sou · GSB367d2 · 2005-01-01 00:00:00 — SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Det svenska urberget utgör ett komplext heterogent medium, som formats av geologiska processer . Många av dessa processer är historiska men påverkar stabilitet och säkerhet hos ett slutförvar för radioaktivt avfall. Andra processer är aktiva och förändrar allteftersom de geologiska förhållandena. Den geologiska situationen i urbergsskölden med ett mycket ungt jordtäcke över en avsevärt mycket äldre kristallin berggrund gör att det tidsavsnitt för vilket man kan studera pågående geologiska förändringar är mycket mindre än förvarets tänkta livslängd. Därför är det viktigt att genomföra systematiska studier i de unga avlagringarna med avseende på effekter från landhöjningen, jordskalv och förkastningsrörelser. Många av dessa dynamiska processer kommer troligtvis att fortgå framåt. Mycket forskning har utförts beträffande de inducerade geo- dynamiska förändringar, som kommer att uppstå lokalt genom anläggandet av ett slutförvar för använt kärnbränsle, även kopp- lat till det värmeutbyte som då kommer att uppstå mellan för- varet och omgivningen. Den naturliga geodynamiken har dock inte rönt samma intresse. Ett flertal indikatorer visar emellertid att det sker systematiska rörelser mellan block i jord- skorpan. Sådana rörelser har i några fall kunnat kvantifieras med geologiska metoder, med mätningar i det globala postions- bestämningssystemet GPS och med analys av större jordskalv. Rörelserna är lokaliserade till avgränsade områden eller zoner. Dessa zoner kan kartläggas geografiskt och på djupet med geologiska och geofysiska metoder. Rörelserna utmed zonerna är Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder relativt små och därför krävs långa observationsperioder för att kunna fastställa dem med säkerhet. Rörelsezonernas funktion ingår i ett större regionalt samman- hang och hur de fungerar lokalt finns det ofull- ständig kunskap om, varför lokala system måste byggas upp och mätas . Den pågående deformationen är nämligen ett av nyckelproblemen för att kunna göra prognoser om berg- grundsstabilitet. Därför krävs kunskap om zonernas läge och utbredning (horisontellt och vertikalt), rörelsens hastighet och riktning, zonernas funktion i tiden samt deras funktion i den regionala och plattektoniska deformationen. Modellering bör gö- ras av hur plintar och skjuvlinser reagerar vid ändring av stress- fältet. En sådan modellering kan göras på observerade strukturer i undersökningsområden och deras regionala sammanhang. De metoder som behöver vidareutvecklas för att kunna ge kunskap om detta är såväl direkta som indirekta, exempelvis mätningsteknik med GPS- och seismografnät, åldersbestäm- ningar av och geologiska observationer för att nå ökade kunskaper om litosfärens uppbyggnad och funktion. De befint- liga geodetiska och seismiska näten bör vara heltäckande och samarbete över nationsgränserna utvecklas för att skapa data- baser som kan användas för flera geovetenskapliga syften. De GPS-nät, som har upprättats, bör mätas även i fort- sättningen för att erhålla så långa tidsserier som möjligt. Detta gäller även mätningar av tyngdkraftens förändring. En stor mängd geofysiska undersökningar har genom- förts eller planerats i samband med platsundersökningar inför anläggandet av ett slutförvar för använt kärnbränsle. Mätningar- na har haft skilda syften och skalor, från översiktliga flygmät- ningar till detaljerade undersökningar i borrhål. I många fall har syftet varit att bygga upp en geologisk/tektonisk modell över området eller att prediktera geologiska och tektoniska föränd- SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder ringar under byggfasen, såsom vid anläggandet av Äspötunneln. En begränsad mängd forskningsinsatser har gjorts beträffande möjligheterna att överföra mätningarna till ingångsvariabler för bland annat spridningsmodeller. Vissa utvecklingsförsök har gjorts, t.ex. resistivitetsmätningar för att bestämma diffusionen i massivt berg (2002). Geofysiska undersökningar utgör ett mycket värdefullt inslag eftersom de i princip är de enda metoder som medger oför- störande mätning av den bergvolym där slutförvaret kommer att anläggas. Det är därför av stor vikt att yttäckande geofysiska undersökningar genomförs på ett tidigt stadium. En kombina- tion av flera metoder med hög mätpunktstäthet och bestämning av geomaterialens fysikaliska egenskaper samt kontrollborr- ningar behövs för att minska osäkerheten vid tolkningen av mätningarna. En kombination av magnetotelluriska (MT) mätningar, som har stor djupavkänning, och reflektionsseismiska mätningar är redskap för att klarlägga djupet till salt grundvatten respektive förekomsten av djupa sprickzoner. Sådana mätningar bör göras på ett systematiskt och yttäckande sätt. Av särskild vikt är också ytliga geofysiska undersökningar, t.ex. yttäckande mätningar med markradar med syfte att kartlägga jordlagerföljd, jord- mäktighet, kontaktzonen jord-berg och det ytliga bergets sprick- förhållanden bl.a. som grund för beräkning av grundvatten- bildning till berget. För geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningar gäller att mätningarnas utsträckning bör vara så stor att en tillräcklig omgivning utanför själva intresseområdet ingår. Detta gäller även i vattentäckta områden. Utsträckningen bör vara ca 3 gånger större än intresseområdet i alla riktningar. Den totala undersökningsarean blir därmed ca 10 gånger större än intresse- områdets area. Reflektionsseismiska och radarundersökningar bör utföras på ett systematiskt sätt i hela undersökningsområdet för att kartlägga förekomsten av flacka sprickzoner eftersom dessa normalt inte kan ses i hällar eller med andra geofysiska metoder. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 3.6Appendix: Geodynamiska processer Kartläggningen av utbredningen och intensiteten hos geodyna- miska processer kräver observationer av deformationer i refe- rensstrukturer eller i punktnät över en längre tidsperiod. Defor- mation av jordskorpan under den senaste årmiljonen och pågående deformation av jordskorpan benämns neotektonik. I avses speciellt den deformation som har inträffat efter senaste nedisningen. Deformationen som pågår är nästan omärklig över korta tidsperspektiv (årtionden), men kan ackumuleras till avsevärd storlek under geologiska tidsperioder (årmiljoner). På grund av den ständiga rörelsen hos de globala litosfäriska plattorna så berörs alla delar av jordskorpan överallt på jorden. Utmed plattgränserna är deformationen mycket stor och orsakar allvarliga jordskalv och vulkanutbrott. Inom en litosfärplatta är deformationen avsevärt mindre, märks knappast och ställer inte till med katastrofer. Gränserna för vår litosfär- platta (den Eurasiska plattan) ligger mitt i (figur 3.16), i Arktiska Oceanen, utmed den japanska ökedjan, , , Anatolien, och . Den Eurasiska plattan består mest av kontinenter och rör sig på grund av den Atlantiska ocenaskorpans tillväxt med . samma storleksordning horisontellt som landhöjningen vertikalt). Inom denna platta finns flera aktiva deformations- zoner, t.ex. gravsänkesystemet som sträcker sig från via till . Det finns också områden i vår närhet som på goda grunder kan misstänkas vara aktiva deforma- tionszoner, t.ex. fjällkedjan, och . Deformationszonerna kännetecknas av avvikande topo- grafi, avvikande landhöjning, förekomst av jordskalv och syste- matiska förskjutningar av stora block av jordskorpan. Dessa olika kännetecken samt hur de kan studeras behandlas kortfattat i det följande. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Den Mittatlantiska ryggen är vår närmaste plattgräns mellan den Nordamerikanska (mörk- grå) och den Eurasiska (ljusgrå) litosfärplattan. De stora geo- morfologiska områdena är höjningsområdet i de skandinaviska fjällen (röda linjer) och de parallella österut belägna sänkningsområdena (blå linjer) kring och . Generaliserade jordskalvsområden är markerade med gröna linjer. Första ordningens skjuvzoner är markerade med lila linjer (& Roslund 1994). Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder I mera detaljerad skala yttrar sig neotektonik genom före- komsten av förkastningshak i terrängen med varierande höjd (från mindre än 1 m till över 20 m), skred, slumpnings- och avvattningsstrukturer i jordlager, blockfält och -grottor och som förskjutningar av glacialt bearbetade hällytor. En del av dessa fenomen kan också uppkomma på grund av andra geologiska processer och kopplingen mellan förekomst och orsak kräver omfattande kartläggning över stora områden. De terrängformer som är förknippade med unga förkastningszoner upptäcktes först genom flygfotostudier i områden som har befunnit sig över den högsta kustlinjen och som därför inte har utsatts för havs- strandserosion. Skred kan upptäckas på samma sätt (och riskerar att eroderas om de varit utsatta för stranderosion). Därför har dessa neotektoniska indikatorer mest hittats i nordvästra och det är ännu oklart om de markerar ett avvikande neotektoniskt aktivt område eller om de har förekommit även i områden under högsta kustlinjen. Genom många nya vägbyggen har stora skärningar skapats som lämpar sig för detaljerade studier av störningar i lagerföljder. De är vanliga fenomen i rörlig sedimentär miljö och gränsdragningen mot tektoniskt orsakade strukturer kräver regional kartläggning och datering av sedi- mentlagren där strukturerna observerats. Blockfält och -grottor kan ha samband med jordskalv men uppkommer också genom frosthävning och frostsprängning. Mindre förskjutningar av glacialt bearbetade hällytor utmed sprickor är en tydlig indika- tion på blockrörelse efter det att ytan har bildats. Avbrott i sådana ytor, där det ena blocket saknas, uppkommer genom att isen transporterat bort den saknade delen. I (2003) görs en genomgående neotektonisk tolkning av ett stort antal observationer, som kopplas till paleoseismisk aktivitet. Många av de observerade fenomenen placeras i tiden till isavsmältnings- skedet, som var en period med relativt stora ändringar i stress- fältet. Kunskap om de pågående geodynamiska processerna är viktiga för bedömningen av den långsiktiga stabiliteten i ett kärnavfalls- förvar. Utan faktiska mätningar av geodynamiska förändringar SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder och kunskaper om de bakomliggande processerna är prognoser över framtida förändringar baserade på antaganden. Variationen i den storskaliga topografin i orsakas främst av tektoniska processer och erosion. Höjdområden kan inte bestå över längre geologiska tidsperioder på grund av ständigt pågående erosion. På samma sätt kan sänkor inte bestå över längre tidsrymder på grund av ständigt pågående sedimen- tation. Områden utan nämnvärd topografisk variation är däremot relativt stabila (t.ex. Småländska höglandet och ). Genom studiet av höjddata (i form av topografiska kartor eller digitala höjddata) kan äldre erosionsytor rekonstrueras (Lidmar-Berg- ström 1988). Dessa går emellertid endast i undantagsfall att åldersbestämma. Den storskaliga topografin i är ung. Studier av sedimenteringen i havsområdena utanför tyder på ökad sedimentation med början för 5 till och tydliga höjningsområden har identifierats i fjällkedjan (1992). I och – saknas ännu mäktiga förekomster av unga sediment trots att erosionen av fjällkedjan pågår för fullt och älvarna transporterar material till dessa sänkor. Orsaken till den unga topografin är ännu inte känd men på grund av de stora dimen- sionerna måste det röra sig om plattektoniska processer. Den naturliga utvecklingen av den unga oceaniska litosfären i Nord- leder till att en subduktionszon utvecklas vid randen till den kontinentala litosfären där den oceaniska litosfären sjunker in under den kontinentala. På avstånd och parallellt med subduktionszonen skulle då en sänka utvecklas genom att litosfären dras isär av en motgående ström i övre manteln. 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. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 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 topografin i mindre skala (t.ex. upphöjda eller nedsänkta skjuvlinser) kan vara indikatorer på geodynamiska processer. I figur 3.17 visas en genomskärning av jordskorpan från NV Lofoten till (& 2004). Figur 3.18 visar en profil över en större skjuvzon i . Tvärsnitt genom jordskorpan från nordväst om till . Modellen är baserad på en kombi- nation av refraktionsseismiska och gravimetriska data. I nordväst ses övergången från den oceaniska skorpan till kontinentshelfen. Jordskorpans mäktighet är större under fjällkedjan och den blir som störst i . Antalet jordskalv som förekommer i tre tydliga bälten (avgränsade med vertikala linjer) är angiven med stora siff- ror i den ungefärliga positionen skalven har på djupet. (Tyngd- kraftsanomalin är angiven i gu (= 0,1 mgal). De små siffrorna betecknar områden med olika densitet). SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Profil över en av första ordningens skjuvzoner i (markerad som PZ) som skär genom hela jordskorpan (här mäktig) (1992). I övre delen visas magnet- mätningar som ligger till grund för beräkningen av zonens ytnära läge och stupning. I nedre delen visas tyngdkraftsmätningar som ligger till grund för beräkningen av zonens fortsättning genom jordskorpan. Den visar också en nedsänkning av olika lager i jord- skorpan från väster och in mot zonen som stupar brant mot öster. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder SOU 2004:67 Plattektonik den deformation som litosfärplattor genomgår på grund av värmekonvektionen från jordens mantel. Litosfär det översta skalet i jordens uppbyggnad som rör sig som enhet i plattektoniska processer. Djup i dinavien. Mantel området mellan litosfär och jordens kärna, mäktigt. Jordskorpa litosfärens allra översta del utanpå manteln, mäktighet i . Gränsytan mellan jordskorpan och manteln kallas Moho (Moho- rovicic diskontinuiteten). Landhöjningen i är välkänd och uppmätt sedan århundraden och den kan avläsas i de unga geologiska avlag- ringarna som omdanats i strandzoner och som gradvis hamnat på allt högre nivåer över den nuvarande havsytan. Landhöjningen är som störst, med , i närheten av . Den är noll nära den gräns som urbergsskölden utgör mot omkringliggande sedimenttäckta områden. I området strax söder och öster om urbergsskölden (dvs. i , Dan- mark, sydligaste , och kring ) pågår en svag landsänkning. Landhöjningens orsak har tillskrivits avsmältningen av inlandsisen för över 10 . Det finns emellertid flera indikationer på att andra krafter är verksamma. Landhöjningens utbredning passar inte ihop med isens utbred- ning. Det finns också lokala avvikelser i landhöjningen (så kallad differentiell landhöjning), och en avsevärd skillnad i landhöj- ningens gradient mellan den västra och östra delen av landhöj- ningsområdet. Områden med signifikant avvikelse från den generella landhöjningen (som kan kopplas till isavsmältningen) visar relativa höjningsområden med mer än /år i fjäll- kedjan och relativa sänkningsområden med motsvarande avvikel- SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder ser i , (se figur 3.16 områden inom röda resp. blåa linjer). Sänkningsområdet sträcker sig längre mot nordost än . Det berör också norra (Fjeldskaar et al. Undersökningar av strandlinjeförskjutningar i nordöstra (2003) visar att den exponen- tiellt avtagande landhöjningen för ca 5 övergått i en lineär trend. Detta är ett starkt indicium på att andra processer än isostatisk kompensation efter isavsmältningen är verksamma. Landhöjningen kan mätas med återkommande höjdavväg- ningar av fasta punkter och det är på sådana mätningar som kunskapen om den nuvarande landhöjningen är baserad. Tradi- höjdavvägningar har dock ersatts med data som erhålls från 25 fasta GPS stationer som placerats över hela landet, det så kallade SWEPOS nätet. Efter en längre observa- tionsperiod går det att ur dessa data beräkna observations- punkternas relativa rörelse både i horisontal- och vertikalled. Jordskalv uppkommer när jordskorpan bryts sönder på grund av att spänningar, som byggts upp , plötsligt utlöses. Sådana spänningar ackumuleras på grund av differentiell rörelse mellan jordskorpeblock utmed skjuvzoner. I förekommer bara svaga jordskalv och någon enstaka gång skalv med en magnitud på 5 (Richterskalan). Skalven förekommer i den spröda delen av jordskorpan i genom- snitt djup, utmed vissa zoner och i några avgränsade områden. Nuvarande jorskalvsområden i är framförallt Vänernsänkan och kusten utmed –(se kartan i figur 3.19). Jordskalven registreras i ett nät med seismo- grafstationer, som är i funktion över en längre tidsperiod. Ju mera finmaskigt nätet är, desto bättre går det att lokalisera och karakterisera även mindre skalv. Registreringar från mellanstora och stora skalv kan utvärderas med avseende på stressfältets och rörelseytans orientering, dess area samt den förskjutning som Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Sådana utvärderingar görs av den seismologiska avdelningen vid som också driver det registrerande nya seismografnätet SNSN. har över 1 000 skalv registrerats i detta nät, figur 3.19 och 3.20. Förekomsten av jordskalv i . Anhop- ningen av skalv i de fyra områden som markerats med grönt i figur 3.16 syns tydligt (ur Nationalatlas © Lantmäteriet 2004, medgivande M 2004/3790). SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Fördelningen av jordskalv i Vänernområdet visar en anhopning av skalv (kartbilden A) samt hur de fördelar sig pro- jicerade på ett väst-östligt (profil ) och ett syd-nordligt tvärsnitt (profil ) (från ). Spåren efter jordskalv kan också finnas i sedimentlagerföljder och i berggrunden. I det förra fallet kan tidpunkten för skalvet ofta ringas in medan spåren i berggrunden sällan låter sig ålders- bestämmas. I sedimentlagerföljder är förekomsten av skred och likvefaktion (flytjordsbildning) tecken på jordskalv. I berg- grunden är det förekomsten av friktionssmältor som utvisar läget och omfattningen av fossila jordskalv. Urbergsgrottor har också föreslagits vara orsakade av jordskalv. Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder 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 (figur 3.21 och 3.22). Det krävs emellertid att rörelsen har förskjutit någon daterbar geologisk struktur, t.ex. en rullstensås eller en moränrygg, ett mätbart avstånd för att det skall gå att observera rörelsen. Om den har inträffat i en helt homogen omgivning eller har ett mycket litet rörelsebelopp kan den inte fastställas. Det krävs också att den geologiska miljön är så stabil att för- skjutningarna har kunnat bevaras. har metoder utvecklats som tillåter att alla systematiska berggrundsrörelser kan mätas, till exempel med upprepade GPS mätningar av fasta punkter som placerats strategiskt med hänsyn till de zoner som skall undersökas (se figur 3.4 och 3.5). Mätserierna behöver utsträckas minst i tiden för att tolkningsbara resultat skall uppnås. Undersökningar som utförts med GPS mätningar visar att laterala rörelser på några få mm förekommer i utmed Tornquist zonen i (en av första ordningens skjuvzoner – se figur 3.16) (et al. I nätet i , där observationstiden endast är , har inte några rörelser kunnat påvisas med säkerhet (2001) och där bör mätningarna upprepas vid fler kommande tidpunkter. I Milnes (1998) har information om deformationer som inträffat mycket långt tillbaka i tiden sammanställts. Deras funktion i nutiden är dock fortfarande oklar. Det finns ingen djupare kunskap om var, hur och varför nutida rörelser sker eftersom detta kräver både detaljerade lokala undersökningar samt god kännedom om rörelsemönstret i den plattektoniska enhet som är en del av. Dessutom kräver frågeställningarna ett 3-dimensionellt angreppssätt som är svårt att åstadkomma då fördelningen av horisontella sprickor ofta är okänd. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Postglaciala förkastningar i norra (röda streck) (från ). Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Pärve-förkastningen – en av de stora postglaciala för- kastningarna i , vy mot norr (från et al. 2000) (foto J. 1975). När läge och rörelse för sprickzoner har fastställts uppkommer frågeställningar som berör zonernas framtida funktion. Till exempel vilka förändringar i stressfältets styrka och orientering som kan aktivera en viss sprickriktning samt hur stressfältet kommer att förändras på grund av den plattektoniska utveck- lingen eller på grund av kommande istider. I LaPointe et al. (2000) redogörs med modellberäkningar hur jordskalv som inträffar i närheten av en förvaringsplats påverkar förvaret genom aktivering av befintliga sprickzoner. Med samma teknik kan man modellera hur stor ändring av stressfältet som behövs för att aktivera de sprick- och skjuvzoner som kartlagts i ett undersökningsområde. SOU 2004:67 Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder Aaltonen, J., 2001: Ground monitoring using resistivity measurements in glaciated terrains. Doktorsavhandling, , , TRITA- PHD 1042. Aaltonen, J. & , B., 2001: Direct current (DC) resistivity measurements in long-term groundwater moni- toring programmes. Environmental Geology 41:662 671. Amadei, B., & , O., 1997: stress and its measurements. , , , U., , , , I., , H., Svesson, P.L., Tenne, M. & , L.,1984: Fältunder- sökningsmetoder – Kapitel G08. , D., 2003: Hydraulic rock stress measurements in borehole BJO01, , , . KTH, Depart- ment of Land and . Bastani, M., 2001: EnviroMT – a new controlled source/radio magnetotelluric system. Acta Universitatis Upsaliensis. Dissertations from the 32. & , J., 1998: Sprickor i berg. Kunskapsläget på kärnavfallsområdet. Bernstone, C. & , T., 1998: DC resistivity mapping of old landfills: Two case studies. mental and Geophysics 2:121 136. Cardarelli, E., Marrone, C. & , L., 2003: Evaluation of tunnel stability using integrated geophysical methods. Dehls, J.F., et al. 2000: Neotectonic map of and adjacent areas. In et al., NGU Report 2000.002. Dehls, J.F., , , , L. & Blikra, L.H., 2000: Neo- tectonic faulting in northern ; the Stuoragurra and Några geologiska, geodynamiska och geofysiska undersökningsmetoder SOU 2004:67 Nordmannvikdalen postglacial faults. Quaternary Science Reviews 19:1447 1460. Fjeldskaard, W., , C. & Fjeldskaard I., 2000: Geo- dynamic modeling regional and local. In et al. 2000: Neotectonics in . NGU Report 2000.002:74 82. Grasmück, M., (1994): Application of seismic processing techniques to discontinuity mapping with ground-penetrating radar in crystalline rock of the , . of the fifth international conference on ground penetrating radar, 12 16, 1994, , , pp. & , J., 2003: Shore line displacement in northern during the last 6500 calendar years. SKB TR 03-17. , S.K., 2004: Sequence stratigraphy in a moraine at the head of , western : evidence for a high-frequency relative sea-level cycle. Sedimentary Geo- logy (in press). , H., 1988: Tectonic studies in the region. SKB TR 88-07. , H., 1992: Geophysical aspects of the Protogine in three traverses. GFF 114:344 349. & , C-E., 2004: Integrated gravity and refraction seismic model along the Blue Road traverse and its extensions.