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d) Wie sieht es mit der Sicherheit bezüglich Erdbeben, Erdverschiebungen aus?
Kurzfassung der Antwort der Nagra zu Frage 36 d)
In der neusten im Internet publizierten Erdbebengefährdungskarte des Schweizerischen Erdbebendienstes liegt das potenzielle Lagergebiet im Zürcher Weinland in einem der seismisch ruhigen Gebieten der Schweiz. Die Anlagen über Tag inkl. technischen Einrichtungen und Geräten sowie die Portalbereiche der Zugänge zu den Anlagen unter Tag werden den geltenden Normen entsprechend gegen Erdbeben ausgelegt. Untertägige Anlagen sind, wie weltweite Erfahrungen (z.B. in tiefen Bergwerken) zeigen, sehr widerstandsfähig gegen Erdbeben und bedingen diesbezüglich keine spezifischen weiteren Massnahmen.
Ausführliche Antwort der Nagra auf Frage 36 d)
Weltweite Erfahrungen
Auf der Basis einer neuen breit angelegten Studie untersuchten die schwedischen Autoren Bäckblom & Munier (2002) in systematischer Weise weltweit Erdbebenschäden an Untertagebauten. Neben einer umfassenden Literaturstudie, Internet-Recherchen und Besichtigungen in Japan, Taiwan und Südafrika wurden rund 60 Organisationen und Wissenschaftler um Zusammenarbeit angefragt. Die wichtigsten Schlussfolgerungen bezüglich des Untersuchungsgebiets Zürcher Weinland sind im Folgenden aufgeführt (s. auch Kasten mit Erläuterung einiger Begriffe).
Seismizität des Zürcher Weinlands
In der neusten im Internet publizierten Erdbebengefährdungskarte des Schweizerischen Erdbebendienstes liegt das potenzielle Lagergebiet im Zürcher Weinland in einem der seismisch ruhigen Gebiete der Schweiz. Auf der globalen Gefährdungskarte wird die Gefährdung der zentralen Nordschweiz und des Tessins als niedrig, diejenige der übrigen Schweiz und Südwestdeutschlands als mittel eingestuft. Der Schweizerische Erdbebendienst betreibt im Umfeld des Zürcher Weinlands ein von der Nagra mitfinanziertes Mikroerdbeben- Messnetz. Dadurch ist es möglich, auch kleinste Erdbeben zu erfassen und zu lokalisieren sowie allfällige Zusammenhänge mit bekannten tektonischen Störungszonen zu eruieren. Die am nächsten gelegenen Erdbeben der Vergangenheit erfolgten im Gebiet um Eglisau, wo in den letzten 300 Jahren verschiedene Beben der Intensität IV und V, in einem Fall auch VI, registriert worden sind. Aufgrund der geringen Herdtiefe dieser Beben und des Signalcharakters kann angenommen werden, dass sie Teil des gleichen Herds waren, dessen Tiefe auf etwa 2 km geschätzt wird. Die seismische Aktivität fand also im Grenzbereich zwischen Grund- und Deckgebirge statt und liegt zudem im Bereich der Nordgrenze des Nordschweizer Permokarbontrogs. Von den zwei möglichen seismisch aktiven Störungssystemen tangiert keines das mögliche Lagergebiet im Zürcher Weinland (Müller et al. 2002).
Erdbebeneffekte auf Anlagen über Tag und in nicht verfüllten Untertagebauten
Die Beziehung zwischen Tunnelschäden und verschiedenen charakteristischen Grössen (maximale Bodenbeschleunigung an der Oberfläche, Magnitude, Intensität) eines Erdbebens zeigt, dass Untertagebauten im Vergleich zu Oberflächenbauten eine weitaus grössere Erdbebensicherheit aufweisen. Bei maximalen Bodenbeschleunigungen kleiner als 2 m/s2 (entspricht ungefähr einer Intensität VIII bzw. einer Magnitude knapp unterhalb 6) treten keine Schäden auf. In der alten Bodenbeschleunigungskarte von Mayer-Rosa (1986) wie auch in der neusten Erdbebengefährdungskarte (s. oben) liegt das potenzielle Lagergebiet im Zürcher Weinland weit ausserhalb von zu erwartenden kritischen Bodenbeschleunigungen. Bedeutende Schäden an Untertagebauten sind nach Bäckblom & Munier auch nach bedeutenden Erdbeben mit Magnitude > 6 kaum zu beobachten. Wenn solche entstanden sind, dann entweder in Lockergesteinsabschnitten oder in Tunnel- Portalzonen oder bei sehr hohen Gebirgsspannungen. Die meisten Schäden erfolgten im Bereich von aktiven Störungen. Für ein Tiefenlager im Zürcher Weinland treffen solche Bedingungen nicht zu, da bei der Platzierung des Lagergebiets potenziell aktiven Störungen ausgewichen wird (die Neuhauser Störung wird im Sinn einer pessimistischen Interpretation der geodätischen Daten als potenziell aktiv eingestuft).
Illustrativ sind die Beobachtungen und Messungen in den Bergwerken der Bergbaustadt Tang-Shan in China, die 1976 durch ein Erdbeben mit der Magnitude M von ca. 8 weitgehend zerstört wurde (über 500’000 Menschen starben). Die katastrophalen Auswirkungen an der Erdoberfläche im Bereich Tang-Shan traten in den dortigen Bergwerken nicht ein. Während des Erdbebens waren 30’000 Bergarbeiter unter Tage tätig. Es ist kein einziger Todesfall bekannt geworden.
Erdbebeneffekte in einem verfüllten Tiefenlager
In einem Tiefenlager werden die Lagerstollen und -tunnel unmittelbar nach Einbringen der Abfälle mit Bentonit, resp. mit Zementmörtel verfüllt und versiegelt. Die Verfüllung/Versiegelung der übrigen Tunnel und des Schachts erfolgt nach einer längeren Überwachungsphase (Überführung in ein Endlager). In verfüllten Untertagebauten sind Schäden, welche durch Erschütterungen hervorgerufen werden, wegen der Stützwirkung des Verfüllmaterials vernachlässigbar. Die einzigen mechanischen Störeffekte könnten durch Differenzialbewegungen im Bereich reaktivierter Störungen erfolgen. Aus den Untersuchungen von Bäckblom & Munier geht hervor, dass die Bildung neuer Brüche im Allgemeinen auf die unmittelbare Umgebung der reaktivierten Störungen beschränkt ist, und dass die Gesteinsdeformationen mit der Distanz zur Störung rasch abnehmen. Bei der Platzierung eines Tiefenlagers wird diesen Befunden Rechnung getragen, indem zu allen grösseren Störungen (aktive und nichtaktive) ein angemessener Sicherheitsabstand (respect distance) eingehalten wird. Aufgrund der Lage des potenziellen Standortgebiets in einem seismisch ruhigen Gebiet sowie der Platzierung des Tiefenlagers ist eine Gefährdung des Lagers durch Erdbeben während der Betriebsphase vernachlässigbar und die Langzeit-Integrität des verschlossenen Endlagers gewährleistet.
Durch Erdbeben hervorgerufene hydrogeologische Effekte
Erdbeben sind Ereignisse, die den Grundwasserfluss beeinflussen können, nicht nur während des Bruchvorgangs, sondern auch unmittelbar vorher und nachher. Je nach Bruchmechanismus und relativer Lage zur aktiven Störung wurden in Zusammenhang mit grossen Erdbeben (Magnitude M 6 bis 9.25, sehr selten kleiner) Grundwasseraufstösse oder Versiegen natürlicher Quellen beobachtet. Diese Veränderungen erstreckten sich über Zeiträume von wenigen Stunden bis zu einem Jahr, danach stellten sich wieder die ursprünglichen Verhältnisse ein.
In der Schweiz und in angrenzenden Gebieten sind bedeutende hydrogeologische Effekte von Erdbeben nur im in Gebieten mit erhöhter Seismizität beobachtet worden, z.B. Gebiet des Rhone-Tals in Zusammenhang mit den Erdbeben von Visp (1855, M ca. 6.4) und Sierre (1946, M ca. 6.1). Es wurden z.T. bemerkenswerte Schüttungs- und Temperaturschwankungen von Quellen und Thermalquellen sowie temporären Trübungen des Quellwassers beobachtet. Aus der Innerschweiz gibt es einen Hinweis in einer Chronik, dass beim Erdbeben im Jahr 1601 Quellen und Sodbrunnen versiegt sind, wobei sich der Normalzustand nach einer gewissen Zeit wieder eingestellt hat. In Zusammenhang mit dem Erdbeben von 1911 auf der Schwäbischen Alb (Magnitude 5.6) wurden Schüttungsschwankungen bei Quellen beobachtet (Schmidt & Mack 1912). Hinweise auf Effekte in grösserer Tiefe oder Einflüsse auf Tiefengrundwässer existieren nicht. Aus der Nordschweiz sind einzig Grundwasserspiegelschwankungen im Limmat- und Furttal von maximal 72 cm als Reaktion auf grosse Fernbeben (Friaul 1976, Magnitude 6.5; Rumänien 1977, Magnitude 7.7) und entsprechende langwellige elastische Deformationen des Grundwasserleiters bekannt (Jäckli 1978). Das Erdbeben von Süddeutschland von 1978 (Magnitude 5.8) erzeugte hingegen nur minimalste Schwankungen, obwohl es in Zürich die Intensität V erreichte. Kleinere Nahbeben hatten keine Grundwasserspiegelschwankungen bewirkt.
Im Opalinuston werden wegen des ausgeprägten Selbstabdichtungsvermögens keine bedeutenden hydrogeologischen Effekte erwartet. Es gibt auch keine Hinweise (z.B. Mineraladersysteme), dass in der geologischen Vergangenheit bedeutende Tiefenwasserbewegungen stattgefunden haben.
Zusätzliche Informationen
Erdbebenstärke: Magnitude und Intensität
Magnitude und Intensität sind zwei unterschiedliche Skalen für die Quantifizierung der Stärke eines Erdbebens. Die Magnitude ist eine gemessene Grösse und die Intensität beruht auf Wahrnehmungen und Beobachtungen. Sie geben einerseits die Energie und andererseits die Auswirkungen eines Bebens wieder und werden sehr oft verwechselt. In Wirklichkeit beschreiben Magnitude und Intesität zwei ganz verschiedene Aspekte.
Die Magnitude ist ein Mass für die im Erdbebenherd frei gewordene Energie und wird mit Hilfe der Aufzeichnungen von Seismographen bestimmt. Sie wird meistens mit der von C.F. Richter im Jahre 1935 eingeführten Skala festgelegt. Die Magnitudenskala selbst ist unbegrenzt, praktisch haben aber die stärksten bisher registrierten Beben höchstens den Wert um 9 erreicht. Man ist heute sicher, dass es eine Maximalmagnitude für Erdbeben gibt, die nicht überschritten wird.
Die Intensität beschreibt im Gegensatz zur Magnitude die Auswirkung eines Bebens an der Erdoberfläche und ändert sich von Ort zu Ort je nach der Entfernung zum Epizentrum und der Bodenbeschaffenheit. Sie kann ohne Instrumente, lediglich anhand der Wahrnehmungen während und nach einem Beben festgelegt werden. Dies ist natürlich besonders von Vorteil, wenn die Stärke eines historischen Erdbebens ermittelt werden soll, für das zwar keine instrumentellen Aufzeichnungen, dafür aber detaillierte Schadenbeschreibungen vorhanden sind. Das Mass für die Intensität ist durch die heute allgemein gültige 12-stufige EMS-98-Skala (Europäische Makroseimische Skala 1998) festgelegt. Die Skala ist weitgehend identisch mit der älteren 12-stufigen MSK-Skala.
Aus der beobachteten maximalen Intensität lässt sich ganz grob die Magnitude des Bebens bestimmen. Dazu verweisen wir auf die Darstellung „Genereller Zusammenhang zwischen den verschiedenen Intensitätskalen und der Richterskala Magnitude“ auf Seite 58 in Weidmann (2002).
Erdbebenschadenwirkung
Für Bauten an der Erdoberfläche sind diejenigen seismischen Wellenvorgänge von Bedeutung die sich in Oberflächennähe abspielen. Die bei einem Erdbeben freigesetzte Energie, hervorgerufen durch einen Bruchvorgang in der oberen Kruste, breitet sich durch elastische Körperwellen, als Kompressions- und Scherwellen aus. Diese pflanzen sich durch das Erdinnere bis an die Oberfläche fort, wo sie an Schichtgrenzen und vor allem an der Oberfläche reflektiert und ihre Bewegungsamplituden überlagert werden. Dies führt zur Generierung der Oberflächenwellen mit der bekannten Zunahme der Erschütterungsintensität im Bereich der Erdoberfläche. Die Oberflächenwellen sind zusammen mit den Scherwellen die zerstörerischsten Erdbebenwellen, weil sie Bauwerke mit horizontalen Kräften beanspruchen. Einanderer wichtiger Parameter im Rahmen der dynamischen Beanspruchung ist die Eigenfrequenz. Dabei handelt es sich um die Frequenz, mit der ein Lockergestein (Boden), ein Bauwerk oder jedes andere Objekt natürlich schwingt. Entspricht die Frequenz der Bodenbewegungen der Eigenfrequenz des Bauwerkes, dann kann diese zu ausserordentlich starken Schwingungen angeregt werden, wodurch das Gebäude zerstört werden kann.
Der Einfluss der Oberflächenwellen – und somit auch die Erdbebenschadenwirkung – nimmt aber mit der Tiefe rasch ab. Dies wird durch weltweite Beobachtungen und direkte seismologische Messungen in Untertagebauten belegt (s. Bäckblom & Munier 2002).
Literaturhinweise
Bäckblom, G. & Munier, R. (2002): Effects of earthquakes on the deep repository for spent fuel in Sweden based on case studies and preliminary model results. SKB Tech. Rep. TR- 02-24, SKB, Stockholm.
Jäckli, H. (1978): Schwankungen des Grundwasserspiegels als Folge von Erdbeben. Vierteljahresschr. Natf. Ges. Zürich, 291-302.
Schmidt, A. & Mack, K. (1912): Das süddeutsche Erdbeben vom 16. November 1911. Sonderdruck aus den Württemb. Jahrb. f. Statistik u. Landeskunde 1.
Weidmann, M. (2002): Erdbeben in der Schweiz. Verlag Desertina, Chur
h) Was passiert, wenn es doch zu einem Erdbeben kommt? Es wird eins kommen!!
Antwort der Nagra auf Frage 36 h): Siehe Antwort auf Frage 36 d)
i) Welche Auswirkungen haben Erdbeben auf den Betrieb des Lagers und das Lager selbst?
Antwort der Nagra auf Frage 36 i): Siehe Antwort auf Frage 36 d)
j) Wie viele Geologen sind der Meinung, dass die Alpenbildung noch nicht abgeschlossen ist? Welche Gefahr geht von Geländeerhebung und Erosion aus?
Unter den führenden Geologen der Gegenwart wird die Frage, ob die Alpenbildung schon abgeschlossen sei oder noch nicht, durchaus differenziert beurteilt. Gerade in neuerer Zeit sind von namhaften Autoren Evidenzen und Argumente publiziert worden (NTB 02-03, Kap 8.2.2, S. 535/536), wonach die alpine Kontinentalkollision – und mithin auch der Jura- Fernschub – seit einigen Millionen Jahren abgeschlossen sind. Sie interpretieren die heutige Hebung bzw. Erosion der Alpen und ihres Vorlandes als isostatischer Ausgleich zur alpinen Krustenverdickung.
Da dies hinsichtlich der geologischen Langzeitentwicklung als günstig zu beurteilen wäre, geht die Nagra vorsichtigerweise davon aus, dass die Alpenbildung noch nicht abgeschlossen ist und legt ihren Überlegungen zur Erosion im Gebiet des Zürcher Weinlands eine fortdauernde, durch verschiedene erdhistorische (Beckenanalyse, Terrassenschotter) und aktuelle Daten (Geodäsie) belegbare Hebungsrate von etwa 0.1 mm/Jahr zugrunde (= 1/10 des entsprechenden Kriteriums des deutschen Arbeitskreises Auswahlverfahren Endlagerstandorte (AkEnd)). Die von der Nagra auf dieser Datengrundlage erarbeiteten Erosionsszenarien lassen den Schluss zu, dass über den zu betrachtenden Zeitraum (von einer Jahrmillion) keine negative Auswirkungen auf ein Tiefenlager (gemäss publiziertem Anlagenkonzept) infolge Erosion zu erwarten sind. Im Technischen Forum wird dieser Themenkreis auch in den entsprechenden Fachfragen (Nr. 2, 3, 4, 5, 24, 25) diskutiert.