Technical Report NTB 05-01

Zement ist eine Hauptkomponente des Barrierensystems in geplanten Untertage-Lagern für schwach- und mittelradioaktive Abfälle. Die Wechselwirkungen zwischen hochalkalischen Lösungen, die von der Zementzersetzung stammen, und dem umgebenden Gestein könnten die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Wirtgesteins verändern. Das Projekt «Hyper­alkaline Plume in Fractured Rock (HPF)» im Felslabor Grimsel (Schweiz) untersucht diese Problematik in Zusammenhang mit einem geklüfteten kristallinen Wirtgestein (Granit).
 

Der Grimsel-Granit oder -Granodiorit wird charakterisiert durch das Vorhandensein von duktilen Scherzonen (Bossart & Mazurek, 1991), die eine Mächtigkeit im Meter- bzw. Deka­meterbe­reich erreichen können. Diese Scherzonen enthalten intensiv deformierte Mylonit­bänder mit einer Mächtigkeit bis zu einigen Dezimetern. In einem späteren Deforma­tions­stadium bildeten sich hauptsächlich in den Mylonitbändern spröddeformierte Klüfte. Diese Klüfte mit einer Mächtigkeit im Millimetermassstab können teilweise eine poröse Füllung eine so genannte «fault gouge» enthalten.
 

Das HPF-Projekt, welches von ANDRA (Frankreich), JNC (heute JAEA, Japan), NAGRA (Schweiz), SKB (Schweden), POSIVA (Finnland) und dem DOE (USA) finanziert wurde, beinhaltete ein Feldexperiment untertage mit einer Injektion einer hochalkalischen Lösung in einem hydraulischen Dipolfliessfeld mit Tracer-Experimenten und kleinskalige Labor­experi­mente sowie strukturelle und mineralo­gische Untersuchungen. Um die Wechselwirkung der hoch­alkalischen Lösung mit der geklüf­teten Scherzone im Felslabor Grimsel zu verstehen, wurden die Labor- und Feldexperimente mit Hilfe numerischer Modellierungen analysiert.
 

Zu Beginn wurden verschiedene Überschlagsrechnungen, so genannte «scoping calculations», zur Abschätzung der räumlichen Ausdehnung und des Ausmasses der mineralogischen Verän­derung durch die Injektion einer hochalkalischen Lösung in eine Kluftzone und zum Design des Feldexperimentes durchgeführt. Die in Betracht gezogene Dauer des Experimentes in den Simulationen war in dem Bereich von 1 bis 3 Jahren. Alle Konzepte basierten auf ein-dimensionalen reaktiven Transportmodellierungen mit einer Wechselwirkung zwischen der injizierten hochalkalischen Lösung und dem Mineralbestand der Kluftfüllung. Zusätzlich wurde in einem konzeptuellen Modell auch die Matrixdiffusion in das Nebengestein berücksichtigt. Die zwei Hauptschlussfolgerungen aller Überschlagsrechnungen waren (1), dass relativ grosse Fliessraten im Feldexperiment implementiert werden müssten, um überhaupt eine signifikante mineralo­gische Veränderung erwarten zu können, und (2), dass signifikante Aus­fällungen von Sekun­därmineralien nur erwartet werden können, wenn die reaktiven Oberflächen der Primär­minera­lien im Gestein vergleichbar sind mit denen mit der BET-Technik gemessenen spezifischen Oberflächen. Andere identifizierte Unsicherheiten stehen in Zusammenhang mit der Identität der potentiellen Sekundärphasen, die ausfallen können, und den Reaktionsraten der Mineral­auflösung und -fällung.
 

Nachdem das Experiment gestartet war, versuchte man mit ein-dimensionalen Fliess- und reaktiven Transportmodellen die Durchbruchskurven eines kleinskaligen Laborexperimentes, bei dem eine Hoch-pH-Lösung in einen Bohrkern mit einer Kluftzone injiziert wurde. Eine wichtige Aussage des Experimentes war, dass die Wechselwirkung zwischen der hoch­alkalischen Lö­sung und der Kluftzone im Grimsel-Granit zu einer signifikanten Reduktion der hydrau­lischen Durchlässigkeit des Bohrkernes führen kann, auch wenn die Veränderungen des Mine­ralbestan­des gering sind. Die Modellierresultate bestätigten, dass Auflösung von Primär­mineralien kine­tisch kontrolliert wird. In den zwei Modellieransätze (GIMRT und 3FLO) wurden für die Auf­lösung der Primärmineralien Geschwindigkeitskonstanten gebraucht, die auf publizierten Re­sultaten von Expe­rimenten beruhen. Für die Sekundärmineralien wurden grössere Geschwin­digkeitskonstanten angenommen, um die Bedingungen eines lokalen Gleich­gewichts für diese Sekundär­phasen simulieren zu kön­nen. Zur Erreichung einer akzep­tab­len Übereinstimmung zwischen dem Modell und den Resul­taten des Experimentes wurde von beiden Modellen, GIMRT und 3FLO, reaktive Mineralober­flächen in der Grös­sen­ordnung von 10⁵ m²/m³ angenommen. Diese Werte sind kleiner als die gemessenen Werte für die Kluft­füllung (“fault gouge“), die in der Grössenordnung von 10⁶ - 10⁷ m²/m³ liegen. Jedoch konnte die Über­ein­stimmung zwischen der Simulation und den Be­obachtungen verbessert werden, indem man einen kleinen Anteil von feinstkörnigem Material hinzufügte, um den anfänglich hohen Peak in der Al- und Si-Konzentration erklären zu können. Mit der Berücksichtigung dieses Feinanteils war die initiale Oberfläche in dem Modell innerhalb der Bandbreite der gemessenen spezifi­schen Oberflächen der Kluftfüllung.
 

Tracerversuche im Felslabor Grimsel wurden unter der Annahme sowohl einer (a) homo­genen als auch (b) heterogenen Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit der Scherzone inter­pre­tiert.
 

a)   Obwohl dieser Ansatz auf einem relativ einfachen Modell mit isotropen hydraulischen Eigen­schaften, die identisch für alle Dipol-Konfigurationen sind, beruht, konnte die Peak-Ankunftszeit und die Form der Durchbruchskurve ungefähr reproduziert werden. Die lang-anhaltende messbare Konzentration am Ende der Durchbruchkurve (sogenanntes «tailing») scheint durch das progressive Freisetzen von Tracer im Injektionsinterval bedingt zu sein, ermöglicht durch die Diffusion aus Bereichen mit stag­nie­rendem Fluid in der umgebenden Formation oder durch das verwendete Test­equipment. Die Modellierung überschätzt systematisch die Tracerkonzentration im Ausfluss bei allen Dipol­konfigurationen. Der rückge­rechnete Tracergehalt war ein Faktor von 3 bis 5 tiefer als injiziert. Es ist schwierig, diesen Trend zu erklären, indem man zusätzlich Komple­xität in das Fliessfeld innerhalb der Scher­zonenebene einbaut oder andere Randbedingungen benutzt. Es wurde die Hypothese aufge­stellt, dass der unerwartete Tracerverlust durch die Injektion in mit dem Testintervall kor­respondierende Bereiche hervorgeru­fen wurde. Dieser Effekt konnte aber nicht bestätigt werden – an keiner Stelle ausserhalb der Scherzoneninter­valle wurden Hoch-pH-Be­dingun­gen gefunden.
 

b)   Dipol-Experimente wurden mit unterschiedlichen Konzepten interpretiert, um die Trans­port­prozesse und die Migration von Radionukliden innerhalb einer Scherzone, die durch hoch-pH-Lösung verändert wurde, in Einklang bringen zu können. Eine Parameter­über­ein­stimmung wurde zum einen mit Hilfe eines Ansatzes erreicht, der das Vorhanden­sein mehr­facher Klüfte und der Matrix zur Grundlage hat, zum anderen mit einem zweidimensionalen heterogenen Ansatz. Die Diskriminierung zwischen diesen beiden Ansätzen war nicht möglich, obgleich die erweiterte Dipol-Fliessgeometrie und die gemessenen leicht unter­schiedli­chen Durchbruchskurven der Experimente mit ver­schie­de­nen Dipol­geometrien, sowie die gemessene laterale Ausdehnung der Hoch-pH-Fahne, den heterogenen porösen Ansatz favo­risieren. Mit dem Gebrauch einer heterogenen Porositätsverteilung zusam­men mit einer em­pirischen Kozeny-Carman-Gleichung, die Porosität und hydrau­lische Leit­fähigkeit verbin­det, konnte ein heterogenes Fliessfeld der Scherzone berechnet werden. Dieses Fliessfeld wurde benutzt, um die Wechselwirkung der hoch­alkalischen Lösung mit der Scherzone vorherzusagen. Berechnungen wurden auch ausgeführt zur Vor­her­sage der Ausdehnung von Radionuklidtracern (Cs, Co und Eu) innerhalb der Scher­zone nachdem diese durch die hoch-pH-Wechselwirkung verändert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Cs, Co und Eu Durchbruchskurven und ihre Konzentrations­verteilung abhängig sind von der Annahme der Sorptions­eigenschaften. Der beobachtete Rück­gang der hydraulischen Durchlässigkeit des Systems, welches sowohl im Feld als auch im klein­skaligen Bohrkern-Infiltrationsexperiment beobachtet wurde, und die damit ver­bundene Ver­änderung des Fliessfeldes, die mit der Veränderung der Minerale in Verbin­dung steht, werden die Migra­tion der Radionuklide stark beeinflussen.
 

Mit Hilfe von zweidimensionalen reaktiven Transportmodellierungen wurde die geochemische Entwicklung des Systems modelliert. Im Vergleich zu den vorläufigen Resultaten der Model­lierungen mit GIMRT zeigt sich im Experiment eine starke Retardierung beim Durchbruch von Na und K, welche teilweise auf die Veränderungen im Fliessfeld während des Experimentes und höchstwahrscheinlich auf die chemi­sche Retardierung (Sorption) von Na und K zurückzuführen ist. Auch die Tatsache, dass die Konzentration auf der Extraktionsseite unter stationären Bedin­gungen gleich hoch war wie die Konzentration auf der Injektionsseite, weist auf einen bevor­zugten Fliesspfad («channelling effect») hin, der graduell die Mischung der injizierten Lösung mit dem umgebenden Grund­wasser verhinderte. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass es mögli­cherweise nur zu kleineren Aus­fällungen von Sekundärmineralien in der Scherzone kam, und es daher schwierig sein könnte, diese zu detektieren. Die Modellierungen mit 3FLO legen die folgenden Schluss­folge­rungen nahe:

• Die Na- und K-Konzentration im Ausfluss konnte reproduziert werden, wenn ein Sorp­tionsterm angenommen wurde. Ansonsten war das initiale Fliess- und Transportmodell konsistent mit den Beobachtungen.
   
• Die Werte der Na- und K-Konzentrationen im späteren
  Experimentstadium waren in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen, im Gegensatz zur Form der Durchbruchskurven.
   
• Der Trend in den Ca-, Al- und Si-Konzentrationen im Ausfluss konnten im Allgemeinen gut simuliert werden, nicht so die absoluten Werte.
   
• Die beobachteten Trends und die Grössenordnung des pH-Durchbruchs in den Beob­achtungs­bohrungen konnte reproduziert werden, obwohl der Durchbruch bei den weiter von der Injektion entfernt liegenden Bohrungen (BOHP 99.008 und 98.004) etwas zu schnell statt­fand.
   
• Die Erhöhung des Injektionsdruckes konnte reproduziert werden, jedoch waren die modellier­ten absoluten Drücke zu hoch, was darauf hinweist, dass die durch die Aus­fäl­lun­gen erfolgte Permeabilitäts­reduktion überschätzt wurde.
   
• Die Entwicklung der Durchbruchskurven, korrespondierend mit den Dipoltests unter Hoch-pH-Bedingungen, konnte nicht reproduziert werden. Das Modell kann die zeitabhängige Bildung von bevorzugten Fliesspfaden nicht vorhersagen, was nötig wäre um diese Experi­mentdaten zu reproduzieren.

Die Hauptschlussfolgerungen der Modellierung der Labor- und Feldexperimente können wie folgt zusammengefasst werden:

• Die Injektion von Hoch-pH-Lösung modifiziert die hydraulische Durchlässigkeit des Fliess­feldes, und verändert damit signifikant die Tracerverweildauer und die Geometrie des Fliess­feldes. Die Resultate des Feldexperimentes weisen auf die Ausbildung von bevor­zugten Fliesswegen (“channelling effect“) hin, welche stark das Vermischen der injizierten Hoch-pH-Lösung mit dem Grimsel-Grundwasser in einer späteren Experimentphase limi­tiert.
   
• Es tritt eine relativ geringe Pufferung der Hoch-pH-Fahne durch den Grimsel-Granit auf, die zeigt, dass die kinetische Formulierung der Mineralauflösung angebracht ist.
   
• Die Kluftzone erscheint so heterogen und willkürlich, dass es unwahrscheinlich ist, die Resul­tate von anderen Tests deterministisch vorhersagen zu können. Das durch­schnittliche oder Gesamtverhalten des Systems konnte wegen des stochastischen Charakters der hydrau­lischen Durchlässigkeit, sowie der Porositäts- und Mineralverteilung jedoch verstanden werden.

Um zwischen Modellierung und Experiment eine adäquate Übereinstimmung für die Retarda­tion der Haupt­katio­nen (und implizit, für die Retardation von Radionukliden wie Cs, welches gemäss Ionen­austausch­mechanismen sorbiert) zu erreichen, sind vermutlich verfei­nerte und umfassendere Ionenaustausch und/oder Oberflächen-Komplex­ierungs­mo­del­le erforderlich.