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Arbeitsbericht NAB 14-25
Erosion und Landschaftsentwicklung NordschweizZusammenfassung der Grundlagen im Hinblick auf die Beurteilung der Langzeitstabilität eines geologischen Tiefenlagers (SGT Etappe 2)
Im vorliegenden Bericht werden Daten und Überlegungen dargelegt, welche für die Beurteilung der zukünftigen Entwicklung der Topographie und der Felsoberfläche im Bereich der Nordschweizer Standortgebiete wichtig sind. Dabei wird auf weiterführende thematische Berichte und Fachliteratur verwiesen. Nicht diskutiert wird die standortspezifische Tiefenlage der Wirtgesteine, welche für die Beurteilung der Relevanz der zukünftigen Erosion auf die Langzeitsicherheit eines geologischen Tiefenlagers und für den sicherheitstechnischen Vergleich der Standortgebiete zusätzlich wichtig ist. Die Ableitung der in SGT Etappe 2 verwendeten Erosionsszenarien erfolgt in Nagra (2014a), u. a. aufbauend auf dem vorliegenden Bericht. Dort wird für die verschiedenen Standortgebiete auch der Effekt der zukünftigen Erosion auf die Wirtgesteinsüberdeckung aufgezeigt. Der sicherheitstechnische Vergleich der Standortgebiete erfolgt in Nagra (2014b).
Die Klimabedingungen (Kap. 3) sind neben tektonischen Bewegungen ein wichtiger Steuerungsprozess für die Landschaftsentwicklung. Die letzten ca. 2.5 Millionen Jahre waren geprägt durch glazial-interglaziale Zyklen, zuerst mit 40 ka-Zyklizität und ab ca. 1 Million Jahren vor heute mit 100 ka-Zyklizität. Mit grosser Wahrscheinlichkeit werden auch die nächsten 106 Jahre durch ein glazial-interglaziales Klima dominiert sein. Numerische Modellierungen der zukünftigen Klimaentwicklung deuten darauf hin, dass die nächste grössere Kaltzeit mit Gletschervorstössen bis ins externe Alpenvorland in ca. 60 ka stattfinden könnte. Je nach Annahmen zum anthropogenen CO2-Ausstoss könnte eine solche auch erst deutlich später auftreten. Eine verlässliche Prognose über einen Zeitraum von 106 Jahren ist zurzeit nicht möglich. Die Untersuchungen zur zukünftigen Erosion orientieren sich v. a. an der Landschaftsentwicklung in den letzten ca. 2.5 Millionen Jahren, die geprägt waren durch ein glazial-interglaziales Klima, welches mit grosser Wahrscheinlichkeit auch die nächsten 106 Jahre dominieren wird. Daneben werden aber auch die Effekte von alternativen Klimaentwicklungen auf die Erosion kurz aufgezeigt.
Im Hinblick auf die Beurteilung der zukünftigen Erosion wird in diesem Bericht als neue Bezugsfläche die lokale Erosionsbasis eingeführt (Kap. 4). Sie wird im Wesentlichen durch Interpolation der Höhenlage der Haupttäler berechnet und stellt damit die Basis für die lokalen fluviatilen und gravitativen Erosionsprozesse dar. Die im vorliegenden Bericht und in SGT Etappe 2 generell verwendete lokale Erosionsbasis bezieht sich nicht auf das Niveau der heutigen Haupttäler, sondern auf die in der Regel tiefer liegende Basis der heute verfüllten Paläoflusstäler. Diese stellen die tiefste in der Vergangenheit erreichte lokale Erosionsbasis dar. Das Gesteinspaket, welches über diesem Niveau liegt, bildet die lokale Topographie. Unter die lokale Erosionsbasis greifende Felsrinnen (übertiefte Felsrinnen) werden durch glaziale Erosionsprozesse erklärt. Im vorliegenden Bericht werden die Entwicklung der lokalen Erosionsbasis, der lokalen Topographie und der glazialen Tiefenerosion in separaten Kapiteln diskutiert.
Als Basis für die Beurteilung der Entwicklung der lokalen Erosionsbasis (Kap. 5) wurde die Entwicklungs- und Eintiefungsgeschichte der Hauptflüsse der letzten 5 – 10 Millionen Jahre betrachtet. In diesem Zeitraum kam es als Resultat von Flussanzapfungen (Anbindung eines Flusses an ein Einzugsgebiet mit tieferer Erosionsbasis) zu raschen Absenkungen der lokalen Erosionsbasis, zum Beispiel in Zusammenhang mit der Umlenkung der ursprünglichen Aare-Donau Richtung Doubs und schliesslich zum Rhein. Eine Analyse der rezenten Einzugsgebiete und Flussläufe von Donau, Rhein und Rhone ergibt im Bereich der geologischen Standortgebiete für die nächsten 106 Jahre kein Potenzial für eine grössere Absenkung der lokalen Erosionsbasis in Zusammenhang mit der Anbindung an ein anderes Flusssystem. Für die letzten 2.5 Millionen Jahre kann die Flussnetzentwicklung anhand von Schotterniveaus rekonstruiert werden. Dabei zeigt sich, dass die Eintiefung der Hauptflüsse in den Fels unregelmässig war:
Neben Zeiten mit prägnanter Tieferlegung der lokalen Erosionsbasis gab es Abschnitte mit längerem Auf und Ab (Aufschotterungs- und Einschneidephasen), ohne dass die Felsbasis netto vertieft wurde. Für das SMA-Lagers (Betrachtungszeitraum 105 Jahre) muss demnach für die Berücksichtigung des ungünstigsten Erosionsszenariums mit einer höheren mittleren Eintiefungsrate gerechnet werden als für das HAA-Lager (Betrachtungszeitraum 106 Jahre). Die Höhendifferenz zwischen der Basis der Höheren Deckenschotter und dem tiefsten fluviatilen Felsbett (lokale Erosionsbasis) beträgt im Bereich der Standortgebiete ca. 200 – 250 m, diejenige zwischen Tieferen Deckenschottern und dem tiefsten fluviatilen Felsbett ca. 100 – 200 m, wobei die Differenz im Allgemeinen von Basel Richtung Bodensee und von Koblenz Richtung Alpen zunimmt. Grund für die vergangene Eintiefung der lokalen Erosionsbasis dürfte eine Kombination von Hebung und exogenen Phänomenen (Änderung von Klima und damit Eismächtigkeit und -dynamik im Alpenraum, Vergrösserung Rhein-Einzugsgebiet) sein.
In Zusammenhang mit der Abtragung der lokalen Topographie (Kap. 6) wird zuerst auf die flächenhaften Denudationsraten eingegangen. Die vorhandenen Daten ergeben für die Nordschweiz für glazial nicht stark überprägte Gebiete durchschnittliche Werte von < 0.1 mm/Jahr. In Gebieten mit hohem Relief oder mit rückschreitender Erosion können diese auch erhöht sein. Auch zeitlich kann es innerhalb von Glazial-Interglazial-Zyklen grössere Variationen der Denudationsrate geben. Viel schneller und deshalb kritischer für zukünftige Erosionsbetrachtungen wird die lokale Topographie durch sogenannte Durchbruchsrinnen eingeschnitten. Solche können in Zusammenhang mit Gletschervorstössen entstehen, wenn durch Eis, Moränen und/oder Aufschotterung bestehende Täler verschlossen werden und als Folge neue Täler durch Erhebungen oder Felsriegel eingeschnitten werden können. In der Nordschweiz wurden auf diese Weise bestehende 100 – 200 m hohe Felsriegel durchbrochen und in relativ rascher Zeit bis nahezu auf das Niveau der lokalen Erosionsbasis eingeschnitten. Das Potenzial für die zukünftige Entstehung solcher Durchbrüche oder neuerer Täler ist dort am grössten, wo die Topographie flach ist und Gletschervorstösse in der Vergangenheit vergleichsweise häufig aufgetreten sind (und deshalb auch in Zukunft vergleichsweise häufiger auftreten dürften). Dies betrifft v. a. die Standortgebiete Zürich Nordost und den Ostteil des Standortgebiets Nördlich Lägern. Zudem ist in Gebieten mit vielen bestehenden Durchbruchsrinnen eher mit neuen Rinnen zu rechnen (Ostteil des Standortgebiets Südranden) als in Bereichen mit intakten Hochzonen (Standortgebiet Jura Ost). Die Bedeutung allfälliger Durchbruchsrinnen für die vorliegende Fragestellung ist massgeblich von der Tiefenlage des Wirtgesteins abhängig (vgl. dazu Nagra 2014a, b).
Bei der Entstehung der übertieften Felsrinnen (Kap. 7) im externen Alpenvorland scheinen subglaziale Schmelzwässer eine wichtige Rolle gespielt zu haben, einerseits durch direkte Erosion, und andererseits durch das effiziente Abtransportieren von erodiertem Material. Das Modell der Felsoberfläche zeigt für die Nordschweiz in den Hauptrinnen Übertiefungen relativ zur lokalen Erosionsbasis an, welche meist zwischen 50 und 200 m liegen und maximal ca. 250 m erreichen. Da die Zentren der Täler aber nur selten erbohrt wurden, sind für die zentralen Haupttäler auch grössere Tiefen möglich. Die Konzentration der Übertiefungen auf das Molassesubstrat deutet auf einen wichtigen Einfluss der Lithologie des Substrats hin. Einzig die Rinnen im Reuss- und im unteren Aaretal sind in mesozoische Schichten als Übertiefung eingeschnitten, wobei sich diese Rinnen vor allem im Bereich der Durchbrüche durch die Malmkalke verengen. Ihr Tiefgang relativ zur lokalen Erosionsbasis nimmt gemäss Felsoberflächenmodell auf maximal 50 – 100 m ab. In der Nordschweiz sind in den Standortgebieten Zürich Nordost und im Westteil von Nördlich Lägern mehrere Übertiefungen bekannt und können demnach wahrscheinlich auch in Zukunft vergleichsweise einfach entstehen. Im mesozoischen Substrat ist allerdings mit einem im Vergleich zu den heutigen, in die Molasse eingeschnittenen Rinnen mit einem geringen Tiefgang der Rinnen zu rechnen. Zudem ist bei der Beurteilung der Relevanz von neuen Übertiefungen die Tiefenlage des Wirtgesteins zu beachten (Nagra 2014a, b).