chapter 1 - ETH E

DISS. ETH NO. 20040
SEISMIC IMAGING OF TEMPORAL CHANGES IN
UNDERGROUND RADIOACTIVE WASTE REPOSITORIES:
SURVEILLANCE REQUIREMENTS AND FULL WAVEFORM
INVERSION ISSUES
A dissertation submitted to ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by STEFANO MARELLI
Master of Science in Physics
Università degli Studi di Milano Bicocca, Milano (Italy)
Date of birth 23/06/1981
citizen of Italy
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Hansruedi Maurer, examiner
Prof. Dr. Alan Green, co-examiner
Prof. Dr. Stewart Greenhalgh, co-examiner
Dr. Guy Drijkoningen, co-examiner
2011
RIASSUNTO
RIASSUNTO
Lo smaltimento delle scorie radioattive è un argomento complesso che deve essere
affrontato da molti paesi al mondo. Una delle possibilità considerate è
l’immagazzinamento delle scorie in depositi geologici sotterranei. Tali siti di
stoccaggio devono includere livelli di contenimento multipli, fra i quali barriere
artificiali che separino il materiale radioattivo dalla roccia incassante. La possibilità di
monitorare tali barriere durante i primi 100-300 anni di funzionamento è un requisito
fondamentale per la società. A causa dei pericoli connessi alla possibile dispersione di
materiale radioattivo nella biosfera, le tecniche di monitoraggio devono essere noninvasive, affinché l’integrità delle barriere non sia compromessa. Nella mia tesi, ho
studiato l’efficacia della tomografia sismica a forma d’onda completa (full-waveform
inversion) come strumento per conseguire l’ambizioso obiettivo del monitoraggio
non-invasivo di siti di stoccaggio di scorie radioattive.
Abbiamo condotto numerose campagne sismiche in due laboratori sotterranei in
Svizzera: il Mont Terri Rock Laboratory (FMT), situato in una formazione argillosa, e
il Grimsel Test Site, situato in un corpo granitico. In entrambi i siti, modelli in scala di
siti di stoccaggio sono stati simulati attraverso una costante iniezione d’acqua, la
quale ha portato alla saturazione della roccia incassante (FMT) e delle barriere in
bentonite (GTS) che isolano le scorie. Il monitoraggio è stato implementato per mezzo
di una sorgente sismica di pressione (P-wave sparker), di idrofoni e di geofoni. La
full-waveform inversion è efficace solo nel caso in cui i cambi indotti nei campi
d’onda sismici dalle variazioni nelle condizioni dei depositi non siano offuscati da
variazioni strumentali del sistema di acquisizione. Ho dimostrato che la nostra
sorgente sismica è altamente ripetibile fino a frequenze di 3-4 kHz e distanze di
propagazione nell’ordine di decine di metri nei materiali considerati. Sfortunatamente,
la ripetibilità degli idrofoni è limitata dall’accoppiamento variabile fra sorgente e
roccia circostante. Al contrario, geofoni cementati saldamente alla roccia potrebbero
produrre letture molto consistenti. Ho inoltre osservato tre tipi di rumore coerente che
contaminano i dati raccolti, identificandone le cause: (i) effetti elettrici nelle catene di
idrofoni causati da sollecitazioni meccaniche, (ii) l’effetto delle alte correnti che
attraversano il cavo coassiale della sorgente sismica, facendolo oscillare radialmente
e, di conseguenza, agire come una sorgente lineare di bassa ampiezza, (iii) onde di
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superficie che si propagano all’interfaccia fra il fluido di foro e la roccia incassante.
Ho infine descritto una metodologia per determinare la minima fedeltà necessaria nei
dati sismici affinché possano essere utilizzati nel monitoraggio sismico non-invasivo.
Una serie di inversioni anisotropiche in 2D sono state eseguite sui primi arrivi dei
dati raccolti nel FMT, per delineare un modello di velocità approssimativo della
roccia argillosa incassante. A causa delle dimensioni ridotte della regione da
monitorare nel FMT (un tunnel di 1 m di diametro orientato perpendicolarmente al
piano definito dai fori di sorgente e ricevitore), rispetto alle distanze fra sorgenti e
ricevitori, questa tecnica si è dimostrata inadeguata per monitorare variazioni delle
proprietà fisiche nel sito di stoccaggio. Ulteriori tracce sismiche, raccolte con alcuni
geofoni installati direttamente sulla superficie del microtunnel, ci hanno permesso di
caratterizzare nei dettagli il processo di saturazione. Sulla base di una serie di
simulazioni numeriche, ho interpretato le differenze osservate nelle tracce sismiche
come conseguenza diretta di una rapida perdita di coesione dell’argilla nella zona
disturbata dallo scavo (Excavation Disturbed Zone, o EDZ) del tunnel, seguita
dall’espansione dell’argilla, che ne ha ricostituito la coesione. Questo esperimento,
combinato con ulteriori simulazioni numeriche, ha dimostrato che i sensori installati
alla minima distanza possibile (in base alle leggi vigenti) dai fusti contenenti le scorie
(3-5 m per un caso realistico) potrebbero costituire potenti strumenti diagnostici per
monitorare variazioni nelle proprietà fisiche del deposito e nella EDZ circostante.
In rocce ad alta permeabilità (ad esempio granito), i fusti devono essere isolati
dalla roccia circostante da barriere di bentonite compattata. A causa del costante
flusso d’acqua attraverso la roccia, si ipotizza che le proprietà elastiche della bentonite
cambino gradualmente durante i primi decenni dopo lo stoccaggio delle scorie.
Inoltre, la bentonite dovrebbe essere influenzata sia dalla generazione di calore dei
fusti contenenti materiale radioattivo, ma anche dalla pressione di rigonfiamento
conseguente alla sua progressiva saturazione. Attraverso una serie di esperimenti di
laboratorio condotti a frequenze ultrasoniche (utilizzando sia strumentazione
disponibile commercialmente che sviluppata nei nostri laboratori), ho misurato la
variazione delle velocità sismiche longitudinali (VP) e trasversali (VS) nella bentonite
in funzione del suo contenuto in acqua, della sua temperatura e della pressione di
confinamento. All’aumento del contenuto in acqua si è accompagnato un aumento sia
di VP che di VS a pressione e temperatura ambiente, rispettivamente da ~1100 a ~1580
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RIASSUNTO
m/s e da ~570 a ~730 m/s. Le misure in temperatura fra 30 e 80°C hanno mostrato
diminuzioni lineari delle velocità di circa 100 m/s per VP e 50 m/s per VS, per tutti i
contenuti d’acqua testati, con l’unica eccezione del 20% in peso, per il quale sono
state registrate diminuzioni doppie. All’aumento della pressione di confinamento fino
a 100 MPa, entrambe le velocità sismiche sono aumentate sensibilmente, in
particolare sui campioni preparati a basso contenuto d’acqua. Ho inoltre misurato gli
effetti della disidratazione a temperature sopra i 100°C, alle quali i campioni si sono
indeboliti, perdendo coesione. Ho interpretato il comportamento consistentemente
anomalo dei campioni preparati al 20% di contenuto d’acqua in peso in termini di un
modello a doppia porosità tipico della bentonite compattata. Ho concluso di
conseguenza che la ricostruzione tomografica delle velocità elastiche di barriere in
bentonite può fornire importanti informazioni utili a diagnosticare l’integrità e il
corretto funzionamento delle stesse.
La full-waveform inversion tridimensionale elastica è tuttora proibitiva dal punto
di vista computazionale al livello di risoluzione richiesto per il monitoraggio di siti di
stoccaggio. Di conseguenza, è stato necessario prendere in considerazione
l’approssimazione acustica. In uno studio numerico sugli effetti della propagazione
d’onda elastica sulla full-waveform inversion in approssimazione acustica, ho
dimostrato che essa è un’opzione efficace solo in assenza di interfacce estese ad alto
contrasto di velocità, a causa delle conversioni di modo P a S che comportano. A
causa degli alti contrasti fra le componenti di un sito di stoccaggio e la roccia
circostante, concludo che l’approssimazione acustica non possa essere utilizzata nel
loro monitoraggio per mezzo di full-waveform inversion.
Infine, ho studiato gli effetti della non-linearità sull’inversione di modelli con
inclusioni ad alto contrasto e bassa velocità, simili a quelli riscontrabili in un deposito
di stoccaggio di scorie radioattive. I miei risultati dimostrano che esistono relazioni di
compromesso fra le dimensioni delle anomalie e il contrasto fra le loro velocità e
quelle della roccia incassante. Anomalie più piccole sono efficientemente ricostruite
per contrasti più alti rispetto ad anomalie più grandi.
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ABSTRACT
ABSTRACT
Long term disposal of radioactive waste is a complex issue that many countries
worldwide seek to solve. A possible solution is the emplacement of the waste in
underground geological repositories, located in suitable rock formations. Such
repositories should be characterized by multiple containment protection levels,
including several layers of engineered barriers separating the radioactive material
from the host rock. Society demands that the waste and the surrounding barriers be
monitored during the first 100-300 years of operation. Due to the dangers connected
with the dispersion of radioactive material into the biosphere, monitoring techniques
must be non-intrusive, in order to preserve the integrity of the engineered barriers. In
my thesis, I have investigated the viability of seismic full-waveform tomography as a
tool to achieve the ambitious goal of non-intrusive monitoring of a radioactive waste
disposal site.
We conducted extensive seismic measurements in two underground rock
laboratories located in Switzerland: the Mont Terri Rock Laboratory (FMT), located
in a clay formation (Opalinus clay), and the Grimsel Test Site (GTS), located in a
granitic body. At both sites, down-scaled repository models were simulated through
constant water injections, which led to the water saturation of the host rock (FMT)
and of the engineered bentonite barriers surrounding the potential waste (GTS).
Seismic monitoring was performed by means of pressure sources and hydrophone
receivers located in boreholes surrounding the repository models. Full-waveform
inversion is expected to be effective only if the changes induced in the seismic
wavefields by the evolution of the repository state are not overwhelmed by
instrumental variations of the recording systems. I found that our high-energy P-wave
sparker is a highly repeatable source up to frequencies of 3-4 kHz and propagation
distances up to tens of meters. Unfortunately, hydrophone repeatability is limited by
variable hydrophone-borehole coupling conditions. In contrast, firmly grouted
geophones would yield very consistent recordings. In addition, I observed and
identified the cause of three types of coherent noise that contaminate the data: (i)
mechanically induced electrical effects in the hydrophone arrays, (ii) line-source
behavior of the sparker source coaxial cable due to the high currents running through
it and causing it to oscillate radially, and (iii) tube waves. Finally, I outlined a
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quantitative methodology to assess the data fidelity requirements for successful
seismic monitoring.
2D anisotropic traveltime inversion of the cross-hole data collected at the FMT
was performed to delineate the gross velocity structure of the clay host rock.
However, due to the small size of the monitoring target region in FMT (1 m diameter
microtunnel oriented perpendicular to the plane defined by the source-receiver
boreholes) in relation to the source-receiver distances, this technique proved to be
inadequate for monitoring changes in the repository. Seismic traces collected with an
additional set of geophones installed directly around the microtunnel wall allowed us
to characterize the saturation process in detail. Supported by extensive numerical
modeling, I interpreted the observed changes as the result of rapid spalling of the clay
in the excavation damage zone (EDZ) of the microtunnel, followed by its swelling and
self-healing. This experiment, combined with numerical simulations, demonstrated
that sensors installed as near to the repository as allowed by the regulations (3-5m
distance for a realistic case scenario) could be a powerful diagnostic tool for
monitoring changes in the repository and its EDZ.
In harder host rock environments (e.g., granite), the waste would be embedded in
compacted bentonite barriers. Bentonite is expected to change its elastic properties
due to the groundwater flux during the first decades after waste emplacement.
Furthermore, it will be affected by the heat generation of the radioactive waste
canisters and the swelling pressure that will develop in the course of the water
saturation. In a series of laboratory ultrasonic experiments performed on both
commercially available and in-house developed instrumentation, I measured the
variation of longitudinal (VP) and transverse (VS) wave velocities versus water
content, temperature and pressure. Increasing water content resulted in an increase of
VP and VS at room temperature and pressure, from ~1100 to ~1580 m/s and from
~570 to ~730 m/s, respectively. Temperature measurements showed an approximately
linear velocity decrease of ∼100 m/s for VP and ∼50 m/s for VS over the temperature
range 30 to 80°C for all water contents except for a water content of approximately
20% by weight, which exhibited decreases twice as large. The effect of pressure on
seismic P and S wave velocities was to significantly increase them, to a larger degree
on samples prepared at lower water contents. In addition, I measured the effects of
dehydration at temperatures higher than 100°C, at which sample embrittlement
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ABSTRACT
occurred. I interpreted the observed anomalous behavior for samples prepared at
approximately 20% water content in terms of a double-porosity model typical of
compacted bentonite. I therefore inferred that elastic velocity imaging of bentonite
engineered barriers may provide useful and important diagnostic information on their
status and performance.
Three-dimensional full-waveform elastic inversion is still computationally too
expensive to be applied at the resolution needed in non-intrusive monitoring of
radioactive waste disposal sites, so the acoustic approximation is a possible option to
consider. In an extensive synthetic study of the effects of elastic wave propagation on
acoustic full-waveform inversion, I demonstrated that it is a viable only when the
model doesn’t involve long interfaces having high velocity contrasts, due to the
significant P-to-S mode conversions that would occur. Therefore, I conclude that
elastic full-waveform inversion is necessary for the non-intrusive seismic monitoring
of radioactive waste disposal sites.
Finally, I performed a series of synthetic investigations on the effects of nonlinearity on acoustic full-waveform inversion on models including high contrast, low
velocity inclusions similar to those expected in a repository. My results demonstrate
that a stability trade-off relationships between the size of the anomaly and its velocity
contrast with the surrounds, such that smaller anomalous features can be successfully
imaged at higher contrasts compared to large features.
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