sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — The 26th Nordic Geological , GFF 126:90. & Roslund, M., 1994: Första ordningens branta skjuvzoner i . SKB AR 94-56. , E, 1992: An integrated study of the lens with a GIS. MSc thesis, Univ. Janelid, I., 1965: Bergmekaniken och dess betydelse vid planering av gruvor och bergrum. Ingeniörsvetenskaps- () meddelande 142:7 12. , R., 1988: Postglacial faulting and peleoseismicity in the area, northern . SKB TR 88-25. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder LaPointe, P.R., Outters, N. & Folin, S., 2000: Evaluation of the conservativeness of the methodology for estimating earthquake-induced movements of fractures intersecting canisters. SKB Tr 00-08. , K., 1988: Denudation surfaces of a shield area in south . 70 A:337 350. , M., , J. & , T., 2000: geologi från urtid till nutid. & Neretnieks, I., 2002: Formation factor logging in- situ by electrical methods. Background and methodology. SKB Tr 02-27. Milnes, G., 1998: Crustal structure and regional tectonics of SE and the Baltic Sea. SKB TR 98-21. Nimmer, R. & Osiensky, J., 2002: Direct current and self-poten- tial monitoring of an evolving plume in partially saturated fractured rock. , B., , H., & , A., 2004: Tracing leachates at waste sites using geophysical and geochemical modelling (manuscript). O´Neal, M. & McGeary, S., 2002: stratigraphy and sea-level history of the northern , southern , – a ground penetrating radar ana- lysis of composite Quaternary terraces. Quaternary Science Reviews 21:929 946. Oskooi, B., & , L.B., 2004: Magnetotelluric studies on impact structure, west of . Report, Depart- ment of Earth Sciences, Geophysics, . , M., , L.E. & , C., 2001: Crustal movements in , between 1992 and 1998 as observed by GPS. J. of Geodynamics 31:311 322. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Rashed, M., Kawamura, D., Nemoto, H., Miyata, T. & Nakagawa, K., 2003: Ground penetrating radar investigations across the Uemachi fault, , . 53, pp. Sattel, G, , B.K., Amberg, F. & , T, 1996: Tunnel , TSP – some case studies. Technical article, , Regensdorf-Watt, . Scherneck, H.-G. et al.,: Observing the Three-Dimensional Deformation of Fennoscandia. In: /Glacial Isostatic Adjust- ment and the , /edited by J.X. Vermeersen, pp. 69 93, Geodynamics Series, Volyme 29, American Geophysical Union, , D.C., 2002. , , , M., & Asenjo, E., 2002: An analysis of the crustal motion monitoring network observed by GPS in 2000, 2001, and 2002. SKB R 02-33. SKB 2001: First TRUE Stage – Transport of solutes in an inter- preted single fracture. Proceedings from the 4th International Seminar , 9 11, 2000, SKB Technical Report TR-01.24. , L., & , T.M., 2003: Ground-penetrating radar investigation of faults along the Dead Sea Transform and implications for seismic hazards within the , . Tectonophysics, vol. 368, pp. SNA 1994: Nationalatlas, och . ISBN 91- 87760-27-4. Sträng, T., 2003: Geofysisk borrhålsloggning i borrhål BJO 01 på och MID 01 på Midsommar. SWEPOS 2003: Displacement rates. http.//. , S., Wänstedt, S. & Sträng, T., 2001: Moredalen – a canyon in the Fennoscandian Shield and its implication on site selection for radioactive waste disposal in south-eastern . Geology 61:99 118. , E., 2001: Groundwater flow into and out of two lakes partly surrounded by peatland. MSc thesis, KTH, Institu- tionen för Mark- och Vattenteknik. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder , J., 2001: Processing the 1992, 1994 and 1997 campaign on the northern GPS deformation traverse. Licentiate thesis, KTH, . , K., & , C-E., 1994: Thin superficial layer and lateral heterogeneities in using short-period Rayleigh-wave dispersion. 118:231 244). Litteratur för vidare studier Lindsröm, M., , J. & , T., 2000: geologi från urtid till nutid. , J., 2001: Geologi. Processer – utveckling – tillämp- ning. Mazor, E., 2004: Chemical and isotopic groundwater hydrology. , J., 2003: Field Geophysics. Sons, Chichester. SNA 1994: och jord. Stanfors, R., Triumf, C-A., & , A., 2001: Geofysik för bergbyggare. SveBeFo K 15. 4Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning av grundvatten- bildning och grundvatten- strömning Grundvattnets förekomst, strömning och kemiska samman- sättning är av central betydelse för lokalisering och utformning av underjordsanläggningar i berg, i synnerhet för förvaring av använt kärnbränsle. Rikligt vattenförande berg försvårar anlägg- ningsarbeten och lagring av avfall. Grundvattnet kan också angripa barriärer och förvaringskärl, särskilt om salthalten är hög, samt lösa ut och transportera skadliga komponenter. Syftet med detta kapitel är att presentera några hydrogeologiska under- sökningsmetoder dels för bestämning av grundvattenbildningens storlek, rumsliga och tidsmässiga förlopp, samt dess påverkan på grundvattnets kemi, dels för kartläggning av grundvattnets strömningsvägar och dess transporterande egenskaper. Hydro- logiska, hydrauliska och kemiska undersökningsmetoder be- handlas inte, ej heller modelleringsmetodik. 4.2Hydrometeorologiska och hydrologiska data Hydrometeorologiska data är viktiga för att bland annat rätt kunna beräkna grundvattenbildning till jord och berg och därigenom ge generella indata för strömningspotentialer t.ex. för numeriska strömningsmodeller. Det är också betydelsefullt att Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning hydrokemiska data finns för att ge en bas för beräkning av kemiska jämviktsreaktioner, blandning, grundvattnets ålder och flödesmönster. Särskilt isotopbestämningar kan här vara bety- delsefulla för bland annat spårämnesstudier, se avsnitt 4.5. Hydrometerologiska och hydrologiska data ger randvillkor för modelleringar utifrån de förhållanden som råder . För lång- siktiga klimattrender bakåt i tiden krävs geologiska och bio- logiska studier, t.ex. dendrokronologiska (studier av trädringar), sedimentstudier med analyser av pollen och snäckor samt studier av naturliga isotoper (t.ex. syre) i polarisar. Dessa paleo- klimatiska studier kan även ge värdefull information om natur- liga klimatvariationer, som utgör indata till klimatprognoser. Avancerade datormodeller används för att beräkna framtida klimatförhållanden där inte minst de antropogena effekterna (människans påverkan) har stor betydelse. Hydrometerologiska dataserier omfattar bland annat temperatur, nederbörd, nederbördskemi, relativ fuktighet, lufttryck, vind- riktning, vindstyrka och global strålning. Det finns ett stort antal meteorologiska stationer igång i från vilka data kan erhållas. Huvuddelen av dessa stationer sköts av . Vidare finns väderstationer t.ex. på flygplatser, flygflottiljer och andra militära anläggningar samt längs allmänna vägar för styrning av vägunderhåll. Dessutom finns mätningar (av nederbörd, temperatur och vind m.m.) vid kärnkraftsanläggningar, t.ex. vid Forsmark och Simpevarp, samt på . Mätinsamlings- frekvensen och de parametrar som registreras varierar betydligt. Större väderstationer hos är oftast helt automatise- rade. Uppgifter om lämpliga klimatstationer för regionala och lokala undersökningar ges av , där data lagras digitalt i flera olika större databaser, klimatarkiv (KLAR), Svenskt vattenarkiv (SVAR) och för havs- och oceanografiska data Svenskt Havsarkiv (SHARK). Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning meterologiska data över , och har gjorts av på uppdrag av SKB (et al. 2002a, 2002b). Lufttemperaturen, som är viktig bland annat för beräkning av avdunstning, mäts med termometrar av kvicksilver- eller mot- ståndstyp; de senare är att föredra från miljösynpunkt. De placeras skyddade från solstrålning, oftast ca 1,5 m ovan marken och på avstånd från omgivande föremål. Mätningarna presenteras vanligtvis som vägda medelvärden vid olika tider (2002). Felkällorna uppges av vara små. En av de viktigaste och vanligaste parametrarna, som behövs som ingångsdata för balansberäkningar och flödesmodelleringar, är nederbörden. Mätningarna görs ofta med en vindskyddad kanna med en uppsamlingsyta av , placerad 1,5 m ovan marken. Vid stationer görs mätningen i allmänhet (0700 respektive 1900). Nederbördsuppsamlingen har en stor osäkerhet som främst orsakas av turbulensen runt kannan som medför att nederbörden driver förbi. Mätproblemen är särskilt stora vid snöfall, eftersom nederbörden då också måste smältas. Förlusterna varierar med vindstyrka och vind- riktning samt avdunstning och adsorption på kärlets väggar (1983). De uppmätta siffrorna är ofta 10 lägre än de verkliga. Det är därför viktigt att nederbördsvärdena korrige- ras innan de används, t.ex. i vattenbalansberäkningar. Statistisk bearbetning av långa serier av nederbördsdata krävs för att ge kunskap om frekvensen av torrår och våtår. Eftersom neder- bördsmängderna kan variera lokalt är det viktigt att det finns flera representativa mätstationer i undersökningsområdena. Vindens riktning och hastighet mäts och anges principiellt på en höjd av 10 m. Eftersom riktning och hastighet ständigt varierar, anges i regel ett medelvärde, t.ex. under . Vinden används för korrigering av andra data, bland annat nederbörd men har även en stor betydelse i andra sammanhang, t.ex. för beräkning av spridning av luftburna föroreningar däribland spridning av salt runt vägar (2001). Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Lufttrycket mäts med olika typer av barometrar och görs på en stor del av väderstationer samt på flygplatser och flyg- flottiljer. Lufttrycket har betydelse för tolkning av bland annat yt- och grundvattennivåer och bör därför beaktas vid noggranna beräkningar av små nivåförändringar. Sammantagna effekter av lufttryck och vind kan ofta ge stora effekter på ytvattennivåer i sjöar och hav. Effekterna kan även fortplanta sig i form av tydliga nivåförändringar i grundvattennivåer där hydraulisk för- bindelse föreligger. Detta bör beaktas vid kustnära grundvatten- nivåmätningar. Avdunstning (evapotranspiration) är en viktig faktor för beräk- ning av grundvattenbildning. Den är i praktiken mycket svår att mäta, eftersom den beror på många olika faktorer såsom strål- ningsbalans, lufttemperatur, luftfuktighet, vind, markslag, mark- fuktighet och vegetationstyp. Potentiell evapotranspiration kan beräknas utifrån klimatparametrar med Penmans formel eller mätas som avdunstning från ett öppet vattenfyllt kärl. Den verk- liga evapotranspirationen är dock avsevärt mindre och påverkas starkt av markfuktighet och vegetation, varför den är mycket svår att mäta. Den brukar därför beräknas, antingen som förlust- post, om mätningar av ytvattenavrinning och nederbörd görs, eller baseras på den potentiella evapotranspirationen och mark- vattenhalten (et al. Avrinningen bestäms i allmänhet utifrån data från de avrin- ningsstationer som drivs av bland annat . Fastlandet i är uppdelat i 119 huvudavrinningsområden som i sin tur är uppdelade i mer än 13 000 delavrinningsområden (2004). Vattenstånd i större sjöar och vattenföring i många större vattendrag mäts manuellt en eller eller, vilket är vanligare, registreras kontinuerligt. Uppgifter om vattenföringen i mindre vattendrag saknas däremot oftast. Det är därför nödvändigt att i ett tidigt skede påbörja mätningar i representativa, små avrinningsområden för att få underlag till lokala vattenbalansstudier. Flödet i vattendragen kan i allmänhet beräknas direkt från vattennivån i en naturlig eller anlagd bestäm- mande sektion, t.ex. ett V-format Thomson-överfall. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Mätningar av nederbörds- och atmosfärskemi görs av bland annat och . De har tillsam- mans med () bildat ett konsortium för insamlande av emissionsdata och uppbyggande av en nationell databas. Depositionsdata är mycket viktiga för grund- vattenkemiska modelleringar men kan även användas för studier av nederbördsinfiltration och vattnets transport till grundvattnet (perkolation). bestämdes också vattnets isotoper på nederbördsprov från ett flertal platser i landet. Sedan isotoplabo- ratoriet vid hydrologiska avdelningen vid lades ner görs inte längre sådana mätningar, vilket är till stor nackdel för bland annat studier av grundvattenbildning (se av- snitt 4.4) 4.3Mätning av yt- och grundvattennivåer Mätning av yt- och grundvattennivåer är en betydelsefull del av hydrogeologiska undersökningar. Mätningarna kan ha många olika syften, bland annat långtidsmätningar för att klarlägga lång- siktiga trender och säsongsmässiga mönster i nivåfluktuationer- na. De kan också göras som generella differensmätningar för att klarlägga flödespotentialer och strömningsriktningar eller som specifika differensmätningar för att klarlägga hydrauliska sam- band, t.ex. vid pumptester och andra undersökningar som syftar till att bestämma markens hydrauliska egenskaper. Mätningarna görs ofta inom ett miljökontrollprogram, t.ex. vid undermarks- byggande för att kunna förhindra omgivningseffekter i form av marksättningar och skador på byggnadsverk, grundvattentillgång och vegetation. Mätningarna görs ibland utifrån flera syften, vilka ställer olika krav beträffande mätfrekvens, noggrannhet och mätseriens längd. Inför anläggande av ett slutförvar för använt kärnbränsle behövs nivåmätningar som uppfyller många sam- tidiga syften. Det är viktigt att regelbundna mätningar i olika Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning typer av geologi och i skilda terränglägen påbörjas i platsundersökningsområdena, dels för att få långa tids- serier, dels för att belysa ostörda förhållanden. Regelbundna nivåmätningar i jordrör och borrhål har påbörjats bland annat i Forsmarkområdet. Långtidsmätningar av grundvattennivåer görs regelbundet inom SGU:s grundvattennät, som omfattar ett tjugofemtal mät- områden spridda över . Inom varje mätområde återfinns en eller flera specifika mätpunkter som representerar olika akviferer, såväl rör i jord som borrhål i berg. För övervakning av grundvatten finns även 82 områden med 120 stationer i form av rör, borrhål och källor för kontroll av grundvattnets beskaffen- het. Grundvattenfluktuationernas storlek och tidsmässiga varia- tion ger god information om akviferens egenskaper, begräns- ningar, heterogenitet och hydrauliska samband. Högupplösande nivåmätningar kan även användas för att beräkna grundvatten- bildningens storlek, se avsnitt 4.4 (, Healy & 2002). För utvärderingen krävs därför en tillräckligt hög mätfrekvens och för akviferer med liten variation (t.ex. stora akviferer eller grundvattnets utströmningsområden) krävs hög mätnoggrannhet. SGU:s nivåmätningar görs i allmänhet , vilket anses vara ett minimum för att en tydlig spegling av de säsongsmässiga variationerna ska erhållas. I samband med större byggprojekt görs separata kontroll- program, för såväl befintliga som nykonstruerade mätpunkter. Som exempel kan nämnas större tunnelprojekt, t.ex. Bolmen- tunneln, som under byggskedet omfattade mätning i mer än 400 brunnar, rör och borrhål samt Hallandsåstunneln, där mät- punkternas antal totalt uppgår till närmare 1000 (2000). För många av dessa mätpunkter har dock mätning endast utförts vid något enstaka tillfälle eller också har de mycket korta mätserier. I större tätorter, t.ex. och finns Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning dessutom specifika övervakningsprogram med ett mycket stort antal mätpunkter (nära 1000 i ) som dock endast mäts . Det har ganska ofta visat sig att mätseriernas längd före bygg- start av ett undermarksprojekt har varit alltför kort för att det ska gå att göra tillförlitliga bedömningar av grundvatten- påverkan. (1999) anger en absolut minimitid av 6 månaders mätning innan byggstart. Studier av icke-ekvi- valenta mätserier (=ojämn mätfrekvens) visar att mätserien helst bör vara 15 18 månader (2002) för att mindre avvikelser (<1 dm) från naturliga fluktuationer skall kunna bestämmas. Utsträckning av mätseriens längd över flera hydrologiska år och nyttjande av ekvidistanta mätningar möjlig- gör att statistisk tidserieanalys kan användas. Om mätpunkter används där vattenuttag görs, t.ex. grävda och borrade brunnar, måste hänsyn även tas till grundvattenuttagens storlek vid utvär- deringen av mätserierna. Mätningarna görs antingen manuellt genom lodning eller kon- tinuerligt genom t.ex. tryckgivare och datalogger. Kontinuerliga mätningar är givetvis att föredra men ger ofta stora datamängder. Det finns möjligheter att automatisera mätningar från många punkter och via länkar sända informationen till en datacentral, varigenom information i realtid kan erhållas från mätpunkterna. Det finns ett stort värde i att erhålla realtids- information under byggskedet för att möjliggöra snabba åtgärder och därigenom förhindra skador på byggnader och vegetation. Detta har med framgång använts vid undermarksbyggande i för att styra behovet av läckagebegränsande åtgärder i undermarksanläggningen (et al. Det är också viktigt att metoder för analys av grundvattennivådata finns att tillgå, för att särskilja byggnadsrelaterade effekter på nivåerna från de naturliga variationerna. System för sådan statistisk databehandling finns framtagen (t.ex. GCP – Groundwater Control Programme) och har nyttjats i samband med olika undermarksprojekt, exempelvis tunneln i (Cesano & 1997), Bolmentunneln och Hallandsås- Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning tunneln (2000), se exempel i figur 4.1. Inom många byggprojekt insamlas grundvattennivådata rutinmässigt men utan strukturerad analysmetodik. Därigenom har avvikelser inte alls iakttagits eller upptäckts så sent att effekter på mark och vegetation inte kunnat förhindras. Exempel på hur statistisk beräkning kan göras av avvikelser i grundvattennivå från naturliga nivåvariationer i sam- band med undermarksbyggande. Översta figuren visar obearbetade grundvattennivåmätningar (m.ö.h). Den mellersta kurvan visar avvikelser från naturliga nivåvariationer beräknade med stegvis regression och den understa kurvan avvikelser beräknade med modifierad s.k. double mass. Den vertikala linjen visar tidpunkten när en tunnel byggdes i närheten av mätpunkten (efter i , 2002). Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Mätpunkternas antal och läge är naturligtvis mycket betydelse- fullt för användbarheten av grundvattennivådata. Befintliga brunnar i såväl berg som jord samt källor nyttjas givetvis som mätpunkter, vilket är särskilt viktigt i ett inledande skede samt för att utreda eventuell påverkan i ett senare byggskede. Bestämning av hur många borrhål i berg som behövs samt placeringen av dessa vid byggprojekt, t.ex. vid Hallandsåstunneln och inför anläggandet av slutförvaret, görs i allmänhet med ledning av geologiska och geofysiska undersökningar samt de tektoniska och geologiska modeller, som ställs upp utifrån dessa undersökningar. Borrhålskonfigurationen blir således starkt beroende av bergets heterogenitet och behovet av att undersöka specifika geologiska bergstrukturer. Antal undersökningsrör i jord och lokaliseringen av dessa bestäms likaså av jordlagrens variation och topografiska förhållanden. För att fånga de typiska långsiktiga nivåvariationerna i ett undersökningsområde krävs att jordrör och borrhål placeras i olika geologiska och topografiska miljöer, att nivåerna registreras i såväl inströmnings- som ut- strömningsområden för olika grundvattensystem samt på olika djup (om lagerföljden omfattar flera grundvattensystem). Detta skiljer sig därför från lokaliseringen av sådana kontroll- och undersökningshål som främst syftar till att ge specifika bygg- relaterade data eller att undersöka specifika strukturer. För design av ett långsiktigt kontrollprogram för grundvattennivåer krävs således en god kunskap om områdets geologi. Ju mer heterogent och geologiskt fragmenterat ett område är desto fler observationspunkter krävs för en god kontroll av nivåföränd- ringarna. I kristallint berg är det mycket svårt att erhålla en fullgod kontroll, eftersom två närliggande borrhål kan uppvisa helt olika eller tidsförskjutna nivåvariationer. Det är vanligt vid byggprojekt att påverkandeområdet underskattas, speciellt längs större konduktiva zoner i berget (1991, 2000). Effektivisering av mätprogram kan, allteftersom mätdata erhålls, göras med olika statistiska metoder, t.ex. principal- komponentanalys (PCA, Pearson 1901), ur vilket samvaria- tionen mellan olika punkter kan bestämmas. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning oberoende av punkternas rumsliga fördelning utan söker bara linjära trender i datasetet. För punkter med hydraulisk för- bindelse kan olika varianter av geostatistisk metodik användas, t.ex. kriging, för effektivisering av mätpunkternas läge och antal (Ackerberg 2002). Mätning av ytvattennivåer är betydelsefullt, dels som ovan angivits för bestämning av flöden i mindre vattendrag, dels för beräkningar av vattenbalanser och samspelet mellan ytvatten och grundvatten. I många fall är högupplösande registreringar av stor betydelse, såväl som i nivå, vilket kan ge kunskaper om sjöns eller vattendragets hydrauliska förhållanden. Högupplösande tryck- och temperaturregistreringar har t.ex. utförts inom några sjöar i Forsmarksområdet och visar på att sjöar i samma område kan fungera hydrodynamiskt mycket olika med avseende på in- och utströmningsförhållanden samt beträffande hydraulisk för- bindelse med omgivande grundvatten (2001). 4.4Grundvattenbildning – mätmetoder och beräkningar Grundvatten är den underjordiska delen av vattnets kretslopp och därmed den svåraste delen att mäta och undersöka. Grund- vattenbildning definieras som den nedåtriktade vattenströmning som når grundvattensystemet i fråga. Kännedomen om grund- vattenbildningens storlek men också dess rumsliga och tids- mässiga fördelning är av största vikt, t.ex. vid lokalisering, konstruktion och utförande av anläggningsarbeten under grund- vattenytan samt vid lokalisering och utformning av såväl avfallsupplag som grundvattentäkter. Grundvattenbildningens påverkan på grundvattenkemin (t.ex. genom sur nederbörd eller av föroreningar) måste också beaktas, t.ex. genom att utföra en s.k. sårbarhetsanalys för befintliga eller planerade vattentäkter. Några hydrogeologiska undersökningsmetoder för bestämning Grundvattenbildning kan vara direkt, dvs. att nederbörd direkt infiltrerar genom marken till en öppen akvifer (akvifer=grund- vattenförande geologisk bildning) eller indirekt genom inflöde av vatten från omgivande höjdområden till en sluten akvifer eller genom kontakt med andra akviferer. En annan indirekt process är s.k. inducerad infiltration, dvs. inläckage från angränsande sjöar eller vattendrag till en öppen akvifer samt infiltration i torra flodbäddar, vilket är vanligt i arida klimatområden efter häftiga regn. Infiltrationsförhållandena är mycket olika i skilda berg- och jordlager beroende på deras genomsläpplighet och fuktig- hetstillstånd. Infiltrationens storlek är givetvis också avhängig av väderleksförhållandena, främst nederbördens art, mängd och tidsfördelning samt avdunstningens storlek. Härigenom blir förutsättningarna för grundvattenbildning mycket skiftande eller från tidsperiod till tidsperiod beroende på växlingarna i väderlek och klimat, särskilt då i ett aritt klimat (). Det är därför mycket viktigt att hydrometeo- rologiska och hydrologiska data insamlas och bearbetas, (se ovan) bland annat på statistisk väg, så att frekvensen av torrår och våtår klarläggs liksom mera långsiktiga klimatförändringar. Vid direkt grundvattenbildning försiggår infiltrationen i marken inom terrängens höjdområden, s.k. inströmningsom- råden, varifrån vattnet strömmar i alltifrån små, ytliga, lokala system till stora, djupa, regionala system (figur 4.2).