sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — Del II Att hantera kärnavfallets risker. En översikt över metoder, problem och möjligheter 3Några geologiska, geo- dynamiska och geofysiska undersökningsmetoder vid lokalisering av underjords- anläggningar i hårt berg Syftet med föreliggande redovisning är att ge en överskådlig presentation av några viktiga geoveten- skapliga undersökningsmetoder, genom en kritisk granskning visa om något eller några undersökningsmoment eller viktiga uppgifter saknas i sam- band med platsval samt om ytterligare undersökningsmeto- der kan behöva utvecklas för det fortsatta lokaliserings- arbetet eller i det kommande detaljundersökningsskedet för ett slutförvar för använt kärnbränsle. Genomgången koncentreras till geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder som bedömts vara av särskilt intresse. Någon systematisk genomgång av utvärderingsmetodik och modellering ingår inte. Kvartärgeologiska undersöknings- metoder samt rent kemiska metoder har inte heller tagits med i denna genomgång. Ett viktigt krav inom samhällsbyggnad och för framtiden är att lokalisering, projektering och konstruktion av anläggningar i berg, t.ex. för slutförvaring av använt kärnbränsle, kan göras på ett miljöriktigt och säkert sätt. För detta krävs en omfattande och noggrann information om bergets egenskaper. Kunskapen behövs också för att utformningen skall bli optimal och för att anläggningsarbetet skall kunna genomföras på ett tekniskt och Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder ekonomiskt bra sätt under beaktande av miljön och säkerheten. Anläggningen skall kunna uppfylla ställda krav under hela dess tänkta livstid, dvs. ca 100 för ett förvar för använt kärn- bränsle. Bergets främsta uppgift i ett slutförvar för radioaktivt avfall är att tillgodose stabila mekaniska, hydrauliska och kemiska för- hållanden, som är gynnsamma för kapselns och lerbarriärens hållbarhet. Urlakning av bränslets radionuklider skall hindras och fördröjas i det längsta. Lokaliseringen av ett djupförvar till en lämplig berggrund som uppfyller dessa mekaniska och kemiska förhållanden är således avgörande. För att kunna ut- värdera mekanisk stabilitet krävs kunskap om berggrunden och dess äldre och senaste geologiska historia. För att utvärdera den kemiska stabiliteten krävs kunskap om rådande naturliga för- hållanden och om de ämnen i vattnet som påverkar buffertens och kapselns stabilitet. Vidare fordras kunskap om parametrar som inverkar på utvecklingen av vattenkemin, såsom olika grundvattentyper och deras ursprung samt viktiga reaktiva pro- cesser såväl i berggrunden som i ovanförliggande jordlager och biosfären. I syfte att lokalisera slutförvaret till en plats som uppfyller de ställda säkerhetsmässiga målen behövs således geo- logisk metodik i vid bemärkelse. I rapporten och generellt genom- förandeprogram för platsundersökningar (SKB 2001), anges tillvägagångssätt för att samla in uppgifter om geovetenskapliga förhållanden under olika steg i platsvalet. En översikt ges med flödesscheman för jordarter, bergartsfördelning, struktur, hydro- logi, och geokemi. Kartläggningen inbegriper direkta geologiska undersöknings- metoder, såsom observationer på berghällar, grävning och borrning. Dessa metoder har en stark begränsning i vertikalled och undersökningsdjupet blir inte större än borrdjupet. Problem uppstår även i horisontalled då observationer från spridda borrhål måste sammanbindas. Sprickzoner är ofta förknippade med rörelser i jordskorpan. Dessa rörelsezoner har varit aktiva under olika geologiska perioder. Enstaka zoner kan antas vara SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Ett kännetecken för rörelsezoner är de mönster som kan ses i olika typer av data och som har uppkommit vid intensiv och långvarig skjuvning mellan stora jordskorpeblock. De direkta eller indirekta metoder som används för att beskriva geologin är statiska i den meningen att berggrundens tillstånd och egenskaper karakteriseras i nutid. Den dynamiska aspekten i geologin, dvs. utvecklingen med tiden, kräver geo- dynamiska undersökningsmetoder för observation av föränd- ringar i specifika naturliga referensstrukturer eller i referens- system som upprättas för ändamålet. Detta är särskilt av vikt i den svenska geologiska miljön med mycket unga sedimentära avlagringar (jordarterna), som bildats under och efter istiden, direkt ovanpå mycket gamla kristallina bergarter som bildats för över en miljard år sedan. Den geologiska utvecklingen, såsom den kan avläsas i jordarterna, omspänner därför ett mycket kort tidsintervall (några tiotusentals år som mest) medan utveck- lingen, som kan avläsas i den kristallina berggrunden inträffade för oerhört länge sedan. Trots att jordlagerföljden bara inne- håller spår från en kort geologisk tidsperiod så är den det enda mediet i vilken den geologiska utvecklingen i närtiden kan avläsas. För att kunna göra prognoser över den geologiska utvecklingen hos ett planerat förvar för kärnavfall krävs att de geodynamiska undersökningarna sträcker sig över ett tillräckligt långt tidsavsnitt. För sådana studier finns fler hjälpmedel utvecklade än vad som fanns när frågan om kärnavfallets förvaring i berggrunden först diskuterades. Sprickzoner är normalt svåråtkomliga för direkt observation på grund av erosion som gör att de återfinns i terrängens jord- täckta sänkor. De rörelseindikatorer som ibland kan observeras är dessutom ofta mycket gamla och vittnar om zonens egen- skaper under helt andra förhållanden än dagens. Därför behöver också indirekt kartläggning utföras, såsom flygbildstolkning och med användande av geofysiska undersökningsmetoder. Dessa är känsliga för den kontrast i fysikaliska egenskaper, som dels karakteriserar övergången från jord till berg eller från ett bergparti till ett annat i t.ex. en sprickzon, dels betingas av olika Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder vattenhalt och vattenkemi. Under gynnsamma omständigheter ger de geofysiska metoderna en systematisk djupavkänning, ned till flera kilometer, som sträcker sig avsevärt längre än vad som vanligtvis kan åstadkommas med direkta observationer. De återspeglar dessutom egenskaper i ett av undersökningen ostört tillstånd. Till kartläggningsmetoderna för sprickzoner hör också analys av digitala höjddata och flygbilder. I sprickzonerna är berggrunden ofta lösgjord och kan därför vittra bort eller transporteras bort lättare (t.ex. med isflödet ) än opåverkad berggrund. Sänkor i terrängen och topografiska kanter kan därför utgöra synliga spår av sprickzoner. De bör dock undersökas med geofysiska mätningar för att bekräfta att det också finns ett tillräckligt djupgående. Det finns emellertid en skillnad i fråga om vad geofysik respektive geologi representerar. Båda angreppssätten betraktar samma material i samma tillstånd och . Varje undersökningsmetod är emellertid begränsad till vad som fak- tiskt kan mätas men detta är inte nödvändigtvis det som skulle behöva mätas. Mätningar kräver en analys varigenom mätvärdena överförs till modeller av verkligheten. Dessa modeller präglas av rådande uppfattningar, önskade resultat och framförallt av antaganden om det som inte har kunnat mätas. 3.2.1Strukturella och bergmekaniska studier Bergarternas mekaniska stabilitet bestäms av de olika mineral- komponenterna och områdets strukturgeologiska historia. Berg- arternas strukturer är dels plastiska (t.ex. veckning och för- skiffring) och dels spröda (t.ex. sprickor, förkastningar och krosszoner) (och 1998). Dessa fenomen brukar rymmas inom begreppet tektonik och är ett resultat av berg- grundens geologiska utveckling samt av det tektoniserade mate- rialets ursprungliga sammansättning. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder således en stor roll i ett slutförvarsperspektiv och berggrundens sprickmönster bestämmer förvarets slutgiltiga utformning. Studier av blocktektoniska mönster i urbergsområden visar att två typer av berggrundsblock är vanliga. Skjuvlinser är avgränsade av vindlande skjuvzoner och har formats i samband med hori- sontella djupgående blockrörelser. Figur 3.1 och 3.2 visar exem- pel på linsformade bergblock. Typiskt är ett vindlande förlopp av enskilda zoner förenade i ett nät med mellanliggande skjuvlinser. Hela nätet kan vara 100-tals km långt och flera 10-tals km brett. Till detta kommer det mera regelbundna blockmönster som uppstår i den allra översta delen av jordskorpan på grund av närheten till den fria markytan. Plintar är avgränsade av raka lineament och har formats genom uppsprickning och block- rörelse i den allra översta delen av jordskorpan (ett exempel på sådana block ges i figur 3.4). Analys av seismiska ytvågor visar att den kristallina jordskorpans översta har en lägre seismisk våghastighet, vilket kan förklaras med förekomsten av sprick- och krosszoner (, 1994). Dessa mönster överpräglar ofta äldre deformationer (t.ex. förskiffring och veckning). Överpräglingen kan vara diskordant (dvs. skärande äldre riktningar) men i större skjuvzoner följer de nya rörelserna gärna gamla svaghetsstrukturer i jordskorpan. Då uppkommer ett mycket komplicerat mönster som dessutom är svårt att iaktta i fält eftersom de mest uppkrossade delarna i zonerna är bort- eroderade. Det är också svårt att borra genom dessa zoner och att få tillräckligt med borrkärnor för att detaljstudera rörelsemönstren eftersom uppkrossade delar av berget ofta ger upphov till borr- kärneförluster. De bättre bevarade delarna i en skjuvzon är relativt äldre och de referensstrukturer som kan användas för att bestämma rörelsesättet är normalt mycket gamla. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Utsnitt av topografisk karta från nordöstra . Den topografiskt synliga Forsmarkslinsen är tolkad från höjddata. Linsen är nedsänkt i terrängen och sträcker sig diagonalt över kartutsnittet. Det tydliga tvärgående steget i terrängen i mitten på linsen är förmodligen en förkastning med det sydöstra blocket sänkt. Forsmarklinsen är och (ur Terrängkarta © Lantmäteriet 2004, medgivande M 2004/3790). Kartläggningen av större sprickzoner, skjuvzoner och block- former görs framförallt genom tolkning av tyngdkrafts-, flyg- magnetiska-, flygVLF- och digitala höjddata. Kartläggningen kan göras både i regional skala och lokalt. För mindre områden ökas upplösningen genom att mätningarna utförs i nät med 10 eller 20 m punktavstånd. Från sådana data går det i gynnsamma fall att beräkna stupningen för de enskilda zonerna och den med tiden ackumulerade förskjutningen samt riktningen för blockrörelsen. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Utsnitt av flygmagnetisk karta från det inre av . Skjuvzoner syns som lågmagnetiska (ljusa) stråk. Murjeklinsen i den västra kartkanten är tolkad från magnetdata. Den tvärgående lågmagnetiska zonen mitt i linsen är förmodligen en förkastning med det sydöstra blocket uppskjutet över det nord- västra. Murjeklinsen är och (flygmagne- tisk mätning, data från Geologiska Undersökning, SGU, medgivande 30-915/2004). Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Sprickzon stråk (1 m ) genom berggrunden med stor fre- kvens av sprickor (0,0,1 m), Krosszon område med krossat berg orsakat av kraftig deformation, Skjuvzon berggrundsområde (1 m ) med intensiv deformation orsakad av skjuvning, Rörelsezon stråk i berggrunden där berggrundblock har förskjutits (= förkastningszon), Skjuvlins berggrundsblock som omsluts av skjuvzoner, Plint berggrundsblock som omsluts av raka lineament. Rörelsezoner i berggrunden betecknas enligt följande, med hänsyn till den relativa rörelsen mellan de inblandade blocken i vertikalled och/eller horisontalled: Normalförkastning det ena blocket är sänkt, Revers förkastning det ena blocket är uppskjutet över det andra, Överskjutning revers förkastning med liten vinkel mot horisontal- Horisontalförkastning det motstående blocket har rört sig åt höger (dextral), eller vänster (sinistral). Deformationszoner runt en bergartskropp (en tektonisk lins) kan medföra att den tektoniska linsen är mindre deformerad än den omgivande berggrunden och att framtida deformation upp- tas i dessa zoner. Detta förutsätter att det är stor skillnad i deformerbarhet (kompetens) på materialet i, respektive omkring linsen. I kristallin berggrund är det dock oftast ingen större skillnad i kompetens. Vid fortsatt deformation i de omgivande rörelsezonerna kan linsen tryckas ihop eller töjas isär med risk för att den bryts sönder. I figur 3.1 och 3.2 visas exempel på linser som tväras av förkastningszoner. Linsen kan i vissa fall vara gynnsam som lokaliseringsplats för ett slutförvar om den har tillräcklig utbredning såväl vertikalt som horisontellt. Berg- spänningarna i en sådan tektonisk lins kan emellertid vara höga, SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder vilket är en nackdel ur lokaliseringssynpunkt. För att utröna dessa spänningar görs bergsspänningsmätningar. Med geodetiska observationsnät kan man avgöra på vilket sätt zonerna omkring linsen är aktiva. Bergspänningens orientering i 3-dimensioner (dvs. stressfältet) kan beräknas från registreringar av större jordskalv och från mätningar av formen i djupa borrhål. Det är en avsevärd skillnad i djup mellan jordskalv (vanligen djupare än ) och borr- hålsdata (vanligen mindre än ). Resultaten från sådana undersökningar har sammanställts i en Neotektonisk karta över och angränsande områden (Dehls et al. Stressfältet i är olika orienterat i kustnära områden jämfört med inlandsområden. Block som har ett likartat stressfält har en sidlängd . Denna segmentering följer dels kusten och dels den storskaliga morfologin och förlängningen mot nordväst av stora skjuvzoner som är orienterade sydost-nord- väst. I dominerar en horisontal huvudspänning i oriente- ring sydost-nordväst men lokala avvikelser förekommer både horisontellt och vertikalt (Amadei & ). Denna orientering tillskrivs det tryck som utgår från den Mittatlantiska spridningszonen där den Nordamerikanska litosfärplattan sepa- reras från den Eurasiska med . Förmodligen finns en liknande segmentering i stora nutidstektoniska block i som i . Det saknas dock data från större jordskalv för att kartlägga segmenteringen. Kunskapen om det naturliga stress- fältets orientering är avgörande för prognoser över den tek- toniska utvecklingen i ett undersökningsområde. Utöver det naturliga stressfältet uppkommer bergspänningar på grund av berganläggningen i sig och den värmeökning omkring anlägg- ningen som det aktiva avfallet ger upphov till. De naturliga stressfältens långsiktiga effekt på de aktuella platsundersök- ningsområdena bör därför modelleras tillsammans med de indu- cerade stressfält som uppkommer till följd av anläggningen. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 3.2.2Borrmetoder, borrhålsmätningar och borrkärneanalys Undersökning av bergets egenskaper görs genom studier av bergets tillgängliga överyta, med geofysiska undersökningar och genom borrning. För undersökningar i kristallin berggrund an- vänds normalt hammar- och kärnborrning. Hammarborrning görs med borrkronor som har en diameter . Det sönderborrade berget spolas upp ur borrhålet med luft eller vatten. Borrförloppet protokollförs och ett diagram över borr- sjunkningen upprättas. Diagrammet ger inget entydigt besked om bergkvaliteten, i synnerhet då bergarten är vittrad eller söndersprucken. Kärnborrningen görs med rotationsborrning och vattenspolning. Borrningen medger upptagning av utskurna cylindrar (kärnor) från berget. Mineralogiska och petrografiska undersökningar görs på platsen samt på prover och mikroskop- preparat (tunnnslip) i laboratorium. Material från borrkärnorna ligger också till grund för mer detaljerade studier av isotoper, fysikaliska egenskaper och mineralsammansättning. För projekt i hårt berg på större djup än används kärn- borrning som enda borrmetod. Från resultaten av borrkärne- kartering kan berggrundens spricktäthet bedömas på flera olika sätt. Borrhålets väggar kan undersökas med en TV-kamera, som kan sänkas ner till stora djup i vattenfyllda hål. Flera metoder för mätning av olika förhållanden i borrhålet görs med borrhåls- loggning och har utvecklats av olika prospekteringsföretag. 3.2.3Bergmekaniska tester och bergmaterialprovningar Det är viktigt att skilja mellan bergarten på en viss plats eller i ett mindre område och den omkringliggande berggrunden i stort när man analyserar bergets hållfasthetsegenskaper. Dimensioner- na på en provkropp eller ett mindre bergparti som undersöks har mycket stor inverkan. Hållfasthetsvärdena för ett större berg- parti kan vara en hundradel eller mindre av motsvarande värde SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder hos en liten provkropp. Vid bestämning av hållfasthetsvärden måste hänsyn tas till rådande spänningar och fuktighetshalt, samt det för deformationer så viktiga tidsberoendet (Janelid 1965). Genom bergarbeten uppstår spänningsförändringar, som kan få avgörande betydelse för stabiliteten på både kort lång sikt. Spän- ningstillståndet i orört berg är av stor betydelse att känna till, bl.a för planeringsarbeten. För att uppnå stabilitet måste man även beakta de spänningsförändringar och deformationer som uppstår i samband med byggandet av slutförvaret. Om man känner de faktorer som ur bergmekaniskt hänseende inverkar på planeringen av bergarbeten måste man, genom mätningar och modellförsök, bestämma hur dessa faktorer inverkar. Bestäm- ning av bergarters enaxliga hållfasthet kan testas i fält på borr- kärnor genom provning med punktbelastningstest där provet trycks mot en egg tills ett brott uppstår (, O et al. På laboratorier kan hållfastheten testas under olika belastningsförhållanden (1-, 2- eller 3-axligt), olika fuktighet och temperatur. Tidsfaktorn är betydelsefull eftersom bergets defor- mations- och krypningsegenskaper har en avgörande betydelse för långtidsstabiliteten. Berggrundens hållfasthetsegenskaper måste också undersökas i fält genom mätning av deformationer i ett statistiskt lämpligt urval. Spänningstillståndet i berggrunden kan fastställas genom analys av större jordskalv, deformations- mätningar i större bergpartier eller i borrhål. Här kan mätceller av olika utföranden användas från mjuka deformationsmätande till stela spänningsmätande celler. Modellförsök kan ge värdefull hjälp vid planeringsarbeten, till exempel genom spänningsoptiska undersökningar och belastningsprov på skalenliga modeller under kända eller antagna förhållanden. En fältmetod för bestämning av spänningstillståndet i berg- grunden är hydraulisk spräckning som baseras på mätning av det tryck som krävs för att skapa nya eller reaktivera befintliga sprickor. Stressfältets orientering erhålls från undersökning av orienteringen hos de sprickor som har aktiverats. I ett utfört spräckningstest i mycket sprucken kristallin berggrund på i befanns det horisontella stressfältet vara Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder mindre än vad som var känt i urbergsområden i . Den största horisontala huvudspänningen var i nordväst-syd- ostlig orientering, vilket överensstämmer med andra under- sökningar (2003). Experiment visar att stressfältet har en lokal variation, något som också har konstaterats i samband med den indelning i tektoniska block, vilken baserats på analysen av jordskalv. Berggrundens egenskaper är olika i olika riktningar. Berget är inhomogent och det förekommer avbrott i utbredningen. Det varierar från hårda massiva bergarter till sådana som försvagats genom olika geologiska processer men även av utförda spräng- ningsarbeten. Det finns bergmaterial vars egenskaper varierar från nästan elastiska till plastiska. Med hänsyn till detta måste man skaffa ett statistiskt material som är så representativt som möjligt. Den matematiska behandlingen av bergmekaniska problem omfattar inte bara statiska påkänningar och därmed sammanhängande hållfasthetsproblem utan även dynamiska på- känningar, som berget tar upp i samband med deformationer av olika slag (Janelid 1965). Om berget från början har otillräcklig hållfasthet och stabilitet kan en viss förbättring uppnås genom injektering, bergbultning och betongsprutning. 3.2.4Daterings- och utvecklingshistoriska studier Modern dateringsteknik gör det möjligt att datera viktiga geo- logiska händelser. Magmatiska bergarters kristallisationsåldrar liksom åldern på metamorfa händelser kan bestämmas genom mätning av isotoper från radioaktiva sönderfallskedjor, t.ex. uran-bly. Zirkon är ett för åldersbestämning lämpligt , som ofta har en kärna (vilken representerar kristallisations- åldernpåväxningszon runt denna kärna (vilken repre- senterar den metamorfa åldern). Genom att studera sprickmineralens inbördes bildningsföljd kan en relativ åldersfördelning upprättas (figur 3.3). Det är även möjligt att bestämma den absoluta åldern på vissa sprickmineral SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder med hjälp av radioaktiva isotoper och därigenom öka förståelsen för områdets tektoniska utveckling. Det finns också möjlighet att härleda vid vilka tryck- och temperaturförhållanden som sprickmineralen kristalliserade. De daterbara mineralen är ofta betydligt äldre än den tids- period som förvarets livslängd utgör. Processer som har inträffat de senaste 100 000 åren avsätter inga tydligt mätbara spår i de material som kan undersökas. Detta förhållande understryker vikten av att använda geofysiska och geodynamiska observa- tionsnät i samband med platsval och att uppmärksamheten mera riktas mot de allra yngsta geologiska bildningarna. Exempel på relativ ålder mellan sprickläkningar (mikroskopisk bild). I tunnslipet ser man att tre olika sprickmineral förekommer och den första generationen (prehnite) är sönderbruten och att de nya sprickorna har fyllts med mineralet magnesiumklorit (Mg-chl). Den yngsta generationen sprickor med järnklorit (Fe-chl) som sprickmineral skär över det tidigare mönstret. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Geodynamiska processer avspeglas i förändringar av den stor- skaliga topografien, förekomsten av landhöjning, jordskalv och förkastningszoner. Kartläggningen av utbredningen och inten- siteten hos geodynamiska processer kräver observationer av deformationer i referensstrukturer eller i punktnät över en längre tidsperiod. Det finns dock inga mätdata som kan fastställa förändringarna i den storskaliga topografin. För att erhålla sådana krävs observationer av landytans och havsbottens förändring under långa tidsperioder, troligen under 10-tals år. Sådana observationer görs i geodetiska nät som är landstäckande och där man använder sig av kontinuerlig mätning mot de satelliter, som ingår i det globala positionsbetämningssystemet GPS. Även uppgifter om landhöjningen erhålls numera med samma mätsystem. Topografin i mindre skala (t.ex. upphöjda eller nedsänkta skjuvlinser) kan vara indikatorer på geo- dynamiska processer. För att studera sådana ändringar krävs att man upprättar lokala geodetiska GPS-nät. Den spröda översta delen av jordskorpan är genomdragen av rörelsezoner. När angränsande bergrundsblock har förskjutits kallas detta för en förkastning (se 1998). Några av dessa zoner har varit aktiva strax efter isavsmältningen. Det krävs emellertid att rörelsen har förskjutit någon daterbar geo- logisk struktur, t.ex. en rullstensås eller en moränrygg, ett mätbart avstånd för att det skall gå att observera rörelsen. De stora deformationszonerna kännetecknas av avvikande topografi, avvikande landhöjning, förekomst av jordskalv och systematiska förskjutningar av stora block av litosfären. Dessa olika kännetecken samt hur de kan studeras, behandlas lite mera utförligt i appendix om geodynamiska processer.