SSM perspectiv
Bakgrund och syfte
Det är ett välkänt fenomen att injektering av exempelvis saltvatten i berggrunden kan leda till en artificiell ökning av porvattentryck vilket i sin tur kan utlösa jordbävningar (Walsh och Zoback 2015, med referenser). Ökat porvattentryck på djupet kan även förekomma naturligt, till exempel till följd av de tryckförändringar som en växande och minskande inlandsis medför.
Ett geologiskt slutförvar för använt kärnbränsle ska vara säkert under tidsskalor som omfattar flera framtida istidscykler. Bergspänningsfältets anisotropi ökar både under en inlandsis framryckning och tillbakagång. Denna ökning verkar destabiliserande på omkringliggande förkastningar och ökar risken för glacialt inducerade jordbävningar. Höga hydrauliska gradienter under avsmältningen av en varmbaserad inlandsis kan ytterligare verka destabiliserande genom att den höjning av porvattentrycket det medför. För ett geologiskt slutförvar för använt kärnbränsle i Forsmark är det därför viktigt att undersöka förkastningsinstabiliteten till följd av de ökningar i porvattentryck som kan ske under framtida istidscykler.
Empiriska data från injekteringsinducerad förkastningsrörelse från det Schweiziska underjordiska berglaboratoriet Mont Terri ger en möjlighet att utvärdera numeriska modellers förmåga att återge observerade resultat. Denna utvärdering kan skapa förtroende för den metodik som används för att bedöma framtida potentiella förkastningsrörelser orsakade av förhöjt porvattentryck.
Resultat och slutsatser
Både modellen och experimentet uppvisade en kraftig tryckökning vid mätpunkten på huvudförkastningen (Main fault) omkring 800 sekunder in i experimentet, vilket markerade starten för vätskemigration från injekteringsförkastningen och aktivering av huvudförkastningen. Experimentresultaten visade dock en mer abrupt och snabbare tryckutjämning, medan modellen uppvisade en mer gradvis nedgång. Detta indikerar en långsammare vätskemigration och tryckutjämning i modellen. Resultaten tyder på att modellen kan behöva förfinas för att bättre fånga den mer abrupta tryckminskningen som observerades i experimentet.
Rörelseförloppet vid mätpunkten i huvudförkastningen visar ett liknande mönster med en snabb ökning under vätskemigrationen, men modellresultaten stabiliseras snabbt efter den maximala skjuvningen, medan experimentet visar en gradvis minskning av rörelsen. Experimentet belyser en mer utdragen mekanisk aktivitet i huvudförkastningen efter vätskeinjektionen, vilket tyder på att förkastningssystem in-situ kan fortsätta att uppvisa en rörelse efter aktivering även efter att det maximala trycket har avtagit. Modellen fångar den initiala skjuvningen väl men underskattar de pågående mekaniska processerna efter aktiveringen.
De experimentella resultaten uppvisar ett tydligt tryckstyrt rörelsebeteende vid injekteringspunkten, där rörelsen följer det stegvisa injekteringstrycket nära och uppvisar en i hög grad reversibel elastisk respons. Den numeriska modellen lyckas inte återge denna tydliga koppling mellan tryck och förskjutning. Istället förutspår modellen jämnare, i huvudsak irreversibla förskjutningar som är svagt kopplade till injekteringen och därmed inkonsekventa med den förväntade skjuvrörelsen. Denna bristande överensstämmelse indikerar att det nuvarande modelleringssättet inte på ett adekvat sätt representerar injektionsdriven förkastningsmekanik vid injekteringsförkastningen, och att det krävs viss modellutveckling för att fånga den dominerande, styrande roll som vätsketryck och förkastningsheterogenitet spelar.
Rekommendationer
Resultaten från denna studie indikerar att även om den numeriska modellen kan hantera förkastningsdynamik, såsom injekteringsinducerad förkastningsaktivering, krävs en vidareutveckling av modellen för att förbättra simuleringen av förskjutningsförloppet vid injekteringsförkastningen. Specifikt skulle integrering av mer detaljerade förkastningsegenskaper, såsom heterogenitet och variabilitet i materialegenskaper, kunna leda till en bättre överensstämmelse med experimentella data.