Technischer Bericht NTB 14-02/III

Dossier III: Geologische Langzeitentwicklung

Im Dossier III werden die geologischen Standortgebiete im Hinblick auf neotektonische Bewegungen und Erosion in den nächsten 105 Jahren (Betrachtungszeitraum für das SMA-Lager) bis 106 Jahren (Betrachtungszeitraum für das HAA-Lager) charakterisiert. Für den sicherheitstechnischen Vergleich liefert das vorliegende Dossier die Grundlagen für die Indikatoren 'Modellvorstellungen zur Langzeitentwicklung (Geodynamik und Neotektonik; weitere Prozesse)', 'Seismizität', 'Erosion im Betrachtungszeitraum', 'Tiefenlage unter Terrain im Hinblick auf Gesteins-Dekompaktion', 'Tiefenlage unter Fels im Hinblick auf glaziale Tiefenerosion' und 'Tiefenlage unter lokaler Erosionsbasis im Hinblick auf die Bildung neuer Rinnen'.

Im Hinblick auf die geologische Langzeitentwicklung wurden in SGT Etappe 2 in erster Linie Literaturstudien und Kompilationsarbeiten durchgeführt. Wichtige Datensätze für die Beurteilung der Neotektonik und Erosion stellen das hochauflösende Modell der Terrainoberfläche, das im Rahmen von SGT Etappe 2 überarbeitete Modell der Felsoberfläche sowie ein neu kompilierter Datensatz zur Verteilung und Höhenlage von Schotterablagerungen dar. Im Hinblick auf die Detektion von rezenten Krustenbewegungen wurden zudem geodätische Analysen durchgeführt und die aktuellen Daten zur Seismizität und zum Spannungszustand zusammengetragen und analysiert. In SGT Etappe 2 wurde der Kenntnisstand zur Lage von tektonischen Strukturen im Grund- und Deckgebirge und zur Tiefenlage der betrachteten potenziellen Wirtgesteine in der Nordschweiz anhand des reprozessierten und verdichteten 2D-Seismikdatensatzes verbessert (vgl. Dossier II). Diese Informationen sind zur Identifikation von im Hinblick auf Neotektonik zu meidende regionale tektonische Elemente und für die Beurteilung der Tiefenlage des Wirtgesteins im Hinblick auf zukünftige Erosion von zentraler Bedeutung.

Für das Gebiet der Nordschweiz zeichnet sich gemäss Literaturstudien und detaillierten Analysen von Schotterterrassen mit Hilfe von hochauflösenden Geländemodellen seit dem späten Pliozän nur eine sehr geringe neotektonische Aktivität ab. Die sehr langsamen Bewegungsraten erschweren die Identifikation von Spuren allfälliger neotektonischer Aktivität. Ein Ausschluss von neotektonischen Bewegungen entlang bekannter regionaler tektonischer Elemente ist in den allermeisten Fällen aktuell nicht möglich. Aus den Präzisionsnivellementdaten ergeben sich vereinzelt Hinweise auf mögliche neotektonische Aktivität, so zum Beispiel im Bereich des Faltenjuras. Die Informationen zum rezenten Spannungsfeld in der Region implizieren, dass diverse präexistente Störungszonen in Zukunft potenziell reaktiviert werden können, bevorzugt als Blattverschiebungen oder Abschiebungen. Ob die Deformation im Bereich der Nordschweiz, wie im frühen Miozän bis späten Pliozän, schwergewichtig im Deckgebirge abläuft oder auch das Grundgebirge betrifft und z. B. eine Reaktivierung der Ränder des Nordschweizer Permokarbontrogs mit sich bringen könnte, kann derzeit nicht abschliessend geklärt werden. Aufgrund von Erkenntnissen aus benachbarten Gebieten (z. B. Oberrheingraben) müssen in Anbetracht der verbleibenden Ungewissheiten beide Szenarien berücksichtigt werden. Nicht zuletzt aufgrund dieser Ungewissheiten sollen existierende regionale Störungszonen und weitere Elemente, an welchen sich zukünftige Deformationen präferenziell abspielen werden, gemieden werden. Deshalb werden in SGT Etappe 2 in der Nordschweiz zusätzlich zu regionalen Störungszonen im Deckgebirge neu auch post-paläozoisch reaktivierte Ränder des Nordschweizer Permokarbontrogs und Antiklinalstrukturen als 'zu meidende tektonische Zonen' ausgewiesen und bei der Abgrenzung der im sicherheitstechnischen Vergleich zu bewertenden Lagerperimeter berücksichtigt.

Das geologische Standortgebiet Wellenberg wird im Hinblick auf die Modellvorstellungen zur Neotektonik gegenüber den Standortgebieten in der Nordschweiz generell als ungünstiger angesehen. Es weist aufgrund seiner tektonischen Lage zwischen zwei alpinen Decken eine ungleich höhere tektonische Überprägung als die Nordschweizer Standortgebiete auf. Die in dieser Region deutlich höheren rezenten Hebungsraten sowie die erhöhte Erdbebenaktivität v. a. im untiefen Krustenbereich (< 5 – 15 km) wird als Ausdruck einer vergleichsweise höheren neotektonischen Aktivität angesehen. Im Unterschied zur Nordschweiz ist im Gebiet Wellenberg aufgrund der hohen tektonischen Komplexität zudem eine systematische Kartierung und Meidung von existierenden grösseren Störungszonen, an welchen zukünftige Deformationen mit hoher Wahrscheinlichkeit präferenziell stattfinden werden, mit reflexionsseismischen Methoden nicht möglich.

Bei der Beurteilung der geologischen Standortgebiete im Hinblick auf zukünftige Erosion spielen neben endogenen Prozessen (z. B. tektonische Hebung) vor allem exogene Prozesse eine wichtige Rolle. Letztere werden primär durch die klimatischen Verhältnisse beeinflusst. Bei der Beurteilung der zukünftigen Erosion wird ein breites Spektrum von Klimaentwicklungen betrachtet, wobei ein Fortbestehen von glazial-interglazialen Zyklen mit wiederholten Gletschervorstössen bis ins externe Alpenvorland als am wahrscheinlichsten betrachtet wird. Als wichtigste Basis für die Ableitung von Erosionsszenarien wird deshalb die Landschaftsentwicklung der letzten ca. 2 Millionen Jahre betrachtet, welche klimatisch bereits unter Einfluss einer Abfolge von Kalt- und Warmzeiten stand, anfänglich im Zyklus von 40'000 Jahren, später von 100'000 Jahren. Klimamodellierungen für die nächsten 105 Jahre deuten darauf hin, dass eine nächste grössere Eiszeit mit Gletschervorstössen bis ins externe Alpenvorland frühestens in 60'000 Jahren zu erwarten ist oder, je nach Annahme zum anthropogenen CO2-Ausstoss, auch deutlich später.

Für die Langzeitstabilität eines geologischen Tiefenlagers gegenüber zukünftiger Erosion ist die Tiefenlage des Wirtgesteins im betrachteten Standortgebiet bzw. dem darin gelegenen Lagerperimeter von zentraler Bedeutung. Im Allgemeinen steigt mit grösserer Überdeckung der Schutz eines Tiefenlagers vor erosionsbedingten Dekompaktionseffekten oder einer Freilegung. In SGT Etappe 1 wurde die Überlagerung des Wirtgesteins bezüglich der Terrainoberfläche und bezüglich der Felsoberfläche analysiert und für die Abgrenzung und Bewertung von bevorzugten Bereichen verwendet. Dieser vereinfachte Ansatz ging davon aus, dass die Erosion im Wesentlichen flächenhaft ist, die lokale Topographie in ihren grossen Zügen erhalten bleibt und dass darüber hinaus die glaziale Tiefenerosion auf den Bereich der existierenden übertieften Felsrinnen fokussiert und diese akzentuiert. In SGT Etappe 2 wird bei der Abgrenzung von im sicherheitstechnischen Vergleich zu bewertenden Lagerperimetern zusätzlich berücksichtigt, dass zwischen Haupttälern gelegene Gebiete unter Umständen rascher erodiert werden als die Haupttäler selbst. So können als Folge von Vergletscherungen bestehende Täler nachweislich in relativ kurzer Zeit verschlossen und/oder aufgeschottert werden. Dadurch können neue Felsrinnen, sogenannte Durchbruchsrinnen, entstehen. Um deren zukünftige Bildung zu berücksichtigen, wird die Tiefenlage des betrachteten Wirtgesteins in SGT Etappe 2 nicht nur relativ zur Terrain- und zur Felsoberfläche, sondern neu auch relativ zur lokalen Erosionsbasis (definiert durch das Niveau der tiefsten fluviatilen Paläorinnen) berechnet und bei der Abgrenzung und Bewertung von Lagerperimetern im sicherheitstechnischen Vergleich berücksichtigt.

Im Bereich der drei HAA-Gebiete wurde die Entwicklung der lokalen Erosionsbasis (Eintiefungsgeschichte der Hauptflüsse) über die letzten 2 Millionen Jahre anhand von Schotterablagerungen rekonstruiert. Als Ursache für die vergangene Eintiefung werden sowohl endogene (Hebung) als auch exogene Prozesse (z. B. erhöhter Abfluss aufgrund Änderungen des Klimas oder des Einzugsgebiets) in Betracht gezogen und diskutiert. Die dramatischsten und schnellsten Absenkungen der lokalen Erosionsbasis in den letzten 5 – 10 Millionen Jahren fanden in der Nordschweiz durch die Verschiebung von regionalen Wasserscheiden statt, insbesondere in Zusammenhang mit der Umlenkung der Aare-Donau ins Doubs-Rhone- und schliesslich ins Rhein-System. Eine grossräumige Analyse des Hauptentwässerungsnetzes der Nordschweiz zeigt, dass das Einzugsgebiet des Aare-Rhein-Systems gegenüber demjenigen des Donau-Systems aufgrund seiner tieferen Lage in Zukunft weiter wachsen wird und das Potenzial für eine Absenkung der lokalen Erosionsbasis durch die Verschiebung der regionalen Wasserscheiden in der Nordschweiz über die nächsten 105 – 106 Jahren beschränkt ist. Basierend auf den Überlegungen zur vergangenen Flussnetzentwicklung und zum heutigen Flussnetz werden verschiedene Szenarien für die zukünftige Entwicklung der lokalen Erosionsbasis entworfen, welche sich zwischen den Lagertypen bzw. Betrachtungszeiträumen und zum Teil auch zwischen den Standortgebieten unterscheiden.

Die glaziale Tiefenerosion ist ein Prozess, der auch signifikant unter die lokale Erosionsbasis greifen kann, wie verschiedene übertiefte Felsrinnen in der Nordschweiz bezeugen. Sie kommen in erster Linie im Molassesubstrat vor. Glaziale Übertiefungen in die Malmkalke existieren nur sehr vereinzelt und haben eine vergleichsweise geringe Tiefe. Um für ein geologisches Tiefenlager kritisch zu werden, muss sich eine glazial übertiefte Felsrinne nicht bloss durch das Molassesubstrat, sondern je nach Standortgebiet durch bis mehr als 200 m mächtige Kalksteine einschneiden. Glaziale Tiefenerosion findet präferenziell dort statt, wo die Eismächtigkeit und die Fliessgeschwindigkeit hoch sind, d. h. im Bereich existierender Täler und Übertiefungen. Insbesondere in flachem Gelände und über längere Zeiträume mit mehreren Eisvorstössen muss aber auch mit der Anlage von neuen übertieften Felsrinnen gerechnet werden. Im Hinblick auf die glaziale Tiefenerosion wird deshalb neben der Vertiefung und Verbreiterung von bestehenden Felsrinnen in SGT Etappe 2 auch die Bildung von komplett neuen Rinnen geprüft, welche unter die im Verlauf des Betrachtungszeitraums abgesenkte lokale Erosionsbasis greifen.

Die Standortgebiete in der Nordschweiz und die darin gelegenen Lagerperimeter sind von den betrachteten Erosionsszenarien je nach Lagertyp und standortspezifischer Tiefenlage des Wirtgesteins unterschiedlich stark betroffen. In den SMA-Standortgebieten Zürich Nordost, Nördlich Lägern, Jura Ost und Jura-Südfuss lassen sich die Lagerperimeter bezüglich der Tiefenlage so abgrenzen, dass die Überlagerung des Wirtgesteins auch bei Anwendung von extremen Erosionsszenarien am Ende des Betrachtungszeitraums noch gross ist. Im SMA-Standortgebiet Südranden ist die Überlagerung bezüglich der lokalen Erosionsbasis vergleichsweise gering. In der Umgebung wurden in der Vergangenheit ausserdem mehrfach Durchbruchsrinnen eingeschnitten. Eine verfüllte Rinne befindet sich innerhalb des Standortgebiets. Deshalb wird hier auch für den Betrachtungszeitraum eines SMA-Lagers die Entstehung einer neuen Rinne in Betracht gezogen. In den HAA-Standortgebieten Zürich Nordost und Nördlich Lägern verbleibt auch nach Anwendung von extremen Erosionsszenarien über den deutlich längeren Betrachtungszeitraum (106 Jahre) noch eine erhebliche Überdeckung. Im HAA-Standortgebiet Jura Ost wird wegen des im Gegensatz zum SMA-Lager viel längeren Betrachtungszeitraums die Möglichkeit der Bildung einer Durchbruchsrinne als extremes Erosionsszenario berücksichtigt. Die bei einem solchen Szenario am Ende des Betrachtungszeitraums verbleibende Überdeckung ist in diesem Standortgebiet vergleichsweise deutlich geringer.

Für das Standortgebiet Wellenberg wurden im Rahmen von SGT Etappe 2 ergänzend zu den Szenarien aus früheren Untersuchungen drei neue glaziale Erosionsszenarien erstellt (zusätzliche glaziale Übertiefung um 50, 100 und 200 m). Dabei wird davon ausgegangen, dass nach einer glazialen Vertiefung des Engelbergertals die tiefgründige, über dem Lagerbereich gelegene Rutschung von Altzellen auf einem tieferen Niveau reaktiviert wird und die oberen Hangbereiche solange nachrutschen, bis sich die heutige Gleichgewichtsneigung der Hänge wieder auf das neue Niveau des aufgeschotterten Engelbergertals einstellt. Da das Wirtgestein am Wellenberg in Form einer mächtigen tektonischen Akkumulation vorliegt, lässt sich die Tiefe der Lagerebene relativ frei wählen. Den im Vergleich zu früheren Untersuchungsphasen erhöhten Anforderungen an die Erosion und Dekompaktion (vgl. Dossier VI) kann deshalb mit der Wahl von tieferen Lagerebenen begegnet werden.