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Technischer Bericht NTB 85-09

Sondierbohrung Böttstein Hydrogeologic Testing of Crystalline Rocks

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Ergänzend zu den geologischen, geophysikalischen, hydrochemischen und felsmechanischen Untersuchungen war ein dreiteiliges Programm für die ursprünglich vorgesehenen Bohrungen vorgeschlagen worden. Es besteht aus Bohren, Testen und Grundwasserbeobachtung.

Die Bohrung Böttstein liegt im Zentrum des Untersuchungsgebietes und wurde als erste abgeteuft. Das kristalline Grundgebirge wurde bei 315 m Tiefe im November 1982 angefahren. Im Juni 1983 erreichte die Bohrung bei 1501 m ihre Endteufe. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die langfristige Beobachtung der Tiefengrundwässer im Gange.

Der vorliegende Bericht beschreibt das Testen des Kristallins und die Resultate, welche die Firma Gartner Lee AG (GLAG) an der Bohrung Böttstein für die Nagra erarbeitete. Neben der Beschreibung der Testgeräte und deren Arbeitsweise werden auch die Auswertemethoden diskutiert.

Die hydraulichen Tests erfolgten mittels Einfach- und Doppelpackergarnituren, ausgerüstet mit elektrischen Sonden zur Datenerfassung. Von dort werden codierte Messwerte über Kabel an die Oberfläche geleitet, wo eine erste numerische Verarbeitung nebst Registrierung auf Papier und Magnetband stattfindet. Diese technische Ausrüstung arbeitete einwandfrei.

Das hydrogeologische Testprogramm bestand aus:

Einfachpackertests während der Bohrphase,

  1. hydraulischem Reconnaissance-Log zur Bestimmung der Durchlässigkeit (sog. H-Log), durchgeführt sowohl während der Bohr- als auch in der anschliessenden Testphase,
  2. Doppelpackertest während der Testphase.

Zur Ermittlung des hydraulischen Potentials wurden insgesamt 18 Einfachpackertests ausgeführt. Das Durchlässigkeitslog umfasst Messungen an total 76 Intervallen, einschliesslich der Wiederholungen an Stellen mit abnormalem Testverhalten, wobei Doppelpacker in Abständen von 12.5 und 25 m zur Anwendung kamen. Ziel dieses Testverfahrens war es, möglichst quantitative Daten zu erarbeiten über die hydraulischen Eigenschaften von Spaltenzonen sowie die Durchlässigkeit in einem kontinuierlichen Profil darzustellen.

Nach Einstellung der Bohrarbeiten bei 1501 m Tiefe übernahm eine Work-over Anlage das Ein- und Ausfahren der Testgarnituren, mit denen die Arbeiten zum Beproben der Formationswässer erfolgten. Dabei wurden einzelne Klüfte isoliert, damit Grundwasserproben zur chemischen Analyse gewonnen werden konnten. Ebenso wurden 17 ausgewählte Zonen nochmals hydraulisch genauer überprüft.

Das hydraulische Potential ist die treibende Kraft der Grundwasserbewegung. Der ausschlaggebende Faktor bei einer Messung im Bohrloch ist die Zeit, welche das gestörte System braucht, um wieder ins Gleichgewicht zu kommen. Folglich benötigen wenig durchlässige Zonen mehr Testzeit als die besser durchlässigen. Hinzu kommt, dass die Formationstemperatur und die Bohrlochgeschichte die Messung des Wasserdruckes im Gebirge beeinflussen. In sieben Fällen wurden zuverlässige Messungen dieser Art in Böttstein erzielt. Dabei deuten die erhaltenen Daten darauf hin, dass der Zustand des Wassers in den Klüften und Spalten durch den Bohrvorgang hydraulisch merkliche Störungen erfahren hatte. Aus diesem Grund erhält man zuverlässige Messwerte des Wasserdruckes in der Formation entweder nur unmittelbar nach Durchbohren der Strecke, oder erst im Verlauf einer längeren, mehrmals zehn Tage andauernden Testzeit.

Die Verteilung des Druckes im Bohrloch Böttstein zeigt unterschiedliche Druckgradienten zwischen den Stellen, an denen der Gebirgswasserdruck bekannt ist. Derzeit werden daraus noch keine weiteren Schlüsse gezogen, doch sollte der Sachverhalt in der Beurteilung der Ergebnisse aus dem Langzeitbeobachtungssystem mitberücksichtigt werden.

In diesem Sinne unterbleiben vorerst auch Folgerungen aus den berechneten piezometrischen Potentialen. Sie werden zu dem Zeitpunkt fällig, da geochemische Daten und Langzeitgrundwasserbeobachtungen zur Mitverarbeitung verfügbar sind.

Ermittelte Durchlässigkeitsbeiwerte des Gesteins stammen aus 3 Quellen, nämlich; Einfachpackertests, hydrogeologisches Reconnaissance-Logging und aus den Doppelpackertests, einschliesslich der damit verbundenen Wasserprobenentnahmen während der Testphase. Hydraulische Durchlässigkeiten können in zuverlässiger Weise geschätzt oder interpoliert werden, auch wenn weniger als 100 % Wiederanstieg zu den Gleichgewichtsdrücken in der Formation stattgefunden hat. Ferner stellt sich heraus, dass Änderungen der Temperatur in der Testzone das Ergebnis der Durchlässigkeit nachhaltig beeinflussen können, wenn es mit Typ-Kurvenvergleich erarbeitet wird. Dieser Temperatureffekt verläuft proportional zur zeitlichen Änderung des Wärmezustandes im Testabschnitt. Zudem fallen die Auswirkungen mehr ins Gewicht in den schlecht durchlässigen Zonen, als in den mehr permeablen Gebieten. Im Bohrloch Böttstein wurden die Gesteinsdurchlässigkeiten mit der Bezeichnung Kpm als equivalente Porositätswerte angegeben. Die hydraulischen Permeabilitäten im Kristallin reichen von 10-13 bis 10-5 m/s, wobei die einzelnen Zonen erhöhter Durchlässigkeit mit fortschreitender Tiefe an der Zahl abnehmen.

Dort wo sich Messungen aus verschiedenen Testverfahren wie Reconnaissance-Log, Einfach-und Doppelpackertests überlappen, herrscht gute Übereinstimmung der Resultate. Demzufolge darf die Reproduzierbarkeit unter den einzelnen Methoden als gut angesprochen werden. Betrachtungen zur Fehlerschranke der Durchlässigkeiten (K) führen zu folgender Aussage:

  • für K grösser als 10-11 m/s: + eine halbe Grössenordnung
  • für K kleiner als 10-11 m/m: + weniger als bzw. maximal eine Grössenordnung.

Eine Beurteilung der nicht stationären hydraulischen Messdaten spricht dafür, dass die Testvorgänge auf klüftigem Gestein nach den Verfahren des Typ-Kurvenvergleiches ausgewertet werden dürfen, welche aber ursprünglich für poröse Aquifere entwickelt worden waren. In gewissen Fällen allerdings entspricht das Verhalten der Messungen deutlich jenem eines klüftigen Gesteinskörpers. Im Grossen und Ganzen aber sind die Testdaten in Böttstein der Behandlung nach der Methodik des porösen Mediums zugänglich. Daraus wird gefolgert, dass die Tests einen grösseren Raum erfassen, als nur den Fliessweg einzelner Klüfte.

In einzelnen Tests ist ein nicht stationäres Druckverhalten zu verzeichnen, das einerseits auf Temperaturänderungen zurückzuführen ist, andererseits auf die Druckgeschichte des Bohrloches, wenn es vorher dem hydrostatischen Wasserdruck im Ringraum ausgesetzt war. In solchen Fällen dürften die Typ-Kurven-Auswertungen kaum ausreichend genaue Resultate zu liefern im Stande sein. Unter solchen Voraussetzungen kamen dann solche analytische und computergestützte Modellrechnungen ins Spiel, die es erlauben, die Bohrlochgeschichte mit zu berücksichtigen.

Zur Berechnung der geothermischen Gradienten im Granit von Böttstein dienten die Grundwassertemperaturen gemessen in den Tests. Die Daten sprechen für einen Anstieg des Gradienten mit zunehmender Tiefe. Von 350 bis 1000 m beträgt er ca. 2.7°C/100 m und von 1000 bis 1500 m ca. 3.5°C/100 m. Eine Bestätigung dafür liefert das geophysikalische Temperatur-Log.

Zusammenfassend kann man aussagen, dass das hydrogeologische Testprogramm die Ziele erreichte, welche für die Untersuchungen der Nagra im kristallinen Grundgebirge gesteckt worden waren. Auch konnten Proben des Tiefengrundwassers zu seiner Charakterisierung an ausgewählten Stellen entnommen werden.

Über längere Zeit andauernde Beobachtung des Grundwassers wird zusätzliches Material zu den Daten beitragen, die im vorliegenden Bericht dargestellt sind.

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