Konzeptuelles Modell der Struktur und Mineralogie 63 einer kataklastischen Zone in der Palfris-Formation (wasserführendes System Typ 1)

Figur 4.3.4 Konzeptuelles Modell der Struktur und Mineralogie 65 einer dünnen diskreten Scherzone in der Palfris-Formation (wasserführendes System Typ 2)

Figur 4.3.5 Konzeptuelles Modell der Struktur und Mineralogie 66 einer geklüfteten Kalkbank in der Palfris-Formation (wasserführendes System Typ 3)

NAG RA NTB 93-28 - XIV-

Figur 4.3.6 Boudinierte Kalkbänke im Feld und im konzeptuellen 69 Modell

Figur 4.4.1 Beziehung zwischen 180 in den Niederschlägen und 71 der Höhe der Pluviometer (ungewichtete und ge-wichtete Mittelwerte)

Figur 4.4.2 Beziehung zwischen 2H und 180 in den Niederschlä- 72 gen

Figur 4.4.3 Zeitreihen Tritium in den Niederschlägen 72

Figur 4.4.4 Zeitreihen Tritium in den vier Referenzquellen W134, 73 W238, W325, W447

Figur 4.4.5 Lage der Probeentnahmestellen mit hydrogeologi- 76 scher und hydrochemischer Gliederung des Unter-suchungsgebietes

Figur 4.4.6 Charakterisierung der Grundwassertypen und ihre 79 räumliche Verteilung

Figur 4.4.7 Verteilung der Grundwassertypen im E-W-Profil 80

Figur 4.4.8 Darstellung der 2H- und 180-Werte der Nieder- 81 schläge, der oberflächennahen Quell- und Grund-wässer und der Wasserproben aus den Sondier-bohrungen am Wellenberg

Figur 4.4.9 Ionenkonzentrationen der Grundwässer 84

Figur 4.4.10 Ionenkonzentration der Wasserproben aus SB2 88

Figur 4.5.1 Transmissivitätsprofile der Bohrungen SB1, SB3, 94 SB4, SB6

Figur 4.5.2 Hydraulische Potentiale in den Bohrungen SB1, 101 SB3, SB4, SB6

Figur 4.5.3 Hypothetische Situation der hydrogeologischen 106/107 Einheiten und grosser Störungen

Figur 4.5.4 Hydrogeologisches konzeptuelles Modell: Schemata 108 verschiedener Hypothesen

Figur 4.5.5 Hydrogeologisches Pilotmodell: Situation auf Endla- 111 gerkote mit modellierten grossen Störungen und Endlagerpositionen Ost und West

Figur 4.5.6 Hydrogeologisches Pilotmodell: Block-Diagramm der 112

- XV- NAG RA NTB 93-28

modellierten hydrogeologischen Einheiten

Figur 4.5.7 Hydrogeologisches Pilotmodell: Basisrechenfall ROO 114 mit Potentialverteilung und Flussvektoren (Phase I)

Figur 4.5.8 Hydrogeologisches Pilotmodell: Basisrechenfall W01 a 115 mit Potentialverteilung und Flussvektoren (Phase 11)

Figur 4.5.9 Hydrogeologisches Pilotmodell: Anordnung der mo- 117 dellierten Kavernen zwischen hypothetischen gros-sen Störungszonen

Figur 4.5.10 Hydrogeologisches Pilotmodell: Darstellung der Un- 119 terdruckzone als Differenz zwischen simulierten stationären und gemessenen Potentialen

Figur 4.5.11 Valanginien-Mergel: Schwellend ruck-Messungen 120 (Threshold Pressure) im Vergleich mit Labordaten

Figur 4.6.1 Netz des schweizerischen Präzisionsnivellements 125 mit rezenten Höhenänderungen

Figur 4.6.2 Zeitliche Verteilung der Erdbebenintensität in der 126 Zentralschweiz (5-Jahr-Perioden)

Figur 4.6.3 Epizentren der Mikrobeben 1975 - 1992 in der Zen- 128 tralschweiz (Karte und Profil)

Figur 5.1.1 Herleitung des hydrogeologischen Datensatzes für 138 die Sicherheitsanalyse

Figur 5.1.2 Horizontalschnitt auf Endlagerebene (540 m ü.M.) 141 mit Fliesspfaden aus der westlichen Endlagerposi-tion zum Kieselkalk und zur Rutschmasse (Sze-narium mit extremen Randbedingungen)

Figur 5.1.3 Grundwasserfliessrichtungen unter stationären Be- 142/145 dingungen (Profile)

Figur 5.1.4 Grundwasserfliessrichtungen unter stationären Be- 143/145 dingungen (Horizontalschnitt)

Figur 5.1.5 Schema der Zugangsstollen-Varianten 146

Figur 5.1.6 Herleitung der Verteilung des Grundwasserflusses 147 und der Zusammensetzung des Fliessweges

Figur 5.1.7 Vier mit Simulationen generierte Netzwerke trans- 150 missiver Elemente dargestellt in Kavernen-Ab-wicklungen (20 m x 20 m x 300 m)

NAGRA NTB 93-28 - XVI-

Figur 5.1.8

Figur 5.1.9

Gesamtdurchfluss OT durch eine 300 m lange End­lagerkaverne (Basisfall 3: kumulierte Verteilung mit Ouantilen für 2.5 0/0, 50 % und 97.5 % Häufigkeit)

Darstellung verschiedener Fliesspfade in einer durch eine Störung erschlossenen Kalkbankabfolge (KBA)

151

154

- XVII- NAGRA NTB 93-28

VERZEICHNIS DER TABELLEN

Tabelle 3.2.1 Chronologie der Felduntersuchungen am Wellenberg 18

Tabelle 4.1.1 Zusammenstellung der kartierten und erbohrten For- 25 mationen und Einheiten

Tabelle 4.1 .2 Mittlere mineralogische Zusammensetzung und pe- 28 trophysikalische Parameter der erbohrten Forma-tionen

Tabelle 4.2.1 Typische Dimensionen des Modells steilstehender 48 Störungen

Tabelle 4.4.1 Mittlere Verweilzeiten und mittlere Höhen der Nieder- 75 schlagsgebiete

Tabelle 4.4.2 Konzentrationen der Hauptbestandteile in den Was- 77 sertypen der Rutschmasse Altzellen

Tabelle 4.4.3 Chemische Analysen oberflächennaher und tiefer 82 Na-HC03-Wässer aus den Sondierbohrungen

Tabelle 4.4.4 Sondierbohrung SB1 : Chemische Analysen der kon- 86 taminierten NaCI-Wasserproben

Tabelle 4.5.1 Definition der hydrogeologischen Einheiten 96

Tabelle 4.5.2 Hydrogeologische Einheiten in den Bohrungen SB1 , 97 SB3, SB4 und SB6

Tabelle 4.5.3 Mittlere Transmissivitäten und repräsentative Durch- 98 lässigkeiten der einzelnen hydrogeologischen Ein-heiten

Tabelle 4.5.4 Standortgebiet Wellenberg - Zusammenfassung des 103-105 hydrogeologischen konzeptuellen Modells

Tabelle 4.5.5 Phase I: Parameter für hydrogeologische Einheiten 110 im Pilotmodell

Tabelle 4.7.1 Untersuchte Langzeitszenarien 131

Tabelle 4.7.2 Minimale Endlagerüberdeckung heute und nach hun- 134 derttausend Jahren

Tabelle 4.7.3 Erosionsbestimmende Faktoren über dem Endlager 135

Tabelle 5.1.1 Wichtige hydrogeologische Ergebnisse für die Si- 139

NAGRA NTB 93-28 - XVIII-

cherheitsanalyse

Tabelle 5.1.2 Eingabeparameter für NAPSAC-Modellierung der 148 Einheit C

Tabelle 5.1.3 Wichtige Resultate von Simulationen transmissiver 149 Elemente fü r die Sicherheitsanalyse

Tabelle 5.1.4 Parameter für die Transportmodellierung 153

Tabelle 5.1.5 Zusammensetzung des oberflächennahen NaHC03- 156 Referenzwassers

Tabelle 5.1.6 Zusammensetzung des oberflächennahen Na-CI-Re- 158 ferenzwassers

Tabelle 5.1.7 Zusammenfassung des geologischen Datensatzes 160 für die Sicherheitsanalyse

Tabelle 5.2.1 Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Palfris- 163 Formation (Felsbeschreibung nach SIA 199)

Tabelle 5.2.2 Geotechnische Eigenschaften des Gebi rges: Vitz- 164 nau-Mergel (Felsbeschreibung nach SIA 199)

Tabelle 5.2.3 Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: 165 Diphyoides-Kalk (Felsbeschreibung nach SIA 199)

Tabelle 5.2.4 Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Graue 166 Mergelschiefer (Felsbeschreibung nach SIA 199)

Tabelle 5.2.5 Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Helveti- 167 scher Kieselkalk (Felsbeschreibung nach SIA 199)

Tabelle 5.2.6 Resultate der Laboruntersuchungen an Moränen- 168 und Hangschuttmaterial

Tabelle 5.2.7 Generelle Durchlässigkeiten der baugeologisch 168 wichtigen Formationen

- 1 - NAG RA NTB 93-28

1. EINLEITUNG

1.1 Zielsetzung des Berichtes

Der vorliegende Bericht wurde aus Anlass der Wahl vom Wellenberg (WLB, Gemein­de Wolfenschiessen, NW) als Standort zur Endlagerung kurzlebiger radioaktiver Abfäl­le verfasst. Die Nagra schlägt dem Bundesrat den Wellenberg zur Wahl vor - der Mitte 1993 veröffentlichte Wahlvorschlag soll im Laufe von 1994 durch die Einreichung ei­nes Gesuchs um die Rahmenbewilligung bekräftigt werden. Die definitive Wahl wird anhand dieses Gesuchs vom Bundesrat und schliesslich von der Bundesversamm­lung getroffen.

Dieser Bericht hat die Aufgabe, die standortspezifischen geologischen Kenntnisse und den daraus abgeleiteten Geosphären-Datensatz darzulegen, auf denen die Beur­teilung der Langzeitsicherheit eines Endlagers am WLB beruht. Er bildet somit die Grundlage für zwei gleichzeitig erscheinende Berichte:

- NAGRA (1993a) über den Vergleich der vier evaluierten Standorte untereinander, in welchem dem Aspekt der geologisch bedingten Langzeitsicherheit eine entschei­dende Rolle zukommt, und

- NAGRA (1993b), in welchem eine sicherheitstechnische Beurteilung des Standor­tes WLB an sich erfolgt, d.h. die Beantwortung der Frage, ob die von der Natur vorgegebenen Eigenschaften des Standortes WLB grundsätzlich die Erstellung ei­nes ausreichend sicheren Endlagers für kurzlebige schwach- und mittelaktive Ab­fälle (EL-SMA) erlauben.

Die Anforderungen dieser zwei Berichte bestimmen die Bearbeitungstiefe der vorlie­genden Arbeit. Nötig gewesen wäre die Darstellung, Kommentierung und Begründung des Geosphären-Datensatzes, der in die Modellrechnungen der Sicherheitsanalyse eingeht. Es zeigte sich in der Folge, dass bereits dieser Bericht neben der Herleitung des Datensatzes und der Vermittlung seiner erdwissenschaftlichen Grundlage eine recht ausführliche Darstellung der geologischen und hydrogeologischen Situation am Wellenberg bieten kann. Der für einen späteren Zeitpunkt vorgesehene zusätzliche Bericht wird das Vorliegende noch um die Ergebnisse der laufenden Detailaus­wertungen und Interpretationen ergänzen und eine geologische Synthese an hand der Ergebnisse der im Frühjahr 1993 abgeschlossenen ersten Sondierkampagne WLB präsentieren.

1.2 Grundlagen

Der Bericht beruht auf der Auswertung der Rohdaten, insbesondere der Sondierboh­rungen SB1, SB3 und SB4 (Kapitel 3), welche den engeren Bereich des vorgesehe­nen Endlagers charakterisieren. Diese Auswertungen sind weit fortgeschritten und dokumentiert, so dass bei Zitaten in der Regel auf entsprechende Berichte verwiesen 'werden kann. Dasselbe trifft auf die begleitenden Untersuchungen von der Erdober-

- XIX-

VERZEICHNIS DER BEILAGEN

Beilage 4.1.1 Verkleinerung 1 :25'000 der Geologischen Oetailkartierung

NAGRA NTB 93-28

Beilage 4.1.2 Übersichtsprofile der SondierbohrungenSB1, SB2, SB3, SB4 und SB6

Beilage 4.2.1 Geologische Quer- und Längsprofile 1 :25'000

Beilage 4.2.2 Variationen der Wirtgesteinsgrenzen im Profil 0-0' 1 :25'000

. Beilage 4.2.3. Projektvarianten 1 :25'000 Variationen der Wirtgesteinsgrenzen und der Störungsdichte im Horizontalschnitt auf Kote 540 m ü.M.

Beilage 4.7.1 Erosionsszenarium 2b

NAGRA NTß 93-28 - 2 -

fläche aus zu, vor allem auf die umfangreiche Reflexionsseismik.

Die letzte der abgeteuften Sondierbohrungen Sß2 wurde wie oben erwähnt erst im März 1993 abgeschlossen. Für sie liegen zum Teil noch keine zusammenfassenden Auswertungen vor. Hier - und in vereinzelten Fällen auch bei anderen Daten - muss direkt auf Rohdatenberichte, interne Aktennotizen etc. verwiesen werden. Die Nach­vollziehbarkeit der Schlussfolgerungen wird dadurch jedoch nicht beeinträchtigt.

1.3 Aufbau des Berichtes

Nach dem einleitenden Kapitel 1, das sich mit der Zielsetzung und dem Stellenwert des vorliegenden Berichtes innerhalb der gesamten Berichterstattung zur Standort­wahl EL-SMA und zur Beurteilung der Langzeitsicherheit WLB befasst, ist das Kapi­tel 2 den bisherigen geologischen Kenntnissen über das Untersuchungsgebiet ge­widmet, welche die Basis für die Planung und die Durchführung des Untersuchungs­programms gebildet haben. Das Kapitel 3 hat das Untersuchungsprogramm und seine Zielsetzungen zum Thema, sowie die vorgenommenen Anpassungen an die durch erteilte Bewilligungen gegebenen Randbedingungen. Diskutiert wird ebenfa-lls der die­sem Bericht zugrunde liegende Untersuchungs- und Auswertungsstand.

Im Kapitel 4 werden die am Standort Wellenberg erarbeiteten geologischen Kennt­nisse dargelegt, unter spezieller Berücksichtigung derjenigen Teile, welche die direkte Basis der Geosphären-Datensätze für die Sicherheitsanalyse und den Bau bilden. Das Kapitel 5 ist schliesslich der Darstellung der genannten Datensätze gewidmet.

1.4 Verfasser

Der vorliegende Bericht wurde als Gemeinschaftsarbeit im Fachbereich Geologie der Nagra (Leitung M. Thury) erarbeitet:

Koordination:

Redaktion:

Autoren:

S. Kappeier, Nagra

A. Gübeli, Büro Dr. Gübeli, 8645 Jona S. Kappeier, Nagra M. Thury, Nagra

A. Baumann, Schneider & Matousek AG, 5400 Baden (Kapitel 2.5 und 4.5)

H.R. Bläsi, Geologisches Institut, Universität Bern (Kapitel 4.1 )

A. Gübeli, Büro Dr. Gübeli, 8645 Jona

- 3 - NAGRA NTB 93-28

(Kapitel 2.1 - 2.4 und 5.2)

M. Huber, Büro Dres. Huber & Huber, 8048 Zürich (Kapitel 4.2)

S. Kappeier, Nagra (Kapitel 1 und 3)

W. Klemenz, Colenco Power Consulting AG, 5400 Baden (Kapitel 4.7)

S. Löw, Colenco Power Consulting AG, 5400 Baden (Kapitel 4.5)

M. Mazurek, Geologisches Institut, Universität Bern (Kapitel 4.3 und 5.1)

W.H. Müller, Nagra (Kapitel 4.6)

H.J. Schmassmann, Dr. Schmassmann AG, 4410 Liestal (Kapitel 4.4)

K. Schneemann, Dr. Schmassmann AG, 4410 Liestal (Kapitel 4.4)

A. Scholtis, Nagra (Kapitel 4.4 und 5.1)

R. Senger, Colenco Power Consulting AG, 5400 Baden (Kapitel 4.5 und 5.1)

P. Vinard, Nagra (Kapitel 4.5 und 5.1)

O. Voborny, Colenco Power Consulting AG, 5400 Baden (Kapitel 4.5 und 5.1)

S. Vomvoris, Nagra (Kapitel 4.5 und 5.1)

W.E. Wilson, INTERA Inc., Austin/TX, USA (Kapitel 4.5)

NAG RA NTß 93-28 - 4 -

2 BISHERIGE KENNTNISSE

2.1 Geographische und geologische Situation

Das Engelbergertal im S des Vierwaldstättersees ist neben dem Urner Reusstal das grässte in direkter N-S-Richtung liegende Quertal des zentralschweizerischen Alpen­raumes. Südöstlich Stans, dem Hauptort des Kantons Nidwalden, führt es von Ober­dorf (465 m ü.M.) über eine Distanz von ca. 11 km ohne nennenswerte Steigungen via Wolfenschiessen und Grafenort bis in die Gegend von Mettlen (Fig. 2.1.1). Ab Mettlen steigt es in einer steilen Rampe in südöstlicher Richtung auf den ca. 1000 m ü.M. liegenden Talboden von Engelberg. Anschliessend dreht es in einem weiten Bo­gen nach NE und endet am Surenenpass auf 2291 m ü.M.

675

669

190-l--=~--\j-----+f-l~--t--F'-+------'''-------t-----t-

675

---l--------l-~--\t-----.~--------j-189

670

LEGENDE

v Grenzen des Untersuchungsgebietes

-9-. Sondierbohrung

2.5 - _! 5km :

Figur2.1.1: Geographische Übersichtskarte des Untersuchungsgebietes Wellenberg

Das Untersuchungsgebiet Wellenberg liegt auf der E-Seite des Engelbergertals zwi­schen Wolfenschiessen und Grafenort. Seine Grenzen ergeben sich weitgehend aus der topographischen Situation als Folge der geologischen Grossstrukturen (Fig. 2.1.2). Die W-Grenze folgt daher der steilen W-Flanke des Engelbergertals zwi-

LEGENDE

c=::J -c=::J -c=::J -CJ c=::J

Mittelländische Molasse

Subalpine Molasse

Südhelvetikum (Oberkreide - Eozän) Flysch, Komplexe Klippenunterlage

Klippen-Decke

Eozän der helvetischen Decken

Randketten

Drusberg-Decke

Axen-Decke

Figur 2.1 .2: Tektonische Übersicht

- 5 -

-c=::J

NAGRA NTB 93-28

Subhelvetische Elemente (Gitschen- / Wissberg-Scholle)

Nordhelvetischer Flysch (Altdorfer-Sandstein)

Autochthone Sedimenthülle des Aar-Massivs

Aar-Massiv

Hauptüberschiebung

Aufschiebung in der Molasse

Untersuchungsgebiet Wellenberg

Spuren der Profile in Fig. 2.4.1 (Hantke, 1961)

- - 10km !

NAGRA NTB 93-28 - 6 -

schen Mettlen und WOlfenschiessen, die N-Grenze dem Haldigrat zwischen Wolfen­schiessen und Hoh Brisen, die S-Grenze der Linie Mettlen - Walenstöcke - Bannalp­see - Chaiserstuel und die E-Grenze dem in SE-NW-Richtung liegenden Grat an der Sinsgäuer-Schonegg. Im Zentrum des Untersuchungsgebietes liegt der 1341 m hohe Wellenberg, nach dem das Standortgebiet benannt wurde.

Das Engelbergertal durchschneidet als typisches Quertal sämtliche alpinen Gross­strukturen des im N des Aar-Massivs lagernden Deckenstapels (Fig. 2.1.2 und Fig. 2.4.1). Ausgehend vom Kristallin des Aar-Massivs quert es von S nach N die au: tochthone Sedimenthülle des Aar-Massivs, den Nordhelvetischen Flysch bzw. Altdor­fer-Sandstein (Parautochthon) und eine Zone aus Südhelvetischem Flysch. Darüber folgen Schuppen und Schollen in subhelvetischer Stellung1), d.h. tektonische Äquiva­lente der Gitschen-Scholle, sodann die Axen-Decke und die Drusberg-Decke. Nörd­lich Dallenwil quert das Engelbergertal das höchste tektonische Element der Region, die penni nische Klippen-Decke mit ihrer komplexen Flyschunterlage. Das Untersuchungsgebiet Wellenberg liegt grösstenteils im Bereich der Drusberg­Decke. Es reicht nur mit seinem S-Rand in die benachbarte und tektonisch tiefer ge­legene Axen-Decke (Fig. 2.1.2). Die Geländeoberfläche des gesamten Untersu­chungsgebietes besteht grösstenteils aus Lockergesteinen in Form von Moränenma­terial, Gehängeschutt und Bachschutt (Beil. 4.1.1). Südwestlich des Wellenberges liegt die Rutschmasse von Altzellen. Sie beginnt unmittelbar unterhalb des Eggeligra­tes und reicht bis in den Talboden des Engelbergertals zwischen Grafenort und All­mend (Fig. 2.1.1). In N-S-Richtung umfasst sie das gesamte Gebiet zwischen dem S­Fuss des Wellenberges und dem N-Rand der Axen-Decke.

2.2 Frühere Untersuchungen

Das Gebiet zwischen Urnersee und Engelbergertal gilt seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts als eine bevorzugte Region für geologische Forschungen. Im Mittel­punkt des Interesses standen die helvetischen Randketten am S-Rand des Vierwald­stättersees, die Drusberg-Decke mit ihrer Gebirgskette zwischen Brisen und Ober­bauenstock und die penninischen Klippen. Die Drusberg- und Axen-Decke im Bereich des Engelbergertals fanden hingegen nur wenig Detailbearbeiter. Anschliessend werden alle zur geologischen Bearbeitung des Standortgebietes notwendigen Arbeiten kurz vorgestellt:

BUXTORF et al. , (1916) publizierten das umfassendste geologische Kartenwerk des zentralschweizerischen Alpenraumes im Massstab 1 :501000 zusammen mit neun geologischen Querprofilen im gleichen Massstab. Diese Arbeit belegt zusammenfas­send den damaligen Kenntnisstand über den internen Faltenbau und die gegenseitige Lage der einzelnen Decken.

ARBENZ (1918) veröffentlichte mit seiner geologischen Karte im Massstab 1 :501000

1) Der Begriff "subhelvetisch" wird hier im ursprünglichen Sinne gebraucht, d.h., es wird damit

die Stellung einer tektonischen Einheit unter der helvetischen Hauptschubmasse verstan­

den.

- 7 - NAGRA NTB 93-28

einen detaillierten Überblick über die Geologie der Axen-Decke zwischen Reuss- und Engelbergertal. Der N-Rand seiner Karte ist zwischen den Koordinaten 191 1200 und 1941250 identisch mit dem S-Rand der Vierwaldstättersee-Karte.

FICHTER (1934) lieferte detaillierte stratigraphische Beschreibungen aller aufge­schlossenen Formationen der Drusberg-Decke zwischen Urnersee und Engelberger­tal. Gleichzeitig untersuchte er den zusammenhängenden Faltenbau der Drusberg­Decke. Seine geologischen Beobachtungen sind in einer als Unikat vorliegenden geologischen Karte im Massstab 1 :25 1000 zusammengefasst, die das Standortgebiet Wellenberg zwischen seiner N-Grenze und der Koordinate 1941000 abdeckt.

ANDEREGG (1940) bearbeitete die Stratigraphie und Tektonik der Axen-Decke im Gebiet des Isentals und untersuchte den Kontakt zur nördlich anschliessenden Drus­berg-Decke. Seine westlichsten Profile reichen in den Südrand des Standortgebietes Wellenberg und geben damit eine grundsätzliche geologische Situation des Axen­Südlappens und dessen Unterlage im Gebiet der Sinsgäuer-Schonegg und im Gebiet der Walenstöcke.

MAZURCZAK (1945) untersuchte den komplizierten Deckfaltenbau in der Scheid­eggstock-Gruppe auf der linken Talseite des Engelbergertals nordwestlich von Engel­berg. Neben tektonischen und stratigraphischen Untersuchungen lieferte er eine geologische Karte des betreffenden Gebietes.

WINTERHALTER (1955 - 1963) erstellte im Rahmen der Bauarbeiten für den Druck­stollen des Kraftwerkes Dallenwil zuhanden der Engelberger Aa AG fünf geologische Gutachten. Seine mit zahlreichen geologischen Profilen im Massstab 1:101000 er­gänzten Untersuchungen erfolgten ausschliesslich auf der linken Seite des Engelber­gertals zwischen Obermatt und Dallenwil.

HANTKE (1961) fasste anhand von 37 geologischen Querprofilen im Massstab 1 :75 1000 und einer tektonischen Karte im Massstab 1: 1001000 die grosstektonische Situation der helvetischen Kalkalpen zwischen dem Kanton Obwalden und dem St. Galler Rheintal zusammen. Drei seiner Profile durchqueren das Untersuchungsgebiet von NW nach SE. Sie zeigen den generellen tektonischen Aufbau basierend auf den Vorgängerarbeiten. Der verwendete Profil-Massstab erschwert jedoch lokaltektoni­sche Deutungen.

SPÖRLI (1966) untersuchte die östliche und südliche Urirotstock-Gruppe. Seine Ar­beit tangiert den S-Rand des Standortgebietes Wellenberg im Bereich des Axen­Südlappens. Seine Beobachtungen sind für das Verständnis der zeitlichen Abläufe der grosstektonischen Bewegungen im helvetischen Raum von massgebender Be­deutung.

WYSS (1973) beschreibt seine zwischen 1964 und 1969 durchgeführten Untersu­chungen über die Geologie der westlichen Urirotstock-Gruppe und bestätigt weitge­hend die Geologie der aus dem Jahre 1918 stammenden Karte von ARBENZ.

ISCHI (1978) bearbeitete das Berriasien-Valanginien der Wildhorn- und Drusberg­Decke. Als östlichstes Profil seiner biostratigraphischen Arbeit beschreibt er das Eg­'geligrat-Profil zwischen der N-Grenze der Axen-Decke bzw. des Axen-Südlappens

NAG RA NTB 93-28 - 8 -

nördlich Firnhütt und dem S-Hang des Wellenberges.

BREITSCHMID (1982) untersuchte die Sedimente des Helvetikums und der pennini­schen Klippen-Decke längs der Geotraverse Basel-Chiasso. Im Rahmen dieser Arbei­ten erfasste er auch die Metamorphoseverhältnisse der Valanginien-Mergel im See­lisbergtunnel.

SCHNEIDER (1978 - 1985) lieferte im Rahmen der Planungs- und Ausführungsarbei­ten für den Höherstau des Ausgleichsbeckens "Käppelistutz" mehrere geologische Gutachten mit Informationen über die Schicht- und Kluftflächenverhältnisse des an­stehenden Kieselkalkes im Bereich der Staumauer.

BURG ER & STRASSER (1981) veröffentlichten eine neue Gliederung der untersten Kreide-Formationen im Helvetikum der Zentral- und Ostschweiz, die auch die Sedi­mente des Standortgebietes Wellenberg umfasst.

SCHNEIDER (1984) publizierte eine zusammenfassende Übersicht über die geologi­schen und geotechnischen Beobachtungen während dem Bau des Seelisbergtunnels.

BURGER (1985) bearbeitete in seiner Dissertation die Palfris-Formation,· die Öhrli­Formation und die Vitznau-Mergel zwischen Reuss und Rhein. Im Vordergrund stan­den stratigraphische, fazielle, mineralogische und paläogeographische Untersuchun­gen.

SCHNEIDER (1985) erstellte für das Standortgebiet Oberbauenstock eine geologi­sche Detailkartierung im Massstab 1:101000 zuhanden der Nagra. Das Kartierungs­gebiet liegt zwischen dem Urner See und dem Choltal südlich von Emmetten.

SCHNEIDER (1988a) erfasste im Rahmen der Untersuchungen für das Standortge­biet Oberbauenstock die regionalen Grossstrukturen in Form einer Strukturstudie zu­handen der Nagra. Diese Studie basiert auf umfangreichen strukturellen Felduntersu­chungen und umfasst das Gebiet zwischen dem Muotatal und dem Engelbergertal.

GUTZWILLER (1981) beschreibt die Stratigraphie der in den Valanginien-Mergeln der Drusberg-Decke tektonisch eingelagerten Malm-Vorkommen zwischen Gross- und Engelbergertal. Er ordnet diese Malm-Vorkommen der Basis der Drusberg-Decke zu.

2.3 Stratigraphie

Eine zusammenfassende Übersicht über die Schichtreihen der Drusberg- und Axen­Decke im Standortgebiet Wellenberg und dessen unmittelbarer Umgebung geben die idealisierten stratigraphischen Sammelprofile in Figur 2.3.1. Diese Profile zeigen, dass die ältesten Formationen bei der Decken dem Malm angehören. Während der Quint­ner-Kalk die älteste Formation der Axen-Decke darstellt, bilden die älteren SchiIt­Schichten die Basis-Formation der Drusberg-Decke. Im Gegensatz zur Axen-Decke wurden die Malm-Formationen der Drusberg-Decke während dem Deckentransport von den überliegenden Kreide-Formationen abgetrennt und anschliessend in die Valanginien-Mergel der Drusberg-Decke eingespiesst (Langweidliflue, Maisander) .

- 9 - NAG RA NTB 93-28

Drusberg - Decke

Stadschiefer

Axen - Decke Nummulitenkalk / Assilinengrünsand

Wan - Formation

Tertiär

Kreide

Jura

Figur 2.3.1 :

Am er er e Seewerschiefer bzw. Choltal - Schichten Seewer Kalk Helv. Gault bzw. Garschella - Formation

Obere Orbitolina - Schichten

Untere Orbitolina - Schichten

Schratten­Kalk

L ) ~ _ _ _ kalkige Drusberg-l l - Schichten _ _ _ _ _ '-~I~-;-~ mergelige = _____ ----f/n:::1 :r.-:::=\F-~\-~ ~nn - Schichten

~~~t.~r~c~ :' . "- -:- ':- /' '- --- Echinodenmenbreccie

Schiffli - Schicht

Knollenschichten

Unterer Helv. Kieselkalk

.. " ... " .. ". --=--=-=--==--=-..=-:::;:::-:::::=::: Graue Mergelschiefer

t--.-J-.-J......-L.....,.-'---.--L-r-'--..--"---Diphyoides - Kalk Vitznau - Mer~el

Palfris - Formation

Zementstein - Schichten

Quintner - Kalk

Schilt - Schichten

Helvetischer Kieselkalk

Valanginien­Mergel

Stratigraphische Schichtreihen der Drusberg- und Axen-Decke

Im Gegensatz zur Drusberg-Decke weist die Axen-Decke über dem Schrattenkalk ei­ne stratigraphische Lücke auf. So folgen direkt über dem Schrattenkalk die tertiären Formationen des Nummulitenkalkes (inkl. Assilinengrünsand) und die Stadschiefer. Die jüngste Formation der Drusberg-Decke wird ebenfalls durch die Stadschiefer ge­bildet. Stratigraphisch unterscheiden sich jedoch die Kreideprofile in den von FICH­TER (1934) beschriebenen Falten I - III (Fig. 2.4.1) der Drusberg-Decke. So setzt im Bereich der Falte II diskordant zur Schichtlage der Amdener Mergel die Wang-Forma­tion ein. Gegen S bzw. bis zur Falte III transgrediert sie unter entsprechender Mäch­tigkeitszunahme bis auf den Schrattenkalk.

Als mögliches Liegendes der Axen- und Drusberg-Decke kommen die subhelveti­schen Deckenelemente oder deren Fragmente (Wissberg- und Gitschen-Scholle) und ihre Unterlage in Form des Nordhelvetischen Flysches bzw. des Dachschiefer-Altdor­fer-Sandstein-Komplexes in Frage.

Die Schichtreihen der subhelvetischen Deckenelemente umfassen im Fall der Wiss­berg-Scholle obersten Malm bis unterste Kreide und im Fall der Gitschen-Scholle obersten Malm bis Tertiär. In beiden Fällen zeigen sie Merkmale einer Herkunft vom nördlichsten helvetischen Ablagerungsraum. Beim Nordhelvetischen Flysch handelt 'es sich ausschliesslich um Ablagerungen tertiären Alters.

NAG RA NTB 93-28 - 10-

Im vorliegenden Bericht werden die Valanginien-Mergel wiederholt als Wirtge­stein bezeichnet, da der Bau des Endlagers in der entsprechenden Formation vorgesehen ist. Im Rahmen spezifisch geologischer Beschreibungen ersetzen jedoch seit 1981 die lithostratigraphischen Begriffe Palfris-Formation und Vitz­nau-Mergel den veralteten chronostratigraphischen Begriff Valanginien-Mergel (BURGER & STRASSER, 1981). Dieser wurde aus Usanzgründen und zum bes­seren Verständnis in der bisherigen Berichterstattung über Hydrogeologie, Geophysik und Bohrtechnik zur Bezeichnung des Wirtgesteins im allgemeinen beibehalten. Unter der Bezeichnung Wirtgestein oder Valanginien-Mergel sind daher im vorliegenden Bericht - sofern nicht detailliert beschrieben - unmiss­verständlich die Palfris-Formation und die Vitznau-Mergel zusammen zu verste­hen.

2.4 Regionale Tektonik

Die Drusberg-Decke ist die wichtigste tektonische Einheit im Standortgebiet. Nördlich ihrer Überschiebungsfläche über die Axen-Decke weist sie an ihrer Basis eine tektoni­sche Anhäufung von Valanginien-Mergeln auf, in die nach den bisherigen Kenntnis­sen Malm-Elemente ihrer Basis eingeschuppt sind. Über dieser tektonischen Anhäu­fung von Valanginien-Mergeln tauchen die darüber folgenden Formationen in drei ge­nerell WSW-ENE streichenden, liegenden Grossfalten gegen NNW ab. Die bei den Profile in der Figur 2.4.1 fassen den von FIGHTER (1934) detailliert beschriebenen Faltenbau der Drusberg-Decke zwischen Urnersee und dem Engelbergertal zusam­men. Im Abschnitt des Engelbergertals ist die Falte II bzw. die Niederbauenfalte (FIGHTER, 1934) beidseits der Talflanken zwischen Dallenwil und Wolfenschiessen aufgeschlossen. Die Mulde 11/111 als Bindeglied zwischen der Niederbauenfalte und der Oberbauenfalte (FIGHTER, 1934) baut den Wellenberg südöstlich Wolfenschiessen auf. Die Falte III bzw. die Oberbauenfalte bildet das höchste tektonische Glied inner­halb der Drusberg-Decke.

Die Axen-Decke ist die zweite wichtige tektonische Einheit im Standortgebiet Wellen­berg. Sie liegt tektonisch unter der Drusberg-Decke und weist einen komplizierten, in SW-NE-Richtung streichenden Falten- und Schuppenbau auf. In ihrem nördlichen Ab­schnitt wird sie in einen Nordlappen und - getrennt durch eine Tertiär-Zone (Axenmättli-Mulde; ANDEREGG, 1940) - in einen Südlappen unterteilt. Während der Axen-Südlappen zwischen dem Urnersee und dem Engelbergertal durchgehend auf­geschlossen ist, nimmt der Axen-Nordlappen westlich des Urnersees in seiner N-S­Ausdehnung sukzessive ab und ist westlich des Passüberganges auf der Sinsgäuer­Schonegg nicht mehr zu finden.

Die Entstehung des quer zum Achsenstreichen der Drusberg- und Axen-Decke lie­genden Engelbergertals lässt eine tektonische Ursache vermuten. Zwischen Dallenwil und Wolfenschiessen lassen die beidseits des Tals steil abtauchenden inversen Schenkel der Falte II (FIGHTER, 1934) eine relativ zur W-Flanke nach N ver­schobene E-Flanke erkennen.

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2.5 Oberflächenhydrogeologie

Vor Beginn der Sondierungsarbeiten am Wellenberg wurden im betreffenden Gebiet hydrogeologische Untersuchungen hauptsächlich im Zusammenhang mit der Nutzung der Wasserkraft und für die Grundwasserbewirtschaftung durchgeführt. Daneben las­sen auch andere geologische Untersuchungen Rückschlüsse auf die hydrogeolo­gischen Verhältnisse zu (Kap. 2.2). Wichtige Beiträge lieferten die Erkenntnisse beim Bau des Seelisbergtunnels und die Untersuchungen der Nagra am Oberbauenstock. Nachfolgend sind die wichtigsten hydrogeologischen Ergebnisse dieser Untersuchun­gen in stratigraphischer Reihenfolge zusammengefasst. Die im folgenden von den zi­tierten Autoren verwendeten Durchlässigkeitsbegriffe stellen Grössenbezeichnungen dar, wie sie in den Erläuterungen zur Hydrogeologischen Karte der Schweiz ge­bräuchlich sind.

Quartär: Die Kenntnisse beruhen auf ANGEHRN (1984 und 1987) und beschränken sich auf das Grundwasservorkommen in der Talsohle, welches vom hinteren Talgrund bei Mettlen über Wolfenschiessen bis zum Alpnacher- und Vierwaldstättersee reicht. Der Grundwasserleiter besteht aus Kies und Sand, vermischt mit Blöcken und Stei­nen. Teilweise sind Ablagerungen mit höherem Feinanteil eingeschaltet. Seine Mäch­tigkeit beträgt bei Wolfenschiessen rund 10 - 15 m. Die Durchlässigkeit wird mit etwa 10-3 m/s angegeben, schwankt kleinräumig aber sehr stark. Darunter folgen siltig-to­nige Ablagerungen, die als Grundwasserstauer wirken und eine Durchlässigkeit von etwa 10-6 m/s aufweisen. Im südlichen Talabschnitt bis Grafenort betragen die jahres­zeitlichen Spiegelschwankungen über 6 m. Sie nehmen talabwärts ab und betragen nördlich Wolfenschiessen nur noch einige Dezimeter. Das mittlere Grundwasserspie­gelgefälle zwischen Grafenort und Wolfenschiessen wird mit etwas mehr als 1 % an­gegeben. Unterhalb Wolfenschiessen verflacht sich dieses Gefälle auf weniger als 1 % infolge Stauwirkung der Schwemmfächer des Steini- und Buoholzbaches, die hier von W bzw. Eins Haupttal münden. Über den Tiefgang der Talfüllung liegen nur An­gaben aus seismischen Erkundungen vor. Auf der Höhe von Grafenort wird die Fels­unterlage bei etwa 510 m ü.M., zwischen Dörfli und Wolfenschiessen auf rund 460 m ü.M., vermutet.

Helvetischer Gault bzw. Garschella-Formation: Die generelle Durchlässigkeit die­ser Formation wird als gering bis mittel bezeichnet. Die Wasserzirkulation ist auf ein­zelne klüftigere Schichten beschränkt (WYSSLlNG, 1973; SCHNEIDER, 1989). Als verkarstungsfähig eingestuft werden insbesondere die Echinodermenbreccie (FICHTER, 1934) und der Brisi-Kalk (BÖGLI, 1985; FÖLLMI & OUWEHAND, 1987). In zwei Bohrungen im Rahmen von Voruntersuchungen für ein Strassenprojekt im Raume Sisikon (Kt. Schwyz) traten allerdings in dieser Formation massive Wasserver­luste auf (GÜBELI, 1993).

Schrattenkalk-Formation: Im allgemeinen wird die Durchlässigkeit des Schrattenkal­kes als mittel bis gut angegeben (WYSSLlNG, 1973; SCHNEIDER, 1989). Das Ge­stein ist äusserst karstanfällig und die Wasserzirkulation folglich entsprechend gross (BÖGLI & HARUM, 1981). Erfahrungen beim Bau des Seelisbergtunnels (SCHNEIDER, 1984) zeigen, dass die Klüftung im Bereich der Drusberg-Decke sehr unterschiedlich und die Durchtrennung des Felskörpers zum Teil gross ist. In der Axen-Decke ist der Schrattenkalk lokal intensiv geklüftet. Aus zahlreichen Markie­rungsversuchen (Muotatal, Riemenstaldner Tal) wurden Abstandsgeschwindigkeiten

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in der G rössenordnung von 25 m/h bis 90 m/h ermittelt. Aus dem Karstgebiet des Ni­derbauen (Oberbauenstock) sind mit Markierungsversuchen ermittelte Abstandsge­schwindigkeiten zwischen 85 m/h und 346 m/h bekannt.

Drusberg-Schichten (inkl. Altmann-Schichten): Die Durchlässigkeit wird von WYSSLING (1973) und SCHNEIDER (1989) mit gering bis mittel, längs Klüften er­höht, angegeben. BÖGLI (1985) bezeichnet diese Serie als wasserundurchlässig bis schlecht durchlässig. Die Wechsellagerung von gut durchlässigen Kalken mit schlecht durchlässigen Mergelserien führt zu einer anisotropen Gebirgsdurchlässigkeit; die Wasserwegsamkeit ist in Richtung der Faltenachse am grössten und quer zur Schichtung am kleinsten. Die Mergelserien im Liegenden wirken als Grundwasser­stauer. Die Grenzflächen zu den durchlässigeren Gesteinen bilden an der Gelände­oberfläche Quellhorizonte und haben im Tunnel einen erhöhten Wasseranfall zur Folge (SCHNEIDER, 1984).

Helvetischer Kieselkalk: Die generelle Durchlässigkeit wird von SCHNEIDER (1989) als mittel bis gut und z.T. anisotrop, von WYSSLING (1973) als mittel bis gering und von BÖGLI (1985) als uneinheitlich bezeichnet. Die Kieselkalkschiefer an der Basis dieser Gesteinsserie werden als gering- bis mitteldurchlässig eingestuft, mit erhöhter Durchlässigkeit entlang von Klüften. Die Verkarstung wird allgemein als äusserst ge­ring bezeichnet. Allerdings gibt es Hinweise, dass auch der Helvetische Kieselkalk, insbesondere die Echinodermenbreccie, Verkarstungserscheinungen aufweisen kann (GÜBELI, 1993). Beim Staubecken südlich Burgholz (NNE-Fuss des Wellenberges) wurden 1983 zahlreiche Abpressversuche durchgeführt. Die daraus abgeleiteten Durchlässigkeiten liegen im Bereich von 10-5 bis 10-7 m/s.

Valanginien-Mergel: Über die Wasserführung der Valanginien-Mergel in der näheren Umgebung des potentiellen Standortgebietes liegen einzig aus der Bauzeit des Druckstollens des KW Dallenwil Angaben vor (SCHNEIDER, 1986). So waren die Valanginien-Mergel im relativ oberflächennahen Stollen örtlich verstärkt wasserfüh­rend. Im zentralen Teil führte dies aus bautechnischer Sicht gar zu druckhaftem Ge­birge. Gegenüber den stark durchlässigen überliegenden Kalken wirken sie jedoch als Wasserstauer, was durch zahlreiche Quellen belegt ist.

Umfangreichere Kenntnisse stammen aus dem Standortgebiet Oberbauenstock und im speziellen vom Bau des Seelisbergtunnels und seiner Annexbauwerke (SCHNEIDER & KAPPELER, 1984; NAGRA, 1988b). Der Valanginien-Mergel-Ab­schnitt im Seelisbergtunnel erwies sich aus bergmännischer Sicht als weitgehend trocken bis bergfeucht. Insbesondere der Tunnnelabschnitt nördlich der Zentrale Huttegg war nur unbedeutend wasserführend. Südlich der Zentrale Huttegg war die Wasserführung in der Bergröhre ebenfalls gering, die Seeröhre zeigte vermehrten Zu­fluss. Eine stärker durchnässte Gesteinszone in beiden Röhren war an der Stelle zu verzeichnen, an der die Überlagerung nur etwa 150 m beträgt und der Tunnel einen Bach unterfährt. Im Zugangsstollen zur Zentrale Huttegg war zu erkennen, dass im Bereich der oberflächlichen Auflockerungszone die stärkere Durchnässung des Fels­körpers bis etwa 200 m ins Berginnere reicht. Die Wasseraustritte sind zur Hauptsa­che an Ruschelzonen gebunden. Davon weisen allerdings nur gerade 1 - 2 % eine ei­gentliche Wasserführung in Form von Tropf oder Quellen auf und 14 % zeigen Anzei­chen von Feuchtigkeit oder Nässe. Für die effektive Durchlässigkeit, welche stark von der Ausdehnung und der Lage der durchlässigen Trennflächen bestimmt wird, wird in

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NAGRA (1988b) ein Mittelwert von 10-10 m/s angegeben.

In den Untersuchungen der Nagra im Standortgebiet Oberbauenstock wurden in den Valanginien-Mergeln auch anormal niedrige hydraulische Drücke (Potentiale unter dem Spiegelniveau des Urnersees) verzeichnet. Sie werden in Zusammenhang mit Vorkommen von freiem Gas in den Valanginien-Mergeln gebracht.

Quintner-Kalk: WYSSLING (1973) und BÖGLI (1985) bezeichnen die Durchlässigkeit des Quintner-Kalkes als gut bzw. gross und das Gestein als karstanfällig. Gemäss SCHNEIDER (1989) ist sie mittel bis gut und das entsprechende Gestein karstanfällig. Im Gebiet der grossen Windgälle ergab ein Markierungsversuch in dieser Gesteinsse­rie eine Abstandsgeschwindigkeit von über 350 m/h. Bei Melchsee-Frutt ergaben Ab­pressversuche im Bereich des Staudammes Wasserdu rchlässigkeiten zwischen 10-8 m/s und 10-6 m/s (GÜBELI, 1993).

- 15 - NAGRA NTB 93-28

3 PROGRAMM DER UNTERSUCHUNGEN UND AUSWERTUNGEN

3.1 Planung und Programm der Untersuchungen

Die bestimmenden Faktoren bei der Planung der Felduntersuchungen am potentiellen Standort Wellenberg waren einerseits die Untersuchungsziele und andererseits die bereits vorhandenen geologischen Kenntnisse. Darüber hinaus mussten zwei wichtige Randbedingungen beachtet werden: Die Explorierbarkeit des Untersuchungsgebietes und die Forderung, dass durch die Sondierungen und Untersuchungen die Barrie­renwirkung der Geosphäre nicht beeinträchtigt werden darf.

Die Untersuchungsziele sind am Wellenberg wie an jedem anderen potentiellen End­lagerstandort die Abklarungen der Langzeitsicherheit und der technischen Machbar­keit. Die Langzeitsicherheit wird durch die Wirksamkeit und die Dauer des Einschlus­ses der Abfälle durch die technischen Barrieren und die umgebenden geologischen Formationen, vor allem des Wirtgesteins, bestimmt. Die Freisetzung der Radionuklide in das Grundwasser und ihr Transport in die Biosphäre muss durch die technischen und natürlichen Barrieren auf einem unbedenklichen Niveau gehalten werden. Die technische Machbarkeit ist abhängig von Lage und Ausdehnung der zu durchfahren­den Formationen und ihren geotechnischen Eigenschaften. Die Kriterien, welche Langzeitsicherheit und Machbarkeit bestimmen, hängen somit ihrerseits von geologi­schen, hydrogeologischen und geotechnischen Faktoren ab. Die Abklärung dieser Sachverhalte war und ist das Ziel des Untersuchungsprogramms am Wellenberg. Die bisherigen geologischen Kenntnisse, wie sie im Kapitel 2 dargelegt wurden, spielten bei der Planung der Untersuchungen ebenfalls eine wichtige Rolle. So er­möglichten sie die sinnvolle Plazierung der Sondierbohrungen in bezug auf das zu erfassende Wirtgesteinsvorkommen. Im weiteren wurde berücksichtigt, dass erste Kenntnisse über das Wirtgestein, die Valanginien-Mergel, seit dem Bau des Seelis­bergtunnels vorhanden waren und dass diese bis zum Sondierbeginn durch Untersu­chungsergebnisse am Oberbauenstock ergänzt sein würden (NAGRA, 1988b). Somit konnten die Eigenschaften des Wirtgesteins als weitgehend bekannt angenommen und die Untersuchungen zur Abklärung des Wirtgesteinsvolumens, insbesondere sei­nes Tiefgangs unterhalb des Engelbergertals, konzentriert werden, da ursprünglich für die Endlagerung langlebiger mittelradioaktiver Abfälle die Möglichkeit eines Tieflagers geprüft werden sollte. Im weiteren stand die Schaffung von Untertagebauten im Wirt­gestein im Vordergrund, um felsmechanische Parameter unter realistischen Bedin­gungen für bautechnische und sicherheitstechnische Belange erheben und zeitauf­wendige in situ-Versuche, z.B. die Versiegelung von Stollen, in Angriff nehmen zu können. Die Explorierbarkeit, ein in alpinen Verhältnissen die Untersuchungsplanung meist stark behindernder Faktor, war beim Wellenberg ein positiver Aspekt: Die für alpine Verhältnisse ausgezeichnete Erschliessung und Zugänglichkeit machte eine günstige Anordnung bzw. Auslegung der Sondierungen möglich. Die Forderung nach grösstmöglicher Schonung der Geosphäre führte andererseits dazu, dass die Sondierung der potentiellen Lagerzone, des am meisten interessieren­~en Bereichs des Untersuchungsgebietes, erst am Schluss des Untersuchungspro­gramms geplant wurde und dass man bis dann für ihre Charakterisierung auf die In­terpolation von ausserhalb erhobenen Daten angewiesen war. Unter Berücksichtigung

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der dargelegten Faktoren und Randbedingungen wurde das folgende Untersu­chungsprogramm geplant und im Sondiergesuch an den Bundesrat dokumentiert (NAGRA, 1987). Es umfasste neben Untersuchungen und Messungen an der Ober­fläche zur Erkundung eines horizontal zugänglichen Endlagers in einer ersten Phase:

- Zwei Tiefbohrungen bis ins Liegende des Wirtgesteins nordöstlich und westlich der potentiellen Lagerzone (SB1 , SB3)

- Eine Tiefbohrung nordwestlich des möglichen Lagers beim Portal des Sondierstol­lens im Engelbergertal (SB2)

- Eine Bohrung geringerer Tiefe im S der Lagerzone zur Ortung des Kontaktes zur Axen-Decke (SB4); dazu zwei optionale Bohrungen gleicher Zielsetzung am E­Hang des Engelbergertals und am S-Ende des Secklis Bach-Tals (SB4a, SB4b)

- Eine Bohrung im Engelbergertal an einem durch Refraktionsseismik und Geoelek­trik zu bestimmenden Platz (SB6)

- Reflexionsseismische Messungen mit einem Netz von Messprofilen, bei denen die beschriebenen Bohrungen zur Kalibrierung benützt werden

- Refraktionsseismische und geoelektrische Messungen im Engelbergertal - Einen etwa 5 km langen Sondierstollen, dessen Portal am Fuss des Wellenberg-W-

Hanges liegt mit zwei davon abzweigenden Testkavernen.

Die folgenden Sondierungen waren zu r späteren Erkundung eines Tieflagers geplant:

- Eine Bohrung vom Sondierstollen aus ins Liegende des Wirtgesteins - Ein ebenfalls im Sondierstollen beginnender, ca. 300 m tiefer Vertikalschacht - Ein vom genannten Schacht ausgehender kurzer Stollen und ein damit kombinier-

tes Tiefenfelslabor

Der Bundesrat bewilligte am 31.8.1988:

- Alle Untersuchungen und Messungen an der Oberfläche - Alle von der Oberfläche aus geplanten Bohrungen mit den dazugehörenden Mes-

sungen und Untersuchungen - Einen maximal 2 km langen Stollen ausserhalb der potentiellen Lagerzone mit den

dazugehörigen Untersuchungen und Bohrungen - Ein Felslabor und darin vorzunehmende in situ-Versuche

Freigaben der Hauptabteilung für die Sicherheit der Kernanlagen (HSK) des Bundes­amtes für Energiewirtschaft wurden beim Eintritt des Sondierstollens ins Wirtgestein und vor der Erstellung des Felslabors vorgeschrieben.

Die Bewilligung der Weiterführung des Sondierstollens in die potentielle Lagerzone wurde ausgesetzt und von der Vorlage einer Auswertung der bewilligten Sondierun­gen und Untersuchungen abhängig gemacht. Die Erkundung eines Tieflagers wurde nicht bewilligt.

Etwa zeitgleich mit dem Entscheid des Bundesrates hat die Nagra eine Anpassung des Endlagerungskonzepts vorgenommen und die Arbeiten bezüglich schwach- und mittelaktiver Abfälle auf die Kategorien der kurzlebigen Abfälle ausgerichtet. Die langlebigen alphahaitigen mittelaktiven Abfälle werden entsprechend der Konzeptan­passung neu zusammen mit den hochaktiven Abfällen in einem separaten Endlager

- 17 - NAGRA NTB 93-28

entsorgt werden. Diese Konzeptänderung ist als bevorzugte Variante im Bericht NAGRA, 1988d dargelegt und später im Konzept der nuklearen Entsorgung Schweiz NAGRA, 1992 verbindlich festgelegt worden.

Die Konzeptänderung hatte zur Folge, dass die erhaltene bundesrätliche Bewilligung zur Abklärung des nun vorgesehenen Endlagers für kurzlebige schwach- und mitteI­aktive Abfälle vollumfänglich ausreichte, ja dass theoretisch eine Reduktion des ur­sprünglich vorgesehenen Untersuchungsprogramms - das auch im Hinblick auf lang­lebige Abfälle konzipiert worden war - denkbar gewesen wäre. Das Potential zur Re­duktion von Umfang, Dichte und Genauigkeit der Messungen hat sich allerdings als nur unwesentlich erwiesen und wurde nicht ausgeschöpft. Das Programm der Unter­suchungen von der Erdoberfläche wurde vielmehr im Rahmen der erhaltenen Bewilli­gung noch ausgebaut, um genügend Daten zur Begründung eines Geosphären­Datensatzes für das Gesuch um die Rahmenbewilligung zu erhalten.

In diesem Sinne wurde die Bohrung SB3 entsprechend den ersten Resultaten der 1989 durchgeführten Reflexionsseismik-Kampagne mit einer Teufe bis in die Basis des Wirtgesteins geplant, um damit eine schnelle Identifikation starker Reflektoren möglich zu machen. Auch wurde eine Aufstockung der Untersuchungen in den Boh­rungen SB1, SB3 und SB4 im Sinne einer Erweiterung und Ergänzung des bereits publizierten Arbeitsprogramms (NAGRA, 1989) beschlossen und in einer Aktennotiz dokumentiert. Derselbe erweiterte Untersuchungsumfang wurde auch in den später dokumentierten Programmen der Sondierbohrungen SB2 und SB6 vorgesehen (NAGRA, 1991).

3.2 Stand der Untersuchungen

Die bis heute am Standort Wellenberg durchgeführten Sondierungen und Feldunter­suchungen (Tab. 3.2.1) begannen mit den nicht bewilligungspflichtigen Arbeiten im Sommer 1986 und wurden im Frühjahr 1993 vorerst abgeschlossen. Im einzelnen wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:

Geologische Detailkartierung: Die Kartierung im Massstab 1:10 1000 wurde 1986 ausgeführt. Die kartierte Fläche beträgt ca. 39 km2 . Im zugehörigen Bericht wurden 11 Profilschnitte und ein Horizontalschnitt erstellt und kommentiert (SCHNEI­DER, 1988b). Das Ziel war einerseits die Schaffung einer verlässlichen Grundlage zur Planung des Untersuchungsprogramms und andererseits die rasche Verbesserung der Grundlagen zur Prognostizierung der Wirtgesteinsgrenzen.

Mit dem Ziel einer besseren Erfassung der beidseitig des Engelbergertals vorliegen­den Strukturen wurde 1992 die Kartierung westlich der Engelberger Aa erweitert. Der entsprechende Bericht wi rd im Herbst 1993 abgeliefert.

Regionale Strukturstudie: Diese bereits im Zusammenhang mit der Bearbeitung des Standortes Oberbauenstock ausgeführte Studie (SCHNEIDER, 1988a) reicht bis zum Engelbergertal. Sie wurde deshalb auch im Rahmen der Standortuntersuchungen Wellenberg für regionalgeologische Korrelationen benutzt.

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Tabelle 3.2.1: Chronologie der Felduntersuchungen am Wellenberg

1986 Geologische Detailkartierung 1:10'000

ab 1987

ab 1988

Herbst 1989

1988 - 1990

Hydrogeologischer Kataster und periodische Messungen (662 Quellen, 19 Grundwasserbeobachtungsstellen

im Tal, Stand 1988)

Geodätische Vermessungen (Rutschmessungen)

Geophysikalische Messungen - Reflexionsseismik 5 Profile (19.6 km) - Refraktionsseismik 3 parallele Profile (16.5 km) - Geoelektrik . 3 parallele Profile im Tal (16.5 km)

Bodengasmessungen

Winter 1989/90 Piezometerbohrungen PBo1 - PBo6 (bis 30 m Teufe)

1990

1990 - 1991

1990 - 1991

1991

1992 - 1993

Sondierbohrung SB4

Sondierbohrung SB3

Sondierbohrung SB1

Sondierbohrung SB6

Sondierbohrung SB2

15.05.1990 - 05.09.1990 Teufe: 757.6 m

22.09.1990 - 14.07.1991 Teufe: 1546.7 m

1 2. 11 .1 990 - 04. 12.1 991 Teufe: 1670.3 m

02.09.1991 -10.12.1991 Teufe: 430.6 m

25.03.1992 - 26.01.1993 Teufe: 1870.4 m

1992 Ergänzung der geologischen Detailkartierung 1 :10'000

1993 Piezometerbohrunq PBo7 Teufe 130.6 m

Hydrogeologischer Kataster, Piezometerbohrungen, hydrogeologisches Mess­programm: Die Aufnahme des hydrogeologischen Katasters als Basis für das geplan­te Messprogramm erfolgte zwischen September 1987 und Juli 1988. Dabei wurde ei­ne Gliederung in die folgenden, bezüglich Inventarisierung und Zielsetzung unter­schiedlichen Zonen, vorgenommen:

- Die Zone 1 a umfasst den Kernbezirk des Standortgebietes mit allen Sondierungen. Hier wurden 495 Quellen und Bachwasserfassungen sowie 3 Grundwasserbeob­achtungssteIlen inventarisiert.

- In den zwei Teilgebieten der Zone 1 b (Fig. 3.2.1) wurden 101 Quellen und 16 G rundwasserbeobachtu ngsstellen aufgenommen.

- 19 - NAGRA NTB 93-28

- Die Zone 2 umfasst zwei Randgebiete, in denen 66 ausgewählte Quellen inventa­risiert wurden.

Grenze Detailkartierung 1992 Grenze hydrologischer Kataster und Beprobungszonen

Reproduziert mit Bewilligung des Bundesamtes tür Landestopographie vom 11. 8. 1993

Figur 3.2.1: Grenzen der geologischen Detailkartierung und des hydrogeolo­gischen Katasters

Zur Ergänzung der bestehenden Grundwasserbeobachtungsstellen wurden im Winter 1989/90 im Engelbergertal sechs zwischen 16 mund 30 m tiefe Piezometerbohrun­gen erstellt. Auf der Basis des beschriebenen hydrogeologischen Katasters wurden die Messun­gen geplant und durchgeführt. Sie umfassen die üblichen Parameter (Schüttung bzw. Abstich, Wassertemperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, z.T. Sauerstoffgehalt und -sättigung) mit je nach Zone unterschiedlicher Frequenz. Sie werden ergänzt durch hydrochemische Beprobungen und Analysen, Isotopen-Referenzmessungen an Meteorwasserproben und durch die Überwachung ausgewählter Quellen während den Bohrarbeiten. Dieses Messprogramm wurde seit November 1987 etappenweise begonnen und bleibt bis auf weiteres in Kraft.

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Dieses Messprogramm soll Grundlagen für die hydrogeologische Charakterisierung des Standortgebietes liefern und die in den Bohrungen erhobenen Daten ergänzen. Ein weiteres, vor allem in der Zone 1 a und den angrenzenden Bereichen wichtiges Ziel war und ist die vorsorgliche Beweissicherung im Hinblick auf die Sondierungen.

Bodengasmessungen: In den Jahren 1988 bis 1990 wurden jeweils im Herbst über den Valanginien-Mergeln des Untersuchungsgebietes Bodengasmessungen durchge­führt, um abzuklären, ob damit eine Kartierung von Störungszonen im schlecht aufge­schlossenen Wirtgestein möglich ist. Es wurden dabei die Konzentrationen der gas­förmigen Kohlenwasserstoffe sowie von 02, H2, He, C02 und N2 in der Bodenluft ge­messen. Zusätzlich wurden 1989 versuchsweise einige Radonmessungen an Boden­luftproben vorgenommen.

Geodätische Kontrollmessungen: Um allfällige Bewegungen in den Rutschungen des Standortgebietes, insbesondere in der Rutschmasse von Altzellen zu erfassen, wurde im August 1988 ein Netz von 36 Vermessungspunkten (davon 22 neue) einge­richtet und vermessen. Kontrollmessungen wurden im Herbst 1989 und 1991 durch­geführt; eine voraussichtlich letzte Messung ist im Herbst 1993 geplant.

Geophysikalische Untersuchungen: Im Herbst 1989 wurden längs fünf das Stand­ortgebiet abdeckenden Messlinien (Fig. 3.2.2) von insgesamt 20 km Länge refle­xionsseismische Messungen durchgeführt mit dem Ziel, neben den geplanten Bohrungen weitere Daten über die strukturellen Verhältnisse des Untersuchungsgebietes zu erhalten. Vor Durchführung der Messungen wurde im Hinblick auf mögliche Folgeschäden ein umfangreicher Rutschkataster zur vorsorglichen Beweissicherung aufgenommen.

Ebenfalls im Herbst 1989 wurden auf drei parallelen Profilen (Gesamtlänge 17 km) im Talboden der Engelberger Aa refraktionsseismische Messungen durchgeführt. Ihr Ziel war die Mächtigkeit der Lockergesteine zu erfassen bzw. die Lage des FeIsuntergrun­des festzustellen.

Mit derselben Zielsetzung wurden zur Ergänzung der Refraktionsseismik auf densel­ben Profilen geoelektrische Messungen ausgeführt.

Sondierbohrungen: Vom Mai 1990 bis zum Januar 1993 wurden fünf Sondierboh­rungen abgeteuft. Mit Proben aus den durchgehenden Kernstrecken, Wasserproben, hydraulischen Tests und geophysikalischen Messungen in den Bohrlöchern wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm durchgeführt. Die chronologische Folge der Bohrungen war:

Sondierbohrung SB4 wurde im Schwandrain, im SW der potentiellen Lagerzone, bis zu einer Endteufe von 757.6 m abgeteuft. Ihr Ziel war, den Kontakt zwischen Drus­berg-Decke und Axen-Decke zu orten und die angrenzenden Gesteine der Axen­Decke zu charakterisieren.

Sondierbohrung SB3 wurde auf Wilershöchi, im W der potentiellen Lagerzone, posi­tioniert und erreichte eine Endteufe von 1546.7 m. Sie sollte bis in das Liegende des Wirtgesteins niedergebracht werden und so die Gesamtmächtigkeit des Wirtgesteins im Bereich der Lagerzone erkunden.

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Reproduziert mit Bewilligung des Bundesamtes für Landestopographie vom 11. 8. 1993

NAG RA NTB 93-28

Messprofile

Reflexionsseism i k Flachseismik und Geoelektrik

Figur 3.2.2: Lage der Sondierbohrungen und der geophysikalischen Messlinien

NAG RA NTB 93-28 - 22 -

Sondierbohrung SB1 wurde unterhalb Oberrickenbach, unmittelbar östlich des Secklis Baches, bis auf 1670.3 m. abgeteuft. Sie liegt im NE der Lagerzone und durchteufte somit, entsprechend dem NE-SW-Streichen der Grossstrukturen im Untersuchungs­gebiet, eine vermutlich ähnliche strukturelle Situation. Sie ist deshalb zusammen mit der Sondierbohrung SB3 besonders für Interpolationen in die mögliche Lagerzone geeignet. Sie erreichte mit dem parautochthonen Nordhelvetischen Flysch das tekto­nisch tiefste Element.

Sondierbohrung SB6 wurde bei Büel nordnordöstlich von Grafenort angesetzt, um den frontalen Bereich der Rutschmasse von Altzellen zu durchbohren und den Fels­untergrund des Engelbergertals in seiner annähernd tiefsten Lage zu orten. Sie er­reichte eine Endteufe von 430.6 m.

Die Sondierbohrung SB2 ist im Engelbergertal in der Portalregion des geplanten Sondierstollens situiert. Ihr Ziel war, im Abstrom-Bereich des möglichen Lagers den geologischen Bau zu erkunden und die Formationen der Drusberg-Decke nördlich des Wirtgesteins zu charakterisieren. Sie wurde bis auf 1870.4 m abgeteuft. Nach Ab­schluss der Sondierbohrung SB2 wurde in unmittelbarer Nähe eine Piezom-eterboh­rung von 130.6 m Teufe erstellt, um die Langzeitbeobachtung der hydraulischen Po­tentiale in der Sondierbohrung SB2 zu ergänzen.

Die aufgezählten Untersuchungen umfassen, abgesehen vom Sondierstollen, die mei­sten der im Sondiergesuch (NSG 18) vorgesehenen Sondierungen und Abklärungen. Dank den oben dargelegten Anpassungen (Kap. 3.1) genügen die erhobenen Daten für eine selbständige Auswertung und Interpretation.

Bereits die bisherigen Untersuchungen ermöglichten einen wichtigen Schritt im Rah­men der Gesamtzielsetzung der Felduntersuchungen, nämlich der geologischen Cha­rakterisierung des Endlagerstandortes Wellenberg. Sie bilden die Grundlage zur Ein­leitung des Rahmenbewilligungs-Verfahrens im Jahre 1994. Für das Gesuch um die nukleare Baubewilligung des Bundes beziehungsweise für die Betriebsbewilligung zur Einlagerung der Abfälle sind selbstverständlich weitere Sondierungen nötig und vorgesehen - zunächst die Ausschöpfung der bereits vorliegenden Bundesbe­willigung, später dann begleitende Untersuchungen während der Erschliessung des eigentlichen Endlagerbereichs in der Bauphase.

3.3 Programm der Auswertungen

Die erdwissenschaftlichen Untersuchungen am Wellenberg wurden später in Angriff genommen als an den anderen drei Standorten. Die bewilligungspflichtigen Messun­gen und Sondierungen begannen im Herbst 1989, zu einem Zeitpunkt als über den Stand bzw. Abschluss der Untersuchungsphase I am Bois de la Glaive, am Oberbau­enstock und am Piz PianGrand bereits Berichte vorlagen (NAGRA, 1988a; NAGRA, 1988b; NAGRA, 1988c). Das Ziel war deshalb nicht nur, diesen Rückstand möglichst rasch aufzuholen, sondern die anfallenden Rohdaten ohne Verzug soweit auszuwer­ten, dass erste Datensätze für die Sicherheitsanalyse und für die Abschätzung der technischen Machbarkeit bereitgestellt und somit die Voraussetzungen für die Stand­ortwahl geschaffen werden konnten (NAGRA, 1993a).

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Der im vorliegenden Bericht dokumentierte Auswertungsstand ist derjenige, auf des­sen Basis die Herleitung der im Kapitel 5 dargelegten Datensätze möglich wurde. Alle Auswertungen, die für diese Herleitung relevant waren, wurden bis zu diesem Zeit­punkt prioritär vorangetrieben. Alle Diskussionen, ModelIierungen und Analysen, die dazu nicht unmittelbar benötigt wurden, die jedoch für das Verständnis des Standort­modells und für eine tiefergehende Synthese der Auswertungen notwendig sind, wer­den bearbeitet und kommen in einem späteren Schlussbericht zur Darstellung.

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4 GEOLOGISCHE VERHÄLTNISSE AM STANDORT WELLENBERG UND DAVON ABGELEITETE KONZEPTUALISIERUNGEN UND MODELLIE­RUNGEN

Im vorliegenden Kapitel werden die geologischen Grundlagen dokumentiert, welche die Basis der im Kapitel 5 dargestellten Datensätze bilden. Im weiteren werden die Modellannahmen und Konzeptualisierungen dokumentiert, die in den Datensatz für die Sicherheitsanalyse eingehen oder für die Herleitung desselben benutzt werden.

Im Kapitel 4.1 werden die im Untersuchuchungsgebiet an der Oberfläche beobachte­ten und in den Sondierbohrungen angetroffenen geologischen Einheiten und Forma­tionen lithologisch, petrographisch und mineralogisch beschrieben sowie stratigra­phisch eingeordnet. Unter Kapitel 4.2 folgt die strukturgeologische Beschreibung des Untersuchungsgebietes mit besonderer Berücksichtigung der für die Datensätze wichtigen Prognosen und Beobachtungen. Im Kapitel 4.3 werden die in den Bohrun­gen beobachteten Wasserfliesswege charakterisiert und mit Hilfe lithologischer und strukturgeologischer Befunde konzeptualisiert. Kapitel 4.4 ist der Beschreibung und Interpretation hydrochemischer Resultate gewidmet. Im Kapitel 4.5 wird der Stand der hydrogeologischen Untersuchungen und ModelIierungen dokumentiert und Kapitel 4.6 gibt einen Überblick über Daten und Überlegungen zur Neotektonik. Im Kapitel 4.7 sind die Ergebnisse der Studien über Langzeitszenarien zusammengefasst.

4.1 Stratigraphie, Lithologie, Mineralogie

Die stratigraphische Gliederung der anstehenden und erbohrten Sedimente erfolgte wie üblich nach lithostratigraphischen Kriterien. Dabei werden Schichtstapel gleicher Lithologie oder Faziesassoziationen zu Formationen, Formationsgliedern oder auch zu informellen Einheiten zusammengefasst. Bei der Definition einiger Einheiten ge­nügt das makroskopische Erscheinungsbild, bei andern stützt sie sich auf den mikro­fazieIlen Befund. Von der faziellen Ausbildung der Formationen und deren Abfolge werden ihr Sedimentationsraum und ihre entsprechende tektonische Zugehörigkeit hergeleitet. Eine Übersicht über die im Untersuchungsgebiet vorliegenden Formationen und deren Aufschlüsse wird in der geologischen Karte (Beil. 4.1.1) gegeben. Diese Karte zeigt, dass ein Grossteil der Geländeoberfläche mit Ausnahme des Wellenberges und dem S-, N- und W-Rand des Untersuchungsgebietes aus Lockergesteinen besteht. Im Rahmen der Sondierbohrungen SB1, SB2, SB3, SB4 und SB6 wurden nahezu 6300 m Gestein und 24 verschiedene Formationen und Formationsglieder erbohrt, zu denen auch 4 Lockergesteinstypen und die Rutschmasse Altzellen gezählt werden (Tab. 4.1.1). Darunter sind aber auch Formationen enthalten, die an der Gelände­oberfläche nicht anstehen und aufgrund ihrer relativen Nähe zum Endlagerstandort von besonderem Interesse sind. Die mineralogische Zusammensetzung der im fol­genden beschriebenen Einheiten sind in der Tabelle 4.1.2 zusammen mit den petro­physikalischen Daten (Dichte, Porosität) zusammengestellt.

- 25 - NAGRA NTB 93-28

Tabelle 4.1.1 : Übersicht der kartierten und erbohrten Formationen und Einheiten

Formation/Einheit Stufe

Bachschutt Gehängeschutt Moräne Quartär Fluvioglaziale Sedimente Rutschmasse

Drusberg-Decke

Helvetischer Kieselkalk Graue Mergelschiefer Äquivalent der Gemsmättli-Schicht Kreide (Unterkreide) Sichel-Kalk Diphyoides-Kai k Vitznau-Mergel l Valanginien-Palfris-Formation r Mergel

Axen-Decke/Subhelvetische Elemente

G lobig e ri nenm e rg e I l Tertiäre Schimberg-Schiefer r Schiefer Tertiär (Eozän) Hohgant-Formation Klimsenhorn-Formation Betlis-Kalk Kreide (Unterkreide) Öhrli-Formation G raspass-Schichten Übergang Jura-Kreide Tros-Kalk Jura (Malm)

Südhelvetischer Flysch Tertiär

Melange, interhelvetisch Tertiär

Melange, infrahelvetisch Tertiär

Dachsch iefer -Altdo rfe r -Sandstei n Tertiär (Eozän-Oligozän) (Parautochthon)

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4.1.1 Quartär

Die Lockergesteine des Untersuchungsgebietes können in die folgenden Lockerge­steinstypen gegliedert werden:

Bachschutt: Umfangreiche Bachschuttablagerungen sind im Tal des Secklis Baches zu beobachten, wo sie mit der Sondierbohrung SB1 in Oberrickenbach in den ober­sten 20 Bohrmetern durchfahren wurden. Auf dem Gebiet der Rutschmasse Altzellen ist neben kleineren Bachschuttablagerungen am Fuss lokaler Entwässerungsrinnen lediglich der Bachschuttfächer des Eltschenbaches von Bedeutung. Es sind grössten­teils Ablagerungen bestehend aus einer siltigen bis feinsandigen Kies-Matrix mit ei­nem überwiegenden Stein- und Blockanteil, dessen Maximaldurchmesser im 1 m-Be­reich liegen.

Gehängeschutt: Die im N und S des Untersuchungsgebietes weit verbreiteten steilen Bergflanken und die Steilhänge des Wellenberges weisen umfangreiche Gehänge­schuttablagerungen auf. Lokal sind sie ausserdem oft von Fels- bzw. Bergsturzabla­gerungen durchsetzt. Die Gehängeschuttablagerungen erreichen in den Sondierboh­rungen SB4 und SB3 51.40 bzw. 52.50 m. Sie bestehen meist aus tonigem bis fein­sandigem Kies mit reichlich bis viel Steinen und Blöcken.

Moräne: Der überwiegende Teil der Geländeoberfläche im Untersuchungsgebiet be­steht aus Moräne. Es handelt sich dabei generell um kompakt gelagerte Moräne mit leicht tonigem Silt und Kies, Steinen und Blöcken. Ihre teilweise geritzten Grosskom­ponenten sind kantig bis gerundet. Moränenmaterial wurde in der Sondierbohrung SB1 zwischen 20.60 mund 50.30 m und in der Sondierbohrung SB6 zwischen 10.80 mund 26.30 m durchfahren. Moräne wurde auch in den untersten Abschnitten der Piezometerbohrungen PBo2 bis PBo6, d.h. unterhalb 13 - 19 m, durchfahren. Die mittlere geschätzte Mächtigkeit der im Untersuchungsgebiet vorliegenden Moräne liegt im 5- bis 10-m-Bereich.

Fluvioglaziale Sedimente: In der Sondierbohrung SB6, d.h. in der Rutschmasse Alt­zellen, sind fluvioglaziale Ablagerungen zwischen 28.85 mund 37.10 m Tiefe durch­fahren worden. Es sind dicht gelagerte und oft sortierte, aus siltigem und variabel sandigem Fein- bis Mittelkies bestehende Schwemmablagerungen mit lagenweisen Einschaltungen von siltigem Feinsand.

Talfüllung des Engelbergertals: Die im Rahmen der Piezometerbohrungen PBo1 - 6 durchgeführten Kernbohrungen im Engelbergertal zeigen unter einer ca. 20 cm mächtigen Humus-Schicht eine maximal 2 m mächtige Abfolge aus tonigen bis fein­sandigen Überschwemmungssedimenten der Engelberger Aa. Darunter folgen fluviatile Ablagerungen in Form von Sanden und zum Teil siltigen oder sandigen Schottern, die mit tonig-siltigen Sandlinsen durchsetzt sind. 13 - 19 m unter dem Ter­rain lagert Moränenmaterial, das einen relativ hohen Siltanteil aufweist.

Rutschmasse Altzellen: Diese ausgedehnte Rutschmasse umfasst beinahe aus­schliesslich Gesteine der Palfris-Formation. Sie erreicht in der Sondierbohrung SB6 eine Mächtigkeit von über 200 m und besteht aus mächtigen zerrütteten, brecciierten Abschnitten, die mit mehr oder weniger unversehrten Gesteinspaketen alternieren.

- 27 - NAGRA NTB 93-28

4.1.2 Drusberg-Decke

4.1.2.1 Helvetischer Kieselkalk

Der Helvetische Kieselkalk der Drusberg-Decke bildet im Untersuchungsgebiet die aus der Ferne schmutziggrau erscheinenden unteren Steilwände der westlichen Flan­ke des Engelbergertals. An der E-Flanke ist er längs der Strasse nach Oberricken­bach und am W- und N-Hang des Wellenberges aufgeschlossen. In östlicher Rich­tung bildet er den teilweise bewaldeten S-Hang des Haldigrates und die S-Wand des Brisen sowie des Hoh Brisen. In der Axen-Decke ist der Helvetische Kieselkalk in dem durch Erosion freigelegten Stirnbereich der nördlichsten Falten zu beobachten. In der Sondierbohrung SB2 tritt der Helvetische Kieselkalk in einer südlichen, merge­ligen Fazies und in der Sondierbohrung SB1 in einer nördlichen, kalkigen und sandi­gen Fazies auf. In SB2 wird der zur Drusberg-Decke gehörende Helvetische Kiesel­kalk auf einer Länge von ca. 430 m durchfahren. Er besteht aus Kalkbänken, die in unterschiedlichem Ausmass mit Mergellagen alternieren. Meist wechseln 15 - 30 cm mächtige tonige Kalkbänke mit 5 - 15 cm mächtigen Mergeln ab, zuweilen bilden die Kalke 1 - 2 m mächtige Bänke und bis 30 m mächtige Abschnitte ohne nennenswerte Mergelzwischenlagen. Kalke und Mergel weisen durchwegs ein durch Bioturbation er­zeugtes flaseriges und linsiges Gefüge sowie tonige Stylolithen und faustgrosse Si­lexknollen auf. Mikrofaziell handelt es sich überwiegend um biodetritische, spikuliti­sche Kalke und Mergel, wobei die calcitisierten Kieselspongiennadeln meist relativ dicht gepackt in einem Mikrosparit liegen. Mineralogisch setzen sich die Gesteine aus rund 30 - 60 Gew% Calcit und Dolomit, 20 - 30 Gew% Quarz und 20 - 40 Gew% Schichtsilikaten zusammen. Der hohe Quarzgehalt beruht bei vielen Schichten nicht etwa auf detritischen Quarzkörnern, sondern auf einem hohen Anteil an authigenem Quarz und Chalcedon, die in der kalkigen Grundmasse schwammartig fein verteilt sind.

Der Helvetische Kieselkalk in SB1 (1193.00 - 1238.31 m) besteht aus spätigen, biode­tritusreichen Kalken und sandigen (20 - 30 Gew% detritischem Quarz), biodetritischen Kalken und Mergeln. Er kann wegen seiner nördlichen Fazies, im Zusammenhang mit den Formationen im Hangenden und Liegenden, mit den Schichtreihen der subhelve­tischen Elemente in der Gegend von Engelberg parallelisiert werden.

4.1.2.2 Graue Mergelschiefer

In der geologischen Karte (Beil. 4.1.1) sind die Grauen Mergelschiefer zusammen mit dem Diphyoides-Kalk kartiert. Sie treten sowohl am Wellenberg als auch in den unte­ren Hangpartien des Haldiwaldes, des Brisen und des Hoh Brisen auf. Ihr gegenüber dem Diphyoides-Kalk höherer Mergelanteil lässt die entsprechenden Wandabschnitte infolge geringerer Verwitterungsresistenz leicht zurückweichen. In der Sondierbohrung SB2 treten die Grauen Mergelschiefer tektonisch repetiert in vier Abschnitten auf. Sie bestehen in den zwei oberen Abschnitten aus dunkelgrauen bis schwarzen Mergeln mit einzelnen eingeschalteten, hellgrauen, mi kritischen Kalk­bänken und wenigen Belemniten, Muscheln, Pyrit- und Phosphoritknöllchen. Die zwei

Mineralogie

Tektonische Formation Pro- Calcit Ankerit! Quarz Albit KalifeId- Pyrit Corg Stellung ben- Gew% Dolomit Gew% Gew% spat Gew% Gew%

zahl Gew% Gew%

Quartär Rutschmasse 4 40±4 7±3 15±4 1±0 O±O 1.4±0.4 0.6±0.5

Helvetischer Kieselkalk 17 42±15 3±2 32±14 1±1 O±O 1.2±1.2 0.5±0.2

Graue Mergelschiefer 10 65±12 3±4 12±4 2±1 O±O 0.5±0.4 0.4±0.4

Drusberg- Äquiv. Gemsmättli 2 55±17 3±0 14±2 4± 3 O±O 0.3±0.1 0.5±0.1 Schicht

Decke Sichel-Kalk 6 64±9 4±2 15±3 2±1 O±O 0.2±0.1 0.4 ±O. 1

Diphyoides-Kalk 4 64±11 4±3 12 ±6 3±1 O±O 0.7±0.3 0.5±0.5

Vitznau-Me rgel 8 58±17 5±3 17±12 2 ± 1 O±O 1.1 ±0.3 0.7±0.7

Palfris-Formation 115 45±21 8±5 14±5 1 ± 1 O±O 1.2±0.8 0.6±0.3

Melange, Melange, interhelvetisch 10 21±17 4±4 26±15 2±2 O±O 0.8±0.4 0.4±0.3

interhelvet.

Südhelvetischer Flysch 4 20±13 2±1 23±10 8±6 O±O 1.0±0.6 0.5±0.3

Globigerinenmergel 4 41±5 4±2 16±4 3±2 O±O 0.8±0.5 0.7±0.4

Axen- Schimberg-Schiefer 11 36±8 2±1 29±8 2±1 O±O 0.7±0.3 0.4±0.3

Decke Hohgant-Formation 1 18 0 57 1 0 0.6 0.5

Öhrli-Kalk 5 70±26 8±9 5±5 2±1 O±O 1.2±1.1 0.4±0.2

Tros-Kalk 2 86±4 1±2 O±O 1±0 O±O 0.1±0.1 0.7±0.1

Melange, Melange, infrahelvetisch 14 22±18 2±2 26±14 6±4 O±O 0.7±0.5 0.6±0.3

infrahelv.

Parautoch- Dachschiefer-Altdorfer- 6 15±10 3±3 26±8 11±5 O±O 0.9±0.5 0.7±0.5 thon Sandstein Drusberg- Palfris-Formation und decke Vitznau-Mergel 29 50±16 4±2 13±4 O±O O±O 1.4±1.0 0.7±0.4

Oberbauenstock -----

Dichte/Porosimetrie

Schicht- Pro- Gesteins- offene offene silikate ben- dichte Mikro- Makro-Gew% zahl glcm3 porosität porosität

Vol% Vol%

35±4 3 2.44±0.06 6.4±4.6 0.6±0.2

20±10 10 2.66±0.04 1.4±1.7 0.2±0.1

17± 6 3 2.67±0.02 1.6± 1.1 0.3±0.1

23±19 0

15±8 2 2.66±0.03 1.5±1.9 0.2±0.1

16±4 1 2.72 0.2 0.2

16±7 4 2.67±0.03 0.8±0.6 0.4±0.4

30±14 23 2.68±0.05 2.1±1.7 0.3±0.2

46±15 2 2.67±0.05 0.3±0.2 0.2±0.1

46±18 0

32±10 4 2.71±0.01 0.5±0.3 0.3±0.1

30±5 4 2.68±0.03 1.5±0.8 0.3±0.1

22 0

14±12 5 2.66±0.03 0.3±0.1 0.2±0.1

11±6 1 2.64 0.5 0.2

43±22 1 2.68 0.6 0.3

44±11 1 2.64 0.3 0.2

32±14 14 2.67±0.01 2.0±0.7 0.2±0.1

----- ---

totale offene Porosität Vol%

7.0±4.5

1.6±1.7

1.8±1.1

1.6±1.8

0.4

1.2±0.7

2.3±1.8

0.6±0.4

0.8±0.4

1.7±0.9

0.5±0.1

0.7

0.9

0.5

2.3±0.7

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- 29 - NAG RA NTB 93-28

unteren Abschnitte weisen mehr Kalkbänke und demzufolge eine eigentliche Kalk/Mergel-Wechsellagerung aus 10 - 30 cm mächtigen Bänken auf. Die Kalke ent­halten ein dunkles, mergeliges und die Mergel ein helles, kalkigeres Wühlgefüge. Mi­krofaziell erweisen sich die Grauen Mergelschiefer als pelagisches Sediment, indem sie an biogenen Komponenten vor allem Radiolarien führen.

4.1.2.3 Äquivalent der Gemsmättli-Schicht

Zwischen den Grauen Mergelschiefern und dem Sichel-Kalk liegen jeweils relativ ge­ringmächtige Schichten aus sandigen Mergeln (bis 20 % Quarz, mit Korngrössen bis 0.25 mm) mit Glaukonit, unzähligen Echinodermen- und Muscheltrümmern, Belemni­ten, mikritischen Lithoklasten und frühdiagenetisch verhärteten Kalkbänken und -knol­len. Sie entsprechen faziell der Gemsmättli-Schicht. Im Feld wurden diese Gesteine lediglich in Form eines kleinen Aufschlusses auf dem Wellenberg beobachtet.

4.1.2.4 Sichel-Kalk

Der Sichel-Kalk steht an der Oberfläche des Untersuchungsgebietes nicht an und wurde lediglich in der Bohrung SB2 angetroffen. Er beansprucht unterhalb 754.95 m, aufgeteilt in mehrere Abschnitte, den grössten Teil der Bohrstrecke. Der Sichel-Kalk nimmt nach STRASSER (1979) paläogeographisch eine Zwischenstellung zwischen den Plattform-Sedimenten des Betlis-Kalkes und dem hemipelagischen Diphyoides­Kalk ein (Fig. 4.1.2). Er ist weniger verbreitet als die zwei lateral anschliessenden Formationen, jedoch von der Randkette des Berner Oberlandes (lSCHI, 1978) und von der Ostschweiz (STRASSER, 1979) bekannt. In der Sondierbohrung SB2 ver­zahnt er sich mit Diphyoides-Kalk zwischen 754.95 mund 822.50 m und mit Grauen Mergelschiefern zwischen 1319.20 mund 1398.42 m.

Der Sichel-Kalk besteht überwiegend aus grauen bis hellgrauen, mikritischen Kalk­bänken und führt nur in wenigen Abschnitten Mergelzwischenlagen. Meist wird die Abfolge durch schwarze, tonige Stylolithe gegliedert. Sie sieht dem Diphyoides-Kalk zum Verwechseln ähnlich, unterscheidet sich jedoch mikrofaziell, indem Quarzsand und Echinodermentrümmer zu den Spongiennadeln hinzukommen. Gleich wie im Helvetischen Kieselkalk kann die Matrix stellenweise silifiziert sein.

4.1.2.5 Diphyoides-Kalk

Der Diphyoides-Kalk liegt normalstratigraphisch unter den Grauen Mergelschiefern. Im Untersuchungsgebiet bildet er aus der Ferne gut sichtbare Steilwandabschnitte, die sich gegenüber den Grauen Mergelschiefern durch eine hellere Farbe unterschei­den: Der Diphyoides-Kalk bildet am Wellenberg die steil abfallende SW-Wand. Eben­so ist er in der E-Wand des Wellenberges aufgeschlossen, wo er die namengebenden Falten bzw. "Wellen" enthält. In östlicher Richtung folgt er beinahe lückenlos den un­tersten Hangpartien des Haldiwaldes, des Brisen und des Hoh Brisen. In der Sondierbohrung SB2 wurde der Diphyoides-Kalk zwischen 493.00 mund

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602.43 m erbohrt. In derselben Bohrung tritt er ein zweites Mal zwischen 754.95 m und 822.50 m auf, verzahnt sich jedoch mit Sichel-Kalk. Makroskopisch besteht der Diphyoides-Kalk aus hellgrauen oder hellbeigen, splittrig brechenden, mikritischen Kalkbänken, die stellenweise dünne dunkelgraue Mergelzwischenlagen oder auch schwarze tonige Stylolithen enthalten. Zudem weisen sie infolge Durchwühlung dunkle, mergelige Flasern und Linsen sowie auffällige 5 mm breite Zoophycos-Sprei­tenbauten auf. Mikrofaziell zeigt sich meist ein biogenarmes mikritisches Sediment mit einzelnen Calcisphären, Radiolarien und Spongiennadeln.

4.1.2.6 Vitznau-Mergel (Valanginien-Mergel p.p.)

Die Vitznau-Mergel folgen normalstratigraphisch direkt über der Palfris-Formation bzw. unter dem Diphyoides-Kalk. Im Untersuchungsgebiet sind sie lediglich im Über­gangsbereich zwischen dem S-Grat des Wellenberges und dem nördlichsten Ab­schnitt des Eggeligrates aufgeschlossen. Fragmentarisch ist diese Formation ausser­dem ca. 100 m östlich des oben genannten Aufschlusses im SE-Hang des Wellen­berges nochmals aufgeschlossen, bevor sie unter dem Gehängeschutt der Wellen­berg-E-Wand verschwindet. Gegenüber der Palfris-Formation treten die Vitznau-Mer­gel dank ihres höheren Kalkgehaltes im Relief leicht deutlicher hervor. Im unteren Teil bestehen die Vitznau-Merget im allgemeinen aus einer sandarmen, tonreichen Kalk/Mergel-Wechsellagerung mit zahlreichen Exogyren und Serpuliden. Oben dominieren sandreiche Kalke und Mergel (BURGER & STRASSER, 1981). Die Vitznau-Mergel sind der Palfris-Formation recht ähnlich und enthalten insbesondere auch die dort beschriebenen Kalkbankabfolgen (Kap. 4.1.2.7). Sie unterscheiden sich von jener durch den generell höheren Kalkgehalt sowie durch ihre feingebankte Wechsellagerung im Dezimeterbereich, ihren Sandgehalt und die Makrofossilien.

In obiger Ausbildung bauen Vitznau-Mergel die Strecke zwischen 808.17 mund 871.65 m der Sondierbohrung SB1 und den Abschnitt zwischen 335.25 mund 362.90 m der Sondierbohrung SB4 auf. Sowohl relativ sandarme Kalk/Mergel­Wechsellagerungen wie auch sandreiche (38 0;0 Quarz in SB4 bei 353.11 m) Kalk/Mergel-Folgen treten auf, in jedem Fall aber führen sie Serpulidenröhren und Austernbruchstücke. Die ursprüngliche sedimentäre Mächtigkeit der Vitznau-Mergel erreicht maximal ca. 60 m (BURGER & STRASSER, 1981).

Im Vergleich zur Palfris-Formation fällt der mittlere Quarzgehalt wegen den relativ ho­hen als auch tieferen Werten nicht höher aus. Demgegenüber ist jedoch der Calcitge­halt in den Vitznau-Mergeln deutlich höher (56 Gew% in SB4 und 61 Gew% in SB1).

4.1.2.7 Palfris-Formation (Valanginien-Mergel p.p.)

Die Palfris-Formation bildet mit ihren verwitterungsanfälligen Mergeln morphologisch eine Vertiefung zwischen den Kalken der Drusberg-Decke im N und der Axen-Decke im S. Sie reicht von der Storegg im SW über den Eggeligrat im Standortgebiet zur Sinsgäuer-Schonegg im NE. In diesem Gebietsabschnitt kam es zwangsläufig zur Ablagerung verschiedener Lockergesteinstypen (Kap. 4.1.1), so dass selten gute

- 31 - NAG RA NTB 93-28

Aufschlüsse vorzufinden sind. Ausnahmen sind der Eggeligrat, der Unterlauf des Haldibaches und die Seitenäste des Sinsgäubaches (Beil. 4.1.1). Die Palfris-Formation besteht überwiegend, d.h. zu 70 - 80 °10, aus dunkelgrauen bis schwarzen, siltigen oder feinsandigen, oft schieferigen Tonmergeln. Sie widerspiegelt in diesen Sedimenten eine südliche, hemipelagische Fazies des helvetischen Ablage­rungsraumes. Zeitgleich mit der Sedimentation der Palfris-Formation wurde auf der nördlich anschliessenden Plattform die Öhrli-Formation aus Öhrli-Kalk und Öhrli-Mer­gel sedimentiert. Von dort gelangten zeitweise biogene Komponenten und Quarzsand ins Ablagerungsgebiet der Palfris-Formation, was zu folgenden vier Lithologien führte:

- Tonmergel, siltig bis feinsandig, dunkelgrau oder schwarz - Tonmergel wie oben, mit einzelnen bis zahllosen 0.1 - 3 cm dünnen, hellgrauen,

siltigen-sandigen, kalkigen, biodetritischen Laminae und Lagen; siltig-sandig be­zieht sich auf die Korngrösse des Detritus, der entweder vorwiegend aus Biodetri­tus oder aus Quarzsilt oder -sand besteht (Fig. 4.1 .1)

- Tonmergel wie oben, mit 0.1 - 1.5 m mächtigen Kalkmergel- oder Kalkbänken, die im Verhältnis 1:10 bis 1:1 in die Tonmergel eingeschaltet sind und derart die typi­sche hellgrau-dunkelgrau-Wechsellagerung bilden

- Tonmergel wie oben, sowohl mit siltigen-sandigen, kalkigen, biodetritischen Lami­nae und Lagen als auch mit Kalkmergel- oder Kalkbänken

Die siltigen-sandigen, kalkigen, biodetritischen Lagen und Laminae nehmen mit den Kalk- und Kalkmergelbänken zusammen die restlichen 20 - 30 °10 der Palfris-Forma­tion ein. Es gibt Abschnitte mit gut ausgebildeter W~chsellagerung von Tonmergel­und Kalk/Kalkmergellagen, welche Mächtigkeiten von 17 - 49 m (GÜBELI & THAL­MANN, 1993) erreichen und fortan als Kalkbankabfolgen bezeichnet werden (Kap. 4.2.3.2). Die Kalkbankabfolgen sind für die hydrogeologische Modeliierung von be­sonderer Bedeutung und werden in den Kapiteln 4.3.5 und 5.1.2 explizit betrachtet und konzeptualisiert.

Obschon jede Bohrung eine andere Abfolge aufweist, enthalten sie alle die gleichen Fazien. Deren unterschiedliche Häufigkeit und Reihenfolge ist viel weniger auf sedi­mentäre Wechsel als auf tektonische Anhäufung zurückzuführen. Die ursprüngliche sedimentäre Mächtigkeit der Palfris-Formation dürfte etwa 200 m betragen haben (BURGER & STRASSER, 1981). Verfaltung und Verscherung einzelner Abschnitte haben diese jedoch angehäuft. Speziellere Fazien wie die quarzreichen fein- bis mit­telkörnigen, sandigen biodetritischen Lagen,die gehäuft im unteren Teil der Sondier­bohrung SB2 auftreten, finden sich ebenso in einzelnen Niveaus der Sondierbohrun­gen SB3 und SB1 (Fig. 4.1.2).

Bei den mineralogischen Analysen äussert sich die Wechsellagerung von Tonmergeln mit siltigen-sandigen, kalkigen Lagen und mit Kalk und Kalkmergelbänken in stark variierenden Carbonat-, Quarz': und Tonmineral-, bzw. Schichtsilikatgehalten. Als re­präsentative Werte gelten diejenigen der Bohrung SB3, weil dort die Palfris-Formation am intensivsten beprobt wurde und zwar im Verhältnis der Häufigkeit der einzelnen Lithologien. Jedoch weichen die mittleren Mineralgehalte aller analysierten Proben nur wenig von den mittleren Gehalten der Sondierbohrung SB3 ab, wie beispielsweise der mittlere Calcitgehalt, der in den Proben der Sondierbohrung SB3 42 Gewo/o und im Mittel aller Palfris-Formations-Proben 45 Gewo/o beträgt (Tab. 4.1.2).

NAGRA NTB 93-28 - 32 -

Palfris-Formation: biodetritische, kalkige Sandlage (S81 489.10m)

30 x vergrössert

75 x vergrössert

Sichel-Kalk: Kalk mit Spongiennadeln (blau) und Echinodermenspäten (rot) (S82 1470.05m, Calcit gef.)

30 x vergrössert

Klimsenhorn-Formation: Nummuliten (N)-Discocyclinen (D)-Kalk (S81 1185.85m)

30 x vergrössert

Palfris-Formation: biodetritische, quarzs. Lage (S81 293.74m, Calcit gefärbt, Quarz weiss)

30 x vergrössert

Melange: quarzit ische Sandstein-Komponenten (grau) in Ton (S84 715.35m, X Nicols)

30 x vergrössert

Altdorfer-Sandstein: Vulkanit-Komponente mit idiomorphen Albiten (S81 1460.85m, X Nicols)

Figur4.1 .1: Beispiele verschiedener Mikrofazies-Typen

- 33 - NAG RA NTB 93-28

Der Carbonatgehalt aller Palfris-Formations-Proben schwankt zwischen 21 Gew% und 91 Gew% des Gesamtgesteins, der Quarzgehalt zwischen 4 Gew% und 31 Gew%. Der mittlere Calcitgehalt beträgt 45 Gew%, der mittlere Carbonatgehalt (inklusive Dolomit/Ankerit) 53 Gew% (Tab. 4.1.2) und der mittlere Quarzgehalt 14 Gew%. Kalke und Kalkmergel enthalten generell weniger Dolomit/Ankerit und we­niger Quarz.

Als wichtigster Nebengemengteil tritt in allen Proben der Palfris-Formation Pyrit in Mengen zwischen 0.4 und 4.3 Gew% auf. Er weist meist die Form von winzigen (4 -80 ~m), würfeligen Einkristallen oder framboidalen Aggregaten auf. In einzelnen Fäl­len bildet er mehrere Zentimeter grosse Konkretionen. Der Gehalt an organischem Kohlenstoff beträgt im Mittel 0.6 Gew% und variiert von 0.1 - 1.4 Gew%.

4.1.3 Axen-Decke

4.1.3.1 Globigerinenmergel

Die Globigerinenmergel sind dunkelgraue bis schwarze, blättrig-schieferige, glimmer­führende siltige Tonmergel, selten auch siltige Kalkmergel. Sie unterscheiden sich von den Schimberg-Schiefern durch ihren geringeren Quarz- und Carbonatgehalt. Mi­krofaziell zeigen sich kaum Unterschiede, ist doch etwa die gleiche Foraminiferen­fauna obereozänen Alters vorhanden.

Die Globigerinenmergel treten in der Sondierbohrung SB4 von 547.00 - 637.10 m, 638.10 - 643.98 mund 715.39 - 757.60 m sowie in Melange-Abschnitten der Sondier­bohrungen SB1 und SB3 auf.

Zusätzlich enthalten die Globigerinenmergel in der Sondierbohrung SB4 synsedimen­täre Breccien. Zum einen zeigen sich einige Zentimeter mächtige Sandlinsen und -la­gen aus gut gerundetem Grobsand und eckigem Feinsand mit Bruchstücken von Rotalgen, Discocyclinen, Nummuliten und weiteren Foraminiferen. Zum andern sind Breccien mit handgrossen Komponenten bestehend aus Helvetischem Kieselkalk, Betlis-Kalk, Öhrli-Kalk, Klimsenhorn-Formation und Hohgant-Sandstein ausgebildet. Diese Breccien können nach HERB (1990) mit dem Kleintal-Konglomerat der KleintaI­Serie (tiefste Axen-Decke) parallelisiert werden.

4.1.3.2 Schim berg-Schiefer

Die Schimberg-Schiefer stellen eine Einheit tertiären (obereozänen) Alters dar. Sie sind, aufgrund ihrer Ausbildung in der nördlichen Axen-Decke zu beheimaten. Strati­graphisch stellen sie den unteren sandigen Teil der Globigerinenmergel dar. Sie sind in der Sondierbohrung SB4 zwischen 363.48 mund 547.00 m durchbohrt worden, wo ihre Obergrenze den Kontakt zwischen Drusberg- und Axen-Decke darstellt. In der Sondierbohrung SB1 sind zwischen 774.90 mund 1169.90 m mehrere geringmächti-

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ge Intervalle von Schimberg-Schiefern eingeschaltet. Schimberg-Schiefer sind auch in den Melange-Abschnitten enthalten.

Die Schimberg-Schiefer bestehen entweder aus grauen, siltigen und feinsandigen Tonmergeln mit Sandsteinlinsen und -schlieren oder aus Sandmergeln und feinsandi­gen Kalkmergeln. Häufig weisen sie ein flaseriges und linsiges Gefüge auf, das pri­mär auf Bioturbation und sekundär auf Drucklösung zurückzuführen ist. Stets lassen sie sich am Hellglimmer auf Schicht- und Schieferungsflächen erkennen.

Mikrofaziell fällt ihre Identifikation anhand der auftretenden planktonischen Foramini­feren, vor allem Globigerinen, leicht. Aufgrund der mineralogischen Analysen handelt es sich bei den Schimberg-Schiefern um Sandmergel, obschon der Calcitgehalt um 20 % differieren kann, Quarz, Calcit und Schichtsilikate aber trotzdem etwa je zu ei­nem Drittel beteiligt sind.

N Nördlicher Faziesraum Zentraler Faziesraum Südlicher Faziesraum S

c CD

Figur 4.1 .2:

Kieselkalk-Formation

\----/Spitzern-Mergel

) (nur im Westen) ----Spitzern-Kalk

\ (nur im Westen)

Vitznau-Mergel

Graue Mergelschiefer

Diphyoides-Kalk

Palfris-Formation

c CD

:~

c .~ c 0)

c ~ ct:! >

t: CD m

Faziesverteilung in der Unterkreide des nördlichen Standortgebietes (SB2) nach GEOTEST (1993)

- 35 - NAGRA NTB 93-28

4.1.3.3 HOhgant-Formation

Die Hohgant-Formation tritt am Wellenberg einzig in der Sondierbohrung SB1 zu­sammen mit Schimberg-Schiefern im Top (1138.97 - 1169.90 m) des Äquivalents der Wissberg-Firrenband-Schuppe (subhelvetisches Element) auf. Sie besteht aus mas­sigen, grauen, sandigen Kalkmergeln und kalkigen Sandsteinen mit Solitärkorallen und Muscheln sowie zuunterst einem 4 m mächtigen kalkigen Sandstein mit reichlich Nummuliten- und Discocyclinentrümmern, Glaukonit, Muscheln und Korallen. Die bi­modale Quarzkorngrösse-Verteilung mit eckiger Fein- und gut gerundeter Grobsand­fraktion trägt zum typischen Bild der Hohgant-Formation bei.

4.1.3.4 Klimsenhorn-Formation

Unter der Hohgant-Formation folgt in der Sondierbohrung SB1 die spätmitteleozäne Klimsenhorn-Formation, die ihrerseits auf Helvetischem Kieselkalk lagert, woraus sich ein weiterer paläogeographischer Hinweis für den Nordrand des helvetischen Ablage­rungsraumes ergibt. Die Formation besteht aus kalkigen Sandsteinen, sehr harten quarzitischen Sandsteinen und sandigen Discocyclinen-Kalken, worin Grossforamini­feren gesteinsbildend auftreten sowie Nummulitenkalken. In den quarzitischen Sand­steinbänken beträgt der Quarzgehalt mehr als 80 Gew%.

4.1.3.5 Betlis-Kalk

Der Betlis-Kalk der Axen-Decke entspricht altersmässig dem Diphyoides-Kalk der Drusberg-Decke. Paläogeographisch entstammt er jedoch einer nördlicheren Fazies. Entsprechende Aufschlüsse finden sich nördlich des Bannalpsees (Beil. 4.1.1). Daneben tritt der Betlis-Kalk in der Sondierbohrung SB1 im Äquivalent der Wissberg­Firrenband-Schuppen und zwar sehr geringmächtig (1238.31 - 1242.85 m) auf. Er gleicht mit seinen Silexknollen den Kalken des hangenden Kieselkalkes, unterschei­det sich jedoch von diesen durch die vollständig kalkige Abfolge und die Mikrofazies. Die massigen grauen Kalke werden nur durch Stylolithe gegliedert. Mikrofaziell han­delt es sich um echinodermentrümmerreiche Biopelsparite, die teilweise verkieselt sind.

4.1.3.6 Öhrli-Formation

Die Öhrli-Formation wird durch helle Flachwasserkalke geprägt. Ihre typischen Ge­steine - calcitzementierte Carbonatsande aus u.a. Ooiden, Biodetritus und aufgearbeiteten, frühdiagenetisch verhärteten Kalken - zeugen von der Sedimentation auf einer untiefen Strömungs- und wellenbewegten Carbonatplattform. Gleichzeitig wurden im südlich anschliessenden tieferen Ablagerungsraum die Ton- und Kalkmer­gel der Palfris-Formation gebildet.

Neben Aufschlüssen in der Axen-Decke an der Walegg tritt die Öhrli-Formation in den Sondierbohrungen SB1 und SB3 auf. In der Sondierbohrung SB3 bildet sie von

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1360.10 - 1376.98 m ein vorwiegend kalkiges Schichtpaket, das, obschon stark tek­tonisiert und rekristallisiert, mit Öhrli-Kalken der Sondierbohrung SB 1 korreliert wer­den kann.

Die in SB1 zwischen 1242.85 mund 1310.0 m durchbohrte Öhrli-Formation kann dreigeteilt werden. Der Obere Öhrli-Kalk besteht aus einer massigen, durch Stylolithe gegliederten, quarzsandfreien Kalkserie aus Oolithen und grobkörnigen biodetriti­sehen Kalkareniten. Bei den Öhrli-Mergeln wechseln biodetritusführende, zum Teil leicht quarzsandige Tonmergel mit Kalkbänken ab, wobei foraminiferenreiche Pelmi­krosparite eine typische Mikrofazies darstellen. Der Untere Öhrli-Kalk weist vorwie­gend massige, pelsparitische Kalke auf. Die mineralogischen Analysen ergeben für den Öhrli-Kalk rund 90 % Calcit.

4.1.3.7 Graspass-Schichten

Die Graspass-Schichten erscheinen lediglich innerhalb des Äquivalents der Wissberg­Firrenband-Schuppen der Sondierbohrung SB1. Sie werden aus mi kritischen plattigen Kalken aufgebaut, deren Fazies oft im Dezimeterbereich wechselt und u.a. Algenla­minite, synsedimentäre Breccien, Mikrite mit Auftauchgefüge, schwarze und grünliche Mergel enthält. Sie stellen Sedimente eines Carbonatwatts dar. Ausser in SB1 wur­den diese Schichten bis jetzt in der autochthonen Sedimentbedeckung des Aar-Mas­sivs am Graspass in den Engelhörnern (ARBENZ & MÜLLER, 1920) und in der Titlis­kette (MA YNC, 1938) gefunden.

4.1.3.8 Tros-Kalk

Der Tros-Kalk wurde in der Sondierbohrung SB1 gefunden. Er besteht aus massigen, schichtungslosen, beigen Kalken und bildet die unterste Formation im Äquivalent der Wissberg-Firrenband-Schuppen. Trotz seiner enormen Mächtigkeit weist er beinahe keine lithologischen Wechsel auf. Hellbeige mikritische Kalke alternieren mit weiss gefleckten Kalken, deren weisse "Flecken" stark rekristallisierten Knollen von Stro­matoporiden oder Korallen entsprechen. Die Kalke zerfallen infolge eines engständi­gen konjugierten Kluftsystems in kleine Quader. Der unterste Abschnitt weist zahllose vernetzte Calcitadern sowie eine starke Rekristallisation auf, was ihm einen marmor­artigen Aspekt verleiht.

4.1.4 Südhelvetischer Flysch

Der Südhelvetische Flysch wurde im Untersuchungsgebiet lediglich in den Sondier­bohrungen vorgefunden. Zum Südhelvetischen Flysch gehören in den Bohrungen SB1 und SB3 Mergel, die den Globigerinenmergeln zum Verwechseln ähnlich sind, häufig jedoch keine Mikrofauna, dagegen cm- bis dm-mächtige turbiditische Sand­steinlagen enthalten. Südhelvetischer Flysch tritt in Melange-Intervallen und in SB3 zwischen 1376.98 mund 1418.90 m auf, wo er hauptsächlich aus dunkelgrauen, bräunlich schimmernden, siltigen, mitunter feinsandigen Tonmergeln besteht. Diese

- 37 - NAGRA NTB 93-28

führen bis 15 cm mächtige gradierte, kalkige Sandsteinbänke, Grobsandlinsen und typische Siumpstrukturen.

4.1.5 Melange

Als Melange bezeichnen wir In einem deskriptiven, lithologischen Sinn schwarze, tektonisch intensiv durchbewegte, meist kalkfreie Tone (Tonschiefer) mit sehr vielen Bruchstücken deformierter Calcitadern und mit mm- bis faustgrossen Komponenten von grünlichen oder gelblichen quarzitischen Sandsteinen C'Ölquarzite'l Durch diese Komponenten unterscheiden sie sich klar und eindeutig von stark tektonisierten Inter­vallen toniger oder mergeliger Formationen wie etwa der Palfris-Formation oder der Globigerinenmergel. Die Melange-Intervalle (früher als Wildflysch bezeichnet) führen auch Komponenten oder Pakete angrenzender Formationen und insbesondere tertiä­rer Einheiten.

Melanges treten lediglich in den Bohrungen SB1, SB3 und SB4 auf, und zwar bilden sie jeweils unter der mächtigen Masse der Palfris-Formation mehrere Zonen und In­tervalle (Beil. 4.1.2). In jedem Fall markieren sie tektonische Bewegungsflächen in­nerhalb oder unterhalb der Drusberg-Decke. 2)

4.1.6 Dachschiefer-Altdorfer-Sandstein (Nord helvetischer Flysch)

Der Nordhelvetische Flysch tritt in der Sondierbohrung SB 1 unterhalb 1452.68 m in drei mächtigeren Abschnitten und in Form von einzelnen Sandsteinbänken und Kom­ponenten innerhalb der Melange-Intervalle auf. Einzelne Komponenten wurden auch im Melange von 1464.87 - 1546.70 m in SB3 beobachtet. Der Nordhelvetische Flysch in SB1 besteht aus bis zu 20 m mächtigen grobkörnigen Sandsteinfolgen, die aus feinbrecciösen bis feinkonglomeratischen, gradierten, turbiditischen Sandsteinbänken zusammengesetzt sind. Aufgrund ihrer petrographischen Zusammensetzung mit u.a. diabasischen Vulkanit-Komponenten gehören sie zur Einheit des Altdorfer-Sand­steins. Zwischen den Sandsteinfolgen sind Dachschiefer eingeschaltet, d.h. bis 9 m mächtige pelitische Intervalle aus siltigen, oft schieferigen, glimmerreichen Tonen und Tonmergeln, die streckenweise dünne Sand lagen führen. Sandsteine und Pelite bil­den zusammen die Formation Dachschiefer-Altdorfer-Sandstein. Die Vulkanit-Kom­ponenten wirken sich in der mineralogischen Zusammensetzung deutlich in einem er­höhten Albitgehalt (bis 20 Gew%) aus.

2) Im vorliegenden Bericht werden Melanges im tektonischen Sinn unterschieden in interhelve­

tische Melanges innerhalb der helvetischen Hauptschubmasse und in infrahelvetische Me­

langes unterhalb der helvetischen Hauptschubmasse.

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4.1.7 Vergleich mit bisherigen Daten

Die Palfris-Formation des Standortgebietes stammt aufgrund ihrer Fazies zweifelsoh­ne aus dem südlichen helvetischen Ablagerungsraum, und zwar ist sie dem N-Rand dieser Südfazies zuzuordnen:

ISCHI (1978) ordnete das Profil Eggeligrat des Wellenberges aufgrund der tektoni­schen Stellung, die damals klar südliche Drusberg-Decke hiess, der südlichen Fazies zu. Seine südliche Fazies unterscheidet sich von der nördlichen, in der Randkette auftretenden Fazies durch weniger Kalklagen (Kalk: Mergel <1:10 gegenüber 1:1 bis 1:10) und weniger Quarzsilt und Feinsand « 5 % gegenüber 5 - 15 0/0).

Aus den Profilaufnahmen und den Analysen geht nun klar hervor, dass die Palfris­Formation des Wellenberges der nördlichen Fazies von ISCHI (1978) entspricht. Zu­dem erkennt man in den zahllosen kalkigen, siltigen-sandigen Lagen die gleichen biogenen und allochemischen Komponenten, die in den Öhrli-Mergeln und im Unteren Öhrli-Kalk der Sondierbohrung SB1 auftreten; d.h. die Palfris-Formation im Raum Wellenberg ist wahrscheinlich eine Übergangsfazies zur Öhrli-Formation, wie auch der Sichel-Kalk in der Sondierbohrung SB2 zwischen Betlis-Kalk und Diphyoides-Kalk vermittelt.

4.2 Strukturgeologie

4.2.1 Regionale Tektonik

4.2.1.1 Geometrie der Decken

Der Baustil der Drusberg-Decke wird in der Bauen-Brisen-Kette von einer klaren Gliederung in drei liegende Deckfalten bestimmt (Fig. 2.4.1). Dieser einfache Bauplan gilt zwischen Urnersee und der E-Grenze des Untersuchungsgebietes. Gegen W wird die im grossen Massstab annähernd zylindrische Deckengeometrie zunehmend von strukturellen Komplikationen überprägt. Diese Überprägung des früh angelegten Deckfaltenbaus während späteren Verformungsphasen bewirkte die Bildung von loka­len Extensions- und Kompressionsstrukturen (Brüche, Überschiebungen, Blattver­schiebungen, Stauchung und Pressung von Falten u.a.). Sie sind spät, d.h. unter mehrheitlich spröden Verformungsbedingungen entstanden (Kap. 4.2.3.3).

Der Stirnbereich der Axen-Decke zeigt einen auffallend wechselhaften Baustil, der die Gliederung in einzelne Teilkörper notwendig macht. Im weiteren Bereich des Un­tersuchungsgebietes verschwinden teils solche Teilkörper, teils treten sie neu auf: Der Axen-Nordlappen, wie er aus dem Gebiet des Urnersees bekannt ist, keilt schon an der Sinsgäuer-Schonegg aus; der Axen-Südlappen wird von einigen Autoren am Fuss der Walenstöcke (d.h. am S-Rand des Untersuchungsgebietes) in Form von liegen­den Kreide-Falten beschrieben. Doch muss bei dieser Deutung ein enormer Wechsel gegenüber dem Baustil dieser Teildecke am Urnersee (dort: steil abtauchende Falte

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ohne rückwärtigen Zusammenhang mit der Axen-Decke) angenommen werden. Plausibler scheint die Zuordnung der erwähnten Kreide-Falten zur Rimistock-Digita­tion, die von der ebenfalls verfalteten Jura-Serie (mit geringen Anteilen von Unter­kreide) der Walenstock-Digitation überlagert wird. Aufgrund der Ergebnisse von Son­dierbohrung SB4 muss eine starke Zerscherung des Stirnbereichs der Axen-Decke am S-Rand des Untersuchungsgebietes angenommen werden; in SB4 wurden unter dem Deckenkontakt Schimberg-Schiefer und Globigerinenmergel der Axen-Decke, darunter aber erneut die Palfris-Formation der Drusberg-Decke und schliesslich nochmals Globigerinenmergel der Axen-Decke durchfahren (Beil. 4.1.2).

Die Strukturen der Axen-Decke ändern in der Walenstock-Rimistock-Kette ihre Streichrichtung von ENE-WSW nach NE-SW (SPÖRLI, 1966). Die Raumlage der Grossfalten wechselt von ca. 245 - 255°/5 - 15° (FaliazimutiFallen) östlich des Sins­gäus zu ca. 225 - 245% - 5° im Abschnitt Grafenort - Engelberg (SPÖRLI, 1966 und eigene Beobachtungen). Aufgrund der bogenförmigen Richtungsänderung der Deckenstrukturen innerhalb der Axen-Decke ergeben sich auch für den nördlich an­grenzenden basalen Teil der Drusberg-Decke (Palfris-Formation und Vitznau-Mergel) tektonische Komplikationen, u.a. in Form von Bruchstrukturen im regionalen und loka­len GrÖssenbereich.

4.2.1.2 Regionale Störungen

Der Verlauf weitreichender Störungszonen von grosser Mächtigkeit (Kap. 4.2.4) kann aufgrund morphologischer Hinweise abgeschätzt werden. Für das Untersuchungsge­biet sind die folgenden Störungen von besonderer Bedeutung (Fig. 4.2.3):

- die "Bättelrüti-Störung" ist eine relativ flach gegen SSE einfallende Überschie­bungsfläche (ca. 20°), die bei der geologischen Detailkartierung am NW-Hang des Wellenberges nachgewiesen wurde (SCHNEIDER, 1988b). Weitere grosse, flach­liegende Überschiebungen wurden in den Sondierbohrungen SB1, SB3 und SB6 erbohrt. Blattverschiebungszonen im Engelbergertal und im Secklis Bach-Tal (Oberrickenbach): Eine Blattverschiebungszone im Engelbergertal zwischen Dal­lenwil und Wolfenschiessen wurde schon in den Voruntersuchungen postuliert (SCHNEIDER, 1986 u. 1988b; HUBER, 1990b). Die Annahme beruht auf gross­räumigen geometrischen Zusammenhängen, die für korrelierbare Faltenumbiegun­gen auf beiden Talseiten eine linkssinnige Verstellung von maximal ca. 700 m er­geben.

- Die "Oberrickenbach-Störung" folgt ungefähr dem Lauf des Secklis Baches bis zu seinem Abdrehen aus der NNW-Richtung. Aufgeschlossen ist sie im Verband mit anderen Störungen in der Steilstufe unterhalb des Bannalpsees. Wie bei der Stö­rungszone im Engelbergertal ist ihr exakter Verlauf und ihre Gesamtlänge nicht be­kannt (Fig. 4.2.3).

- Eine Verwerfung grosser Mächtigkeit und Länge ist in der Axen-Decke an der Grass Chälen (westlich Walenstöcke auf ca. 1800 m ü.M.) aufgeschlossen und nach NNW verfolgbar, bis sie unter der Rutschmasse Altzellen verschwindet. Im Aufschluss zeigt sich, dass diese Störung wahrscheinlich in einer ersten Phase als Blattverschiebung wirksam war und später als Abschiebung reaktiviert wurde. Eine

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Fortsetzung dieser Störung durch das Wirtgestein kann nicht nachgewiesen wer­den; wird jedoch angenommen (Fig. 4.2.3 und Kap. 4.2.4).

Es zeigt sich somit, dass nach Platznahme der Decken und Bildung der grossen Deckfalten durch die weitergehende Verformung Strukturen von teils ebenfalls regio­nalem Ausmass entstanden sind. Neben Kompressionsstrukturen (Schuppen-Bildung) handelt es sich um verschiedene Typen von relativ jungen und daher Sprödverfor­mung zeigenden Verwerfungen.

4.2.1.3 Wirtgestein

Der Aufbau der Drusberg-Decke zeigt als typisches Merkmal an ihrem S-Rand eine grosse Masse von Valanginien-Mergeln bzw. von Wirtgestein. Die stratigraphische Mächtigkeit der Palfris-Formation und der Vitznau-Mergel wird auf 200 - 250 m ge­schätzt (ISCHI, 1978; BURGER & STRASSER, 1981; BURGER, 1985). Oberflächen­kartierung und Sondierbohrungen haben jedoch im Untersuchungsgebiet eine absolu­te Mächtigkeit nachgewiesen, die ein Vielfaches davon beträgt (Beil. 4.2.1). Diese Anhäufung ist tektonisch bedingt, wobei verschiedene Mechanismen denkbar sind. Entsprechende Modellvorstellungen werden im Schlussbericht 1994 diskutiert (MILNES, 1993).

In den tektonisch angehäuften Valanginien-Mergeln sind beidseits des Standortgebie­tes Fremdgesteinskörper bekannt (SCHNEIDER, 1988b). Im Sinsgäu und im Sulztal sind gänzlich in Valanginien-Mergeln schwimmende Malm-Vorkommen aufgeschlos­sen. GUTZWI LLER (1981) deutet sie als basale Teile der Drusberg-Decke. Ein ande­res Beispiel ist die Malm-Schuppe des Wiss Stein, südwestlich Grafenort. MA­ZURCZAK (1945) interpretiert sie als frontalen Teil der Axen-Decke, der in die Valan­ginien-Mergel eingeschuppt worden ist. Die bisherigen Untersuchungen im Raum Wellenberg haben weder an der Oberfläche noch in den Bohrungen Hinweise auf sol­che Fremdgesteinsvorkommen im Wirtgestein ergeben.

4.2.2 Tektonik des Untersuchungsgebietes

4.2.2.1 Grenzen des Wirtgesteins

Die Grenze des Wirtgesteins ist in der Umgebung der potentiellen Lagerzone an der Oberfläche nur vereinzelt auf seiner N-Seite (Kontakt zum Diphyoides-Kalk) aufge­schlossen. Trotzdem kann auf der Basis der Kartierung (Beil. 4.1.1) und von Feldbe­obachtungen der oberflächennahe Grenzverlauf genügend sicher prognostiziert wer­den. Über den von der Oberfläche extrapolierbaren Bereich hinaus werden die Resul­tate der Tiefbohrungen und einige Ergebnisse der geologischen Interpretation der Reflexionsseismik zur Festlegung des wahrscheinlichsten Verlaufs der Wirtgesteins­grenze herangezogen. Die Bohrungen haben u.a. Informationen zur Lokalisierung der N-Grenze (SB2), der S-Grenze (SB4) und der Basis (SB1 und SB3) geliefert. Trotz­dem bleibt beim gegenwärtigen Untersuchungsstand ein grosser Spielraum für Pro-

- 41 - NAG RA NTB 93-28

gnosen der Wirtgesteinsgeometrie (Kap. 4.2.5).

Die nach heutigen Kenntnissen wahrscheinlichste Interpretation nicht nur der Grenzen des Wirtgesteins sondern der verschiedenen tektonischen Einheiten im Untersu­chungsgebiet sind in den Profilen der Beilage 4.2.1 dargestellt.

4.2.2.2 Störungen im lokalen Grössenbereich

Charakterisierung: Aus der Darstellung in den Profilschnitten kommt auch die Raumlage und das relative Alter von grösseren Störungen unterschiedlicher Ausbil­dung zum Ausdruck. Eine grobe Unterteilung in zwei Gruppen ist möglich: Eher fla­che, oft leicht gekrümmte Störungen sind als Überschiebungen (seltener Untervor­schiebungen) allgemein unter relativ hohen p/T-Bedingungen im duktilen Verfor­mungsbereich entstanden. Steile Störungsflächen können als Abschiebungszonen (Verwerfungen) oder als Teile von Blattverschiebungen gedeutet werden, weisen auf tiefere p/T-Bedingungen während ihrer Entstehung hin und haben hauptsächlich spröden Verformungscharakter. Wahrscheinlich hat ein Teil der Bruchstrukturen eine Reaktivierungsphase erlebt, so dass sie zum Beispiel zuerst als Blattverschiebungen und später als Abschiebungen aktiv waren.

Für das zur Diskussion stehende Projekt sind Kenntnisse über steilstehende Stö­rungszonen wichtig, da mindestens für einen Teil von ihnen eine erhöhte hydrauli­sche Wirksamkeit postuliert werden muss: Ihre steile Lage und die Beobachtung, dass sie andere Strukturen durchschlagen, deuten auf ihre späte Entstehung unter mehr­heitlich spröden Verformungsbedingungen hin. Entsprechende Daten (Häufigkeit, mittlere Mächtigkeiten und Längen, etc.) für das Wirtgestein konnten durch die Son­dierbohrungen nur punktuell gewonnen werden, da die steilstehenden Störungen in subvertikalen Bohrungen ungenügend erfasst werden konnten. Eine speziell auf die steilstehenden Störungszonen ausgerichtete Studie wurde deshalb notwendig (HUBER et al. , 1993). Darin wird einerseits ein auf Feldbeobachtungen basierendes Störungsmodell entwickelt (Kap. 4.2.4), andererseits wird mit der Auswertung von Be­obachtungen an Bohrkernen und in Stollen versucht, dieses Modell zu überprüfen.

Datenbasis: Feldbegehungen zeigten, dass für steile Störungen im kompetenten Ne­bengestein, d.h. in kalkigen Formationen der Drusberg- und der Axen-Decke, genü­gend Beobachtungsmöglichkeiten bestehen, dass es aber sehr schwierig ist, Ausbil­dung und Verlauf dieser Störungen im schlecht aufgeschlossenen Wirtgestein zu be­schreiben. Die Bearbeitung von Aufschlüssen der Valanginien-Mergel am Pragelpass und im Riemenstaldner-Tal konnte diese Kenntnislücken nur insofern schliessen, als sich nach dem Übergang ins inkompetente Wirtgestein eine Auf teilung der Störungs­zone in eine Vielzahl kleinerer Verschiebungsflächen beobachten lässt. In welchem Abstand von der Wirtgesteinsgrenze diese Auflösung der Störung in Einzelflächen erfolgt, ist unbekannt, hängt aber sicher mit der Mächtigkeit der Störung zusammen.

Im Rahmen der erwähnten Studie (HUBER & GEOTEST, 1993) wurden baugeologi­sche Unterlagen vom Bau des Seelisbergtunnels (SCHNEIDER & KAPPELER, 1984; SCHNEIDER, 1992) auf Hinweise über die Eindringtiefe grosser Störungen in die Valanginien-Mergel untersucht, liegt doch dort die im Wirtgestein durchfahrene

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Strecke meist nahe an der Grenze zum Nebengestein. Geometrische Überlegungen zeigen, dass der stark gestörte Bereich zwischen Tunnel-km 126.200 und 126.400 mit einer Störungszone an der Oberfläche korrelierbar ist. Das ergibt eine minimale Stö­rungslänge in den Valanginien-Mergeln von 150 m (der Kontakt zum Nebengestein ist hier erodiert). Die Verbindung einer im Nebengestein an der Oberfläche (Hutztal) auf­geschlossenen grossen Störungszone mit gestörten, wasserführenden Zonen in den Valanginien-Mergeln im Tunnel (Bereich Zentrale Huttegg) wird vermutet, was auch hier eine minimale Eindringtiefe von ca. 150 m ergeben würde. Demgegenüber wird im erwähnten Störungsmodell (Kap. 4.2.4) im Sinne einer konservativen Annahme postuliert, dass grosse steilstehende Störungen den ganzen Wirtgesteinskörper durchsetzen.

Bodengasuntersuchungen: In ausgewählten Bereichen des Untersuchungsgebietes wurden 1988 - 1990 Bodengasuntersuchungen durchgeführt (BLASER, 1990 u. 1993a). Das Ziel war die Erfassung von grossen, wegen Quartärbedeckung nicht auf­geschlossenen Störungen im Wirtgestein aufgrund ihrer potentiell erhöhten Gasleit­fähigkeit. Die Analyse der Daten ergab jedoch keine verwertbaren Resultate. Eine zu­sätzliche statistische Analyse der CH4-Daten (JAQUET, 1992) lieferte zwar gewisse Hinweise auf ENE-WSW streichende Brüche am N-Ende des Eggeligrates .. Morpho­logische Hinweise bei Oberrickenbach und entsprechend orientierte Störungszonen in der Sondierbohrung SB3 belegen ebenfalls (THALMANN, 1993) Störungen mit die­sem Streichen. Da aber weder bei dieser noch bei anderen möglichen Streichrichtun­gen ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den gemessenen Gasanomalien und möglichen Störungsspuren gefunden werden konnte, wurden die Bodengasmessun­gen nicht weiterverfolgt.

4.2.3 Die Strukturen in den Bohrungen

4.2.3.1 Strukturgeologische Untersuchungen am Kernmaterial

Von der praktisch durchgehend orientierten Kernstrecke der fünf Bohrungen entfällt rund die Hälfte auf das Wirtgestein (Beil. 4.1.2), dessen Bearbeitung naturgemäss im Vordergrund stand. So vor allem:

- die statistische Auswertung von Raumlagedaten der Strukturelemente (Schieferung, Risse, Adern, Klüfte, Verschiebungsflächen und Schichtung wo er­kennbar),

- ein Inventar und die geologische Charakterisierung der wichtigen Kernstrukturen, wobei das Hauptgewicht auf Strukturen der Sprödverformung, z.B. Trennflächen und kataklastischen Zonen lag (Kap. 4.3).

Die Ergebnisse sind in Polfiguren oder in strukturgeologischen Übersichtslogs in den Rohdatenberichten (GEOTEST, 1991, 1992a, 1992b,1993) ausführlich dargestellt. Zusatzarbeiten, die den dort dokumentierten Datensatz ergänzen (THALMANN, 1993), werden im Schlussbericht 1994 berücksichtigt.

- 43 - NAGRA NTB 93-28

4.2.3.2 Kalkbankabfolgen

Wie in den Bohrungen SB1 und SB3 gezeigt werden konnte, gibt es Abschnitte im Wirtgestein, in denen der Anteil von Kalkbänken in den Valanginien-Mergeln deutlich erhöht ist. Diese Abschnitte mit Mächtigkeiten zwischen 16.7 - 49.0 m werden als Kalkbankabfolgen bezeichnet (Kap. 4.1.1.2, 4.3.5.2; Beil. 4.1.2, Fig. 4.3.6). Der mittlere Anteil von Kalklagen innerhalb einer Kalkbankabfolge wurde in den Bohrprofi­len mit 18.8 % (SB1) und 19.4 % (SB3) bestimmt, was sich deutlich von den entspre­chenden Werten im restlichen Wirtgestein abhebt (5.2 %, bzw. 3.9 %).

Wie in den Aufschlüssen am Pragelpass und im Riemenstaldner Tal sowie auch in den Bohrungen beobachtet werden konnte, sind die einzelnen Kalkbänke boudiniert und damit in ihrer lat,~ralen Ausdehnung auf Längen von mehreren Dezimetern bis einigen Metern beschränkt (Fig. 4.3.1 u. 4.3.6). Für eine ganze Kalkbankabfolge wird die seitliche Erstreckung bis auf einige Hunderte von Metern geschätzt. Für die in die Modellrechnungen (Kap. 5.1.2.3) eingehenden Abmessungen der Abfolgen und der einzelnen Kalkbänke bzw. -boudins wurden auf den genannten Beobachtungen ba­sierende Minimal- und Maximalwerte ermittelt (VOMVORIS et al. , 1993).

4.2.3.3 Verformungsstrukturen im Wirtgestein

Die nachstehenden Ausführungen basieren auf der Erfassung und Charakterisierung der Strukturen in den Kernstrecken (Kap. 4.2.3.1). Die mikrostrukturellen Untersu­chungen an Proben aus den Sondierbohrungen SB3 und SB4 werden hier nur soweit erwähnt als sie Hinweise auf die Verformungsbedingungen geben.

Im Laufe der tektonischen Entwicklung haben sich im Untersuchungsgebiet unter­schiedliche Verformungsbedingungen abgelöst (Fig. 4.2.2). Das Wirtgestein war wäh­rend der tektonischen Entwicklung Temperaturen von maximal wenig über 200 0 C (bei ca. 200 MPa Überlagerungsdruck) ausgesetzt (NÜESCH, 1993). Damit ist für die Valanginien-Mergel mindestens während der alpinen Hauptphase eine Verformung im duktil/spröden Übergangsbereich gegeben. In der spätalpinen Phase erfolgte die Verformung unter tieferen Temperaturen im spröden Bereich. Für die vorliegende Problemstellung stehen die Sprödstrukturen im Vordergrund.

Duktil/spröder Verformungsbereich: Bei den Kleinstrukturen des duktilen Verfor­mungsbereichs interessiert hauptsächlich die Raumlage der Schieferung, weil davon auf die lokalen Strukturen im Wirtgestein geschlossen werden kann. Die primäre Schichtung wurde stark überprägt und kann in den Mergeln nur noch vereinzelt (aufgrund von Kalklagen, Gradierungen etc.) erkannt werden.

Die Schieferung zeigt über grosse Strecken relativ konstantes Einfallen; das Fallazi­mut variiert dabei zwischen N und W, der Fallwinkel zwischen 10 und 25°. Deutliche Wechsel im Fallen und Streichen weisen auf gegeneinander verstellte Gesteinspakete hin. Da die Abweichungen nicht mit verschieden orientierten Schieferungsgeneratio­nen erklärt werden können, müssen lokale Verschuppungen und Verfaltungen dafür verantwortlich sein. Diese Faltenstrukturen sind durch intensive Scherbewegungen überprägt worden, deren Störungsflächen nach ersten Beobachtungen überwiegend

NAGRA NTB 93-28 - 44-

711.6 m

717.8 m

Figur 4.2.1 :

1m N -.,.-------~-.. s Verformungsgrad

E

o

:0

Cl.. § 'E

CI)

c (j) c 0 N CI)

Ol C "0 ::s :0 :0 c.. (j) CI)

~ ~

~ Cö ::s Ci) "0

~ ~ ..Q

Darstellung des Störungsmusters zwischen 711.6 mund 717.8 m in der Bohrung SB3

Figur 4.2.1:

- 45 - NAGRA NTB 93-28

CD SB 3 712.38 - 712.83

Grenze zwischen duktil verformter Scher­zone (oben) und leicht - mittel verformtem Bereich der Störung (unten).

® SB 3 716.12 - 716.58

Gesteinsmehl (Fault Gouge; oben, schwarz) und Bereich starker Sprödverformung (unten) mit steiler, dünner Bewegungsfläche.

@ SB3717.17-717.62

Untere Grenze der Störungszone

Darstellung des Störungsmusters zwischen 711.6 mund 717.8 m in der Bohrung SB3

NAGRA NTB 93-28 - 46 -

gegen N bis Weinfallen, bedingt durch die Dominanz der in gleicher Richtung einfal­lenden Schieferungsflächen. Die Fallwinkel der Verschiebungsflächen weisen jedoch eine grössere Variation als diejenigen der Schieferungsflächen auf und sind generell steiler.

In Bohrkernen und Dünnschliffen konnte eine Vielzahl von meist mit Calcit gefüllten Rissen und Adern sowie, vor allem in kalkreicheren Partien, von Stylolithen und Drucklösungssäumen festgestellt werden. Diese Kleinstrukturen bilden komplexe In­tersektionsmuster und belegen eine mehrphasige Entwicklung.

Verformungs- Tektonische Phase Wichtige Verformungsprozesse bedingungen

andauernde tekt. Aktivität Kluft- und Rissbildung spröd Entlastung durch Erosion lokale Drucklösung

mehrheitlich Überprägung durch Abschiebungen, Ausgl eichsbeweg u ng en Blattverschiebungen

spröd (z. T. gravitatives Nachgleiten) Bruch- und Rissbildung Drucklösung und Aderbildung

2 zahlreiche einzelne Verformungsschritte <{ (/) Q)

"C Deckenplatznahme und spröd/duktile Scherung und c Q)

spröd / duktil Deckentransport Faltung penetrative Schieferung E ..c Drucklösung und Aderbildung Q) c :::J N Deckenanlage Einengung, Scherung

1 Überschiebung, erste Faltung

spröd synsedimentäre Frühdiagenetische Tektogenese Kompaktionsphase;

Plättung unter Überlast, Rissbildung, Drucklösung

Figur 4.2.2: Schema des Verformungs- und Bewegungsablaufes im Untersu­chungsgebiet

Es können vier Generationen von Calcitadern unterschieden werden (MAZUREK & BLÄSI, 1992): zwei ältere (mit weissgrauem, bzw. weissem Calcit), beide mit Verfor­mung im duktil/spröden Bereich, und zwei jüngere Generationen mit klarem Calcit, bzw. grauem Calcit, die stets unvertormt sind. Die projektbezogene Bedeutung dieser Adern und Risse beschränkt sich auf eine potentielle hydraulische Wirkung, sofern

- 47- NAGRA NTB 93-28

drusige Hohlräume unter sich oder über Verschiebungsflächen und Störungen über grössere Distanzen in Verbindung stehen würden (Kap. 4.3.3.6).

Spröder Verformungsbereich: Relativ spät im Verformungsablauf und damit unter mehrheitlich spröden Verformungsbedingungen sind Verschiebungsflächen oder ka­taklastische Zonen entstanden. Sie kommen nicht nur als Einzelflächen in gesamthaft wenig gestörten Wirtgesteinsbereichen vor, sondern auch vernetzt als Störungen oder in Scharen als breite Störungszonen. Mindestens für einen Teil dieser Bruch­strukturen muss eine erhöhte hydraulische Wirksamkeit postuliert werden. Beispiele von durch sehr starke Sprödverformung charakterisierten, hydraulisch wirksamen Ab­schnitten in den Bohrungen werden bei der Beschreibung des wasserführenden Sy­stems "kataklastische Zonen" gegeben (Kap. 4.3.3.4) .

Der Anteil der Kernstrecke im Wirtgestein mit starker Sprödverformung beträgt rund 17 % (VOMVORIS et al., 1993). Der Grad der Sprödverformung variiert von Ge­steinspartien, deren Zusammenhalt durch die Entstehung von tektonischen Breccien oder von Gesteinsmehl (Fault Gauge) fast völlig aufgehoben worden ist, bis zu Berei­chen, die von einem mehr oder weniger dichten Netz von Verschiebungsflächen durchzogen sind, in denen aber die Gesteinskohäsion nur lokal fehlt. Grosse Störun­gen können dementsprechend einen sehr heterogenen Aufbau haben (Fig. 4.2.1). Verschiebungsflächen oder kataklastische Zonen, die netzförmig die Störung durch­ziehen und unter sich verbunden sind, bauen die "damage zone" auf. Da die Vernet­zung vom hydraulischen Gesichtspunkt her nie vollkommen ist, kommt es in solchen Störungen zu einem "Channeling"-Effekt (Kap. 4.3).

4.2.4 Das Modell steilstehender Störungen

4.2.4.1 Herleitung und Hauptdaten

Im Untersuchungsgebiet können generell zwei Störungsgruppen unterschieden wer­den (Kap. 4.2.2.2):

- Relativ flachliegende Überschiebungen mit duktiler Deformation

- Steil einfallende, als Blattverschiebungen und/oder Abschiebungen aktiv gewesene Störungen mit Spröddeformation.

Ausbildung und Häufigkeit im Wirtgestein ist bei der ersten Gruppe aus den Sondier­bohrungen hinreichend bekannt. Das trifft bei der zweiten Gruppe, den steilstehenden Störungen, aus bereits erwähnten Gründen nicht zu (4.2.2.2). Es wurde daher nötig, ein modellhaftes Bild ihrer Lage, Ausdehnung und Häufigkeit zu entwickeln (HUBER, 1989, 1990b, 1993), da ihre Spröddeformation eine gegenüber dem ungestörten Ge­stein erhöhte hydraulische Leitfähigkeit ermöglicht (Kap. 4.3.3.4).

Aufgrund von geologischen Unterlagen, morphologischen Anhaltspunkten und von ausschliesslich im Nebengestein erfolgten Messungen, wurden vier Scharen bzw.

NAGRA NTB 93-2S - 4S -

Familien steilstehender Störungen unterschieden (Fig. 4.2.3), deren charakteristische Raumlagen die folgenden Mittelwerte (FaliazimutiFallen) aufweisen:

Familie 1: Familie 2: Familie 3: Familie 4:

235/S0, revidierter Wert 250/S0 3)

110/S0 335/75 005/S0

Auf der Basis theoretischer Überlegungen wurde für die obenstehenden Familien ein Störungsmuster entwickelt, das für Störungen vier verschiedener Grössenordnungen ungefähre Werte der wichtigsten Parameter enthält (Tab. 4.2.1). Dabei wurde ein ge­wisser Grad von Intermission berücksichtigt, d.h. es wurden im grossräumigen Stö­rungsverlauf zwischen gestörten Abschnitten ungestörte Bereiche angenommen.

Tabelle 4.2.1 : Typische Dimensionen des Modells steilstehender Störungen

Mächtigkeit Abstand Länge

in m inm in m

Reqionale Störunqen 10- 100 1500 - 3500 1000 - SOOO

Grosse Störunqen 2 - 30 300 - 1500 300 - 3000

Mittlere Störunqen 0.5 - 3 100 - 500 50 - 500

Kleine Störunqen 0.1 - 0.5 10 - 50 5 - 100

4.2.4.2 Abgeleitete Modellannahmen

Aus dem oben skizzierten Modell steilstehender Störungen wurden Elemente für ver­schiedene Modellierungen übernommen. Dabei wurden die regionalen Störungen nicht einbezogen, da sie nach heutigem Wissensstand die potentielle Lagerzone nicht tangieren.

Sogenannte grosse Störungen (Tab. 4.2.1), nach heutigem Verständnis aus einer Vielzahl kataklastischer Zonen aufgebaut, wurden in das hydrogeologische Pilot­modell integriert (Kap. 4.5.6.1). Es wurde ein vereinfachtes Störungsmuster aus zwei sich kreuzenden Scharen von senkrecht stehenden Störungsflächen im Abstand von 500 m angenommen, welche die Streich richtungen der oben erwähnten Störungsfa­milien 1 und 2, d.h. NNW - SSE und NNE - SSW, aufweisen. Hinter der Wahl dieser Streichrichtungen steht die Überlegung, dass bei dem in den Bohrungen beobachte­ten rezenten Spannungsfeld mit einer NW - SE streichenden grössten horizontalen

3) Bei Familie 1 werden zwei Werte aufgeführt, weil der erste Wert im hydrogeologischen Pi­

Iotmodell Eingang gefunden hat, während der revidierte Wert für die später hergeleiteten

Projektvarianten verwendet wird.

stellstehende Störungen:

regionale Störungen der Familie 1

regionale Störungen der Familie 2

regionale Störungen der Familie 3

regionale Störungen der Familie 4

Formationen der Drusberg-Decke

Valanginien-Mergel (Drusberg-Decke)

Formationen der Axen-Decke

- 49 -

---

Figur 4.2.3: Modell steilstehender Störungen

NAG RA NTB 93-28

Deckenüberschiebung (Drusberg-Decke /

Axen-Decke)

Bättel rüti-Störung

Grenze der Rutschmasse von Alt-

zeilen (Rm)

Lokalisierung des regionalen Störungsmusters

NAG RA NTB 93-28 - 50-

Spannungskomponente die erwähnten Familien eine stärkere Tendenz zur Weitung und damit zu einer erhöhten hydraulischen Leitfähigkeit aufweisen als die praktisch quer dazu streichenden Störungsrichtungen.

Grosse Störungen mit dem praktisch gleichen Störungsmuster wie im hydrogeologi­schen Pilotmodell (Familie 1 mit revidierter Streichrichtung Azimut 330) wurden auch in den sogenannten Projektvarianten eingeführt. Diese Projektvarianten sind sche­matische Horizontalschnitte auf der Ebene des potentiellen Endlagers, in denen die bestimmenden Elemente bezüglich des Platzangebotes im Wirtgestein variiert werden (Kap. 4.2.6, Beil. 4.2.3).

In beiden genannten Fällen wurden die grossen Störungen gegenüber den ursprüng­lichen Annahmen des Modells steilstehender Störungen konservativer behandelt: Er­stens mit der Annahme, dass sie das gesamte Areal von den Kalken der Axen-Decke bis zu den Kalken der Drusberg-Decke ohne Intermission durchschlagen; zweitens mit der Hypothese einer über die gesamte Störungsausdehnung reichenden, gegenüber der ungestörten Umgebung gleichmässig erhöhten Durchlässigkeit.

Bei der Frage nach der lateralen Ausdehnung wasserführender Systeme, 'd.h. ka­taklastischer Zonen, wurde ebenfalls auf das Modell steilstehender Störungen zu­rückgegriffen, indem man Schätzungen der Längserstreckung von mittleren und kleinen Störungen einführte, die ja ihrerseits aus einzelnen oder mehreren katakla­stischen Zonen bestehen. (Kap. 4.3.5.1 und 5.1.2.1).

4.2.5 Tektonisches Modell

4.2.5.1 Grundannahmen

Das in der Beilage 4.2.1 mit insgesamt 6 Profilen vorgestellte tektonische Modell re­präsentiert die dem aktuellen Auswertungsstand am besten entsprechende Hypo­these über den geologischen Aufbau des engeren Untersuchungsgebietes. Die Dar­stellung stützt sich auf die mit der Kartierung gewonnenen Kenntnisse der Oberflä­chengeologie, auf die Ergebnisse der Sondierbohrungen und in einigen Fällen auf die Interpretation der reflexionsseismischen Untersuchungen.

Beobachtungen an der Oberfläche haben für das Untersuchungsgebiet eine mittlere Raumlage der Faltenachsen von 240/04 ergeben. Abweichungen von dieser Lineati­onsrichtung finden sich in den im S aufgeschlossenen tertiären Schichten der Axen­Decke und im Bereich der Sondierbohrung SB2 aufgrund der bereits erwähnten Hin­weise auf eine linkssinnige Verstellung im Engelbergertal (Kap. 4.2.1.2). Dementspre­chend wurden für die genannten Profile die folgenden Projektionsachsen gewählt:

245/04 für SB4 240/04 für SB1, SB3 und SB6 235/04 fü r S B2

- 51 - NAGRA NTB 93-28

Die Darstellung des tektonischen Modells in Beilage 4.2.1 basiert im weiteren auf der Annahme einer starken Tektonisierung (Verschuppung, Verfaltung) der Überschie­bungsfläche Drusberg-Decke/Axen-Decke. Die Ergebnisse der Sondierbohrung SB4 legen den Schluss einer entsprechenden Überprägung des Kontaktes zwischen Va­langinien-Mergeln der Drusberg-Decke und Schimberg-Schiefern bzw. Globigerinen­mergeln der Axen-Decke nahe (Beil. 4.1.2), ebenso Feldbeobachtungen im regiona­len Umfeld des Untersuchungsgebietes. Eine alternative Interpretation der SB4-Resul­tate mit entsprechenden Konsequenzen für Form und Verlauf der Überschiebungsflä­che wird im Schlussbericht 1994 diskutiert werden.

Da die bisherigen Untersuchungen keine Hinweise für Fremdgesteinskörper in den Valanginien-Mergeln des Standortgebietes geliefert haben, werden solche auch in den Profilen von Beilage 4.2.1 nicht dargestellt. Grundsätzlich kann ihr Auftreten auch in der potentiellen Lagerzone nicht ausgeschlossen werden.

4.2.5.2 Grenzen des Wirtgesteins

Im Rahmen des zur Diskussion stehenden Projekts stellt sich beim tektonischen Mo­dell des Untersuchungsgebietes naturgemäss die Frage nach den Grenzen des Wirt­gesteins bzw. nach der daraus resultierenden Form und dem verfügbaren Volumen. Die bevorzugte Annahme ist wie erwähnt in der Beilage 4.2.1 dargestellt. Es stellt sich nun die Frage nach den Variationen, die ohne Widerspruch zu den heute vorhande­nen Daten möglich sind. Sie werden in der Beilage 4.2.2 im Profil D -0 1 in leicht sche­matisierter Form gezeigt und werden im folgenden diskutiert.

Variation der Projektionsachsen: Ausgehend von den für die bevorzugte Hypothese gewählten Projektionsachsen wurde für das entsprechende Azimut eine maximale Abweichung von 10° angenommen, was eine Gesamtvariation von 225° bis 255° er­gibt, wobei diese bei den in bezug auf das Wirtgestein randlich liegenden Bohrungen nicht voll ausgeschöpft werden kann (Beil. 4.2.2). Der Fallwinkel wurde zwischen 0° und 10° variiert. Die gewählten Bandbreiten basieren auf lokalen und regionalen tek­tonischen Randbedingungen.

N-Grenze des Wirtgesteins: Für die N-Grenze ergibt sich aus den bis ca. 900 m ü.M. vorhandenen Aufschlüssen am Wellenberg eine relativ gute Kontrolle des Verlaufs oberhalb der Endlagerebene. Darunter wird die N-Grenze einzig durch die in der Sondierbohrung SB2 durchbohrten Formationsgrenzen fixiert. Auf dieser Basis wird eine enge bis isoklinale Mulde mit flach gegen NNW fallender Achsenebene postuliert, deren Umbiegung im Bereich der KalkiMergel- bzw. Wirtgesteinsgrenze im pessimisti­schen Fall auf Lagerebene liegen könnte (8° Achsenfallen). Die Änderung des Azimu­tes der Projektionsachse von 55° auf 65° bewirkt im Profil eine laterale Verschiebung der kritischen Umbiegung um etwa 200 m zugunsten der pessimistischen Variante.

Ähnliche Konsequenzen hat die Änderung der Projektionsrichtung auf die Wirtge­steinsgrenze in der engen Antiklinale mit sehr flach gegen NNW einfallender Achsen­ebene (Umbiegung im realistischen Fall auf ca. 500 m ü.M.): Auf Lagerebene (Beil. 4.2.2) ergibt sich in der optimistischen Variante eine N-Verschiebung um ca. 200 m.

NAGRA NTB 93-28 - 52 -

Beilage 4.2.2 erlaubt im weiteren einen Vergleich zwischen der Grenzziehung bisheri­ger Autoren mit der postulierten realistischen Variante des vorliegenden Berichtes. Für die N-Grenze sind die Unterschiede relativ gering. Einzig TOBLER & NIETHAM­MER (1916) postulieren eine weit südlicher liegende Muldenumbiegung, deren Positi­on aufgrund der Resultate in den Sondierbohrungen SB3 und SB1 nicht möglich ist.

S-Grenze des Wirtgesteins: Die S-Grenze der Valanginien-Mergel an der Oberfläche und im Bereich der darunter folgenden Falte der Axen-Decke ist relativ gut eingrenz­bar. Auf Lagerebene können die Resultate der Sondierbohrung SB4 benützt werden. Die Wahl der Projektionsrichtung ist wiederum entscheidend für die Variation der Wirtgesteinsgrenze. Für das Azimut wurde die Änderung von 65° auf 50° und für den Fallwinkel von 4° auf 10° untersucht. Daraus resultiert eine pessimistische Variante mit einer N-Verschiebung der Grenze um ca. 230 m (Beil. 4.2.2). Die Änderung des Fallwinkels oder die Änderung von Form oder Grösse der Verschuppungen oder Ver­faltungen im Bereich der S-Grenze, mit denen aufgrund des heutigen Kenntnisstan­des gerechnet werden muss, können den Grenzverlauf auf der Lagerebene sehr stark variieren.

Beim Vergleich der von den bisherigen Autoren angenommenen S-Grenzen fällt die stark abweichende Interpretation von HANTKE (1961) auf; sie ist nach den Ergebnis­sen der Sondierbohrungen SB4 und SB3 nicht mehr haltbar.

Die N-Grenze des Schrattenkalks in der Axen-Decke (Beil. 4.2.2, "Grenze Tertiär­Kalke Axen-Decke") ist noch weit schwieriger zu prognostizieren als die Wirtgesteins­S-Grenze. Lediglich die beiden obersten Falten (bis etwa auf 1000 m ü.M. im Profil 0 -0 1

) sind an der Oberfläche nachgewiesen. Die genannte Grenze wurde nirgends er­bohrt. Auf den Beilagen 4.2.1 und 4.2.2 sind entsprechende tiefere Falten dargestellt, ohne dass sie mit den bisherigen Untersuchungen nachgewiesen werden können.

Basis des Wirtgesteins: Die Basis der Valanginien-Mergel liegt etwa 1000 munter der geplanten Lagerebene. Ihre möglichen Lageänderungen sind deshalb nicht von gleichem Interesse wie bei der N- oder S-Grenze, so dass auf die Darstellung der ent­sprechenden Varianten verzichtet wird (Beil. 4.2.2). Die Bohrergebnisse erlauben eine punktuelle Ortung dieser Untergrenze, wobei jedoch viele Fragen offen bleiben müs­sen, z. B. ihr Abtauchen gegen Norden oder die Ausdehnung der in den Sondierboh­rungen SB1 und SB3 erbohrten subhelvetischen Elemente (Beil. 4.1.2, Äquivalent der Wissberg-Scholle, Beil. 4.2.1).

4.2.5.3 Projektvarianten

Im Hinblick auf projektbezogene Fragestellungen wie Wirtgesteinsangebot auf Endla­gerebene, Häufigkeit grosser Störungen, etc. wurden die Ergebnisse der Variation der Wirtgesteinsgrenzen (Kap. 4.2.5.2) mit den Annahmen aus dem Modell steilstehender Störungen kombiniert (Kap. 4.2.4.2) und in Horizontalschnitten auf Endlagerebene (Kote 540 m ü.M.) dargestellt. Dabei werden die sogenannten grossen Störungen der Familien 1 und 2 des Störungsmodells als "auslegungsbestimmend" angenommen, d.h. sie durchschlagen die gesamte Ausdehnung des Wirtgesteins und weisen eine gegenüber der ungestörten Umgebung erhöhte hydraulische Leitfähigkeit auf, so dass

- 53 - NAG RA NTB 93-28

ihnen bei der Auslegung des Endlagers ausgewichen werden muss.

In der realistischen Projektvariante werden die realistischen Grenzen des Wirtge­steins mit zwei bis drei auslegungsbestimmenden Störungszonen im Endlagerbereich kombiniert (Beil. 4.2.3).

In der optimistischen Projektvariante werden zusammen mit den optimistischen Grenzen keine auslegungsbestimmenden Störungszonen angenommen.

In der pessimistischen Projektvariante werden zusammen mit den pessimistischen Wirtgesteinsgrenzen zwei Scharen (Familien 1 und 2) von auslegungsbestimmenden Störungszonen im Abstand von je 500 mangenommen.

4.2.5.4 Überlegungen zur Konservativität

Die Annahmen, die für das vorgestellte Modell und insbesondere für seine Variationen gemacht wurden, sind überwiegend konservativ. Im Hinblick auf die zahlreichen Unsi­cherheiten, die beim Stand der heutigen Untersuchungen noch bestehen, wurde das Spektrum der Hypothesen vor allem in bezug auf die Grenzen des Wirtgesteins und die Häufigkeit der Störungen bewusst so gross gewählt, dass die tatsächlichen Ver­hältnisse auf jeden Fall innerhalb seiner Bandbreite liegen.

So kann festgestellt werden, dass die Wahrscheinlichkeit von extremen Konfiguratio­nen der Wirtgesteinsgrenze im S und im N, d.h. die Kombination von "optimistischen" oder "pessimistischen" Varianten, sehr gering ist. Die Kompilation konservativer An­nahmen wird bei der pessimistischen Projektvariante noch extremer, wird doch dort die denkbare Minimalausdehnung des Wirtgesteins mit einer sehr hohen Dichte von auslegungsbestimmenden Störungszonen kombiniert. Die optimistischen und pessi­mistischen Projektvarianten sollen denn auch nicht Verhältnisse aufzeigen, die reali­stischerweise zu erwarten sind, sondern die Grenzen des Möglichen schematisiert darstellen.

Im weiteren muss festgehalten werden, dass das Konzept der auslegungsbestim­menden Störungszonen an sich bereits sehr konservative Annahmen enthält. Es geht davon aus, dass die Störungen das ganze Wirtgesteinsareal mit gleichbleibender Konduktivität durchziehen (keine Intermittenz), dass sie beim Übergang von kompe­tenten Kalken in die inkompetenten Valanginien-Mergel sich nicht in kleine Verschie­bungen auffächern und dass sich zwei Störungsfamilien von gleicher Bedeutung und gleicher hydraulischer Wirksamkeit vernetzen. .

NAG RA NTB 93-28 - 54 -

4.3 Geologische Charakterisierung des Fliessweges und der wasserfüh­renden Systeme

4.3.1 Datenbasis

Der vorliegende Abschnitt charakterisiert geologische Konzepte und Parameter von Wasserfliesswegen im Untergrund des Wellenberges. Die Daten dienen als Basis für hydrodynamische und Transport-Modellierungen der Sicherheitsanalyse. Die Aussa­gen beziehen sich weitgehend auf die Palfris-Formation und die Vitznau-Mergel des Wellenberges, wie sie in den Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6 erbohrt worden sind (MAZUREK & BLÄSI, 1992; WABER & BLÄSI 1992 und 1993; WABER et al. , 1992). Die Wasserfliesswege in anderen geologischen Formationen werden nur kurz diskutiert. So kann wegen der mineralogischen, strukturellen und geomechanischen Ähnlichkeit von den Befunden in der Palfris-Formation auf viele der tertiären Schich­ten extrapoliert werden.

Während das Verständnis der geometrischen Parameter auf allen oben genannten Bohrungen basiert, wurden mineralogische und geochemische Parameter weitgehend anhand der ersten Bohrung (SB4) erhoben. Neuere Resultate aus den anderen Boh­rungen zeigen nur geringfügige Abweichungen von denen aus der Sondierbohrung SB4.

4.3.2 Identifikation der Zuflusspunkte

Wird das hydraulische Potential im Bohrloch durch Pumpen oder durch artesischen Ausfluss gesenkt, fliesst in permeablen Zonen Formationswasser ins Bohrloch hinein. Diese Zuflussstellen sind sehr diskret (dm - 1 m), da sie an spröde Strukturen im Ge­birge gebunden sind. Aus diesem Grund werden sie fortan als Zuflusspunkte be­zeichnet.

Zuflusspunkte von Formationswasser ins Bohrloch wurden anhand von Fluid Logging (Messungen der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit im Bohrloch) identifi­ziert. Da Bohrspülung und einfliessendes Formationswasser in der Regel verschiede­ne Leitfähigkeiten und Temperaturen aufweisen, liefern die Zuflusspunkte Peaks oder Diskontinuitäten in Temperatur- und Leitfähigkeitslogs. Die Identifikation wird beson­ders gen au und empfindlich, wenn vor der Aufnahme der Logs die Bohrspülung durch deionisiertes oder aber hochsalines Wasser ersetzt wird (Spülungsaustausch), da beides den Kontrast der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Spülung und Formations­wasser vergrössert. Die Nachweisgrenze der Fluid Logging-Methode ist von vielen Faktoren abhängig, liegt aber bei guten Verhältnissen im Bereich einer Transmissivität von 10-9 m2/s (GUYONNET et al. , 1993). In gewissen Bohrlochabschnitten (z.B. falls kein Spülungsaustausch möglich war) kann sie aber bei wesentlich höheren Trans­missivitäten liegen.

In den Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6 wurden insgesamt 78 Zuflusspunkte identifiziert, wovon 65 in der Palfris-Formation liegen. In den Vitznau-Mergeln wurden

- 55 - NAGRA NTB 93-28

keine Zuflusspunkte festgestellt (GUYONNET & LAVANCHY 1992a, b, GUYONNET & LÖW 1992). Dies entspricht einem mittleren Abstand der Zuflusspunkte von 48 m im gesamten durchbohrten Profil in anstehendem Gestein bzw. 41 m in den Strecken, welche die Palfris-Formation oder die Vitznau-Mergel durchteuft haben (MAZUREK, 1992; Tab. 2 - 5).

Die Genauigkeit der Identifikation der Zuflusspunkte ist in den oberen und mittleren Abschnitten aller Bohrungen mit ± 1 m ausgezeichnet, nimmt aber in tiefen Bereichen auf ± 2 - 3 m ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in den tiefen Abschnitten teil­weise weder Spülungsaustausch noch Potentialabsenkung realisiert werden konnten.

4.3.3 Geologische Charakterisierung der Zuflusspunkte

4.3.3.1 Rolle der Gesteinsdeformation

Die durch Fluid Logging identifizierten Zuflusspunkte wurden mit permeablen Struktu­ren der entsprechenden Kernstrecken korreliert und letztere im Detail beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass sämtliche permeablen Zonen auf spröde Deformation des Ge­steines zurückzuführen sind. Aus diesem Grund wird im folgenden Abschnitt die De­formationsgeschichte kurz skizziert (Figur 4.3.1). Grob lassen sich 2 Deformati­onsphasen unterscheiden: Eine ältere, duktil/spröde sowie eine jüngere, spröde De­formation.

Ältere duktil/spröde Deformation: Der Deformationsstil dieser Phase ist abhängig von der Lithologie (NÜESCH, 1993). Die Palfris-Formation besteht mehrheitlich aus einer Wechsellagerung von Kalkmergeln und Tonmergeln, welche sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Mineralogie mechanisch stark verschieden verhalten. Die unter­schiedlichen Tonmergel wurden duktil deformiert und können m-mächtige myloniti­sche Scherzonen bilden. Die kalkigeren Lagen wurden hingegen boudiniert und ge­klüftet. Typischerweise stehen hierbei die Klüfte, die eine rein tensile Struktur ohne Scherdeformation darstellen, senkrecht zur sedimentären f?änderung. In extrem stark deformierten Zonen geht die primäre Bankung wegen extremer Boudinage völlig ver­loren, das Gestein besteht aus dm-grossen, kalkigen Komponenten in einer sie um­fliessenden tonigen Matrix.

Sowohl in den tonigeren wie auch in den kalkigeren Gesteinspartien erfolgt ein bedeu­tender Teil der Deformation durch Drucklösung. Hierbei enstehen stylolithische Strukturen und typische Tonhäute, welche die unlöslichen Anteile darstellen. Das ge­löste Carbonat wird lokal (d.h. im Abstand einiger cm - dm) in Form von Adern wieder ausgefällt. Diese Adern sind zwar in Kalkmergellagen häufiger, kommen aber auch in Tonmergeln vor. MAZUREK & BLÄSI (1992) haben mehrere Adergenerationen unter­schieden, welche allesamt von Carbonaten dominiert sind. Während die älteren Gene­rationen von der duktil/spröden Deformation noch erfasst wurden, sind die jüngeren Generationen undeformiert.

Untersuchungen an fluiden Einschlüssen in Calcit und Quarz haben gezeigt, dass die

NAGRA NTB 93-28 - 56 -

mit der duktil/spröden Deformation assoziierten Adergenerationen bei Temperaturen um 200°C und Drücken bis 200 MPa entstanden sind, womit sie mit der neoalpinen Überschiebungstektonik im Helvetikum im Zusammenhang stehen müssen. Somit re­präsentiert die hier beschriebene duktil/spröde Deformation Bewegungen im Zuge der alpinen Orogenese.

ältere, duktil/spröde Deformation

Figur 4.3.1 :

tonige Lage

kalkige Lage

tonige Lage

geklüftete Kalkbank

kataklastische Zone

Deformationsphasen und ihr Einfluss auf die kleinräumige Struktur und Permeabilität der Palfris-Formation

Spröde (kataklastische) Deformation: Dieser Deformationstyp ist vermutlich bei et­was tieferen Temperaturen abgelaufen und jünger als die duktil/spröde Deformation, wobei über das Alter bisher keine näheren Angaben gemacht werden können. Die spröde Deformation manifestiert sich hauptsächlich in den tonigeren Lagen, in weI­chen sie kataklastische Scherzonen bildet. In den kalkigeren Lagen findet man eher unauffällige Strukturen, indem das Gestein im Bohrkern mürbe ist und in dm-grosse Stücke zerfällt. Die Strukturen der spröden (kataklastischen) Deformation sind teil­weise mit einer jungen Calcit-Generation verheilt.

Kataklastische Scherzonen in den Tonmergeln enthalten stark fragmentierte Ge­steinspartien, was bis zur Ausbildung von kohäsionslosen Fault Gouges CKluftletten") führen kann. Typischerweise ist das Gestein in diesen Abschnitten über mehrere dm zerbrochen und porös.

4.3.3.2 Typen wasserführender Systeme

Wie oben erwähnt, spielt spröde Gesteinsdeformation für den Wasserfluss eine domi­nante Rolle. Die Geometrie deformierter Zonen ist ihrerseits stark abhängig von der lokalen Lithologie. Da diese schon im dm-Bereich variabel ist (Wechsellagerung von Tonmergel und Kalkmergel), kann auch die Geometrie und Mineralogie permeabler Zonen in diesem Betrachtungsmassstab variieren.

Die Korrelation zwischen Zuflusspunkten gemäss Fluid Logging und permeablen Strukturen im Bohrkern war in den meisten Fällen einfach herzustellen. Innerhalb des Fehlerintervalls der hydraulischen Identifikation waren stets permeable Strukturen im

- 57- NAGRA NTB 93-28

Bohrkern festzustellen. Zuweilen kamen mehrere verschiedene Strukturen für den Zu­fluss in Frage; in diesen Fällen wurden beide beschrieben.

Im Kernbefund wurden geometrische, strukturelle und mineralogische Aspekte der Zuflusspunkte erfasst und systematisch beschrieben (MAZUREK, 1992). Insbesonde­re sind folgende Parameter von Bedeutung:

- Lithologie - Intensität der duktil/spröden Deformation - Intensität der spröden (kataklastischen) Deformation - Vorkommen hochporöser Fault Gouges ("Kluftletten") - Vorkommen polierter Tonhäute im deformierten Nebengestein - Vorkommen zerscherter, drusiger Calcitadern - Intensität der Klüftung (unter Ausschluss von Klüften, welche mit Scherdeformation

zusammenhängen; meist in Kalkbänken) - Art und Vorkommen von Kluftbelägen - Vorkommen drusiger Hohlräume, zu erkennen an idiomorphen Kristallen

Aufgrund der Beobachtungen am Kernmaterial lassen sich die folgenden Typen was­serführender Systeme im Wirtsgestein definieren:

Typ 1: Typ 2: Typ 3:

Kataklastische Zonen Dünne diskrete Scherzonen Geklüftete Kalkbänke

I n massiven Kalkformationen (z. B. Helvetischer Kieselkalk) sind die Eigenschaften wasserführender Zonen teilweise verschieden von der Palfris-Formation. Häufig sind Zuflüsse in (vermutlich kataklastisch) zerbrochenen Kernstrecken zu finden, was zur Definition eines weiteren Typs führt:

Typ 4: Spröd deformierte massive Kalke

Im Wirtgestein (Palfris-Formation, Vitznau-Mergel) sind die Typen 1 und 3 dominant, während dem Typ 2 quantitativ wenig Bedeutung zukommt. Innerhalb der Palfris-For­mation (total 65 Zuflusspunkte) sind die Typen wie folgt relativ verteilt:

Typ 1: Typ 2: Typ 3:

4.3.3.3 Räumliche Heterogenität der wasserführenden Systeme

Grob betrachtet stellen die wasserführenden Systeme planare Wasserfliesswege mit einer bestimmten lateralen Ausdehnung dar. Im Detail sind aber sowohl kataklasti­sche Zonen wie auch geklüftete Kalkbänke komplex aufgebaut, was eine sehr unre­gelmässige räumliche Verteilung der Permeabilität zur Folge hat. Wasser fliesst be-

'vorzugt in Bereichen mit grosser Kluftöffnung (Channels), während die Bereiche zwi­schen diesen Kanälen kaum durchflossen sind (RASMUSON & NERETNIEKS, 1986;

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NERETNIEKS et al., 1982). Dieser heterogene Aufbau hat zur Folge, dass ein was­serführendes System im hydraulischen Bohrlochtest nur dann erkannt wird, wenn das Bohrloch einen permeablen Bereich desselben durchteuft hat. Im anderen Fall wird die Struktur in Bohrlochtests nicht als wasserführend erkannt (z.B. Kalkbank zwischen den Drusen/Klüften). Dieser Effekt wird als "Channeling" bezeichnet und bewirkt, dass im Bohrloch nur ein Teil der vorhandenen Wasserfliesswege als permeable Strukturen identifiziert werden können.

In den Bohrungen am Wellenberg gibt es tatsächlich Anzeichen für einen "Channeling"-Effekt: Die Frequenz kataklastischer Zonen und geklüfteter Kalkbänke ist durchwegs um ein vielfaches höher als die Frequenz der hydraulisch festgestellten Zuflusspunkte in diesen Systemen. Wasserführende kataklastische Zonen bzw. Kalk­bänke unterscheiden sich geologisch nicht von solchen, welche im Bohrloch kein Wasser führen. Für den Wasserfluss in einem Gesteinskörper von ein paar hundert Metern Kantenlänge stellt sich die Frage nach dem Einfluss des sogenannten "Channeling". Es ist anzunehmen, dass die eigentliche Frequenz der wasserführen­den Systeme höher ist als diejenige, die in einer eindimensionalen Bohrung festzu­stellen ist. Demgegenüber ist Wasser nur in permeablen Abschnitten der gesamten wasserführenden Systeme mobil. Für den Geodatensatz (Kap. 4.5 und, Kap. 5.2) wurde daher die Annahme gemacht, dass die Anzahl wasserführender Systeme im Durchschnitt ähnlich ist wie diejenige, die in den Bohrungen beobachtet wurde und die Struktur selbst auf der ganzen Fläche permeabel ist. HERBERT & LANYON (1992) haben in einer Studie die Effekte des "Channeling" auf die effektive hydrauli­sche Durchlässigkeit (Keff) untersucht. Die hydraulische Durchlässigkeit wurde einer­seits für ein Volumen ermittelt, das eine Anzahl wasserführender Elemente (N) auf­weist, die über die gesamte Fläche permeabel sind, andererseits für ein Volumen mit einer erhöhten Anzahl von wasserführenden Elementen (k x N), die nur zu einem pro­zentualen Flächenanteil (k %) permeabel sind. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Keff-Werte nicht wesentlich variieren. Aus diesem Grund wurden die erwähn­ten Annahmen für den Geodatensatz übernommen.

4.3.3.4 Typ 1: Kataklastische Zonen

Kataklastische Zonen sind insbesondere in den Tonmergeln häufig ausgebildet und in diesen für den Wasserfluss relevant. Im Bohrkern bilden diese Zonen stark zerbro­chene Kernstrecken mit meist mehreren Horizonten kohäsionsloser Fault Gouges, welche die Flächen stärkster kataklastischer Deformationen darstellen. Die Fault Gouges sind umgeben von mürben, aber schon einigermassen kohäsiven Gesteins­partien, wobei die Deformationen mit zunehmendem Abstand von den Fault Gouges abnehmen. Diese "Nebengesteinspartien" enthalten Systeme subparalleler Scherflä­chen und sind auch wirr geklüftet, wobei die Kluftbeläge oft drusigen Calcit aufweisen. Die Scherflächen folgen oft dünnen Tonlagen, welche durch die Scherbewegung glatt poliert und dicht gepresst werden und dadurch in der Aufsicht glänzen.

Die Mächtigkeit der kataklastischen Scherzonen liegt im Bereich von Dezimetern bis Metern. Ihr Fallwinkelliegt zum grossen Teil zwischen 45° und 90°.

Figur 4.3.2 illustriert den internen Aufbau kataklastischer Zonen. Im Detail lassen sich

- 59 - NAGRA NTB 93-28

die folgenden Gesteinsdomänen unterscheiden:

Fault Gouges ('IKluftletten ll): Fault Gouges sind Produkte extremer kataklastischer

Scherdeformation und bestehen aus kohäsionslosem Gesteinsmehl (mechanisch zer­riebenes Gestein). Im Bohrkern haben sie den Aspekt eines unkonsolidierten Tons. I nfolge des Fehlens einer hydrothermalen Zementation ist die offene Porosität sehr hoch und übersteigt oft 10 Vol%, was auch zu einer hohen hydraulischen Durchläs­sigkeit führt. Fault Gouges sind somit bevorzugte Wasserfliesspfade durch das Ge­stein. Mineralogisch entsprechen Fault Gouges weitgehend dem tonigen Nebenge­stein und weisen kaum Neubildungen oder Umwandlungen auf. Fault Gouges haben Mächtigkeiten im Bereich von 0.5 - 2 cm, wobei eine gewisse Abnahme mit der Bohr­tiefe festzustellen ist.

Stark kataklastisches Nebengestein: Beidseitig der Fault Gouge-Horizonte ist das Nebengestein typischerweise in cm- bis dm-grosse Fragmente zerbrochen, wobei die Oberflächen teilweise mit idiomorphem Calcit belegt sind und somit die Existenz offe­ner, drusiger Hohlräume aufzeigen. Die Dicke des zerbrochenen Gesteines beidseitig von Fault Gouge-Horizonten liegt im cm-Bereich, teilweise bis mehrere dm umfas­send.

Schwach kataklastisches Nebengestein: Mit zunehmendem Abstand von den Fault Gouges nimmt die kataklastische Deformation ab. Das schwach kataklastisch defor­mierte Nebengestein mit Mächtigkeiten im dm-Bereich hat zwar eine Kohäsion, zerfällt aber leicht entlang toniger Bewegungshorizonte. Diese mm-dünnen Häute sind durch Scherdeformation poliert und glänzen im Licht. Wegen der dichten Packung parallel­orientierter Tonpartikel ist die Wasserwegsamkeit für advektiven und diffusiven Stoff­transport senkrecht zu diesen Häuten viel kleiner als parallel zu ihnen.

Kataklastisch undeformiertes Nebengestein: Die Struktur des Gesteins ausserhalb kataklastischer Scherzonen hängt von der Intensität der älteren, duktil/spröden De­formation ab. Ist diese schwach, besteht das Nebengestein aus einer wechselgelager­ten Abfolge tonmergeliger und kalkmergeliger Bänke, was der primär-sedimentären Abfolge entspricht. Im Fall einer starken duktil/spröden Deformation ist die primäre Bänderung der Gesteine teilweise verlorengegangen; Kalkbänke sind stark zerbro­chen und boudiniert und werden vom weniger kompetenten tonmergeligen Material "umflossen". Drucklösungshorizonte sowie Carbonatadern sind sehr häufig.

4.3.3.5 Typ 2: Dünne diskrete Scherzonen

Trotz ihres eher seltenen Vorkommens bilden diese Strukturen eine charakteristische Einheit und sind teilweise wasserführend. Sie bestehen aus einer meist steilstehen­den Einzelstruktur, welche das Hauptgefüge der älteren duktil/spröden Deformation durchschlägt und somit jünger ist. Typischerweise kommen diese oft steilstehenden Strukturen innerhalb hochdeformierter Gesteinspartien vor (grössere Scherzonen); vermutlich handelt es sich um spätalpine Bewegungsbahnen innerhalb dieser Scher-

, zonen.

NAG RA NTB 93-28 - 60 -

Wie in Figur 4.3.2 illustriert, besteht die Scherfläche im Detail aus feinkörnigem Calcit (deformierte Adern und/oder syndeformative Bildungen), welcher dünne, ausge­schmierte Tonlagen enthält. Da sich die Deformation im duktilen Bereich abgespielt hat, sind die dünnen diskreten Scherzonen im Prinzip geschlossene und kaum per­meable Strukturen. Jüngere Bewegungen haben allerdings in vielen Fällen zu einer Reaktivierung geführt, welche sich durch erneutes sprödes Aufbrechen, Scherbewe­gung (Rutschharnische) und Kristallisation von idiomorphem Calcit auf den Kluftwän­den ausdrückt. Erst diese Reaktivierung öffnet Fliesswege und verursacht eine erhöh­te Permeabilität. Das erneute Aufbrechen findet meist am Kontakt zwischen Calcit­Füllung und Nebengestein und nur selten innerhalb der Füllung statt. Es kommen auch nicht reaktivierte diskrete Scherzonen vor, welche aber für den Wasserfluss oh­ne Relevanz sind.

Die Längserstreckung der dünnen diskreten Scherzonen ist anhand von Bohrdaten schwierig abzuschätzen; angesichts der sehr geringen Mächtigkeit können 10 - 50 m als absolutes Maximum betrachtet werden.

4.3.3.6 Typ 3: Geklüftete Kalkbänke/Kalkbankabfolgen

Kalkbänke kommen als Einzelstrukturen sowie gehäuft innerhalb von Kalkbankabfol­gen vor. Wie im Kapitel 4.3.5.3 diskutiert, sind für die Wasserwegsamkeit insbesonde­re diese Kalkbankabfolgen von Bedeutung, nicht hingegen einzelne, solitäre Kalk­bänke. Während die obigen Typen wasserführender Zonen auf Scherdeformation zurückge­führt werden können, beruht die Durchlässigkeit von Kalkbänken auf rein tensiler Klüftung. In der Kalk(mergel)/Tonmergel-Wechsellagerung der Palfris-Formation ste­hen die Klüfte senkrecht zur sedimentären Bänderung und enden am Kontakt zu einer tonigeren Lage, wo die Deformation durch plastische Prozesse aufgenommen wurde.

Wie Figur 4.3.2 zeigt, sind die Klüfte vollständig oder unvollständig mit Adercalcit gefüllt. Untersuchungen an Flüssigkeitseinschlüssen weisen auf Bildungstemperatu­ren von über 200°C hin, womit Kluftbildung und Aderkristallisation im Verlauf der alpi­nen Orogenese entstanden sein müssen. Klüfte mit drusigen Hohlräumen sind in allen Bohrungen sehr häufig anzutreffen. Nur eine Minderheit dieser Strukturen ist wasser­führend, während die meisten anderen räumlich isolierte Strukturen darstellen und schon im m-Bereich nicht mehr untereinander verbunden sind.

Die Beobachtungen zeigen, dass vom geometrischen Standpunkt her Wasserzutritte in Sandsteinlagen von tertiären Flyschen völlig analog zu den geklüfteten Kalkbänken sind. Auch in diesem Fall werden kompetentere Bänke (Sandsteine) innerhalb einer Wechsellagerung boudiniert und geklüftet, und auch hier enden die Klüfte am Kontakt zu tonigeren Bänken. Bis auf die etwas andere Mineralogie ist die Bedeutung von Zu­trittspunkten in Kalk- und Sandsteinbänken tür den Nuklidtransport identisch.

Im Detail lassen sich in wasserführenden geklüfteten Kalkbänken die folgenden Do­mänen unterscheiden:

Offene Drusen: Die Öffnungsweite drusiger Hohlräume kann 1 cm erreichen und

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Typ 1: kataklastische Zone

Typ 2: dünne diskrete Scherzone

Typ 3: geklüftete Kalkbank mit drusiger Calcit-Ader

Figur 4.3 .2: Typen wasserführender Systeme im ßohrkern

NAG RA NTB 93-28 - 62 -

teilweise über längere Bohrlochabschnitte hinweg verfolgbar sein. Berechnet man mit den beobachteten Öffnungsweiten unter Anwendung des "cubic law" (physikalisches Gesetz, welches die Grösse einer planaren oder zylindrischen Öffnung mit deren Durchlässigkeit für eine viskose Flüssigkeit in Beziehung bringt) die entsprechenden Transmissivitäten, übersteigen diese um Grössenordnungen die Werte, die in den Bohrungen mit Hilfe hydraulischer Tests tatsächlich gemessen worden sind. Es ist daher zwingend anzunehmen, dass die im Bohrkern beobachteten grossen Hohl­räume in der Formation nicht über grosse Strecken persistent sind und Verengungen oder vollständige Verschlüsse aufweisen müssen.

Aderfüllung: Diese ist von Calcit dominiert, während untergeordnet etwas Quarz vor­kommen kann. In der Regel bedeckt Calcit die gesamte Kluftwand, d.h. die Drusen im Zentrum der Aderfüllungen stehen nicht in direktem Kontakt mit dem Nebengestein. Hingegen weisen auch die Aderfüllungen eine Porosität auf (vor allem entlang Korn­grenzen), womit diffusiver Stofftransport zwischen Druse und Nebengestein gewähr­leistet ist.

Kalkbank: Klüfte mit drusigen Aderfüllungen befinden sich innerhalb von Kalkbänken. Die laterale Kontinuität der Klüfte wird weiter unten diskutiert.

Wechselgelagertes Nebengestein: Analog der Beschreibung kataklastischer Zonen im Kapitel 4.3.3.4.

4.3.4 Kleinräumige konzeptuelle Modelle der wasserführenden Systeme

Die Quantifizierung des Nuklidtransports in der Geosphäre erfolgt mit Hilfe eines Mo­dells, welches advektiven Transport in diskreten Strukturen sowie Diffusion in die be­nachbarte poröse Gesteinsmatrix quantifiziert. Die obige Beschreibung wasserführen­der Systeme bildet die Basis tür konzeptuelle Modelle, welche qirekt tür die Darstel­lung der Geosphäre im Transportmodell verwendet werden können. Die konzeptuellen Modelle berücksichtigen geometrische, mineralogische und petrophysikalische Ge­steinseigenschaften, unter Vereinfachung der komplexen Verhältnisse in der Natur.

4.3.4.1 Konzeptuelles Modell für kataklastische Zonen

Bei der geologischen Beschreibung kataklastischer Zonen wurden folgende Domänen unterschieden (Kap. 4.3.3.4):

- Fault Gouge - Stark kataklastisches Nebengestein - Schwach kataklastisches Nebengestein - Kataklastisch undeformiertes Nebengestein

Die vereinfachte Geometrie, Mineralogie und Porosität aller Domänen ist in Figur 4.3.3 dargestellt. Da grössere kataklastische Zonen meistens mehrere Fault Gouge­Horizonte enthalten, wurden im konzeptuellen Modell schematisch drei solche Hori

- 63 - NAGRA NTB 93-28

MINERA- Ton/ Kalk! Mittel LOGIE Ton- Kalk- Neben Gew.-% mergel mergel gestein

Calcit 27 75 49 Dol/Ank 9 2 6 Quarz 18 10 15 Feldspäte <1 <1 <I IIlit 17 5 11 IIl/Sm- 15 4 10 Chlorit 11 3 7 Kaolinit <1 <1 <1 Pyrit 1.6 0.9 1.3 Org.C 0.8 0.5 0.7

PORO-SITÄT 2-3 0.5-1 1-2 Vol.-%

Schwach kataklastisches

MINERA- Fault Kluft-LOGIE gouge füllung Gew .-%

1-10 cm Calcit 15 95

Dol/Ank 5 Quarz 15 5

05-2 Feldspäte <1 cm IIlit 27

Ill/Sm- 19 Chlorit 14 Kaolinit 3 Pyrit 1.6 <1 Org.C 0.8

PORO-SITÄT 5-20 0.5-1 Vol.-%

Figur 4.3.3: Konzeptuelles Modell der Struktur und Mineralogie einer katakla­stischen Zone in der Palfris-Formation (wasserführendes System Typ 1)

zonte dargestellt. Das umgebende stark kataklastische Nebengestein enthält zahlrei­che Klüfte oder Scherflächen, die oft mit drusigem Calcit belegt sind . Im Modell wird dies durch zwei Scharen paralleler offener Strukturen dargestellt. Das schwach ka­taklastische Nebengestein weist kaum noch offene Strukturen auf. Hingegen kommen dort Scherflächen in tonigen Partien vor, welche stellenweise eine abdichtende Wir­kung haben können .

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Advektiver Transport erfolgt in den hochporösen Fault Gouges und/oder in den geklüf­teten und drusigen Partien des stark kataklastischen Nebengesteins. In allen anderen Domänen findet ein Transport von Radionukliden durch Matrixdiffusion in die offene Porosität statt. Der Transport kann durch die oben diskutierten pOlierten Tonhäute im schwach kataklastischen Gestein behindert werden. Ansonsten zeigen die mikrosko­pischen Untersuchungen ein verbundenes Netzwerk offener Mikroporen, welche mit der Fliessporosität verbunden sind.

4.3.4.2 Konzeptuelles Modell für dünne diskrete Scherzonen

Advektiver Transport findet in der offenen, teilweise drusigen Struktur statt, welche die ältere, duktile Scherzone aufgebrochen hat. Dieses Aufbrechen erfolgte meist entlang eines der Kontakte zwischen Calcit-Scherzone und Nebengestein. Wie in Figur 4.3.4 dargestellt, steht somit die Fliessporosität einseitig in direktem Kontakt zum Neben­gestein und dessen offener Matrixporosität. Auch das Calcit-Gefüge innerhalb der Scherzone weist eine verbundene Mikroporosität auf, so dass diffusiver Transport bis ins Nebengestein auch über die Calcit-Füllung hinweg möglich ist. Hierbei haben aber die dünnen, ausgeschmierten Tonlagen eine gewisse abdichtende Wirkung.

4.3.4.3 Konzeptuelles Modell für geklüftete Kalkbänke

Im Falle der geklüfteten Kalkbänke lassen sich gemäss obiger Beschreibung die fol­genden Domänen unterscheiden:

- Offene Druse - Ad~rfüllung - Kalkbank - Wechselgelagertes Nebengestein

Das konzeptuelle Modell ist in Figur 4.3.5 dargestellt. Die Klüfte/Adern stehen senk­recht zur Bankung des Gesteins. Sie enden am Kontakt zu tonigeren Lagen und sind auch innerhalb der Kalkbank nicht immer durchgehend. In den meisten Fällen ist der offene, drusige Hohlraum allseitig von der Calcit-Aderfüllung umschlossen. Im konzeptuellen Modell wird die Fliessporosität (drusige Hohlräume) in Form rechteckiger Kanäle dargestellt, welche sich über die ganze Längserstreckung der Kalkbank verfolgen lassen (0.5 - 5 m). Die laterale Kontinuität der Kalkbänke wird weiter unten diskutiert. Die Fliesskanäle werden umschlossen von der Calcit­dominierten Aderfüllung, welche eine Mikroporosität (vor allem entlang Korngrenzen) aufweist und Diffusion ins Nebengestein (Kalklage) erlaubt.

4.3.5 Konzeptuelles Modell in grösseren Massstäben

Die obigen Betrachtungen über die Geologie der wasserführenden Zonen beziehen sich auf eher kleinmassstäbliche Gesteinseigenschaften (dm- bis m-Bereich). Im vor­liegenden Abschnitt werden die grossräumigeren Zusammenhänge diskutiert, wozu

e = ~ III

Figur 4.3.4 :

- 65 - NAGRA NTB 93-28

MINERA- Ton! LOGIE Ton-Gew.-% mergel

Calcit 27 DollAnk 9 Quarz 18 Feldspäte <1 Illit 17 Ill/Sm- 15 Chlorit 11 Kaolinit <1 Pyrit 1.6 Org.C 0.8

PORO-SITÄT 2-3 Vol.-%

MINERA- Ton-LOGIE lage Gew.-%

Calcit 15 Dol/Ank 5 Quarz 15 Feldspäte <1 Illit 27 Ill/Sm- 19 Chlorit 14 Kaolinit 3 Pyrit 1.6 Org.C 0.8

PORO-SITÄT 2-3 Vol.-%

Scher-

LOGIE zone

Gew.-% mit Calcit

0.5 -1 cm· Calcit 95 Quarz 5 Pyrit <1

PORO-SITÄT 0.5-1 Vol.-%

Konzeptuelles Modell der Struktur und Mineralogie einer dünnen dis­kreten Scherzone in der Palfris-Formation (wasserführendes System Typ 2)

neben dem Bohrmaterial Informationen von Oberflächenaufschlüssen der Palfris­Formation sowie analoger Gesteinssequenzen beigezogen werden . Wegen ihrer

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50-200 cm

10-50 cm

50-200 cm

KaIk/Kalkme!gel

AderfliUung

Druse

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MINERA-LOGIE Gew.-%

Calcit Dol/Ank Quarz Feldspäte IIIit III/Sm-Chlorit Kaolinit Pyrit Org.C

PORO-SITÄT Vol.-%

1-10 cm

Ton/ Kalk! Mittel Ton- Kalk-

mergel mergel gestein

27 9

18 <1 17 15 1-1 <1 1.6 0 .8

2-3

75 49 2 6

10 15 <1 <1

5 11 4 10 3 7

<1 <1 0.9 1.3 0.5 0.7

0.5-1 1-2

Ader­LOGIE füllung Gew.-%

Calcit 95

1L-____________ ~-~~-7~----------------~QuMz 5 Pyrit <1

• 0.5-2 cm ·

PORO-SITÄT 0 .5-1 Vol.-%

Figur 4.3.5: Konzeptuelles Modell der Struktur und Mineralogie einer geklüfteten Kalkbank in der Palfris-Formation (wasserführendes System Typ 3)

quantitativen Bedeutungslosigkeit und ihrer Ähnlichkeit mit kataklastischen Zonen werden die dünnen diskreten Scherzonen vernachlässigt, so dass sich die Diskussion auf Zusammenhänge zwischen kataklastischen Zonen und geklüfteten Kalkbänken konzentriert.

- 67- NAGRA NTB 93-28

4.3.5.1 Kataklastische Zonen

Unabhängig von der Beschreibung der Zuflusspunkte wurden die Bohrprofile syste­matisch auf Vorkommen und Mächtigkeit kataklastischer Störungszonen untersucht und spröd deformierte Kernstrecken auskartiert. Ein Vergleich dieser Daten mit den Zuflusspunkten in kataklastischen Scherzonen (Typ 1) hat gezeigt, dass ca. 75 % al­ler Zuflusspunkte des Typs 1 in kataklastische Störungszonen fallen, deren wahre Mächtigkeit 0.5 m übersteigt (VOMVORIS et al. , 1993). Die restlichen 25 % hingegen liegen ausserhalb grösserer Störungszonen. Aufgrund dieser Befunde wurden die Zu­flusspunkte des Typs 1 in 2 Klassen eingeteilt: Eine Mehrheit der Zuflüsse liegt inner­halb grösserer Strukturen, für welche eine mittlere hydraulisch verbundene Länge von 200 m angenommen wird (VOMVORIS et al. , 1993). Eine Minderheit hingegen ent­spricht kleineren Einzelstrukturen, deren mittlere Längserstreckung mit 20 m ange­nommen wird.

Somit werden Zuflusspunkte des Typs 1 als rechteckige Planarstrukturen mit 200 bzw. 20 m Kantenlänge konzeptualisiert.

4.3.5.2 Geklüftete Kalkbänke/Kalkbankabfolgen

Kalkbankabfolgen: In den Bohrprofilen wurde festgestellt, dass Kalkbank-Tonmergel­Abfolgen in der Palfris-Formation nicht homogen verteilt sind (Kap. 4.1 .2.7). Dabei spielt die primär-sedimentäre Variabilität der Bankung eine Rolle. Ausserdem wurde in Zonen hoher duktiler Deformation die primäre Bankung zerstört, während sie in ande­ren Bereichen gut erhalten geblieben ist. Eine Detailstudie von GÜBELI & THAL­MANN (1993) hat gezeigt, dass für die Verteilung der Kalkbänke ein lokal gehäuftes Auftreten festgestellt werden kann. Ein guter Teil der Zuflüsse in Kalkbänken liegt in­nerhalb derartiger Abschnitte, d.h. grösserer Zonen mit erhaltener Kalk/Tonmergel­Wechsellagerung. Gesteinspakete, welche sich durch eine gut ausgeprägte Bankung kalkig/tonmergeliger Lagen auszeichnen, werden fortan als Kalkbankabfolgen be­zeichnet (Fig. 4.3.6). In diesen beträgt der mittlere Abstand zweier Kalkbänke ca. 0.5 -1 m (ausserhalb der Kalkbankabfolgen: viele Meter). Nach GÜBELI & THALMANN (1993) liegt die mittlere Mächtigkeit der Kalkbankabfolgen im Bereich zwischen 20 und 40 m. Aufgrund der heutigen Kenntnisse besteht noch keine Möglichkeit, die räumliche Lage von Kalkbankabfolgen im Untersuchungsgebiet zu prognostizieren.

Längserstreckung : Die Längserstreckung der Kalkbankabfolgen ist weniger gut cha­rakterisiert; es ist aber denkbar, dass sie über viele hundert Meter persistent sind. Die laterale Erstreckung einzelner Kalkbänke kann grosse Werte aufweisen (Hunderte von Metern), solange der sedimentäre Gesteinsverband nicht durch Deformation ge­stört wird. Im Fall der Palfris-Formation war das Gestein einer duktil/spröden Defor­mation im Verlauf der alpinen Orogenese (neoalpine Überschiebungstektonik im Hel­vetikum) unterworfen. Im Verlauf dieser Deformation sind die Kalkbänke boudiniert worden, so dass die laterale Kontinuität weitgehend verlorengegangen ist. Die Kalk­bänke liegen heute in Form isolierter, linsenförmiger Teilstrukturen (Boudins) vor, die

,voneinander durch Zwischenräume (Boudin Necks) aus tonmergeligem Material ge­trennt sind. Dies zeigen u.a. auch Oberflächenaufschlüsse (Fig. 4.3.6). Zusätzlich zur duktil/spröden Deformation hat die jüngere kataklastische Deformation Verstellungen

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entlang Brüchen bewirkt, was zu einer weiteren Zerstückelung ursprünglich zu­sammenhängender Kalkbänke beigetragen hat.

Typische Werte für die Kantenlängen der Boudins liegen im Bereich von 0.5 - 5 m. Die Konzeptualisierung der Geometrie von einzelnen Kalkbänken sowie der Kalkbankab­folgen ist in Figur 4.3.6 dargestellt. Die einzelnen Kalkboudins sind (in der Aufsicht) als quadratische Strukturen repräsentiert, welche von Boudin-Zwischenräumen (0.1 -1 m) begrenzt werden. Eine Kalkbankabfolge wird als Stapelung von Boudins der ein­zelnen Lagen dargestellt (VOMVORIS et al. , 1993).

Kalkbänke innerhalb grösserer kataklastischer Störungszonen: Ein Teil der Zu­flusspunkte liess sich zwar im Detail mit einer geklüfteten Kalkbank korrelieren, wei­che sich allerdings innerhalb einer grösseren (d.h. mehrere m mächtigen) Störungs­zone befand. In solchen Fällen muss angenommen werden, dass sich der Wasser­fluss in der Störung selbst fortsetzt, und für die hydrodynamische ModelIierung wur­den solche Zutrittspunkte zu den kataklastischen Zonen gezählt.

4.3.5.3 Räumliche Persistenz und Verbindung wasserführender Strukturen

Wie oben diskutiert, hat die Mehrheit kataklastischer Zonen eine mittlere Längser­streckung im Bereich von 200 m, womit angesichts der Streuung der Orientierung ei­ne gute Konnektivität zu erwarten ist.

Hingegen liegt die Längserstreckung von Kalkboudins nur im Bereich einiger Meter. Da wasserführende Strukturen des Typs 3 nur in den kalkigen Partien, nicht aber in den tonigeren Boudin-Zwischenräumen (Boudin Necks) vorkommen, können perme­able Adern/Klüfte benachbarter Boudins hydraulisch nicht miteinander verbunden sein. Hydraulische Tests zeigen aber auch im Fall von Zuflusspunkten in Kalkboudins keine hydraulischen Grenzen in den nächsten 20 m um das Bohrloch herum - es muss also eine hydraulische Verbindung über die Boudins hinaus bestehen. Das kon­zeptuelle Modell geht hierbei davon aus, dass ein Kalkboudin nur dann einen mess­baren Zuflusspunkt liefern kann, wenn es via kataklastische Störungszonen mit be­nachbarten Kalkboudins oder mit dem erwähnten Netzwerk von Störungszonen ver­bunden ist. Es wurden auch Zuflüsse aus geklüfteten Kalkbänken festgestellt, welche innerhalb kataklastischer Störungszonen liegen.

Aus diesem Ansatz folgen noch weitere Punkte:

- Eine isolierte Kalkbank, welche einen Zuflusspunkt beinhaltet, ist in den nächsten Metern um das Bohrloch herum mit einer kataklastischen Zone verbunden, in wei­cher der Fliesspfad seine Fortsetzung findet. Ein ausgedehnter Fliesspfad in einer Kalkbank ist nicht möglich, da in einem solchen Fall sämtliche mergeligen Boudin­Zwischenräume durchlässig sein müssten.

- Ein Zuflusspunkt in einer Kalkbank, welche sich innerhalb einer Kalkbankabfolge befindet, kann via kataklastische Störungen mit anderen parallel gelagerten Kalk­bänken hydraulisch verbunden sein, so dass in einer Kalkbankabforge im Extrem­fall ein grossräumiger Fluss parallel zur Wechsellagerung denkbar wäre.

Feldaufnahme einer boudinierten Kalkbank bei Sisikon ~

Konzeptuelles Modell boudinier­ter Kalkbänke und Kalkabfolgen in der Palfris-Formation (VOMVORIS et al. , 1993)

'11

- 69 -

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*" Kalkbank: "Boudin"

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NAGRA NTB 93-28

Feldaufnahme einer Kalkbank­abfolge beim Pragelpass (JÄCKLI AG, 1979) ....

Abstand der "Boudins" 10-100 cm

0,5-5 m t 31 1

-~-

Figur 4.3.6: Boudinierte Kalkbänke im Feld und im konzeptuellen Modell

NAGRA NTB 93-28 - 70 -

4.3.5.4 Schlussfolgerungen für den Geodatensatz

1. Die obige Diskussion zeigt, dass ein grosser Teil des Fliesspfades in katakla­stischen Zonen (Typ 1) zurückgelegt wird.

2. Isolierte Kalklagen sind für die Transportmodellierung wie kataklastische Zonen zu behandeln, da sie nur in Verbindung mit diesen am grossräumigeren Fliessweg teilhaben können.

3. Der aufgrund kleinmassstäblicher Detailbeobachtungen definierte Typ 3 was­serführender Systeme (geklüftete Kalkbänke) ist nur dann von Bedeutung für den Radionuklid-Transport, wenn er innerhalb von Kalkbankabfolgen vor­kommt. Letztere sind im grösseren Massstab potentielle Fliesspfade, wobei der Wasserfluss im Detail sehr komplex ist und sowohl in wasserführenden Struk­turen des Typs 1 (kataklastische Zonen) wie des Typs 3 (geklüftete Kalkbänke) verläuft.

4.4 Hydrochemie

4.4.1 Einleitung

Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse hydrochemischer und isotopenhydrologi­scher Untersuchungen am potentiellen Standort Wellenberg vorgestellt, die an Nie­derschlägen, oberflächennahen Quell- und Grundwässern sowie an Wasser- und Gasproben aus den Sondierbohrungen durchgeführt worden sind.

Die oberflächen nahen Grundwässer stammen aus 69 Quellen sowie aus einem Grundwasserpumpwerk, einer Drainage und aus 6 Piezometerbohrungen. Die tiefen Grundwässer wurden in den fünf Sondierbohrungen beprobt.

Um die Isotopendaten der Grundwässer aus Quellen und Bohrungen interpretieren zu können, wurden seit Anfang 1989 die in verschiedenen Höhen fallenden Nieder­schläge alle zwei Monate gesammelt und auf 82H, 8180 und 3H untersucht. Ergän­zend dazu wu rden auch vier Quellen (im folgenden als Referenzquellen bezeichnet) mit unterschiedlichen Einzugsgebieten und Austrittshöhen ausgewählt und seit Juli 1990 ebenfalls zweimonatlich auf die obengenannten Isotope untersucht.

4.4.2 Isotopenhydrologische Untersuchungen der Niederschläge und Refe­renzquellen

SCHMASSMANN et al. (1993a) haben die Resultate isotopenhydrologischer Untersu­chungen der Niederschläge und der Referenzquellen des Standortgebietes Wellen­berg zusammengestellt, interpretiert und mit Resultaten von Niederschlägen des Standortgebietes Oberbauenstock verglichen. Die Ergebnisse sind nachfolgend zu­sammengefasst.

- 71 - NAG RA NTB 93-28

Bei den isotopenhydrologisch auf 82H und 8180 sowie 3H untersuchten, in verschie­denen Höhenlagen fallenden Niederschlägen sind die mit den Niederschlagshöhen gewichteten Isotopen-Mittelwerte generell höher als die ungewichteten Werte (Fig. 4.4.1). Die Regressionsgerade der Einzelwerte verläuft nahe derjenigen, die KULLIN & SCHMASSMANN (1991) für die Schweiz abgeleitet haben und auch ähnlich wie die globale Niederschlagsgerade von YURTSEVER & GAT, 1981 (Fig. 4.4.2). Die 3H-Ak­tivitätskonzentrationen der Niederschläge haben im Laufe der Untersuchungen ent­sprechend dem weltweiten Trend deutlich abgenommen und zeigen beträchtliche jah­reszeitliche Unterschiede mit Maxima während des späteren Frühjahrs und Sommer­anfangs sowie Minima im Spätherbst und Winter (Fig. 4.4.3).

s o

-7

-8

-9

~ -10 Cf)

o ~ 2....... o -11 co c:o

-12

-13

-14

Messzeitraum vom 01.01.89 - 31.12.91

---......

~ 0--_ 0- t? st. Joder r...... - -r.-~

r-Talboden - ~ -. - .!2)< Wellenberg

f- Fellboden • ~ --. . -I /0- _

Ungewichtet: •

Bannal~ -Korrelation ohne Bannalpsee: ~~- --8180 = - 0,00155 * z - 9,03 --f- (r2 = 0,923) . --Korrelation mit Bannalpsee:

.........

~ 8180 = - 0,00133 * z - 9,22 Bannalpsee / (r2 = 0,944)

f-

Gewichtet: 0---8180 ::;0 - 0,00139 * z - 8,56 (r2 = 0,888)

o 500 1 000 1 500 2000 2500

z [m]

Figu r 4.4.1 : Beziehung zwischen 180 in den Niederschlägen und der Höhe der Pluviometer (ungewichtete und gewichtete Mittelwerte)

In den periodisch untersuchten vier Referenzquellen haben dieselben Isotope we­sentlich kleinere jahreszeitliche Variationen als in den Niederschlägen (Fig. 4.4.4). Die grössten Schwankungen treten in einer verstärkt oberflächennahen Einflüssen ausge­setzten Quelle mit kleinem Einzugsgebiet auf. Für diese Quelle ergibt sich eine mittle­re unterirdische Verweilzeit von 7 Monaten. Die Verweilzeit der drei anderen Refe­renzquellen liegt zwischen rund 4 und 7 Jahren. Für zwei dieser Quellen mit längeren Verweilzeiten ergeben 85Kr-Messungen Modellalter von 3.5 - 6.5 Jahren.

NAGRA NTB 93-28 - 72 -

Messzeitraum vom 01.01.89 - 31.12.91 -30

-40

-50

-60

~ 0 -70 ~ U)

° -80 ~ ° ........ I -90 C\I c.o

-100

-110

-120

-130 -18

Figur 4.4.2:

60

50

40

::)

r- 30

I Cf)

20

10

Figur 4.4.3:

8t. Joder /:.;.

Wellenberg 0

Fellboden •

Bannalp •

Bannalpsee A

Korrelation Gebiet Wellenberg 82 H = 8,09 * 8180 + 11,06 (r2 = 0,996) Korrelation Schweiz (KULLIN & SCHASSMANN 1991) 82H = 7,55 * 8180 + 4,8 Globale Niederschlagsgerade (YURTSEVER & GAT 1981) 82H = 8,2 * 8180 + 10,a

-16 -14 -12 -10 -8 -6

8180 [%oSMOW]

Beziehung zwischen 2H und 180 in den Niederschlägen

Talboden Wellenberg Bannalp -e-- .... /:.;..... ._ ....... -

8t. Joder Fellboden Bannalpsee - - -D- - . - -e - --..... --

Zeitreihen Tritium in den Niederschlägen

-4

- 73 - NAG RA NTB 93-28

60

W238 W325 -e-- ····0····

50 W134 W447

---f::s-- --*-

40 ~--------------------------------------------------------~

::::> r30 ~------------------------------------------------------~

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10

0 I I I I I I I I I I

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Figur 4.4.4: Zeitreihen Tritium in den vier Referenzquellen W134, W238, W325, W447

4.4.3 Hydrogeochemische und isotopenhydrologische Untersuchungen an Quellen und oberflächennahen Grundwässern

Im weiteren stellen SCHMASSMANN et al. (1993b) die Ergebnisse der hydroche­mischen und isotopenhydrologischen Untersuchungen an Quellen und oberflächen­nahen Grundwässern des Standortgebietes Wellenberg im Vergleich zum Standort­gebiet Oberbauenstock dar. Die wichtigsten Ergebnisse werden im folgenden zu­sammengefasst.

Die an der Oberfläche erfassten Grundwässer des Untersuchungsgebietes Wellen­berg gehören nach den Hauptbestandteilen zum Ca-HC03-Typ. Andere chemische Wassertypen stammen aus den Tiefbohrungen im Standortgebiet. Nach den Neben­bestandteilen in den Wässern verschiedener Herkunft und Genese lassen sich Typ­Gruppen unterscheiden, die auch mit Hilfe statistischer Rechenverfahren wie z. B. der Faktorenanalyse gut zum Ausdruck kommen.

Anhand der Na/CI-Verhältnisse sind einzelne in Quellen austretende Grundwässer zu erkennen, die von den in hohen Lagen mit niedrigen Chlorid- und Natrium-Konzentra­

,tianen fallenden Niederschlägen stammen und weder eine natürliche geochemische noch eine anthropogene Natrium-Anreicherung erfahren haben. Durch Wechselwir­kung mit dem Gestein, d.h. durch Kationenaustausch und Hydrolyse-Prozesse, ent-

NAGRA NTB 93-28 - 74-

wickeln sich aus ihnen natriumreichere Wässer.

Die stabilen Isotope 2H und 180 geben Hinweise auf die Höhenlage der gefallenen Niederschläge, die aber nicht unbedingt mit der des Infiltrationsgebietes identisch ist, da die Wässer in einigen Fällen in Oberflächengewässern aus höheren Lagen ins Infiltrationsgebiet zugeflossen sein können.

Die Wässer aus der Axen-Decke mit Helvetischem Kieselkalk, Drusberg-Schichten, Schrattenkalk, tertiären Mergelschiefern und Lockergesteinen gehören zu den Was­sertypen Ca-HC03 bis Ca-(Mg)-HC03-(S04) und sind schwach mineralisiert (mit Ka­tionen- bzw. Anionen-Summen von 2.2 - 3.5 mol(eq)/m3). Sie sind keinen oder höch­stens geringen anthropogenen Einflüssen unterworfen. Die Wässer der ergiebigsten Quellen stammen nach den stabilen Isotopen aus Höhen von durchschnittlich mehr als 2000 m ü.M. In den weniger ergiebigen Lockergesteins-Quellen sind Einzugsge­biete bis höchstens einige hundert Meter über den Quellaustritten anzunehmen. Die unterirdischen Verweilzeiten der Wässer der Axen-Decke sind im Vergleich zu den meisten anderen Quellen des Untersuchungsgebietes gering (Tab. 4.4.1).

Die in der Rutschmasse Altzellen in Quellen austretenden Grundwässer lassen sich nach Art und Höhe ihrer Mineralisation in verschiedene Gruppen unterteilen (Fig. 4.4.5, Tab. 4.4.2). Im südlichen Teil der Rutschmasse kommen schwach mineralisierte Wässer (Kationen- bzw. Anionen-Summen :s; 4.4 mol(eq)/m3) vor, in denen sich die Zuflüsse aus der Axen-Decke manifestieren. Die Mineralisation nimmt sowohl gegen den Hangfuss als auch gegen den nördlichen Rand der Rutschmasse hin stark zu (mit Kationen- bzw. Anionen-Summen von ca. 11 mol(eq)/m3). Gegen N ist ausserdem ei­ne Zunahme der Mg- und S04-Konzentrationen zu verzeichnen. Die Na-, K-, CI- und N03-Konzentrationen steigen mit abnehmender Höhenlage an, was auf anthropogene Einflüsse schliessen lässt. Abgesehen von den im S der Rutschmasse möglichen Ein­flüssen aus der Axen-Decke stammen die austretenden Grundwässer ganz oder im wesentlichen von Infiltrationen innerhalb der Rutschmasse Altzellen selbst. Die mittle­ren Einzugsgebietshöhen nehmen mit den Höhen der entsprechenden Quellen ab. Die meisten Quellwässer der Rutschmasse haben nach den Tritium-Daten verhält­nismässig lange mittlere Verweilzeiten zwischen 4 und 7 Jahren, die durch 85Kr-Daten bestätigt werden. Allerdings ist ein Teil der Quellwässer deutlich kurzfristigen oberflä­chennahen Einflüssen ausgesetzt. Analoges gilt für Quellwässer an der W-Flanke des Tals von Oberrickenbach.

Es ist nicht anzunehmen, dass die von den Quellen bekannten chemischen Grund­wassertypen im Normalfall bis zur Basis der Rutschmasse Altzellen reichen. So erschloss die Bohrung SB6 im tieferen Teil der Rutschmasse bereits ein Na-HC03-Grundwasser (Kap. 4.4.4.1).

An zwei Quellwässern aus dem Gebiet der Rutschmasse wurden Untersuchungen zur Bestimmung der Konzentration, Stoffklasse und Grössenverteilung von Kolloiden durchgeführt. Die Kolloide bestehen aus Ton- und Calciumcarbonat-Teilchen. Die Konzentrationen der Kolloide >100 nm liegen in der Grössenordnung von 109 Parti­kel/I (bzw. 100 ppb). Infolge der Dominanz von Ca und Mg in den Quellwässern, die die Haftung der Kolloide untereinander und am Gestein fördern, sind die Kolloidkon­zentrationen relativ niedrig. Sie liegen im erwarteten Bereich für solche gering minera­lisierten Grundwässer (McCARTHY & DEGUELDRE, 1993).

- 75 - NAG RA NTB 93-28

Tabelle 4.4.1: Mittlere Verweilzeiten und mittlere Höhen der Niederschlagsgebiete

Teilgebiet Quellen Höhe der Approximative Approximative Quellwasser- mittlere Höhe der Verweilzeiten seit austritte Niederschlagsgebiete Niederschlägen

(bei EM= mittlere Verweilzeiten)

Axen-Decke Karstquellen mit stark 575-1290 m <2600 m variablen Schüttungen >2000 m Tage bis Monate? Lockerqesteins-Quellen 1015-1020 m 1500-1650 m? max. 2-4a (EM) Quelle E-Flanke 650m <2000 m 7a(EM) Engelbergertal Referenzquelle Zone 1 1220m 1250 m <1a (PFM EM) Andere Quellen Zone 1 860-1070 m 1100 m 4-7a (EM) z.T. mit

kurzfrist. Einflüssen Referenzquelle und 545-735 m 700-800 m 5-7a (EM) andere Quellen Zone 1/2/3 Quelle in Zone 2 vor 1220 m >1800 m 4a(EM)

Rutschmasse Axen-Decke Altzellen Referenzquelle und andere 650-781 m :::;;1000 m 4-6 a (EM)

Quellen Zone 2 765-885 m 1200 m 2-6 a (EM)

Quellen Zone 4 665 m 1050-1100 m 4-6 a (EM) 625m 800m 2-4 a (EM)

Quellen Zonen 3 und 3a 565-625 m 600-850 m 4-6 a (EM)

Westflanke Referenzquelle (Zone 1) 970 m 1100 m 4-5 a (EM)

Tal von Quelle vor N-Rand 1040 m 1600-1700 m ? 4-6a (EM) Oberrickenbach der Axen-Decke

Wellenbergalp Diphyoides-Kalk-Quellen 1270-1295 m -1300 m kurzfristige Einflüsse Mittel max. 4 a (EM)

Diphyoides-Kalk-Quelle 1398 m >1900 m (-2100 m?) 10-11 a (EM)

Valanginien-Mergel-Quelle 1090 m > 1900 m (-2100 m?) 3-5 a (EM)

No rdostfl an ke Lockergesteins-Quelle über 908 m :::::1650 m 7-9 a (EM)

Tal von Valanginien-Mergeln

Oberrickenbach Lockergesteins-Quelle über 850 m >1900 m (-2100 m ?) 10-11 a(EM) Valaqinien-Kalk Lockergesteins-Quelle 840m 1400-1600 m 9-11 a (EM) über Helv. Kieselkalk Kieselkalk-Quellen 620-650 m

Hang unterhalb Lockergesteins-Quellen 640m >1900 m 6-9 a (EM) Väsperflue über Helv. Kieselkalk 610 m 1400-1500 m

Nördlich Lockergesteins-Quellen über 600-720 m -1000 m ? Schüpfentobel Helv. Kieselkalk (kontaminiert)

Lockergesteins-Quelien über 790m 900-1000 m Helv. Kieselkalk am N- und

Wellenberg W-Hang :::;;2.5 a (PFM)

Lockergesteins-Quellen am 515-570 m <900-1000 m westlichen Hangfuss

Klippen-Decke Malm-Quelle 630m 1400m 7-10a

Sohle des Randliches Talqrundwasser 532m 550m kurzfristige Einflüsse

Engelbergertals Grundwasser (Infiltrationen 503-560 m 1900m 3-6 a (EM) aus Aa)

EM = Exponential-Modell PFM = Piston-Flow-Modell

Die Diphyoides-Kalk-Quellen auf dem Wellenberg sind gering mineralisiert (mit Katio­nen- bzw. Anionen-Summen von ca. 4 mol(eq)/m3) und gehören zum Wassertyp Ca-HC03. Ihre Einzugsgebiete liegen höchstens wenige Zehner von Metern höher als die entsprechenden Quellen. Zum gleichen Wassertyp gehören zwei Lockergesteins­Quellen über Helvetischem Kieselkalk am N- und am W-Hang des Wellenberges, die schwächer mineralisiert (Kationen- bzw. Anionen-Summen von 2 - 2.3 mol(eq)/m3)

NAG RA NTB 93-28 - 76 -

Figur 4.4.5:

Piezometer

Bach

Reproduziert mit Bewilligung des Bundesamtes für Landestopographie vom 11 .8.1993

Lage der Probeentnahmestellen mit hydrogeologischer und hydro­chemischer Gliederung des Untersuchungsgebietes

- 77- NAG RA NTB 93-28

und offenbar starken oberflächennahen Einflüssen ausgesetzt sind. Am Fuss des Wellenberg-W-Hanges tritt lokal stärker mineralisiertes Wasser aus, bei dem die Mög­lichkeit einer lokalen Beimischung von Tiefengrundwasser noch nicht ganz auszu­schliessen ist. Die Gehalte der stabilen Isotope sind mit der anzunehmenden Herkunft des Wassers aus den Aufschlussgebieten des Diphyoides-Kalkes und des Helveti­schen Kieselkalks am Wellenberg selbst konsistent. Die unterirdischen Verweilzeiten betragen nach den Tritium-Daten um 2 Jahre (Tab. 4.4.1). Am Fuss des Wellenberg­W-Hanges hat die Bohrung (SB2) in dem unter den quartären Schottern liegenden Helvetischen Kieselkalk bereits ein hydrochemisch weiter entwickeltes oder mit Tie­fengrundwasser vermischtes Grundwasser des Typs Ca-Mg-(Na)-HC03-(S04) ange­troffen (Kap. 4.4.4.4.).

Tabelle 4.4.2:

Zonen

Zone 1-

Zone 1

Übergang 1/2

Zone 2

Übergang 1/213

Zone 3a

Zone 3

Übergang 4/3

Zone 4

Konzentrationen der Hauptbestandteile in den Wassertypen der Rutschmasse Altzellen

LKationen Mg2+ Ca2+ sol- HC03-

Wasser- LAnionen typ mol(eq)/m3 mol(eq)/m3 mol(eq)/m3 mol(eq)/m3 mol(eq)/m3

5,2-5,6 1,1-1,2 4,0-4,4 0,8-1,0 4,2-4,7

Ca-Mg-HC03-(S04) Ca-Mg-HC03-(S04) "27,2 "21,5 "24,9 "21,0 "25,8

Ca-(Mg)-HC03-(S04)

0,7-0,8 0,5-0,6

:::;5,0 :::;0,6 :::;4,3 :::;4,6

<0,5 Ca-(Mg)-HC03

0,6-1,0

0,3-0,8

"25,0 "24,3 "24,6

<0,3

Ca-HC03 4,7-5,0 :::;0,6 4,4-4,6

:::;4,2

:::;4,4 :::;4,1

An der NE-Flanke des Tals von Oberrickenbach liegen schwach mineralisierte Fels­und Lockergesteins-Quellen vom Ca-(Mg)-HC03-(S04)-Typ (mit Kationen- bzw. Anio­nen-Summen von 3 - 3 mol(eq)/m3). Am gleichen Hang finden sich gering mine­ralisierte Quellen vom Typ Ca-(Mg)-HC03 und tiefer am Hang vom Typ Ca-HC03. Wahrscheinlich wirken sich an diesem Hang Zuflüsse schwach mineralisierter Wässer aus höheren Formationen der Drusberg-Decke ähnlich aus wie die im S der

NAGRA NTB 93-28 - 78 -

Rutschmasse Altzellen vermuteten Einflüsse aus der Axen-Decke. Die stabilen Iso­tope aller vier untersuchten Quellen weisen auf durchschnittlich hohe Niederschlags­gebiete hin. Nach den Tritium-Aktivitätskonzentrationen ist für zwei der untersuchten Quellen mit mittleren Verweilzeiten von bis zu 11 Jahren zu rechnen (Tab. 4.4.1).

Sowohl die Quellen im Helvetischen Kieselkalk unterhalb der Väsperflue als auch die südlich benachbarten Lockergesteins-Quellen gehören zum Ca-Mg-HC03-(S04)­Typ, vereinzelt auch zu den Typen Ca-Mg-HC03 und Ca-(Mg)-HC03-(S04)' Sie un­terscheiden sich von den Quellen der Rutschmasse Altzellen (Zone 1) gleichen Was­sertyps durch niedrigere Mineralisation mit Kationen- bzw. Anionen-Summen von 3 -3.6 mol(eq)/m3). Die stabilen Isotope deuten auf durchschnittlich sehr hohe Einzugs­gebiete in der Haldigrat-Brisen-Kette hin. Die Tritium-Aktivitätskonzentrationen lassen auf unterirdische Verweilzeiten zwischen 6 - 9 Jahren schliessen (Tab. 4.4.1).

Das Grundwasser der Talsohle wird nach den Isotopen-Gehalten im wesentlichen durch Infiltrationen aus der Engelberger Aa gebildet. In Einzelfällen sind Einflüsse von Fels- oder Lockergesteins-Grundwässern der östlichen Talflanke zu vermuten. Die Tritium-Aktivitätskonzentrationen weisen auf mittlere Verweilzeiten von 3 - 6 Jahren hin (Tab. 4.4.1). Diese Zeiten belegen nicht nur die Verweilzeiten seit der Grundwas­serbildung durch Infiltration, sondern schliessen auch Rücklagen aus Eis, Schnee und Grundwasser im grossen Einzugsgebiet der Engelberger Aa ein.

4.4.4 Grundwässer aus Sondierbohrungen

Im folgenden werden die Grundwässer charakterisiert, die aus den 5 Sondierbohrun­gen am Wellenberg gewonnen wurden. Neben ihrer chemischen Beschaffenheit wer­den ihre Infiltrationsbedingungen, unterirdischen Verweilzeiten und möglichen Was­ser/Gesteins-Interaktionen beschrieben.

Wegen ungleichmässiger Tracerkonzentrationen und z.T. nicht reproduzierbarer ho­her Tritiumgehalte in der Bohrspülung konnte die Verunreinigung weniger Wasserpro­ben nicht zweifelsfrei bestimmt werden (BLASER, 1993b). Bei den 'meisten Proben ist jedoch die Kontamination so gering, dass die Interpretation der Analysen ohne weite­res möglich ist.

Die wesentlichen Eigenschaften der beprobten Grundwässer sind in der Figur 4.4.6 zusammengefasst. Figur 4.4.7 zeigt die räumliche Verteilung der Grundwässer im Untersuchungsgebiet in einem WSW-ENE-Profil.

4.4.4.1 Oberflächen nahe Na-HC03-Grundwässer in Valanginien-Mergeln und unteren Teilen der Rutschmasse Altzellen

In den Sondierbohrungen konnten in durchlässigeren Partien der oberen Valanginien­Mergel und im unteren Teil der Rutschmasse Altzellen Grundwässer vom Na-HC03-Typ mit einer Mineralisation von 0.8 bis 1.3 g/I unter artesischen Verhältnissen be­probt werden (Fig. 4.4.6, Nr. 3; Fig. 4.4.7).

"Tl (Q c

+::-+::-(J)

CiiO =::::r c p) :::J -,

(Q p)

~ (1) -, (ij'

(1) -, C :::J

(Q

0.. (1) -,

Q -, C :::J 0.. ~ p) (f) (f) (1) ;:::+ '< "0 (1) :::J

C :::J 0..

::::r -, (1)

...., p): C

3 o ::::r (1)

< (1) -;'

I NNW

m Ü. M.

2500

1500

.. 1000

·1500

(Geologische Legende siehe Figur 5.1.4)

*) Tm = mittlere Verweilzeit im Untergrund

~&-~:~ ..... ~ •• ~ 5"'1" •.. ,.,.~.~ t ~ ';-- ,'t ' ""''I., C;',' .• " . (J," .. fi 0' ~-1

~ -.. ;'~~ -':~"'.' ·',~~;:,:.·i:':~~.;:f'~~ IL-', ..v1C.i.'.,~ -~",*,~),· ..... :.:~lii

Profil WSW - ENE

1

P. 1341 Wellenberg

® Na-HC03 -CI 1800 - 2500 mg/I Tm ': > 35 Jahre

Engelberger Aa

I

CD Ca-HC03 200 - 900 mg/I

Tm *: < 35 Jahre

SB2 (proj.)

I SBG (proj.)

SB1 (proj.)

@ Na-CI 30'000 mg/I

Tm' : sehr alt, starke Wasserl Gesteins-I nteraktlonen

Eggeligrat

SB4 (proj.)

® Na-HC03 1000 - 1200 mg/I

Tm' : > 10'000 Jahre

o 500 1000 m

I '

SSE

m Ü. M.

2500

1500

1000

500

o

-1000

-1500

....", CD

z }> Q JJ }>

Z -l (JJ

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3 m ,

~ -U .., 0 ~

IWSW

Im ü. M.

2000

11

I f- 1500

I~ 0

I f- - 500

- 1000

E ngelbergertal

*) Tm = mittlere Verweilzeit im Untergrund

(Geologische Legende siehe Figur 5.1.4)

CD Ca-HC03 200 - 900 mg/I

Tm *: < 35 Jahre

Profil

NNW[ SSE

Eggeligrat

® Na-HC03

o Na-CI 30'000 mg/l

Tm· : sehr alt, starke Wasserl Gesteins-Interaktionen

Secklis Bach

SB1

o 500 1000 m

I 1 000 - 1200 mg/l

Tm * : > 10'000 Jahre

ENE I

m ü. M. I 2000 -,

11 1500

-1000

z » GJ JJ » z --I OJ CD c.u , f\) CXJ

CXJ o

o

-20

~ -40 o 2 ~

o ..:: -60 o C\I

I

I vo

-80

- 81 -

* SMOW = Standard Mean Ocean Water

GMWL = Global Meteoric Water Une

NAGRA NTB 93-28

Meerwasser

. .. :<.

·ro.scß'/ s~ .. "

':\.\0'0;/ \\)."-~?> '" '0'0 () ~o\ ./ .. o...e,,-e'l.., se"-

"G\ .. ./ e"- v ~ 'O-s ~?> '" '$..,e~. ~\.e

- ./ ,,0 '"f',ei /' '\S,'O-v ~'I.

\..e~ 0"0\.~ .. 0"0~

Niederschläge .... (Mittelwerte 1989-91) / _~~r-----~' Na-CI Wässer (S81)

KK-1 (SB2) /\. .------------- (Messwerte Wasserproben: .. ,'.. Formationswasser

Ca-HC03 \.,'/ \. ___ + Bohrspülung) Quellen '-"','\ ,*,- _---- oberflächen nahe

KK-4 (882) _____ :;~;~-- Na-HC03 Wässer (881, 883, 884, 886)

,~ (S~3) 0 GMS-2 (SB2) KK-2 (SB2) /' ...

-100

-15

Figur 4.4.8:

,0' .... ---- _______________ --\ "tiefe" Na-HC03 Wässer iJj (SB1) -----------

-10 -5 o eS 0-18 %

0 (SMOW)

Darstellung der 2H- und 180-Werte der Niederschläge, der ober­flächennahen Quell- und Grundwässer und der Wasserproben aus den Sondierbohrungen am Wellenberg

Die chemische Beschaffenheit dieser Wässer (Tab. 4.4.3), d.h. die Dominanz von Na und HC03, erklärt sich aus der Entwicklung von oberflachennahen Ca-HC03-Grund­wässern durch Ca-Na-Ionenaustauschprozesse. Dieser Ionenaustausch wird begleitet von einer weiteren Lösung von Calcit (CaHC03). Dieser Prozess führt auch zu den re­lativ hohen pH-Werten, die für diese Wässer charakteristisch sind (Figur 4.4.9).

Der Chlorid-Gehalt dieser Wässer liegt im Bereich heutiger Niederschläge aus höhe­ren Lagen sowie oberflächennaher Grundwässer des Wellenberges, ohne Beeinflus­sung durch die Landwirtschaft (Kap. 4.4.3.). Somit können diese Wässer auch nur minimale Anteile von chloridreichen Poren- oder Kluftgrundwässern enthalten.

Die 180- und 2H-Gehalte dieser Wässer liegen im Bereich der heutigen Quell- und oberflächennahen Grundwässer des Wellenberges (Fig. 4.4.8), was auf Infiltration unter heutigen Klimabedingungen hindeutet. Der Tritium-Gehalt dieser Wässer zeigt eine mittlere Verweilzeit von mehr als 35 Jahren an. Messungen von 39Ar lassen ein Alter des Na-HC03-Grundwassers aus der Sondierbohrung SB4 (164 m) von ca. 420 ± 40 Jahren vermuten.

Die Bestimmung der 87S r/86Sr-lsotopenverhältnisse des gelösten Sr im Wasser und in den Valanginien-Mergeln unterstützt diese Hypothese der chemischen Entwicklung. Die 87Sr/86Sr-Verhältnisse der Na-HC03-Wässer sind nahezu identisch mit denjeni-

--_._. _ .. _--_._--- ---_._---------I Z

WELLENBERG Na-HC03-WASSERTYPEN CHEMISCHE ANAL YSEN:

Il) 0"

}>

CD G)

CD JJ }>

-----_ .• ----------------oberflächennahe Na-HC03-Wässer tiefere Na-HC03-Wässer

~ ~

Z --I

CU \lJ Bohrung: SB 1 SB3 SB 6 SB 6 I·n.·.;).; ) SB 4 *' SB1 SB 1 SB 1 SB 1 SB 1 SB 3 Hydrotest: VM-5 VM-1 RM-7 VM-1

1~1! •••••••

VM-10 TK-1 TK-1 TO-1 TO-1 OK-1 M-3 Tiefe: 70.6m 243m 223m 308m 164m 1180m 1180m 1363 m 882 m 1252 m 1365m Probentyp , : BK BK BK BK BK BK OH BK OH BK OH

CD

Il) 0 CU

I

C ::r I\)

Cf) CD (X)

--._-------

:: elek. Leitf. uS/cm 1108 1720 1350 1430 1340 1486 1485 1690 1555 1425 2134

pH -log (H+) 8.9 9 9.3 9 9.24 8.55 8,53 8.6 8.79 8.92 8.45 Eh mV 0.5 -125 60 105 -50 -150 -122

Fe tot. mgll 0.088 1.7 130 12.3 0,25 2.4 10.5 0.046

0..3 CD _. ::J Cf)

C/)~ OOC mgll 2.7 6.8 17 15 17 4 96 107 15 o CD Li+ mgll < 0.1 < 0.1 < 0.1 0.09

<? 0.1 1,3 1.3 1.1 1,1 1.22

Na + moll 324 545 376 410 -~ 422 423 477 458 439 590 K+ mgll 2 1.6 2.8 1.3 >{ 2.5 4.3 4.7 6

- .----3:9-------~--

6.3 Rb + mgll < 0.05 < 0.05 < 0.5 < 0.5 < 0.05 < 0,1 < 0.1 < 0.2 0.2 < 0.1 Cs+ mgll < 0.05 < 0,05 < 0.5 < 0.5 ><~ 0,13 < 0,1 < 0.1 < 0.5 0.5 < 0.5

NH 4 + mgll 0.74 0,65 0.95 < 0.27 <:«.: < 0,01 0.64 0.8 < 0.04 < 0.05 0.39 0.04 Mg 2+ mgll 0.6 1.3 0.42 0.95 '< .. » 1.43 0.9 1.9 1.5 1 ,2 1.2 2,1 Ca 2+ mq/l 1.7 3.4 1.8 2.2 6.32 2.8 15 4.9 2.9 8.5 Sr2+ mg/l < 0.5 < 0.5 < 0.5 < 0.5 I( 0.63 < 0.5 < 0.5 0.51 0.42 <

.. _-_._~--

0.5 Ba 2+ mg/l 0.072 0.024 0.03 0.06 0.103 0.17 5.1 0.1 Mn 2+ mg/l 0.031 0.035 < 0.005 0.017 0.054 0.13 0.17 0.047 0.042 0,089 0.037 Fe 2+ mg/l 0.088 1.7 0.19 1.4 0.25 2.4 10.5 0.046 0.041 0,16 0.02 Ni 2+ mg/l < 0.01 0.042 < 0.01 < 0.01 0.005 < 0.01 < 0.035 0.01

~}> _. ::J CD Il) -, -0"'< o Cf)

::r CD , ::J C ::J 0

<.00" CD CD ::J4

(X)

Il): I\)

()

Cu 2+ mg/l < 0.005 0,2 0.012 0.011 -.::.>:< < 0,005 < 0.001 < 0.03 0,005 Zn 2+ mg/l < 0.005 < 0.05 0.05 < 0.05 I>' < 0,05 < 0.05 < < 0.05 < 0.05

Cd mgll < 0.0002 < 0.0002 <>8 0.002 Pb 2+ mgll 0.0037 0.024 < 0.005 < 0.005 0.006 0.008 0.022 _____________________ --..9.008

F- mg/l 10 27 18.7 17

~l 11.3 30 30 29 29 44 26

CI- mgll 14 8.6 7.9 97 2.3 50 50 55.4 54 51 70 Br- mg/l 0.15 0.27 0.082 0.2 2.4 0.61 0.61 0,6 0.59 0.6 0,81 1- mg/l 2 2 0,37 1,2 0.47 0,75 0.75 1,2 2.5 0.81 1.3

S042- mg/I 4.3 3 26.4 9.5 \;' 120 1 2 9.7 81 3.8 8.6 Se mg/I < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.0005 < 0.001 0.001

::r CD ::J ::J Il) ::r CD , C ::J 0..

N02- mg/I < 0.02 0.04 < 0.04 < 0.05 < 0.03 0.037 0.027 0.06 < 0,05 0,035 NO 3- mg/I < 0.1 < 0.1 < 0.1 < 0,1 < 1,8 < 0.1 < 0.1 < 0.1 < 0.1 < 0.1 0.43

P mg/I < 0.1 0.4 0.23 0,22 > < 0.05 0.13 0.12 0.4 0.26 0.26 < 0.02

r-+

co' -+-CD

As moll < 0.001 0,0015 0.0014 < 0.001 0.0016 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < __ .J!J2Q1~ __ 0.001 , HC03 - mg/l 690 1170 685 873

!j?l. 968 967 943 946 953 950 1330

C032- mg/l 60 79 110 70 42 4,8 25 54 48 24 26 AI mg/l 0.92 0.825 6.3 1.4 13 < 0.01 1.04 0.087

H2SiO 3 (fi~) mg/I 13 24 6.5 10 16.3 28 28 9.3 6.4 10 11,2 H3BO 3 mg/l 3.6 5.5 4 6.6 4.9 12 12 14 13 5.1 11.7

U ugll 0.3 0.6 0.8 Rn-222 B9/1 1 1 1

Z Il)

I

I 0 0 W ----------------"._-."----

, BK = Entnahn' BK = Entnahme am Bohrlochkopf, OH = 'Oownhole'-Probennehmer ~ .. nicht in Spalte" nicht in Spalte 'Mittelwerte' entha~en, da einige chemische Komponenten stark durch Bohrspülung beeinflusst sind. Il):

Cf)

Die Kontamination der Wasserproben mit Bohrspülung beträgt maximal wenige Prozent. Cf)

CD , ---- ---- ------ ------- -

- 83- NAG RA NTB 93-28

gen der Calcite von offenen Klüften in den Mergeln, was auf eine Lösung des Sr di­rekt aus dem Calcit hinweist.

Wässer dieses Typs konnten aus den Sondierbohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6 in einer Tiefe von 71 m bis 360 m gewonnen werden. Es muss angenommen werden, dass dieser Wassertyp in grossen steilstehenden Störungen, die infolge ihrer erhöh­ten hydraulischen Leitfähigkeit als "auslegungsbestimmend" bezeichnet werden (Kap. 4.2.5.3), auch auf dem Niveau des Endlagers auftritt.

Die Beprobungsbedingungen für diesen oberflächen nahen Na-HC03-Wassertyp wa­ren mit einer Ausnahme in SB4 günstig, so dass die Analysen-Resultate für dieses Gundwasser als repräsentativ gelten können. Auch eine Beeinflussung der chemi­schen Zusammensetzung durch Spülungsrückstände (Na-Bentonit) kann als vernach­lässigbar betrachtet werden, u.a. auch wegen den hohen Förderraten bei der Bepro­bung (BAEYENS & BRADBURY, 1991). Parallel durchgeführte Untersuchungen an diesem Wassertyp in SB6 zu Konzentra­tion, Stoffklasse und G rössenverteilung von Kolloiden führten wegen starker Kontami­nation zu keinen verwertbaren Ergebnissen. Weitere Entnahme-Versuche sind im Gang.

4.4.4.2 Na-CI-Grundwässer in Valanginien-Mergeln

Grosse Teile der Valanginien-Mergel besitzen geringe hydraulische Durchlässigkeiten. Sie werden charakterisiert durch sehr tiefe hydraulische Potentiale (Kap. 4.5.3 -4.5.4). Aus diesem Bereich konnten nur sehr wenige, stark verunreinigte Wasser­proben gewonnen werden (Fig. 4.4.6, Nr. 4.; Fig. 4.4.7).

Analysen des Grundwassers zeigen, dass es sich um ein salines Formationswasser vom Na-Cl-Typ handelt. Die kontaminierten Wasserproben enthalten bis zu 5.8 g/I CI (Tab. 4.4.4, Fig. 4.4.9). Im Kapitel 5.1.4.2 wird die Ableitung eines geochemisch in sich konsistenten Na-CI-Referenzwassers näher beschrieben (Tab. 5.1.6), welches eine CI-Konzentration von ca. 17 g/I aufweist. Die Werte der 2H- und 180-lsotope die­ser Wässer liegen nicht auf der globalen meteorischen Wasserlinie (GMWL), sondern weisen im Verhältnis zu den oberflächennahen Grundwässern schwerere H- und 0-Isotope auf (Figur 4.4.8).

Diese Eigenschaften deuten auf saline konnate Formationswässer und/oder extensive Wasser/Gesteins-Interaktionen hin, so dass Teile dieser Wässer wahrscheinlich sehr lange Verweilzeiten im Untergrund (möglicherweise mehrere Millionen Jahre) aufwei­sen. Damit sind diese Wässer bedeutend älter als alle anderen untersuchten Grund­wässer des Sondiergebietes.

Die Entnahmetiefen dieser Wässer liegen wenig unterhalb der vorgesehenen Endla­gerebene. Berücksichtigt man die topographischen Verhältnisse, so muss in Betracht gezogen werden, dass diese hochmineralisierten Wässer im Endlagerbereich auftre­ten dürften.

Im Untersuchungsgebiet konnten brauchbare Wasserproben des Na-Cl-Typs aus der

NAG RA NTB 93-28 - 84-

Mg Ca Mg+Ca Na+K CI HC03

1000

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100 j' \

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INa-C.I~ / \

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oberflächennaher /1 ......... '\ "

Na-HC03 Typ oberflächennaher Ca-HC03 Typ

0.01

Figur 4.4.9: Ionenkonzentrationen der Grundwässer

Sondierbohrung SB1 in Tiefen von 399 m (Test VM-13) und 508 m (VM-23) gewon­nen werden. Zwei Wasserproben der SB3 aus 480 m (VM-8) und 540 m Tiefe (VM-9) zeigen Hinweise auf die Anwesenheit von Na-Cl-Wässern. Sie sind aber aufgrund der starken Kontamination mit Bohrspülung für eine weitere Interpretation nicht geeignet (BLASER, 1993b).

Ähnliche Grundwässer sind aus der weiteren Umgebung des Wellenberges bekannt: zum Beispiel aus dem Pilottunnel Sachsein (Kt. OW), mit einer CI-Konzentration von

- 85 - NAGRA NTB 93-28

3.3 g/I, und angereicherten 180-Gehalten (Dr. von Moos AG, schriftl. Mitt; Analysenre­sultate der Nagra). Eine hohe Salinität des Wassers, dominiert durch CI, zusammen mit einer Anreicherung von 180 ist typisch für Wasser/Gesteins-Interaktionen, die über sehr lange Zeiträume wirksam sind. Diese Wässer sind allerdings mit jungen schwach mineralisierten Wässern verdünnt, was aus dem Tritium-Gehalt von bis zu 22 TU her­vorgeht. Im Seelisbergtunnel wurde in den Valanginien-Mergeln ein Wasser mit einem CI-Gehalt von ca. 20 g/I angetroffen (SCHNEIDER & KAPPELER, 1984). Es ist daher nicht auszuschliessen, dass auch im Untersuchungsgebiet noch höher saline Wässer existieren.

4.4.4.3 Tiefe Na-HC03-Grundwässer unter der Basis der Valanginien-Mergel

Unter den hydraulisch gering bis sehr gering durchlässigen Valanginien-Mergeln der Sondierbohrungen SB1 und SB3 konnten unterhalb von ca. 1200 m Wasserproben des Na-HC03-TyPs gewonnen werden, die aber z.T. etwas höher mineralisiert sind als die oberflächennahen Na-HC03-Wässer (Tab. 4.4.3).

Die beprobten Testintervalle der SB1 umfassen Schimberg-Schiefer, Hohgant-Forma­tion, Klimsenhorn-Formation und Helvetischen Kieselkalk (Wasserprobe TK-1), den Tros-Kalk (TO-1) und Öhrli-Kalk (OK-1). In der SB3 (Wasserprobe M-3) wurden das Melange sowie Teile der Öhrli-Formation und geringe Anteile des Südhelvetischen Flyschs beprobt (Fig. 4.4.6 und 4.4.7, Nr. 5 und 6; Tab. 4.4.3; Figur 4.4.9).

Die Unterschiede zwischen den oberflächennahen und den tiefen Na-HC03-Wässern werden durch den Vergleich ihrer chemischen Zusammensetzung und Isotopenwerte deutlich (Tab. 4.4.3; Fig. 4.4.8). Die tiefen Na-HC03-Wässer sind durchschnittlich et­was stärker mineralisiert und weisen höhere Konzentrationen von Li, CI, Br, Ca, K, Mg und H3B04 auf.

Die Werte der stabilen Isotope 180 und 2H (SB1-Proben) liegen auf der globalen me­teorischen Wasserlinie, weisen aber negativere Werte (leichtere Isotopenverhältnisse) als die Mittelwerte der oberflächennahen Ouell- und Grundwässer und oberflächen­nahen Na-HC03-Wässer auf (Fig. 4.4.8). Dies deutet auf eine Infiltration während ei­ner kälteren Klimaperiode hin.

Der 2H-Gehalt der Wasserprobe SB3 (M-3) ist ähnlich wie derjenige der oberflächen­nahen Grundwässer, wobei 180 angereichert ist. Dies könnte auf lange bzw. ver­stärkte Wasser/Gesteins-Interaktionen zurückzuführen sein. Eine Mischung mit den hochmineralisierten Na-Cl-Wässern, die ebenfalls zu angereicherten 180-Werten füh­ren könnten, scheidet aufgrund der zu niedrigen CI-Konzentration dieser Probe aus. Die mittlere unterirdische Verweilzeit dieser Wasserproben ist zur Zeit nicht eindeutig bestimmbar; möglicherweise sind sie älter als die vergleichbaren SB1-Wässer.

Wasserproben unmittelbar unter der Wirtgesteinsbasis zeigen ähnliche 87Sr/86Sr-Ver­hältnisse wie die Wässer aus dem Wirtgestein. Wasserproben aus grösserer Tiefe sind deutlich stärker mit 87Sr angereichert als oberflächennahe Na-HC03-Wässer.

NAG RA NTB 93-28 - 86 -

Tabelle 4.4.4: Sondierbohrung SB1: Chemische Analysen der kontaminierten Na-CI-Wasserproben

Bohrung: SB 1 SB 1 SB 1

Probentyp * : DH DH DH

Datum: 30.05.91 27.02.91 27.02.91

Hydrotest: VM-23 VM-13 VM-13

Tiefe: 508m 399 m 399 m

Probennehmer: Nr.5+7 Nr. 2 Nr.3

geschätzte Kontamination

durch Bohrspülung (%): 65 20 16

elektr. Leitf. uS/cm 12910 12010 12760

pH -log (H+) 7.8 9.13 9

Eh mV

Fe total mg/I < 0.03 0.015 0.015

DOC mg/I 302 3 2.2

Li+ mg/I 0.73 0.8 0.83

Na + mg/I 3570 3220 3600

K+ mg/I 19 14 11

Rb + mg/I < 0.1 < 0.05 < 0.05

Cs+ mg/I < 0.1 0.17 0.18

NH 4+ mg/I 0.1 3.4 3.6

Mg2+ mg/I 78 31 38

Ca 2+ mg/I 239 44 61

Sr2+ mg/I 57 29 24

Mn2+ mg/I 0.62 0.12 0.26

F- mg/I 1.4 2.9 3.3 CI- mg/I 5800 4990 5670

Br- mg/I 75 65 70

I - mg/I 28 20 23 S042- mg/I 48 47 43

N02- mg/I < 0.02

N03- mg/I < < 0.1 < 0.1 < 0.1

P mg/I 0.3 0.26 0

As mg/I < 0.001 < 0.001 < 0.001

HC03- mg/I 540 113 159

C032- mg/I 0 1.2 0

H2Si03 (direkt) mg/I 9.5 < 5< 5

H2Si03 (filt.) mg/I

H3B03 mg/I 3.1 2.3 2.1

TDS** mg/I 10470 8584 9709

* DH = Entnahme durch "Downhole"-Probennehmer

**TDS = total dissoved solids (total gelöste Feststoffe)

- 87 - NAGRA NTB 93-28

Die tiefen Na-HC03-Wässer wurden weit unter der vorgesehenen Endlagerebene an­getroffen. Dennoch wäre es denkbar, dass diese Wässer aufgrund der hohen hydrau­lischen Potentiale längs grösserer steilstehender Störungen bis auf dieses Niveau steigen könnten.

4.4.4.4 Grundwässer der Sondierbohrung SB2

Die Sondierbohrung SB2 wurde in der Nähe der vorgesehenen Portalzone am W­Fuss des Wellenberges niedergebracht und durchteufte grosse Strecken des Helveti­schen Kieselkalks (KK) des Sichel-Kalks und der Grauen Mergelschiefer (GMS). Die chemische Zusammensetzung der darin gewonnenen Hauptbestandteile der in der Sondierbohrung SB2 erfassten Wässer ist in Figur 4.4.10 wiedergegeben.

Ca-Mg-(Na)-HC03-S04-Grundwasser aus 102 m (Wasserprobe KK-1):

Die Wasserprobe KK-1 stammt aus ca. 100 m Tiefe aus dem Helvetischen Kieselkalk. Das Wasser entspricht einem Ca-Mg-(Na)-HC03-S04-Typ mit einer Mineralisation von ca. 0.34 g/I (Fig. 4.4.6, Nr. 2).

Die stabilen Isotope 180 und 2H liegen im Bereich der oberflächennahen Grundwäs­ser des Wellenberges (Fig. 4.4.8). Aufgrund von Messungen der radioaktiven Isotope 3H, 85Kr und 39Ar ist die folgende Hypothese bezüglich der unterirdischen Verweilzeit denkbar.

Nach dem Piston-flow-Modell wäre eine Mischung von ca. 80 % eines etwa 20-jähri­gen Wassers und 20 % eines ca. 300-jährigen Wassers vorstellbar. Weitere Abklä­rungen sind zur Zeit im Gang.

Die 87Sr/86Sr-Verhältnisse des gelösten Sr im Wasser liegen etwas tiefer als die der typischen Valanginien-Mergel-Wässer. Sie sind vergleichbar mit den Werten von Calcit in offenen Klüften des Helvetischen Kieselkalks.

Na-HC03-Grundwasser aus 352 m (Wasserprobe KK-2):

Diese Wasserprobe wurde aus ca. 350 m ebenfalls aus dem Helvetischen Kieselkalk gewonnen (Fig. 4.4.7, Nr. 7). Es handelt sich dabei um einen Na-HC03-Wassertyp mit etwa 0.5 g/I total gelöster Feststoffe. Damit ist er weniger mineralisiert als die typi­schen oberflächennahen Na-HC03-Grundwässer aus den Valanginien-Mergeln.

39Ar-Messungen deuten auf eine Verweilzeit im Untergrund von über 1000 Jahren hin. Nach den 180- und 2H-Gehalten liegt es auf der globalen m~teorischen Wasser­linie zwischen den oberflächennahen Grundwässern und den tiefen Na-HC03-Wäs­sern der SB1 (Fig. 4.4.8). Für diese Infiltrationsbedingungen können kühlere, even­tuell eiszeitliche Klimaperioden angenommen werden. Nicht auszuschliessen ist eine Mischung von tieferen Na-HC03-Wässern mit oberflächennahen Grundwässern.

NAGRA NTB 93-28 - 88 -

Mg Ca Mg+Ca Na+K CI

1000

100

I GMS-2 1

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0.01

Figur 4.4.10: Ionenkonzentration der Wasserproben aus der SB2

Die 87S r/86Sr-Verhältnisse des gelösten Sr im Wasser liegen wie diejenigen der Was­serprobe KK-1 etwas tiefer als in den typischen Wässern aus den Valanginien-Mer­geln.

Na-HCOa-CI-Grundwässer aus 970 mund 1414 m (Wasserproben KK-4, GMS-2):

Die beiden Wasserproben wurden aus tieferen Abschnitten der SB2 (970 m, 1414 m) entnommen. Die Mineralisation dieses Na-HC03-CI-Typs beträgt ca. 1.8 bzw. 2.5 g/I (Fig. 4.4.6, Nr. 8).

- 89 - NAGRA NTB 93-28

Die Wasserprobe KK-4 aus dem Sichel-Kalk entspricht in folgenden Eigenschaften etwa den oberflächennahen Na-HC03-Wässern der Valanginien-Mergel: 180- und 2H­Gehalte, 87S r/86Sr-Verhältnisse sowie die chemische Zusammensetzung, mit Aus­nahme des höheren CI-Gehaltes (Fig. 4.4.8 - 4.4.10). Dieses Wasser ist als Mischung von oberflächennahem Na-HC03-Wasser mit geringen Beimischungen von Na-CI­Wässern aus den Valanginien-Mergeln oder durch eine eigenständige chemische Entwicklung in diesem tieferen Kalkabschnitt erklärbar.

Die Probe GMS-2 ist etwas höher mineralisiert als die Wasserprobe KK-4 und die Na-HC03-Wässer aus den Valanginien-Mergeln. Der 2H-Gehalt entspricht demjenigen der oberflächennahen Grundwässer, ist aber stärker mit 180 angereichert (Fig. 4.4.8).

4.4.5 Gasuntersuchungen

In den Sondierbohrungen wurden etwa 40 Gasanalysen durchgeführt. Im einzelnen wurden die frei aus dem Wasser bzw. am Bohrkopf austretenden Gase, die im Was­ser nach Abdiffundieren der freien Gase zurückbleibenden gelösten Gase sowie die insgesamt im Wasser gelösten Gase analysiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptkomponente der frei austretenden bzw. im Wasser gelösten Gase Methan (CH4) ist, mit Relativ-Konzentrationen biszu 99.9 Vol% und Absolut-Konzentrationen bis zu 50 mol/m3 H20 (entspricht 1120 I CHdm3 H20). Methan dürfte thermokatalytisch aus einem überreifen marinen Muttergestein während der alpinen Orogenese gebildet worden sein. Ob das Methan hauptsächlich aus den Valanginien-Mergeln bzw. aus den darin enthaltenen Klüften mit Flüssig­keitseinschlüssen stammt oder aus einer tieferen Formation, kann noch nicht beurteilt werden. Neben den hohen Methangehalten treten z.T. auch erhöhte Stickstoffgehalte auf, die aus der gleichen Quelle stammen könnten wie das Methan.

Höhere Kohlenwasserstoffe und Edelgase weisen gegenüber Methan und Stickstoff nur untergeordnete Konzentrationen auf.

4.4.6 Zusammenfassung der hydrochemischen und isotopenhydrologi­schen Untersuchungen

Die nach den Hauptbestandteilen unterscheidbaren Wassertypen und die Ionen­Summen zeigen innerhalb des Untersuchungsgebietes deutliche Unterschiede zwi­schen Quellen-Gruppen verschiedener Lage und Geologie. In der Rutschmasse Alt­zellen lassen sich vier Zonen unterschiedlicher Wasserbeschaffenheit unterscheiden.

Aus den Sondierbohrungen konnten im oberen Teil der Valanginien-Mergel mit mittle­ren Durchlässigkeiten und in tieferen Teilen der Rutschmasse Na-HC03-Grundwässer beprobt werden, deren geochemische Entwicklung aus oberflächennahen Ca-HC03-Wässern durch Kationenaustauschprozesse erfolgt ist. Die mittleren Verweilzeiten dieser Wässer liegen im Bereich von 35 bis ca. 400 Jahren.

NAG RA NTB 93-28 - 90 -

Im darunterfolgenden Bereich der Valanginien-Mergel mit geringen Durchlässigkeiten wurden hochmineralisierte Na-Cl-Wässer angetroffen, deren Chemismus und Iso­topenzusammensetzung auf intensive Wasser/Gesteins-Interaktionen und auf sehr lange Verweilzeiten im Untergrund hindeuten. Anteile dieser Wässer dürften Alter von mehr als 106 Jahren aufweisen.

Unter der Basis der Valanginien-Mergel wurde wieder ein Na-HC03-Typ angetroffen, der durchschnittlich etwas höher mineralisiert ist als der vergleichbare oberflächenna­he Wassertyp. Eine Probe dieses Typs ist vermutlich unter eiszeitlichen Klimabedin­gungen, d.h. vor mehr als 10'000 Jahren infiltiert.

In der Sondierbohrung SB2 konnten verschiedene Grundwässer beprobt werden, die sich deutlich von den Wässern der Valanginien-Mergel unterscheiden. Zahlreiche Gasanalysen zeigen die Dominanz von Methan und z.T. von Stickstoff an. Das Methan dürfte thermokatalytisch während der alpinen Orogenese gebildet worden sein.

4.5 HYDROGEOLOGIE

4.5.1 Einleitung

Im vorliegenden Kapitel werden die Ergebnisse der hydrogeologischen Untersuchun­gen, Berechnungen und Beurteilungen sowie die daraus abgeleiteten zu erwartenden G rundwasserzirku lationsverhältnisse beschrieben.

Das Kapitel 4.5.2 fasst die Ergebnisse des Quellenbeobachtungsprogramms und der Piezometerbohrungen zusammen. Anschliessend folgt in den Kapiteln 4.5.3 und 4.5.4 die Darstellung der aus den Bohrlochuntersuchungen abgeleiteten hydraulischen Ei­genschaften (Transmissivität und hydraulische Potentiale) sowie die Beschreibung und die Definition von hydrogeologischen Einheiten. Im Kapitel 4.5.5 wird eine Zu­sammenfassung des hydrogeologischen konzeptuellen Modells vorgestellt. Die rele­vanten Bausteine dieses konzeptuellen Modells wurden mit einem numerischen Pi­Iotmodell getestet (Kap. 4.5.6). Kapitel 4.5.7 gibt einen Überblick über die beobachte­ten hydraulischen Unterdrücke und das Kapitel 4.5.8 beschreibt die für den Gastrans­port in den Valanginien-Mergeln relevanten Parameter.

Die im Kapitel 4.5 zusammengefassten Resultate bilden die Grundlage für den hydro­geologischen Teil des im Kapitel 5 präsentierten Geodatensatzes.

4.5.2 Oberflächen hydrogeologie

Die wichtigsten hydrogeologischen Erkenntnisse aus den Beobachtungen an der Oberflache sind nachfolgend zusammengestellt.

Die grosse Mehrheit der Quellen und Drainagen weist eine mittlere Schüttung unter

- 91 - NAGRA NTB 93-28

501Imin auf (Periode 1987 - 1991, BAUMANN et al., 1992a; BAUMANN et al., 1992b). Nur rund 13 % zeigen höhere Mittelwerte und nur knapp 6 % weisen eine mittlere Schüttung von über 100 Ilmin auf. Diese Situation lässt überwiegend kleinere Ein­zugsgebiete mit lokalen Fliesssystemen erwarten.

Die Mehrheit der Quellen und Drainagen weist auf eine oberflächennahe, d.h. wenige Meter tiefe Zirkulation der Grundwässer hin. Etwa 30 % zeigen aufgrund des ausge­glichenen Temperaturverlaufs und des relativ konstanten Schüttungsverhaltens Merkmale einer tiefgründigeren, d.h. etwa maximal 30 m tief reichenden Zirkulation. Bei 5 % aller Quellen wird eine tiefgründige Zirkulation vermutet. Oft handelt es sich dabei um typische Karst- und Überlaufquellen wie die Kaltenbachquelle, die Quellen im Väsperfluewald oder die Quellen Ursprung und Frongadmen.

Die bisherigen Kenntnisse über das Grundwasservorkommen in der Talsohle zwi­schen Grafenort und Wolfenschiessen (Kap. 2.5) konnten im wesentlichen bestätigt und z.T. ergänzt werden. Im Raum Grafenort schwankt der Grundwasserspiegel jah­reszeitlich äusserst stark. So wandern die Grundwasseraufstösse in der Engelberger Aa südlich der Einmündung des Rotihaltengraben je nach Wasserstand 300 m talauf­oder abwärts. Die Grundwasserneubildung erfolgt in diesem Abschnitt wohl haupt­sächlich durch Randzuflüsse und Niederschläge. Eine Infiltration findet nur in den Jahreszeiten mit ausreichender Wasserführung, d.h. im Frühjahr und Herbst, statt. Im Frontbereich der Rutschmasse Altzellen verengt sich der Talquerschnitt - und damit auch das Durchflussprofil - vorübergehend, um sich nördlich anschliessend zwischen dem Fallen Bach und Secklis Bach auf etwa 300 m zu verbreitern. Die Grundwas­serverhältnisse östlich der Hauptstrasse sind in diesem Abschnitt durch die im Früh­jahr 1990 versetzten Piezometer PB01 - 6 bekannt. Der etwa 8 - 14 m mächtige Grundwasserleiter besteht aus teilweise siltigem Kies und Sand mit einer Durchlässig­keit um 10-3 m/s. In diesem Gebiet reichen die jahreszeitlichen Grundwasserspiegel­schwankungen von etwa 4 m bis 12 m unter Terrain. Es muss deshalb angenommen werden, dass die Engelberger Aa in diesem Abschnitt auf ihrer ganzen Länge infil­triert. Zwischen Secklis Bach und Buoholzbach sind die Verhältnisse erst nördlich von Wolfenschiessen besser bekannt. Der Grundwasserspiegel liegt in diesem Gebiet wenige Meter bis Dezimeter unter der Terrainoberfläche und die jahreszeitlichen Schwankungen sind sehr gering (dm- bis m-Bereich). Etwa 800 m nördlich des Dorf­randes von Wolfenschiessen bilden die Engelberger Aa und der Kanal am östlichen Talrand ganzjährig die Vorfluter.

4.5.3 Hydraulische Durchlässigkeiten und hydrogeologische Einheiten

4.5.3.1 Definitionen, Zielsetzungen und Vorgehen

Der Ausdruck hydrogeologische Einheit wird definiert als Formation, Teil einer For­mation oder als Serie von Formationen mit einheitlicher hydraulischer Durchlässigkeit und einheitlicher Art der Grundwasserzirkulation im Gestein. In porösen Gesteinen kann Grundwasser durch den Porenraum zirkulieren. In dichten geklüfteten Gesteinen kann Grundwasser praktisch nur durch wasserführende Systeme, d.h. durch offene

NAGRA NTB 93-28 - 92 -

Klüfte, Störungszonen und Karsthohlräume zirkulieren.

Bei fast allen geologischen Formationen des Standortgebietes können die Gesteine selbst, d.h. Kalke, Mergel und Tone praktisch als sehr gering durchlässig bezeichnet werden. Hydrogeologische Einheiten werden definiert, wenn neben gleicher Lithologie und Gesamtdurchlässigkeit die Typen der wasserführenden Systeme, deren Frequen­zen und ihre Transmissivitäten einheitlich sind.

Die Gesteine der Region wurden im Rahmen der alpinen Gebirgsbildung tektonisch stark überprägt und sind daher von zahlreichen kleinen und mittleren Störungen durchsetzt. Diese Störungen manifestieren sich im Gestein als kataklastische Zo­nen, dem wichtigsten Typ (Kap. 4.3.3.2, Typ 1) der wasserführenden Systeme in den hydrogeologischen Einheiten. Neben den kleinen und mittleren Störungen kommen auch grosse und regionale Störungen vor, die jeweils aus mehreren kataklastischen Zonen aufgebaut sind. Diese mehrere hundert bis mehrere tausend Meter langen Stö­rungen werden nicht zu einer hydrogeologischen Einheit gezählt, sondern als einzelne Elemente betrachtet, die die hydrogeologischen Einheiten durchtrennen.

Basierend auf einer Gesamtzahl von 67 Packerversuchen und von auswertbaren Fluid Logging-Tests (1760 m Testlänge) wurden die hydraulischen Parameter des Wirtgesteins bestimmt.

Neben der Beschreibung der Packertest- und Fluid Logging-Resultate werden im vor­liegenden Kapitel die Resultate einer vorläufigen hydrogeologischen Synthese der Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6 (LÖW et al. , 1993) dargestellt. Ihr primäres Ziel liegt in der Definition und Charakterisierung von hydrogeologischen Einheiten. Im weiteren soll die Analyse von hydrogeologischen Einheiten des Standortgebietes dem besseren Verständnis der wasserführenden Systeme dienen. Dieses Verständnis wiederum ermöglicht eine bessere Inter- und Extrapolation der in den Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6 vorgefundenen hydrogeologischen Verhältnisse auf das Untersuchungsgebiet.

Der Kernpunkt der Synthese ist die Integration der Daten aus vier verschiedenen Boh­rungen in ein konsistentes hydrogeologisches Bild. Diese Integration wurde in ver­schiedenen Schritten durchgeführt, wobei zuerst für jede Bohrung einheitliche hydro­geologische Intervalle ausgeschieden und erste Synthesen bezüglich der Beziehun­gen der oben erwähnten Parameter formuliert wurden. Diese Hypothesen wurden an­schliessend zwischen den verschiedenen Bohrungen verglichen und die entspre­chend hydrogeologisch einheitlichen Intervalle zu gemeinsamen hydrogeologischen Einheiten zusammengefasst. In einem letzten Schritt wurden für diese gemeinsamen hydrogeologischen Einheiten grundlegende hydraulische Parameter, wie die effektive hydraulische Durchlässigkeit berechnet.

4.5.3.2 Transmissivität als Funktion der Tiefe, der Lithologie und der geolo­gischen Strukturen

'Transmissivitätsprofile in den Bohrungen S81, S83, S84 und S86: Transmissivi­täten wurden aufgrund von vier verschiedenen Testtypen bestimmt. Packerversuche

- 93 - NAGRA NTB 93-28

mit kurzen und langen Testintervallen sowie quantitative und qualitative Fluid Log­ging-Messungen (Fig. 4.5.1). Die wichtigsten Referenzberichte sind GUYONNET et al. (1993), DOMSKI et al. (1992), JOHNS et al. (1992), DOMSKI et al. (1993) und DOM­SKI & JOHNS (1993).

Der qualitative und quantitative I nformationsgehalt der verschiedenen Testmethoden ist unterschiedlich. Ein optimales Verständnis der hydraulischen Formationseigen­schatten ergibt sich aus einer Kombination der verschiedenen Testresultate. Diese Kombination führt zu folgenden Schlussfolgerungen (LÖW et al., 1993):

- Der grösste Teil der Stellen mit erhöhter Transmissivität in den Bohrungen kann eindeutig diskreten wasserführenden Systemen zugeordnet werden. Die Forma­tionsmatrix trägt nu r sehr wenig zum Gesamtwasserfluss bei.

- Die Transmissivität in Bohrlochabschnitten zwischen diskreten wasserführenden Systemen ist deutlich kleiner als jene der Zuflussstellen in den Bohrungen und ist möglicherweise sehr variabel. Theoretisch können die Abschnitte zwischen den mit Fluid Logging identifizierten Zuflussstellen im oberen Teil des Wirtgesteins der Bohrung SB3 Transmissivitäten bis zu 10-9 m2/s aufweisen. Andererseits sind in tieferen Bohrlochabschnitten dieser Bohrung nur noch Transmissivitäten von 10-12 m2/s und weniger zwischen den Zuflussstellen zu erwarten.

- Die Zuflussstellen sind entlang der Bohrlochachsen nicht homogen verteilt, sondern weisen Anhäufungen auf.

- Der grösste Teil der Packertest- und Fluid Logging-Resultate sind untereinander konsistent. Unterschiede resultieren z.T. aus Resultaten von Packerversuchen mit sehr langen Testintervallen.

- Für grosse und meistens tiefere Bohrlochabschnitte liegen nur Packertest-Daten, aber keine quantitativ auswertbaren Fluid Logging-Daten vor. Für diese Abschnitte kann die räumliche Verteilung der Transmissivität nicht bestimmt werden.

Strukturelle Beobachtungen am Kernmaterial: MAZUREK (1992) präsentiert eine strukturelle und mineralogische Analyse der einzelnen wasserführenden Systeme, welche durch die Fluid Logging-Versuche identifiziert wurden. Die entsprechenden Resultate sind im Kapitel 4.3.3 dargestellt. Basierend auf einer makroskopischen Kernanalyse charakterisieren HUBER & GEOTEST (1993) sowie GÜBELI & THAL­MANN (1993) kataklastische Zonen in den Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6. Auf­grund dieser Daten können die folgenden hydrogeologisch wichtigen Schlüsse gezo­gen werden:

- Nicht alle in den Bohrungen beobachteten kataklastischen Zonen sind wasserfüh­rend. D.h., dass entweder nicht alle Störungen wasserführend sind, oder dass die Wasserführung in den Störungen auf einzelne Kanäle beschränkt ist C'Chan­neling").

- Der Typ des wasserführenden Systems und seine Korrelation mit Aufschluss- und Kernbeobachtungen kann einen Hinweis auf die räumliche Ausdehnung des was­serführenden Systems geben. Es kann z.B. erwartet werden, dass wasserführen-

NAG RA NTB 93-28 - 94-

SB3 Höhe Terrain SB1 Höhe Terrain (845.5 m ü .M.) 0 0

+ I-- Irf-200

4 200

• -e-400 400 -e- VM

~.e 600 600 • 1- -I-

E 800 800

---=:f w

-:t VM LL

::J W f- 1000 1000

--+=l--tM-1200 1200

t- -t. -t--+- SH

1400 I I

1400

Endteufe -I-1546.7 m

1600 1600

\~/\~~/\~~/\~~/\~~/9\~/ß\~/1\~/~\~_~\~/~ TRANSMISSIVITAT (m2/s)

SB4 Höhe T errai n (958.3 m ü.M.) SB6 Höhe Terrain (682.2 m ü .M.) 0 0

GH GH

~ RM

~ 100 100

RM

200 I VM 200 . ! • +-300 300

~ E VM

w 400 400 % LL

::J SS w Endteufe f-

500 500 430.6 m

+ 600

• I + GM 600

VM 700 700

~ GM

800Lll~~~~AJ~~~~WL~~~~~~

\~/\~~/\~~/\~~/\~~_9\~/ß\~_1\~/~\~_~\~_~ 800L-\~WW~~UUill-~~illL-LLll~~~UW~

\~/\ \~/\O \~/9 \~/'O \~/1

TRANSMISSIVITAT (m2/s)

LEGENDE - WERTE

___ Transmissivitat aus Hydrotests (Mai 1993)

--e- Transmissivitöt aus Fluid Logging (moi 1993)

Figur 4.5.1 : Transmissivitätsprofile der Bohrungen SB1, SB3, SB4, SB6

TRANSMISSIVITAT (m2/s)

LEGENDE - GEOLOGIE

GH-Geha ngeschutt RM-Rutschmasse VM-Valanginien- Mergel SS - Sch im berg - Sc hiefer GM-Globigerinen mergel SH-Subhelvetische Elemente

(Aequivalente der Wissberg-Scholle) M -Melange PA-Parautochthon

- 95 - NAGRA NTB 93-28

de Systeme vom Typ 1 (Kap. 4.3.3.2, kataklastische Zonen) eine grössere vertikale Erstreckung aufweisen als wasserführende Systeme von Typ 3 (Kap. 4.3.3.2, ge­klüftete Kalkbänke). Dies sollte besonders dann zutreffen, wenn die wasserführen­den Systeme vom Typ 1 innerhalb einer steilen und spröden Störungszone liegen.

4.5.3.3 Beschreibung der hydrogeologischen Einheiten

Basierend auf der Verteilung der Zuflusstransmissivitäten und einer Analyse der Kor­relation der Parameter (Klüftungsintensität, Lithologie, Grundwasserchemismus und Typen wasserführender Systeme) wurden die vier zur Diskussion stehenden Bohrun­gen in hydrogeologisch einheitliche Intervalle (wenige 100 m) unterteilt.

Die Grenzen dieser einheitlichen Bohrlochabschnitte wurden auf der Basis von fol­genden Transmissivitätsklassen festgelegt:

IIhoch li = IImittel li = IIgering ll = "sehr geringll =

1 E-4 bis 1 E-6 m2/s, 1 E-6 bis 1 E-8 m2/s 1 E-8 bis 1 E-1 0 m2/s 1 E-1 0 bis 1 E-12 m2/s

Zusätzlich wurden die Grenzen lithostratigraphischer Einheiten gemäss den Feldbe­richten der GEOTEST (1991, 1992a, 1992b, 1993) berücksichtigt. Figur 4.5.1 zeigt, dass sich die Transmissivitäten der einzelnen Zuflussstellen in allen Bohrungen in konsistenter Weise diesen Transmissivitätsklassen zuordnen lassen.

Ein Vergleich der hydrogeologisch einheitlichen Bohrlochabschnitte zwischen den verschiedenen Bohrungen zeigt, dass viele dieser Intervalle in mehreren Bohrungen auftreten, dass sie jeweils gleiche hydrogeologische Eigenschaften aufweisen und dass sie in derselben relativen Tiefenlage vorliegen.

Die generelle Charakteristik der hydrogeologischen Einheiten sind in der Tabelle 4.5.1 zusammengefasst. Die Mächtigkeiten der einzelnen Einheiten sind für jede Bohrung in der Tabelle 4.5.2 aufgelistet.

NAGRA NTB 93-28 - 96 -

Tabelle 4.5.1 : Definition der hydrogeologischen Einheiten

Hydrogeo logische Transmissivität Lithologie Deformation Grundwasser- Typ wasser-

Einheit wasserführender (Intensität & typ führender

Systeme Typ) Systeme*

A: Lockergestein hoch oder mittel Sand, Silt, Ca-HC03

(Moräne und Kies, Blöcke z.T. Na-HC03

Rutsch masse)

B: Valanginien-Mergel hoch oder mittel toniger intensiv oberfl.-nahe meist 1

mittlerer Mergel mit Na- HC03

Durchlässigkeit Sandstein-

lagen

C: Valanginien-Mergel gering toniger variabel, Na-CI '1 bis/und 3

geringer Mergel mit spröd/duktil

Durchlässigkeit Sandstein-

lagen

D: Valanginien-Mergel sehr gering toniger oder variabel, (Na-CI?) 1 bis/und 3

sehr geringer sandiger spröd/duktil

Durchlässigkeit Mergel mit

Sandstein-

lagen

E: Globigerinenmergel sehr gering/gering Mergel mit gering,

und Schimberg- Sandstein- spröd

Schiefer (Tertiär) lagen

F: Wissberg-Schuppe gering oder mittel toniger oder gering tiefe meist 4

sandiger spröd/duktil Na-HC03

Kalk

G: Melange sehr gering oder toniger oder variabel, tiefe

gering sandiger spröd/duktil Na-HC03

Mergel mit

Sandstein-

lagen

H: Parautochthon mittel Mergel mit

Sandstein-

lagen

* Kapitel 4.3

Die oberste hydrogeologische Einheit A umfasst die Rutschmasse Altzellen sowie Moräne und Gehängeschutt. Sie weist immer wasserführende Systeme mit hoher oder mittlerer Transmissivität und Grundwasser vom Ca-HC03-TyP, bzw. im tieferen Teil der Rutschmasse Altzellen vom Na-HC03-TyP auf (Tab. 4.5.1, Tab. 4.5.2).

Die Valanginien-Mergel können in drei hydrogeologische Einheiten unterteilt werden:

eine obere Einheit B mit einer hohen Frequenz kataklastischer Zonen (hohe oder mittlere Transmissivitäten dieser Zonen) und Grundwasser vom Na-HC03-Typ eine mittlere Einheit C mit Na-Cl-Grundwasser und geringen Transmissivitäten eine untere Einheit 0 mit sehr geringen Transmissivitäten

Oie hydrogeologische Einheit E der Globigerinenmergel und Schimberg-Schiefer weist wasserführende Systeme mit leicht höheren Transmissivitäten als die unterste

- 97- NAGRA NTB 93-28

Einheit der Valanginien-Mergel und ausserdem einen anderen Deformationsstil (nur spröd) auf.

Das Äquivalent der Wissberg-Schuppe (subhelvetisches Element in SB1) zeigt sehr ähnliche Eigenschaften wie die Kalke der Öhrli-Formation (subhelvetisches Element in SB3). Die Korrelation dieser beiden Einheiten basiert sowohl auf tektonischen als auch auf hydrogeologischen und hydrochemischen Charakteristika (hydrochemische Hauptkomponenten, Transmissivitätsverteilung der wasserführenden Systeme, struk­turelle Eigenschaften und hydraulisches Potential). Aus diesem Grund wurden die subhelvetischen Elemente in den Bohrungen SB1 und SB3 zur hydrogeologischen Einheit F C'Wissberg-Schuppell

) zusammengefasst.

Die hydrogeologische Einheit G (Melange) ist durch wenig Daten definiert, weist aber durchwegs geringe oder sehr geringe Transmissivitäten der wasserführenden Syste­me auf.

Die Einheit H (Parautochthon) liegt nur in der Bohrung SB1 vor und ist nur der Voll­ständigkeit halber in den Tabellen aufgeführt.

Tabelle 4.5.2: Hydrogeologische Einheiten in den Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6

Hydrogeologische Einheit Bohrlochstrecke (in m)

SB1 SB3 SB4 SB6

A: Lockerqestein (Moräne, Rutschmasse, Gehängeschutt) 50 200 116 270

B: Valanqinien-Merqel mittlerer Durchlässigkeit 150 200 84 >160

C: Valanqinien-Mergel geringer Durchlässiqkeit 360 100 40

D: Valanginien-Mergel sehr Qerin~er Durchlässiqkeit 540 750 130

E: Globigerinenmerqel und Schimberq-Schiefer (Tertiär) 270 + 43

F: Wissberg-Schuppe (inkl. Kalk der Öhrli-Formation in SB3) 350 23

G: Melange 150 104 + 170

H: Parautochthon 70

Repräsentative hydraulische Durchlässigkeit: Im Gebiet Wellenberg variieren nicht nur die Transmissivitäten der einzelnen wasserführenden Systeme über mehrere Grössenordnungen, sondern auch die Art und damit die Geometrie der wasserführen­den Systeme selbst. Die Berechnung von hydraulischen Durchlässigkeiten hat sowohl dieser Variabilität wie auch der Grösse des kritischen Detaillierungsgrades in der Be­schreibung der Durchlässigkeit Rechnung zu tragen. In einer ersten Phase wird die Konsistenz zwischen Transmissivitäten von Fluid Logging und Transmissivitäten von entsprechenden kurzen Packertestintervallen untersucht. In einer zweiten Phase wird die Übereinstimmung der Übersichtstransmissivität von langen Packertestintervallen mit der Summe der individuellen Transmissivitäten aus der Phase 1 geprüft. Die resultierenden mittleren Transmissivitäten und hydraulischen Durchlässigkeiten der einzelnen hydrogeologischen Einheiten und Bohrungen sind in der Tabelle 4.5.3

NAG RA NTB 93-28 - 98 -

zusammengefasst.

In einer separaten Studie (VOMVORIS et al. , 1993; Kap. 5.1.3) wurden die repräsen­tativen Durchlässigkeiten des Wirtgesteins mit stochastischen Kluftnetzwerk-Modellen berechnet. Diese Modelle tragen den geschätzten geometrischen Parametern der wasserführenden Systeme Rechnung und bestätigen im wesentlichen die in der Ta­belle 4.5.3 enthaltenen Werte.

Tabelle 4.5.3: Mittlere Transmissivitäten und repräsentative Durchlässigkeiten der einzelnen hydrogeologischen Einheiten

Einheit Bohr- Tavg (m2/s) Zufluss punkte/Länge Kavg KAVG

loch Teststrecke (m-1) (m/s) (m/s)

A: Lockergestein (Moräne, SB3 1.0E-05 1/150 6.7E-08

Rutschmasse, 5.9E-09

Gehängeschutt)

SB6 1.3E-08 81200 5.1 E-10

B: Valanginien-Mergel SB1 2.0E-08 8/150 1.1 E-09

mittlerer Durchlässigkeit 3.5E-09

SB3 4.2E-08 61200 1.3E-09

SB4 9.7E-06 3/56 5.2E-07

SB6 8.4E-09 4/161 2.1 E-1 0

C: Valanginien-Mergel SB1 6.5E-10 19/360 3.4E-11

geringer Durchlässigkeit 3.6E-11

SB3 7.0E-10 4/100 2.8E-11

SB4 3.0E-10 1/6 5.0E-11

D: Valanginien-Mergel sehr SB1 5.1 E-11 17/540 1.6E-12

geringer Durchlässigkeit 1.0E-12

SB3 4.2E-11 21/750 1.2E-12

SB4 2.3E-11 3/130 5.3E-13

E: Globigerinenmergel und SB4 8.1E-11 3/84 2.9E-12 2.9E-12

Schimberg-Schiefer

(Tertiär)

F: "Wissberg-Schuppe" (inkl. SB1 1.2E-07 8/350 2.7E-09

Öhrli-Formation in SB3) 1.3E-09

SB3 8.7E-09 2127 6.4E-10

G: Melange SB1 1.3E-10 21220 1.2E-12

1.6E-12

SB3 7.0E-11 8/270 2.1 E-12

Legende:

Tavg =

Kavg =

KAVG

Geometrisches Mittel der Transmissivitäten einzelner wasserführender Systeme einer hydrogeologischen Einheit der Bohrung T avg x Zuflusspunkte/Länge der Teststrecke Geometrisches Mittel der einzelnen hydraulischen Durchlässigkeiten der hydro­geologischen Einheit

- 99 - NAG RA NTB 93-28

4.5.3.4 Hydraulische Eigenschaften der modellierten wasserführenden Sy­steme

Einleitung: In den Kapiteln 4.2 und 4.3 wird das Konzept der wasserführenden Sy­steme hergeleitet. Um die Auswirkungen der Variation der geometrischen und hydrau­lischen Eigenschaften der einzelnen wasserführenden Systeme abzuschätzen, wur­den diese mittels stochastischen Kluftnetzwerk-Modellen simuliert. Dabei sind die wasserführenden Systeme als planare rechteckige Elemente repräsentiert, die als transmissive Elemente bezeichnet werden. Die Raumlagen und hydraulischen Eigen­schaften dieser transmissiven Elemente werden jeweils durch eine statistische Vertei­lung vorgegeben.

Das Kluftnetzwerk-Modell wird mittels dem Programm NAPSAC (GRINDROD et al. l

1991) erstellt und simuliert den Grundwasserfluss durch einen repräsentativen Wirt­gesteinsblock (hydrogeologische Einheit C) von 500 m Kantenlänge um eine Endla­gerkaverne. Die modellierten transmissiven Elemente bestehen aus den folgenden drei Typen:

- mittlere kataklastische Störungszonen - kleine kataklastische Störungszonen - Kalkbankabfolgen

Kataklastische Zonen: Die Ergebnisse der Bohrlochdaten zeigen eine log-normale Verteilung der Transmissivität die durch den Mittelwert log T = -9.14 und die Stan­dardabweichung = 0.7 charakterisiert wird. Wie bereits im Kapitel 4.3.5.1 beschrieben, gehören 75 % aller Zuflussstellen mittleren Störungszonen an, die mit einer hydrauli­schen Ausdehnung von 200 m modelliert werden. Die restlichen 25 % werden als kleine Störungszonen mit 20 m Ausdehnung modelliert. Beide Klassen von beobach­teten Störungszonen umfassen die Zuflüsse innerhalb oder nahe einer kataklasti­schen Störungszone (Kap. 4.3.3.4). Die entsprechende mittlere Zuflussfrequenz (Anzahl Zuflussstellen bzw. Zuflusspunkte pro Bohrlochlaufmeter) beträgt 0.032 m-1.

Kalkbankabfolgen: Die Frequenz der Kalkbankabfolgen entspricht der Frequenz der wasserführenden Systeme vom Typ 3 (Kapitel 4.3.3.2) und beträgt 0.09 m-1. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nur vier Zuflusspunkte als Grundlage dienen. Es wurde an­genommen, dass auch hier die Transmissivität log-normal verteilt ist.

Aus Packerversuchen ergeben sich Hinweise, dass die laterale Ausdehnung der durchlässigen Anteile der Kalkbankschwärme mindestens 5 - 28 m beträgt. Diese Be­obachtung deutet auf das Konzept hin, dass die einzelnen Kalkboudins (von geringe­rer Ausdehnung als 5 - 28 m) durch kataklastische Zonen hydraulisch miteinander verbunden sind. Die Resultate sind in Tabelle 5.1.2 dargestellt.

NAG RA NTB 93-28 - 100 -

4.5.4 Hydraulisches Potential

4.5.4.1 Packertest- und Langzeitbeobachtungsdaten

Druckmessungen in geringdurchlässigen Formationsabschnitten können sowohl durch die Bohrarbeiten selbst als auch durch die Testvorbereitungen stark beeinflusst werden. Dies bedeutet, dass das Abklingen der Druckstörungen viel länger andauert als bei durchlässigen Formationen. Deswegen ist während den Packertests in den Valanginien-Mergeln eine direkte Bestimmung von statischen Formationsdrücken aus zeitlichen Gründen kaum möglich (zu geringe Transmissivität). In diesem Fall müssen die gemessenen Druckaufbaudaten interpretiert und extrapoliert werden. Ausnahmen bilden lediglich die Testabschnitte in den durchlässigen Bereichen der Rutschmasse Altzellen, der oberen Valanginien-Mergel-Abschnitte, der IIWissberg-Schuppell und des Melange.

Nach Abschluss der Bohrphase wurden in den Bohrungen SB4 (3 Beobachtungsin­tervalle), SB3 (6 Beobachtungsintervalle) und SB1 (7 Beobachtungsintervalle) Lang­zeitbeobachtungssysteme installiert. In der Sondierbohrung SB6 diente die gesamte unverrohrte Strecke als ein einziges Beobachtungsintervall. Die meisten der bis heute vorliegenden Resultate der Langzeitbeobachtung (Stand Mai 1993) bestätigen die aus den Packertests errechneten Potentiale.

4.5.4.2 Potentialprofile

Die hydraulischen Potentialprofile der Bohrungen SB4, SB3, SB1 und SB6 sind in Fi­gur 4.5.2 dargestellt. Die Langzeitbeobachtungsresultate umfassen nur die bis jetzt ausgewerteten und belastbaren Datensätze. In den Profilen sind die folgenden Cha­rakteristika zu erkennen:

Im Lockergestein (Fig. 4.5.2, GH und RM) sind die Potentiale im allgemeinen subhy­drostatisch oder hydrostatisch.

Die Valanginien-Mergel, Globigerinenmergel und Schimberg-Schiefer zeigen mit zunehmender Tiefe eine komplexe Potentialentwicklung: Während ein erster Abschnitt von etwa 250 m Mächtigkeit nahezu hydrostatische oder artesische Verhältnisse zeigt, weist ein zweiter Abschnitt von etwa 350 m bis 500 m Mächtigkeit mit zunehmender Tiefe eine starke Abnahme der hydraulischen Potentiale auf. Das Minimum dieser Potentiale kann sowohl unterhalb dem lokalen Vorfluter (Engelberger Aa) als auch unter dem regionalen Vorfluter in Form des Vierwaldstät­tersees liegen und im Extremfall Werte in der Nähe des Meeresspiegels (SB3) auf­weisen.

Ein letzter Abschnitt von 200 m bis 350 m Mächtigkeit zeigt mit zunehmender Tiefe wieder eine starke Zunahme der Formationspotentiale (bis hydrostatisch).

Die "Wissberg-Schuppe" in den Sondierbohrungen SB1 und SB3 zeigt stark artesi

200

400

600

E 800

w Li.. ::> w f-- 1000

1200

1400

1600

SB3 Höhe

1 ,

+1; 1 ,

1 ,

1 i

----J--i

Endteufe 1546.7 m

- 101 -

Terrain (737.4 m ü.M.) GH

RM

} VM

o 200 400 600 800 1000 1200 HYDRAULISCHES POTENTIAL (m ü .M.)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

SB1

NAGRA NTB 93-28

Höhe Terrain (845.5 m ü .M.)

1

1

1

I 1 I i

W!! t I ;

I . I i I ;

---t---+ ; I , I I I 1

I

VM

o 200 400 600 800 .1000 1200 HYDRAULISCHES POTENTIAL (m ü .M.)

0.S-rB __ 4 __ ~ ______ H_O_h_e_T_e_rr_a_in~(9_5_8_.3-.m--Ur·~M.) SB6 0.-.-__ -r ____ .-~H~ö~h~e~T~e~rr~a~in~6~8~2~.2~m~ür·~M.

100

200

300

-.S w 400 lL. ::> w f--

500

600

700

GH

RM 100

VM 200

300

400

SS

500

GM 600

VM 700

Endteufe 430.6 m

GH

RM

VM

800L-U--L~L-~-L--L-J-~~~~-ll~~

400 500 600 700 800 900 1000 HYDRAULISCHES POTENTIAL (m ü .M.)

800L-W-~~L-J-~--L-~~--~~-L--~~

LEGENDE - Werte

-7- Langzeitbeobachtung (Stand Mai 1993)

___ Potential aus Hydrotests (Stand Mai 1993)

Höhe Vierwaldstottersee (435 m UM)

Höhe Engelberger Aa (-530 m UM)

HOhe Bohrungen

Figur 4.5.2: Hydraulische Potentiale in den Bohrungen SB1, SB3, S84, SB6

400 500 600 700 800 900 1000 HYDRAULISCHES POTENTIAL (m ü .M.)

LEGENDE - GEOLOGIE

GH -Geha ngeschutt RM-Rutschmasse VM-Valanginien- Mergel SS-Schimberg-Schiefer GM -Globigerinenme rgel SH-Subhelvetische Elemente

(Aequivalente der Wissberg-Scholle) M- Melange PA- Porautochthon

NAG RA NTB 93-28 - 102 -

sche Verhältnisse. Die abgeschätzten Formationspotentiale dieser hydrogeologischen Einheit liegen bei etwa 1000 m ü.M.

Im Melange unter der "Wissberg-Schuppe" zeigt sich in SB3 gegen unten eine schwache Abnahme der Potentiale, in SB1 hingegen eine signifikante Reduktion auf ca. 550 m ü.M.

Das Parautochthon (Nordhelvetischer Flysch) in der Bohrung SB1 weist in zwei PackeNersuchen Potentialwerte zwischen 550 mund 650 m ü.M. auf. Die subhydro­statischen Potentiale von Melange und Parautochthon der Bohrung SB1 stehen mög­licherweise im Zusammenhang mit relativ hochdurchlässigen und lateral ausgedehn­ten Strukturelementen oder der Existenz von Gas in Sandsteinlagen an der Basis der Bohrung.

Die in der Mitte des Wi rtgesteins gemessenen extrem tiefen Potentialwerte sind inso­fern als anormal zu betrachten, als sie viel tiefer als lokale und regionale Exfiltrations­zonen liegen (Engelberger Aa: 500 m - 600 m ü.M.; Vierwaldstättersee: 430 m ü.M.; VINARD & Mc CORD, 1991). Im Kapitel 4.5.7 wird näher auf die Erklärungsmöglich­keiten dieser anormalen Formationspotentiale eingegangen.

Ein Vergleich der Potentialprofile der Bohrungen SB1, SB3, SB4 und SB6 deutet dar­auf hin, dass die räumliche Verteilung der hydraulischen Potentiale im Untersu­chungsgebiet nicht den Koten der Bohrungen oder den denkbaren Vorflutern ent­spricht (Fig. 4.5.2). Ein weiteres wichtiges Resultat der Potentialmessungen bezieht sich auf die relativ hohen hydraulischen Potentiale an der Basis des Wirtgesteins. Die vergleichbaren hydraulischen Potentiale der "Wissberg-Schuppe" in den Sondierboh­rungen SB1 und des Öhrli-Kalkes in SB3 lassen eine hydraulische Kommunikation zwischen den Beobachtungspunkten als möglich scheinen.

4.5.5 Hydrogeologisches konzeptuelles Modell

In diesem Abschnitt wird das gegenwärtige hydrogeologische konzeptuelle Modell des Standortes Wellenberg vorgestellt (VINARD & WILSON, 1993). Der Ausdruck "konzeptuelles Modell" wird in einem umfassenden Sinn verstanden. Er bezeichnet eine auf dem gegenwärtigen Verständnis und Kenntnisstand beruhende, in sich kon­sistente Beschreibung der Prozesse, Eigenschaften und Bedingungen im Grundwas­serfliesssystem.

Die Aussagen und Hypothesen sind in Tabelle 4.5.4 zusammengefasst und werden thematisch folgendermassen gegliedert:

A Wasserführende Systeme in den Valanginien-Mergeln B Grosse Störungen C Hydrogeologische Einheiten o Oberflächenhydrologie E Hydraulische Rahmenbedingungen F Zweiphasen-Fluss G Zonen mit hydraulischen Unterdrücken

- 103 - NAG RA NTB 93-28

Wenn die Befunde aus Beobachtungen und Messungen eindeutig sind, so wird eine Aussage (A) gemacht. Wenn die Daten lückenhaft oder widersprüchlich sind, so wer­den zwei oder mehrere alternative Hypothesen (AH) aufgestellt. Wenn Argumente dafür sprechen, dass eine der alternativen Hypothesen wahrscheinlicher ist als die anderen, so wird diese als gegenwärtig bevorzugte Hypothese (BH) bezeichnet. Die Aussagen und bevorzugten Hypothesen ergeben zusammen ein konsistentes Bild ohne anderen Resultaten zu widersprechen.

In Tabelle 4.5.4 wird die Unsicherheit der zur Diskussion stehenden Hypothesen qualitativ bewertet und in die Kategorien II gering ll

, II mittel li und IIhochli eingestuft.

Tabelle 4.5.4: Standortgebiet Wellenberg - Zusammenfassung des hydrogeologi­sehen konzeptuellen Modells

Schlüsse/begriff Aussage der Hypothese Typ *) Unsicher-

heitsgrad

A. Wasserführende Systeme In den Valanglnlen-Mergeln (mittlere und kleine Störungen, Kalkbank-

abfolgen

Typen Typ 1: kataklastische Zonen inkl. dünne diskrete Scherzonen

Typ 3: qeklüftete Kalkbänke / Kalkbankabfolqen A qerinq

Bedeutung für Kataklastische Zonen sind die bedeutendsten Fliesswege für A gering

Fliesssystem das Grundwasser innerhalb der Valanginien-Mergel. Ein Grund-

wasserfluss erfolgt auch innerhalb von Kalkbankabfolgen, wenn

sie von kataklastischen Zonen durchschnitten werden.

B. Grosse Störungen (stellstehende Störungen und subhorizontale Scherzonen)

Vorkommen Grosse Störunqen kommen am Wellenberq vor. A qerinq

Bedeutung für Steilstehende Störungen

Fliesssystem Allgemein geringer Einfluss auf Grundwasserfluss AH hoch

Wirken als Grundwasserleiter AH hoch

Subhorizontale Scherzonen

Keinen Einfluss auf Grundwasserfliesssystem BH qerinq

Hydrau lische Nimmt mit der Tiefe ab und entspricht der Durchlässigkeit des AH

Durchlässigkeit der angrenzenden Gesteines.

Störungen hoch

Relativ hoher Wert und konstant über die qesamte Tiefe AH

C. Hydrogeologische Einheiten

Vorkommen Hydrogeologische Einheiten mit unterscheidbaren A gering

hydraulischen Eigenschaften lassen sich am WLB mit den

Erqebnissen der Sondierbohrunqen definieren.

Einheit auf Geringdurchlässige Einheit (Einheit C) BH

Endlagerkote Einheit mittlerer Durchlässigkeit (Einheit B) AH hoch

Sehr qerinqdurchlässiqe Einheit (Einheit D) AH

Mächtigkeit der Als 100-300 m mächtige Abfolge. Durch Morphologie gesteuert BH

Einheit B

Grenze zwischen Einheit Bund C unterhalb Endlagerkote AH hoch

Sehr geringmächtig (50 m) im Bereich der Bohrungen AH

*) A Aussage BH bevorzugte Hypothese AH alternative Hypothese

NAGRA NTB 93-28 - 104-

Tabelle 4.5.4: Standortgebiet Wellenberg - Zusammenfassung des hydrogeologi­sehen konzeptuellen Modells (Fortsetzung)

Schlüsse/begriff Aussage der Hypothese Typ *) Unsicher-

heitsgrad

D. Oberflächenhydrologie

Fremdgesteins- Grosse Fremdgesteinsschuppen aus durcnlässigem Gestein AH

schuppen in der (z.B. Malm) kommen in der Wirtgesteinseinheit vor

Wirtgesteinseinheit hoch

Solche Fremdqesteinsschuppen kommen nicht vor AH

Erosionsrate Im allgemeinen ist die Erosionsrate in naher Zukunft (einige A gering

tausend Jahre) nicht genügend gross, um das

Grundwasserfliesssystem zu beeinflussen (Infiltration,

Fliessweqe, Exfiltration)

Quellen Quellwasser unterliegt nur einer oberflächennahen Zirkulation. BH mittel

Einige Quellwässer sind Mischwässer mit einem Anteil aus tief AH

zirkulierendem Grundwasser.

E. Hydraulische Rahmenbedlnqunqen

Obergrenze Grundwasserspieqel A qerinq

Unterqrenze "No-flow-boundary" innerhalb des Parautochthons A qerinq

Seitliche Exfiltration in benachbarte Oberflächengewässer A gering

Begrenzung Grundwasserscheide in den Valanginien-Mergeln zwischen A gering

Secklis Bach und Sinsqäuer-Schonegg.

F. Zweiphasenfluss

Mobilität von Gas in Die Mobilität der Gasphase in der Wirtgesteinseinheit ist BH

der vernachlässigbar

Wirtgesteinseinheit mittel

Die Mobilität der Gasphase in der Wirtgesteinseinheit ist von AH

wesentlicher Bedeutung

Bedeutung In allen hydrogeologischen Einheiten genügt die Betrachtung BH

von Einphasenflussbedingungen für die Bestimmung des

Fliesssystems

mittel

Zweiphasenflussbedingungen (GasIWasser) in der AH

Wirtgesteinseinheit und/oder in der darunter liegenden Einheit

beeinflussen das Fliesssystem wesentlich.

Gas im Liegenden In einigen Gesteinsarten im Liegenden der Wirtgesteinseinheit AH

der ist freies Gas vorhanden, eine aufwärtsgerichtete Bewegung

Wirtgesteinseinheit wird ausgeschlossen

hoch

AUfwärtsgerichteter Gasfluss, hauptsächlich entlang von AH

qrossen steilstehenden Störunqen

G. Zonen mit hydraulischen Unterdrücken

Vorkommen In der Wirtgesteinseinheit gibt es eine Zone mit hydraulischen A gering

Unterdrücken

*) A Aussage BH bevorzugte Hypothese AH alternative Hypothese

Tabelle 4.5.4:

Schlüsse/begriff

Ausdehnung

Hauptursache

Hauptarten

hydromechanischer

Prozesse

Gegenwärtiger

Zustand der

Unterdrücke

Dauer bis zum

Gleichgewichts-

zustand

Einfluss auf

Gru ndwasserfluss

auf Endlagerkote

*) A Aussage

- 105 - NAGRA NTB 93-28

Standortgebiet Wellenberg - Zusammenfassung des hydrogeologi­schen konzeptuellen Modells (Fortsetzung)

Aussage der Hypothese Typ *) Unsicher-

heitsgrad

Die Unterdruckzone hängt zwischen den Sondierbohrungen BH

zusammen und reicht seitlich über diese hinaus

mittel

Es gibt keine zusammenhängende Unterdruckzone. Sie wird AH

durch Störun~en unterbrochen

Die Unterdruckzone ist hauptsächlich das Ergebnis BH gering

hydromechanischer Prozesse

Die Unterdruckzone ist entstanden durch Entgasung des AH

Gesteins

Elastische Dekompression im Anschluss an den eiszeitlichen BH

Eisrückzug

Elastische laterale Dekompression im Bereich von AH mittel

neotektonisch aktiven Störungen

Lokale Dekompression inkompetenter Einheiten im AH

Druckschatten kompetenter Einheiten

Die Unterdrücke bauen sich ab BH

Die Unterdrücke vergrössern sich AH mittel

Die Unterdrücke befinden sich in einem "quasi-stationären" AH

Zustand

Die Dauer bis zum Erreichen eines Gleichgewichtzustandes BH

beträgt Tausende bis Zehntausende von Jahren

gering

Die Dauer bis zum Erreichen eines Gleichgewichtzustandes ist AH

kleiner als 1'000 Jahre

Auf der vorgesehenen Endlagerkote wird der Grundwasserfluss AH

durch die Unterdrücke wesentlich beeinflusst

mittel

Die Unterdruckzone liegt zu tief, um den Grundwasserfluss auf AH

der vor~esehenen Endla~erkote zu beeinflussen

BH bevorzugte Hypothese AH alternative Hypothese

Erläuterungen zur Tabelle 4.5.4: Weil die räumliche Verteilung der hydraulischen Eigenschaften in den grossen Störungen sehr unsicher ist, wurde für sie gegen­wärtig keine bevorzugte Hypothese bezüglich Durchlässigkeitsverteilung und Bedeu­tung für das regionale Fliesssystem ausgeschieden.

Hydrogeologische Einheiten: Die gegenwärtig bevorzugte Hypothese besagt, dass die Einheit B eine Mächtigkeit aufweist, die den in den Bohrungen erfassten Längen entspricht (Fig. 4.5.4, Fälle 1 und 2). Das setzt voraus, dass die Zahl der wasserfüh­renden Systeme (bzw. der kataklastischen Zonen) durch die oberflächennahe Auf­lockerung erhöht wird. Die plausible alternative Hypothese geht davon aus, dass die

NAG RA NTB 93-28 - 106 -

NNW Axen-----------Drusberg-Decke -----------I~I- Decke -

m ü. M.

1500

1000

P. 1341 Wellenberg

I

Profil WSW-ENE

~

II_···:::··:·::::::· .. ~ ~ 0 500 1000m

I -1000

WSW

mÜ.M. 1500

Profil NNW - SSE

1 Eggeligrat

ENE

mÜ.M. 1500

Engelbergertal

Figur 4.5.3:

o 500 1000 m 1:::' ====--__ ...... 1

Hypothetische Situation der hydrogeologischen Einheiten und grosser Störungen

- 107 - NAGRA NTB 93-28

Hydrogeologische Einheit

Legende Bezeich-

Vereinfachte Name Einheit

nung (Pilot-Modell)

mmm~m Quartär A Lokergesteinseinheit

Deck-!:"~"YI Rutschmasse Altzellen schichten ::v:::>;.t::: """:::::V

B mittlere Durchlässigkeit

LIIillJ]j "Valanginien-Mergel"

Valanginien-bzw. Palfris-Fm. und C geringe Durchlässigkeit

Mergel Vitznau-Me rgel

D sehr geringe Durchlässigkeit Wirtgesteins-einheit

helvetisches Tertiär E Globigerinenmergel und Schimberg-Schiefer

- Kreide und Malm F "Wissberg-Schuppe"

(v.a. Kalke)

subhelvetisches Tertiär G Melange Einheit " unter - Melange Wirtgesteins-einheit

Tertiär: Nordhelvet. Flysch - (Sandstein-Dachschiefer- H Parautochthon """

Komplex) - Kreide (v.a. Kalke) La Kalke (Axen-Decke)

seitlich

111 Helvetischer Kieselkalk Ld Kalke (Drusberg-Decke) angrenzende Einheit .. "Valanginienkalk" bzw .

Diphyoides-Kalk

~ Formationsgrenzen

--?-- Schematischer Grenzverlauf zwischen hydrogeologischen Einheiten in den Valanginien-Mergeln (Einheit B,C,D)

/ Grosse steilstehende Störung /

/

-~ -- Grosse subhorizontale duktile Scherzone

540 Endlagerkote

Figur 4.5.3: Hypothetische Situation der hydrogeologischen Einheiten und grosser Störungen

in den Sondierbohrungen beobachteten kataklastischen Zonen mittlerer bis hoher Transmissivität zu grossen steilstehenden Störungen gehören (Fig. 4.5.4, Fall 3). Das würde voraussetzen, dass alle vier Bohrungen in Oberflächennähe mächtige steilste­hende Störungen durchbohrt hätten.

Als Wirtgesteinseinheit wird diejenige Einheit bezeichnet, in deren Bereich die Endla

NAG RA NTB 93-28 - 108 -

Fall 1 wsw

Fall 2 wsw

Fall 3 wsw

-Figur 4.5.4:

Geplantes Endlager

Eggeligrat

Eggeligrat

Eggeligrat

B Hydrogeo­logische Einheit

ENE

ENE

ENE

Störung mit Durchlässigkeit wie Einheit B

Hydrogeologisches konzeptuelles Modell: Schemata verschiedener Hypothesen

- 109 - NAG RA NTB 93-28

gerebene liegt (ca. 540 m ü.M.). Wie bereits erwähnt wurde (Kap. 4.2.4.2), werden im Wirtgestein grosse Störungen im Abstand von 500 m angenommen. Die dazwischen­liegenden Bereiche enthalten die beschriebenen wasserführenden Systeme.

Im folgenden werden die Hypothesen betreffend die im N und S an die Valanginien­Mergel grenzenden hydrogeologischen Einheiten zusammengefasst. Das ist im S die Einheit der Globigerinenmergel und Schimberg-Schiefer (Tab. 4.5.3, Tertiär, E~­heit E), südlich anschliessend folgen die Kalke der Axen-Decke. Im N sind es die Kalke der Drusberg-Decke. Nach der heute bevorzugten Hypothese bilden die Globi­gerinenmergel und die Schimberg-Schiefer eine einzige hydrogeologische Einheit (Einheit E) aus siltigen bis sandigen Mergeln. Alternativ ist die Annahme, dass die Einheit E eine genügend grosse lithologische Variabilität und eine genügend stark variierende Durchlässigkeit aufweist, um ihre Aufteilung in mehrere hydrogeologische Einheiten zu rechtfertigen.

Die beiden Kalkeinheiten weisen eine komplexe Struktur und Stratigraphie auf. Ge­mäss der gegenwärtig bevorzugten Hypothese besteht eine grossräumige hydrauli­sche Verbindung innerhalb der jeweiligen erfassten Einheit. Die Kalkeinheit der Axen­Decke ist karstanfälliger und daher wahrscheinlich durchlässiger als die Kalkeinheit der Drusberg-Decke. Alternative Hypothesen sind, dass die Kalkeinheiten zu komplex aufgebaut sind, als dass sie als jeweils eine einzige Einheit ausgeschieden werden könnten und dass die beiden Einheiten ähnlich durchlässig sind (entweder hoch oder tief).

4.5.6 Hydrogeologische Modellierung

4.5.6.1 Zielsetzung und Modellkonzept

Mit einer Modellstudie wurden vereinfachte quantitative Analysen über den Grund­wasserfluss in den Valanginien-Mergeln durchgeführt. Für diese Studie wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell konstruiert, welches mit einer stark sche­matisierten Geometrie die geologischen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet be­schreibt. Aufgrund der vereinfachenden Modellannahmen wird diese Studie als Pilot­modell bezeichnet. Dieses Modell berechnet den Grundwasserfluss im gesättigten Untergrund. Um die Bedeutung einzelner Modellparameter zu testen, wurde eine Reihe von Simulationen mit veränderten Randbedingungen und Durchlässigkeitsver­teilungen durchgeführt. Instationäre hydrodynamische Prozesse werden im Pilotmo­dell nicht berücksichtigt, sind aber Gegenstand einer auf der gleichen Geometrie ba­sierenden FOlgestudie (Kap. 4.5.7).

Das Modell soll verschiedene konzeptuelle Hypothesen und die Auswirkung verschie­dener Parameter-Variationen untersuchen. Die Zielsetzungen sind im einzelnen:

- Die Verbesserung des Verständnisses der Grundwasser-Fliessverhältnisse

NAG RA NTB 93-28 - 110 -

- Qualitative Bestimmung der kritischen Randbedingungen und Parameter, die den Grundwasserfluss bestimmen

- Bestimmung der möglichen Exfiltrationsgebiete

Die Modellstudie wurde in drei Phasen durchgeführt:

- Phase I beinhaltet Untersuchungen zum natürlichen Grundwasserfluss im Stand­ortgebiet

Phase 11 beschäftigt sich mit den Auswirkungen eines hochdurchlässigen Endla­gergebietes mit verschiedenen Varianten von Zugangsstollen auf das Fliessfeld

- Phase 111 untersucht die Einflüsse schematisierter individueller Endlagerkavernen auf die Nahfeldhydraulik

Für die Evaluation der wichtigsten Modellparameter (Konfigurationen des Zugangs­stollens, Orientierung des Endlagers bezüglich Störungszonen, hydraulische Durch­lässigkeiten) wurden über 60 numerische Simulationen durchgeführt. Die Resultate sämtlicher Simulationen sind in SCHROEDER et al. (1993) und die Interpretation der wichtigsten Resultate in MISHRA et al. (1993) zusammengestellt.

Hydrogeologische Rahmenbedingungen und Modellaufbau: Da die vorläufige Auswertung der hydraulischen Tests zur Beschreibung der hydrogeologischen Einhei­ten (LÖW et al. , 1992) zur Zeit der Pilotstudie noch nicht vorlagen, mussten die zu modellierenden hydrogeologischen Einheiten aufgrund einer vereinfachten Analyse von Packer- und Fluid Logging-Tests (MISHRA & LAVANCHY, 1992) festgelegt wer­den. Die im Pilotmodell ausgeschiedenen vier Einheiten sind in der Tabelle 4.5.5 auf­geführt und den hydrogeologischen Einheiten (Kapitel 4.5.3) gegenübergestellt. Die ensprechenden hydraulischen Eigenschaften und die Bandbreite der im Pilotmodell untersuchten Parameter-Variationen sind in MISHRA et al. (1993) detailliert beschrie­ben und ebenfalls in der Tabelle 4.5.5 zusammengefasst enthalten.

Tabelle 4.5.5 Phase I: Parameter für hydrogeologische Einheiten im Pilotmodell

Modellierte Einheit Hydrogeologische Mächtigkeit Basisfall Tiefstwert Höchstwert

Einheit [m] K [m/s] K [m/s] K [m/s]

Oberflächennahe A: Lockergestein 200 - 400 1.0E-8 1.0E-9 1.0E-7

Einheit B: Valangi n ien-Mergel

mittlerer Durchlässigkeit

Wirtgestein C: Valanginien-Mergel variabel 1.0E-11 1.0E-12 1.0E-10

geringer Durchlässigkeit

D: Valanginien-Mergel sehr

geringer Durchlässigkeit

E: Tertiär

Basiseinheit F: "Wissberg-Sch. " bis zu -700 1.0E-8 --- ---G: Melange mÜ.M.

H. Parautochthon

Angrenzende Kalke Drusberg-Decke variabel 1.0E-6 1.0E-8 ---Einheiten Kalke Axen-Decke

"Tl <0. C

"""' :J::.. 01 01

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I

m -...J 0

m -....J CJ1

... GIRI 1923

~

I GROSS WALENSTOCK

R~I~I=N

+ Endlager West

+ Endlager Ost

~ I 195

190

--L.

--L.

--L.

z » G) JJ » Z -I OJ co W

I J\) OJ

NAGRA NTB 93-28

Chaiserstuel

Nord-Süd Profil

D Kalke der -Axen-Decke

- Kalke der -Drusberg- Decke

- 112 -

Secklis Bach-Tal

Eggeligrat

Walenstöcke

S

Engelberger Aa

Basiseinheit - Wirtgestein

Oberflächennahe Einheit

Figur 4.5.6: Hydrogeologisches Pilotmodell: Block-Diagramm der modellierten hydrogeologischen Einheiten

Ihre Bandbreite ist konsistent mit den Ergebnissen der kürzlich abgeschlossenen er­sten Datenauswertung (Kap. 4.5.3).

Figur 4.5 .5 zeigt die geographische Situation des Modells. Die 3-D-Modellstruktur mit den verschiedenen hydrogeologischen Einheiten ist in der Figur 4.5 .6 (Blickrichtung nach SE) dargestellt. Das numerische Modell bedeckt eine Fläche von ca. 22 km2.

Die Modellgrenzen werden im E und W hydraulisch durch eine Wasserscheide reprä­sentiert (kein Durchfluss); im Sund N werden konstante Potentiale angenommen, die

- 113 - NAGRA NTB 93-28

dem oberflächennahen Wasserspiegel entsprechen. Die Grenzen folgen im W der Engelberger Aa, im E dem Grat der Sinsgäuer-Schonegg, im N innerhalb der Drus­berg-Decke zwischen Allmend im Engelbergertal und dem Hoh Brisen und im S über die Walenstöcke bis zum Chaiserstuel (Fig. 4.5.5).

Die Modelluntergrenze innerhalb des Parautochthons wurde als undurchlässig ange­nommen (kein Durchfluss).

Für die Standortregion wurde ein tektonisches Modell aufgebaut, in welchem die komplexe Vernetzung von steilstehenden Störungen für Modellzwecke vereinfacht und mit zwei generischen Familien (SF1, Azimut 325°; und SF2, Azimut 20°) darge­stellt wird. Beide Familien werden im Modell als ebene vertikale Flächen dargestellt. Die angenommene Transmissivität von 1 E-6 m2/s ist um mehr als zwei Grössenord­nungen höher als die gemessenen Transmissivitäten der mittleren und kleineren Stö­rungen in der Wirtgesteinsmodelleinheit (Kap. 4.5.3) und übertrifft leicht die höchste beobachtete Transmissivität in einer Kluft der Valanginien-Mergel am Oberbauenstock (ANDREWS et al. , 1988/rev. 1991). Im Modell wurden zwei geometrische Varianten berücksichtigt. In der ersten Variante enden die Störungen 400 m über der Wirtge­steinsbasis. In der zweiten Variante erstrecken sie sich über die gesamte Mächtigkeit des Wirtgesteins. Es wurden Simulationen mit diesen Störungen durchgeführt, wie auch solche, bei denen die Störungen als durchlässige Elemente ausgeschaltet wer­den.

4.5.6.2 Resultate der Grundwasserfluss-Modellierungen

Phase I: Das Ziel der Phase I ist die Untersuchung des regionalen Grundwasserflus­ses im ungestörten Wirtgestein (ohne Endlager). Die Resultate der Parameter-Varia­tion inklusive des als Basisfall angenommenen sind in der Tabelle 4.5.5 zusammengefasst. Zusätzlich wird der Einfluss von möglichen Störungszonen unter­sucht.

Die berechnete Verteilung der hydraulischen Potentiale und des Grundwasserflusses für den Basisfall (Rechnungsfall ROO) ist in Figur 4.5.7 dargestellt und zeigt folgendes:

- Die generelle Fliessrichtung weist von der Axen-Decke im S zur Drusberg-Decke im N

- Mögliche Exfiltrationszonen sind die Täler der Engelberger Aa und des Secklis Baches

- Der Eggeligrat bildet für das oberflächennahe Fliessystem eine Grundwasser­scheide

Die Resultate von anderen Simulationen zeigen, dass die modellierten transmissiven Störungszonen eine beträchtliche Erhöhung des gesamten Grundwasserflusses be­wirken, wobei die Fliessrichtung und Potentialgradienten aber ähnliche Tendenzen wie im Basisfall zeigen.

Phase 11: In dieser Phase wurden folgende Variationen des Modells und der Endla­gerkonfigurationen untersucht:

NAGRA NTB 93-28 - 114 -

- Zwei Konfigurationen des Endlagergebietes (rhomboedrische Form von 300 m x 300 m x 50 m mit jeweils seitlichem Abstand von 100 m zu Störungszonen) je westlich und östlich des Eggeligrates (Fig. 4.5.5)

- Zugangsstollen in 1-D-Elementen mit vier geometrischen Varianten (Fig. 5.1.5)

w

600 800

Potentiale

1 km

w

Fliessrichtungen

1 km

2 3

1000

E

4 5 6 7

1200 1400 1600 1800 2000 Potentiale (m)

E

I I

Figur 4.5.7: Hydrogeologisches Pilotmodell: Basisrechenfall ROO mit Potential­verteilung und Flussvektoren (Phase I)

Zusätzliche Variationen des Modells bestanden darin, dass das Wirtgestein in eine obere, der Topographie folgende Schicht mit geringer Durchlässigkeit ( K = 10-10 m/s) und eine untere mit sehr geringer Durchlässigkeit (K = 10-12 m/s) unterteilt wurde.

Die Auswirkungen eines hochdurchlässigen Endlagers auf das Grundwasserfliessver­halten sind in Figur 4.5.8 (Basisfall W01 a, Endlager westlich Eggeligrat) dargestellt.

w 2

550 700

Potentiale

1 km

w Fliessrichtungen

1 km

, ..... -

850

- 115 -

3 4 5

1000 1150 1300

Potentiale (m)

- -

NAGRA NTB 93-28

E

6 7 8 9

1450 1600 1750 1900

E

" / I I - ---

Figur 4.5.8: Hydrogeologisches Pilotmodell: Basisrechenfall W01 a mit Poten­tialverteilung und Flussvektoren (Phase 11)

Die Potentialverteilung und die Flussvektoren zeigen einen deutlichen Einfluss des durchlässigen Endlagers in Form eines erhöhten Wasserflusses. Hingegen bleibt der Zugangsstollen aufgrund seiner geringen Querschnittsfläche ohne Wirkung auf die Potentialverteilung. Allerdings erhöht er bei einer Lage stromabwärts vom Endlager den Durchfluss.

Die hydraulischen Gradienten in der Umgebung des Endlagers sind hauptsächlich horizontal. Die Simulationen zeigen, dass sich der Gradient im Bereich von mehreren 100 m von 0.25 im Basisfall ohne Endlager auf 0.19 mit Endlager reduziert. Aktive steilstehende Störungen bewirken eine Erhöhung des durchschnittlichen Gradienten von 0.19 auf 0.31. Topographische Effekte wirken sich durch die Störungen bis auf die Endlagerebene aus.

NAG RA NTB 93-28 - 116 -

Um den Einfluss des Endlagers auf die Lage der möglichen Exfiltrationsgebiete zu untersuchen, wurden zwei extreme Endlagerpositionen westlich und östlich des Egge­ligrates untersucht. Vom Endlager West führen in allen Rechenfällen die Fliesspfade in die Kalke der Drusberg-Decke und anschliessend in die Engelberger Aa, was somit als Normalfall zu betrachten ist.

Zusätzlich wurden im Fall Endlager West die Modellannahmen durch Annahme eines sehr hohen Potentials in den Kalken der Drusberg-Decke, einer extrem tiefen hydrau­lischen Druckspiegelhöhe in den Kalken der Axen-Decke und - daraus resultierend -eines reduzierten S-N-Gradienten verändert. Bei diesem extremen Szenarium führen die Fliesspfade nicht nur in die Kalke der Drusberg-Decke, sondern z.T auch in die Rutschmasse Altzellen (Fig. 5.1 .2).

Fliesspfade vom Endlager Ost gelangen ausschliesslich in das Tal des Secklis Ba­ches. Auch bei einem Lager unter dem Eggeligrat können sie vom E-Rand ins Secklis Bach-Tal führen.

Phase 111: Zur Untersuchung des hydraulischen Verhaltens einzelner Endlagerkaver­nen des Finite-Elemente-Modells wurden drei schematische Kavernen mit einem Querschnitt von 20 m x 20 m und einer Länge von 300 m in das Modell eingebaut. Die einzelnen Kavernen sind 120 m voneinander entfernt, und ihr kleinster seitlicher Ab­stand zur nächsten Störungszone beträgt 100 m (Fig. 4.5.9). Die räumliche Lage der Kavernen entspricht dem Endlager West der Phase 11. Phase III berücksichtigt jedoch keine Zugangsstollen. Zwei Orientierungen der Kavernen wurden untersucht; parallel zu den Störungen der Familie 1 und parallel zu den Störungen der Familie 2. Ausser­dem wurde eine hohe und eine niedrige Durchlässigkeit der Kavernen simuliert.

Für jede Variante wurde der Wasserdurchfluss durch die Kavernen berechnet. Die relative Lage der Kavernen zu den Störungszonen zeigt keine einheitliche Auswirkung auf den Wasserfluss. Bei durchlässigen Kavernen ist der Durchfluss höher im Fall ei­ner Anordnung parallel zur Störungs-Familie 2. Bei geringdurchlässigen Kavernen ist die Tendenz umgekehrt.

4.5.6.3 Schlussfolgerungen

1 . Der grossräumige Grundwasserfluss verläuft im Gebiet Wellenberg unter Ver­nachlässigung von hydraulischen Unterdrücken senkrecht zum Streichen der helvetischen Decken, d.h. von SE nach NW.

2. Die mittleren hydraulischen Gradienten in der Umgebung des Endlagers sind vorwiegend horizontal und variieren zwischen 0.19 (grosse Störungen inaktiv) und 0.31 (grosse Störungen aktiv).

3. Der Grundwasserfluss durch das Endlager hängt von der Orientierung aer Stol­lenführung relativ zur regionalen Grundwasserfliessrichtung und von hydraulisch aktiven grossen Störungen ab. Der Durchfluss durch das Endlager ist grösser, wenn sich der Zugangsstollen stromabwärts vom Endlager befindet. Die kürze­sten Fliesszeiten werden erreicht, wenn sich der Zugangsstollen stromabwärts

- 117 - NAG RA NTB 93-28

befindet und parallel zur Hauptfliessrichtung orientiert ist.

4. Das Grundwasser aus dem Endlager exfiltriert im Normalfall ins Engelbergertal, bei einer östlichen Endlagerposition ins Tal des Secklis Baches und bei westli­cher Endlagerposition und extremen Randbedingungen in die Rutschmasse Alt­zellen.

Kavernengeometrie

Horizontalschnitt Vertikalschnitt A - B

B 11

Kaverne 20m x 20m ' /

Störungszone

A

Störungszone SF2

Figur 4.5.9: Hydrogeologisches Pilotmodell: Anordnung der modellierten Kaver­nen zwischen hypothetischen grossen Störungszonen

4.5.7 Hydraulische Unterdrücke

Von hydraulischen Unterdrücken bzw. tiefen (anormalen) hydraulischen Potentialen (Heads) spricht man, wenn der Druck der Wassersäule in einem bestimmten Intervall einer Formation oder hydrogeologischen Einheit unterhalb der Bandbreite liegt, die dem Potential des stationären Fliesssystems im lokalen und regionalen Massstab ent­spricht. Hydraulische Unterdrücke sind ein typisches Merkmal instationärer Phäno­mene in geringdurchlässigen Gesteinen, die während gewissen Zeiträumen den gravi­tativen Grundwasserfluss überprägen.

Hydraulische Unterdrücke gemäss obenstehender Definition wurden in den Sondier­bohrungen SB1 und SB3 angetroffen, während die Unterdrücke in SB4 auch durch natürlich erklärbare Variationen des lokalen Fliessfeldes denkbar sind.

NAGRA NTB 93-28 - 118 -

Eine erste Studie über mögliche Ursachen der hydraulischen Unterdrücke (VINARD & McCORD, 1991) kam zum Schluss, dass das Ausmass und die Tendenz der beob­achteten Unterdrücke nicht durch Messfehler oder Fehlerquellen bei der Interpretation der Packertests erklärt werden können. Die Unterdrücke sind eher auf die Auswirkung transienter Prozesse im Gebirge zurückzuführen.

Zwei im Vordergrund stehende Hypothesen zur Bildung hydraulischer Unterdrücke wurden eingehender untersucht. Es sind dies:

- die Druckentlastung des geringdurchlässigen Gesteins (ARISTORENAS & EIN­STEIN, 1993)

- die Gasströmung durch das Wirtgestein (RIVERA, 1992; FINSTERLE et al. , 1992; FINSTERLE, 1992)

Während Gas nur unter extremen Annahmen transiente Unterdrücke verursacht, lie­fern Szenarien mit Druckentlastung durch den spätglazialen Eisrückzug eine plausi­biere Erklärung (VINARD et al. , 1993). Gegenwärtig werden neotektonische Effekte von ARISTORENAS & EINSTEIN (1993) untersucht.

Die allfälligen Auswirkungen der hydraulischen Unterdrücke auf das Grundwasser­fliesssystem wurde in einer Studie untersucht (RIVERA & SENGER, 1993). Simuliert wurde dabei eine unter dem Endlager liegende Unterdruckzone mit unterschiedlichen hydraulischen Diffusivitäten des Wirtgesteins. Dabei bestätigt sich, dass während der Dauer des instationären Zustandes das Gradientfeld gegenüber stationären Verhält­nissen massgeblich verändert wird. Die Fliesspfade führen in diesem Fall zum Zen­trum der Unterdruckzone (Fig. 4.5.10). Der Zeitraum für diese Veränderung liegt, je nach eingesetztem Diffusivitätswert zwischen einigen hundert bis einigen tausend Jahren. Sollte der verursachende Prozess immer noch wirksam sein, ist mit einer noch längeren Dauer des instationären Zustandes zu rechnen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist festzustellen, dass hydraulische Unterdrücke entweder keinen oder aber einen positiven Beitrag zur Langzeitsicherheit des Endlagers liefern.

4.5.8

4.5.8.1

Abschätzung der Gasführung und Zweiphasenfluss-Parameter im Wirtgestein

Zweiphasenfluss-Prozesse in den Valanginien-Mergeln

Schon am Oberbauenstock wurden in den Valanginien-Mergeln beträchtliche Mengen an Methangas sowohl in Bohrungen als auch beim Bau des Seelisbergtunnels beob­achtet (ANDREWS, 1988). Auswertungen von hydraulischen Versuchen in den Son­dierbohrungen am Wellenberg deuten ebenfalls auf die Existenz von Gas hin. Die an­getroffenen Gasmengen am Oberbauenstock sind im allgemeinen grösser als die bis­her am Wellenberg beobachteten. In den Bohrungen am Wellenberg handelt es sich vorwiegend um ein in Wasser gelöstes Gas, das durch den Druckabfall freigesetzt wurde. In einigen Testintervallen wiesen relativ grosse Gasmengen bei den gemesse­nen Drücken auf mögliches Vorhandensein einer freien Gasphase im Wirtgestein hin.

80

W

Figur 4.5.10:

- 119 - NAG RA NTB 93-28

2 3 4 5 6

120 160 200 240 280 320

1km

Potentialdifferenz [m] E

Eggeligrat

I

Potentialdifferenz: Ost-West Profil

N S

I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7 I 8 I 9

40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Potentialdifferenz [m]

1km

Potentialdifferenz: Nord-Süd Profil

Hydrogeologisches Pilotmodell: Darstellung der Unterdruckzone als Differenz zwischen simulierten stationären und gemessenen Poten­tialen

NAGRA NTB 93-28 - 120 -

Falls eine freie Gasphase vorhanden ist, sind die relativen Permeabilitäten der Was­ser- und der Gasphase für die hydraulischen Eigenschaften des Wirtgesteins mass­gebend. So beeinflusst z.B. eine freie Gasphase im Wirtgestein den natürlichen Grundwasserfluss und die Freisetzung von Endlagergas.

4.5.8.2 Quantifizierung der Zweiphasenfluss-Parameter

Die wichtigsten Zweiphasenfluss-Parameter beschreiben den Kapillardruck zwischen den beiden Phasen und die relative Permeabilität als Funktion der Sättigung. Die Kapillardruckkurve wird entweder experimentell bestimmt oder durch Modellfunktionen ermittelt. Da keine experimentellen Daten vom Wirtgestein existieren, können nur in der Literatur beschriebene, typische Modellfunktionen für Kapillardruck und relative Permeabilität benutzt werden (BROOKS & COREY, 1964; VAN GENUCHTEN, 1980).

100

_ 10 ct:S a.. ~ --~ U :::J -c 1 c Q)

Q)

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Cf) 0 1 ,

Figur 4.5.11:

--- Wellenberg "best fit"- Potenzfunktion - - - Davies "best fW- Potenzfunktion

Davies 95% - Vertrauensgrenze

SB2-VM10 -- SB3-VM27

---.---_. SB3-VM28 -- .............

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10-20 10-19 10-18 10-17 10-16 10-15 10-14 10-13

Permeabilität (m2)

Valanginien-Mergel: Schwellend ruck-Messungen (Threshold Pres­sure) im Vergleich mit Labordaten

In den Bohrungen SB2 und SB3 und einer Bohrung am Oberbauenstock wurden in verschiedenen Intervallen Packertests zur Bestimmung des Schwellendrucks durch­geführt. Der Schwellendruck (Threshold Pressure) entspricht dem minimalen Kapillar­druck, der zu einer Verdrängung von Wasser durch Gas führt und für die Berechnung der Endlagergasfreisetzung wichtig ist. DOMSKI & MISHRA (1991) vergleichen die ermittelten Schwellendrücke mit Labordaten von DAVIES (1991), die in der Figur 4.5.11 als Funktion der gemessenen absoluten Permeabilität dargestellt sind. Die ge­nerelle Beziehung zwischen dem Schwellendruck und der gemessenen Permeabilität des Gesteins ist ähnlich der Korrelation, die DAVIES (1991) aus einer grossen Zahl von Labordaten zusammengestellt hat. Nimmt man eine mittlere Permeabilität von

- 121 - NAGRA NTB 93-28

10-18 m2 (Durchlässigkeit 10-11 m/s) für das Wirtgestein am Wellenberg an, ergibt sich ein Schwellendruck von etwa 1.0 MPa. Die Regressionsgleichung, die auf den Resul­taten der vier Packertests in den Sondierbohrungen SB2 und SB3 und· im Standort­gebiet Oberbauenstock basiert, ergibt einen Schwellendruck von 2.7 MPa.

Dieser Wert ist für ein geklüftetes Gestein repräsentativ. In porösen Gesteinen sind diese Drücke vermutlich grösser. Die Messungen des Schwellendrucks in den Boh­rungen sind möglicherweise wegen des Skineffekts zu hoch. Die massgebenden bzw. sicherheits relevanten Schwellendrücke in der Auflockerungszone um Kavernen kön­nen, bedingt durch die stärkere Klüftung und die ungesättigten Verhältnisse, umge­kehrt niedriger sein.

4.6 Neotektonik

4.6.1 Einleitung

Die Neotektonik liefert die Datenbasis für die Entwicklung von Langzeitszenarien (Kap. 4.7). Diese beschreiben mögliche zukünftige geologische Entwicklungen und stellen eine wesentliche Grundlage für die Sicherheitsbetrachtungen im Hinblick auf ein Endlager dar.

Die Neotektonik stützt sich neben der Geologie vor allem auf die Geodäsie, die Erd­bebenkunde und die Gebirgsmechanik.

Der geologisch/tektonische Bau des Untersuchungsgebietes Wellenberg ist in den Kapiteln 4.1 und 4.2 beschrieben. Im Rahmen der geologischen Kartierung des Wel­lenberg-Gebietes wurden die Störungen auf Indizien rezenter Bewegung hin unter­sucht. Dabei konnten keine rezent aktiven Störungen identifiziert werden (Kap. 4.1.1). Im folgenden werden die weiteren in diesem Zusammenhang wichtigen Daten umris­sen: Das rezente Spannungsfeld, die Analyse des Landesnivellements und die Studie über die historischen und rezenten Erdbeben.

4.6.2 Das rezente Spannungsfeld

Gut belegte Daten über das rezente Spannungsfeld helfen bei der Abklärung offener Fragen, z.B. der Erklärung der hydraulischen Unterdrücke. Im weiteren dienen sie zur Identifizierung von Störungssystemen mit erhöhter hydraulischer Durchlässigkeit (Kap. 4.2.4) und zur Auslegung und Orientierung der geplanten Untertagebauten (Kap. 5.2.3). Zudem tragen sie viel zum Verständnis über die geologische Langzeitentwick­lung bei.

Die Daten über das rezente Spannungsfeld wurden mit drei verschiedenen, vonein­ander unabhängigen Methoden erhoben, nämlich durch die

- "Hydrofrac"-Messungen in den Bohrungen SB1, SB2 und SB3 (KONIETZKY &

NAGRA NTB 93-28 - 122 -

RUMMEL, 1991; KONIETZKY et al. , 1992; KLEE et al. , 1992), die

- Analysen von Bohrlochrandausbrüchen mit Daten aus den Bohrungen SB1, SB2 und SB3 (KRAMMER & MÜLLER, 1992a, 1992b u. 1993b) und durch die

- Analysen von induzierten Rissneubildungen mit Daten aus den Bohrungen SB1, SB2, SB3 und SB4 (KRAMMER & MÜLLER, 1992b, 1993a u. 1993b; HEINE­MANN, 1992).

Die Auswertung der IIHydrofracll-Messungen erfolgte unter der Annahme, dass die Vertikale die Richtung einer Hauptspannungskomponente darstellt, und dass die Ma­gnitude dem Gewicht der Gesteinssäule bis zur Oberfläche entspricht. Die Ergebnisse der IIHydrofracll-Messungen ergaben gute Werte für die minimalen horizontalen Span­nungskomponenten (Sh), weniger gute für die maximalen horizontalen Spannungs­komponenten (SH) und deren Richtungen. Der Grund liegt darin, dass beim Druck­aufbau oft ein bereits existierender Riss in seiner ursprünglichen Lage erweitert wurde und nicht ein neuer, durch das Spannungsfeld orientierter Riss erzeugt werden konnte.

Die Ergebnisse der IIHydrofracll-Messungen, welche für den Tiefenbereich zwischen Kote +245 und -500 m verlässliche Werte für die horizontalen Spannungskomponen­ten darstellen, sind:

S h (+245 m) = 1 3 - 17M Pa SH (+245 m) = 20 - 34 MPa

Der Spannungs-Tiefen-Gradient schwankt im obenstehenden Tiefenbereich zwischen 0.005 MPaJm und 0.020 MPaJm.

Die ermittelten Richtungen der grössten horizontalen Spannungskomponenten liegen im Bereich zwischen 1200 und 1400 (NW-SE).

Mit der Analyse der Bohrlochrandausbrtiche und der Analyse der induzierten Risse können Aussagen üb~r die Richtung der grössten horizontalen Spannungskomponen­te gemacht werden, nicht aber über deren Magnitude. Die Ergebnisse bei der Metho­den ze1gen -e1n -Übereinstimmendes Bild. Die ermittelten Richtungen von SH liegen zwischen 1250 und 1350 (NW-SE) und ergeben ein konsistentes Bild mit den Ergeb­nissen der IIHydrofracll-Messungen. Eine Ausnahme bildet der oberflächennahe Be­reich bei SB1 und weniger deutlich bei SB2, in welchem ein Abdrehen der Span­nungsrichtungen nach NNW festgestellt wurde. Dieser Effekt lässt sich aber durch die Topographie erklären.

Das festgestellte, gehäufte Auftreten von neu induzierten Rissen deutet auf eine starke Anisotropie des Spannungsfeldes hin.

In einem weiteren Schritt wurden verschiedene Modellrechnungen mit der IIDistinct Element Methodll durchgeführt (KONIETZKY et al. , 1993). Das Ziel dieser Modell­rechnungen war, mit den erhobenen Daten und den tektonischen Gegebenheiten den Gesamtspannungszustand des Gebietes zu erklären. Die Rechnungen ergaben fol­gende Aussagen:

- 123 - NAGRA NTB 93-28

- Das Spannungsfeld ist nicht rein gravitativ erklärbar.

- Mit einer tektonischen Komponente (Schubrichtung = 135°) und Gravitation lassen sich alle Daten erklären.

- In der Ebene des geplanten Endlagers ist die maximale horizontale Spannungskomponente zwei- bis dreimal, im Extremfall viermal grösser als die minimale, wobei diese und die vertikale Komponente etwa gleich gross sind.

SH > Sv, Sh SH = 2 - 3 x Sh (max. 4 x Sh) Richtung SH = 135° ± 15°

4.6.3 Geodätische Daten zur rezenten Kinematik

Rezente vertikale Krustenbewegungen lassen sich aus dem Vergleich von wiederhol­ten, zeitlich getrennten Präzisionsnivellement-Messungen berechnen. Die erste präzi­se Vermessung des Landesnivellements wurde in den Jahren 1903 - 1930 durch das Bundesamt für Landestopographie durchgeführt. Wiederholungen erfolgten in den Jahren 1943 - 1986 und 1987 - 1990.

Die Analyse des Präzisionsnivellements (GUBLER, 1976) zeigt eine sehr deutliche, rezente Hebungszone mit Werten von max. 1.5 mm/a im Raum der Zentralalpen (Fig. 4.6.1). Gegen das Mittelland hin nehmen die Werte der jährlichen Höhenänderungen deutlich ab. Alle Messungen des Landesnivellements beziehen sich auf einen Fix­punkt bei Aarburg. Bezieht man die Messungen des Landesnivellements auf einen Fixpunkt bei Genua (ARCA & BERETTA, 1985), so erhöhen sich sämtliche jährlichen Höhenänderungswerte in der Schweiz um ca. 1 mm.

Für die Langzeitszenarien ist entscheidend, ob die heute gemessenen Höhenände­rungen auf die nächsten 100 1000 Jahre extrapoliert werden dürfen. Dazu lassen sich folgende Überlegungen anstellen: TRÜMPY (1980) schätzt die alpine Krustenverkürzung auf 600 km. Dies ergibt seit Beginn des Zusammenschubs vor 100 - 110 Mil!. Jahren eine durchschnittliche jährli­che Krustenverkürzung von 5.5 - 6 mm/a. Unter der vereinfachten Annahme, dass die Höhenänderungen in den Alpen nur durch Aufschiebungen bedingt sind und nicht et­wa durch andere Prozesse, lässt sich die jährliche Krustenverkürzung aus den oben genannten Hebungsgeschwindigkeiten ableiten. Dies ergibt bei einem Überschie­bungswinkel von 30° einen durchschnittlichen jährlichen Zusammenschub von 3-5 mm/a, d.h. die gleiche Grössenordnung wie die Abschätzung auf der Basis von

TRÜMPY (1980). Aufgrund dieses Vergleichs ist nicht auszuschliessen, dass die alpi­ne Gebirgsbildung noch nicht abgeschlossen ist, und dass folglich die von der Lan­destopographie erhobenen jährlichen Hebungsgeschwindigkeiten in dieser Grössen­ordnung anhalten und auch für die Langzeitszenarien plausible Werte darstellen.

In bezug auf die geologische Langzeitsicherheit des Endlagers müssen die Szenarien über den erosiven Abtrag des Wirtgesteins besonders betrachtet werden (Kap. 4.7). Die Wirkung der Erosion hängt neben dem Klima auch vom Höhenunterschied zwi-

NAGRA NTB 93-28 - 124 -

schen dem Abtragungsgebiet und seiner Vorflut bei Luzern ab. Für die Erosions­szenarien muss die zu erwartende Zunahme des Höhenunterschiedes zwischen dem Wellenberg und der Erosionsbasis im betrachteten Zeitraum abgeschätzt werden. Da im Engelbergertal Landesnivellement-Messungen fehlen (Fig. 4.6.1), können die Werte von Erstfeld (ca. 0.6 mm/a) und Giswil (ca. 0.5 mm/a) mit demjenigen von Lu­zern (ca. 0.4 mm/a) verglichen werden. Daraus lässt sich eine sehr bescheidene N­vergente Kippung zwischen Wolfenschiessen und Luzern von ca. 0.2 mm/a bzw. 20 m in 1001000 Jahren ableiten. Für die eigentlichen Erosionsszenarien wurde der Wert aus Gründen der Konservativität mehr als verdoppelt (Kap. 4.7).

4.6.4 Erdbebentätigkeit in der Zentralschweiz

Erdbeben tragen zum Verständnis neotektonischer Vorgänge bei. Sie liefern Aussa­gen über rezente aktive Störungszonen, Herdmechanismen und das rezente Span­nungsfeld. Der Wert der Aussage hängt jedoch von der Zahl und der Lokalisierungs­genauigkeit der erfassten Erdbeben ab. Deshalb müssen alle zur Verfügung stehen­den Daten über Erdbeben in der Zentralschweiz betrachtet werden.

Instrumentell können Erdbeben in der Zentralschweiz erst seit Inbetriebnahme des ersten stationären Seismographen oberhalb von Brienz im Jahr 1974 erfasst werden. In die Untersuchungen werden jedoch auch die historischen Erdbeben miteinbezo­gen. Der Katalog der historischen Erdbeben beruht auf makroseismischen Beobach­tungen, d.h. von Personen direkt beschriebenen Erscheinungen und dokumentierten Schäden an Bauwerken.

Der vollständige Datenkatalog ist somit in zwei Teile gegliedert und umfasst die histo­rischen Erdbeben und die seit 1975 instrumentell registrierten Daten (NAGRA, 1993c).

Historische Erdbeben: Die Datengrundlage der makroseismisch beschriebenen Erd­beben ist der historische Erdbebenkatalog des Schweizerischen Erdbebendienstes (SED). Dieser wurde aufgrund historischer Quellen sowie der Jahresberichte des Schweizerischen Erdbebendienstes erstellt (SÄG ESSER & MAYER-ROSA, 1978).

Die zeitliche Verteilung der historischen Erdbeben in der Zentralschweiz von 1300 bis 1972 ist in Figur 4.6.2 dargestellt. In diesem Zeitraum wurden 10 Erdbeben mit einer Intensität VII (MSK-64) beobachtet, das stärkste mit Intensität IX im September 1601 in Unterwaiden. Eine signifikante Häufung von Erdbeben mit den Intensitäten VII fand in den Jahren 1774 - 1777 in den Regionen Altdorf und Sarnen statt, während vor 1765 nur ein Erdbeben mit einer Intensität VI beobachtet wurde. Dies hängt damit zu­sammen, dass erst mit dem Erdbeben von Lissabon im Jahre 1755, welches zu einem Aufschwung der Erdbebenforschung führte, derartige Beben mit kleiner Intensität be­schrieben wurden. Mit Beginn des 20. Jahrhunderts, als erste seismische Messgeräte in der Schweiz installiert wurden, kam es zu einer weiteren Zunahme registrierter Be­ben mit geringerer Intensität.

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NAGRA NTB 93-28 - 126 -

Anzahl Ereignisse

6

4

2

1300

Anzahl Ereignisse

6

4

2

1300

Anzahl Ereignisse

15

10

5

1300

1400

1400

1400

Figur 4.6.2:

a) I Intensität ~ VIII

1500 1600 1700 1800 1900 2000

b) I Intensität ~ VII

1500 1600 1700 1800 1900 2000

c) Iintensit~

1500 1600 1700 1800 1900 2000

Zeitliche Verteilung der Erdbebenintensität in der Zentralschweiz (5-Jahr-Perioden)

Der historische Datenkatalog enthält auch einzelne Informationen über Bergstürze und Rutschungen, die möglicherweise im Zusammenhang mit Erdbeben aufgetreten sind (NAGRA, 1993c). So wurde beschrieben, dass im Jahre 1375 die Salzquellen bei Wolfenschiessen und das Dorf Humligen in Unterwaiden durch einen Bergsturz ver­schüttet wurden. Inwieweit das Erdbeben von 1375 im Zusammenhang mit dem Bergsturz steht, ist unsicher, da die Datumsangabe nur das Jahr beinhaltet.

- 127 - NAG RA NTB 93-28

Aufgrund dieser makroseismisch erfassten Beben, deren Aufarbeitung aus den Chroniken oft mit sehr grossen Schwierigkeiten verbunden war, kann die historische Seismizität in der Zentralschweiz nur vorsichtig interpretiert werden. Auffallend ist das seit dem 18. Jahrhundert wiederholte Auftreten von Erdbeben in der Region Sarnen. Auch die Gegend um den Urnersee und um Altdorf ist wiederholt Schauplatz stärkerer Beben gewesen. Da fast alle diese Beben in den Jahren 1774 und 1775 aufgetreten sind, gehören diese Ereignisse möglicherweise alle zu einem einzigen kleineren Epi­zentralgebiet, analog den Beben von Sarnen. Auffallend ist auch, dass im Vergleich zu Sarnen und Altdorf die Gegend um Engelberg seit dem 18. Jahrhundert seismisch sehr ruhig w·ar.

Rezente Erdbeben: Nach der bereits erwähnten Station Brienz wurde in der Zentral­schweiz 1981 eine zweite Station im Muotatal installiert. Zur weiteren Verbesserung der Erfassung und Lokalisierung von Erdbeben wurde 1988 auf Antrag der Nagra das Stationsnetz der Innerschweiz durch drei mobile Seismographen bei Alpnach, Flüeli Ranft und Erstfeld verdichtet.

Figur 4.6.3a zeigt die Epizentren der Erdbeben für den Zeitraum von 1975 bis 1992. Das stärkste Ereignis (21.12.1985, östlich von Sarnen) erreichte nur eine Magnitude von 2.9 und eine Intensität von maximal 111. Im Vergleich zur Aktivität der historischen Beben war es somit in der Zentral schweiz seit Beginn der modernen instrumentellen seismischen Überwachung absolut ruhig. Abgesehen von einer gegenüber der Mo­lasse etwas grösseren Anzahl von Mikrobeben im Helvetikum, ist keine auffallende Häufung oder Struktur in der Verteilung der Epizentren zu erkennen.

Die Herdtiefen im Profil von Figur 4.6.3b zeigen einen auffallenden Sprung in der Un­tergrenze ihrer Verteilung, der mit der Grenze zwischen Subalpiner Molasse und Hel­vetikum korreliert werden kann. Unter dem Mittelland erreichen die Erdbebenherde Tiefen bis zu 30 km und damit beinahe die Grenze zur Moho, während unter den Al­pen die Beben auf die oberen 12 - 15 km der Erdkruste beschränkt sind.

Gefährdung des Endlagers durch Erdbeben: Aufgrund der Studie über die aktuelle Erdbebengefährdung in der Schweiz (GÜNTENSPERGER, 1987) ist nicht ausge­schlossen, dass die Schweiz längerfristig von einem Erdbeben mit der maximalen Magnitude 7 bis 7.2 heimgesucht wird. Dabei stellt sich die Frage, inwieweit ein End­lager durch derartige starke Erdbeben wirklich gefährdet ist. Dazu müssen zwei Fälle betrachtet werden:

1 . die Bruchfläche eines Erdbebens verläuft direkt durchs Endlager und 2. die allgemeine Gefährdung von Untertagebauten durch Erdbeben

Zum ersten Fall kann gesagt werden, dass die erdbebenverursachenden VersteIlun­gen des Gebirges meistens an schon bestehenden Schwächezonen erfolgen. Beim Endlagerbau werden natürlich solche Störungszonen gemieden. Daher kann das Auf­treten dieses sehr unwahrscheinlichen Falles praktisch von vornherein ausgeschlos­sen werden. Zum zweiten Fall kann auf Untersuchungen über die Gefährdung von Untertagebauten durch Erdbeben hingewiesen werden (NAGRA, 1993c). Diese beru­hen auf weltweiten und über Jahrhunderte dokumentierten Beobachtungen sowie konkreten Messungen. Anhand dieser Studien lässt sich zeigen, dass Untertagebau

NAGRA NTB 93-28 - 128 -

a 8.00

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Figur 4.6.3:

A

A

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1975 - 1992

B 8.50

B

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0 0 20

0 0 30

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(km)

Epizentren der Mikrobeben 1975 - 1992 in der Zentralschweiz (Karte und Profil)

- 129 - NAGRA NTB 93-28

ten im Gegensatz zu Oberflächenbauten weitaus günstigere Eigenschaften im Sinne der Erdbebensicherheit aufweisen und somit selbst geringe Schäden, insbesondere an verfüllten Endlagerkavernen, auch längerfristig kaum zu erwarten sind (MÜLLER, 1993c).

4.6.5 Schlussfolgerungen

Aufgrund der neotektonischen Studien, d.h. der Analysen des Präzisionsnivellements, der Spannungsmessungen in den Sondierbohrungen SB1, SB2 und SB3 und im Felslabor Grimsel (PAHL et al. , 1989) sowie der Studien über die Erdbebentätigkeit in der Schweiz (MAYER-ROSA et al. , 1983; DEICHMANN, 1990; NAGRA, 1993c) muss angenommen werden, dass die alpine Gebirgsbildung nicht abgeschlossen ist. Für die Langzeitszenarien muss daher mit einer anhaltenden alpinen Orogenese gerech­net werden (DIEBOLD & MÜLLER, 1985; NAEF, 1992). Dies bedeutet für die Erosionsszenarien, dass sich der bestehende Höhenunterschied zwischen dem Wellenberg und seiner Erosionsbasis bei Luzern im Zeitraum von 1001000 Jahren um mindestens 20 m vergrössern wird. Die Untersuchungen über die Erdbebentätigkeit (NAGRA, 1993c) haben gezeigt, dass die ganze Zentralschweiz in der Vergangenheit wiederholt von schadenverursachen­den Beben heimgesucht wurde. Besonders auffallend war das Auftreten von starken Beben in der Region von Sarnen und Altdorf, wohingegen das Gebiet von Engelberg sich seit dem 18. Jahrhundert vergleichsweise ruhig verhielt. Obwohl auch in Zukunft Erdbeben mit der Magnitude 7 bis 7.2 auftreten können, kann eine Gefährdung des verfüllten Endlagers durch seismische Aktivität praktisch ausgeschlossen werden.

NAG RA NTB 93-28 - 130 -

4.7 Langzeitszenarien

4.7.1 Einleitung

Zur Abschätzung der Langzeitsicherheit eines Endlagers am Standort Wellenberg stellt sich die Frage, wie gut bzw. wie lange ein horizontal erschlossenes Endlager unter dem Eggeligrat gegen Freilegung durch langfristige erosive Prozesse geschützt ist. In der Sicherheitsanalyse Wellenberg (NAGRA, 1993b) wird vorausgesetzt, dass eine Freilegung des Lagerraumes frühestens nach 100'000 Jahren erfolgen darf. Für die Studie über die "Erosionsszenarien Wellenberg" (KLEMENZ, 1993) wurde daher der gleiche Zeithorizont gewählt. Die Ergebnisse dieser Studie werden im folgenden zusammengefasst.

4.7.2 Berücksichtigte Prozesse

Bei der Untersuchung des Langzeitverhaltens des Standortes Wellenberg werden die folgenden durch die IAEA (1977) zitierten Prozesse, die direkt oder indirekt mit der Erosionsbetrachtung im Gebiet des Standortes verbunden sind, berücksichtigt: Klima­änderungen, Änderungen der hydrologischen Verhältnisse, Änderungen der Ero­sionsbasis, Denudation, Flusserosion, Glazialerosion, Sedimentation, orogenetische, epirogenetische und isostatische Hebungen/Senkungen.

Die angeführten Prozesse werden auf verschiedenen Stufen in die Untersuchung miteinbezogen: Allfällige Klimaänderungen werden z.B. in Form von Szenarien mit unterschiedlichen Klimaverhältnissen berücksichtigt. Dabei wird darauf verzichtet, ihre Wahrscheinlichkeit zu diskutieren. Es wird viel mehr versucht, eine Liste denkbarer Entwicklungen aufzustellen und die Folgen dieser Veränderungen bis zum Zeithori­zont von 100'000 Jahren nach heute soweit als möglich quantitativ abzuschätzen. Denudation, Flusserosion, Glazialerosion und Sedimentation sind klimaabhängig und werden in den verschiedenen Szenarien mit entsprechenden Parameteränderungen berücksichtigt. Dabei wird in jedem Szenarium in einem ersten Schritt die grossräumi­ge Entwicklung des Ablagerungsraumes diskutiert. Dieses Vorgehen dient der Ab­schätzung von Lageveränderungen der Sohle des Engelbergertals bzw. des Bezugs­horizontes für die Lokalerosion im Bereich des Standortgebietes. Da die relativen tektonischen Hebungen im Ablagerungsraum bzw. im Gebiet zwischen dem Modell­standort und der Schwelle von Luzern (Abflussstelle des Vierwaldstättersees) in den Alluvionen laufend ausgeglichen werden, sind neben den bereits angeführten Prozes­sen die Hebungen/Senkungen des Felsuntergrundes aufgrund orogenetischer, epiro­genetischer oder isostatischer Prozesse von entscheidender Bedeutung. Die Ero­sionsprozesse (Denudation, fluviatile Erosion, Glazialerosion) wirken erneut in der Lo­kalerosion im Standortgebiet, wobei die Parameter auch hier unter verschiedenen Klimabedingungen unterschiedliche Werte aufweisen.

- 131 - NAG RA NTB 93-28

4.7.3 Szenarien

Die nachfolgende Tabelle zeigt die untersuchten Szenarien.

Tabelle 4.7.1: Untersuchte Langzeitszenarien

Szenarium Klima, Dauer (betrachteter Zeitabschnitt generell 1 00 1000 Jahre) Szenarium 1 Klima unverändert Szenarium 2a Eiszeit vom Ausmass der Würm-Vereisung; Dauer: 60 1000 Jahre

Variante 1: - Keine Tiefenerosion im Engelbergertal und im Bereich der Rutschmasse

Altzellen während Eiszeit Würm 11 4)

- Deltastand am Ende Würm 11 in Buochs/Stansstad (wie heute)

Variante 2: - Ausräumung des Engelbergertals während Eiszeit Würm 11 bis Stans

- Tiefenerosion in Talsohle bis 50 m unter die Basis der Rutschmasse Altzellen

Variante 3: - Ausräumung des Engelbergertals während Eiszeit Würm 11 bis

Buochs/Stansstad

- Tiefenerosion in Talsohle bis 50 m unter die Basis der Rutschmasse Altzellen

Szenarium 2b Nacheiszeit nach dem Szenarium 2a, ähnlich den heutigen Klimaverhältnis-sen, Dauer 40 1000 Jahre

Szenarium 3 Semiarides Klima mit nur saisonaler Veqetation und saisonalen intensiven Niederschläqen

Szenarium 4 Arides Klima Verdunstung im Vierwaldstättersee grösser als zufliessende Wassermenge; Absinken des See-

spiegels

Szenarien Feuchtwarmes Klima mit hohen Niederschlägen 5aib Szenarium 5a: mit natürlichen Vegetationsverhältnissen

Szenarium 5b: Veqetationsverhältnisse qestört durch menschliche Einflüsse

4.7.4 Entwicklung der Erosionsbasis

Die Entwicklung der Sohle des Engelbergertals im Untersuchungsgebiet ist von gros­ser Bedeutung, da diese die Basis für die Lokalerosion darstellt. Sie bildet den Be­zugshorizont für die Entwicklung der lokalen Entwässerungsrinnen.

Die Entwicklung der lokalen Erosionsbasis des Engelbergertals ist bis zur vollständi­gen Verlandung des Vierwaldstättersees von den folgenden Punkten abhängig:

Vorstossgeschwindigkeit des in den See wachsenden Deltas der Engelberger Aa

Gleichgewichtsgefälle der Deltaablagerungen sowohl im neugeschaffenen Delta­abschnitt zwischen Buochs/Stansstad und der Schwelle von Luzern als auch im

4) SCHLÜCHTER (1992) kommt aufgrund der Untersuchung von Grundmoränenproben aus

der Sondierbohrung SB6 zum Schluss, dass diese vom Würmgletscher überfahren worden

seien. Dementsprechend hätte die Würm-Eiszeit im Untersuchungsgebiet praktisch keine

Tiefenerosion verursacht.

NAG RA NTB 93-28 - 132 -

Abschnitt der bereits bestehenden Talsohle unterhalb des Standortgebietes

- Hebungsrate des Felsuntergrundes im Standortgebiet bezüglich der Schwelle von Luzern (Annahme: 0.5 mm/a)

Nach der vollständigen Verlandung des Vierwaldstättersees wird infolge der Über­strömung der Schwelle von Luzern durch Sedimente im Abschnitt Basel-Luzern eine markante Verstärkung der Tiefenerosion einsetzen. Folglich wird es zwischen dem Gefällsende bei Basel und dem Untersuchungsgebiet zur Ausbildung eines Aus­gleichsgefälles kommen. Da der Prozess kaum quantifizierbar ist, wird bis zum Ende der Betrachtungsperiode ein vollständiger Ablauf dieses Prozesses angenommen. Bei den angenommenen Werten für das Ausgleichsgefälle muss die Schwelle von Luzern gegenüber heute um 75 m abgetragen werden. Im weiteren ist zur Ausbildung eines Ausgleichsgefälles zwischen Basel und Luzern noch der Hebungsbetrag der Schwelle von Luzern gegenüber dem Vorland miteinzubeziehen (Annahme 0.3 mm/a).

Wesentlich für die Betrachtung der Entwicklung der Talsohle im Untersuchungsgebiet sind damit die folgenden Parameter:

- Hebungsrate im Untersuchungsgebiet, am Alpenrand und im schweizerischen Mit­telland

- Gleichgewichtsgefälle der Deltaablagerungen im Ablagerungsraum Vierwaldstät­tersee und in den rückwärtigen Flusstälern (v.a. im Engelbergertal)

- Ablagerungsrate der in den Vierwaldstättersee mündenden Flüsse

- Ablagerungsraum

- das sich ausbildende Ausgleichsgefälle zwischen Basel und Luzern

- Erosiver Abtrag der Schwelle von Luzern nach der vollständigen Auffüllung des Seebeckens

- Wasserführung der Flüsse

Die Wahl der Parameter-Werte für die verschiedenen Szenarien erfolgte aufgrund von Analogien im schweizerischen Alpenraum (Szenarien 1 und 2) und aus anderen Kli­magebieten (Szenarien 3 - 5).

Die daraus abgeleiteten Höhendifferenzen zwischen Endlager und Sohle des Engel­bergertals ergeben für die verschiedenen Erosionsszenarien folgendes Bild:

- Während der Verlandung des Vierwaldstättersees beschränkt sich die Höhenände­rung in der Talsohle im Untersuchungsgebiet auf wenige Dekameter. Mit Ausnah­me der Variante 3 des Szenariums 2b verlandet der Vierwaldstättersee durchwegs weit vor dem Ende der Betrachtungsperiode. Die Verlandungszeit liegt zwischen rund 51000 Jahren im Szenarium 5b und 55 1000 Jahren im Szenarium 4. Im Szena­rium 1 weist sie mit rund 35 1000 Jahren einen mittleren Wert auf.

- 133 - NAGRA NTB 93-28

- Nach der Verlandung des Vierwaldstättersees findet in allen Szenarien (mit Aus­nahme des Szenariums 4 und der Variante 3 des Szenariums 2b) bis zum Ende der Betrachtungsperiode ein massiver Abtrag der Talsohle statt, so dass sich bis zu diesem Zeitpunkt der Höhenunterschied zwischen Lager und Talsohle auf 140 m (Szenarium 1, Varianten 1 und 2 des Szenarium 2b), auf 180 m (Szenarien 3 und Sb) und auf 240 m (Szenarium 5a) vergrössert. Die Unterschiede sind vor al­lem das Resultat der unterschiedlichen Gleichgewichtsgefälle.

4.7.5 Lokalerosion

Für die Lokalerosion sind mehrere durch die lokalen Standortsverhältnisse bestimmte Erosionsvorgänge von Bedeutung. Die Entwicklung der Talsohle bei Oberrickenbach, die zugleich als Erosionsbasis für den Abtrag der E-Flanke des Eggeligrates gilt, hängt infolge der Steilstufe an ihrem Ausgang nicht von der Entwicklung des Engel­bergertals sondern wesentlich von der Erosionsrate der Kieselkalkschwelle von Burg­holz, dem Gleichgewichtsgefälle des Secklis Baches in den Valanginien-Mergeln und dem Abtrag in den Quartärablagerungen im Tal von Oberrickenbach ab.

Der Abtrag der Valanginien-Mergel im Gebiet Altzellen - Eggeligrat -Oberrickenbach wird durch die Stabilitätsverhältnisse in den Valanginien-Mergeln (inkl. Rutschmasse Altzellen), durch die flächenhafte Erosion, durch die Tiefenerosion und durch das erosive Gleichgewichtsgefälle des Eltschenbaches bestimmt.

Der Zustand am Ende der Betrachtungsperiode wird als minimale Mächtigkeit der verbleibenden Felsüberlagerung über dem Endlager definiert. Die angeführten Werte stellen Minimalwerte dar. In weiter nördlich oder südlich gelegenen Schnitten ist die Restüberlagerung daher grösser. Beilage 4.7.1 zeigt die entsprechende Entwicklung der Valanginien-Mergel-Zone für das Erosionsszenarium 2.

Die Gesteinsüberdeckung des Endlagers zum heutigen Zeitpunkt und am Ende der Betrachtungsperiode der verschiedenen Szenarien ist in Tabelle 4.7.2 zusammenge­fasst.

Es zeigt sich, dass in den Szenarien 3 und Sb die ungünstigsten Verhältnisse zu er­warten sind (Restüberdeckung noch rund 100 m). In allen übrigen Szenarien dürfte die minimale Felsüberdeckung nach 1001000 Jahren dagegen noch mindestens 300 m betragen. Tabelle 4.7.3 gibt eine Übersicht über die wesentlichen Erosionsfaktoren der verschiedenen Szenarien.

4.7.6 Beeinflussung der hydrogeologischen Verhältnisse

In den verschiedenen Szenarien sind durch die Erosionsvorgänge topographische, hydrologische und hydrogeologische Änderungen zu erwarten.

Topographische Änderungen ergeben sich vor allem in den Talsohlen des Engel­bergertals und des Tals von Oberrickenbach sowie im Bereich der an der Oberfläche

NAG RA NTB 93-28 - 134 -

anstehenden Valanginien-Mergel (Beil. 4.7.1). Im weiteren wird das Relief zwischen der Zone der Valanginien-Mergel und den angrenzenden, aus erosionsresistenteren Gesteinen aufgebauten Gebieten des Wellenberges im N und der Walegg im S ak­zentuiert.

Hydrologische Änderungen bilden die Grundlage für die unterschiedlichen Annah­men über die Klimaentwicklung. So verändern sich die Niederschlagsverhältnisse in den Szenarien 2a, 3, 4 und 5aJ5b. Dementsprechend ist eine Verringerung des Ab­flusses in den Szenarien 2a, 3 und 4 sowie eine Zunahme in den Szenarien 5a und 5b zu erwarten.

Tabelle 4.7.2: Minimale Endlagerüberdeckung heute und nach hunderttausend Jahren

Zeitpunkt Gesteinsüberdeckung des Lagers

(Jahre n.h.)

Westliche Östliche

Begrenzunq Beqrenzunq

Heutiger Zustand 0 550 m 500 m

Szenarium 1 100'000 400 m 300 m

Szenarium 2a

• Variante 1 60'000 500 m 500 m

• Variante 1, Eistransfluenz 60'000 450 m 450 m

• Variante 2 60'000 500 m 500 m

• Variante 3 60'000 500 m 500 m

Szenarium 2b

• Variante 1 100'000 450 m 400 m

• Variante 1, Eistransfluenz 100'000 400 m 350 m

• Variante 2 100'000 450 m 300 m

• Variante 3 100'000 450 m 400 m

Szenarium 3 100'000 100 m 200 m

Szenarium 4 100'000 450 m 400 m

Szenarium 5a 100'000 350 m 300 m

Szenarium Sb 100'000 100 m 100 m

Hydrogeologische Änderungen werden durch die topographischen und hydrologi­schen Änderungen verursacht. In mittel- bis gutdurchlässigen Gesteinen wird sich der Grundwasserspiegel rasch an die neuen topographischen und bei Klimaänderungen überdies an die geänderten hydrologischen Verhältnisse anpassen. Bei den ge­ringdurchlässigen Gesteinen (Valanginien-Mergel) wird dies nur in Oberflächennähe oder in der Nachbarschaft von Aquiferen der Fall sein. Infolge der Erosionsentlastung

- 135 - NAG RA NTB 93-28

sind in mächtigeren geringdurchlässigen Sedimentpaketen Verzögerungserscheinun­gen in der Anpassung der Potentiale möglich.

Ebenfalls durch die Erosionsentlastung zusammen mit der erosiven Tieferlegung der Terrainoberfläche sind ausserdem Verlagerungen der im Kapitel 4.5.3 definierten hy­drogeologischen Einheiten zu erwarten. Insbesondere für den mitteldurchlässigen Wirtgesteinsbereich (Einheit B) ist vor allem unter Annahme einer Topographie-ab­hängigen unteren Begrenzung eine mehr oder weniger dem Erosionsbetrag entspre­chende Tieferlegung zu erwarten. Das würde bedeuten, dass am Ende der betrachte­ten Zeitspanne von 100'000 Jahren vor allem bei den Szenarien 3 und 5b Teile des Endlagers in die Einheit B zu liegen kämen.

Tabelle 4.7.3 Erosionsbestimmende Faktoren über dem Endlager

Szenarium Wesentliche Erosionsfaktoren

Szenarium 1 Tiefenerosion im Tal von Oberrickenbach und flächenhafte Erosion

der Valanqinien-Merqel

Szenarium 2b Tiefenerosion im Tal von Oberrickenbach und flächenhafte Erosion

der Valanqinien-Mergel

Szenarium 3 Flächenhafte Erosion der Valanginien-Mergel und Gleichgewichts-

gefälle der Entwässerungsrinnen der IIbad lands 11 5) von Altzellen

Szenarium 4 Flächenhafte Erosion der Valanqinien-Mergel

Szenarium 5a Flächenhafte Erosion der Valanqinien-Mergel

Szenarium 5b Flächenhafte Erosion der Valanginien-Mergel, Gleichgewichtsge-

fälle der Entwässerungsrinne der IIbad landsll Altzellen, Tiefenero-

sion im Tal von Oberrickenbach

Der freie Grundwasserspiegel wird sich folgendermassen ändern:

- In den Szenarien 1, 3 und 5a15b wird der Grundwasserspiegel im Engelbergertal wie heute an oder wenig unterhalb der Talsohle liegen.

- Beim Szenarium 2a wird im Gebiet Wellenberg von einer nicht an den Untergrund angefrorenen Eismasse ausgegangen, wodurch eine Drainage des Untergrundes möglich ist. In Variante 1 wird der Grundwasserspiegel an der Oberfläche der Lockergesteine liegen. In den Varianten 2 und 3 dagegen, in denen eine markante Tiefenerosion vorausgesetzt wird, dürfte der Wasserspiegel im Gletscher bis auf die Höhe der Schwelle von Luzern, d.h. um rund 100 m absinken.

5) "bad lands" bezeichnet eine v.a. in tonreichen Gesteinen bei fehlender Vegetationsdecke

und semiaridem Klima auftretende Erosionsform mit zahlreichen ausgeprägten Entwässe­

rungsfurchen.

NAGRA NTB 93-28 - 136-

- Im Szenarium 4 wird der Wasserspiegel in der Lockergesteinsdecke im Extremfall bis auf die Felsoberfläche (350 m ü.M.) absinken.

In den Valanginien-Mergeln wird der freie Wasserspiegel in den Szenarien 1, 3 und 5 wie heute meistens ungefähr mit der Terrainoberfläche zusammenfallen. In den Szenarien 3 und insbesondere 4 ist dagegen zu erwarten, dass sich entlang der Ter­rainoberfläche eine ungesättigte Zone von mehreren Dekametern ausbilden wird. Im Szenarium 3 kann daher der Grundwasserspiegel am Ende der Betrachtungsperiode nur noch wenige Zehner von Metern über dem Endlagerbereich liegen.

Im Gebiet Wellenberg - Eggeligrat - Walegg wird die Geländeoberfläche wie bereits erwähnt eine Akzentuierung erfahren. Besonders bei einem starken Abtrag der Valanginien-Mergel und einem feuchten Klima (Szenarium 5a) ist deshalb ein starkes Anwachsen der Potentialdifferenz zwischen der Axen-Decke (Walegg) und den Valan­ginien-Mergeln zu erwarten.

4.7.7 Bemerkungen zur Konservativität

Bei der grossen Variationsbreite der Szenarien bestehen für die Parameter keine ein­deutigen und allgemein anerkannten Werte. Sowohl bei der Abschätzung der Entwick­lung der lokalen Erosionsbasis im Engelbergertal als auch im Modellstandort mussten Annahmen über ablaufende Prozesse und deren Ausmass getroffen werden (KLE­MENZ, 1993). Für die meisten Parameter wurden konservative bis sehr konservative Werte angenommen. Da sich die Einflüsse in vielen Fällen kumulieren, sind die resul­tierenden Szenarien grundsätzlich als konservativ zu betrachten.

- 137 - NAGRA NTB 93-28

5 GEODATENSATZ

5.1 Geodatensatz für Sicherheitsanalyse

Radionuklid-Transportmodelle basieren auf einer einfachen Konzeptualisierung der komplexen geologischen, hydrogeologischen und hydrochemischen Verhältnisse in der Geosphäre zwischen Endlager und Biosphäre. Zusammen mit Nahfeld- und Bio­sphärenmodellen bilden sie eine Modellkette,mit der die maximale Strahlendosis für die Aktivitätsfreisetzung aus dem Endlager ermittelt werden kann. Der Transport wird entlang von typischen Fliesspfaden simuliert (NAGRA, 1993b). Im vorliegenden Kapi­tel wird der für diese Konzeptualisierungen und Simulationen notwendige geologische Datensatz (Geodatensatz für Sicherheitsanalyse) dargestellt. Er wurde im Februar 1993 auf der Basis noch laufender Auswertungen abgeleitet. Die Bandbreite der zu­sammengestellten Parameter-Werte wurde so gross gehalten, dass das Spektrum aller möglichen Hypothesen abgedeckt ist.

Zu den für den Geodatensatz wichtigen hydrogeologischen Parametern gehören z.B. die Grösse des Wasserflusses durch die wasserführenden Systeme, die Zusammen­setzung (Typen der wasserführenden Systeme) und Länge des Fliesspfades vom Endlager zur Biosphäre, sowie die Exfiltrationsorte. Mineralogische und petrophysika­lische Gesteinseigenschaften liefern die Basis für die Quantifizierung wichtiger Trans­portparameter. Zusätzlich bestimmt die hydrochemische Beschaffenheit des Grund­wassers das Verhalten der Nahfeld-Barrieren sowie die Speziation und die Löslich­keitsgrenzen der Radionuklide.

Kapitel 5.1.1 behandelt das Spektrum der für das Fliessregime zwischen Endlager und Biosphäre wichtigen hydrogeologischen Parameter, d.h. im Grössenmassstab weniger Kilometer. Die Kapitel 5.1.2 und 5.1.3 zeigen das Spektrum der Transport­bzw. Fliesseigenschaften, welche im Grössenmassstab von einigen hundert Metern massgebend sind. Kapitel 5.1.2 fasst die Hauptmerkmale der wasserführenden Sy­steme zusammen, während im Kap. 5.1.3 die relevanten Fliessparameter und Fliess­pfadzusammensetzungen in der Umgebung der Lagerkavernen umgrenzt werden. Die Referenzwässer und die mineralogischen Parameter werden in den beiden letzten Kapiteln 5.1.4. und 5.1.5 behandelt.

5.1.1 Grundwasserfliessregime im Standortgebiet

5.1.1.1 Herleitung des Geodatensatzes

Das Vorgehen bei der Herleitung der für die Sicherheitsanalyse benötigten Daten ist in Figur 5.1.1 dargestellt. Ein vorläufiges konzeptuelles Modell wurde auf der Basis der vorhandenen hydrogeologischen Beobachtungen und Schlussfolgerungen ent­wickelt. Dieses konzeptuelle Modell wurde daraufhin als Gerüst zur Entwicklung des hydrogeologischen Pilotmodells verwendet. Mit dem Pilotmodell wurden über 60 Fälle

NAGRA NTB 93-28

Hyd rogeologische Beobachtungen und Kenntnisse

- Ergebnisse der Sondierbohrungen

- Hydrochemie

- Geologie, Geophysik

- 138 -

Hydrogeologisches l konzeptuelles

Modell L Subregionales

hydrogeologisches Pilotmodell

................................... : ........................... :. .:.:.:.:.;.:.;.;.;.;.:.:.:.;.;.;.;.;.:.:.:.:.:.:.:.;.'........... . .. .................................................................. '. ··IL...--_______ t--_____ ··_······_··""'_ ...... ---I .. ··I

I Hydraulische Durchlässig­keitsklassen

I

Figur 5.1.1 :

Hydraulische Gradienten

kritische Beurteilung

Grundwasser­fluss

- durch Endlager - durch Kavernen

I Länge

der Fliesswege

Hydrogeologischer Datensatz für die Sicherheitsanalyse

I Grundwasser­

fliess­zeiten

Herleitung des hydrogeologischen Datensatzes für die Sicherheits­analyse

mit verschiedenen Eingabe-Datensätzen durchgerechnet. Die Ergebnisse wurden be­urteilt und dienten als Grundlage für den Datensatz.

Der resultierende Datensatz umfasst vier hydrogeologische Parameter: Hydraulische Leitfähigkeit, hydraulischer Gradient, Grundwasserfluss und Längen der Fliesswege.

5.1.1.2 Zusammenfassung und Präsentation der Resultate

Die hydrogeologischen Parameter sind in Tabelle 5.1.1 zusammengefasst. Die aufge­führten Daten gelten für hydraulisch stationäre Bedingungen. Allfällige Effekte hydrau­lischer Unterdrücke wurden nicht berücksichtigt, weil sie in bezug auf die Grundwas­sergeschwindigkeit entlang von Transportwegen entweder neutral sind oder diese positiv beeinflussen, d.h. verzögernd wirken.

-f 0) Ci CD

CD 01 --l..

--l..

Parameter-Beschreibung Szenario oder Bedingung Wert Bemerkungen I

erste Variante Basistall zweite Variante Referenz 1. Hydaulische Wirtgesteinseinheit E-12 E-11 E-10 LÖW et al. (1992)

Durchlässigkeit (m/s)

~ ()

~ CD

auf Endlagerhöhe CD

2. Hydraulische Mögliche Kombinationen: Kein wesentlicher 0.1-0.4 Kein MISHRA et al. (1992) ::r '<

Gradienten im - mit und ohne Störungen Unterschied wesentlicher Q.. "'""I

Endlagerbereich (m/m) - mit und ohne Endlager Unterschied 0 CD

3. Grundwasserfluss Verschiedene Kombinationen: 0.1-3.0 1-30 10-300 Dimensionen Lagerbereich = durch Endlagerbereich - mit oder ohne Störungen 300 x 300 x 50 m (m3/Jahr) - mit oder ohne Endlager

CD 0 0

CD 4. Grundwasserfluss Verschiedene Kombinationen: 0.01-0.25 0.1-2.5 1-25 Dimensionen Kaverne =

durch eine Kaverne - mit oder ohne Störungen 300 x 20 x 20 m

Ci5' --l.. () CA) ::r

(m3/Jahr) - Orientierung der Kaverne Annahme: begrenzte CD <.D

- Durchlässiqkeit der Kaverne Zuflusskapazität m "'""I

5. Abstand der Fliess- Durch Wirtgesteinseinheit und Mindestens 100 m des pfade vom Endlager Störungen in: Fliesspfades fallen in die intakte (m) - Helv. Kieselkalk Keine wesentliche 200-1 '500 Keine Wirtgestei nsei nheit

- Ruschmasse Altzellen Beeinflussung 500-1'500 wesentliche - Talfüllung Secklis Bach-Tal 200-1'400 Beeinflussung

CD CD Ci ~. (J) (J)

CD -Durch folgende Einheiten zur c: "'""I

Vorflut: 300-3'000 Q..

- Helv. Kieselkalk 500-1'500 (5' - Ruschmasse Altzellen 200-1'400 - Talfüllung Secklis Bach-Tal

------------

~ Z ()

):> ::r CD

G) "'""I

JJ ::r CD

):> ;:::::+: (J) 0) Z

-f ::::J OJ 0)

<.D '< CA)

(J)

CD (\) CX>

NAGRA NTB 93-28 - 140 -

Durchschnittliche hydraulische Leitfähigkeit auf Endlagerebene: Der wahr­scheinliche Wert liegt bei K = 10-11 m/s, was der geringdurchlässigen Einheit der Valanginien-Mergel (Einheit C) entspricht. Ein ungünstigerer Fall (höhere Durchlässig­keit in Einheit C) und ein besserer Fall (sehr gering-durchlässige Einheit 0 auf End�a­gerebene) bilden die Variationsbreite (K = 10-10 bis 10-11 m/s).

Hydraulische Gradienten im Endlagergebiet: Die Bandbreite liegt zwischen 0.1 und 0.4. Die horizontalen Komponenten des Gradienten wurden vom Pilotmodell ab­geleitet (verschiedene Modellvarianten: miVohne Endlager, miVohne Störungsmuster, usw.). Obwohl der Grundwasserfluss überwiegend horizontal verläuft, ist eine senk­rechte Komponente vorhanden. Die möglichen Werte des absoluten Gradienten um­fassen somit eine etwas grössere Bandbreite als die vom Modell abgeleiteten Gra­dienten-Werte. Die angegebene Bandbreite ist für den Endlagerbereich massgebend. In der unmittelbaren Umgebung der Kavernen können örtlich grössere Gradienten vorkommen. Die Variation der hydraulischen Leitfähigkeit um zwei Grössenordnungen des Wirtge­steins bewirkt keine massgebende Änderung der Gradienten im Endlagerbereich. Falls hydraulische Unterdrücke den Endlagerbereich beeinflussen, muss mit grösse­ren abwärts gerichteten Gradienten gerechnet werden (Kap. 4.5.7, Fig. 4.5.10).

Grundwasserfluss durch Lagerbereich: Die Bandbreite des Grundwasserflusses durch den Lagerbereich (300 m x 300 m x 20 m) reicht für den Basisfall (K = 10-11 m/s) unter Berücksichtigung verschiedenster Parameter-Variationen und -Kombinationen (z. B. miVohne wasserführenden Zugangsstollen und miVohne Stö­rungen) von 1 m3/a bis 30 m3/a. Diese Bandbreite ergibt sich u.a. aus der Bandbreite des durchströmten Querschnittes und der Gradienten-Verteilung.

Grundwasserfluss durch eine Kaverne: In der Tabelle wird der Fluss durch eine Kaverne für den Basisfall auf 0,01 --25 m3/a geschätzt. Die im Pilotmodell simulierten Kavernen haben eine Dimension von 300 m x 20 m x 20 m (Fig. 4.5.9) und sind ent­weder in NE-SW-Richtung oder NW-SE (eher senkrecht bzw. eher parallel zur mut­masslichen Hauptfliessrichtung) orientiert.

Länge der Fliesswege: Die massgebenden Fliesswege vom Endlager zu den Exfil­trationszonen zeigen Längen zwischen ein paar hundert Metern und einigen Kilome­tern. Die Länge der Fliesswege wurde im wesentlichen aufgrund des kürzesten geo­metrischen Weges geschätzt, d.h. aufgrund der Beziehung zwischen den hydrogeo­logischen Einheiten (und deren vermuteter Ausdehnung) und den mutmasslichen Exfiltrationsgebieten. Die Fliesspartikelberechnungen im Pilotmodell wurden zur Be­stimmung der Variabilität der Fliessrichtungen unter verschiedenen Modellannahmen (Variation von Endlagerlokationen und hydraulischen Parametern) benutzt. Um das Spektrum der Fliessrichtungen so vollständig wie möglich zu ermitteln, wurde sogar ein Extremfall (Fig. 5.1.2, Kapitel 4.5.6) berücksichtigt, der als ein sehr konservatives Szenarium zu betrachten ist. Die Orientierung der Grundwasserfliesswege ist aus den Figuren 5.1.3 und 5.1.4 er­sichtlich. Die Resultate der Modellierung zeigen, dass je nach den simulierten Ver­hältnissen die Fliesspfade zu einer bzw. mehreren der angrenzenden Gesteinsforma­tionen führen: Im Normalfall fliesst das Grundwasser aus dem Endlager via Helveti­schem Kieselkalk in die Alluvionen der Engelberger Aa. Falls das Endlager direkt un­ter dem Eggeligrat oder östlich davon liegt, führen Fliesspfade teilweise bis aus

-Q)

15 Q) 0> "-Q) 0> cu

"'0 0> "-

C Q)

W ..0 C

D Q)

Q)

S

~ Q)

.::t:. ü Q)

0 I

"- 0> Q) "-

"'0 Q)

Q)..o .::t:. CI) - :J cu "-~o

• I

C Q)

C 0> -C Q)

cu ~ - Q)

~~

• Q) CI) CI)

cu E c ~ Q) ü= CI) Q)

- N :J~ CI«

• Figur 5.1.2:

- 141 - NAGRA NTB 93-28

~ al Cf)

E .::t:. T"-

'-Z-

<0 al Cf)

• Horizontalschnitt auf Endlagerebene (540 m ü.M.) mit Fliesspfaden aus der westlichen Endlagerposition zum Kieselkalk und zur Rutsch­masse (Szenarium mit extremen Randbedingungen)

NAGRA NTB 93-28

WSW

mÜ.M.

2000

1500

o

- 500

-1000

NNW m[j.M.

2500

2000

1500

-1000

-1500

Profil A

Engelbergertal

Profil B

Engelberger Aa

I

- 142 -

Profil NNW-SSE

1 Eggeligrat

Drusberg-Decke

Profil WSW-ENE

Wellenberg 1

I Eggeligrat

o !

Secklis Bach

I

500

Axen-Decke

1000 m I

ENE

mü. M.

2000

1500

SSE mÜ.M.

2500

1000

500

o

-1000

-1500

Figur 5.1.3: G rundwasserfliessrichtungen unter stationären Bedingungen (P ro­file)

195

193

Horizontalschnitt auf Kote 540m

Fliessrichtung vertikal zur Beobachtungsebene

Hauptfliessrichtung

- 143-

(Geologische Legende siehe Seite 145)

NAG RA NTB 93-28

Lokale Fliessrichtung

Fliessrichtung in den Kalkformationen

Figur 5.1.4: Grundwasserfliessrichtungen unter stationären Bedingungen (Hori­zontalschnitt)

schliesslich ins Lockergestein des Secklis Bach-Tals. Im oben erwähnten Extremfall hingegen könnten Teile des Grundwassers von der W-Seite des in einer Position westlich des Eggeligrates liegenden Endlagers in den nordwestlichen Teil der Rutschmasse Altzellen exfiltrieren.

In Tabelle 5.1.1 sind die Bandbreiten von zwei Kategorien von Fliesslängen aufge­führt: Die eine Kategorie legt Distanzen vom Endlager via Wirtgestein und Störungs-

NAGRA NTB 93-28 - 144 -

zonen bis zu den angrenzenden Gesteinsformationen fest und die andere Kategorie misst die Distanz ab Eingang in die angrenzenden Gesteinsformationen bis zu den jeweiligen Exfiltrationsgebieten. Die Variation der Durchlässigkeit des Wirtgesteins um ein bis zwei Grössenordnungen hat keinen signifikanten Einfluss auf die geometrisch bestimmte Länge der Grundwasserfliesspfade.

5.1.2

5.1.2.1

Grundwasserfluss und Zusammensetzung der Fliesswege im Wirtge­stein in der näheren Umgebung einer Endlagerkaverne

Vorgehen

Die Beurteilung der Grundwasserflüsse und der Zusammensetzung der Wasserfliess­wege in der näheren Umgebung der Endlagerkavernen (d.h. innerhalb von einigen wenigen hundert Metern des Wirtgesteins) stellt eine Ergänzung des im Kap. 5.1.1 vorgestellten hydrogeologischen Geodatensatzes dar. Das Vorgehen und die Ergeb­nisse sind in VOMVORIS et al. (1993) dokumentiert. Eine schematische Darstellung der Vorgehensweise für die Herleitung spezifischer Flüsse ist aus Figur 5.1.6 ersicht­lich.

Die Beurteilung bezieht sich auf Endlagerkavernen in der geringdurchlässigen Einheit der Valanginien-Mergel. Das generelle Konzept sieht vor, dass die Kavernen, von der Auslegung her, durch eine mindestens 100 m mächtige Barriere aus intaktem Wirtge­stein von der nächsten grossen wasserführenden Störungszone getrennt sind. Für die Berechnungen wird ein Würfel mit 500 m Kantenlänge betrachtet, in dessen Mitte sich ein 300 m langer hypothetischer Einlagerungsstollen (Querschnitt 20 m x 20 m) befin­det.

Als notwendige Voraussetzung für die Modellierung wird angenommen, dass intakte Wirtgesteinsblöcke von mehreren 100 m Kantenlänge existieren und lokalisiert wer­den können. Diese Blöcke werden durch die IIgrossen steilstehenden StörungszonenIl begrenzt, die für die Auslegung des Endlagers bestimmend sind (Kap. 4.2.4.2 u. 4.2.5.3). Die innerhalb eines solchen Blocks verbleibenden hydraulisch wirksamen Strukturen werden konzeptuell in die bereits erwähnten wasserführenden Systeme eingeteilt: kataklastische Zonen, unterteilt in IIkleinell und IImittlere ll Störungen sowie Kalkbankabfolgen (Kap. 4.5.3.4). Diese wasserführenden Systeme werden in der nu­merischen Modellierung als transmissive Elemente (TE) vereinfacht dargestellt.

Die Verteilung der hydraulischen Gradienten im Wirtgesteinsblock wird dem Pilotmo­dell entnommen. Die entsprechende Simulation nimmt stationäre Verhältnisse an.

In mehrmaligen Kluftnetzwerk-Realisierungen werden jeweils die Anzahl und die Spurlängen der durch die Kaverne angeschnittenen transmissiven Elemente bestimmt und als Wahrscheinlichkeitsverteilung dargestellt. Aus dem Produkt der Transmissivi­tät und der Spurlänge eines jeden Elements wird ein sogenanntes IIhydraulisches Leitvermögen ll (Conductance C, Einheit m3/s) gebildet. Das Leitvermögen ist ein Mass für den Volumenstrom durch eine geometrische Fläche unter einem Normal

- 145 -

Geologische Einheit

Seewer Kalk und Seewer Schiefer bzw. Choltal­Schichten, Amdener- und Wang-Formation

"Helvetischer Gault" bzw. Garschella­Formation

Schrattenkalk-Formation

Drusberg-Schichten

liliiii Kieselkalk-Formation

"Valanginienkalk" bzw. Diphyoides-Kalk

"Valanginien-Mergel" bzw. Palfris-Formation und Vitznau-Mergel

Tertiär-Formationen

Bm Kreide-Formationen

I:: 11111111 Mergel und Kalke des Valanginien

Jura-Formationen

IR Kreide und Malm

~""""

;;;;;""

"""", """", """",

Malmschollen der Drusberg-Decke

Melange

Nordhelvet. Flysch ("Sandstein-Dach­schiefer-Komplex")

/

NAG RA NTB 93-28

Tektonische Zugehörigkeit

Drusberg-Decke

Axen-Decke

Aequivalent der Wissberg-Scholle

infrahelvetisch

Parautochthon

__ ,./' / Störungen i. allg. (Brüche, Lockergesteine, Quartär / Überschiebungen etc.)

Rutschmasse Altzellen wichtige Deckengrenzen

Figur 5.1.4: Legende zu Figuren 5.1.3 und 5.1.4

NAG RA NTB 93-28 - 146 -

gradienten von 1. Es wird für alle transmissiven Elemente in der Kaverne ermittelt und als Verteilung dargestellt. Eine statistische Multiplikation dieser Verteilung mit der Gradientenverteilung ergibt die Verteilung des Volumenflusses 0TE durch ein einzel­nes transmissives Element. Eine weitere statistische Kombination dieser Verteilung mit jener der Anzahl der angetroffenen transmissiven Elemente in der Kaverne könnte zur Verteilung des Gesamtflusses 0T durch die 300 m lange Kaverne führen. Dieser abgeschätzte Kavernendurchfluss QT wird als sehr konservativ beurteilt, weil er auf zwei vereinfachenden Annahmen basiert: erstens, dass die Gradienten unabhängig vom Leitvermögen jedes einzelnen transmissiven Elementes sind und zweitens, dass die individuellen Volumenflüsse QTE summiert werden können (keine Verknüpfung von Klüften).

~ I

500m

Störungen

+ Endlagerbereich

Figur 5.1.5: Schema der Zugangsstollen-Varianten

5.1.2.2 Verteilung des Grundwasserflusses

Modellparameter: Die numerische Simulation des Grundwasserflusses durch ein ge­nerisches Kluftnetzwerk wurde mit dem Programm NAPSAC durchgeführt. Das gene­rierte Kluftnetzwerk wird durch statistische Eingabeparameter (Länge, Häufigkeit, Ori­entierung, Transmissivität) definiert (Tab. 5.1.2). Es hat sich gezeigt, dass das derart modellierte System eines Würfels von 500 m Kantenlänge hydraulische Eigenschaften aufweist, die mit denen des Wirtgesteins effektiv vergleichbar sind (LANYON & HOCH, 1993). Es werden drei verschiedene Typen von transmissiven Elementen mo­delliert:

Typ 1 A = kleine kataklastische Zonen Typ 1 B = mittlere kataklastische Zonen Typ 3 = Kalkbankabfolgen

Geologie Strukturgeologie Petrographie und Mineralogie Hydrogeologie Hydrochemie

Ergebnisse der

Sondierboh-rungen

~ /_- ,..-

~

Pilot-Modell

/

----/~d

I T

Transmissivität Gradienten

- 147 - NAGRA NTB 93-28

Konzeptualisierung der

--+ wasserführenden Systeme (TE)

~ Geometrische Simulationen

des Wirtgestein-Blockes

--0(\;-AS/~/

I I

Spurlänge Anzahl

Störungen

Kritische Beurteilung

I ....

I "hydraulisches Leitvermögen" I

-"

Volumenfluss Q

Gesamtfluss Q

Tunnel

Zusammensetzung des

Fliessweges

Figur 5.1.6 Herleitung der Verteilung des Grundwasserflusses und der Zusam­mensetzung des Fliessweges

In der ersten Serie der Modellrechnungen (Tab. 5.1.2, 5.1.3, Fälle 3 bis 5) wurde von einer beliebigen Streichrichtung der Strukturen ausgegangen. In den Rechenfällen 6a und 6b wurde der Einfluss einer starken Anisotropie im Streichen der planaren Ele­mente (Streichrichtung innerhalb 90°) untersucht. Ferner wurde das Einfallen der Kalkbankabfolgen modifiziert und ihre räumliche Häufigkeit leicht erhöht. Die beiden anisotropen Rechenfälle unterscheiden sich in der relativen Lage der Kaverne zur mittleren Streichrichtung der Strukturen. Im Fall 6a liegt sie senkrecht, im Fall 6b parallel dazu.

NAG RA NTB 93-28 - 148 -

Überprüft man die in Tabelle 5.1.2 festgehaltenen Parametersätze auf ihre Belastbar­keit, so ergeben sich die grössten Unsicherheiten bei der Bearbeitung der Kalkbank­abfolgen. Für die Modellierung wurde angenommen, dass diese Elemente eine hy­draulische Ausdehnung quer über das gesamte Modellvolumen aufweisen. Dieser Annahme liegt die konzeptuelle Überlegung zugrunde, wonach die Kalkbankabfolgen im Blockinneren zwar physisch unterbrochen sein können, etwa durch Versetzung längs mittelgrosser Störungen mit mehr als 20 m Sprunghöhe, dass sie hydraulisch aber gleichwohl durch diese kataklastischen Zonen vernetzt bleiben. Dies entspricht einer konservativen Betrachtungsweise, da die Existenz von solchen Störungen in­nerhalb eines Blocks von 500 m Kantenlänge nicht gesichert ist.

Tabelle 5.1.2: Eingabeparameter für NAPSAC-Modellierung der Einheit C

TE Typ 1 (Katakl. Zonen) TE Typ 3 (Kalkbankabfol~en) Modellparameter Rechenfall 3-5 Fall6a 6b Rechenfall 3-5 Fall 6a, 6b Streichen beliebig, Variation anisotrop 315-045° beliebig, Variation in- anisotrop 315-045"

innerhalb 360" (innerhalb 90°) nerhalb 360" (innerhalb 90°) Einfallen 30-90" 30-90° 0-30° 10-40° Länge 2 Klassen nicht variiert quer durch nicht variiert (hydraulisch wirksam) 25 % L= 20m (1A) Modellvolumen

75 % L=200m (1 B) T Verteilung: Mittel -9.14 (±0.7) nicht variiert 3: -9.24 (±0.61) T=1E-10 m2/s logT

4: T=1E-10 konst. konstant (log-normal oder konstant) 5:T=1E-11 konst.

Zuflussfrequenz N (m-1) 0.032 nicht variiert 0.009 leicht erhöht: (beobachtet entlang 0.008 1A Typ 3-5 per 500 m Vertikalbohrunqen) 0.024 1 B Typ Bohrabschnitt Kluftflächendichte, P32, (m-1) P32(30-90)=2.3N nicht variiert P32(0-30)=1.07N P32( 1 0-40)=1.14N für Fallwinkelbereich a,ß 1 A: 0.0185 = 0.01

P32=2N/( cosa+cosß) 1 B: 0.0554

Mit entsprechenden Unsicherheiten sind auch die hydraulischen Eigenschaften der Kalkbankabfolgen behaftet. Mangels direkter Beobachtungen wurde für den Basisfall (Rechenfall 3) eine durchschnittliche effektive Transmissivität geschätzt und an­schliessend jeweils um eine Grössenordnung reduziert (Rechenfälle 4 und 5), um den Bereich der Unsicherheit abzudecken. In einer separaten Studie wurden die geschätz­ten effektiven Eigenschaften der Kalkbankabfolgen auf ihre Plausibilität untersucht (LANYON & HOCH, 1993). Ausgehend von der konzeptuellen Vorstellung über die Geometrie der Kalkboudins und der mergeligen Zwischenlagen wurde die effektive Transmissivität solcher Boudin-Schwärme sowohl analytisch berechnet als auch in numerischen Simulationen bestimmt. Die Resultate zeigten, dass die ursprünglich an­genommene Transmissivität von 10-9 m2/s zu hoch ist. Deshalb wurde für die Re­chenfälle 6a und 6b ein konstanter Wert von 10-10 m2/s verwendet.

Herleitung der Ergebnisse: Die geometrischen Resultate der mehrfachen NAPSAC­Simulationen werden anhand von hypothetischen Bohrlochprofilen, Kavernenprofilen und Modellschnitten dargestellt. Typische Schnitte durch die Kaverne sind für den Basisfall 3 in Figur 5.1.7 illustriert. Die Information aus solchen Profilschnitten wird ei­ner Wahrscheinlichkeitsanalyse unterzogen und zur Berechnung des Grundwasser­flusses durch die Kaverneverwendet. In der Berechnung werden nur die hydraulisch aktiven (d.h. vernetzten) Elemente berücksichtigt. Nebst den Wasserflüssen berech­net das Modell auch die repräsentative hydraulische Durchlässigkeit des simulierten

- 149 - NAG RA NTB 93-28

Tabelle 5.1.3: Wichtige Resultate von Simulationen transmissiver Elemente für die Sicherheitsanalyse

Eigenschaften der TE: Baslsfall3 Fall 4 FallS Fall6a Fall6b log T (Verteilung) Typ 1 -9.14 (±0.7) wie Nr. 3 wie Nr. 3 wie Nr. 3 wie Nr. 3 (m2/s) Typ 3 -9.24 (±0.61) T= 1E-10 T = 1 E-11 T =1 E-10 T=1E-10

Räumliche Verteilung: isotrop isotrop isotrop anisotrop anisotrop

Einfallen: Typ 1/Typ 3 30-90" 10-30 u wie Nr. 3 wie Nr. 3 30-90° I 10-40° wie Nr. 6a

Rel. Orient. des Tunnels - - i. z. Streichen 11 Streichen

RESULTATE: GEOMETRIE Anzahl TE in Kaverne (300 m Mittel: 32 wie Nr. 3 wie Nr. 3 Mittel: 35 Mittel: 24 lan~er Tunnel) Bereich: 20-40 Bereich: 18-50 Bereich: 5-35

Spurlänge der angetroffenen TE Mittel: 51 m wie Nr. 3 wie Nr. 3 Mittel: 46 m Mittel:59 m im Tunnel Bereich: 0-600 Bereich: 1-270 Bereich 0-600

meist: 0-40 m meist: 0-30 m meist: 0-25 RESULTATE: HYDRAULISCHE KENNWERTE Mittl. Gradient, 0.30 wie Nr. 3 wie Nr. 3 wie Nr: 3 wie Nr. 3 Bereich 2.5-97.5 % 0.24/0.42

Leitvermögen der TE, CrE Geom. Mittel CrE (m3/s) 9.7E-09 9.3E-09 8.8E-09 9.4E-09 9.1 E-09 Bereich 2.5-97.5 % 9E-11/5E-07 9E-11/4E-07 9E-11/4E-07 2E-10/4E-07 1 E-1 0/5E-07

Durchfluss im TE, QrE

Geom. Mittel QrE (m3/s) 2.9E-09 2.8E-09 2.6E-09 2.8E-09 2.7E-09

Bereich 2.5-97.5 % 3E-11 11 E-07 3E-11 11 E-07 3E-11 /1 E-07 4E-11 /1 E-07 4E-11 /1 E-07

Kluftnetzwerks, welche durch den Vernetzungsgrad der diskreten Klüfte kontrolliert wird. Das Kluftnetz erweist sich erwartungsgemäss als gut verbunden, wobei nur ein kleiner Anteil der 1 A-Elemente vom Netzwerk isoliert bleibt. Um einen statistisch re­präsentativen Datensatz zu erhalten, wurden für jeden Parametersatz 20 unabhän­gige Modellrechnungen durchgeführt. Die entsprechenden Resultate finden sich in Tabelle 5.1.3.

Geometrie: Im Basisfall 3 (beliebige Verteilung der transmissiven Elemente) wurden in der 300 m langen Lagerkaverne durchschnittlich 32 transmissive Elemente ange­troffen, was einem mittleren Abstand von 9.5 m entspricht. Ca. 80 % der Ausbisslän­gen in der Kaverne liegen unter 100 m; die Obergrenze kann 640 m erreichen, wenn eine Kalkbankabfolge in einer Simulation die Kaverne in Längsrichtung durchquert (Kalkbankabfolge parallel zur Kavernenachse).

Der Einfluss einer anisotropen Orientierung der Strukturen wurde in Serie 6 unter­sucht. Im Rechenfall 6a (Kaverne senkrecht zu Hauptrichtung) erhöht sich die Anzahl der angetroffenen transmissiven Elemente auf 35. Entsprechend messen der mittlere Abstand 9 m und die mittlere Spurlänge 46 m, d.h. etwas weniger als im Fall 3. Um­gekehrt werden im Rechenfall 6b (Kaverne parallel zur Hauptrichtung) nur 24 Elemen­te angetroffen, der Abstand von 13 m und die Spurlänge von 59 m sind im Durch­schnitt grösser als im Basisfall (Tab. 5.1.3).

Gradienten: Die für die Flussberechnung benötigte Gradientenverteilung wurde direkt aus dem Pilotmodell übernommen. Die Gradienten wurden in allen Knotenpunkten in­nerhalb eines repräsentativen Wirtgesteinsblocks um das hypothetische Endlager be

NAGRA NTB 93-28 - 150 -

Anzahl transmissive Elemente = 36

I I

Anzahl transmissive Elemente = 41

Anzahl transmissive Elemente = 32

Anzahl transmissive Elemente = 31

Typ 1A--- Typ1B --

10.7

o

Hydr. Leitvermögen (C) in m3/s

Transmissivität (T) in m2/s

westliches Parament

First

östliches Parament

Sohle

Hydr. Leitvermögen (C) in m3/s

Transmissivität (T) in m 2/S

I westliches Parament

10-7

o

First

östliches Parament

Sohle

Hydr. Leitvermögen (C) in m3/s

Transmissivität (T) in m 2/S

westliches Parament

First

östliches Parament

Sohle

Hydr. Leitvermögen (C) in m3/s

Transmissivität (T) in m 2/S

westliches Parament

I First

östliches Parament

Sohle

Typ 3 nicht vernetzt - - - -....

Figur 5.1 .7: Vier mit Simulationen generierte Netzwerke transmissiver Elemente dargestellt in Kavernen-Abwicklungen (20 m x 20 m x 300 m)

Figur 5.1.8:

- 151 - NAG RA NTB 93-28

6 WLB 3: FLOW IN A SINGLE TE; Qi (m3/s) , , , , I ,

5 - -

4 f- -

3 f- -

2 f- -

1 f- -

rh, rl m I'~ 1~-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5

Mean= 2.87E-09 Std= 8.73E-Ol

100

80 f- , .... .. . ... I· .. -

60 f-. , .. '.-

40 f-. c.·· ..... • .... I'" ..-

20 _ .... ...... .. .... -

PO-12 -rfiii1 rrnf

10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5

x1=2.77E-ll x2= 2. 41 E-09 x3= 1.28E-07

Gesamtdurchfluss QT durch eine 300 m lange Endlagerkaverne (Ba­sisfall 3: kumulierte Verteilung mit Quantilen für 2.5 °10, 50 °10 und 97.5 °10 Häufigkeit)

rechnet und als Verteilung dargestellt (VOMVORIS et al., 1993). Der Mittelwert des absoluten lokalen hydraulischen Gradienten beträgt 0.3, der Bereich der 95 °lo-Wahr­scheinlichkeit reicht von 0.24 bis 0.42.

Wasserleitvermögen CTE:: Das hydraulische Leitvermögen der in der Kaverne an-

NAG RA NTB 93-28 - 152 -

getroffenen wasserführenden Systeme (transmissive Elemente) wird nur unwesentlich durch die durchgeführten Parameter-Variationen beeinflusst. Dies, obwohl die Transmissivität der Kalkbankabfolgen um einen Faktor 100 variiert wurde (Tab. 5.1.3). Dieses Verhalten illustriert die geringe hydraulische Bedeutung der Kalkbankabfolgen für den advektiven Wasserfluss.

Flussverteilung: Der Volumenstrom QTE (Fig. 5.1.8) durch ein individuelles wasser­führendes System (TE) berechnet sich aus dem Produkt des Leitvermögens und des Gradienten. Beide Parametersätze werden als unabhängig vorausgesetzt und nur hy­draulisch aktive Elemente werden, wie oben erwähnt, berücksichtigt. Die resultierende Flussverteilung QTE zeigt den gleichen Trend wie die Verteilung des Leitvermögens CTE, da die letztere lediglich durch den hydraulischen Gradienten skaliert wird.

Der Gesamtdurchfluss QT durch die 300 m lange Kaverne kann unter Berücksichti­gung der oben erwähnten vereinfachenden Annahmen ebenfalls berechnet werden (Fig. 5.1.8). Der mit NAPSAC berechnete Kavernendurchfluss ist im Durchschnitt 2 - 3 m3/a und liegt innerhalb dem für den Basisfall (Tab. 5.1.1) angegebenen Bereich (0.1 - 2.5 m3/a). Die resultierende Verteilung zeigt, wie oben, den gleichen Trend wie die Verteilung der transmissiven Elemente.

Es gilt zu berücksichtigen, dass die dargestellten Flussberechnungen mit beträchtli­chen Unsicherheiten behaftet sind und deshalb als konservative Schätzwerte ver­standen werden müssen. Die wichtigsten konservativen Annahmen die zu höheren Wasserflussmengen führen, sind:

- Jedem einzelnen wasserführenden System wird ein lokaler hydraulischer Gradient zugewiesen, der vom aktuellen Leitvermögen des wasserführenden Systems (TE) unabhängig ist. In Wirklichkeit ist jedoch der effektive Gradient in einer wasserfüh­renden Kluft umgekehrt proportional zu ihrem Leitvermögen.

- Die hydraulischen Eigenschaften (Transmissivität und Leitvermögen) eines wasser­führendes Systems sind konstant und simulieren somit zwei parallele Platten. Die in der Natur vorhandene beträchtliche Heterogenität entlang des Fliesspfades, wie z.B. Engpässe ("Flaschenhälsell

), die den Durchfluss kontrollieren, wird in der Si­mulationsrechnung vernachlässigt.

5.1.3 Zusammensetzung der Wasserfliesswege

Im Kapitel 4.3 sind Typen wasserführender Systeme beschrieben und zur Verwen­dung für Modellrechnungen des Radionuklid-Transports vereinfacht und konzeptuali­siert worden. Diese Systeme beziehen sich auf kleinräumige Beobachtungen, welche anhand der Bohrkerne gemacht worden sind. Ebenfalls wurden im Kapitel 4.3 Kon­zepte zum grossräumigeren Zusammenhang der wasserführenden Systeme entwik­kelt. Die wichtigsten geologischen Parameter, welche für die Transportmodellierung benötigt werden, sind in Tabelle 5.1.4 zusammengefasst.

- 153 - NAG RA NTB 93-28

Tabelle 5.1.4: Parameter für die Transportmodellierung

Wasserfü hrendes Zu berechnender Geometrischer Parameter Wert(e) System Prozess Bereich

1. Advektiv/d ispers iver 1. Fault Gouge Dicke 0.5 - 2 cm

Kata- Transport: Daten zur Laterale 20 - 200 m

klastische Berechnung der Erstreckung

Zonen Fliessporosität Vorkommen 3 Fault Gouge-Horizont in jeder kataklastischen Zone Offene Porosität 5 - 20 vol%

2. Offene Strukturen Öffnungsweite 0.05 - 0.2 cm im stark kataklasti- Breite 1 -10cm sehen Nebengestein (1. Fault Gouge)

Länge 20 - 200 m

(11 Fault Gouge) Abstand 1 -5cm

Offene Porosität 100 vol%

Matrixdiffusion Nebengestein Offene Porosität Ton/Tonmergel: 2 - 3 vol% KalkiKalkmerqel: 0.5 - 1 vol%

Sorption Scherzone und Mineralogie Ton/ Kalk/Kalk- Fault Kluft-Nebengestein (Gew%) Tonmergel mergel Gouge füllung

Calcit 27 75 15 95 Dol/Ank 9 2 5 0 Quarz 18 10 15 5 Feldspäte <1 <1 <1 0 Illit 17 5 27 0 IIII/Sm-WL 15 4 19 0 Chlorit 11 3 14 0 Kaolinit <1 <1 3 0 Pyrit 1.6 0.9 1.6 <1 Org. C. 0.8 0.5 0.8 0

2. Advektiv/d is persiver Offener Bruch Dicke 0.001 - 0.1 cm

Dünne diskrete Transport: Daten zur Laterale 5-50 m

Scher- Berechnung der Erstreckung

zonen Fliessporosität Offene Porosität 100 vol%

Matrixdiffusion Nebengestein Offene Porosität 2-3vol%

Sorption Nebengestein Mineraiogie Ton/ Tonlage Scherzone

(Gew%) Tonmergel mit Calcit

Calcit 27 15 95 Dol/Ank 9 5 0 Quarz 18 15 5 Feldspäte <1 <1 0 IIlit 17 27 0 III/Sm-WL 15 19 0 Chlorit 11 14 0 Kaolinit <1 3 0 Pyrit 1.6 1.6 <1 Org. C 0.8 0.8 0

3. Advektiv/d ispers iver Drusen Querschn ittfläche 0.2-1 cm x 1-10 cm

Geklüftete Transport Daten zur Länge 50 - 500 cm

Kalkbänke Berechnung der Offene Porosität 100 vol%

Fliessporosität Abstand von 2-20 cm Drusen innerhalb derselben Ader Abstand drusiger 10 - 100 cm Adern Breite x Länge 10 - 30 cm x 50 - 500 cm drusiger Adern

Matrixdiffusion Ader Offene Porosität 0.5 -1 vol%

Durchaderte Offene Porosität 0.5 -1 vol%

Kalkbank

Nebengestein Offene Porosität Ton/Tonmergel 2 - 3 vol% KalkiKalkmergel: 0.5 - 1 vol%

Sorption Ader, durchaderte Mineralogie Ton/ Kalk.! Durchaderte Ader

Kalkbank und (Gew%) Tonmergel Kalkmergel Kalkbank

Nebengestein Calcit 27 75 75 95 Dol/Ank 9 2 2 0 Quarz 18 10 10 5 Feldspäte <1 <1 <1 0 Illit 17 5 5 0 III/Sm-WL 15 4 4 0 Chlorit 11 3 3 0 Kaolinit <1 <1 <1 0 Pyrit 1.6 0.9 0.9 <1 Org. C 0.8 0.5 0.5 0

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Die Zusammensetzung eines Wasserfliessweges ist eine Funktion der Vielfalt, relati­ven Häufigkeit und räumlichen Verteilung der einzelnen wasserführenden Systeme. Die relevanten wasserführenden Systeme des konzeptuellen hydraulischen Modells für die nähere Umgebung des Endlagers sind (Kapitel 4.3):

- Kataklastische Zonen (Typ 1 A und 1 B) - Kalkbankabfolgen (Typ 3) - Mischung der bei den obenstehenden wasserführenden Systeme

Massgebend für die Grundwasserführung sind die kataklastischen Zonen. Die Kalkbankabfolgen liefern nur dann für den Transport einen Beitrag, wenn die geklüfte­ten Kalkbänke durch kataklastische Zonen verbunden werden.

Angesichts der grossen horizontalen Ausdehnung von mehreren hundert Metern stellen die Kalkbankabfolgen einen potentiellen Fliessweg im Wirtgestein dar.

Das konzeptuelle Modell der Kalkbankabfolgen ist in Figur 5.1.9 schematisch dargestellt. Die Gesamtmächtigkeit beträgt im Durchschnitt 30 m. Die laterale Aus­dehnung wird mit 500 m angenommen. Die Zusammensetzung des Fliesspfades, als Kalk/Mergel-Verhältnis ausgedrückt, variiert je nach Fliessrichtung (Fig. 5.1.9). Zum Vergleich: das Volumenverhältnis zwischen Kalk und Mergel beträgt 17 % zu 83 %.

Eine konservative Schätzung der Fliessweganteile von Kalk und Mergel kann mit 83 % zu 17 % angegeben werden, entsprechend einem diagonalen Fliessweg in der vertikalen Ebene.

bm

Figur 5.1.9:

Störung Kalkboudin

Fliesspfad 3 Fliesspfad 2

Darstellung verschiedener Fliesspfade in einer durch eine Störung erschlossenen Kalkbankabfolge (KBA)

- 155 - NAGRA NTB 93-28

5.1.4 Geochemie

5.1.4.1 Referenzwässer

Für die sicherheitstechnische Beurteilung von potentiellen Endlagern ist die Kenntnis der chemischen Beschaffenheit der Grundwässer wichtig. So beeinflusst der Che­mismus des Grundwassers u.a. die löslichkeiten von freigesetzten Radionukliden und deren Sorption an den Gesteinen. Die im folgenden vorgestellten Referenzwässer des Standortgebietes liefern Basisdaten für die ModelIierung des Transports von Radio­nukliden durch die Geosphäre.

Aus den chemischen Rohdaten der in der Sondierbohrung gewonnenen Wasserpro­ben werden zwei verschiedene Grundwässer als "Referenzwässer" beschrieben, der oberflächennahe Na-HC03-TyP und der hochmineralisierte Na-Cl-Typ. Mit diesen bei­den Grundwässern muss auf Endlagerebene gerechnet werden.

Diese Referenzwässer sollen einen geochemisch konsistenten Wasserchemismus zu beschreiben, der die mineralogischen Eigenschaften der Valanginien-Mergel'berück­sichtigt. Eine detaillierte Beschreibung und Dokumentation über die Herleitung der Referenzwässer findet sich in SCHOl TIS (1992).

5.1.4.2 Na-HC03-Referenzwasser

Als Grundlage für die Bestimmung dieses Referenzwassers wurden die chemischen Rohdaten der oberflächennahen Na-HC03-Wässer herangezogen, die aus den Son­dierbohrungen SB1, SB3 und SB6 gewonnen werden konnten (Tab. 4.4.3).

Die Zusammensetzung des Na-HC03-Referenzwassers, welches mit dem geoche­mischen Computerprogramm PHREEQE (PARKHURST et al. , 1980) berechnet wurde, zeigt Tabelle 5.1.5. Als thermodynamische Datenbasis wurden die Daten von PEARSON & BERNER (1991) und PEARSON et al. (1992) verwendet.

In Grundwässern aus Tiefbohrungen ist eine korrekte Bestimmung des Carbonatsy­stems im Wasser schwierig, da das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht sehr empfindlich auf Druck- und Temperaturänderungen reagiert, wie sie während einer Probenahme nicht zu vermeiden sind. Um dennoch zu realistischen Aussagen über das Carbo­natsystem des ungestörten Grundwassers zu kommen, wurde rechnerisch der Koh­lendioxidgehalt so korrigiert, dass das Grundwasser in bezug auf Calcit gesättigt ist (PEARSON et al. , 1989).

Durch die rechnerische Zugabe von Na wurde die ladungsbilanz des Wassers aus­geglichen. Die modellierte Na-Konzentration von 404 mg/I stimmt sehr gut mit dem Mittelwert dieser Wässer von 414 mg/I überein. Als Redox-Potential (Eh-Wert) wurde der tiefste gemessene Analysenwert verwendet, da atmosphärische Kontaminationen und geringe Bohrspülungsanteile in den Wässern tendenziell den Eh-Wert erhöhen. Spätere Messungen bei langzeitauslaufversuchen eines solchen Grundwassers

NAGRA NTB 93-28 - 156 -

Tabelle 5.1.5: Zusammensetzung des oberflächennahen Na-HC03-Referenzwas­sers

REFERENZWASSER WELLENBERG

Oberflächennaher Na-HC03-TyP

(die vom geochemischen Programm PHREEQE berücksichtigten Parameter sind unterstrichen)

pH -log (H+) 8.3 Temperatur: 25° C Eh mV -125 (pe -2.12) Ion enstärke: 0.0181 Fe tot. mg/I molll log pC02: -2.31 DOC mg/I <3 molll tot. Alkalität: 1 .64E-02 molll Li+ mg/I hl molll 1.44E-05 C02 (aq): 1.71 E-04 molll Na+ mg/I 404 molll 1.76E-02 K+ mg/I 2 molll 5.11 E-05 Rb+ mg/I < 0.5 molll < 5.85E-06 Cs+ mg/I < 0.5 molll < 3.76E-06 Minerale: Sättigungsindex: NH

4+ mg/I 0.7 molll 3.88E-05 Calcit 0

Mg2+ mg/I 0.8 molll 3.29E-05 Dolomit -0.102 Ca2+ mg/I 2.3 molll 5.74E-05 Strontianit -0.192 Sr2+ mg/I < 0.5 molll 5.71 E-06 Cölestin -3.161 Ba2+ mg/I 0.05 molll 3.64E-07 Gips -4.171 Mn2+ mg/I 0.02 molll 3.64E-07 Chalcedon -0.219 Fe2+ mg/I 0.03 molll 5.37E-07 Quarz 0.210 Ni2+ mg/I < 0.01 molll < 1.70E-07 Baryt -0.939 Cu2+ mg/I < 0.005 molll < 7.87E-08 Rhodochrosit -0.324 Zn2+ mg/I < 0.005 molll < 7.65E-08 Siderit -0.089 Cd mg/I < 0.0002 molll < 1.78E-09 Uraninit -1.36 Pb2+ mg/I < 0.005 molll < 2.41 E-08 F- mg/I .lli molll 9.47E-04 CI- mg/I 10 molll 2.82E-04 Br- mg/I 0.2 molll 2.50E-06 1- mg/I 1.4 molll 1.10E-05 sol- mg/I 11 molll 1.15E-04 Se mg/I < 0.001 molll < 1.27E-08 N02- mg/I 0.04 molll 8.69E-07 N03- mg/I <hl molll < 1.61 E-06 P mg/I 0.2 molll 6.46E-06 As mg/I 0.001 molll 1.33E-08 HC03- mg/I 969 molll 1.59E-02 C032- mg/I 1-5. molll 2.50E-04 AI mg/I < 0.01 molll < 3.71 E-07 H2Si03(filt. ) mg/I 13.6 molll 1.74E-04 H3B03 mg/I Q molll 8.09E-05 U ug/I 0.45 molll 1.89E-09 Rn-222 Bqll 1

- 157 - NAG RA NTB 93-28

zeigten tatsächlich sehr tiefe Eh-Werte, die sogar um 250 mV lagen.

Als Eingabeparameter für die Hauptkationen und -anionen wurden die Mittelwerte aus den Wasserproben verwendet (Ausnahme HC03-: bestimmt durch Modellannahme der Calcitsättigung). Für die Bestimmung der Neben- und Spurenelemente wurden Kriterien für mögliche Kontaminationen und Gleichgewichte gegenüber bestimmten Mineralen berücksichtigt.

Das modellierte Referenzwasser ist aufgrund der Modellannahme gegenüber Calcit gesättigt, nur leicht untersättigt gegenüber Dolomit, Strontianit, Siderit und Chalcedon, stärker untersättigt gegenüber Cölestin, Gips und Baryt und leicht übersättigt gegen­über Quarz.

5.1.4.3 N a-C 1-Refe re nzwasser

Aus den Sondierbohrungen SB1 und SB3 konnten in den Valanginien-Mergeln mit geringen hydraulischen Durchlässigkeiten Wasserproben gewonnen werden, die hochmineralisiert sind und einem Na-Cl-Typ entsprechen.

Alle Wasserproben enthalten einen signifikant hohen Anteil an Bohrspülung. Eine eindeutige Bestimmung des Bohrspülungsanteils in den Wasserproben ist aufgrund von schwankenden Tracergehalten in der Spülung nicht möglich. Der Tritium-Gehalt der Bohrspülung eignet sich ebenfalls nicht für eine Abschätzung der Kontamination, da z.T. widersprüchliche Analysenresultate vorliegen. Um dennoch zu einer Bestim­mung der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers ohne Bohrspülung zu kommen, wurde versucht, möglichst realistische Tracergehalte abzuschätzen.

Aus den oben erwähnten Gründen ist das im folgenden definierte Na-CI­Referenzwasser mit grossen Unsicherheiten behaftet. Eine detaillierte Beschreibung der Entnahmebedingungen und Modellannahmen findet sich in BLASER (1993b) und SCHOLTIS (1992).

Eine mögliche, geochemisch in sich konsistente Beschaffenheit des Na-CI- Refe­renzwassers, welches mit dem Programm PHREEQE (PARKHURST et al. , 1980) be­rechnet wurde, zeigt Tabelle 5.1.6. Die Summe der 'gesamthaft gelösten Feststoffe beträgt ca. 28'000 mg/I. Das Vorhandensein höher saliner Wässer in den Valanginien­Mergeln ist aber nicht auszuschliessen.

Ebenso wie bei der Definition des Na-HC03 Referenzwassers wird von einem Gleich­gewicht gegenüber Calcit ausgegangen. Der für das Na-HC03- Referenzwasser mo­dellierte Partialdruck log C02 von -2.3 wurde übernommen. Dies führte zu einem er­rechneten pH-Wert von 7.5. Mangels vorhandener Messungen wurde das Redoxpo­tential auf -125 mV, wie das des Na-HC03- Referenzwassers festgelegt. Die La­dungsbilanz des Wassers wurde durch die rechnerische Zugabe von Na ausgegli­chen.

Als Eingabeparameter für die übrigen Haupt-, Neben- und Spurenelemente wurden bestimmte Annahmen aufgrund von Ionen-Verhältnissen sowie mögliche Kontamina-

NAG RA NTB 93-28 - 158 -

tion und Gleichgewichte gegenüber bestimmten Mineralen berücksichtigt. Das Referenzwasser ist aufgrund der Modellannahme gegenüber Calcit gesättigt und in etwa im Gleichgewicht mit den Mineralen Dolomit, Strontianit, Chalcedon und Rho­dochrosit, dagegen stark untersättigt gegenüber Cölestin, Gips und Siderit und leicht übersättigt an Quarz.

Tabelle 5.1.6 Zusammensetzung des oberflächennahen Na-CI-Referenzwassers

REFERENZWASSER WELLENBERG

Na-Cl-Typ

(die vom geochemischen Programm PHREEQE berücksichtigten Parameter sind unterstrichen)

pH -log (H+) 7.5 Temperatur: 25° C Eh mV -125 (pe -2.12) Ionenstärke: 0.49 Fe total mg/I 0.05 molll 9.20E-07 log pC02: -2.3 DOC mg/I tot. Alkalität: 4.01 E-03 molll Li+ mg/I 2.5 molll 3.55E-04 C02 (aq): 1.57E-04 molll Na+ mg/I 10607 molll 4.61 E-01 K+ mg/I 28 molll 7.10E-04 Rb+ mg/I < 0.3 molll < 3.51 E-06 Cs+ mg/I < 0.2 molll < 1.50E-06 Minerale: Sättigungsindex: NH4+ mg/I 1Q molll 5.53E-04 Calcit 0 Mg2+ mg/I 82 molll 3.38E-03 Dolomit 0.042 Ca2+ mg/I 180 molll 4.50E-03 Strontianit 0.023 Sr2+ mg/I 62 molll 7.04E-04 Cölestin -3.044 Mn2+ mg/I 0.6 molll 1.12E-05 Gips -4.282 F- mg/I 7.5 molll 9.20E-07 Chalcedon -0.076 CI- mg/I 16775 molll 4.73E-01 Quarz 0.353 Br- mg/I 214 molll 2.68E-03 Rhodochrosit -0.062 1- mg/I 66 molll 5.20E-04 Siderit -1.352 SO/- mg/I 1 molll 1.07E-05 N03- mg/I <QJ. molll < 1.66E-06 P mg/I 0.4 molll 1.34E-05 As mg/I < 0.003 molll < 1.11 E-07 HC03- mg/I 236 molll 3.87E-03 C032- mg/I 3.2 molll 5.38E-05 H2Si03 mg/I .1Q molll 2.06E-04 H3B03 mg/I 6.5 molll 1.05E-04

5.1.5 Mineralogie der wasserführenden Systeme

Die mineralogischen Zusammensetzungen, welche in den Figuren 4.3.3 - 4.3.5 spezi­fiziert sind und für die Abschätzung der Sorptionskoeffizienten in der Sicherheitsana-

- 159 - NAG RA NTB 93-28

Iyse benutzt werden, beruhen auf den Daten der Bohrung SB4 (MAZUREK & BLÄSI, 1992). Seither ist der Datensatz durch die weiteren Bohrungen gefestigt worden, ohne dass sich gegenüber den Daten von SB4 etwas grundsätzlich Neues ergeben hätte. Nach kleineren Anpassungen wird der hier beschriebene Datensatz auch weiterhin Anwendung finden.

Die mineralogische Zusammensetzung der Palfris-Formation und der Vitznau-Mergel variiert wegen primärer Inhomogenität innerhalb weiter Grenzen (Kalk-Mergel-Ton­Wechsellagerungen). Die primäre Bankung führt zu verschiedenen Verhältnissen un­ter den Mineralien, während die Mineralogie qualitativ in allen Lithologien identisch ist. Sie beinhaltet detritische Tonmineralien, welche in verschiedenem Ausmass durch Carbonate (v.a. Calcit) und sandige Anteile (Quarz) "verdünnf' werden.

Wegen der Abwesenheit bedeutender hydrothermaler Umwandlungen nach der alpi­nen Metamorphose sind auch in spröd deformierten und für Grundwasser zugängli­chen Zonen im wesentlichen keine Mineralreaktionen und Neubildungen festzustellen, so dass diese Zonen die Mineralogie des jeweiligen Nebengesteines widerspiegeln.

Gesamtgesteine: Der Carbonatanteil beinhaltet hauptsächlich Calcit mit geringen Beimengungen von Ankerit, seltener Dolomit. Sandige Komponenten sind von Quarz dominiert, Albit kommt nur sehr untergeordnet vor, Kalifeldspat fehlt. Die Tonminera­lien bestehen aus IIlit, IlIitiSmektit-Wechsellagerungen (ca. 80 % IlIit-Schichten), Chlorit und eher selten Kaolinit. Die relativen Verhältnisse der Tonmineralien sind recht konstant und variieren viel schwächer als die absoluten Gehalte. Als Akzesso­rien sind Pyrit und organischer Kohlenstoff zu nennen.

Klüfte und Adern: Calcit ist das bei weitem dominante Kluftmineral in geschlossenen wie auch offenen Strukturen. Als weiteres Carbonat ist zuweilen Ankerit in Adern zu finden. Quarz ist in geringen Mengen in vielen Adern zu finden, während Tonminera­lien und Pyrit nur als Spuren vorkommen. Im Gegensatz zum Oberbauenstock wurden bis anhin keine Sulfate (Gips, Anhydrit, Coelestin) gefunden.

5.1.6 Zusammenfassung des Geodatensatzes für die Sicherheitsanalyse

Nachstehend werden die für die Sicherheitsanalyse relevanten Parameter zusam­mengestellt und die in den früheren Kapiteln hergeleiteten Werte in der Bandbreite angegeben, die dem Spektrum der als möglich und plausibel erachteten Hypothesen entspricht (Tab. 5.1.7). Dazu werden die Hinweise auf die entsprechenden Textteile, Tabellen und Figuren gegeben. Auf der Basis des erwähnten Spektrums wurde, einem Wunsch der Bearbeiter des Sicherheitsberichtes entsprechend (NAGRA, 1993b), für praktisch jeden Parameter ein Wert für die Sicherheitsanalyse ausgewählt und empfohlen, der als realistisch be­zeichnet werden kann, wenngleich er in vielen Fällen als immer noch konservativ ein­zustufen ist.

Dessen ungeachtet umschreibt das gesamte Spektrum der Parameter-Werte nach wie vor den Bereich, der aufgrund der heutigen Kenntnisse als möglich bezeichnet werden muss.

NAG RA NTß 93-28 - 160 -

Tabelle 5.1.7: Zusammenfassung des geologischen Datensatzes für die Sicher­heitsanalyse

BESTANDTEIL REFERENZ SPEKTRUM EMPFOHLENER WERT

Hydrogeologie

1. Mittlere hydraulische Durchlässigkeit, K Tab 5.1.1 E-12 - E-1 0 m/s E-11 m/s auf Endlagerebene

2. Hydraulische Gradienten im Endlager- Tab 5.1.1 0.1 - 0.4 mim 00.4 mim I bereich

3. Fliesslängen (Designkriterium) Kap. 4.5.6.2 und --- 100 m Kap. 5.1.1.2

4. Exfiltrationsgebiete Tab. 5.1.1 Engelbergertal Engelbergertal Fig.5.1.3 Rutschmasse

Secklis Bach-Tal

5. Transmissivität der wasserführenden Tab. 5.1.3 E-10 - E-8 m2/s E-9 m2/s Systeme (TE)

6. Gesamtfluss in einem wasserführenden Tab 5 .. 1.3 3 E-11 - E-7 m3/s 3 E-9 m3/s System (TE)

Wasserführende Systeme

I 1. Kataklastische Zonen (KZ) Fig.4.3.3

· Anzahl Scherzonen pro KZ mehrere 3 · Mächtigkeit KZ 0.5 -2 m 1m · Mächtigkeit Fault Gouge 0.5 - 2 cm 1 cm · Mächtigkeit stark katakl. Nebengestein

(linker &rechter Rand) 2 - 20 cm 10cm · Mächtigkeit Scherzone 2.5 - 22 cm 11 cm

(Fault Gouge & katakl. Nebengestein) I 2. Kalkbankabfolge (KBA) Fig.4.3.5 verkürzt Migrationsdistanz in KZ von 100 auf

Fig.4.3.6 20 m (Radionuklidretention in Kalkbänken nicht Fig.5.1.9 berücksichtigt)

3. Ilnstantan" zugängliche Porosität Fig.4.3.3 · Fault Gouge 5 - 20 % 10% · Stark kataklastisches Nebengestein --- 5%

* berechnet aus Abstand der offenen Klüfte und Öffnungsweite der offenen Kluft 0.05 - 0.2 cm 0.1 cm

· Scherzone --- 6% · Kataklastische Zone --- 2%

** berechnet aus Porosität (Fault Gouge und stark katakl. Nebengestein) und Geometrie der katakl. Zone (siehe oben)

Geochemie

1. Hydrochemie Kap. 4.4 und Analysen Referenzwasser Kap. 5.1.4 Tab. 4.4.3 u. 4.4.4 Tab. 5.1.5 u. 5.1 .6

2. Mineraloaie Fiq.4.4.3 --- Tab. in Fiq. 4.4.3

- 161 - NAG RA NTB 93-28

5.2 Geodatensatz für Bau

5.2.1 Wirtgesteinsgrenzen und auslegungsbestimmende Störungen, Pro­jektvarianten

Die potentielle Endlagerzone liegt in den tektonisch angehäuften Valanginien-Mergeln der Drusberg-Decke (Kap. 4.2) auf der Kote 540 m ü.M. Eine generelle Übersicht über die Situation der Valanginien-Mergel gibt die in der Beilage 4.2.1 enthaltene Profilserie im Massstab 1 :25'000. Die N-Grenze des Wirtgesteinskörpers kann am S-Hang des Wellenberges anhand von Oberflächenaufschlüssen gut festgelegt werden (Beil. 4.1.1), weshalb ihre Dar­stellung in der obengenannten Profilserie oberhalb der Kote 900 m Ü. M. als relativ si­cher zu betrachten ist. Unterhalb 900 m ü.M. ergeben sich durch fehlende Oberflächenaufschlüsse und die daraus resultierenden zunehmenden Extrapolationsdistanzen vermehrt Unsicherhei­ten. Obwohl mit der Sondierbohrung SB2 zahlreiche wichtige Informationen über die Geometrie der wichtigsten Strukturelemente des Nebengesteins im Bereich des En­gelbergertals erfasst werden konnten, bleiben zwischen den Koten 900 m ü.M. und der Kote des potentiellen Endlagers (540 m ü.M.) Unsicherheiten in der genauen Darstellung der Wirtgesteinsgrenze. Von massgebender Bedeutung sind dabei die Streich- und Fallwerte der Muldenachse des Nebengesteines (Mulde 11/111, FICHTER, 1934) im Bereich des Wellenberges, weshalb die lIoptimistischen ll , II realistischenll und IIpessimistischenll Projektvarianten erarbeitet wurden (Kap. 4.2.7, Beil. 4.2.2 und 4.2.3). Im Fall der II realistischenll Projektvariante kann davon ausgegangen werden, dass die Grenzfläche zwischen Wirt- und Nebengestein auf dem Niveau des potentiel­len Endlagers generell steil, d.h. mit 50 - 60° gegen NNW einfällt. Die auf der Endlagerkote dargestellte S-Grenze des Wirtgesteins (Beil. 4.2.3) musste ebenfalls mittels Extrapolation ab der Geländeoberfläche und unter Berücksichtigung der Resultate der Sondierbohrung SB4 ermittelt werden. Eine Darstellung der in bezug auf die potentielle Endlagerzone wichtigen Situation mit dem Verteilungsmuster der bedeutendsten Familien steilstehender, NNW-SSE und NNE-SSW streichender Störungen ist in der Beilage 4.2.3 enthalten. Dabei wurden wiederum drei verschiedene Projektvarianten (lIoptimistischlI, II realistisch ll und IIpessimistischll) in bezug auf die zwischen den Störungsfamilien 1 und 2 möglichen und für das potentielle Endlager auslegungsbestimmenden bzw. hydraulisch wirksa­men Störungen berücksichtigt.

5.2.2 Geotechnische Eigenschaften des Gebirges

Geotechnische Verhältnisse: Die im Rahmen des Endlagerprojektes vorgesehenen Untertagearbeiten erfordern neben umfangreichen Kenntnissen der grossräumigen geologischen Situation auch detaillierte geotechnische Informationen über alle zu durchörternden Gesteinsformationen. Unter der Voraussetzung, dass der potentielle Lagerraum durch einen aus dem Raum Allmend in südöstlicher Richtung führenden Stollen erschlossen wird, werden dabei Nebengesteine in Form des Helvetischen Kie­selkalkes, der schiefrigen Basis des Helvetischen Kieselkalkes, der Grauen Mergel-

NAGRA NTB 93-28 - 162 -

schiefer, des Diphyoides-Kalkes und letztlich das Wirtgestein in Form der Valanginien­Mergel durchörtert (Beil. 4.2.1 und 4.2.2). In bezug auf die geotechnischen Eigenschaften des Wirtgesteins sind differenziertere Aussagen notwendig. Wie bereits im Kapitel 2.3 erläutert, umfasst die veraltete chro­nostratigraphische Bezeichnung Valanginien-Mergel lithostratigraphisch die Palfris­Formation und die Vitznau-Mergel. Geotechnisch weisen diese beiden Formationen geringfügige, jedoch nicht zu vernachlässigende Unterschiede auf, weshalb ihre for­mationsspezifischen Eigenschaften gesondert aufgelistet sind (Tab. 5.2.1 und 5.2.2). Während die Vitznau-Mergel durchgehend eine hohe und gegen das Hangende zu­nehmende Anzahl von Kalkbänken aufweisen, treten ähnliche Kalkbankabfolgen (Mächtigkeit der Abfolgen um 20 - 40 m) in der Palfris-Formation nur abschnittweise auf (GÜBELI, 1993). Die Lithologie und die Strukturen der für das Endlagerprojekt geotechnisch relevanten Formationen wurden bereits in den Kapiteln 4.1 und 4.2 eingehend beschrieben. Die geotechnischen Eigenschaften bzw. Kennwerte der Palfris-Formation, der Vitz­nau-Mergel, des Diphyoides-Kalkes, der Grauen Mergelschiefer und des Helvetischen Kieselkalkes sind in den Tabellen 5.2.1 bis 5.2.5 aufgelistet. Die darin enthaltenen felsmechanischen Werte stammen aus Untersuchungen der ETH LAUSANNE (1992a, b) am Kerngut der Sondierbohrungen SB1, SB2, SB3 und SB4. Die ergänzenden geologisch-mineralogischen Informationen bzw. Richtwerte wurden durch die Universität Bern (BLÄSI & MAZUREK, 1992; BLÄSI & WABER, 1992; BLÄSI et al. , 1992 und BLÄSI & WABER, 1993) am Kerngut der obengenannten Sondierbohrun­gen erarbeitet. Die geotechnischen Kennwerte des Diphyoides-Kalkes (Tab. 5.2.3) und der Grauen Mergelschiefer (Tab. 5.2.4) stützen sich auf Oberflächenbeobachtungen und auf Er­fahrungswerte aus der Bauzeit des Seelisbergtunnels sowie vergleichbaren Unterta­gebauten. Im Rahmen der Sondierbohrung SB6 wurden durch die ETH Zürich (SCHLÜCHTER, 1992) Laboruntersuchungen an Moränenmaterial und an Hangschutt-Proben durch­geführt. Die wichtigsten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 5.2.6 zusammenge­fasst:

Wasserführung: Die Wasserführung des Wirtgesteins und der baugeologisch rele­vanten Nebengesteine wird im vorliegenden Bericht bereits in den Kapiteln 2.5.1 und 2.5.2 umfassend behandelt. Die folgende Tabelle 5.2.7 fasst daher lediglich die gene­rellen Durchlässigkeiten dieser Formationen nochmals kurz zusammen:

Die in der obenstehenden Tabelle beschriebenen generellen Wasserdurchlässigkei­ten sind rein geotechnischer Natur und entsprechen den Begriffen der SIA-Norm Nr. 199. Sie dürfen daher nicht den spezifisch hydrogeologischen Durchlässigkeitsstufen gleichgesetzt werden. Sowohl die Vitznau-Mergel als auch die Palfris-Formation wei­sen im oberflächen nahen Bereich eine Auflockerungszone auf, deren Mächtigkeit je­doch gleich oder unter derjenigen der hydrogeologischen Einheit B liegt (SCH NEI DER, 1992).

Gasführung: Das Wirtgestein bzw. die Gesteine der Palfris-Formation und der Vitz­nau-Mergel gelten als gasführende Gesteine, wobei das Gas möglicherweise aus Formationen unterhalb der Valanginien-Mergel stammt. Untersuchungen im Rahmen der Sondierbohrungen am Oberbauenstock zeigten im Nebengestein bzw. in der Mergelmatrix des Wirtgesteins nur geringe Gasmengen. Der überwiegende Teil der

- 163 - NAGRA NTB 93-28

Tabelle 5.2.1 : Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Palfris-Formation (FeIs­beschreibung nach SIA 199)

FELSFORMATION Palfris-Formation

TIEFE SB1 + SB3 + SB4

Eigenschaft Quantifizierung

A Ungünstige Komponenten tonige 2

c B Druckfestigkeit ( N / mm2 ) 2,5 - 120,8/32,96 1 - 4

'ä) C Gehalt an krist. Quarz (%) unbedeutend - klein / 2 - 25 1 - 2 t5 Q) 0 (9

E Verhalten bei Wasserzutritt Kohäsionsverlust, Quellen 2

F Schichtung, Bankung ( m ) dünnlagig - bankig 2-4 ..s::::: 0

CI) CI)

Q) :.c G Tonige und glimmerhaltige E> c.. vereinzelt - häufig 2-4

co :0 L..

Zwischen schichten ( pro m / % ) 3 0> 0,29 - 0,9 / 69 - 97 Q)

~ (9 H SChichtreibung ( 0 ) klein / 20 - 30 3 CI) ü5 Q) I Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein / 0,02 - 0,2 3 "0

~ K Schieferung, Zerlegungsgrad ( m ) . sehr hoch / <0,001 4 :::J .~ ..s:::::

C 0 .~ L Art der Bruchfläche unregelmässig, meist Füllung 3 0 c .::s:. 0 Öffnung der Klüfte ( mm ) CI)

~ M sehr klein - breit / <30 1 - 4 i5 2 N Reibung der Trennflächen ( 0 ) klein / 20 - 30 3

0 Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein /0,02 - 0,2 3

P Grundformen der Kluftkörper dünn lagig - kubisch 1 - 4

.!... Q Durchlässigkeit ( 1/ m min ) klein - sehr klein 1 - 2 Q) U) , c

R Art der Zirkulation generell entlang Störungen; äusserst gering 3 U) :::J 0 ctI ~.-~ .- ca N_

Dichte ( g / cm2 ) 2,64 - 2,75 / 2,68

E-Modul ( MN / m2 ) / Medianwert 1'600 - 58'950 / 14'024

Q) Querdehnungszahl 0,06 - 0,42 /0,21

t Gesteinsfestigkeit ; C ( N / mm2 ) 0,00 - 4,50 / 2,09 Q)

~ <1>(0) 21,0 - 51,0 / 34,51 c c Q) (}z (N / mm2) 0,8 - 8,2/3,51 ~ Q) Quelldruck ( N / mm2 ) 0,1-1,0/0,6 "0 c Quelldehnung ( % ) 0,1 - 2,9/ 1,21 Q) N C Aggressivität des Wassers Betonaggressivität möglich :cu e> Kohlenwasserstoff-Führung Gasmuttergestein, führt Methan; Bläser W

möglich

Wärmeleitfähigkeit ( W / m K ) 2,6 - 3,4

Wärmekapazität (Ws / K) 2,1 - 2,4

NAGRA NTB 93-28 - 164-

Tabelle 5.2.2: Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Vitznau-Mergel (FeIs­beschreibung nach SIA 199)

FELSFORMATION Vitznau-Mergel

TIEFE SB1 + SB4

Eigenschaft Quantifizierung

A Ungünstige Komponenten tonige 2

B Druckfestigkeit ( N / mm2 ) c

18,9 - 134,5/73,20 1 - 3 'Ci) C Gehalt an krist. Quarz ( % ) 5 - 38 / klein - mittel 2-3 Ci) Q) 0 (!)

E Verhalten bei Wasserzutritt Kohäsionsverlust / Que"en 2

..c F Schichtung, Bankung ( m ) dünnlagig - bankig 2-4 u

0,05-1,15 U) .5Q Q) ..c

G e> a. Tonige und glimmerhaltige vereinzelt - häufig 3 :0 ~

0> Zwischenschichten ( pro m / % ) 1 ,13 - 1 ,29 / 72 - 82 Q)

~ (!) H Schichtreibung ( 0 ) klein /20 - 30 3

U) 1i5 Q) "0 I Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein /0,02 - 0,2 3

~ K Schieferung, Zerlegungsgrad ( m ) sehr hoch - mittel 2-4 ::J C ..c <0,001 -1,15 E u

.5Q L Art der Bruchfläche unregelmässig, meist Fü"ung 3 0 c ~ 0 U) M Öffnung der Klüfte ( mm ) sehr klein - breit / <30 1 - 4 (5 ~

2 N Reibung der Trennflächen ( 0 ) klein / 20 - 30 3

0 Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein /0,02 - 0,2 3

P Grundformen der Kluftkörper plattig - kubisch 1 - 3

, Q Durchlässigkeit ( I / m min ) klein - sehr klein 1 - 2

Q; CI) , c::

R Art der Zirkulation genere" entlang Störungen äusserst gering 3 CI) ::J 0 ctI~~ 5; .- ctI N_

Dichte ( g / cm2 ) 2,71 - 2,74/2,73

E-Modul ( MN / m2 ) / Medianwert 13'400 - 59'200 /34'200

Q) Querdehnungszahl 0,14 - 0,23 / 0,18

t::: Gesteinsfestigkeit ; C ( N / mm2 ) 1,6 - 3,0/2,3 Q)

~ <1>(0) 38,0 - 50,0/44,0 c c Q) O'z (N / mm2) 0,5 - 12,7/7,7 ~ Q) que"druck ( N / mm2 ) keine Werte "0 c Quelldehnung ( % ) 0,2 - 1,4/0,8 Q) N C Aggressivität des Wassers Betonaggressivität möglich :ctI 0>

Kohlenwasserstoff-Führung Gasmuttergestein, führt Methan W Bläser möglich

Wärmeleitfähigkeit ( W / m K) 2,6 - 3,4

Wärmekapazität ( Ws / K ) 2,1 - 2,4

- 165 - NAGRA NTB 93-28

Tabelle 5.2.3: Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Diphyoides-Kalk (FeIs­beschreibung nach SIA 199)

FELSFORMATION Diphyoides - Kalk ("Valanginien - Kalk")

TIEFE SB2 + geschätzte Werte

Eigenschaft Quantifizierung

A Ungünstige Komponenten tonige, mergelige 2

B Druckfestigkeit ( N / mm2 ) mittel - hoch 2 c

'Q) C Gehalt an krist. Quarz ( % ) klein /14 - 20 2 (j) Q) 0 (9

E Verhalten bei Wasserzutritt unverändert 1

..c F Schichtung, Bankung ( m ) plattig - massig /0,03 - >1 1 - 3 u

CI) .~ Q) ..c

G e> c.. Tonige und glimmerhaltige vereinzelte 2 :0 ~ Q) .Ql Zwischenschichten ( pro m / % ) <1 / total <1 (9 ~ H Schichtreibung ( 0 ) mittel / 20 - 35 2-3 CI) (j) Q)

I Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein - mittel / 0,1 - 1 2-3 "0

~ K Schieferung, Zerlegungsgrad ( m ) gering - hoch / 0,01 - >1 1 - 3 ::J C ..c .~ u

.~ L Art der Bruchfläche durchgehend, ± Füllmaterial 2-3 0 c ~ 0 CI)

~ M Öffnung der Klüfte ( mm ) <1 - 30 1 - 4 0 2 N Reibung der Trennflächen ( 0 ) klein - mittel / 20 - 35 2-3

0 Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2) klein - mittel / 0,1 - 1 2-3

P Grundformen der Kluftkörper plattig - kubisch 2-3

, Q Durchlässigkeit ( 1/ m min ) mittel bis gross 3-4

CD (J) , c

R Art der Zirkulation mittel - gut; z.T. anisotop längs Klüften 3 (J) ::J 0 ctl~:;::. $: .- ctl N_

Dichte ( g / cm2 ) 2,69 - 2,71 /2,70

E-Modul ( MN / m2 ) / Medianwert 63'000 - 82'000 / 70'330

~ Querdehnungszahl 0,29 - 0,31 /0,3

<D Gesteinsfestigkeit ; C ( N / mm2 ) ~ <I> ( 0 ) c c Q) (jz (N / mm2) ~ Q) _ Quelldruck ( N / mm2 ) klein

"C c Quelldehnung ( % ) klein Q) N C Aggressivität des Wassers keine :ctl 0'>

Kohlenwasserstoff-Führung Methan in Klüften möglich W

Wärmeleitfähigkeit ( W / m K) 3,0 - 3,5

Wärmekapazität ( Ws / K ) 2,1 - 2,3

NAGRA NTB 93-28 - 166 -

Tabelle 5.2.4: Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Graue Mergelschiefer (Felsbeschreibung nach SIA 199)

FELSFORMATION Graue Mergelschiefer

TIEFE SB2

Eigenschaft Quantifizierung

A Ungünstige Komponenten tonige, mergelige 2

B Druckfestigkeit ( N / mm2 ) mittel / 30 - 50 2 c::

. Ci) C Ci)

Gehalt an krist. Quarz ( % ) klein / 10 - 20 2

Q) D (!J

E Verhalten bei Wasserzutritt Kohäsionsverlust auf Schichtflächen 2

..c F Schichtung, Bankung ( m ) plattig - bankig 2-3 0

Cf) .~ Q) ..c 0> c.. G Tonige und glimmerhaltige häufig 4 '- ro 15 '-

0> Zwischenschichten ( pro m / % ) <10/<30 Q)

~ (!J H Schichtreibung ( 0 ) klein - mittel / 20 - 35 2-3

Cf) Ci) Q) "0 I Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein - mittel /0,02 - 1 2-3

~ K Schieferung, Zerlegungsgrad ( m ) hoch /0,01 - 0,1 3 ::J c:: ..c ~ 0

.~ L Art der Bruchfläche durchgehend, wenig Füllmaterial 2 0 c:: .::.! 0 Cf)

~ M Öffnung der Klüfte ( mm ) <1 - 30 3-4 (5 2 N Reibung der Trennflächen ( 0 ) klein - mittel / 20 - 35 2-3

0 Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein - mittel / 0,1 - 1 2-4

P Grundformen der Kluftkörper dünnlagig - plattig 3-4

.!.. Q (l) Durchlässigkeit ( I / m min ) klein - mittel 2-3

Cf) I c: R Art der Zirkulation gering - mittel; z.T. längs Klüften erhöht 1 - 3 Cf) ::::l 0

«3 i: .-~.- ca N_

Dichte ( g / cm2 ) 2,6 - 2,8

E-Modul ( MN / m2 ) / Medianwert 8'000 - 60'000

Querdehnungszahl 0,1 - 0,4 Q) t:: Gesteinsfestigkeit ; C ( N / mm2 ) 1 - 20 Q)

~ <I> ( 0 ) 30 - 40 c:: c:: Q) (Jz (N / mm2) 2,0 - 8,0 ~ Q) Quelldruck ( N / mm2 ) 0,1-1,0 "0 c:: Quelldehnung ( % ) 0,1 - 2,5 Q) N c:: Aggressivität des Wassers schwach - mässig ( möglich)

:«3 0> Kohlenwasserstoff-Führung Kondensate, flüssige Kohlenwasserstoffe '-W

Wärmeleitfähigkeit ( W / m K) 2,8 - 4,1

Wärmekapazität ( Ws / K) 2,1 - 2,4

- 167 - NAG RA NTB 93-28

Tabelle 5.2.5: Geotechnische Eigenschaften des Gebirges: Helvetischer Kieselkalk (Felsbeschreibung nach SIA 199)

FELSFORMATION Helvetischer Kieselkalk

TIEFE SB2 + geschätzte Werte

Eigenschaft Quantifizierung

A Ungünstige Komponenten tonige, mergelige 2

c B Druckfestigkeit ( N / mm2 ) mittel - hoch / 48,5 - 218,9 1 - 2 . (i) C Gehalt an krist. Quarz ( % ) mittel /25 - 50 3 ü) (I) D (!)

E Verhalten bei Wasserzutritt unverändert, Kohäsionsverlust auf 1 - 2

Schieferlagen

..c F Schichtung, Bankung ( m ) bankig / 0,05 - 0,60 2-3 ()

CI) .~ (I) ..c

G 0> a. Tonige und glimmerhaltige vereinzelt - häufig 1 - 4 .~ m .0 "-

Zwischen schichten ( pro m / % ) (I) .Ql 0- 10/ <30 (!) ~ H Schichtreibung ( 0 )

CI) Ci) (I)

"'C I Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 ) klein - mittel / 0,1 - 2 2-3

~~ K Schieferung, Zerlegungsgrad ( m ) mittel / 0,05 - 0,6 2 ::J C ..c

OE ()

o~ L Art der Bruchfläche durchgehend, ohne Füllmaterial 2 0 c .:s:. 0 CI) M Öffnung der Klüfte ( mm ) fein - schmal / 0,1 - 10 2-3 (5 ~ 2 N Reibung der Trennflächen ( 0 )

0 Kohäsion bei Gleitreibung ( N / mm2 )

P Grundformen der Kluftkörper kubisch 3

~ Q Durchlässigkeit ( 1/ m min ) mittel - gross 3-4 CI) I c

R Art der Zirkulation mittel - gut; z.T. anisotrop längs Klüften 2-3 CI) ::J 0 Qj ~ ~ ~.- Qj N_ I

Dichte ( g / cm2) 2,64 - 2,68/2,64

E-Modul ( MN / m2 ) / Medianwert 47'900 - 127'500/81'500

$ Querdehnungszahl 0,25 - 0,41 10,30

<D Gesteinsfestigkeit ; C ( N / mm2 ) 0,6 - 13,3/5,12 ~ <I> ( 0 ) 40,0 - 55,0 /48,44 c c (I) ()z (N 1 mm2) 6,7 -18,2/11,32 ~ CD Quelldruck ( N / mm2 )

"'C C Quelldehnung ( % ) CD N C Aggressivität des Wassers schwach - mässig Betonaggressiv :Qj 0>

Kohlenwasserstoff-Führung Kondensate, flüssige Kohlenwasserstoffe W möglich

Wärmeleitfähigkeit ( W / m K ) 3,2 - 4,1

Wärmekapazität (Ws 1 K) 2,0 - 2,3

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Tabelle 5.2.6: Resultate der Laboruntersuchungen an Moränen- und Hangschutt­material

Lockergestei nsart Rau mgewicht-(kN/m3) Fliessgrenze WL Ausrollgrenze Wa

Moräne 19.7 - 23.4 14.6 - 37.8 % 9.9 - 21.7 % Hangschutt 18.2-21.4 21.5 - 45.4 % 8.0 -24.2 %

Tabelle 5.2.7: Generelle Durchlässigkeiten der baugeologisch wichtigen Formatio­nen

Formation Generelle Wasserdurchlässigkeit Bemerkungen

Helvetischer Kieselkalk mittel bis hoch zum Teil anisotrop

Graue Mergelschiefer gering bis mittel

Diphyoides-Kalk mittel bis hoch zum Teil anisotrop

Vitznau-Mergel gering bis sehr gering

Palfris-Formation gering bis sehr gering

meist aus Methan bestehenden Kohlenwasserstoffgase ist hauptsächlich in Fluidein­schlüssen Calcit-gefüllter Klüfte enthalten und steht unter relativ hohem Druck, so dass auf 1 Liter Calcit bis zu 3 Liter Kohlenwasserstoffgas errechnet werden konnten (GAUTSCHI et al., 1990).

Im Rahmen von Untertagebauten ist daher mit einer permanenten Gasführung des Wirtgesteins zu rechnen. Die geringe Permeabiltät dieses Gesteines führt jedoch zu einer relativ langsamen Entgasung, so dass das anfallende Erdgas in der Tunnelluft mit einer verstärkten Stollenbelüftung auf ungefährliche Werte reduziert werden kann. Durch Zerkleinerung des Gesteines sind im anfallenden Haufwerk infolge Freisetzung des in den Mergeln gespeicherten Gases erhöhte Gaskonzentrationen in der Stollen­luft wahrscheinlich. Entsprechende Erfahrungen wurden bereits beim Bau und Betrieb des Seelisbergtun­nels gesammelt. Anhand der Ausgasung des Haufwerkes wurden Gasaustritte zwi­schen 30 und 60 11m3 Festgestein mit Spitzenwerten zwischen 180 und 1000 11m 3

Festgestein errechnet (SCHNEIDER, 1984). Diese Berechnungen erfolgten jedoch auf der Basis von Messwerten, die durch das umgebende Gebirge beeinflusst wurden und daher zu hoch ausfielen. Überschlagsrechnungen anhand "ungestörter" Ausga­sungen in Bohrlöchern ergaben Werte zwischen 0.071 und 171 11m 3 Festgestein. Die bisherigen im Standortgebiet Wellenberg durchgeführten Gasmessungen an der Oberfläche und in den Sondierbohrungen lassen im Wirtgestein und im umgebenden Nebengestein Verhältnisse erwarten, die mit denjenigen im Seelisbergtunnel durch­aus vergleichbar sind. Der Diphyoides-Kalk, die Grauen Mergelschiefer und der Hel­vetische Kieselkalk gelten als Speichergesteine, in denen das Gas in Form von Blä.; sern unter Druck austreten kann. Da die Porosität dieser Gesteine relativ gering ist,

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konzentrieren sich die Speichermöglichkeiten auf die Klufthohlräume. Im Seelisberg­tunnel wurde im Diphyoides-Kalk ein Bläser angefahren, aus dem nach Schätzungen ca. 100 I/s Erdgas austrat und der nach ungefähr einem Monat immer noch ca. 5 I/s Erdgas lieferte.

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Tektonik

Ausbisslinie eines lokalen Bruches (Störung) mit unsicherer Fortsetzung

Ausbisslinie eines wichtigen, tiefreichenden Bruches mit unsicherer Fortsetzung

Grossräumige Überschiebungsfläche, Deckengrenze

Streichen und Einfallen (50' ) der Schichtung bzw. Bankung (90' - Teilung)

F'

•

•

Hydrologie

Quelle ungefasst

Quelle gefasst

" "

I ' '. '

Streichen und Einfallen (75') dominierender Kluftflächen od. Schieferung (90' . Teilung)

Streichen und Einfallen (30') grossräumiger Störungsflächen (90' - Teilung)

Quelle direkt in Brunnen geleitet

FeuchtsteIle, Sumpf

• abflusslose Senke, Verslckerungstrichter

i'

i

Diverses

8 - - 8 Profilspuren mit entsprechender Bezeichnung

_ künstlicher Schutzwall

j

lZl D caJ ~ L:~r

Quartär Lockergesteine

Gehängeschutt mit Blöcken ( '" > 1 m); Trocken­schuttkegel; unbewachsen / bewachsen

aktive Schuttrunse, Bachbett

Bachschuttkegel; verschwemmte Moräne; unbewachsen / bewachsen

Murgangablagerungen

Bergsturzablagerung; unbewachsen / bewachsen

D Alluvionen, Talboden

D Moräne mit unscharfem Grenzverlauf

D ! (~tl

D

geschätzte Lockergesteinsmächtigkeit (portalzone und Umgebung) Moräne mit Gehängeschutt (Trockenschutt) vermischt (zT. mit Blöcken", > 1 m)

Findling a) Granit, b) Gneis, c) Sediment

anstehender Fels unter geringmächtiger Moränen- bzw. Schuttdecke

Rutschmasse Altzellen

D Moräne

D Gehängeschutt (bewachsen)

Morphologie Wulst bedingt durch versacktes Felspaket

'--.) oder untief anstehenden Fels

D E1 D

Moränenwall

Moränenwall (Seitenmoräne) mit auffälliger Geländekante

Lockergesteinsdecke in leichter Rutschbewegung (Wulstbildung häufig)

versackte Felsmasse (zT. Schrattenkalk)

markante Geländekante, Terrassenrand

Abrissrand einer alten, grossräumigen Rutschungs- oder Sackungsmasse (1. Gen.)

Abrissrand einer alten, grossräumigen Rutschungs- oder Sackungsmasse (2. Gen.)

Erosionsrand, Abrissrand einer lokalen Locker-<07> gesteinsrutschung, Abrissstelle bewachsen (3 . Gen.)

n idem. Ereignis jedoch eng begrenzt

Erosionsrand, Abrissrand einer jungen, lokalen Lockergesteinsrutschung, Abrissstelle unbewachsen (4. Gen.)

idem. Ereignis jedoch eng begrenzt

-r;:,;: Abbruchsteile eines Bergsturzes (mit Jahreszahl)

. ..,.,~... offener Riss in Lockergesteinsdecke

Nackental; abflusslose Senke - identisch mit möglicher -._- Abrisslinie längerfristig aktiver Sackungsmassen

: v'" vermutete Ausdehnung einer Rutschungs- oder '-' Sackungsmasse (mit Rutschungswulst)

\ fossile Entwässerungsrinne

D ausgeprägte Solifluktion

Terrassenrand identisch mit vermutetem .~ Abrissrand einer tiefgreifenden

Rutschungs- od. Sackungsmasse

o

•

M

DRUSBERG - DECKE

Tertiär

im Bereich der Karte nicht vorliegend

Kreide

Seewer - Formation (Seewerkalk, Choltal-Schichten)

"Gault" - Formation

Schrattenkalk - Formation im allgemeinen

Drusberg -Formation

Kieselkalk - Formation

Valanginienkalk (D iphyoides-Kalk) inkl. graue Mergelschiefer

Valangin ienmergel (Palfris-Schiefer und Vitznau-Mergel)

IR 8

• 0 0

vtc

B

• Jura (Kartierung nach R. Gutzwiller, 1981, Diss. Basel)

Malm - Vorkommen im allgemeinen

Zementstein - Schichten (Malm-Kreide-Grenzschichten)

Quintnerkalk

Schilt - Schichten

o

•

1 ; 25 000

nach Schneider (1988)

AXEN - DECKE

Nummulitenkalk, Grünsandstein

Stadschiefer, tertiäre Mergelschiefer

Schrattenkalk - Formation im allgemeinen

Drusberg - Schichten

Kieselkalk - Formation

Valanginienkalk (Betlis-Kalk)

Valanginienmergel

Oehrli-Kalk

Zementstein - Schichten (Malm-Kreide-G renzschichten)

Quintnerkalk

2km

nagra TECHNISCHER BERICHT NTB 93-28

Verkleinerung 1 :25'000 der Geologischen Detailkartierung Wellenberg

Geologischer Datensatz WLB 1 DAT.: Sep. 93 I BEILAGE 4.1.1

SB2 SB3

:? Teufe

2 cg' E Geol. " 00

* '" Einheit Lithologie {mi

Gestein 'g

~2 ~ " ;§ ~m m m

Geol Einheit

:@ Bachschut siltig-Ieinsandiger Kies m. Steinen 'j, Blöcken/" ~ n t

- 18.70

i • \5 Kalk, grau mit KalkMgl.-Zwischenlagen, dl.l1-

ob kelgrau; mM Silexknollen, z.T. sand'g,

Gehängeschutt

z.T. verkieselt t 12335 Rutschmasse

• c

" " Helve;ischer

~ Kieselkalk unt Wechsellagerung von stark bioturbalem I I T- • ro Kalk, grau. l.T. sandig, mrt Silexknollen • er

'Jnd te Iweise verkieselter Matrix und Mergel, • dunkelgrau, z.1. sandig I •

t

t 448.40

c , Graue Mergelschiefer Mergel, grau, mit einzelnen Kalkbänken. hellgr, t

." Kalk, hellcraungrau, feirkörnig, mikritisch, mit 493.00 1-" = c Tonhäuten und Mergelzwischenlagen. Biolur- t

" Diphyoides-Kalk 543.94 • bat. 540.07-543,94: Kalkmergel. siltig- fein- I !I 11

t > sandig, mit Biodetritus 602.43

Tonmergel, siltig, z.T. leinsandig, dunkel- ~ .. ~ c grau mit Kalk- und Kalkmergelbanken, 2.T. t

.~ Pa·lris-Formation

siltig bis feinsandig, hellgrau, sowie mit - .... ~

·E siltigen- sandigen, kalkigen, biodetritischen ~-w Lagen und Laminae; abschnittsweise m .. =-= intensiv tektonisiert.

754.95

Diphyoides-Kalk Kalk, mlkr~isch, graubraun, bioturbat,

11 • c mit ~onigen Schicht- Fugen

w ~ 822.50 ~ '" Aeq. d. Gemsmättli- Mgl., sandig (oben) u. Kalk, knollig, - - + u c S33.65 w " \ Schicht glaukonilisch (un:en , '" rn ->

'" w Graue Mergelschiefer Mergel, dunkelgrau, mit Kalkbänken, grau " '" • S9S.85 w ~ Berr. Pallns-Formation + -=CT T t m wie 602.43-754.95m und wie 934.50--.021.70m

m +Val. Sichel-Kalkl~k.-Fm. 934.50 " '" Kalk, fiaseng, hellgrau, zerwühlt, l.T. ver- I I I 0

w ~ u w c 0 w • 6 " ~ Palfris-~ ~ ~ Formatkln w ~ m m m

" ~ 0

Sichel-Kalk kieselt, m. einzelnen Mergelzwischenlagen 1_. 1021.70 Aeq. d. Gemsm.·Sch. wie 822.50·833.65m, steil stehe'ld IT~T~ • 1034.80 Graue Mergelschiefer Kalk, grau, m. Mgl.lagen, dunkelgrau- schwarz

1079.90

wie 934.50-1 021.70m, steil stehend I

c Sichel-Kalk .\1,> c .g • f---. • " 1217.65

T T~ > Aeq. d. Gems11.·Sch. wie 822.50-833.65m, steil stehend Kalk, mikritisch. zerwühlt, grau- hellgrau, mit

1250.40

Graue Mergelschiefer Mergellagen, dunkelgraubra·Jn, flaserig-linsig zelWühM, z.T. biodetritJsreich. Steilstehend-

Kreide Berr.

vertikal. Kalk, knollig, glaukonitisch ,:oben) Lnd \ t

Aeq. d. Gemsm -Sch Mergel, ~_andig (unte~) 1398.42

1410.20 I I Pallris-Form. Berr SiC1e -Ka:k w~ 934.50-1021.7011, steil stehend

1496.75 -=.~~ Melange

~ .. :g: Tonmergel, siltig, z.T. feinsandig, dunkel- ~~

c grau mit Kalk- und Kalkmergelbärken, z.T.

~ Palfris-Forma:ion . siMig bis fei1sandig, hellgrau, sowie mit -= .. ~

·E si~igen- sandigen, kalkigen, biodetritischen "' m Lagen und Laminae; abschnittsweise - -- -

i in:ensrl,' tektonisierl ~-,

t • ~ .. ~

1870.40 ... ~

L~hotogie

in siltig-

Kom:Jonenten von Ton- und Kalk-mergeln, i1 siltig-felnsandiger T::mmatrix, Komponenten unter-schied'ich s:ark zerrüttet, graul dunkelgrau

Tenmergel, siltig, z.T. feinsandig, dunkelgrau, mit Kalk- und Kalk­mergelbanken, z.T. siltig bis fein­sandig, hellgrau, sowie mit sillig­sandige1, kalkiger, biodetritischen Lagen und Laminae; abschnits­welse Intensiv tektolisiert.

Tonmergel, wie 199.10- 1245.1"8m

Ton, schwarz, mit Sandsteinkomp. sowie Sandstein- und Mergellagen

Teufe (m}

52.50

199.10

Geste;n

u - Cl

- 0 - C) .... .... .... -,,-- ..

SB1

" > w

" 0 ~ ~ m

c w w

.~

" .~ ,:! m

Geol. Einheit

Bachschutl, Moräne

Palfris­Formation

V~znau-Mergel

Palfris-Formation

Lithologie

sittig-sandiger Kies mit Steinen und Blöcken

Tonmergel, siltig, z.T. feinsandig, dunkel­grau mit Kalk- und Kalkmergelbänken, z.T. sittig bis feinsandig, hellgrau, sowie mit siHigen- sandigen, kalkigen, biodetritischen Lagen und Laminae; abschnittsweise intensiv tektonisiert.

Teule (m)

50.30

871.65

926.20

ril;;I~~~~~~~~t~;!~~~~~~:Ka:'k~s;s1~.,;m"i1t138.97 • ert. oz. 1193.00

Kalkmergel u. Kalk, sandig, spätig, knollig 1242.85

Öhrli-Kalk, massig, z.T. oolithisch und .:g Öhrli- Formation .~ Ber. ~

E c Tros- Kalk 0

" € " ~

Flysch!

Nordhelv. Flysch

Öhrli- Mergel

Kalk, massig. splittrig, beige mit rekristal­lisierten Stromaloporiden

Ton, schwarz u. Tonmergel, mit div 'S!.,on10.'

und

Ton, I, mit div. Ssl.-Komp.

Gmbssl. gradiert (Alldorfer-Ssi.) und Ton­mergel; z.T. stark tektonisiert

Geste n

o o

SB6

Geol. Einheit

Gehängeschutt dazwi­schen GrundmO!"äne

Rutsch- und Bergsturz­masse

Lithologie

siHiger K~s mit Sand und einzelnen Steinen, kompakt

Komponenten von Ton- und Kalk­mergeln, in sittig- feinsandiger T on­matrix, Komponenten unterschiedlich stark zerrüttet, graul dunkelgrau

Teufe

(m)

67.60

Gestein

o 0 -0 O-Q-

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Jw\1.j' ,-+-+-----+----------1-262.75 r-==-=:. ·~"~"~=I ~1 --.~

'" . g, w m

c .~

·E w m

Palfris­Formation

T:mmergel, siltig, dunketJrau, mit Kalkmergelbänken, siitig-feinsandig, grau; abschnittsweise stark tektonisiert

~ I L.:=--'--~L---1--------1----------~430.60

SB4 ,

Geol. Einheit

Lithologie

sittig- sandiger Kies mit Steinen und Blöcken,

Teufe (m)

, _G_e_ha_n~g_es_C_hu_tt_+-,lo~Ck~e~rg~e~la~g~ert~----------------~ , 51.40

I

Gestein

i

!= .:::'·0 :=' .;:::;0-= ... •

Rutsch- und tonig- sittiger Kies mit Steinen und Blöcken, - . Bergsturzmasse dicht gelagert ~ ..........

f--+-+---+..:..::;=="-t-==='---------I-�16.58bI;:..'':i~

Palfris­Formation

Tonmergel, siltig bis feinsandig,dunkelgrau, mit Kalkmergelbänken, siltig bis feinsandig, biodetritusführend, hellgrau

~~-+335.25 ".. . .... ~. 1-__ +-__ -+-'v"a"'I.+.::V.!;itz"n~ao::u-.::M"e"'rg"el_+-"Ka"'ko:-"u"nd'-T"o,,n~mc=e"rgEe'-', s~a~n:!di:!g,,,b:::io"'d,,e1'"rit"'u,,sl'_. --+363.48~~i~~~ +

--::::::::::::I~ -- -- :1 ~~: Schimberg­

Schiefer Kalkmergel, feinsandig, grau, glimmer­führend. gegen unten zunehmend toniger

··--·-·-···---------+ca.547 .­- --- -

Tonmergel, siltlg, glimmertührend, Globigerinen- - ...

+ +1--Ir--.-

dunkelgrau, unten mit Breccien aus Tertiär- -=--. -."'-.:....:.=.::.

rm-:;.-:w:i--w--+---+-m-,-rg-,-, ____ _+--un-d-K-re-id-e--K-o-m~p-o-ne-n-1e-n------------+~~~:~~ -.---._----v--=-----.. -.--=-... v--~ •. ---·. :._= "! "u :Q Tonmergel, siltführend, mit einzelnen Kalk-~ ~ ~ Berrias Palfris-Formation mergeln =.,-,.,,--+----+---''-----------+715.30 ~ ~ ~ ~~:~~ Globigerinenm. Tonmergel, sandig, dunkelgrau. mit Breccien 730.67. \l ... 7·- \J 1+ ~-1 _ __L _ __L ____ -L ___________ L:757.58;-L'--...:L=~--1--.l

o

500 m

normale Lagerullg

illverse Lagerung

nogro TECHNISCHER BERICHT NTB 93-28

Übersichtsprofile der 8ondierbohrungen 8B1, 8B2, 8B3, 8B4, und 8B6

Geologischer Datensatz WLB DAT.: Sep.93 BEILAGE 4.1.2

G) <t> 0 0

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'" ., -N

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0 ,. cl w 0 ~

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Ql m r » G) m ~ t" ...

-1000

-1500

NNW E Horn

1500

P.622 Schüpfen

Schwandwald

500

o

P. 1748 Tritt

SSE E'

2500

1500

W-Grat Wellenberg

Profil I

o

-500

-1000

NNW F

2000

Wirzweligrat

Engelberger Aa

Yard. Oiegisbalm

Engelberger Aa

D

D

D D ' "

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NNW G

2000

Hinter Gummen

500

o

-500

-1000

WSW

1500

Kernalpbach

Engelbergertal

Profil G

Profil F

o

- 500

- 1000

LEGENDE

Geologische Einheit

Tertiär-Formationen

Seewer Kalk und Seewer Schiefer bzw. Choltal-Schichten, Amdener- und Wang-Formation

"Helvetischer Gault" bzw. Garschella-Fonnation

Schrattenkalk - Formation

Drusberg-Schichten

Kieselkalk-Formation

"Valanginienkalk" bzw. Diphyoides-Kalk

"Valanginien-Mergel" bzw. Palfris-Formation und Vitznau-Mergel

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j

Tektonische Zugehörigkeit

'I

Drusberg - Decke

j

Wilersdörfii

Profil I I

~ SB3

Engelberger Aa

Profil I

SB4

v

ü SB6

Eggeligrat

Profil D

Brunniswaldflue

Brunniswald

1000

o

-500

-1000

SSE

1000

o

-500

-1000

SSE G'

1500

ENE I'

Profil E j Secklis Bach SB1

1500

Profil C

j j

\ , -1000

o 500 1000 m

Geologische Einheit Tektonische

, Zugehörigkeit

0 Tertiär-Formationen

- Kreide-Formationen

'> Axen-Decke

D Mergel und Kalke des Valanginien

- Jura-Formationen

Kreide und Malm Aequivalent der Wissberg-Scholle

D Malmschollen der Drusberg-Decke

D Melange infra helvetisch

D Nordhelvet. Flysch ("Sandstein-Dach- Parautochthon schiefer-Komplex")

D Lockergesteine, Quartär ----'/~ Störungen i. allg. (Brüche,

/ Überschiebungen elc.)

kv~1 Rutschmasse Altzellen ./ wichtige Deckengrenzen ,---

Variation der Projektionsrichtungen

NNW D

m Ü.M.

1500

1000

"Realistische" Grenze Wirtgestein/Nebengestein "Realistische" Grenze T ertlär/Kalke Axen-Decke

D Variat ions rahmen der projizierten Bohrungsansatzp unkte

P.1341 Wellenberg

I

10'[)SB4 .

.. proj.

o' ~ '" ~ ~\

I \

" ,

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SSE D'

m ü.M.

1500

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1000

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1 I

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-500

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-500

1000 m

Variation der Wirtgesteinsgrenzen

NNW

D

' Optlmlstlsche" Grenze Wirtgestein/Nebengestein

' Optimlstlsche" Grenze Tertiär/Kalke Axen-Decke

'Real ist ische" Grenze Wlrtgesteln/Nebengestein

'Real ist ische" Grenze Tertiär/Kalke Axen-Decke

"Pessimistische" Grenze Wirtgeste ln/Nebengestein

"Pessimistische" Grenze Tertiär/Kalke Axen -Decke

SSE

D'

m ü.M.

1500 P.1341 Wellenberg

m ü.M.

1500

I

1000 1000

o o

- ... .. - .... -- ....... .... - ...... _-- ..

c-- :::::::::===--------------------~

-500 -500

o 1 000 m

Wirtgesteinsgrenzen vor und nach den Nagra·Sondierungen 1989·93

NNW

D

m Ü.M.

1500

1000

"Realistische ' Grenze Wirtgestein/Nebengeste in

"Realistische" Grenze T ertiär/Kalke Axen-Decke

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P.1341 Wellenberg

I

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m ü.M.

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~-----------------~ -500

o 1000 m

nogro TECHNISCHER BERICHT NTB 93-28

Grenzen des Wirtgesteins im Profil D - D'

Geologischer Datensatz WLB lDAT.: Sep 93 L BEILAGE 4.2.2

"Optimistische" Projektvariante "Realistische" Projektvariante "Pessimistische" Projektvariante

nagra TECHNISCHER BERICHT NTB 93-28

Variationen der Wirtgesteinsgrenzen und der Störungsdichte im Horizontalschnitt auf Kote 540m (Endlager-Ebene)

Geologischer Datensatz WLB I DAT. Sep 93 I BEILAGE 4.2.3

mÜ.M. W in

Heute 100000 Jahren

- 1400 Engelbergertal 1300 -

1200 -- 1300

- 1200 1100-

1000-- 11 00

900 -- 1000

800 -- 900

700 -- 800

600 -- 700

500 -- 600

400 -- 500

300 -- 400

A t z e e n Eggeligrat

C =========:::J 54Qm ü.M. I ~

E

Tal von Oberri ckenbach

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Secklis Bach ~ \ ---- /

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--

mÜ. M.

in 100000 Heute Jahren

1400 -- 1300

1300 --1200

1200 --1100

1100 -- 1000

1000 -- 900

900 -- 800

800 -- 700

700 -- 600

600 -- 500

500 -- 400

400 -- 300

Lage der Terrainoberfläche

A) Heutiger Zustand, Basis Rutschmasse Altzellen

---- wo abweichend von Linie der Variante 1 am Ende der Eiszeit "Würm 11"

B) Zustand am Ende der Eiszeit "Würm 11", Zeithorizont 60'000 Jahre

Variante 1

Variante 2 (wo abweichend von Variante 1)

Variante 3 (wo abweichend von Variante 2)

C) Zustand am Ende der Betrachtungsperiode 100'000 Jahre

- ----- Variante 1

- -_ ._- Variante 2 (wo abweichend von Variante 1)

-._--- Variante 3 (wo abweichend von Variante 2)

Erosionsszenarium 2b

Betrachtungsperiode 100'000 Jahre

Eiszeit "Würm 11" 60'000 Jahre

Nacheiszeit 40'000 Jahre

o 1 km

nagra TECHNISCHER BERICHT NTB 93-28

Erosionsszenarium 2b

Geologischer Datensatz WLB I DAT. Sep. 93 I BEILAGE 4.7.1