Technical Report NTB 93-47

Der vorliegende Bericht dokumentiert die wissenschaftlichen Arbeiten, die im Rahmen des Projekts Bohrlochkranzversuch (BK) – Phase 3 von der Nagra in Auftrag gegeben und zwischen Januar 1991 und Dezember 1993 abgeschlossen wurden. Die Arbeiten sind Teil eines gemeinsamen Untersuchungsprogramms mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe BGR (Hannover) mit dem Ziel, neue Methoden und Konzepte zur Charakterisierung von Fliessprozessen in geklüfteten Formationen zu entwickeln. Einen weiteren Schwerpunkt bildete die numerische Modellierung von Kluftströmungen.

In der Vergangenheit wurden konventionelle Fluid Logging Verfahren (Temperatur/Leitfähigkeits-Logging) in den Standorterkundungsprogrammen der Nagra in Vertikalbohrungen mit grossem Erfolg eingesetzt. Im BK-Teilprojekt «Fluid Logging in geneigten Bohrungen» wurde nachgewiesen, dass diese Verfahren in Schrägbohrungen nicht bzw. in sehr beschränktem Umfang anwendbar sind. Es wurden daher neue Methoden entwickelt, bei denen die Messsonden vor Testbeginn stationär ins Bohrloch eingebaut werden (Fluid Logging mit stationären Sonden). Im Rahmen von Pilotuntersuchungen konnte die prinzipielle Eignung dieser Verfahren auch in geneigten Bohrungen bestätigt werden.

Hydraulische Crosshole Tests stellen die am häufigsten verwendete Erkundungsmethode in Kluftgrundwasserleitern dar. Der Multiple Source Crosshole Test (MSCT) wurde im BK-Projekt entwickelt mit dem Ziel, eine verbesserte räumliche Auflösung der Stuktur von solchen Kluftnetzwerken zu ermöglichen. Die Methode beruht auf der Durchführung einer Vielzahl von kurzen Crosshole Tests an verschiedenen Lokationen des zu charakterisierenden Kluftnetzwerks. Zur Interpretation des MSCT wurde ein spektrales Auswerteverfahren entwickelt, mit dem hydraulische Crosshole Tests mit variablen Fliessraten im Rahmen eines diagnostischen Typkurvenverfahrens ausgewertet werden können. Darüber hinaus wurde in einem synthetischen Experiment eine mögliche Vorgehensweise aufgezeigt, mit der einfache Kluftstrukturen auf der Grundlage von spektralen Hydrotestauswertungen deterministisch charakterisiert werden können.

Beim Salz/Wärme-Tracertest (SHT) stand die Charakterisierung der Transporteigenschaften von Kluftsystemen im Mittelpunkt. Den Kern des Versuchskonzepts bildeten Dipol-Tracertests mit komplementären Fliessfeldern (z. B. Umkehren des Dipol-Fliessfeldes) und komplementären Tracern (NaCI und Wärme), um eine umfassendere Beschreibung der komplizierten Transportvorgänge in einem Kluftnetzwerk zu ermöglichen. Insbesondere sollte überprüft werden, ob aus dem unterschiedlichen Transportverhalten von Salz (advektiv-dispersiv) und Wärme (diffusiv dominiert) Aufschlüsse über die Struktur der Porenräume im Kluftsystem gewonnen werden können. Die Modellierungen der Feldexperimente zeigen eindrucksvoll die Sensitivität und damit auch die Selektivität eines solches Versuchskonzepts bezüglich unterschiedlicher Hypothesen zur Kluftstruktur.

Im Sinne einer Synthese wurden die in den vergangenen Projektphasen am BK­Standort erhobenen strukturgeologischen Daten sowie die hydrogeologischen Tests aufgearbeitet und zu einem konzeptuellen hydrodynamischen Modell des BK-Kluftsystems zusammengefügt. Die Konzepterstellung erfolgte auf der Grundlage einer rechnergestützten 3D-Visualisierung der struktur- und hydrogeologischen Daten. Zu diesem Zweck wurden mit einer kommerziellen Grafik-Software Applikationen entwickelt, die den spezifischen Kriterien einer strukturgeologisch / hydrogeologischen Interpretation genügten (z. B. räumliche Korrelation von Petrographie, Strukturdaten, Fluid Logging Ergebnissen etc.). Das erstellte konzeptuelle Modell diente schliesslich als Basis für ein numerisches Modell zur Simulation von Kluftströmungen im BK­Kluftsystem. Vorrangiges Ziel dieser Arbeiten war allerdings nicht eine umfassende hydraulische Modellierung der Fliessverhältnisse am Versuchsstandort, sondern die Erprobung von Methoden zur inversen Modellierung auf der Grundlage einer diskreten Kluftzonen-Modellierung.

In der Phase 3 des Projekts Bohrlochkranzversuch wurden neben den methodischen Entwicklungen wichtige Erkenntnisse zur hydrogeologischen Charakterisierung des Versuchsstandorts gewonnen. So konnte gezeigt werden, dass die beiden Lamprophyre im Norden und Süden des Standorts das BK-Kluftsystem hydraulisch fast vollständig von den umgebenden Versuchsstandorten entkoppeln. Das hydraulische System des BK ist daher beschränkt und besitzt eine freie Oberfläche, die durch die Entwässerung in den Stollen sowie durch die Randzuflüsse kontrolliert wird. Trotz der Vielzahl an Klüften, die anhand der Kernaufnahme erkannt wurden, ist der Anteil an hydraulisch wirksamen Klüften sehr klein. Im Rahmen der hydraulischen Tests konnte gezeigt werden, dass die hydraulische Bedeutung der sogenannten S-Klüfte im Bereich des nördlichen Lamprophyrs in der Vergangenheit unterschätzt wurde.

Mit dem Modell wurden inverse Modellierungen eines hydraulischen Crosshole Tests durchgeführt. Trotz der relativ einfachen Modellstruktur, die aufgrund des begrenzten Zeitrahmens gewählt worden war, gelang eine überraschend gute Anpassung der beobachteten Daten. In einer Sensitivitätsstudie wurde schliesslich aufgezeigt, auf welche Weise das zugrunde liegende Strukturmodell im Rahmen zukünftiger Modellierungen verbessert werden könnte.