KALLIOPERÄN VEDENJOHTAVUUSTUTKIMUMSET

Transkriptio

1

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ydinjätteiden sijoitustutkimukset GEOLOGICAL SURVEY OF FINLAND Nuclear Waste Disposal Research Tiedonanto YST-80 SYVAN KALLIOPERÄN VEDENJOHTAVUUSTUTKIMUMSET PALMOTUSSA, OUTOKUMMUSSA, PORISSA JA "YLIVIESKASSA Lasse Ahonen Raportti kauppa- ja teollisuusministeriön rahoittamasta tutkimuksesta, joka sisältyy julkisrahoitteisen ydinjatetutkimusohjelman projektiin: Kallioperä- ja pohjavesitutkimukset. Abstract: Measurements of hydraulic conductivity in deep bedrock at Palmottu, Outokumpu, Pori and Ylivieska. Espoo 1992

3

4

5

6

7

8

9

10

11 ... ;?;?.,,<;2 ;.?..., P i... 4p c;.,...,*" ;?;:;?;?;.?; '?;?;?;?;. '....,..;?' u Radial Cylindrical Spherical Porous Continuurn Fractured Discontinuurn FIGURE~-2 ( SPATIAL DIMENSION-INTEGER CASES STRIPPJWELLTESTANALYSLS 'ROJECTNO Dm;. NO. 2- DATE llmy03 DMWN ECR Kuva 1. Vedenjohtorakenteiden geometriset perustapaukset (Doe ja Geier 1990).

12

13

14 mittauselektrodit ahkönjohtokyky) tietokone takaiskuventtiili letkuliitin letkuliitin venttiili tyhjennysventtiili tulppien tayttöventtiili suodat in letkuliitin letkuliitin Kuva 2. Kaaviokuva näytteenottimesta

15 MITTAUSTULOSTEN TULKINTAMENETELMAT Kuvassa 3 on yksinkertaistettu graafinen esitys mittauksen tuloksena saatavasta vedenpinnanvaihtelusta mittausletkussa ajan funktiona. Tulppien täytön jälkeen puhalletaan vettä ulos letkustosta, ja seurataan tämän jälkeen vedenpinnan korkeuden palautu- mista alkuperäiselle tasolle (kuvassa vaihe A). Menetelmää kutsutaan 'slug' testiksi. Tämän jälkeen voidaan suorittaa veden pumppausta (vaihe B). Tutkittavan testivälin kallion hydraulisista ominaisuuksista riippuen virtausnopeus voi pumppauksen aikana hidastua. Pumppauksen päättymisen jälkeen voidaan edelleen seurata paineen palautumista alkuperäiselle tasolle (vaihe C). Kaikkia vaiheita voidaan käyttää kallion hyd- raulisten ominaisuuksien arvioimisessa. pressure - 1 I 1 1 I A B C time Kuva 3. Kaaviokuva veden pinnankorkeusvaihtelusta testiletkussa eri toimintojen aikana. A) Slug-testi, B) veden pumppaus, C) palautumisvaihe

16 Seuraavassa esitettävä yhteenveto slug-testin tulosten tulkintamenetelmistä on perustuu pääpiirteissään aikaisempaan raporttiin (Ahonen ja Hakkarainen 1992). Slug-testissä (vaihe A) aiheutetaan testattavalle tulppavälille akillinen paineenmuutos poistamalla vettä letkustosta. Painemuutoksen annetaan tämän jälkeen tasaantua ja tasaantumista seurataan ajan funktiona. Englanninkielisessä terminologiassa erotettiin aikaisemmin 'bai1er'-menetelmä ja 's1ug'-menetelmä (esim. Ferris et al. 1962). 'Bailermenetelmässä painetta testiosuudessa alennetaan poistamalla vettä mittaussysteemistä (bailer = esim. äyskäri), 'slug-testissä' vettä lisätään. Myöhemmin termi 'slug-test' on vakiintunut tarkoittamaan molempia testijärjestelyja. Oleelliset erot muihin yleisimpiin hydraulisiin yksireikätesteihin ovat: 1) Aiheutettu 'häiriö' on hetkellinen, vakiopainetta tai -virtaamaa ei kehity. 2) Testiväli on 'avoin' eli hydraulisessa yhteydessä ilmake- hään. Kuvassa 4 on esitetty kaavio testijärjestelystä. I I. - alkuperäinen hydr. korkeus - veden pinta testiletkussa hetkellä $$ Y - veden pinta testiletkussa testin alussa - tulppa - testiväli - tulppa Kuva 4. Kaavio mittausjärjestelystä slug-testissä. Testijärjestelyn ja sen tulkinnan kuvasivat ensimmäisinä Hvorslev (1951) ja Ferris ja Knowles (1954). Hvorslevin esittämässä tulkintamenetelmässä oletetaan, että virtaama (Q) testiväliltä mittalaitteeseen on suoraan verrannollinen palautumattomaan painekorkeuseroon (H). Kaavassa K on vedenjohtavuus ja F on geometrinen tekijä, jonka arvo riippuu testijär- jestelystä ja testivälin mittasuhteista. Tulkintamenetelmässä oletetaan muodostuma

17

18

19 Kuva 5. Painekorkeuden palautumiskäyrät slug-testissä logaritmisella aikaskaalalla. Kolmella eri ominaisvarastokertoimen arvolla esitetty palautumiskayttäytyminen on laskettu Cooperin et al. (1967) esittämän tulkintamenetelmän oletusten mukaisena. Vedenjohtavuusarvona on käytetty 2E-9mls. Katkoviiva kuvaa Hvorslevin tulkintamenetelmän oletuksilla simuloitua palautumiskäyrää. Ominaisvarastokertoimen arvot (m-') ilmenevät kuvasta. Muut oletukset kuvan 4 mukaiset. Kuva 6. Kolmella eri ominaisvarastokertoimen arvolla lasketut logaritmiset painekorkeuden palautumiskäyrat lineaarisella aikaskaalalla. Oletukset kuvan 4 mukaiset.

20 Faust ja Mercer (1984) havainnollistivat skin-tekijän vaikutusta CooperinlPapadado- pouloksen tulkintamenetelmassa. He osoittivat, että skin-tekijän arvon muuttuminen siirtää palautumiskäyran paikkaa vaaka-akselin suunnassa logaritmisella diagrammilla, mutta vaikutus käyrän kulmakertoimeen on minimaalinen. Tulkitsemalla edellä mainittu Hvorslevin tulkintamenetelmän perusteella simuloitu palautumiskäyra skin-tekijän huomioon ottavassa tyyppikäyrän sovituksessa (ks. esim. Ahonen et al. 1991, liite 1.2), saadaan skin-tekijän arvoksi +24, kun ominaisvarastokertoimen arvoksi oletetaan 1E-7. Kääntäen voidaan havaita, että skin-tekijän huomioivalla mallilla simuloidut palautumis- kiyrat muodostavat suoran logllin diagrammilla, kun skin tekijälle annetaan suurehko positiivinen arvo. Skin-tekijän arvon ollessa pieni tai negatiivinen palautumiskäyra kaartuu (kuva 7). Kuva 7. Rameyn et al. (1975) tulkintamenetelmän oletusten perusteella simuloidut normalisoidun painekorkeuden logaritmiset palautumiskayrat lineaarisella aikaskaalalla eri skin-tekijän arvoilla. Palautumiskayttäytymisfunktio perustuu Alménin et al. (1986) esittämään Earlougherin (1977) modifioimaan tyyppikayrästöön. Vedenjohtavuusarvona on kaytetty 2E-9m/s. Kairareiän varastokertoimen arvona kiytettiin 2E-8m3/Pa. Muiden tarvittavien parametrien arvot perustuvat kuvaan 4.

21

22

23 K from recovery rate Kuva 8. Kahdella eri tulkintamenetelmälla laskettujen vedenjohtavuusarvojen vertailu (Ahonen ja Paananen 1991). Ordinaattana käyränsovitusmenetelmällä (Ramey et al. 1975) lasketut K-arvot, abskissana tekstissa esitetyn kaavan 9 mukaan lasketut arvot. Kuva 9. Kahdella eri tulkintamenetelmälla laskettujen vedenjohtavuusarvojen vertailu (Ahonen ja Hakkarainen 1992). K 1 = Hvorslevin (195 1) tulkintamenetelmän perusteella lasketut arvot, K2 tekstissä esitetyn kaavan 9 mukaan lasketut arvot.

24 E slug 1 Moye El l/q Hoi-ricr hy draulic conductivity kuva 10. Eri menetelmillä laskettujen vedenjohtavuusarvojen vertailu perustuen Outokummun alueen tuloksiin (Laaksoharju et al. 1991). Virtaussvsteemin geometrian arviointi Edellä esitetyt hydraulisten testien tulkintamenetelmät perustuvat oletukseen, että vesi virtaa laminaarisesti homogeenisessa huokoisessa väliaineessa. Oletus pitäa suhteellisen hyvin paikkansa esimerkiksi sedimenttikivissa olevia kallioakvifereja tutkittaessa. Kiteisessä kallioperässä oletus pätee harvoin. Jos kivi on tiheästi rakoillutta ja rakoilu on jatkuvaa, so. toisiaan leikkaavat raot ovat hydraulisessa yhteydessä toisiinsa, voidaan oletusta pitäa suhteellisen hyvänä.

25 Vedenjohtorakenteen geometrian arviointiin on kehitetty erilaisia graafisia tulkinta- menetelmiä sekä muuttuvan paineen kokeissa (Ramey 1982, Gringarten 1982, Ershaghi & Woodbury 1985), että vakiopainekokeissa (Doe ja Geier 1991). Slug-testissä sekä virtaus että paine muuttuvat testin aikana. Black ja Barker (1 982) tekivät suuren määrän slug-kokeita skotlantilaisessa graniitissa käyttäen tulosten tulkinnassa Cooperin et al. (1977) homogeenisen väliaineen oletukseen perustuvaa tulkintamenetelmää. Tulokset osoittivat hyvin laajaa kallion vedenjohtavuu- den ja ominaisvarastokertoimen arvojen hajontaa, jonka tulkittiin kuvaavan virtauksen kanavoitumista rakoihin (kuva 1 1). Ominaisvarastokertoimen lukuarvo voidaan kuitenkin arvioida myös kallion huokoisuuden ja kokoonpuristuvuuden perusteella, eikä se käytännössä vaihtele näin laajoissa rajoissa (Almén et al. 1986). Kiteisessa kivessä ominaisvarastokerroin on käytännöllisesti katsoen lineaarisesti huokoisuudesta riippuva (kuva 12). 1 Laminar flow.- plane paralle' Unlikely -5r 0.1 i Fissures (m-'1 109,~ specific storage I --! Kuva 11. Graniittisessa kivessa tehtyjen slug-testien tulosten perusteella tulkittuja kallion vedenjohtavuuden ja ominaisvarastokertoimen arvoja Blackin (1985) mukaan.

26

27 tulkintamenetelmassa tehtyyn oletukseen, ja logaritmisella skaalalla esitetyt paineen palautumisarvot muodostavat suoran, kun aikaskaala on lineaarinen (vrt kuvat 6 ja 7). Puolilogaritmidiagrammin avulla voidaan siten tehda johtopäätöksia virtaussysteemin luonteesta. Suoraviivainen paineen palautuminen viittaa siihen, että virtaus tulee suhteellisen harvoista raoista ja on kanavoitunutta. Kaareva palautumiskäyra viittaa siihen, että vesi virtaa todennäköisesti laajemmasta rakoverkostosta ja kallion varasto- ominaisuudet vaikuttavat paineen palautumiseen. Slug-testikäyrän kaarevuus riippuu sekä vedenjohtorakenteen dimensiosta että varasto- ominaisuuksista (Black et al. 1987). Slug-testituloksen perusteella ei siten voida tehda yksikäsitteisia johtopäätöksia vedenjohtorakenteen geometriasta tai varasto-ominaisuuksista. Jos tuloksen tulkinnassa väitetään käyttämästä epatodennäköisia varasto- ominaisuuksia kuvaavia mallikayria, saadaan vedenjohtavuus luotettavimmin määritet- tya. Kuva 13. Kaaviokuva "skinm-ilmiöstä positiivisella skin-tekijän arvolla (a) ja vedenjohtorakenteesta, jolla on avoin ulkoreuna (b).

28

29 8 magnetite 6 pyrite Mo molybdenite? pyrrhotite 9 chalcopyrite U uraninite 0 50 m C + Kuva 14. Poikkileikkaus Nummi-Pusulan Palmotussa tutkitusta kairareikäprofiilista (Vuorela et al. 1991). Kuvassa 15 on graafinen esitys mitatuista vedenjohtavuusarvoista tutkituissa rei'issa. Reikien 357 ja 346 yläosissa kallion vedenjohtavuus on yleensä korkea pienentyen selvästi graniittisen välikerroksen alakontaktin alapuolella. Erityisesti reiassä 357 on havaittavissa merkkejä, että graniittivälikerroksen vedenjohtokyky on ylä- ja alapuolella olevaa kiillegneissia suurempi. Reiästä 324 mitattiin kauttaaltaan korkeahkoja vedenjohtavuuksia. Rei'istä 346 ja 357 saatuja tuloksia on tarkistettu tekemällä uusintamittauk- sia. Rei'issa 346 ja 357 makean ja lievästi suolaisen veden rajapinta näyttää korreloivan kallion vedenjohtavuuden muutoksen kanssa. Reiän 324 vesi on kauttaaltaan hyvin makeaa, jopa normaalia pohjavettä vahasuolaisempaa, mikä viittaa tuoreen sadevesi- komponentin vaikutukseen. Veden alhainen suolaisuus ja kallion korkea vedenjohtavuus tässä reiassa sopivat hyvin yhteen rei'istä 346 ja 357 havaitun veden koostumuksen ja kallion vedenjohtavuuden välisen korrelaation kanssa. Reikien 346 ja 357 pohjaosissa tavataan yksittäiset vettä johtavat vyöhykkeet, jotka saattavat olla hydraulisessa yhteydessä toisiinsa.

30 Kuva 15. Kallion vedenjohtavuus tutkitussa profiilissa Palmotussa. Vedenjohtavuusasteikko on logaritminen, pisimmät pylväät vastaavat vedenjohtavuusarvoa 107 mls, kairanreikiä kuvaava viiva vastaa vedenjohtavuusarvoa 10'' mls. Kairareiassa 324 tehtiin hydrauliset testit seka 25 m että 6 m tulppaväleja kayttäen. Suhteellisen korkean vedenjohtavuuden ansiosta saatiin koko slug-testin palautumiskayra tallennettua kaikilta testivaleiltä. Kuvassa 16 on yhdistetty palautumiskayrat kaikilta 25 metrin tulppavälilla tehdyistä kokeista. Kuvasta ilmenee, että eri testiosuuksien hydraulisessa luonteessa on eroja. Reikiipituusväleilla m ja m palautuminen on lineaarista, mikä aikaisemmin esitetyn tarkastelun perusteella voi olla merkki kanavoituneesta virtauksesta. Hyvin selvä kaartuminen näkyy esimerkiksi reikäpituusvälin m mittauksessa. Tämä viittaa siihen, että vedenjohtorakenne muistuttaa kayttäytymiseltään huokoista väliainetta. Lineaarisuus hyvin nopeassa palautumisessa (50-75 m) johtuu ilmeisesti siitä, että mittauslaitteiston virtausvastus määrää palautumisnopeuden.

31 aika [sek) Kuva 16. Normalisoidun painekorkeuden logaritmiset palautumiskäyrat lineaarisella aikaskaalalla. Tulokset Palmotun reiästä 324 käyttäen tulppaväiia 25 m. Kuhunkin käyrään liittyvä numero viittaa testivälin ylareunaan. Outokummun Sukkulansalo Geologian tutkimuskeskus on tutkinut Säteilyturvakeskuksen rahoittaman tutkimusohjelman puitteissa syvien kalliopohjavesien koostumusta syvistä kairarei'istä Outokummun Sukkulansalossa. Tutkimuksen tavoitteena on saada vertaileva tietoa syvän kallion pohjaveden koostumukseen vaikuttavista tekijöistä alueella, jossa geologinen ympäristö on vaihteleva ja ydinpolttoaineen loppusijoitustutkimuksiin valituista alueista poikkeava. Hydrauliset mittaukset ja vesinaytteenotto alueella on keskitetty yhteen Outokumpumuodostuman kulkua vastaan kohtisuoraan kairareikäprofiiliin. Tutkimusalueen litologinen poikkileikkaus seka hydraulisten mittausten tulokset on esitetty kuvassa 17. Kairarei'issa tavataan eri vesityyppeja, vedenkoostumuksen muutokset ovat usein j yrkkärajaisia (kuva 18).

32 sea Kuva 17. Pääkivilajiyksiköt ja kallion vedenjohtavuuden vaihtelu tutkituissa kairarei'issa Outokummun Sukkulansalon kairareikäprofiilissa. Vedenjohtavuutta kuvaavat pylväät ovat logaritmisella asteikolla siten, että nollatasona on arvo 10-1, pisimmät pylväät vastaavat arvoja 1*10-7 m/s (R-551) ja 3*10-7 m/s (R-737). Nämä arvot vastaavat laitteiston määritysalueen minimi- ja maksimirajoja, eivätkä siis ole välttämättä k.0. vyöhykkeiden todelliset vedenjohtavuudet. Hydrauliset mittaukset reiassa 551 on tehty n. 650 metrin syvyyteen saakka, mistä reikä on tukkeutunut. Mittaukset on tehty 25 metrin tulppavälia käyttäen. Hyvin vettäjohtava rakenne paikannettiin 5 metrin tulppavälia käyttäen. Reiän 551 yläosassa vesi on lievästi suolaista, alaosassa hyvin suolaista. Parhaiten vettäjohtava rakenne tässä reiassa sijaitsee samalla syvyydellä, jolla myös veden koostumusmuutos tapahtuu. Vettä johtava rakenne on selvästi nähtävissä kairasydämessä, jossa kivi on murskautunutta. Reikä lävistää pääasiassa kiillegneissia, jossa on mustaliuskevälikerroksia. Reiästä mitattu Kallion vedenjohtavuus reiassä on keskimäärin alhainen. Hieman kohonneet vedenjohtavuusarvot mitattiin kallion osista, joissa on runsaammin mustaliuskevälikerroksia. Noin 450 metrin alapuolella kallion vedenjohtavuus alittaa laitteiston mittaushavaintorajan.

33 Kairareiän 737 yläosa lävistää Outokumpu-muodostuman kivilajeja, keskiosa kiillegneissia, alaosassa tavataan jälleen mustaliuske-kvartsiitti-karsi-serpentiniitti assosiaatio. Reikäpituusväli metriä on mitattu 6 metrin tulppavälia käyttäen, muu osa reikää 25 metrin tulppavälillä. Selvimmät vettäjohtavat rakenteet sijoittuvat reikäpituus väleille m sekä m. Näistä ylemmälla välilla kivilaji suhteellisen vähän rakoillut karsi, josta kuitenkin on todettu yksi selvä avorako. Alempi vyöhyke sijaitsee mustaliuskeessa, eikä "varmoja" avorakohavaintoja ole. Alempana kiillegneississa on mitattu suhteellisen korkeita vedenjohtavuuksia. Kairasydänhavaintojen perusteella kiillegneissi on jopa silmiinpistävän ehjää (Kuivamäki 1992). Selvä ero keskimääräisissä kiillegneissin vedenjohtavuuksissa reikien 55 1 ja 737 välilla antaa myös aihetta epäillä mittauksen luotettavuutta. Reiän 737 vedenjohtavuusmittaukset 150 metristä alaspäin on siten syytä tarkistaa. ;- 3 :.'.] Na -Ca - Cl water L7-7 5,o Ca-Na-(Mgi-CI water Kuva 18. Kairareikävesien koostumus Outokummun Sukkulansalon alueella (Blomqvist et al. 1989).

34

35

36 Kiven rakoilu vaihtelee ehyestä runsasrakoiseen. Pystyrakoja on lähinnä kairanreiän yläosassa 300 metriin saakka. Pystyraoista suurin osa on ainakin osaksi karbonaatin iskostamia. Kairanreiän alaosassa raot ovat kerrosmyötäisiä vaakarakoja, pystyraot puuttuvat lähes (Vuorela et al. ). Rikkonaisia kohtia on erityisesti syvyysväleillä m, m, m, m ja m. Lisäksi kivi on rapautunutta syvyysväleillä m ja m (Blomqvist et al. 1986). Syvyysvälillä on havaittu huokoisen näköistä hiekkakiveä, jossa on mahdollisesti avoimia vaakarakoja (Vuorela et al. 1990). Tutkitun hiekkakiven huokoisuus on selvästi magmaattisia ja metamorfisia kiviä suurempi, Kairasydäntutkimuksessa voitiin osoittaa useita potentiaalisia vettäjohtavia rakenteita, jopa ruhjevyöhykkeita, joissa oli merkkejä veden vaikutuksesta. Kairareiän syvästä osasta mitatut hyvin alhaiset kallion vedenjohtavuudet olivat siten jossain määrin odottamaton havainto. Rakennehavainnoista tätä selittää ainoastaan kallion yläosasta todettu pystyrakoilu, joka ulottuu noin 300 metrin syvyyteen. Voidaan olettaa, että syvemmällä vallitseva vaakarakoilu ei ole riittävän jatkuvaa, jotta vesi pystyisi liikkumaan. Kalliomassan paino syvällä kallioperässä voi olla merkittävä vaakarakoilun vedenjohtavuutta pienentävä tekijä. PH Pitoisuus (rngll) Kuva 20. Veden koostumus kairareiässä Po-1 Porin eteläpuolella.

37

38 Hydraulic conductivity (mls) jo' l0 1 o -~ 10-* i 1 i llliil l 1 l l l llll i 1 1 liilil 1 l 1 lllll - - Kuva 21. Kallion vedenjohtavuus kairareiassa R-313 Ylivieskan Perkkiönperälla. PH CONCENTRATION (mgll) Kuva 22. Veden koostumus kairareiassa R-313 Ylivieskan Perkkiönperälla.

39

40

41

42

43

44