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Technischer Bericht NTB 84-34

Die Kernbohrung Beznau

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Im Winter 1979/80 liessen die Nordostschweizerischen Kraftwerke AG anlässlich einer Über­prüfung der Erdbebensicherheit ihrer auf der Aareinsel Beznau stehenden zwei Kernkraftwerke rund 75 m nordnordöstlich des Reaktorgebäudes II auf Koordinaten 659491/267242 eine vertikale Kernbohrung von 321,8 m Tiefe abteufen.

Da diese Bohrung auch für das Untersuchungsprogramm der Nagra in der Nordschweiz wichtige Ergebnisse versprach, wurde sie sowohl mit sedimentologischen, mineralogischen und geochemischen als auch geophysikalischen, hydrogeologischen, felsmechanischen und isotopenphysikalischen Methoden untersucht. Es ist dies in der Schweiz die erste Tiefbohrung, die in solchem Ausmass wissenschaftlich ausgewertet wurde.

Die lückenlos gekernte Bohrung durchteufte unter 20,3 m mächtigen Niederterrassenschottern über eine Strecke von 301,5 m die nahezu horizontale Schichtreihe des Tafeljura vom mittleren Opalinus-Ton bis in die Oberen Sulfatschichten der «Anhydritgruppe» des mittleren Muschelkalks.

Der unter einer pleistozänen Erosionsfläche einsetzende noch rund 45 m mächtige mittlere und untere Abschnitt des Opalinus-Tons (oberes Toarcien-Aalenien) besteht aus scheinbar monotonen, grauen, feinlaminierten siltigen Tonen und tonigen Siltsteinen mit einem CaCO3-Gehalt von etwa 10%. Mittels lithologischer Kriterien konnte der Abschnitt in 6 Faziestypen gegliedert werden, wobei seine unterste Partie, wegen der in den Bohrkernen gefundenen Ammoniten der Spezies Pleydellia, ins obere Toarcien zu stellen ist. Nach unten wird der Opalinus-Ton toniger, was sich einerseits durch Abnahme von Gesteinsdichte, Quarzgehalt und Mikroporosität, anderseits durch Zunahme der spezifischen Oberfläche und des Al2O3-Gehalts ausdrückt. Auch nimmt der Gehalt an Corg linear mit der Tiefe zu.

Der obere Lias (unterster Opalinus-Ton 12,36 m, Jurensis-Mergel 3,43 m und Posidonienschiefer 5,93 m) ist durch Tone, Kalkmergel und kalkige Tone vertreten, wobei in den Posidonienschiefern stark bituminöse Lagen mit bis zu 9% Corg vorkommen. Der mittlere Lias (2,19 m) besteht aus einer lückenhaften Schichtfolge von glaukonitischen fossilreichen Mikriten. Der untere Lias wird aufgebaut aus 13,66 m tonigen Siltsteinen der Obtusus-Tone, 1,14 m tonigem Biomikrit und Fe-Oolith des Arietenkalks und feingeschichteten Tonen der Angulatenschichten sowie 6,38 m feingeschichteten bituminösen (0,5% Corg) Insektenmergeln.

Die Oberen und Unteren bunten Mergel (12,06 m) des obersten Keuper sind als bröcklige Dolomit-Mergel ausgebildet. Der zwischengelagerte Gansinger-Dolomit (4,16 m) fällt vor allem durch seine Dolomitbreccien und viele Lösungsporen auf.

Die Tonmineral-Vergesellschaftung der Dogger- und Liasschichten bis zu den Oberen bunten Mergeln ist mit Illit, Kaolinit, Chlorit und Wechsellagerung Illit/Montmorillonit sehr einheitlich, mit einem höheren Kaolinit-Anteil in den tonreichen Gesteinen. In den Proben der Oberen bunten Mergel fehlt Kaolinit, und die Gehalte an Illit und Illit/Montmorillonit-Wechsellagerung sind hoch. In den Unteren bunten Mergeln findet man neben Illit nur Chlorit.

Der Schilfsandstein (16,5 m) lässt sich in eine obere kleinzyklische Serie, einen mittleren massiven, porösen Feinsandstein und eine basale tonig-siltige Serie gliedern, wobei der Tonanteil der einzelnen Schichtglieder zwischen 25 und 60% schwankt. Die Tonmineralien-Assoziation setzt sich aus Illit, Kaolinit (beide z. T. authigen in Poren), Chlorit und Illit/Montmorillonit­-Wechsellagerung zusammen.

Der Gipskeuper (85,15 m) besteht neben Tonen und Dolomiten aus Anhydrit in verschiedenen strukturellen Erscheinungsformen. Die sedimentologischen Untersuchungen erlauben, die komplexe Formation in 7 Untereinheiten zu gliedern. Die vorherrschend evaporitische Fazies ist, wie auch im obersten Teil der «Anhydritgruppe», nur in der Kontaktzone zu den liegenden und hangenden porösen, wasserführenden Gesteinen als Gips ausgebildet. Als charakteristisches Tonmineral des Gipskeuper tritt Corrensit auf.

Aufgrund fazieller Überlegungen wird die Lettenkohle (4,0 m) dem oberen Muschelkalk zugeordnet. Sie besteht aus einer Verzahnung von Grenzdolomit und wenig mächtigen Estherienschiefern. In dieser Abfolge ist Kaolinit neben Illit das einzige Tonmineral.

Im Trigonodus-Dolomit (34,5 m) wurde nahe der Obergrenze der im Schweizer Jura weitverbreitete Leithorizont, ein Hornstein führender Dolomit mit begleitendem Oolith, in den Bohrkernen ebenfalls gefunden. Darunter liegen die 9,6 m mächtigen Kaistener Schichten, eine Abfolge poröser Dolomite mit bioklastischen Lagen, die von massigem bis plattigem feinkristallinem Dolomit unterlagert werden. Auffällig ist die hohe Makroporosität des Trigonodus-Dolomits, verursacht durch Drusen, Klüfte und gelöste Fossilschalen. Die Poren sind z. T. mit Calcitkristallen ausgekleidet und öfters mit weissem Kaolinit gefüllt.

Der Plattenkalk (17,35 m) ist eine Wechsellagerung von Dolomit und Mikrit mit 3,45 m mächtigen Lamellibranchier-Crinoiden-Biomikriten an der Basis.

Der Trochitenkalk (19,2 m) zeigt nur in den obersten Metern Trochitenfazies. Vorherrschend sind graue Mikrite mit einer basalen Oolithbank.

Von der «Anhydritgruppe» des mittleren Muschelkalks wurden der Dolomit und bis zum Abschluss der Bohrung ein Teil der Oberen Sulfatschichten durchteuft. Der Dolomit der «Anhydritgruppe» (11,45 m) ist ein beiger, oft stromatolithischer Dolomit mit Rauhwacke- und Breccienlagen und einer sehr hohen sekundären Porosität. Diese ist hauptsächlich auf Lösung von Gips - bzw. Anhydritkristallen und - knöllchen zurückzuführen. Die Oberen Sulfatschichten (18,95 m durchbohrt) bestehen aus dolomitischen und teilweise evaporitischen Mergeln, die von geschichtetem bis massigem Anhydrit unterlagert werden.

Die Gehalte an radioaktiven Elementen sind in den Gesteinen der Bohrung durchweg niedrig. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung der integralen Gamma-Aktivität, unterteilt in K-, U­ und Th-Strahlungsintensität, mit dem Gamma-Log. Die mit der Tiefe kontinuierlich zunehmende Radioaktivität im Opalinus-Ton ist durch die Zunahme aller Radioelemente bedingt. Dabei leistet Uran den kleinsten Beitrag zur Gesamtaktivität.

Die Messungen der Wärmeleitfähigkeit parallel und senkrecht zur Schichtung zeigen Werte (W/m °K); wie sie für die verschiedenen Gesteinsarten als typisch gelten. Die Mittelwerte liegen für K = zwischen 1,14 (Insektenmergel) und 4,07 (Obere Sulfatschichten). Die grossen Schwankungen in gewissen Formationen sind auf deren lithologische Inhomogenität zurückzuführen. Die Wärmeleitfähigkeit tonhaltiger Formationen, insbesondere des Opalinus-Tons, ist deutlich von der Tiefe abhängig.

Die Kationen-Austauschkapazität aller untersuchten Proben variiert von 15 bis 28 mval / 100 g und ist vor allem an Illit und Illit/Montmorillonit-Wechsellagerung und im Gipskeuper auch an Corrensit gebunden. Die Porosität von Tonen und Mergeln beträgt je nach Tongehalt 5-10%, wobei der kommunizierende Porenanteil mit Schwerpunkt bei 70% zwischen 50 und 99% schwankt. Das Häufigkeitsmaximum der Porenradien liegt bei 100 Å. Hohe Makroporositäten wurden im Gansinger-Dolomit und im Dolomit der «Anhydritgruppe» beobachtet. Die Dehnungsmessungen an Opalinus-Tonproben ergaben sowohl parallel wie senkrecht zur Schichtung lineare Ausdehnungskoeffizienten um 10 × 10-6.

An polierten Anschliffen von Konzentraten organischer Partikel aus 15 Kernproben aus Jura und Trias wurde die Art des organischen Materials und, anhand von Vitrinitreflexionsmessungen, sein Reifegrad bestimmt. Die meisten der untersuchten Proben führen ein wasserstoffarmes Kerogen mit einem niedrigen H/C-Verhältnis. Nur die Proben aus dem Posidonienschiefer und dem Dolomit der «Anhydritgruppe» (mm-dünne algenreiche Zwischenlagen) enthalten ein Kerogen mit erhöhten H/C-Werten. Aus der Variation des Mittelwertes aller Vitrinitreflexionsmessungen mit der Tiefe liess sich ein Reifegradient von 0,10% Rm/100 m ermitteln. Die einzige aufgrund ihrer Kerogenqualität als potentielles Erdölmuttergestein in Frage kommende Formation ist der Posidonienschiefer, dessen organisches Material einen Reifegrad erreicht hat, der dem Beginn des Stadiums der Erdölgenese entspricht.

Diese durch die Charakterisierung des organischen Materials erzielten Ergebnisse werden weitgehend bestätigt durch die Messung von Gehalt und Zusammensetzung der leicht- und schwer flüchtigen Kohlenwasserstoffe (C2-C7 bzw. C15+), die aus tonigen Gesteinen des Lias und Dogger extrahiert wurden. Aus der Zusammensetzung der Fraktion der niedrigmolekularen Koh­lenwasserstoffe lässt sich ausserdem eine Verwitterung der obersten 18,16 m des Opalinus-Tons erkennen, die aus der Untersuchung der Minerale dieser Zone allein nicht ersichtlich ist.

Die Bohrung wurde über ihre ganze Länge bohrlochgeophysikalisch untersucht. Dabei kamen neben elektrischen, radiometrischen und akustischen Verfahren auch Sonden zum Messen von Bohrlochtemperatur, Bohrlochgeometrie und Wasserführung zum Einsatz.

Die elektrischen Widerstands-Logs wie auch die radiometrischen Logs bestätigen weitgehend die durch sedimentologische Kernanalysen festgelegten Schichtgrenzen. Das Gamma-Log zeigt relativ hohe Gammastrahlenintensitäten in glaukonithaltigen Schichten des oberen Lias und in Tonen und Tonmergeln des oberen Keuper. Die aus dem Gamma-Gamma-Log interpretierten Dichtewerte für verschiedene Gesteinstypen stimmen im Allgemeinen gut mit den im Labor an Kernproben ermittelten Werten überein. Das Neutron-Gamma-Log zeigt sowohl im unverrohrten als auch im verrohrten Bohrlochabschnitt eine bemerkenswerte Analogie im Kurvenverlauf mit dem elektrischen Widerstands-Log. Aus dem Akustik-Log liessen sich für die verschiedenen im Bohrloch durchteuften Gesteine genaue charakteristische Geschwindigkeitswerte der Longitudinalwellen bestimmen. Im Bereich bis 200 m Tiefe weist einzig der harte Gansinger-Dolomit Werte über 4000 m/s auf. Unterhalb 200 m liegen die Schallgeschwindigkeiten, mit Ausnahme des stark porösen oberen Trigonodus-Dolomits sowie geklüfteter und brecciöser Intervalle in der oberen «Anhydritgruppe», durchwegs über 4000 m/s.

Aus den Temperatur-Logs lässt sich zwischen 30 m und 130 m Tiefe ein langsamer Temperaturanstieg von 0,04°C/m auf 0,07°C/m errechnen. Im wahrscheinlich ungestörten Bohrlochbereich zwischen 314 m und der Endteufe bei 321,8 m beträgt der Temperaturgradient 0,038 °C/m bei einer Maximaltemperatur von 28,16°C.

Die Kombination von Temperatur-, Salinometer-, Kaliber- und Flowmeter-Log erlaubte, die Wasserzutritte im Bohrloch genau zu orten und die einzelnen Fliessmengen zu berechnen. Die auf dem Kaliber-Log angezeigten Bohrlochausweitungen im Muschelkalk bei 230 m und 300 m Tiefe korrelieren mit den in diesen Bereichen festgestellten Wasserzuflüssen aus stark porösen, z. T. brecciösen Dolomitlagen.

Die an Proben aus dem Opalinus-Ton und in situ durchgeführten felsmechanischen Untersu­chungen zeigen, dass der Opalinus-Ton, von seinen mechanischen Eigenschaften her gesehen, als Festgestein bzw. Fels zu bezeichnen ist. Die ermittelten Kennwerte weisen zwar beträchtliche Streuung, aber keine sprunghaften Änderungen auf. Mit zunehmender Tiefe ist die Veränderungstendenz nur geringfügig. Dies bestätigt den relativ homogenen lithologischen und mineralogischen Aufbau der erbohrten 45,4 m dieser Formation. Die mit 9 In-situ-Messungen bestimmten Deformationsmoduli zeigen ab 38 m ziemlich einheitliche Durchschnittswerte. Die beträchtlich niedrigeren Moduli in 26,5 mund 32,5 m Tiefe sind im ersten Fall vermutlich auf Verwitterungserscheinungen, im zweiten Fall auf eine kluftreiche Störzone zurückzuführen.

Charakteristisch für das untersuchte Gestein sind die geringe Druck- und Scherfestigkeit vor allem in Richtung der Schichtflächen und die ausgesprochene Quelltendenz.

Unter dem nutzbaren Grundwasserstrom in den Niederterrassenschottern des Aaretals wurden in der Bohrung nur in der Trias wasserführende Lagen angetroffen. Es sind dies der Gansinger-Dolomit (leicht subartesisch gespannt, 3,0 l/min im Kleinpumpversuch), die oberste Partie des Trigonodus-Dolomits (Ausfluss ca. 16,1 l/min), der Trochitenkalk (Ausfluss ca. 6,8 l/min) und der Dolomit der «Anhydritgruppe» (Ausfluss ca. 10,4 l/min). Sämtliche Muschelkalkwässer sind artesisch gespannt. Der Überdruck reicht in allen wasserführenden Lagen bis ca. 15 m über Terrain. Die aus dem Muschelkalk an der Oberfläche ausfliessende Gesamtmenge betrug etwa 33,3 l/min, bei einer mittleren Mischtemperatur von rund 22 bis 23°C.

Bei einer Gesamtmineralisation von 14683 mg/l ist das Wasser aus dem Gansinger-Dolomit als ein Na-Ca-Mg-SO4-CI-Subthermalwasser mit Li, F, J, Fe und Br chemisch charakterisiert. Die unter sich chemisch sehr ähnlichen Muschelkalkwässer zeigen dagegen eine wesentlich geringere Gesamtmineralisation von 6124 bis 6951 mg/I. Es sind Na-Ca-Mg-SO4-CI-Thermalwässer mit Li, Fe, F und Br und einer Wassertemperatur in den einzelnen Aquiferen von 26°C bis 27,3°C. Chemisch sind sie am ehesten mit den Thermalwässern von Baden zu vergleichen.

Die Analysen der in den Muschelkalkwässern gelösten Gase ergaben einen relativ hohen Prozentanteil von Helium, das vermutlich aus dem Kristallin des Grundgebirges stammen könnte.

Insgesamt wurden an 6 Grundwasserproben aus der Bohrung Isotopenbestimmungen durchgeführt. Diese Isotopenmessungen sollten zu ihrer Deutung in einen grösseren regionalen Rahmen gestellt werden, was erst nach Vorliegen der Ergebnisse der Isotopenbestimmungen an tiefen Grundwässern aus den Sondierbohrungen sowie des regionalen Untersuchungsprogramms der Nagra in der Nordschweiz möglich sein wird. Als vorläufige und noch mit Unsicherheiten behaftete Aussage kann für das Wasser aus dem Gansinger-Dolomit aufgrund der 14C-Bestimmung eine Verweilzeit von mindestens einigen 1000 Jahren vermutet werden. Die Verweilzeit der Muschelkalkwässer ist nach dem 39Ar-Resultat sicher grösser als 1000 Jahre und nach den 14C-Messungen gemäss den heute verwendeten Modellen grösser als 20'000 Jahre. Eine wesentliche Frischwasserbeimischung kann für die Muschelkalkwässer aufgrund der 3H-, 85Kr-Resultate nicht nachgewiesen werden.

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