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Technical Report NTB 04-05
Modelling of Tracer Profiles in Pore Water of Argillaceous Rocks in the Benken Borehole: Stable Water Isotopes, Chloride and Chlorine Isotopes
Natürlich vorkommende Isotope im Grundwasser bieten einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung von Wasserfluss und Transportprozessen über grosse Zeiträume und Distanzen. Dies gilt insbesondere für geologische Medien mit geringen Durchlässigkeiten, wie z. B. Tonsteine und Mergel, wo der Transport von gelösten Stoffen typischerweise sehr langsam und deshalb schwierig zu untersuchen ist. Zur Zeit werden solch gering durchlässige Lithologien in mehreren Ländern an potenziellen Standorten für die Tiefenlagerung von radioaktiven oder anderweitig toxischen Abfällen untersucht. In der Sondierbohrung Benken (Nordostschweiz) konnte eine Abfolge von Aquiferen mit zwischengelagerten gering durchlässigen tonigen Gesteinen (Aquitarden) untersucht werden. Grundwasser konnte in verschiedenen Tiefen aus Einheiten des Malms, Keupers, Muschelkalks und Buntsandsteins entnommen werden. Die Aquifere im Malm und Keuper umgeben eine Ton-Mergel-Abfolge in einer Tiefe von ca. 400 m bis 700 m, welche auch den Opalinuston beinhaltet und welche eine durchschnittliche hydraulische Leitfähigkeit von weniger als 10-13 m s-1 aufweist. Im Porenwasser dieser Ton-Mergel-Abfolge wurden die stabilen Isotope von Wasser (δ18O, δ2H), der Chloridgehalt und die Chlorisotope (δ37Cl) als Funktion der Tiefe bestimmt. Die chemische und isotopische Zusammensetzung und die Edelgasgehalte der Grundwässer schliessen eine Kommunikation zwischen den verschiedenen Aquiferen aus. Die Grundwässer ent-wickelten sich zudem in den Gesteinen, aus welchen sie entnommen wurden. Einzig beim Malmwasser bestehen Hinweise auf einen Zufluss aus dem südlichen Molassebecken. Die Daten erlauben weiter eine Herleitung der Infiltrationsbedingungen der Grundwässer bezüglich Klima und Ort. Die Konzentrationsverläufe im Porenwasser der gering durchlässigen Gesteine zeigen deutliche Trends, welche auf diffusionsdominierte Transportprozesse hinweisen. In einer Reihe von advektiv-diffusiven Modellrechnungen wurden mögliche Prozesse und Zeitskalen, welche für den Aufbau der Konzentrationsverläufe in Frage kommen, untersucht. Dabei wurden sowohl die Anfangsbedingungen im Zentrum der gering durchlässigen Zone, als auch die Randbedingungen in den umgebenden Aquiferen variiert. Die Modellrechnungen lassen die folgenden Schlüsse zu: (i) Stofftransport via molekulare Diffusion in Richtung des unterliegenden Aquifers kann die beobachteten Konzentrationsverläufe generell erklären, (ii) es konnte kein Hinweis auf eine advektive Transportkomponente gefunden werden, (iii) die Aufbauzeit der beobachteten Konzentrationsverläufe beträgt etwa 0.5 bis 1 Ma (wenn mit Labor-Diffusionskoeffizienten berechnet) mit einem möglichen Bereich zwischen 0.2 bis 2 Ma, welcher geologisch plausibel ist, und (iv) Transportparameter, welche für die untersuchten Gesteine in kleinem Massstab (cm, m und Tage, Monate) bestimmt wurden, sind auch für den Feldmassstab (Dekameter, Millionen von Jahre) plausibel.