Opalinuston mit seinen Rahmengesteinen Entstehung und Hauptmerkmale Entstehung und Hauptmerkmale

Der Opalinuston ist als Gesteinsformation im Tafel- und Faltenjura sowie im Molassebecken weit verbreitet und wird an zahlreichen Abbaustellen v.a. als Rohstoff für die Ziegelei-Industrie genutzt. Über die Vorkommen in grösseren Tiefen kann auf eine breite Basis von Erfahrungen, Kenntnissen und Daten zugegriffen werden: Untertagebauten (Eisenbahn- und Strassentunnel), Erdöl- und Erdgasbohrungen, Sondierbohrungen für Bau-, Deponie- und Entsorgungsprojekte sowie reflexionsseismische Untersuchungen.

Der Opalinuston entstand in einem epikontinentalen Flachmeer während der Jurazeit vor rund 174 Millionen Jahren. Der Ablagerungsraum war vergleichsweise wenig strukturiert; fein-körnige Feststoffe (Ton, Silt, Sand) bildeten als eingeschwemmte Erosionsprodukte des umlie-genden Festlands über grosse Flächen des Meeresgrunds eine einheitliche, in ihrer Zusam-mensetzung weitgehend homogene Schlammschicht. Diese wurde im Lauf der Erdgeschichte (durch Auflast der später abgelagerten bis 1700 m mächtigen Sedimente) allmählich zu einer Tonsteinschicht verfestigt (konsolidiert).

Die Entstehungsbedingungen führten zu den kennzeichnenden Eigenschaften des Opalinustons.

Zu den besonderen Merkmalen zählen insbesondere die auch über grössere Distanzen hinweg bestehende geringe Variabilität in der sedimentologischen Ausbildung sowie die vergleichs-weise geringen Schwankungen der Schichtmächtigkeit. Diese grosse räumliche Ausdehnung einer weitgehend homogen aufgebauten Tonsteinschicht kommt insbesondere durch die mineralogische Zusammensetzung des Opalinustons zum Ausdruck, die von der Nordost-schweiz (Nagra-Tiefbohrungen) bis in den Faltenjura (Felslabor Mont Terri) weitgehend identisch ist, wobei auch die relativen Verhältnisse der einzelnen Minerale nur in beschränktem Mass schwanken.

In der östlichen Subjurassischen Zone und im östlichen Tafeljura weist der Opalinuston das Potenzial für die erforderlichen geometrischen Verhältnisse für das SMA-Lager auf (Mächtig-keitvon mindestens100 m, teilweise unter Inanspruchnahme der einschlusswirksamen Rahmen-gesteine⁹⁰; Tiefenlage 200 – 800 m u.T.; ausreichende laterale Ausdehnung; vgl. Fig. 5.2-1).

Der Opalinuston zeichnet sich durch eine sehr gute Barrierenwirkung für Radionuklide aus, die primär durch den substanziellen Gehalt an quellfähigen Tonmineralen, der damit verbundenen geringen (vernachlässigbaren) Wasserführung und den guten Sorptionseigenschaften für Radio-nuklide gewährleistet wird. Auch die Rahmengesteine verfügen mehrheitlich über eine sehr gute Barrierenwirkung, die jedoch von den örtlichen Bedingungen abhängt. Die Bedeutung der Rahmengesteine wird deshalb in Kap. 5 (Bewertung der Bereiche hinsichtlich ihrer Konfigura-tion) diskutiert.

Für die Diskussion der oberen Rahmengesteine (Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' und Effinger Schichten) wird auf die entsprechenden Beiträge in Kap. 4.4.2 und 4.4.3 verwiesen.

Bei den unteren Rahmengesteinen (Lias – Keuper) handelt es sich um eine Abfolge von gering-durchlässigen Schichten mit vereinzelten Einschaltungen von potenziell wasserführenden Schichten, deren laterale Kontinuität allerdings lokal beschränkt ist.

90 In Regionen, in denen der Opalinuston Mächtigkeiten unter 100 m aufweist, werden Beiträge von geringdurch-lässigen Rahmengesteinen im Hangenden und Liegenden zur Mächtigkeit des Wirtgesteins dazugezählt.

4.4.1.1 Eigenschaften des Opalinustons mit seinen Rahmengesteinen Hydraulische Barrierenwirkung (Kriterium 1.2)

Der Opalinuston verfügt mit seinen verhältnismässig hohen Anteilen an quellfähigen Tonmine-ralen über die Fähigkeit zur Wasseraufnahme und Quellung. Diese Eigenschaft führt unter anderem dazu, dass die durch tektonische Überprägung entstandenen oder zukünftig ent-stehenden Risse, Klüfte oder Störungen im Gesteinsverband bei Wasserzutritt wieder ver-schlossen werden. Untersuchungen und Beobachtungen in Bohrungen und Tunneln im Opa-linuston weisen darauf hin, dass sich die hydraulische Durchlässigkeit von Störungen praktisch nicht von derjenigen des ungestörten Gesteins unterscheidet, sofern die Gesteinsüberlagerung mindestens 200 m beträgt.

Aufgrund der feinen Porenstruktur und des ausgeprägten Selbstabdichtungsvermögens weist der Opalinuston eine sehr geringe hydraulische Durchlässigkeit auf (K-Wert parallel zur Schichtung im Bereich von ca. 10^-12 bis 10^-13 m/s oder weniger, im Zürcher Weinland (Bohrung Benken)

≤ 10^-13 m/s, senkrecht zur Schichtung ca. Faktor 5 niedriger). Der Stofftransport wird selbst für vergleichsweise grosse hydraulische Gradienten (ca. 1 m/m) durch Diffusion dominiert. Dies wird durch unabhängige Evidenzen bestätigt, insbesondere durch den Gehalt an salinen Wässern bzw. deren Verweilzeiten und durch die Präsenz von durch Diffusion geprägten Profilen von Wasserinhaltsstoffen. Die ursprünglich (während der Sedimentation) eingeschlossenen marinen Porenwässer wurden durch Kompaktion grossenteils ausgepresst, haben aber im verbleibenden kleinen Porenraum über geologische Zeiträume hinweg noch ein Drittel der Meerwassersalinität beibehalten.

Geochemische Bedingungen (Kriterium 1.3)

Der Opalinuston besteht aus feinkörnigen kontinentalen Verwitterungs- und Erosionsprodukten (vorwiegend Tonminerale und Quarz), marinen Karbonaten und diagenetischen Neubildungen (z.B. Pyrit). Der vergleichsweise hohe Gehalt an Tonmineralen (40 – 80 %) und weiteren Mineralen verleiht dem Opalinuston sehr gute Radionuklid-Rückhalteeigenschaften (ausgepräg-tes Selbstabdichtungsvermögen, sehr niedrige hydraulische Durchlässigkeit, gu(ausgepräg-tes Sorptions-vermögen, Kolloidfiltration, geochemische Pufferkapazität). Auch die tonreichen Rahmen-gesteine haben ähnliche Eigenschaften. Die geringe Durchlässigkeit bildet eine sehr gute Voraussetzung für eine fortbestehende geochemische Stabilität innerhalb der Gesteinsformation.

Freisetzungspfade (Kriterium 1.4)

Durch das ausgeprägte Selbstabdichtungsvermögen erweisen sich selbst deformierte, verfaltete und z.T. zerscherte Opalinuston-Schichten in Untertagebauten als sehr geringdurchlässig. Dieser Befund wird gestützt durch die weitgehende Absenz von Mineraladern und Alterationen; dies weist darauf hin, dass auch in der geologischen Vergangenheit keine bedeutenden Gestein-Wasser-Interaktionen bzw. keine signifikanten Wasserflüsse stattgefunden haben. Der Opalinus-ton kann deshalb bezüglich seiner Transporteigenschaften grossräumig als äquivalent-poröses Medium aufgefasst werden. Allenfalls vorhandene Diskontinuitäten unterscheiden sich hydraulisch kaum von der ungestörten Gesteinsmatrix; ihre Transmissivität ist sehr gering (T < 10^-12 m²/s). Innerhalb des Opalinustons und seiner Rahmengesteine wird die minimale Transportpfadlänge durch die Schichtpaketmächtigkeit bestimmt. Schichtparallele Beiträge zur Transportpfadlänge innerhalb des Opalinustons sind kaum von Bedeutung.

4.4.1.2 Langzeitstabilität

Beständigkeit der Gesteinseigenschaften (Kriterium 2.1)

Infolge des geringen Karbonatgehalts des Gesteins und der Abwesenheit karbonatreicher Schichten sind Karsterscheinungen, d.h. die Bildung neuer Wasserwegsamkeiten infolge Karbonatlösung, ausgeschlossen.

Lagerbedingte Einflüsse (Kriterium 2.3)

Lagerbedingte Einflüsse werden vor allem bezüglich Gesteinsauflockerung im Bereich der Versiegelungsstrecken des SMA-Lagers als wichtig beurteilt. Andere lagerbedingte Einflüsse im SMA-Lager sind entweder irrelevant (Temperatur), können mit baulichen Massnahmen kontrolliert werden (Auswirkungen der Gasbildung) oder spielen nur eine untergeordnete Rolle (Auflockerungszone im Bereich der Lagerkammern, chemische Wechselwirkungen zwischen Zementporenwässern in Lagerkammern und dem Wirtgestein).

Das Selbstabdichtungsvermögen des Opalinustons begünstigt auch das Verhalten der Auf-lockerungszone. Nach Einbringen der Versiegelung wird sich die Auflockerungszone in den Versiegelungsstrecken allmählich wieder aufsättigen. Diese Aufsättigung (einschliesslich zeit-abhängiger Deformation, Quellung und Desintegration des Gesteins) und das Quellen des Ver-siegelungsmaterials führen zu einer signifikanten Reduktion der Durchlässigkeit der Risse und Klüfte in der Auflockerungszone des Opalinustons.

Die wichtigsten lagerbedingten geochemischen Effekte sind Langzeitauswirkungen von alkali-schen Zementporenwässern auf das Umfeld der Lagerkammern und die Oxidation des Wirt-gesteins während der Bau- und Betriebsphase. Die Umwandlungszone als Folge der alkalischen Zementporenwässer ist räumlich sehr beschränkt und nicht nachteilig für die Langzeitsicherheit;

die gebildeten Sekundärminerale führen allenfalls zu einer erhöhten Sorptionskapazität für Radionuklide. Der bedeutendste Oxidationsprozess im Opalinuston betrifft die Oxidation von Pyrit. Verschiedene Untersuchungen (Mont Terri, Eisenbahntunnel) zeigen, dass auch bei einer langen Betriebsdauer nur ein kleiner Teil des Pyrits oxidiert, mit vernachlässigbaren Aus-wirkungen auf die Barriereneigenschaften des Opalinustons.

Die Freisetzung von im Lager gebildetem Korrosions- und Degradations-Gas wird bei geeig-neter Auslegung des Lagers (insbesondere Wahl von geeigneten Verfüll- und Versiegelungs-materialien der Zugangsstollen) keine kritische Beeinträchtigung der Barriereneigenschaften des Opalinustons zur Folge haben (vgl. Nagra 2008f).

Nutzungskonflikte (Kriterium 2.4)

Der Opalinuston wird in erster Linie als Ziegelei-Rohstoff in der Nordschweiz in verschiedenen Tongruben abgebaut. Diese Nutzung dürfte auch in Zukunft auf die Erdoberfläche beschränkt bleiben, so dass im tiefen Untergrund kein Nutzungskonflikt besteht.

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

Die Charakterisierbarkeit der Eigenschaften des Wirtgesteins bzw. des einschlusswirksamen Gebirgsbereichs wird anhand der Indikatoren 'Variabilität der Gesteinseigenschaften im Hin-blick auf ihre Charakterisierbarkeit' und 'Erfahrungen' erfasst.

Der Indikator 'Variabilität der Gesteinseigenschaften im Hinblick auf ihre Charakterisierbarkeit' wird anhand der Merkmale Lagerungsverhältnisse, Homogenität / Heterogenität der Gesteins-beschaffenheit und Variabilität der Gesteinseigenschaften, Existenz und Art von Diskontinui-täten als Folge der tektonischen Überprägung beurteilt. Der einheitliche, uniforme Aufbau und die laterale Kontinuität der lithologischen Ausbildung des Opalinustons, welche durch das ruhige marine Ablagerungsmilieu in einem wenig strukturierten Sedimentationsbecken bedingt sind, gewährleisten eine laterale Extrapolierbarkeit der relevanten Wirtgesteinseigenschaften über grössere Distanzen. Auch die Übertragbarkeit der Wirtgesteinseigenschaften von einer Lokalität (z.B. Felslabor Mont Terri) auf die identifizierten Bereiche ist generell möglich, insbe-sondere weil die Auswirkungen unterschiedlicher Randbedingungen (z.B. Versenkungsge-schichte, tektonische Überprägung) auf die interessierenden Gesteinseigenschaften abgeschätzt werden können. Weiter lässt der sedimentäre Aufbau des Opalinustons keine Elemente erwar-ten, die sich ungünstig auf die hydraulischen Eigenschaften und den Stofftransport auswirken könnten; insbesondere sind auch bei tektonischer Überprägung wegen des guten Selbst-abdichtungsvermögens keine präferenziellen Freisetzungspfade mit ungünstigen Rückhalte-eigenschaften zu erwarten.

Die generellen Erfahrungen, die im Rahmen von Entsorgungsprojekten mit dem Wirtgestein Opalinuston im Inland (Projekt Entsorgungsnachweis, Felslabor Mont Terri) sowie mit ver-gleichbaren Gesteinen im Ausland (z.B. Callovo-Oxfordian-Tonsteine in Frankreich) gemacht werden, sind insgesamt als sehr günstig zu bezeichnen.

Explorierbarkeit der räumlichen Verhältnisse (Kriterium 3.2)

Der Indikator 'Explorationsverhältnisse im geologischen Untergrund' wird anhand der Existenz von seismischen Markerhorizonten im oder in der Nähe des Wirtgesteins sowie anhand der Homogenität des Wirtgesteins (inkl. lateraler Korrelationslängen) beurteilt. Aufgrund der seis-mischen Impedanzkontraste der Sedimentgesteinsabfolgen ober- und unterhalb des Opalinus-tons können die Untergrenze und teilweise auch die Obergrenze des Wirtgesteinskörpers und die Lage von Störungszonen mittels 2D-/3D-Seismik zuverlässig erfasst werden. Vertikalver-sätze von einigen Metern sind mit hochauflösender 3D-Seismik noch erkennbar, ebenso der laterale Verlauf von Störungen mit einer Längserstreckung von mehr als 150 m. Kleinere durch tektonische Überprägung verursachte Störungen des Wirtgesteinskörpers sowie schichtparallele Scherzonen können jedoch mit seismischen Untersuchungen von der Erdoberfläche aus nicht erfasst werden. Das Potenzial einer zukünftigen Standortexploration mittels 3D-Seismik und Bohrungen wird aufgrund der Erfahrungen im Zürcher Weinland als sehr gut eingestuft.

Prognostizierbarkeit der Langzeitveränderungen (Kriterium 3.3)

Die Qualität des Opalinustons bezüglich Langzeitisolation wird durch unabhängige Evidenzen bestätigt, insbesondere durch den Gehalt an salinen Wässern und deren Verweilzeiten sowie durch die Präsenz von durch Diffusion geprägten Profilen von Wasserinhaltsstoffen. Die ur-sprünglich (während der Sedimentation) eingeschlossenen marinen Porenwässer wurden durch Kompaktion grossenteils ausgepresst, haben aber im verbleibenden kleinen Porenraum über geologische Zeiträume hinweg noch ein Drittel der Meerwassersalinität beibehalten.

4.4.1.4 Bautechnische Eignung

Felsmechanische Eigenschaften und Bedingungen (Kriterium 4.1)

Erfahrungen über mehr als hundert Jahre mit Untertagebauten zeigen, dass die Eisenbahn- und Strassentunnels im Opalinuston (vor allem im Faltenjura) meist ohne grössere Schwierigkeiten bei Überlagerungen von bis zu 800 m realisiert werden konnten. Dies gilt auch bei vergleichs-weise starker tektonischer Überprägung mit zahlreichen Störungen, wie dies im Faltenjura der Fall ist. In Tunnelabschnitten mit erhöhter Frequenz von Scherzonen erfolgten aber zum Teil grössere Niederbrüche.

Die einaxialen Druckfestigkeiten ohne Berücksichtigung der Schichtung liegen je nach litholo-gischer Ausprägung, Konsolidierung und Wassergehalt zwischen 10 und 30 MPa, wobei die sandige Fazies eher im oberen Festigkeitsbereich und die tonige Fazies im unteren liegen. Der Opalinuston hat aufgrund seiner Ablagerungs- und Kompaktionsgeschichte anisotrope (trans-versal isotrope) Eigenschaften, die zu reduzierten Festigkeiten in der Schichtung führen.

Die SMA-Lagerkammern mit relativ grossen Ausbruchquerschnitten müssen mit einem angemessenen Ausbau gesichert werden. Die bautechnische Machbarkeit ist generell gewähr-leistet; beim Bau der Lagerkammern sind allerdings Erschwernisse, welche anspruchsvolle Bau-verfahren erforderlich machen, nicht auszuschliessen.

Um die bautechnischen Bedingungen zu verbessern, ist eine Reduktion der maximalen Tiefen-lage der Lagerkammern von 800 m u.T. auf 700 m u.T. (je nach tektonischer Überprägung bzw.

erwartetem Trennflächengefüge) anzustreben (vgl. Kap. 5.2.1).

4.4.2 Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' und ihre Rahmengesteine