Site characterisation in the final stage of selecting the site in sedimentary clay rock in Switzerland - Bernd Frieg
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Site characterisation in the final stage of selecting the site in sedimentary clay rock in Switzerland Bernd Frieg
Swiss waste management concept 2 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Sectoral Plan – 3 stages towards site selection
Stage 1 2008 - 2011
Stage 2 2012 - 2018
Stage 3 ~ 6 years
3 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Proposed siting regions (end of SGT E2 (stage 2))
ZNO
NL
JO
Zürich
4 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Combined repository or two single repositories: Decision steps
With the Stage 2 available data, the disposal perimeters at each
site are large enough to also accomodate both repositories
(combined repository)
For each site, variants for a HLW-repository, a LLW-repository or
a combined repository are being developed
Based on the results from the Stage 3 investigations and
considering the safety and engineering feasibility criteria:
- the preferred site for the HLW-repository will be determined
first
- in a second step it will be assessed if there is still enough
volume to locate the LLW-repository at the same site
- if yes, the site will be proposed for a combined repository
Example of variants for
combined repositories
(ref. Cost Study 2016)
5 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Existing investigations (end of SGT E2 (stage 2))
Deep boreholes
Seismic surveys
Mont Terri
Project
Grimsel
Test Site
6 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Geological mapping & sampling
e.g. for dating
quaternary sediments
7 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Exploration concepts (until the end of SGT E3 (stage 3))
Stage 1 2008 - 2011
Stage 2 2012 - 2018
Stage 3 ~ 6 years
8 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Planning products
Site investigations strategy (all phases and all sites update for each phase)
- Aims per phase («identify / confirm / proof potential to construct safe repository»)
- Investigations (desk study, airborne surveys, ground surveys, drilling, underground labs)
- Key products and level of detail (see legal framework)
Site investigation concepts (per phase and per site) regulator
- Geology
- Phase specific aims
- Breakdown of aims to individual methods
Survey / campaign concepts where necessary
- 2D, 3D-Seismics: not done (target description only)
- shallow drilling: not done (target description only)
- deep drilling: planning report including
- breakdown of aims to drilling sites
- Scenarios for different outcomes
Drilling applications (invasive investigations require licensing): catalog of
investigations and drill paths / site licensing authority
Drill site work programs (for authorisation by regulator): selected methods /
investigations per section regulator
9 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Key features– Stage 3 investigations
No. Feature Mainly Investigations in Stage 3
applicable to
HLW L/ILW
Higher fault density in parts of the disposal perimeter
3D seismics, boreholes for confirming the fault
M01 and shearing in the host rock due to thrusting from the X (X)
inventory
Alps
M02 Zones with increased density of sub-vertical faults (X) (X) 3D seismics
Zones with increased fault density in the vicinity of
M03 X X 3D seismics, possibly boreholes
local compressive structures
Confirmation of depth of the containment-providing 3D seismics, confirmation of depth using
M04 X X
rock zone boreholes
Significance of overdeepened gullys (channels) for Literature studies, shallow boreholes, 3D seismics
M05 X X
the erosion scenarios with deep boreholes
Thickness and quality of the upper confining units of
Boreholes for confirmation, 3D seismics,
M06 the Opalinus Clay, particularly the lower parts of the X X
supplementary studies
‘Brauner Dogger’
Thickness and quality of the host rock, particularly
M07 X X Boreholes for confirmation, 3D seismics
with respect to construction engineering aspects
Basement geology with regard to fault reactivation
M08 X X Boreholes, 3D seismics, gravimetry, geoelectrics
and conflicts of use
10 igd.tp - Berlin Dec. 2018Current schedule and key milestones
Lead Authorities
2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 BFE / Region
Nagra
Milestones
Collaboration with the regions Stage 2
Identification of the location of surface facilities
Nagra submits at least 2 proposals for each type of repository
Review, consultation and Federal Council decision on Stage 2
3D seismic campaign for Stage 3
Drilling permit application for Stage 3
Stage 3
Review of drilling permit applications / Decision UVEK / DETEC
Drilling campaigns
Continued collaboration with the regions
Site selection in preparation for general licence
Continued collaboration with the regions
General licence application
11 igd.tp - Berlin Dec. 2018Geological investigations in Stage 3
3D-Seismic Deep boreholes Quaternary investigations
• Geological model • Rock properties • Basis for derivation
• Available volume • Seismic calibration of future erosion
Spatial extent • Available volume scenarios
Vertical extent
12 igd.tp - Berlin Dec. 20183D-seismic campaign 2015 - 2017
Area [km2]
Land owners contacted
Land owners giving their
permission
Communities
Measurement days
Person days
Kilometers driven
Shot points (vibration
vehicles/explosives)
Measurements points
13 igd.tp - Berlin Dec. 2018Quaternary investigations
Field investigations
- Drilling into quarternary deposits
to investigate erosion processes
(dating sediments)
- First drilling started in March 2018,
permit applications for 3 additional drillings
undergone public consultation and in the
licensing stage by DETEC
14 igd.tp - Berlin Dec. 2018Longterm erosion and uplift rates from fluvial terraces
Fluvial terraces: archives for
reconstruction of base level
evolution
Periods of consideration:
- Past approx. 2 mio yrs
- Future approx. 1 mio yrs
Mammal remains
dated to 1.8 – 2.5 Ma
(Bolliger et al. 1996)
Total fluvial erosion Average erosion rates
last 2 mio yrs 210 m last 2 mio yrs 0.11 m/a
last 1 mio yrs 130 m last 1 mio yrs 0.13 m/a
last 0.4 mio yrs 30 m last 0.4 mio yrs 0.08 m/a
15 igd.tp - Berlin Dec. 2018Estimation of repository depth: Stage 3 approach
Fluvial erosion What is the probability of a
critical erosion volume
at site X and at time Y?
Glacial erosion
high
( significant overdeepenings)
Probability (critical erosion)
Bayesian
analysis
(stochastic)
low
Time after disposal [years]
Climate scenarios
16 igd.tp - Berlin Dec. 2018Site investigation concepts – underlying strategy
3D-Seismics: include tectonic context
Deep drilling: go for the boring geology (proof suitability) avoid complexities
Drilling applications: 2 years for a license (plus planning / negotiations and
optional legal procedures); 3D-seismics: 1 year preparation (no license
required) 1 year processing and interpretation; in-sequence work: 4 years
min. to locate drill sites
- locate drill sites based on 2D-results (on lines)
- use approximate locations to distribute targets, built in soft links
(avoid to be cornered)
Effort vs. flexibility? Flexibility! 6 – 8 drilling applications / site with 3-4
directions each. Invest in preparation work and negotiations (licensing
authority, regulator, cantons, communities, land owners) React quickly to
investigation results and availability of drilling licenses
17 igd.tp - Berlin Dec. 2018Deep borehole investigations
Jura Ost Nördlich Lägern Zürich Nordost
# ENSI Fed. Gov.
- Permits from the Federal Government
boreholes approval approval
sequential starting August 2018
Jura Ost 8 11/2017 pending - Borehole site preparation in late Fall 2018
Nördlich Lägern 6 3/2018 1/6 (Aug. 18) - Start of drilling operations at selected sites
in 2019
Zürich Nordost 8 1/2017 2/8 (Aug. 18)
18 igd.tp - Berlin Dec. 2018 Kartengrundlage tlw. © swisstopoSurvey / campaign concept (drilling campaign) Identification of most promising areas within siting regions Updated and refined targets Discussion of drilling sequence base for discussion with regulator 19 igd.tp - Berlin Dec. 2018
NL – SDM – Geological profiles 20 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Nordlich Lägern - available information (SDM)
Deep and quaternary borehole locations
21 igd.tp - Berlin Dec. 2018Drilling license application Justification of location (at the edge of most interesting regions) Catalog of methods: includes everything, excludes as little as possible flexibility 22 igd.tp - Berlin Dec. 2018
Drilling applications for deep boreholes
Until Sept. 2018 Jura Ost (JO) Nördlich Lägern (NL) Zürich Nordost (ZNO)
No. of sites handed in 8 6 (+1 until Dec. 2018) 8
Permits given 0 1 2
23 igd.tp - Berlin Dec. 2018Investigation objectives of TBO campaign
Assessment of spatial extent
- Confirmation of thickness/depth/lateral extent of containment zone
- Evaluation / Characterization of structural inventory
Hydraulic barrier effect
- Confirmation of hydraulic separation («Stockwerkbau»)
- Evaluation of barrier efficiency of Upper/Lower Confining Units
- Confirmation of barrier efficiency of host rock (ss)
Long-term stability
- Characterization of tectonic regime
- Confirmation of THM Properties of host rock
- Evaluation of conflict of use (permocarboniferous trough)
Reliability of geological predictions
- Evaluation of structural inventory
- Characterization of continuity of Upper/Lower Confining Units
- Confirmation of continuity of host rock (facial variability)
Engineering suitability
- Characterization of geotechnical properties of host rock and stress
24 17.9.2018 - NUMO Workshop TBO Overview/NdjExploration boreholes – organisation, planning, tendering
Tendering of different work packages (not general contractor):
Ja Bohrkern? Nein
Entnahme Kern aus Liner Berechnung der Aufstiegszeit
UV-Licht-Analyse (bei Bedarf) Entnahme von Bohrkleinproben am
Schüttelsieb (ca. 2 kg)
Kern reinigen
1.5 kg ungewaschen als Rückstellprobe 0.5 kg Arbeitsprobe Vorbereiten
vorbereiten
- Drilling company
Zusammensetzung der aufgebrochenen
Kernstücke in Kernschiene UV-Licht-Analyse (bei Bedarf)
Impfung gegen Schimmelbildung
Anbringen Kernzusammenhangslinie 0.5 kg waschen (mit 2mm und 63µm Sieb)
Rückstellproben beschriften und trocknen im Trockenschrank bei 105°C
Erstellung der Kernbilanz und Lokalisierung
des effektiven Kernverlustes Temporäre Einlagerung Kalzimetrie-Analyse (ca. alle 10m)
- Logging services Abstimmung mit Toolpusher bezüglich
Kernverluste
Vermessung und Metrierung des
Koordination Abtransport Abfüllen in transparente Probenbehälter
Arbeitsproben Beschriften
zusammengesetzten Bohrkerns
(Markierung alle 0.5m) Lithostratigraphische Erstansprache der
Arbeitsproben mittels Binokular
- Hydraulic Testing Bestimmung RQD-Werte
Erstellung Kernmarschprotokoll Auswahl der Proben
Veranlassung von Sofort-Untersuchungen
für lithostratigraphische Identifikation (bei
Bedarf)
Lithostratigraphische Gliederung
Fotodokumentation (Digitalkamera) der
zusammengesetzten Bohrkerne zur
Primärdokumentation Priorisierung der selektierten Proben
- On-site geological investigations (multiple work packages)
Führung und tägliche Aktualisierung des
Geologie-Logs
Nicht beprobte
Freigabe der Kerne für Beprobung
Kernstrecken
Fotodokumentation der Arbeitsproben
Proben senkrecht zur Kernachse zusägen
Zwischenlagerung der Arbeitsproben
Lithostratigraphische Erstansprache der
Proben 360°-Abwicklung der Proben
- ….
Koordination Abtransport der
Arbeitsproben
Strukturgeologische Erstansprache der Probenkonditionierung gemäss vorherigen Unterstützung des Beprobungsdienst (bei
Proben Priorisierung Bedarf und Kapazität)
Transport ins Kernzwischenlager
Strati-Slab sägen
Edelgas-Proben (NG) Porenwasser-Proben (PW) Alle 150m
Drilling at 2 sites in parallel
Transport ins Kernlager
pCO2-Proben (CO2) Markierung der Probenentnahmestellen
Rockproperties-Proben (RP) Detaillierte lithostratigraphische Ansprache
mit beschrifteten Styproporplatzhalter
der Arbeitsproben mittels Binokular
Squeezing-Proben (SQ)
Diffusions-Proben (PSI)
Temporäre Einlagerung der Proben
Detaillierte lithostratigraphische
Advective Displacement-Proben (AD) Gliederung
Führung und tägliche Aktualisierung des
Kernbeprobungs-Logs Erstellung des detaillierten
OutDiffusion-Proben (OD)
lithostratigraphischen Profils
Geomechanik-Proben (GM) Koordination Abtransport der Proben Transport ins Kernlager
Management of each work package remains by Nagra
Veranlassung von Sofort-Untersuchungen
für lithostratigraphische Identifikation (bei
Bedarf)
Kalzimetrie-Analyse (ca. alle 10m)
Einlagerung Arbeits- und Rückstellproben
im Kernlager
Koordination Abtransport
Lithostratigraphische Erstansprache der
Lithostratigraphische Beratung (bei Bedarf)
Kerne
Orientierung der Bohrkerne und der 360°-
Abwicklungen anhand der Quick-look
Borehole-Image Analysen Freigabe für Beprobung
Strukturgeologische Erstansprache der
Strukturgeologische Beratung (bei Bedarf)
Kerne Transport ins Kernlager
Bestimmung des wahren Einfallens und der
Detailed planning as basis for tender a requirement
wahren Orientierung der Strukturen an
orientierten Kernen und / oder mittels Lithostratigraphische Gliederung Probenentnahme für Thermochronologie
360°-Abwicklungen
Zuschneiden und platzieren der Bohrkerne
Detaillierte Strukturgeologische Ansprache in Kernschalen und Kernkisten
der Kerne
Probenentnahme für Rockproperties
Beschriften der Kernzettel und Kernkisten
Erstellung des detailliertes
Strukturinventars
Führung und tägliche Aktualisierung des Versand zur Analyse
Optimisation of the
3 Monate nach
Erstellung des detaillierten Geologie-Logs
Bohrungsabschluss
strukturgeologischen Profils
NIB: Rohdatenbericht
3 Monate nach
Nach einem Tag geologischer
Bohrungsabschluss
Samplerdienst
3 Monate nach
Bohrungsabschluss 3 Monate nach
Aufsichtfotografie der Kerne mittels
Bohrungsabschluss
Kernscanner (trocken)
interaction of the individual Borehole on-site geological
NIB: Rohdatenbericht
Strukturgeologie
Verpacken Bohrkerne in vakuumierte PE-
Schläuche (bei Bedarf)
360°-Abwicklung der Kerne
Veranlassung von Sofort-Untersuchungen
für lithostratigraphische Identifikation (bei
Bedarf)
NIB: Rohdatenbericht
Beprobung
Transport ins Kernlager
Versand zur Analyse
teams critical
Proben-Analyse in verschiedenen Labors
investigations Freigabe für Beprobung
Probenentnahme für Dünnschliffe
Koordination Abtransport der Bohrkerne
Transport ins Kernzwischenlager
Detaillierte lithostratigraphische Ansprache
der Kerne NIB: Rohdatenbericht
Lithostratigraphie
Detaillierte lithostratigraphische
(time, resources)
Probenentnahme für Biostratigraphie
Alle 100m Gliederung
Ergänzende Röntgendiffraktometrie
Probenentnahme für Chemostratigraphie Analysen
Activities, flow diagram and Probenentnahme für Klüfte und Adern
Probenentnahme für Thermochronologie
Verpacken Bohrkerne in vakuumierte PE-
Schläuche
Erstellung des detaillierten
lithostratigraphischen Profils
Veranlassung von Sofort-Untersuchungen
für lithostratigraphische Identifikation (bei
Ergänzende Durchlicht-Mikroskopie
Analysen
interactions
Nach jeder Sektion Bedarf)
nach erhalten der
Quick-Look Borehole- 3 Monate nach
Image Analyse Bohrungsabschluss
Verpacken Bohrkerne in vakuumierte PE-
Schläuche 12 Monate nach 6 Monate nach
Bohrungsabschluss Bohrungsabschluss
Koordination Abtransport Koordination Abtransport der Proben
NAB: Zusammenfassung
der Messergebnisse
Background colors indicate the Transport ins Kernlager
Einlagerung der Kerne im Kernlager
Transport ins Kernlager
Versand zur Analyse
Bohrung X
GEO-Berichterstattung
Proben-Analyse in verschiedenen Labors
different teams involved Bohrplatz (Bohrkern) Bohrplatz (Bohrklein) Kernzwischenlager Kernlager Zeitangabe Berichterstattung
PL Bohrstellengeologie Geologischer Samplerdienst Kernbeprobungsteam Lithostratigraphie Experte Strukturgeologie Experte Logistikcenter Mellingen PLs SGR Geowissenschaften
25 igd.tp - Berlin Dec. 2018Time-depth diagram (for planning/costing) 26 17.9.2018 - NUMO Workshop TBO Overview/Ndj
Organisation of field activities and TBO
BL PB GP E3
Snpa (Fit) Amau (Sian)
PR 1'430
RL / HP FA
Mlhe (Votb)
Assistenz (FAA)
PR 1'339 PR 1'449 PR 1'642 PR 1'561 PR 1'621
PR 1'559
QAU Quartär- NSG bzw. UVEK TBO Tiefbohrungen BVU Baugrund- RDD core topic FA-Material in den Erdwärmesonden,
3D Seismik voruntersuchung MON Monitoring «Monitoring» Lagerhallen Gim Fremdbohrungen Bje
untersuchungen Verfügungen
Mhh (Smh) Projektleitung Bohrtechnik Khsv (Mlhe) Votb (Mlhe) Votb (Mlhe) (Votb) (Web)
Mhh (Mlhe) Tiefbohrungen
Ndj (Gab) Amat (Hza)
Stabstelle
PR 1'562 PR 1'460 PR 1'554
Aufzeitboh- Geophysik zusätzl. NSG Arbeitsprog. Bohrplatz HydOFA ZNO Hydrogeologie Konzept Bohrkerne
rungen Gim Spth (Mhh) Wra (Olu) Gab (Amat) Amat (Khsv) Felderk. Votb Votb (Mlhe) Votb (Mlhe) Gim (Gdr)
Fachplaner
PR 1'567 PR 1'613
Schadensfälle Bohrgesuche Einsprache- Freigaben Bohrtechnik Erk. OFA/NZA LZB Benken Glasfaser Hydro
Fhan S.Kauer (Mhh) behandl. ZUS Amat (Gab) Amat (Hza) Khsv Votb (Mlhe) Votb (Spth) Votb (Fbe)
DSV
Einsprachen Rekurse Auflagenman. HSE Erk. Zugangs- LZB TBO Planung EUU Bohrtechnik
Processing
S.Kauer (Mhh) Scli (Fbe) Hza (Gab) Amat (Hza) bauw. Khsv Votb (Fhan) Spth (Mlhe) Amat (Fbe)
Bip (Spth)
HSEM
PR 1'616 + 1'646 PR 1'643
PR 1'560
QBO Bohrung Geologie Zusammenarbeit Erkundung Seismizität Modern2020 Legende
Erstinterpret. Gim (Gdr) Olu ZUS Spth (Mlhe)
Amat (Skl) Karst Spth Fbe (Votb)
Mhh (Smh)
TSV Hauptprojekt
QBO T1 Hydro Geomechanik Geophysik SBN Schwachbeben- FE Experiment
Votb (Khsv) Gab (Gdr) Spth (Gdr) netz Smh (Spth)
Gab (Ftb)
TSV
TSV Projekt
Hydrogeologie Quellüberw. Lokale seism.
QBO T2 Hydro
Votb (Fhan) Khsv (Votb) Netze (Spth)
Khsv (Votb)
TSV Teilprojekt
PR 1'555
Fluidlogging Labor(proben) Geodynamik
QBO Logging Fhan (Votb) Gini (Votb) Gdr (Mlhe)
Gdr (Spth)
dzt. «ruhend»
PR 1'111+1'479
GNSS/NaGNet
Schurfe Gdr (Mlhe)
Dpg (Mhh) Schnittstelle zu
anderem Ressort
PR 1'553
Nivellment
Zusammenarbeit Mlp (Mlhe)
Bip Version 5.9.2018
27 igd.tp - Berlin Dec. 2018General schedule 28 igd.tp - Berlin Dec. 2018
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