Effinger Schichten Entstehung und Hauptmerkmale Entstehung und Hauptmerkmale

Die Effinger Schichten sind als marine Sedimente während der jüngeren Jurazeit vor rund 160 Millionen Jahren entstanden. Der Ablagerungsraum war im Vergleich zu demjenigen des Opalinustons stärker strukturiert. Je nach Wassertiefe des Beckens lagerten sich eher tonige bzw. siliziklastische oder eher kalkige Sedimente ab.

In den zum Teil mächtigen Abfolgen von Kalkmergeln sind gebietsweise einzelne Kalkbankab-folgen eingeschaltet. Wegen der KalkbankabKalkbankab-folgen ist die (vertikale) Homogenität der Effinger Schichten im Meterbereich bedeutend ungünstiger als diejenige des Opalinustons. Wo die Kalk-bankabfolgen oberflächennah liegen und erhöhten hydraulischen Gradienten ausgesetzt sind, kann eine Verkarstung nicht ausgeschlossen werden. In der Nordschweiz weisen die Effinger Schichten in Teilen des östlichen Tafeljuras und in der östlichen Subjurassischen Zone das Potenzial für die erforderliche räumliche Ausdehnung für das SMA-Lager auf (Mächtigkeit beträgt mehr als 100 m, teilweise mehr als 200 m, Tiefenlage 200 – 800 m u.T., ausreichende laterale Ausdehnung, vgl. Fig. 5.2-13).

Die Effinger Schichten zeichnen sich durch eine gute Barrierenwirkung für Radionuklide aus, die primär durch den vergleichsweise hohen Gehalt an quellfähigen Tonmineralen in den Kalk-mergellagen gewährleistet wird. Damit verbunden sind eine geringe Wasserführung und gute Sorptionseigenschaften für Radionuklide. In den bevorzugten Bereichen gibt es ober- und unterhalb der Effinger Schichten keine Rahmengesteine mit nennenswerten Beiträgen zur Barrierenwirkung des Gesamtsystems, weil sie dort von durchlässigen Kalken (Birmenstorfer Schichten, Geissberg-Schichten, Hauptrogenstein) umgeben sind.

Die Effinger Schichten sind als Gesteinsformation im Tafel- und Faltenjura weit verbreitet.

Diese Kalkmergel werden an der Oberfläche an zahlreichen Abbaustellen v.a. als Rohstoff für die Zement-Industrie genutzt. Über die Vorkommen in grösseren Tiefen kann auf einige Erfahrungen, Kenntnisse und Daten aus Untertagebauten (Eisenbahn- und Strassentunnel, Erdöl- und Erdgasbohrungen, Erdwärmesonden, Sondierbohrungen für Deponie- und Entsor-gungsprojekte) zurückgegriffen werden.

4.4.3.1 Eigenschaften der Effinger Schichten Hydraulische Barrierenwirkung (Kriterium 1.2)

Die Effinger Schichten sind ein Festgestein, das mit seinen Anteilen an quellfähigen Ton-mineralen insbesondere in den Kalkmergelabfolgen wahrscheinlich ein signifikantes Selbstab-dichtungsvermögen besitzt.

Gemäss den vorhandenen Daten weisen die Effinger Schichten in den betrachteten Ver-breitungsräumen bei einer genügenden Überdeckung eine geringe hydraulische Durchlässigkeit auf (z.B. EWS-Bohrung Oftringen: KH < ca. 10^-11 m/s). In vertikaler Richtung dürfte die Durch-lässigkeit mindestens noch eine Grössenordnung geringer sein. Die günstige Beurteilung der

Effinger Schichten wird durch unabhängige Evidenzen zum Langzeitisolationsvermögen bestätigt (saline Porenwässer, hohe Heliumgehalte im Porenwasser). Mit der beschränkten Datenbasis kann jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass die grossräumige Durch-lässigkeit durch steilstehende Diskontinuitäten etwas erhöht wird. Um günstige Bedingungen für eine geringe Durchlässigkeit sicher zu stellen (Kompaktion), ist eine Überdeckung von mindestens 300 m anzustreben (vgl. Kap. 5.2.3).

Untersuchungen und Beobachtungen in Tunnels im Faltenjura zeigen, dass die hydraulischen Eigenschaften der Effinger Schichten durch tektonische Überprägung in gewissen Situationen und je nach Überdeckung signifikant beeinflusst sein können (wasserführende Systeme entlang von Sprödstrukturen).

Geochemische Bedingungen (Kriterium 1.3)

Die geochemischen Bedingungen in den Effinger Schichten in einer geeigneten geologisch-tektonischen Situation (flache Lagerung, Tiefenlage 200 – 800 m u.T. für SMA) können als stabil bezeichnet werden. Sie sind – wie im Opalinuston – weitgehend durch Gleichgewichts-reaktionen mit den Mineralen (v.a. Tonminerale, Karbonate, Pyrit, organische Stoffe) bestimmt.

Das Sorptionsvermögen lässt eine gewisse Variabilität erwarten, welche direkt mit der Variabilität des Tonmineralgehalts zusammenhängt (ca. 25 % in Kalkmergeln, wenige Prozente in Kalkbänken); es werden aber grundsätzlich günstige Verhältnisse erwartet. Wegen der mögli-chen Diskontinuitäten wird mit einer beschränkten Kolloidfiltration gerechnet, je nach Selbstab-dichtung (Verschluss der Diskontinuitäten).

Freisetzungspfade (Kriterium 1.4)

Im Bereich der Kalkmergel haben die Effinger Schichten kleine Durchlässigkeiten, und für allenfalls vorhandene Diskontinuitäten werden kleine Transmissiväten erwartet, so dass diese voraussichtlich eine untergeordnete Rolle spielen. In den Kalkbänken hingegen ist mit Diskonti-nuitäten zu rechnen, die evtl. erhöhte Transmissiviäten aufweisen. Gemäss den vorhandenen Daten ist deren Transmissivität in Gebieten mit flachliegenden Schichten allerdings gering;

Kalkbankabfolgen im Schnittbereich mit Störungen könnten aber erhöhte Transmissivitäten aufweisen. Der höchste Transmissivitätswert, der in Tiefen > 200 m an einer wasserführenden Diskontinuität gemessen wurde, ist < 10^-10 m²/s (Scherzone in einer Kalkbank in der EWS-Bohrung Oftringen); in vertikaler Richtung sind die Fliesspfade jedoch immer wieder durch Partien mit Kalkmergel unterbrochen. In horizontaler Richtung sind innerhalb der Kalkbänke schichtparallele Beiträge zur Transportpfadlänge zu erwarten.

4.4.3.2 Langzeitstabilität

Beständigkeit der Gesteinseigenschaften (Kriterium 2.1)

In Effinger Schichten mit Kalkbankabfolgen besteht das Potenzial zur Bildung neuer Wasser-wegsamkeiten durch Verkarstung. Diese Aussage gilt vor allem für Bereiche mit akzentuierter Topographie bzw. mit hohen hydraulischen Gradienten (Faltenjura).

Lagerbedingte Einflüsse (Kriterium 2.3)

Lagerbedingte Einflüsse werden vor allem bezüglich der Gesteinsauflockerung im Bereich der Versiegelungsstrecken im SMA-Lager als wichtig beurteilt. Andere lagerbedingte Einflüsse im SMA-Lager sind entweder irrelevant (Temperatur), können mit baulichen Massnahmen

kon-trolliert werden (Auswirkungen der Gasbildung) oder spielen nur eine untergeordnete Rolle (Auflockerungszone im Bereich der Lagerkammern, chemische Wechselwirkungen zwischen Zementporenwässern in Lagerkammern und dem Wirtgestein).

Die gegenüber dem Opalinuston grösseren Festigkeiten des intakten Gesteins lassen bei den Effinger Schichten bei sonst gleichen Bedingungen eine kleinere Ausdehnung der Auf-lockerungszone erwarten. In den Effinger Schichten ist im Bereich der Kalkmergel eine geringere Selbstabdichtung der Auflockerungszone zu erwarten als im Opalinuston. Es ist offen, inwieweit die Selbstabdichtung auch in den Kalkbankabfolgen wirkt. Mögliche negative Effekte der Kalkbankabfolgen in Bezug auf Ausbildung und Selbstabdichtung der Auflockerungszone können durch die Platzierung des Lagers ausserhalb der Kalkbankabfolgen vermieden werden.

Im Bereich von Versiegelungsstrecken kann bei Bedarf die Strecke nachprofiliert oder lokal die Auflockerungszone durch Abdichtungsmassnahmen (EDZ cut-off) unterbrochen werden.

Aufgrund der Heterogenität (inkl. Diskontinuitäten) in den Effinger Schichten wird erwartet, dass die Freisetzung von im Lager gebildeten Korrosions- und Degradationsgasen aus einem Tiefenlager bei niedrigeren Gaseintrittsdrucken erfolgt als im Opalinuston. Die Gasfreisetzung wird vorzugsweise horizontal entlang der Kalkbänke erfolgen.

Während der Betriebsdauer ist in den Effinger Schichten mit ähnlichen Phänomenen bezüglich der pH-Fahne und Oxidation zu rechnen wie im Opalinuston; es werden auch hier für beide Effekte keine signifikanten Auswirkungen auf die Barriereneigenschaften der Effinger Schichten erwartet.

Nutzungskonflikte (Kriterium 2.4)

Die Effinger Schichten sind als Rohstoff für die Zementherstellung gut geeignet und werden deshalb in der Nordschweiz in verschiedenen Steinbrüchen abgebaut. Der untertägige Abbau in Tiefenlagen im Bereich 200 – 800 m ist wirtschaftlich nicht sinnvoll, da genügend oberflächen-nahe Vorkommen bestehen. Innerhalb der Effinger Schichten sind keine weiteren nutzbaren Rohstoffe bekannt.

4.4.3.3 Zuverlässigkeit der geologischen Aussagen Charakterisierbarkeit der Gesteine (Kriterium 3.1)

Die Charakterisierbarkeit der Effinger Schichten wird anhand der Indikatoren 'Variabilität der Gesteinseigenschaften im Hinblick auf ihre Charakterisierbarkeit'und 'Erfahrungen' erfasst.

Die Beurteilung des Indikators 'Variabilität der Gesteinseigenschaften im Hinblick auf ihre Charakterisierbarkeit' erfolgt anhand der Merkmale Lagerungsverhältnisse, Homogenität / Heterogenität der Gesteinsbeschaffenheit, Variabilität der Gesteinseigenschaften, Existenz und Art von Diskontinuitäten als Folge der tektonischen Überprägung. Die Kontinuität der Schich-ten im Grössenbereich "Steinbruch" ist verhältnismässig gut gewährleistet. Hingegen sind regional (mehrere Kilometer) durchziehende und eindeutig korrelierbare Horizonte innerhalb der Effinger Schichten teils schwierig zu identifizieren. Der Aufbau der Effinger Schichten aus Bereichen mit Kalkmergeln und eingeschalteten Kalkbänken führt naturgemäss zu einer gewissen Variabilität der Gesteinseigenschaften in vertikaler Richtung. Durch die tektonische Überprägung können zusätzliche steilstehende Störungszonen entstehen. In den Effinger Schichten können entlang von Diskontinuitäten diskrete wasserführende Systeme nicht ausge-schlossen werden; wegen des erwarteten beschränkten "Channelings" und der kleinen Trans-missivitäten werden jedoch keine kontinuierlichen präferenziellen Freisetzungspfade mit ungünstigen Rückhalteeigenschaften erwartet.

Während Tongesteine weltweit sehr eingehend untersucht werden, sind Tonformationen mit kalkigen Einschaltungen international noch nirgends als mögliche Wirtgesteine in Betracht gezogen worden. In der Schweiz bestehen Erfahrungen mit solchen Wirtgesteinen dank der detaillierten Untersuchungen, die am Wellenberg und am Oberbauenstock durchgeführt wurden.

Aufgrund des völlig anderen geologisch-tektonischen Umfelds der Alpen sind diese Erfahrun-gen aber nur beschränkt auf die Effinger Schichten übertragbar.

Explorierbarkeit der räumlichen Verhältnisse (Kriterium 3.2)

Die Explorierbarkeit der räumlichen Verhältnisse wird anhand der Indikatoren 'Explorationsver-hältnisse im geologischen Untergrund' und 'Explorationsbedingungen an Oberfläche' erfasst.

Letzterer Indikator wird konfigurationsspezifisch in Kap. 5 beurteilt.

Die Explorationsverhältnisse im geologischen Untergrund werden anhand der Existenz von seismischen Markerhorizonten im oder in der Nähe des Wirtgesteins sowie der Homogenität des Wirtgesteins (inkl. lateraler Korrelationslängen) beurteilt. Aufgrund der eher bescheidenen seis-mischen Impedanzkontraste der Sedimentgesteinsabfolgen ober- und unterhalb der Effinger Schichten können die Ober- und Untergrenze des Wirtgesteinskörpers und die Lage von Störungszonen mittels 2D-Seismik nur mit gewissen Unsicherheiten erfasst werden. Vertikal-versätze von mehreren Metern sind aber voraussichtlich mit hochauflösender 3D-Seismik an Markern ausserhalb des Wirtgesteins noch erkennbar, ebenso der laterale Verlauf von Störungen mit einer Längserstreckung von mehr als 150 m. Kleinere durch tektonische Überprägung verur-sachte Störungen des Wirtgesteinskörpers können mit seismischen Untersuchungen von der Erdoberfläche aus nicht erfasst werden.

Die Identifikation von Kalkbankabfolgen, welche aus hydrogeologischer Sicht eine wichtige Rolle spielen, ist mit reflexionsseismischen Methoden wegen ihrer geringen Mächtigkeiten (in der Regel < 10 m) praktisch nicht möglich, ausser im Fall der Gerstenhübel-Schichten. Auf-grund ihres marinen Ursprungs und gemäss den Erfahrungen in grossen Aufschlüssen (v.a.

Steinbrüche) haben die Kalkbankabfolgen aber eine gewisse Kontinuität, so dass damit gerechnet werden kann, dass sie auch im Tiefenlager-Massstab mit Hilfe mehrerer Bohrungen untereinander korreliert werden können. Dadurch wird gewährleistet, dass Abfolgen mit ungünstigen Eigenschaften bei der Platzierung der Lagerkammern ausgewichen werden kann.

Einen wichtigen Aspekt hinsichtlich der Explorierbarkeit bilden kleinere, seismisch nicht erkennbare Störungen mit geringem vertikalen Versatz, welche im Schnittbereich mit Kalk-bankabfolgen eine erhöhte horizontale hydraulische Durchlässigkeit über längere Distanzen aufweisen können. Die Frage, ob Kalkbankabfolgen im Bereich von Störungen tatsächlich ungünstige Eigenschaften aufweisen, wäre im Rahmen von Standortuntersuchungen abzuklären.

Prognostizierbarkeit der Langzeitveränderungen (Kriterium 3.3)

Die günstige Beurteilung der Effinger Schichten bezüglich ihrer Fähigkeit der Langzeitisolation wird durch unabhängige Evidenzen bestätigt, wie sie z.B. in der EWS-Bohrung Oftringen gefunden wurden (saline Porenwässer, hohe Heliumgehalte im Porenwasser).

4.4.3.4 Bautechnische Eignung

Felsmechanische Eigenschaften und Bedingungen (Kriterium 4.1)

Erfahrungen aus dem Tunnelbau, vor allem im Faltenjura über die vergangenen hundert Jahre, haben gezeigt, dass Strassen- und Eisenbahntunnels in den Effinger Schichten mit Über-lagerungen von bis zu 600 m gebaut werden können. Die wenigen vorhandenen Literaturdaten und die Untersuchungen an Proben aus der EWS-Bohrung Oftringen zeigen für die Effinger Schichten deutlich höhere Steifigkeiten und Festigkeiten als für Opalinuston.

Generell sind die tonig-mergeligen und karbonatreichen Schichten in ihren felsmechanischen Eigenschaften heterogen und weisen eine grosse Bandbreite der einaxialen Druckfestigkeit auf.

Für die interessierende Tiefenlage liegen die Werte zwischen 50 und 90 MPa (je nach lithologischer Ausprägung und Wassergehalt). Aufgrund der petrophysikalischen Daten wird nur eine geringe Anisotropie in den felsmechanischen Eigenschaften erwartet. Im Vergleich zum Opalinuston ergibt dies einen kleineren Einfluss der Schichtung.

Dadurch stellen sich die bautechnischen Eigenschaften insgesamt günstiger dar. Beim Durch-fahren der Kalkbankabfolgen ist dem erhöhten Risiko für Firstniederbrüche mit geeigneten Ausbruchsicherungen zu begegnen. Gebietsweise (insbesondere in der Subjurassischen Zone) sind durch die tektonische Überprägung (kleinräumige Zerklüftung) zunehmende bautechnische Erschwernisse zu erwarten.

4.4.4 Mergel-Formationen des Helvetikums