SKB:s Grönlandsprojekt

I SKB:s analyser av långsiktig säkerhet för existerande och planerade förvar för kärnavfall täcker analysperioden en mycket lång tid framöver. Under denna tid kommer klimatet på platsen att variera kraftigt och för att öka förståelsen för de processer som kommer kunna råda i berget och vid markytan i Forsmark under kommande istider har SKB bedrivit projekt på Grönland.

Bakgrund

SKB genomför analyser av långsiktig säkerhet för existerande och planerade förvar för kärnavfall. För det planerade kärnbränsleförvaret i Forsmark täcker analysperioden de kommande en miljon åren. Under den här tidsperioden kommer klimatet på platsen att variera kraftigt, från klimat varmare än idag till istidsklimat med inlandsis över förvaret. För att öka förståelsen för de processer som kommer kunna råda i berget och vid markytan i Forsmark under kommande istider bedrev SKB, tillsammans med systerorganisationerna Posiva och NWMO, projektet GAP, Greenland Analogue Project på västra Grönland under åren 2008 till 2016. GAP hade runt 60 projektmedlemmar från 20 universitet. Under åren 2009-2018 bedrev SKB även ett mindre parallellt projekt kallat GRASP, Greenland Analogue Surface Project i samma geografiska område som GAP. Syftet var att studera ett avrinningsområde kring en sjö framför inlandsisen för att öka förståelsen för vattnets kretslopp och ämnestransport i ett landskap med permafrost. Även den här miljön kommer att uppstå i Forsmark under framtida perioder med kallt klimat.

Innan GAP-studien fanns ingen processkunskap från observationer om hydrologin vid bottnen av en inlandsis eller i berget under och framför en is. I SKB:s säkerhetsanalyser är dessa processer viktiga eftersom de påverkar hur grundvattnet flödar kring kärnbränsleförvaret när en inlandsis ligger ovan eller i närheten av förvaret. Grundvatten bildat av smältande inlandsis får även en viss kemisk sammansättning, med låg salinitet och höga halter av löst syre. Grundvattnets flöde och kemi påverkar i sin tur stabiliteten hos de tekniska barriärerna i KBS-3 förvaret, dvs bentonitleran och kopparkapslarna. Hur dessa påverkas under olika förhållanden är en central fråga i säkerhetsanalysen. Det övergripande syftet med GAP-studien kan därför sammanfattas i frågeställningen – Hur påverkas grundvattenflöde och grundvattenkemi på förvarsdjup i kristallin berggrund under närvaron av en inlandsis?

Prickarna visar läget för de väderstationer som sattes upp av projektet på västra Grönland.

Kunskap om glacialhydrologi fanns sedan tidigare från mindre alpina glaciärer men inte på inlandsisskala, vilket är situationen som är aktuell för Forsmark vid en framtida nedisning. För att kunna visa att vi har tillräcklig kunskap inom det här området och för att kunna minska på osäkerheterna i hanteringen av dessa processer i våra säkerhetsanalyser behövde kunskapsläget förbättras.

Sommaren 2005 genomförde SKB och Stockholms universitet en rekognoseringsresa till västra Grönland för att undersöka om platsen kunde vara lämplig för en studie av en naturlig istidsanalogi vid en existerande inlandsis. Platsen, som ligger öster om samhället Kangerlussuaq, har en istidslik miljö jämförbar med den vi förväntar oss i Forsmark under framtida glaciationer. Dessutom liknar berggrundsgeologin den i Forsmark, och platsen är förhållandevis tillgänglig med bra möjligheter till transport och boende. Efter några års planering och diskussion med ett flertal universitet och med systerorganisationerna Posiva och NWMO inleddes GAP-studien 2008, ledd av Lillemor Claesson Liljedahl vid SKB.

Vad gjordes inom GAP?

GAP-studien bestod av tre delprojekt, A, B och C. Inom delprojekt A gjordes indirekta studier av det hydrologiska systemet och förhållandena vid botten av inlandsisen. Detta gjordes genom en kombination av olika fältundersökningar; radarmätningar gav information om isens tjocklek och bottenförhållanden, GPS-mätningar och seismiska undersökningar gav information om hur isen rör sig och hur vatten transporteras genom och under isen. Studier av förhållanden vid isöverytan, tex av smältvattenproduktionen, gjordes genom mätningar med meteorologiska stationer och genom analys av satellitbilder. Ett nätverk av tre väderstationer sattes upp på inlandsisen och en väderstation placerades framför isen, i det avrinningsområde som studerades inom GRASP. Resultaten från delprojekt A gav bl.a. information om förutsättningarna för grundvattenbildning, d.v.s. infiltration av smältvatten ner i berggrunden under inlandsisen.

Inom delprojekt B genomfördes direkta observationer av det hydrologiska systemet vid inlandsisens botten. Borrningar genom inlandsisen gjordes på ett flertal ställen med hetvattenborr, se bild längre ner, varefter instrument för att mäta tryck och temperatur installerades i borrhålen. Isens rörelse och deformation mättes vid samma platser med GPS-mottagare. De olika borrplatserna valdes för att representera olika inlandsisförhållanden. Utöver dessa observationer gjordes även omfattande datorsimuleringar av inlandsisens interna temperaturfördelning och vattentryck vid bottnen. Även resultaten från delprojekt B gav information om förutsättningarna för grundvattenbildning under inlandsisen.

Delprojekt C genomfördes i det isfria området framför iskanten. Här studerades grundvattenkemi, grundvattenflöde, permafrost och geologi i kärnborrhål som borrades i det kristallina berget. Ett borrhål borrades 2009 genom permafrosten vid kanten av en sjö snett in i det ofrusna området under sjön, vilket är samma sjö som studerades inom GRASP. I borrhålet genomfördes mätningar av bergtemperatur och provtagning av grundvattnet under sjön. Sommaren 2011 borrades ett borrhål nära inlandsisens kant (Figur 4). Borrhålet är 650 m långt och går igenom permafrosten som sträcker sig 400 m ner i berget. Borrhålet lutar 70 grader i riktning mot inlandsisen och sträcker sig därför en bit in under isen. I borrhålet genomfördes mätningar med Posivas flödeslogg, och instrumentering för att automatisk kunna mäta tryck och temperatur i borrhålet, och för att kunna provta djupt grundvatten för geokemisk analys. Alla borrkärnor karterades och förvaras i Posivas borrkärneförråd i Olkiluoto. Time-lapse kameror installerades i närområdet för att dokumentera förhållandena på platsen och för att studera hur inlandsisens front varierar över årssäsongerna.

Vad gjordes inom GRASP?

GRASP-projektet installerade utrustning för mätning av grundvattenflöde och ämnestransport i dräneringsområdet kring sjön Two-Boat lake, vilket är samma sjö intill vilken ett av borrhålen inom GAP borrades. I avrinningsområdet installerades sensorer för mätning av marktemperatur, liksom utrustning för att mäta vattenhalt i det under sommaren ofrusna jordtäcket ovan permafrosten. Rör för mätning av grundvattennivåer installerades liksom tryckgivare i sjön för att mäta variationer i sjönivå. Vid Two-Boat Lake installerades även den meteorologiska station som står framför inlandsisen. Även här sattes time-lapse kameror sattes upp för att dokumentera markförhållanden i dräneringsområdet och eventuella ytliga vattenflöden.

Borrning genom inlandsisen med hetvattenborr.

Borrning genom inlandsisen med hetvattenborr.

Resultat

Under 2016 publicerades två slutrapporter från GAP. Dels en datarapport som beskriver alla data som samlats in fram till 2015, samt vilka metoder som använts och vilka resultat som kommit fram, SKB R-14-13. Dels en slutrapport SKB TR-14-13 som beskriver den processkunskap som tagits fram inom GAP samt vilka svar som erhållits på de projektfrågor som sattes upp när studien startade. Fram till idag har GAP resulterat i 20 tekniska rapporter, drygt 60 artiklar i vetenskapliga tidskrifter och åtta doktorsavhandlingar. Delar av resultaten analyseras och publiceras fortfarande. Från observationerna gjorda inom GAP kan vi nu för första gången beskriva:

• var och hur grundvatten bildas under en inlandsis
• hur det hydrologiska systemet under de frontnära delarna en inlandsis utvecklas över årssäsongerna
• hur trycket hos vattnet under isen varierar rumsligt och över tiden
• hur djupt ner i den kristallina berggrunden glacialt smältvatten har trängt ner
• vad det glaciala smältvattnet har för kemisk sammansättning, bl.a. salinitet och halter av löst syre
• hur en inlandsis kan påverka grundvattenflödet

Resultaten från GAP har använts bl.a. för att ta fram en ny konceptuell modell för hur hydrologi och dräneringssystem under en inlandsis ser ut och fungerar, inklusive hur det utvecklas under smältsäsongen och hur det i sin tur påverkar hydrologin i berget. Modellen beskriver vidare hur olika delar av inlandsisen har fundamentalt olika egenskaper vad gäller den rumsliga och tidsmässiga möjligheten att bilda grundvatten inklusive mängden vatten som finns tillgänglig för grundvattenbildning. Resultaten visar också att grundvattensystemet nere på förvarsdjup i berget reagerar omedelbart och i hög detalj på förändringar i hydrologin under inlandsisen, på alla studerade tidsskalor (timmar/dagar, årstidsvariationer, trender över flera år). Det finns en mycket kraftig och tydlig koppling mellan hydrologin under isen och den i berget, som vi har identifierat och beskrivit för första gången. Resultaten visar vidare att glacialt smältvatten har trängt ner till förvarsdjup motsvarande ett KBS-3 förvar, men detta vatten är mycket gammalt, många tusen år. Baserat på en kombination av olika analysresultat har vi bedömt att vattnet sannolikt inte har varit i kontakt med atmosfären på flera hundratusentals år. Den nu mer än 10 år långa tidsserien av grundvattentryck som uppmätts i bergborrhålet vid iskanten visar vidare en minskande trend år för år, vilket vi har visat är en trend som är direkt orsakad av att inlandsisen under samma period har smält av och blivit tunnare och därför utövar ett allt lägre tryck på berggrunden.

Kunskapen om grundvattenbildning och vattentryck under inlandsisen planeras att i kommande säkerhetsanalyser användas vid simuleringar av grundvattenflöde under framtida glaciala förhållanden i Forsmark. Även resultaten från de geokemiska analyserna av djupt grundvatten planeras att användas i kommande säkerhetsanalyser. GAP-studiens resultat har också visat att de antaganden som gjordes och användes som randvillkor i tidigare grundvattensimuleringar för Forsmark under glaciala förhållanden var realistiskt valda. Inom tillståndsprövningen för kärnbränsleförvaret har kunskapen från GAP använts bl.a. vid svar på SSM:s kommentarer på säkerhetsanalysen SR-Site. Resultat om dagens temperaturfördelning i berget och dagens permafrostdjup vid platsen för borrhålet vid iskanten har även använts för en utvärdering av den numeriska permafrostmodell som använts i ett flertal av SKB:s säkerhetsanalyser, redovisad i TR-21-08.

Projektet GRASP resulterade i två doktorsavhandlingar och ett tiotal artiklar i vetenskapliga tidskrifter. Från GRASP har SKB ökat kunskapen kring:

• var och hur grundvatten bildas och omsätts i ett landskap med permafrost framför en inlandsis
• var i ett permafrostlandskap utbyte mellan ytligt och djupt grundvatten kan ske och hur in- och utströmning av djupt grundvatten påverkas av permafrost
• hur transport av lösta ämnen påverkas av permafrost
• vilka biogeokemiska processer och egenskaper som skiljer sig mellan ett landskap med permafrost och ett med tempererat varmt klimat såsom i dagens Forsmark

Till vänster, borrning av bergborrhålet vid iskanten. Till höger, samma plats i dag. Borrhålet startar inne i den grå containern, det är 650 m djupt, lutande och sträcker sig under inlandsisen. I borrhålet mäts temperatur och tryck. Foto: Anne Kontula och Lillemor Claesson Liljedahl.

Till vänster, borrning av bergborrhålet vid iskanten. Till höger, samma plats i dag. Borrhålet startar inne i den grå containern, det är 650 m djupt, lutande och sträcker sig under inlandsisen. I borrhålet mäts temperatur och tryck. Foto: Anne Kontula och Lillemor Claesson Liljedahl.

Efter GAP och GRASP

Efter att GAP-projektet officiellt avslutades 2016 fortsatte SKB datainsamling och underhåll av fältstationerna i egen regi fram till våren 2023. Under sommaren 2022 genomfördes en avslutande provtagning av djupt grundvatten i borrhålet vid iskanten för kemisk analys.

SKB var under 2019 med och startade upp nätverket CatchNet (Cathment Transport and Cryo Hydrology Network). Syftet med CatchNet är att koppla samman information från GAP, GRASP med information från andra platser i världen för att på en landskapsskala bättre förstå permafrost och ämnestransport. Medverkande kärnavfallsorganisationer är SKB, NWMO (Kanada), COVRA (Nederländerna), RWM (Storbritannien) och BGE (Tyskland), samt universitet från Sverige, Danmark och Kanada.

SKB har idag avvecklat sitt engagemang på Grönland. Under 2022 arbetade SKB för att hitta nya huvudmän för övertagande av installationerna efter projekten GAP och GRASP. Detta resulterade i att DTU (Danmarks Tekniska Universitet) från och med 2023 har tagit över ägande och ansvar för bergborrhålen och installationerna i dem, medan GEUS (De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland) på motsvarande sätt har tagit över de meteorologiska stationerna på och framför inlandsisen. De meteorologiska stationerna ingår nu i det större danska nätverket av väderstationer på Grönland kallat PROMICE . GRASP:s ythydrologiska nätverket har under 2023 övertagits av företaget Greenland Guidance.

Förutom att utgöra ett viktigt underlag till kommande säkerhetsanalyser så bidrar SKB:s insamlade data från Grönland till att svara på frågor som idag upptar stort engagemang från övriga forskarsamfundet och samhället, bl.a. kring hur känslig den Grönländska inlandsisen är för ett varmare klimat och hur detta påverkar havsnivåhöjningen i världshaven. I och med att SKB:s installationer på Grönland nu tagits över och drivs vidare av andra aktörer så kommer mätserierna av temperatur och tryck i bergborrhålet DH-GAP04 att fortgå, liksom mätserierna från väderstationerna. Därmed kommer dessa installationer att fortsätta tjäna det vetenskapliga arbetet kopplat till klimatförändringar och Grönlandsisens framtid.

Under sommaren 2023 planerar SKB en resa till undersökningsområdet för GAP och GRASP för kunskapsöverföring till personer vid SKB som kommer att arbeta med information och data från dessa studier men som inte tidigare har haft möjlighet att se platsen och installationerna.

Sammanfattning

Installationerna och mätningarna som genomfördes inom GAP och GRASP genomfördes enligt planen och var mycket lyckade. Resultaten från GAP har väsentligt ökat förståelsen av det hydrologiska systemet inuti, under och framför en inlandsis, kunskap som kommer att användas av SKB i kommande säkerhetsanalyser för våra slutförvar. På samma sätt kommer kunskapen om hydrologi och ämnestrasport i landskapet med permafrost framför inlandsisen att användas i kommande säkerhetsanalyser. I och med att kunskapsnivån inom dessa områden ökat och SKB fått svar på de frågor som ställdes inom GAP och GRASP så är vi trygga med att ha avslutat grönlandsstudierna och samtidigt glada att våra installationer kommer att fortsätta bidra till andra viktiga frågor för samhället.