Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' und ihre Rahmengesteine Entstehung und Hauptmerkmale Entstehung und Hauptmerkmale

Mit dem Begriff 'Brauner Dogger' wird hier eine Abfolge von tonreichen Gesteinseinheiten zusammengefasst, welche stratigraphisch zwischen dem Opalinuston und den Effinger Schichten liegen und ungefähr östlich der Aare im östlichen Tafeljura (Bereich nördlich der Lägeren bis Schaffhausen) vorkommen. Die Abfolge besteht einerseits aus mächtigeren Ton-steinen und Mergeln, die eine relativ grosse Ausdehnung besitzen, und andererseits aus Eisen-oolithen, Karbonatbänken, Hartgründen und Sandsteinen, die z.T. lokal ausgebildet, z.T. auch fast im ganzen Verbreitungsgebiet zu finden sind. Trotz der relativ grossen lithologischen Variabilität ist der Tongehalt im gesamten Abschnitt signifikant, d.h. auch die kalkigen und sandigen Bereiche weisen einen durchschnittlichen Tongehalt von etwas mehr als 10 Gew.-%

auf. Die tonreichste Einheit bilden die Parkinsoni-Württembergica-Schichten; sie sind litholo-gisch und mineralolitholo-gisch vergleichbar mit dem Opalinuston; insgesamt ist der Gesteinsaufbau im Meterbereich aber deutlich weniger homogen als derjenige des Opalinustons. Die

Tonge-steinsabfolge'Brauner Dogger'hatineinem beschränktenBereich zusammen mit ihren Rahmen-gesteinen das Potenzial für die erforderliche räumliche Ausdehnung für das SMA-Lager (Mächtigkeitbeträgtmindestens230 m;Tiefenlage 200–800 m u.T.; ausreichende laterale Aus-dehnung (vgl. Fig. 5.2-7)).

Die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' zeichnet sich durch eine gute Barrierenwirkung für Radionuklide aus, die primär durch den substanziellen Gehalt an quellfähigen Tonmineralen, die damit verbundene geringe Wasserführung und die guten Sorptionseigenschaften für Radio-nuklide gewährleistet wird. Die unteren Rahmengesteine (Opalinuston – Keuper) verfügen über eine sehr gute Barrierenwirkung, während die Barrierenwirkung bzw. die Mächtigkeit der oberen Rahmengesteine (Effinger Schichten) regional unterschiedlich ist.

Die Eigenschaften der Rahmengesteine der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' werden auch in Kap. 4.4.1 (Opalinuston als untere Rahmengesteine) resp. Kap. 4.4.3 (Effinger Schichten als obere Rahmengesteine) in Zusammenhang mit ihrer Charakterisierung als Wirtgesteine vertieft diskutiert.

4.4.2.1 Eigenschaften der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' und ihrer Rahmengesteine

Hydraulische Barrierenwirkung (Kriterium 1.2)

Aufgrund der feinen Porenstruktur und des erwarteten Selbstabdichtungsvermögens weist die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' trotz vergleichsweise heterogener Lithologie eine geringe hydraulische Durchlässigkeit auf. Die grösste bisher gemessene Durchlässigkeit beträgt 3 × 10^-11 m/s (Bohrung Herdern), grossräumig sind die horizontalen hydraulischen Durchlässig-keiten wahrscheinlich < 10^-11 m/s. In vertikaler Richtung dürften die Durchlässigkeiten wegen der tonreichen Lagen noch mindestens eine Grössenordnung tiefer liegen. Dies wird durch unabhängige hydrochemische Evidenzen bestätigt (Bohrung Benken): Gemäss den vorhandenen Daten verlaufen die Profile der natürlichen Tracer Chlorid, Wasserisotope und Helium innerhalb der Fehlergrenzen und natürlichen Streubreiten praktisch kontinuierlich vom Opalinuston durch den 'Braunen Dogger', d.h. es sind keine klaren Anomalien feststellbar, die auf eine Zirkulation von Grundwässern in einzelnen Gesteinseinheiten (z.B. Wedelsandstein) hinweisen.

Die Sandsteine des 'Braunen Doggers' sind aufgrund der diagenetischen Zementation sehr geringdurchlässig, und als Fliesswege kommen in erster Linie Sprödstrukturen (Klüfte und Störungen) in Frage. Deshalb sind etwas höhere effektive Durchlässigkeiten nicht vollständig auszuschliessen.

Um günstige Bedingungen für eine geringe Durchlässigkeit sicher zu stellen (genügende Kompaktion), ist eine Überdeckung von mindestens 300 m anzustreben (vgl. Kap. 5.2.2).

Geochemische Bedingungen (Kriterium 1.3)

Die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' weist grösstenteils hohe Tongehalte auf (tonreichste Einheiten vergleichbar mit Opalinuston). In den eher kalkigen und sandigen Bereichen beträgt der Tongehalt noch mindestens 10 %. Der hohe Gehalt an Tonmineralen verleiht dem 'Braunen Dogger' sehr gute Rückhalteeigenschaften (gutes Sorptionsvermögen, geochemische Puffer-kapazität, Kolloidfiltration). Die geochemischen Bedingungen sind aufgrund der mineralo-gischen Ähnlichkeit praktisch dieselben wie im Opalinuston, d.h. es werden saline stark redu-zierende Wässer erwartet. In den eher kalkigen Einheiten wird wegen der möglichen

Diskonti-nuitäten mit einer bescheidenen Kolloidfiltration gerechnet; da entlang des vertikalen Migra-tionspfads jedoch immer wieder mit tonreichen Einheiten mit günstigen Kolloidfiltrations-eigenschaften gerechnet werden kann, ist bezüglich der Kolloidfiltration insgesamt mit eher günstigen Bedingungen zu rechnen.

Freisetzungspfade (Kriterium 1.4)

Das Selbstabdichtungsvermögen der tonigsten Einheiten des 'Braunen Doggers' dürfte demje-nigen des Opalinustons entsprechen. Diese Einheiten können deshalb bezüglich ihrer Transport-eigenschaften insgesamt auch als äquivalent-poröses Medium aufgefasst werden. Im Bereich der kalkigen und sandigen Lagen ist grundsätzlich mit Diskontinuitäten zu rechnen. Allerdings sind dort Störungszonen mit einem gewissen Versatz möglicherweise abgedichtet, u.a. auch aufgrund von eingeschleppten Tonsteinsegmenten aus den umliegenden Schichten oder den tonigen Zwischenlagen. Störungen wurden in den bisherigen Bohrungen nirgends angetroffen.

Aufgrund lithologischer Überlegungen werden in Störungszonen durchschnittliche Transmissi-vitäten von weniger als 10^-10 m²/s erwartet, weil sie mehrheitlich tonige Abfolgen durch-schlagen. Die minimale Transportpfadlänge innerhalb der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' und ihrer Rahmengesteine wird durch die Schichtpaketmächtigkeit bestimmt. Schichtparallele Beiträge zur Transportpfadlänge innerhalb des 'Braunen Doggers' (oder seiner Rahmengesteine) sind in den kalkigen und sandigen Lagen denkbar (z.B. im Wedelsandstein), werden aber als von untergeordneter Bedeutung eingeschätzt. Die Beiträge der Rahmengesteine zur Transport-pfadlänge werden konfigurationsspezifisch beurteilt.

4.4.2.2 Langzeitstabilität

Beständigkeit der Gesteinseigenschaften (Kriterium 2.1)

Eine Bildung neuer Wasserwegsamkeiten durch Verkarstung ist in der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' nicht bekannt und aufgrund des lithologischen Gesamtaufbaus (vertikale und laterale Variabilität) und der mineralogischen Zusammensetzung auch nicht zu erwarten.

Lagerbedingte Einflüsse (Kriterium 2.3)

Lagerbedingte Einflüsse werden vor allem bezüglich 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).

Gegenüber dem Opalinuston ist im 'Braunen Dogger' aus lithologischen Gründen mit einer etwas höheren Gesteinsfestigkeit zu rechnen. Die grössere Heterogenität der Abfolge könnte sich aber für die Auflockerungszone als ungünstiger erweisen. Es wird erwartet, dass die hydraulische Durchlässigkeit in der Auflockerungszone während der Bau- und Betriebsphase erhöht ist, direkte Messungen liegen jedoch nicht vor. Für die Versiegelungsstrecken wird in den tonigsten Einheiten eine ähnliche Selbstabdichtung erwartet wie im Opalinuston. Ob ein solcher Prozess auch in den kalkigeren und sandigeren Einheiten wirksam sein wird, ist offen.

Mögliche negative Effekte dieser Einheiten in Bezug auf Ausbildung und Selbstabdichtung der Auflockerungszone können aber bei Bedarf durch eine optimierte Platzierung des Lagers und nötigenfalls durch bautechnische Massnahmen (z.B. Anpassung des Stollenprofils und Aus-räumen der Auflockerungszone) verringert werden.

Bezüglich der Freisetzung von im Lager gebildetem Gas werden wegen der grösseren Hetero-genität tendenziell etwas günstigere Bedingungen als im Opalinuston erwartet (niedriger Gas-eintrittsdruck).

Die wichtigsten geochemischen Auswirkungen betreffen Langzeiteffekte von alkalischen Zementporenwässern im Umfeld der Lagerkammern und die Oxidation des Wirtgesteins während der Bau- und Betriebsphase, wobei für beide Effekte keine signifikanten Auswirkun-gen auf die Barrierenwirkung erwartet werden.

Nutzungskonflikte (Kriterium 2.4)

Innerhalb der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' sind keine nutzbaren Rohstoffe bekannt. Die im süddeutschen Raum als Aquifere resp. Kohlenwasserstoff-Speichergesteine ausgebildeten Dogger-β-Sandsteine sind auf der schweizerischen Seite viel toniger beschaffen und werden deshalb nicht weiter als mögliche Speichergesteine für Kohlenwasserstoffe exploriert.

4.4.2.3 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 Gesteinsbe-schaffenheit und Variabilität der Gesteinseigenschaften, Existenz und Art von Diskontinuitäten als Folge der tektonischen Überprägung beurteilt.

Die relativ begrenzte Datenbasis für die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' erschwert belast-bare Aussagen über die Variabilität der Gesteinseigenschaften. Aufgrund der kalkigen und sandigen Einschaltungen weist der 'Braune Dogger' naturgemäss eine vergleichsweise höhere Heterogenität auf. Der lateralen Extrapolierbarkeit der relevanten Wirtgesteinseigenschaften über grosse Distanzen sind daher Grenzen gesetzt. Offen ist auch, inwieweit die kalkigen und sandigen Einheiten in einem potenziellen Standortgebiet aufgrund weniger Bohrungen im Detail korrelierbar wären. Auf der anderen Seite zeigen die mineralogischen Untersuchungen und die hydraulischen Tests, dass sich die Heterogenität in Grenzen hält und die Verhältnisse in dieser Hinsicht insgesamt als günstig einzustufen sind. Es sind auch keine kontinuierlichen präferen-ziellen Freisetzungspfade mit ungünstigen Rückhalteeigenschaften zu erwarten, denn in verti-kaler Richtung werden die eher kalkigen Einheiten immer wieder von tonreichen Einheiten abgelöst.

Während Tongesteine weltweit sehr eingehend untersucht werden, sind Tonformationen mit kalkigen und sandigen Einschaltungen international noch nirgends als mögliche Wirtgesteine für radioaktive Abfälle in Betracht gezogen worden. Weil grosse Bereiche der Tongesteins-abfolge 'Brauner Dogger' ähnliche Eigenschaften wie Opalinuston aufweisen, kann man trotz-dem von den vorhandenen Erfahrungen profitieren.

Explorierbarkeit der räumlichen Verhältnisse (Kriterium 3.2)

Die Explorierbarkeit der räumlichen Verhältnisse wird mit den Indikatoren 'Explorationsverhält-nisse im geologischen Untergrund' und 'Explorationsbedingungen an Oberfläche' erfasst.

Letzterer wird konfigurationsspezifisch in Kap. 5 beurteilt.

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 sowie stratigraphischen Informationen können die Untergrenze und teilweise auch die Obergrenze des Wirtgesteinskörpers und die Lage von Störungszonen mittels 2D-/3D-Seismik zuverlässig erfasst werden.

Vertikalversätze von einigen Metern sind vermutlich wie im Opalinuston mit hochauflösender 3D-Seismik noch erkennbar, ebenso der laterale Verlauf von Störungen mit einer Längser-streckung von mehr als 150 m. Die Identifikation von kalkigen und sandigen Untereinheiten ist mit reflexionsseismischen Methoden wegen der variablen und relativ geringen Mächtigkeiten und relativ geringen Impedanzkontraste nur ansatzweise oder gar nicht möglich. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass bei einer Abwesenheit markanter Reflektoren innerhalb des 'Braunen Doggers' mächtigere (> 20 m) Kalk- und Sandsteinlagen mit grosser Wahrscheinlich-keit auszuschliessen sind.

Die flächenhafte Explorierbarkeit der Geometrie der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' ist aufgrund eines tiefer liegenden Markerhorizonts und der Isopachenkarte des Opalinustons weit-gehend gegeben, wenn auch mit einer weniger guten Qualität als beim Opalinuston. Die ausge-prägte Variabilität der Gesteinsausbildung und Mächtigkeit der einzelnen Schichten ergibt einen lateral eingeschränkten Gültigkeitsbereich für die Wirtgesteinseigenschaften, die z.B. in einer Bohrung erhoben werden. Örtlich beschriebene Eigenschaften sind also nur bedingt auf das ganze Standortgebiet oder auf andere Standorte übertragbar.

Prognostizierbarkeit der Langzeitveränderungen (Kriterium 3.3)

Die Fähigkeit des 'Braunen Doggers' zur Langzeitisolation wird durch unabhängige hydro-chemische Evidenzen bestätigt (Bohrung Benken). Gemäss den vorhandenen Daten verlaufen die Profile der natürlichen Tracer Chlorid, Wasserisotope und Helium innerhalb der Fehler-grenzen und natürlichen Streubreiten praktisch kontinuierlich vom Opalinuston durch den 'Braunen Dogger', d.h. es sind keine klaren Anomalien feststellbar, die auf eine Zirkulation von Grundwässern in einzelnen Gesteinseinheiten (z.B. Wedelsandstein) hinweisen.

4.4.2.4 Bautechnische Eignung

Felsmechanische Eigenschaften und Bedingungen (Kriterium 4.1)

In der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' sind im betrachteten Verbreitungsraum keine Untertagebauten und keine felsmechanischen Laborversuche für dieses Gestein bekannt. Auf-grund von lithologischen Analogien und der ähnlichen maximalen Versenkungstiefe ist davon auszugehen, dass die Festigkeiten der tonig-mergeligen Partien dem Opalinuston ähnlich sind.

Die vorhandenen Einschaltungen kalkiger und sandiger Partien lassen zwar höhere Gesteins-festigkeiten als die tonig-mergeligen Schichten erwarten, werden aber die Homogenität des Gebirges vermindern.

Es wird daher davon ausgegangen, dass die bautechnische Machbarkeit für SMA-Lagerkam-mern im intakten 'Braunen Dogger' gegeben ist. Um die bautechnischen Bedingungen zu ver-bessern, ist eine Reduktion der maximalen Tiefenlage der Lagerkammern von 800 m u.T. auf 700 m u.T. (je nach tektonischer Überprägung) anzustreben (vgl. Kap. 5.2.2).

4.4.3 Effinger Schichten