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Wirtgesteine
Als Wirtgestein bezeichnen Geologen und Ingenieure jenen Gesteinskörper, der unmittelbar das Tiefenlager umfasst und eine geringe Wasserdurchlässigkeit aufweist.
Zusammen mit den angrenzenden, ebenfalls gering durchlässigen Gesteinsschichten (Rahmengestein) bildet das Wirtgestein die geologische Barriere eines Tiefenlagers. In Europa werden als Wirtgesteine Kristallin-, Salz- und Tongesteine in Betracht gezogen.
In der Schweiz erfüllen vier tonreiche Sedimentgesteine die strengen Anforderungen an Wirtgesteine:
- Opalinuston
- Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger'
- Effinger Schichten
- Mergel-Formationen des Helvetikums
Durch verschärfte Anforderungen wurde eine erste Gesteinsauswahl, welche die Mindestanforderungen erfüllt, weiter eingegrenzt.
Die unten stehenden Gesteine sind entweder zurückgestellt oder kommen in der Schweiz gar nicht in Frage.
- Die Mindestanforderungen erfüllen auch die tonreichen Gesteine der Unteren und Oberen Süsswassermolasse. Diese wurden aber wegen ihrer erhöhten horizontalen Durchlässigkeit zurückgestellt.
- Die Kristallingesteine der Nordschweiz und der Alpen erfüllen ebenfalls die Mindestanforderungen. Sie wurden auch zurückgestellt, weil der Wasserfluss oft in eng begrenzten Kanälen (Klüften) stattfindet, welche von der Erdoberfläche aus sehr schwierig zu erkunden sind. Das macht Prognosen schwierig.
- Die Salzvorkommen in der Schweiz eignen sich nicht als Wirtgestein. Die Salzschichten sind zu geringmächtig für die Aufnahme von Abfällen und befinden sich zu nahe an der Oberfläche, wo sie teilweise als Rohstoff im Auslaugungsverfahren abgebaut werden.
Opalinuston
In der Nordschweiz und den angrenzenden Ländern ist der Opalinuston verbreitet. Das zirka 110 Meter dicke, gleichmässig aufgebaute Schichtpaket hat seinen Ursprung in der Jurazeit vor rund 175 Millionen Jahren. Damals war die Nordschweiz von einem flachen Meer bedeckt. Am Meeresboden lagerte sich feiner Tonschlamm ab. Nach dessen Verfestigung entstand daraus der Opalinuston. Der Name stammt vom häufig darin enthaltenen Ammoniten «Leioceras opalinum».
Opalinuston hat ein sehr gutes Abdichtungs- und Isoliervermögen. Träger dieser Eigenschaft sind die mikroskopisch kleinen, plättchenförmigen Tonminerale.
Die Anforderungen an Mächtigkeit und Tiefenlage werden in einem Streifen von Olten bis Schaffhausen erfüllt. Die bautechnischen und chemischen Eigenschaften des Opalinustons sind aus Versuchen in Labors, im Felslabor Mont Terri sowie aus Bohrungen und Tunnelbauten gut bekannt.
Offene Stollenwand im Opalinuston im Felslabor Mont Terri (JU). Bild: Comet
'Brauner Dogger'
Die Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' umfasst einen Gesteinsstapel von tonreichen, gering durchlässigen Gesteinsschichten, die vor zirka 175 bis 160 Millionen Jahren zwischen dem Opalinuston und den Effinger Schichten abgelagert wurden.
Die Tongesteinsabfolge erstreckt sich östlich des unteren Aarelaufs bis zum Nordrand des Molassebeckens im Raum Schaffhausen. Wie bei allen mergeligen Gesteinen ist es von der Oberfläche aus schwierig, die Ausdehnung und Verteilung von sandigen und kalkigen Bereichen im Untergrund zu erfassen. Die Poren der Sandsteine sind über weite Bereiche mit Kalk zementiert. Dadurch sind auch die Sandsteine nur gering durchlässig. Die tonreichen Einheiten besitzen ein Selbstabdichtungsvermögen, das dem des Opalinustons sehr nahe kommt.
Zwei Kernstücke der Tongesteinsabfolge 'Brauner Dogger' aus rund 500 Meter Tiefe der Sondierbohrung Benken. Der linke Kern enthält Fossilienschalen (weiss), die mit Tonschlamm gefüllt sind. Bilder: Nagra
Effinger Schichten
Die so genannten Effinger Schichten entstanden vor zirka 160 Millionen Jahren aus Meeresablagerungen. Es sind tonreiche Mergelschichten mit örtlichen Kalkbänken. Das Gestein variiert in seiner Zusammensetzung und Mächtigkeit, die bis zu 300 Meter erreicht. Ein geeignetes Vorkommen erstreckt sich westlich des unteren Aarelaufs bis in die Gegend von Olten.
Die Effinger Schichten sind geringdurchlässig, wenn sie von mindestens 200 Meter Gestein bedeckt sind. Die Quellfähigkeit ermöglicht eine Selbstabdichtung von kleinen Rissen. Die bautechnischen Eigenschaften sind aus Untertagebauten bekannt.
In diesem Steinbruch lässt sich die feine Schichtung der Effinger Schichten erkennen. Die Höhe der Wand beträgt etwa 15 Meter. Bild: Dr. Heinrich Jäckli AG
Mergel Formation des Helvetikums
Im Laufe der Alpenbildung wurden sie zusammen mit angrenzenden Kalken aus einem weiter südlich gelegenen Gebiet weit nach Norden verschoben, wo sie heute entlang des Alpennordrandes dicke Gesteinspakete bilden, die so genannten Helvetischen Decken.
Diese Mergel wurden bereits in einer früheren Phase der Standortsuche für ein Lager für schwach- und mittelaktive Abfälle eingehend untersucht.
Das grosse Gesteinsvolumen bietet eine hohe Flexibilität bei der Auslegung der Lagergeometrie. Die Wasserdurchlässigkeit in den tonreichen Gesteinen ist gering.
Kernstück mit Mergelgesteinen aus der Sondierbohrung 4 am Wellenberg. Bild: U. Gerber