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Technical Report NTB 12-07

Geochemical Synthesis for the Effingen Member in Boreholes at Oftringen, Gösgen and Küttigen

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Die Effinger Schichten sind eine geringdurchlässige Gesteinseinheit des Oxfordian (ca. 160 Ma), welche in der ganzen Nordschweiz vorkommt. Sie besteht aus sandig-kalkigen Mergeln und (tonigen) Kalksteinen. Dieser Bericht beschreibt die Hydrochemie, Mineralogie sowie die petrophysikalischen Eigenschaften der Effinger Schichten aus 3 Bohrungen des Gebiets Jura-Südfuss (Oftringen, Gösgen und Küttigen), wo ihre Mächtigkeit 220 – 240 m beträgt. Ihre Überdeckung in den 3 Bohrungen beträgt 420, 66 bzw. 32 m. Aus den Bohrungen in Oftringen und Gösgen steht Kernmaterial zur Verfügung, wogegen sich die Information aus Küttigen auf Cuttings, hydraulische Bohrlochtests und geophysikalische Logs beschränkt.
 

Die hydrogeologischen Grenzen der Effinger Schichten variieren in den 3 Bohrungen. Fliessen­des Grundwasser in Oftringen wurde im Hangenden (Geissberg Member), aber nicht im Liegenden festgestellt. In Gösgen ist die unterliegende Hauptrogenstein-Formation durchlässig, und in Küttigen wurde in einer kalkigen Partie innerhalb der Effinger Schichten (Gerstenhübel-Schichten) Wasserfluss identifiziert.
 

Die Mergel und Kalksteine der Effinger Schichten haben Karbonatgehalte von 46 – 91 Gew.-% und Tonmineralgehalte von 5 – 37 Gew.-%. Pyritgehalte erreichen maximal 1.6 Gew.-%, wogegen mittels Routineanalysen keine Sulfatminerale festgestellt werden konnten. Die Ton­minerale umfassen hauptsächlich Illit-Smektit-Wechsellagerungen, Illit und Kaolinit, sporadisch geringe Anteile von Chlorit und Smektit. Adern mit Calcit- und untergeordnet Coelestin-Füllun­gen kommen in den Effinger Schichten der Bohrung Oftringen häufig vor, wogegen sie in Gösgen und Küttigen weitgehend fehlen. Sie wurden bei Temperaturen von 50 – 70 ºC ver­mut­lich im Miozän gebildet. Wassergehalte liegen im Bereich 0.7 – 4.2 Gew.-%, was einer Wasser­verlustporosität von 1.9 – 10.8 Vol.-% entspricht. Spezifische Mineraloberflächen, gemessen mit der BET-Methode, liegen im Bereich von 2 – 30 m2/g und korrelieren mit den Ton­mineralgehalten.
 

Die gemessene Wasseraktivität lieferte überraschend kleine Werte bis zu 0.8. Diese lassen sich nicht allein durch die Salinität des Porenwassers erklären und werden durch andere Effekte wie Gefüge­veränderungen durch Druckentlastung oder ungesättigte Verhältnisse mitbestimmt. Die beobachtete Variabilität der Messungen ist nicht vollauf verstanden.
 

Die Kationenaustauschkapazität sowie die Populationen austauschbarer Kationen wurden mit der Ni-en-Methode untersucht. Die Kationenaustauschkapazität, abgeleitet aus dem Verbrauch des Indexkations Ni, beträgt bei einem Gestein : Wasser-Verhältnis von 9 – 99 meq/kgGestein und zeigt eine Korrelation mit dem Tonmineralgehalt. Kationenkonzentrationen in den Ni-en-Aus­zügen sind in der Reihenfolge Na+ ≥ Ca2+ > Mg2+ > K+ > Sr2+. Allerdings enthalten diese Lösungen auch Beiträge von Kationen aus dem Porenwasser und aus während der Experimente abgelaufenen Minerallösungsreaktionen, wobei diese Beiträge nicht zuverlässig quantifiziert werden konnten. Daher konnten keine situ-Kationenpopulationen und Selektivitätskoeffizienten abgeleitet werden.
 

Eine Reihe von Methoden wurde verwendet, um die chemische Zusammensetzung der Poren­wässer in den Effinger Schichten zu charakterisieren. Die Methode der advektiven Porenwasser-Verdrängung wurde an je einer Probe von Oftringen und Gösgen eingesetzt und ist die einzige, welche Daten zur vollständigen chemischen Porenwasserzusammensetzung liefert. Wässrige Aus­züge von Bohrkernen derselben Bohrungen liefern Daten zu den Cl--, teilweise auch Br--Gehalten. Ebenso liefern Ausdiffusionsexperimente Daten nur zu diesen beiden Ionen. Sowohl während der wässrigen Auszüge wie auch der Ausdiffusion finden chemische Reaktionen zwischen dem Gestein und dem Testwasser statt und beeinflussen die Konzentrationen von Kationen, SO42‑ sowie der Alkalinität in den experimentellen Lösungen. Des Weiteren wurde Zentri­fugation als Untersuchungsmethode versucht, allerdings ohne Erfolg.
 

Verhältnisse der stabilen Wasserisotope (d18O and d2H) im Porenwasser aus Bohrkernen von Oftringen wurden mit der diffusiven Austauschmethode untersucht. Heliumgehalte des Oftringer Porenwassers wurden durch quantitative Ausdiffusion speziell beprobter Kerne und anschliessende massenspektrometrische Analyse bestimmt.
 

Mehrere Argumentketten deuten darauf hin, dass die Bohrkerne zum Zeitpunkt der Proben­präparation im Labor möglicherweise nicht voll gesättigt waren. Die Argumente umfassen den Vergleich von Wasserverlust- und physikalischer Porosität, Messungen der Wasseraktivität sowie vermutete hohe Gehalte gelöster Gase, die aus den Grundwasserdaten abgeleitet wurden. Indessen fehlen eindeutige Beweise einer Entsättigung; ausserdem ist es nicht klar, ob diese ein in situ-Phänomen darstellt oder die Folge der Druckentlastung während des Bohrvorgangs ist. Teilweise Entsättigung hätte keine Auswirkungen auf die aus wässrigen Auszügen berechneten Poren­wasserkonzentrationen, da für die Umrechnung die gemessenen Wassergehalte verwendet wurden.
 

Die grösste Unsicherheit bezüglich der aus wässrigen Auszügen berechneten Porenwasser­konzentration von Cl- ist die Kenntnis der anionenzugänglichen Porosität. Daten aus verschie­denen tonmineralreichen Formationen deuten darauf hin, dass der anionenzugängliche Anteil an der aus dem Wasserverlust berechneten Porosität bei etwa 0.5 liegt (Bereich 0.3 – 0.6) und eine negative Korrelation mit dem Tonmineralgehalt aufweist. Ein Vergleich der Cl—Konzentra­tionen aus der Methode der advektiven Porenwasserverdrängung mit den aus wässrigen Auszügen abgeleiteten Porenwasserkonzentrationen von Cl- liefert im Fall der Oftringen-Probe einen anionenzugänglichen Anteil der Porosität von 0.27, im Fall der Gösgen-Probe einen Anteil von 0.64. Der erstere Wert wird als nicht repräsentativ betrachtet, zumal er aus einem Bereich lokal heterogener Lithologie stammt. Durchdiffusionsexperimente mit HTO und 36Cl- deuten auf einen Wert um 0.5 für die Effinger Schichten von Oftringen und Gösgen hin. Dieser Wert wird daher als typisch betrachtet, wobei er lokal aufgrund der Heterogenität von Litho­logie und Porenarchitektur variiert. Die beträchtlichen Unsicherheiten bezüglich der Abschätzung der anionenzugänglichen Porosität pflanzen sich in die berechneten in situ-Poren­wasser­konzentrationen von Cl- fort.
 

Unter Verwendung der Daten aus den wässrigen Auszügen und einem anionenzugänglichen Anteil der Wasserverlustporosität von 0.5 erreichen die Cl--Gehalte im Zentrum der Effinger Schichten von Oftringen maximal eine Konzentration von 14 g/L. Gegen unten und oben nehmen die Cl--Gehalte ab und ergeben insgesamt ein gebogenes Profil. Cl--Konzentrationen in den Effinger Schichten von Gösgen nehmen mit der Tiefe von ca. 3.5 g/L auf ca. 14 g/L an der Basis des gekernten Profils (dem Zentrum der Einheit entsprechend) zu. Ausdiffusions­experi­mente wurden an 4 über die Effinger Schichten verteilten Proben von Oftringen durchgeführt. 3 der 4 Proben liefern berechnete Porenwasserkonzentrationen von Cl-, welche gut den aus wäss­rigen Auszügen abgeleiteten Werten entsprechen, und einen tieferen Wert. Konzentrationen von Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Sr2+, SO42- und HCO3-  können weder aus den wässrigen Auszügen noch den Ausdiffusionsexperimenten abgeleitet werden, da die Daten durch Minerallösung und Kationenaustausch während der Experimente beeinflusst sind. Ebensowenig liefern diese Methoden Anhaltspunkte zum pH-Wert.
 

Die Methode der advektiven Porenwasser-Verdrängung liefert als einzige Daten zur voll­ständigen Zusammensetzung des Porenwassers. Die Probe aus Oftringen (445 m) kommt aus dem oberen Teil der Effinger Schichten und ergab ein Eluat mit 16.5 g/L Cl-, wogegen eine benachbarte, mittels wässrigem Auszug untersuchte Probe 9 g/L Cl- ergab. Die Probe der Bohrung Gösgen kommt aus einer Tiefe von 123 m und somit aus dem Zentrum der Effinger Schichten; sie ergab ein Eluat mit 9 g/L Cl-, verglichen mit 11.5 g/L Cl- in einer benachbarten Probe, die mittels wässrigem Auszug untersucht wurde. In beiden Fällen haben die Porenwässer Zusammensetzungen des chemischen Na-(Ca)-Cl-Typs, mit SO42--Gehalten um 1.1 g/L. Das Br/Cl-Verhältnis der Gösgen-Probe ist demjenigen von heutigem Meerwasser ähnlich, wogegen es in der Oftringen-Probe tiefer ist.
 

In Anbetracht der Unsicherheiten der verwendeten Untersuchungsmethoden erscheint ein Maxi­mal­wert für die Cl- Konzentration von 20 g/L für die Effinger Schichten im Gebiet der Bohrungen Oftringen und Gösgen plausibel.
 

Aus wässrigen Auszügen und Ausdiffusionsexperimenten abgeleitete SO42--Konzentrationen einerseits und solche, die durch advektive Porenwasserverdrängung bestimmt wurden, sind sowohl für Oftringen wie auch für Gösgen stark diskrepant. Als allgemeine Schlussfolgerung wird festgehalten, dass zumindest ein Teil dieser Diskrepanzen einer Störung des Schwefel­systems und einer wesentlichen Erhöhung der SO42--Gehalte durch Lösung von Sulfatmineralen und untergeordnet möglicherweise einer Pyritoxidation während der wässrigen Auszüge und Aus­diffusionsexperimente zugeordnet werden kann. Daher werden die aus diesen Methoden abgeleiteten SO42--Gehalte im Porenwasser als nicht repräsentativ für in situ-Bedingungen betrachtet.
 

Für die Effinger Schichten im Raum Jura-Südfuss wurde eine Referenz-Porenwasserzusammen­setzung bestimmt. Sie repräsentiert die wahrscheinlichen Obergrenzen des Cl--Gehalts und der entsprechenden Kationenkonzentrationen, welche durch vorhandene experimentelle Methoden bestimmt wurden. Mit Ausnahme der Cl-- und möglicherweise der Na+-Gehalte ist diese Zusam­men­setzung nicht gut definiert, insbesondere bezüglich der SO42-- und Ca2+-Konzentrationen, pH und Alkalinität.
 

Zusammensetzungen der stabilen Wasserisotope δ18O und δ2H in Porenwässern von Oftringen befinden sich im δ18O-δ2H-Diagramm rechts der Niederschlagsgeraden und weisen auf eine Anreicherung von 18O durch Gesteins-Wasser-Interaktion hin, was auf sehr lange unterirdische Ver­weilzeiten der Porenwässer hinweist. Diese sind des Weiteren unterstützt durch die gemessenen 4He-Konzentrationen, welche über die Zeit im Porenwasser der Effinger Schichten akkumuliert wurden. Diese Konzentrationen sind vergleichbar oder leicht höher als diejenigen, die im Opalinuston der Bohrung Benken beobachtet wurden.
 

Grundwässer aus durchlässigen Bereichen wurden in allen 3 Bohrungen beprobt. Als allge­meine Interpretation gilt, dass die Porenwässer sowie die gelösten Inhaltsstoffe der Grund­wässer eine ähnliche Provenienz aus meso- und känozoischen brackisch-marinen Formations­wässern haben können, wobei die Grundwässer wesentlich stärker als die Porenwässer durch das Eindringen tertiärer und quartärer meteorischer Wässer verdünnt wurden.
 

Die verfügbaren hydrochemischen Daten über Porenwässer der Effinger Schichten aus dem Gebiet Jura-Südfuss zeigen, dass sich das geochemische System langsam über geologische Zeit­räume entwickelt hat, wobei Diffusion ein wichtiger Transportmechanismus war. Die Unregel­mässig­keit der Tiefenprofile von Cl- und δ18O sowie die räumliche Heterogenität der Grund­wasser­flüsse im Dogger – Malm-System weisen darauf hin, dass die paläo-hydrogeologischen und hydrochemischen Auswirkungen der sich verändernden tektonischen Verhältnisse und der Bedingungen an der Oberfläche komplex waren.

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