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Technischer Bericht NTB 00-03

3D-Seismik: Räumliche Erkundung der mesozoischen Sedimentschichten im Zürcher Weinland

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Die Nagra untersucht in der Nordostschweiz im Rahmen des Entsorgungsnachweises den Opalinuston als potentielles Wirtgestein für ein geologisches Tiefenlager für hochaktive und langlebige mittelaktive Abfälle. 1991/92 führte die Nagra mit reflexionsseismischen Profilmessungen eine regionale Erkundung der mesozoischen Sedimentgesteine in der Nordostschweiz durch. Auf dieser Grundlage konnte im nördlichen Teil des Kantons Zürich ein Gebiet von rund 50 km2 mit ruhiger Schichtlagerung abgegrenzt werden, innerhalb dessen mit der hier beschriebenen, 1997 durchgeführten dreidimensionalen reflexionsseismischen Messkampagne (3D-Seismik) die strukturgeologischen und lithostratigraphischen Verhältnisse des Opalinustons im interessierenden Tiefenbereich von 400 bis 900 m unter Terrain weiter abgeklärt wurden. Zusammen mit der 1998/99 im Messgebiet abgeteuften Sondierbohrung Benken bilden die Ergebnisse der 3D-Seismikkampagne eine wesentliche Grundlage für die Beurteilung der geologischen Gegebenheiten im Untersuchungsgebiet.

Mit der verwendeten Untersuchungsmethode ist es möglich, den Aufbau und die räumliche Lage der Gesteinsschichten von der Erdoberfläche aus lückenlos zu erkunden. Strukturgeologische Elemente und laterale Änderungen des Gesteinscharakters können grossräumig abgebildet werden. Die Ergebnisse tragen zum Gesamtverständnis der geologischen Entwicklungsgeschichte bei und ermöglichen es, ein geologisches Strukturmodell abzuleiten, das als Basis für hydrogeologische Modellierungen, für die Sicherheitsanalyse und als bautechnische Planungsgrundlage dient. 

Die von Januar bis März 1997 durchgeführten 3D-seismischen Feldmessungen stellten grosse organisatorische Anforderungen an die Ausführenden, galt es doch, die Reflexionssignale in einem relativ dicht besiedelten bzw. landwirtschaftlich stark genutzten Gebiet von nahezu 9'000 über das Messgebiet verteilten Messpunkten aus, mit je 480 Geofonstationen verteilt auf acht Messlinien zu registrieren. Die Feldparameter waren hinsichtlich einer effizienten Umsetzung im Feld unter Wahrung einer bestmöglichen Datenqualität festgelegt worden. Mit symmetrischen Messlinienabständen von 180 m und Stationsintervallen von 30 m konnte der Untergrund in einem regelmässigen Raster von 15 × 15 m abgetastet werden. Dank der relativ hohen Mehrfachüberdeckung jedes Rasterfelds konnte ein die Datenqualität teilweise störender Einfluss oberflächennaher, wassergesättigter Schichten und übertiefter Quartärrinnen grösstenteils ausgeglichen werden. Die im Rahmen der Datenverarbeitung angewendeten Rechenschritte der 3DDMO- Stapelung und 3D-Migration lieferten den wichtigsten Beitrag zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses der gemessenen Felddaten. Das breite nutzbare Frequenzspektrum von ca. 10 bis 85 Hz auf dem Zielhorizont ermöglichte eine hohe Abbildungsqualität der Gesteinsschichten. 

Die Korrelation der von der Oberfläche aus gemessenen 3D-seismischen Reflexionseinsätze mit den in der Sondierbohrung Benken aufgenommenen geophysikalischen Daten zeigt eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Das aus dem Sonic- und Dichte-Log der Bohrung hergeleitete synthetische Seismogramm erlaubt eine genaue Kalibrierung der Reflexionseinsätze. Das Walkaway-VSP hilft zusätzlich, lokale Qualitätsunterschiede des 3D-seismischen Datensatzes in der Nähe der Bohrung zu überbrücken und ermöglicht damit die Übertragung der hoch auflösenden, aber punktuellen Erkenntnisse der Sondierbohrung Benken auf das gesamte Messgebiet. Mit Hilfe der in der Sondierbohrung erfassten Kennwerte Mächtigkeit, Dichte und seismische Wellenausbreitungsgeschwindigkeit können die interpretierten seismischen Reflexionseinsätze mit einem Modellierverfahren auch lithostratigraphisch ausgewertet werden. 

Die hohe räumliche Auflösung der 3D-Seismik erlaubt eine detaillierte Analyse der geologischen Strukturen bis in den Meterbereich. Die Strukturanalyse erfolgte anhand von konventionellen Amplitudendarstellungen in Profilschnitten sowie mittels Kohärenzberechnungen desselben Datensatzes und hergeleiteten seismischen Attributkarten. Verwerfungen und Flexuren mit einem vertikalen Versetzungsbetrag von minimal 10 m können in den Profildarstellungen direkt erkannt werden. Die Kohärenz- und Attributdarstellungen erlauben es, noch kleinere Versetzungsbeträge zu erfassen. Diese, anhand der 3D-Seismik erstmals sichtbar gemachten Strukturen liefern neue Aspekte zur Interpretation der lokalen Strukturgeologie. 

In einem Katalog wurden sämtliche Strukturelemente illustriert und beschrieben, die das Wirtgesteinsintervall Opalinuston inkl. Murchisonae-Schichten1 erfassen und zudem festgelegte Kriterien für die minimale laterale und vertikale Ausdehnung erfüllen. Alle Störungen, die den Opalinuston um mindestens 10 m vertikal versetzen und eine laterale Ausdehnung in Streichrichtung von mindestens 150 m aufweisen, wurden quantitativ ausgewertet und kartiert. Die Auswertung bestätigt die nahezu ungestörte Schichtlagerung des Wirtgesteins im Untersuchungsgebiet. Generell gilt, dass der Grad der Deformationen oberhalb des Lias gering ist und nur gegen die Basis des Mesozoikums hin allgemein zunimmt. In erster Näherung lassen sich drei tektonostratigraphische Stockwerke unterscheiden: 

  • Höheres Mesozoikum – Molasse: Nur im Nordosten des Messgebiets, bei der Neuhauser Störung können über grössere Distanzen Verwerfungen mit kartierbarem Versatz aller Reflexionshorizonte festgestellt werden.
  • Tieferes Mesozoikum: Besonders im Südwesten des Messgebiets sind die Basis des Mesozoikums und die triadischen Schichten kleinräumig deformiert. Kompressionsstrukturen deuten auf eine Inversionstektonik und Überprägung der Grundgebirgsstrukturen im Zeitraum von der mittleren bis zur späten Trias hin. Im Lias und untersten Dogger scheinen einige dieser Inversionsstrukturen durch Extensionstektonik geringfügig reaktiviert worden zu sein. Lokale Mächtigkeitsunterschiede im Wirtgestein werden als Ergebnis differenzieller Subsidenz zu Beginn der Ablagerung des Opalinustons interpretiert.
  • Submesozoischer Bereich: Die Interpretation der Permokarbon-Sequenz anhand des Reflexionsbilds der 3D-Seismik und der regionalen seismischen Profile von 1991/92 in der näheren Umgebung erlaubt eine Abgrenzung zwischen der in der Sondierbohrung Benken erbohrten kristallinen Hochzone und dem WSW-ENE streichenden Permokarbontrog (Weiach-Trog) im Südteil des Messgebiets der 3D-Seismik.

Die hauptsächlichen Strukturen im Messgebiet sind die Hochzone von Benken mit ihren begrenzenden Elementen der Flexur von Rafz – Marthalen im Süden und der Wildensbucher Flexur im Norden. Im Nordosten wird das Messgebiet durch die anhand regionaler Daten schon früher erfasste Neuhauser Störung begrenzt, im Osten durch die Antiklinale von Trüllikon und im Westen durch die Strukturzone von Niderholz. Die W-E streichende Wildensbucher Flexur, die – aus einer Flexurzone und einzelnen, en échelon angeordneten Störungselementen aufgebaut – ca. 700 m nördlich der Sondierbohrung Benken verläuft und im Osten mit der Neuhauser Störung interferiert, bildet die markanteste Struktur im zentralen Teil des Messgebiets. Bei den Störungselementen im Bereich der Wildensbucher Flexur beträgt der maximale vertikale Versatz auf dem Niveau des Opalinustons ca. 17 m.

Im Rahmen der seismostratigraphischen Auswertung wurden unterschiedliche Attribute berechnet, um die lokalen Änderungen des seismischen Charakters in verschiedenen Tiefenintervallen sichtbar zu machen. Anschliessend wurden – gestützt auf die Bohrergebnisse in Benken – die lithostratigraphischen Verhältnisse an vier ausgewählten Punkten im Messgebiet der 3DSeismik von der Oberkante der Effinger Schichten bis zum unteren Gipskeuper modelliert. So konnten qualitative Angaben über seismostratigraphische Änderungen im Bereich des Wirtgesteins und der angrenzenden Rahmengesteine gemacht werden.

Mit Hilfe eines bestehenden, mit den Daten der Sondierbohrung Benken ergänzten, regionalen Modells der seismischen Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten wurden aus den Reflexionszeitwerten der ausgewerteten seismischen Horizonte Tiefen- und Mächtigkeitskarten berechnet. Die Mächtigkeitskarte für das Intervall Opalinuston inkl. Murchisonae-Schichten zeigt eine generelle Schichtmächtigkeit zwischen 105 und 125 m mit einer allmählichen Reduktion gegen Südosten. Darüber hinausgehende, kleinräumige Mächtigkeitsvariationen im Bereich von ca. 90 bis 140 m sind an lokale tektonische Strukturen gebunden.

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