Seismik und Standortsuche

Bereits in den 1980er-Jahren erkundeten Geowissenschaftler mögliche Standorte für die Lagerung radioaktiver Abfälle unter anderem mittels Tiefbohrungen und Seismik. Ein Blick zurück auf vergangene seismische Messungen der Nagra.

Die Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle Nagra leistete mit ihrer Suche nach möglichen Lagern für radioaktive Abfälle ebenfalls wertvolle Grundlagenforschung: Unter anderem wurde durch Bohrungen und Seismik die Existenz des Nordschweizer Permokarbon-Trogs (siehe Sachplan geologische Tiefenlager, Konzeptteil, Seite 18) bestätigt. Im Rahmen der erdwissenschaftlichen Untersuchungen der Nagra führten Geowissenschaftler 1982 in der Nordschweiz ein erstes reflexionsseismisches Messprogramm durch. Es umfasste elf Profile mit einer Gesamtlänge von 182 Kilometer. Ziel war es, mehr über die Struktur des Grundgebirges (Kristallin) herauszufinden und Daten zu den vorgesehenen Bohrstandorten (vgl. Bohrungen der Nagra) zu sammeln. Zwei weitere seismische Messkampagnen folgten in den Jahren 1982 bis 1984 (vgl. seismische Messungen Nagra).

Im Zürcher Weinland (heutiges geologisches Standortgebiet Zürich Nordost) untersuchte die Nagra die Eignung des Wirtgesteins Opalinuston für ein geologisches Tiefenlager für hoch und langlebig mittelaktive Abfälle (Entsorgungsnachweis für hochaktive Abfälle). Nach dieser regionalen Erkundung mit 2D-Seismik in den Jahren 1991/92 führte sie im Winter 1996/97 eine grosse 3D-Seismikkampagne auf einem Gebiet von rund 50 Quadratkilometern durch.

Seismische Messungen bei Regensberg: Vibrationsfahrzeuge und Geophone

Seismische Messungen bei Regensberg (1991/92): Vibrationsfahrzeuge und Geophone Quelle: Nagra

 

Im Rahmen der erweiterten Standortsuche für geologische Tiefenlager hat die Nagra vom Oktober 2011 bis März 2012 in den möglichen Standortgebieten Südranden, Nördlich Lägern, Jura Ost und Jura-Südfuss 2D-seismische Messungen vorgenommen. Dies auf einer Länge von insgesamt 305 Profilkilometern. Diese Messungen dienten der vertieften Untersuchung der geologischen Standortgebiete und waren grundlegend für die Beurteilung der Platzverhältnisse für geologische Tiefenlager. Zusammen mit den bereits vorhandenen seismischen Profillinien aus früheren Messkampagnen ergibt sich ein aktualisiertes Gesamtbild des geologischen Untergrunds der Nordschweiz mit einer hohen Datendichte in guter Qualität. Mit den Ende 2015 beziehungsweise Anfang 2016 geplanten 3D-seismischen Messungen in den geologischen Standortgebieten Jura Ost und Zürich Nordost, werden die Informationen über den geologischen Untergrund weiter ergänzt und verdichtet.

Im nächsten Blogbeitrag geht es darum, was vor und nach den eigentlichen seismischen Messungen zu tun ist. Mehr erfahren Sie in einem Interview mit Herfried Madritsch, der bei der Nagra für die Datenauswertung zuständig ist.

Seismik und das schwarze Gold

Mittels seismischer Messungen erkunden Geologen nicht nur mögliche Standortgebiete für die Lagerung radioaktiver Abfälle. Seismik kommt auch bei der Rohstoffsuche weltweit zum Einsatz – in der Schweiz bereits vor 50 Jahren das erste Mal.

Was seismische Messungen mit Erdöl zu tun haben? Als 1956 die Suezkrise den ersten Erdölschock ausgelöst hatte, reagierte die Schweiz: 1957 wurde die «Aktiengesellschaft für schweizerisches Erdöl» SEAG gegründet und die Suche nach Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas) gestartet. Dabei wurden auch erste seismische Messungen in der Schweiz durchgeführt. Diese lieferten Informationen über den Untergrund, welche für die ersten Explorationsbohrungen nördlich des Hauptalpenkamms (1958 bis 1961), beispielsweise im zürcherischen Küsnacht, nützlich waren.

Allerdings war zu Beginn der 1960er-Jahre die Seismik noch nicht in der Lage, tektonisch komplexe Strukturen wie die Alpenrandzone aufzulösen. Aus diesem Grunde erkundete man vor allem das Molassebecken des Mittellands (siehe auch www.nagra.ch/de/geologieschweiz.htm > Mittelland). Zahlreiche Seismik-Kampagnen der SEAG und weiterer Gesellschaften folgten unter anderen in den Kantonen Zürich, Schaffhausen, Thurgau, Aargau, Luzern, Bern und der Westschweiz. Bis 1990 wurden insgesamt über 2’700 Kilometer an Land und ungefähr 500 Kilometer auf dem Bodensee seismisch vermessen. Gefunden wurde übrigens Erdöl im Kanton Waadt, wobei die geförderte Menge nur etwa zwei Tanklastwagen entsprach. 1980 stiessen Ingenieure im Entlebuch auf Erdgas. Kommerziell ausgebeutet wurde das dortige Vorkommen 10 Jahre lang.

Im nächsten Beitrag erfahren Sie, welche seismischen Messungen die Nagra bis anhin durchgeführt hat. 

Begleitend zu seismischen Untersuchungen wurden auch Bohrungen abgeteuft. 1972 suchte man im Emmental (Linden) nach Erdöl. (Quelle: RDB/ATP/Kuhn)

 

 

Blick in den geologischen Untergrund

Voraussichtlich Ende September 2015 beginnen die 3D-seismischen Messungen im Standortgebiet Jura Ost. Doch was sind eigentlich seismische Messungen?

Die Seismik beinhaltet das Studium der Ausbreitung von seismischen Wellen durch die unterschiedlichen Gesteinsschichten im geologischen Untergrund. Vergleichbar ist dies mit der Wassertiefenmessung mit dem Echolot: Vom Schiff ausgesandte Schallwellen werden – nach Reflexion am Seegrund – wieder empfangen. Dies erlaubt eine Kartierung des Gewässergrundes. Analog ermöglicht die Seismik die räumliche Darstellung von Gesteinsschichten bis in Tiefen von mehreren Kilometern.

Bei Messungen an Land erfolgt die Anregung der seismischen Wellen durch Vibrationsfahrzeuge oder das Zünden kleiner Sprengladungen (in Bohrlöchern von wenigen Metern Tiefe). Die Wellen breiten sich im Untergrund aus, wo sie an den Grenzen der Gesteinsschichten teilweise reflektiert werden. Innerhalb von Sekunden erreichen diese «Echos» wieder die Erdoberfläche, wo sie mit empfindlichen Messgeräten, sogenannten Geofonen, aufgezeichnet werden (weitere Informationen). Aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten der Signale kann auf die Tiefe der zu erkundenden Schichten geschlossen werden.

Die erhobenen Daten geben Aufschluss über Lage und Struktur der Gesteinsschichten im Untergrund, insbesondere über Mächtigkeit und Störungszonen. Moderne Seismikmethoden erlauben auch Aussagen über gewisse Gesteinseigenschaften und können selbst kleine strukturelle Unregelmässigkeiten sichtbar machen.

Bei der herkömmlichen Seismik wird der Untergrund entlang von mehr oder weniger geradlinigen Profilen abgetastet. Entlang dieser Linien kann man vertikale Schnittbilder der geologischen Strukturen ermitteln.

Beim dreidimensionalen Verfahren (3D-Seismik) werden die Anregungspunkte und die Geofone flächendeckend über grössere Gebiete verteilt. Dadurch lässt sich die Beschaffenheit des Untergrundes lückenlos darstellen.

Methodik der 3D-Seismik: Flächendeckende Abtastung des Untergrundes bei der 3D-Seismik. Der Untergrund wird in sich überdeckenden Flächensegmenten abgetastet (durchschnittlich 20-fache Überdeckung), hier schematisch dargestellt an einer einzelnen Gesteinsschichtgrenze. Durch die gleichzeitige Abtastung aller darüber- und darunterliegenden Gesteinsschichtgrenzen bis in grosse Tiefen entsteht eine dreidimensionale Abbildung des Untergrundes.


Seismische Messungen starten in wenigen Monaten

In den vorgeschlagenen Standortgebieten für geologische Tiefenlager Jura Ost und Zürich Nordost stehen ab Herbst 2015 seismische Messungen an.

Bild: Beat Müller

Die Nagra wird die vorgeschlagenen Standortgebiete in den nächsten Jahren vertieft mittels seismischer Messungen und Sonderbohrungen untersuchen. Für die Seismik-Kampagne ist geplant, dass die Vibrationsfahrzeuge ab Ende September 2015 im Standortgebiet Jura Ost losfahren können. Dauern werden die Messungen ungefähr drei Monate. Voraussichtlich Anfang 2016 beginnen die dreiwöchigen Messungen im Standortgebiet Zürich Nordost. Diese ergänzen die Untersuchungen, welche bereits für den Entsorgungsnachweis für ein Tiefenlager für hochaktive Abfälle gemacht wurden.

In Abstimmung mit Kantonen und Gemeinden

Zuvor braucht es aber eine enge Zusammenarbeit und die Abstimmung mit Kantonen und Gemeinden. Im April hat die Nagra das Gesuch für die Durchführung von seismischen Messungen beim Kanton Aargau eingereicht. Zwar gibt es auf Bundesebene keine Bewilligungspflicht für Seismikmessungen. Im Kanton Aargau gibt es aber seit Kurzem das «Gesetz über die Nutzung des tiefen Untergrunds und die Gewinnung von Bodenschätzen», welches die Einreichung eines kantonalen Gesuchs fordert. Die Kantone Zürich und Schaffhausen kennen kein solches Gesetz, die Nagra arbeitet aber genauso intensiv mit ihnen zusammen. Zudem begleiten Fachbehörden von Bund und Kantonen die Seismik-Messungen.

Der Seismik-Blog geht mit diesem Beitrag in die zweite Runde. Schon 2011/2012 gab es zahlreiche Artikel rund um die Feldarbeiten zu lesen. Wir möchten Ihnen wiederum regelmässig Informationen zu den Vorbereitungen und – ab Herbst 2015 dann – zu den Messungen bieten. Wir freuen uns auf Ihre Fragen und Bemerkungen.

Warum muss man Gebiete befliegen?

Interview mit Marian Hertrich

Warum muss man vor einer Seismik-Kampagne das Gelände überfliegen?
Für die Seismik sind die Befliegungsdaten an mehreren Stellen wichtig. Für die Planung der Messauslage im Feld verwenden wir hochauflösende Geodaten. Neben existierenden topographischen Karten nutzen wir auch aktuelle Luftbilder, auf denen der Verlauf und Zustand von Feldern, Wegen und Überbauungen erkennbar ist. Auf den digitalen Geländemodellen erkennt man Änderungen des Geländes durch Kiesgruben, Steinbrüche, Deponien und grössere Bauprojekten, wie z.B. Strassen oder Bahnlinien. Die Daten einer Befliegung zeigen immer den neuesten Stand und sind daher verlässlicher als Landkarten. Bei der Auswertung der Seismikdaten werden die Höhenmodelle erneut verwendet, um die Position der Geophone exakt zu bestimmen in Gebieten, in denen die Vermessung z.B. mit GPS nur eingeschränkt möglich ist.

Worauf muss man bei der Befliegung achten?
Die Befliegung muss in einem Zeitfenster stattfinden, in dem die Bäume nur wenig belaubt sind, damit der Messstrahl die Erdoberfläche erreicht und nicht im Blätterdach reflektiert wird. Ausserdem sollte keine Schnee mehr vorhanden sein, da auch dieser die wahre Erdoberfläche verfälscht. Für die Aufnahme von Luftbildern muss man zusätzlich auf einen ausreichenden Sonnenstand achten, damit keine grossen Schatten vorhanden sind und die Bilder gut ausgeleuchtet sind. Diese Randbedingungen beschränken die Zeitspanne der Befliegung auf etwa Ende Februar, wenn die Sonne über Mittag hoch genug steht, bis Ende April, wenn die Vegetation zu dicht wird. In diesem Zeitfenster muss dann aber auch das Wetter stimmen, damit das Flugzeug überhaupt starten kann. Bei dichter  Bewölkung, Hoch- oder Bodennebel oder Regen kann die Messung  nicht durchgeführt werden.

Was waren die besonderen Herausforderungen?
Für erfolgreiche Messungen müssen alle Randbedingungen erfüllt sein. In dem kurzen Zeitfenster muss das Wetter stimmen, das Flugzeug muss verfügbar sein und kurzfristig ins Messgebiet mobilisieren und zusätzlich muss die Flugsicherung bei Ankunft im Messgebiet den Überflug bewilligen. Hier gibt es mitunter mehrere Anfragen für Überflüge, die sich überschneiden. Im Grossraum Zürich hat ausserdem der Flughafen Zürich natürlich absolute Priorität. All dies zu koordinieren kann schon eine rechte Herausforderung sein. 

Warum hat die Befliegung so lange gedauert?
Im vergangenen Jahr war es der lange, trübe Winter, der die Befliegung stark eingeschränkt hat. Es gab nur wenige zusammenhängende Flugtage, an denen brauchbare Daten erhoben werden konnten, bevor die Vegetation so weit fortgeschritten war, dass wir abbrechen mussten. Das war schon ziemlich frustrierend. Letztendlich konnten nur die Gebiete Jura-Südfuss und Jura Ost abgeschlossen werden. In diesem Jahr war die Gesamtwetterlage wesentlich besser, dieses Mal gab es allerdings mehrere Projekte in der Nordschweiz für Befliegung. Dadurch war es schwierig, die Bewilligung von der Flugsicherung zu bekommen. Da in anderen Projekten vergleichbare Daten aufgenommen wurden, sind wir sehr froh, dass wir die Synergien nutzen und die Daten teilweise von Dritten beziehen können.

Wie geht es nun weiter mit den Daten?
Aus den Laserdaten werden jetzt die Höhenmodelle berechnet. Anschliessend können die Luftbilder anhand des Höhenmodells korrigiert werden ,um letztendlich die Orthofotos zu erhalten. Die Auswertung und Aufbereitung kann bei dem Umfang der Daten noch mehrere Wochen dauern. Die finalen Daten werden nach einer Qualitätskontrolle in unsere Datenbank eingepflegt, so dass wir diese für alle weitere Planungsarbeiten verwenden können.

Vorbereitungsarbeiten für 3D-Seismik

Zurzeit laufen die Vorbereitungsarbeiten zu den 3D-seismischen Untersuchungen für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager.

Das Partizipationsverfahren und damit die gesamte Etappe 2 des Sachplans haben 2013 Verzögerungen erfahren. Dies führte dazu, dass auch die Planung der 3D-Seismik-Untersuchungen für Etappe 3 angepasst werden musste. Die öffentliche Ausschreibung der Arbeiten ist erfolgt, die entsprechenden Feldarbeiten können aber erst 2015 begonnen werden.

Wir werden mit genügend Vorlauf über die Einzelheiten der Feldarbeiten und deren
Vorbereitungsarbeiten informieren.

Befliegung zur Datenerhebung auch nachts

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den
Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische
Messungen und Sondierbohrungen) notwendig.
Mittels Befliegung der Gebiete werden im Vorfeld der Arbeiten Daten für die
Erstellung der benötigten, hochauflösender Erdoberflächenmodelle gewonnen.
Diese Befliegungen konnten im vergangenen Frühjahr nahezu abgeschlossen werden.
Zum Abschluss der Datenerhebung erfolgt eine letzte Kampagne im Bereich des
Standortgebiets Nördlich Lägern.

Um belastbare Daten zu erhalten, muss die Befliegung im Frühling oder Herbst (wenig Vegetation), bei möglichst wolkenfreiem Himmel und wenn kein Schnee liegt erfolgen. Im Frühjahr 2013 konnte die Befliegung in Nördlich Lägern aufgrund der  Wetterverhältnisse nicht durchgeführt werden.  Deshalb wird sie in der jetzt folgenden vegetationsarmen Periode stattfinden. Um den Betrieb des Flughafens Kloten so wenig wie möglich zu stören, sind für die Datenerhebung ausnahmsweise einige Nachtflügen geplant. Die Nachtflüge werden im Zeitfenster 23:30 bis 2:00 Uhr mit einer zweimotorigen Cessna 402B in einer Flughöhe von rund 1300 m durchgeführt.

Je nach Wetterverhältnissen werden diese Flüge in voraussichtlich 2 bis 3 Nächten
ausgeführt. Wann genau dies sein wird, entscheidet sich sehr kurzfristig. Den
Abschluss der Arbeiten werden wir wiederum hier bekannt geben.

Vorbereitungen für 3D-Seismik laufen an

Für Etappe 3 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager sind in den Standortregionen vertiefende, geologische Untersuchungen (u.a. 3D-seismische Messungen und Sondierbohrungen) notwendig. Die Planung und Vorbereitungen der 3D-seismischen Messungen laufen bereits jetzt an.

Das Zürcher Weinland (heute Zürich Nordost) wurde schon in den 90er Jahren für den
Entsorgungsnachweis 3D-seismisch untersucht und am Wellenberg sind aufgrund seiner Topographie weitere seismische Messungen nicht sinnvoll. Da gemäss Sachplan geologische Tiefenlager noch nicht entschieden ist, welche Standortgebiete am Ende von Etappe 2 zurückgestellt werden, bereitet sich die Nagra darauf vor, die andern vier Standortgebiete Jura Ost, Jura-Südfuss, Nördlich Lägern und Südranden zu untersuchen.

Für die Planung der 3D-Seismik sind hochauflösende Luftbildaufnahmen erforderlich. Die Befliegung der Standortgebiete Jura Ost und Jura-Südfuss ist abgeschlossen. In  Nördlich Lägern konnte die Befliegung aufgrund der ungünstigen Wetterverhältnisse im Frühjahr 2013 noch nicht erfolgen. Sie wird in der nächsten vegetationsarmen Periode (Winter 2013/14) ausgeführt. Im Standortgebiet Südranden konnten Daten des Kantons Schaffhausen von einer Befliegung mit vergleichbaren Anforderungen bezogen werden.

Im Oktober werden die Arbeiten für die 3D-Seismik nun öffentlich ausgeschrieben. Im Rahmen der Offerterstellung ist vorgesehen, dass die in Frage kommenden Anbieter in den Regionen einen Augenschein nehmen. Da auf dem Schweizer Markt keine Anbieter für solche seismische Messkampagnen vorhanden sind, wird es sich um ausländische Firmen handeln.

Ziel ist, im 4. Quartal 2014 mit den seismischen Messungen zu beginnen und bis 2016
abzuschliessen. In zu grossen Teilen landwirtschaftlich genutzten Gebieten werden seismische Messungen idealerweise in den Wintermonaten durchgeführt, um die Arbeiten auf Feldern und Wiesen möglichst wenig zu beeinträchtigen. Der Ausschuss der Kantone und die Präsidien der Regionalkonferenzen wurden über den Ablauf informiert.

Erste Resultate der seismischen Messungen liegen vor

Vom 24. Oktober 2011 bis 7. März 2012 wurden vier der sechs vorgeschlagenen Standortgebiete vertieft seismisch untersucht: Südranden, Nördlich Lägern, Jura Ost und Jura-Südfuss. Die Auswertung der umfangreichen Daten läuft aktuell auf Hochtouren. Erste Resultate liegen bereits vor. Die bekannten Strukturen im Untergrund haben sich bestätigt.

Die Nagra hat in den Wintermonaten 2011/2012 auf einer Länge von 300 Kilometern seismische Profilmessungen vorgenommen. Die Messungen dienten der vertieften Untersuchung der geologischen Standortgebiete und lieferten eine wesentliche Grundlage für die Beurteilung der Platzverhältnisse für geologische Tiefenlager. 121 Gemeinden und rund 1900 Grundstückbesitzer waren in die Messungen involviert. Aus den über 40’000 Einzelmessungen resultierten enorme Mengen an Rohdaten. Inzwischen ist die Datenverarbeitung abgeschlossen und die geologische Interpretation läuft auf Hochtouren.

Vibrationsfahrzeuge im Einsatz in der Nordschweiz. (Foto: Comet)

Gute Datenqualität
Aus früheren Untersuchungen (unter anderem aus dem Kristallinprogramm der Achtzigerjahre) liegen der Nagra bereits 1370 Kilometer seismische Profillinien vor. Die nun neu gemachten Messungen werden mit diesen bestehenden Linien synchronisiert. Damit ergibt sich ein aktualisiertes Gesamtbild des geologischen Untergrunds der Nordschweiz.
Die hohe Datendichte in guter Qualität ermöglicht ein vertieftes Verständnis der geologischen Langzeitentwicklung im Untersuchungsgebiet. Die engmaschig über die Nordschweiz verteilten seismischen Profillinien erlauben eine Präzisierung des Verlaufs der geologischen Strukturen, welche Standortgebiete begrenzen können.

Erste Resultate
Eine erste Grobauswertung der Strukturen des geologischen Untergrunds zeigt, dass es keine «Überraschungen» gibt. Das generelle Bild vom Aufbau der Tiefengesteine in der Nordschweiz hat sich aus geowissenschaftlicher Sicht nicht verändert. «Wir haben die Kenntnisse bezüglich Strukturen und Explorierbarkeit der Standortgebiete aber weiter vertiefen können», sagt Philip Birkhäuser, Projektleiter der seismischen Feldarbeiten der Nagra. «Die Daten bilden eine der Grundlagen für die anstehenden Entscheide zur Einengung der geologischen Standortgebiete.»

Geologisch interpretierter Abschnitt eines seismischen Profils. Die eingezeichneten farbigen Linien entlang der Reflexionen bezeichnen die verschiedener Gesteinsformationen (z.B. Opalinuston). An zwei Stellen werden geologische Störungszonen interpretiert (steilstehende Linien).

Seismische Messungen funktionieren ähnlich wie eine Ultraschalluntersuchung beim Arzt. Die Seismik liefert ein Abbild des Erdinnern bis in mehr als 1 Kilometer Tiefe. Vibrationsfahrzeuge oder kleine Sprengladungen an der Oberfläche erzeugen schwache Schwingungen, die sich im Untergrund ausbreiten und von den verschiedenen Gesteinsschichten reflektiert werden. Innerhalb von Sekunden erreichen diese «Echos» die an der Erdoberfläche angebrachten empfindlichen Messgeräte (Geofone). Diese wandeln die reflektierten Schwingungen in elektrische Signale um. Alle Daten werden zentral in einem Messwagen aufgezeichnet. (vgl. auch Beitrag vom 17. Oktober 2011: Prinzip der seismischen Messmethode)