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Technischer Bericht NTB 86-05

Sondierbohrung Leuggern: Geologie

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Die Sondierbohrung Leuggern wurde im aargauischen Tafeljura auf dem Gebiet der Gemeinde Leuggern ca. 13 km nördlich von Brugg abgeteuft (Koord. 657.664/ 271.208, 358.8 m ü.M.). Die Bohrarbeiten dauerten vom 9. Juli 1984 bis zum 10. Februar 1985. Mit Ausnahme vereinzelter kurzer Zentrierbohrungen mittels Rollenmeisseln wurden die Sedimente und das Kristallin bis zur Endteufe von 1688.90 m vollständig gekernt.

Die 222.26 m mächtige Sedimentstrecke gliedert sich in ein 48.50 m mächtiges Quartär, Oberen Muschelkalk (39.37 m), Mittleren Muschelkalk (71.21 m), Unteren Muschelkalk (48.10 m) und Buntsandstein (15.58 m).

Der Obere Muschelkalk weist einen rund 10 m mächtigen Trigonodus-Dolomit in vollständig dolomitisierter Plattenkalk-Fazies auf, mit honiggelben Calcitdrusen sowie Calcit und Gips in Lösungsporen. Im Hauptmuschelkalk (29.65 m) zeigen sich poröse Trochitenbänke, bei denen viele der Muschellösungsporen mit cm-grossen zonierten Calcit- oder auch Dolomitkristallen besetzt sind. Der Mittlere Muschelkalk besteht aus dem Dolomit der Anhydritgruppe (12.52 m), der viele Lösungsphasen und Mineralneubildungen (Quarz, Talk, Gips, Calcit, Fluorit und Pyrit) aufweist sowie den Oberen Sulfatschichten (46.44 m), dem Salzlager (7.88 ) und den Unteren Sulfatschichten (4.37 m). Die Oberen Sulfatschichten können in gleicher Fazies und Gliederung mit denen der anderen Bohrungen parallelisiert werden, ihr oberster Teil ist wie in Böttstein vergipst.

Der Untere Muschelkalk ist in seiner bekannten uniformen Ton-Mergel-Fazies ausgebildet. Der Buntsandstein besteht aus sandigen, dolomitischen Tonmergeln (Röt); tonigen, hellgrünen, weissen kleinzyklischen Fein- bis Grobsandsteinen sowie bunten tonigen Sandsteinen (Oberer Buntsandstein p.p.); knolligen violetten Sandsteinen und Tonen mit Karneol und sandigen Calicheknollen (Karneolhorizont) sowie zuunterst schräggeschichteten weissen Grobsandsteinen (Diagonalschichtiger Sandstein). Der Buntsandstein wird durch eine komplexe Diagenese geprägt, wo vor allem Bodenbildungsprozesse mit kieseligen und kalkigen Ausscheidungen die primären Sandablagerungen neugestaltet haben.

Unter dem Buntsandstein folgt das Grundgebirge an einem abrupten, diskordanten Kontakt (222.76 m). Eine geringe Paläo-Oberflächenverwitterung ist nur in den obersten 5 m feststellbar. Bis 1387.3 m wurde eine heterogene metasedimentäre Gneisserie mit einer Dominanz von Metapeliten und Metagrauwacken erbohrt. Sie wird durch kalksilikatische Lagen und gebänderte Serien mit Amphiboliten und aplitischen Gneisen unterbrochen, die vulkanosedimentären Ursprungs sind. Die Gneise sind hochmetamorph und zeigen beginnende Migmatisierung. Es handelt sich wahrscheinlich um präkambrische Ablagerungen. Die Serie lässt sich mit den Gneisen der Bohrung Kaisten und weitgehend mit den Gneisserien der Vorwaldscholle im südlichsten Schwarzwald vergleichen. Ab 1387.3 m bis zur Endteufe (1688.90 m) folgt ein Granit. Sein Kontakt zur Gneisserie ist scharf, und es fehlen Anzeichen einer Kontaktmetamorphose. Der Granit tritt in einer porphyrischen, biotitgranitischen Hauptvarietät und einer zweiglimmergranitischen Einschaltung im unteren Teil auf. Er gehört zum gleichen Pluton wie der Böttstein-Granit. Ganggesteine treten vor allem in der Gneisserie auf: Aplite, Pegmatite, Lamprophyre, Quarz- und Turmalin-Quarz-Adern. Die schwarmweise auftretenden Lamprophyre scheinen prägranitisch zu sein.

Das Leuggern-Kristallin wurde postmetamorph bzw. postgranitisch von mehreren tektonohydrothermalen Ereignissen überprägt: In der Gneisserie ist eine postmetamorphe, duktile Deformation an Scherzonen festzustellen, die im Granit fehlt und deshalb älter ist als dieser. Im Zusammenhang mit der Granitintrusion im Karbon wurden die Gneise dann stark kataklastisch deformiert und heisshydrothermal umgewandelt. Untersuchungen von Flüssigkeitseinschlüssen zeigen, dass dabei infolge des hohen geothermischen Gradienten über dem noch heissen Granit konvektive Zirkulationen eines relativ salzarmen, NaCI-haltigen, wässerigen Fluids abliefen. Es kam zu Rissbildungen infolge von Fluid-­Überdrucken und zu lokalen Siedevorgängen, die ebenfalls in den Flüssigkeitseinschlüssen dokumentiert sind. Im Granit ist diese Umwandlung eher von autohydrothermalem Charakter und weniger an Störungszonen gebunden. Im frühen Perm erfolgte bei tieferen Temperaturen ein erneutes, sehr intensives Zerbrechen des Kristallins und ein Eindringen salzreicher, CaCI2-betonter, oxidierender, wässeriger Fluids von der Paläooberfläche her. Diese Fluids bewirkten eine Vertonung der Gesteine, die in den Gneisen lokal an Störungszonen gebunden, im Granit hingegen fast penetrativ ist. Zudem wurde dabei das Rb/Sr-Isotopensystem des gesamten Granites reequilibriert: neugebildete lllite lieferten gleiche K/Ar-Alter wie die Rb/Sr-Gesamtgesteins-Isochronen (4 Proben) von 279 ± 5 Ma. Die Vertonung bewirkte zudem markante physikalisch-chemische Gesteinsveränderungen. Noch jüngere Beeinflussungen sind durch Lösungslöcher und frei gewachsene Kluftmineralien in offenen Klüften dokumentiert. Der grösste Teil der Kluftmineralien steht aber mit den heutigen Formationswässern nicht im geochemischen Gleichgewicht. Seit ca 1.5 Ma scheint gemäss den U- und Th­Zerfallsreihen kein geochemischer Austausch Wasser – Gestein mehr stattgefunden zu haben. Auch die austauschbaren Kationen in den Zwischenschichten der Tonmineralien zeigen keinen Zusammenhang mit der Chemie der heutigen Formationswässer. Eine tonmineralogische oder geochemische Tiefenzonierung in Bezug auf die hydrothermalen Umwandlungen wie in Böttstein wurde nicht festgestellt. Es zeichnet sich eher das Bild von mehr oder weniger diskreten, bis 1500 m tief ins kristalline Grundgebirge reichenden Umwandlungszonen entlang von Störungen, Gängen und evt. Kluftsystemen ab.

Die strukturellen Auswertungen ergaben trotz Schwierigkeiten bei der Orientierung der Kernabwicklungen interessante Resultate: Das Gneisplanar fällt ziemlich konstant mit 20 – 45° gegen SW bis NW ein. Die Aplitgänge fallen über das ganze Kristallin zur Hauptsache mit 50 bis 55° nach E bis ENE ein und liegen damit etwa senkrecht zum Gneisplanar. Die Quarz- und Quarz-Turmalin-Adern im Granit bilden sehr steile bis subvertikale NW-SE bis WNW-ESE streichende Strukturen. Störungszonen scheinen im Gneis mehrheitlich senkrecht zum Gneisplanar und damit subparallel zu den Apliten zu verlaufen, während sie im Granit eine auffallende Parallelität zu den Quarz- und Quarz-Turmalin-Adern zeigen. 97.5 % der 18'165 erfassten Klüfte sind geschlossen, 2.5 % sind offen. Die mittlere Kluftdichte beträgt in der Gneisserie 13, im Granit 9 Klüfte pro m. Der grösste Teil der Klüftung entstand bei der permischen tektono-hydrothermalen Überprägung. Es lassen sich bezüglich der Kluftfüllungen verschiedene Kluftgenerationen ermitteln. Zwischen Kluftfüllungen in der Gneisserie und im Granit bestehen signifikante Unterschiede, wobei aber in beiden Tonmineral- und Calcit-haltige Klüfte weitaus am häufigsten sind. Eine Tiefenabhängigkeit von Kluftmineral-Assoziationen ist nicht feststellbar. Die räumliche Lage der Klüfte ist in der Gneisserie und im Granit verschieden: während sie in ersterer vorwiegend subparallel zum Gneisplanar und in zweiter Priorität subparallel zu den Aplitgängen verlaufen, orientieren sie sich im Granit vorwiegend an den älteren Quarz- und Quarz-Turmalin-Adern. Es ist also ein stark prägender Einfluss von präexistierenden Strukturen auf die Kluftentwicklung festzustellen.

An den verschiedenen Kristallingesteinen wurden die folgenden petrophysikalischen Parameter bestimmt: Gesteins- und Korndichte, totale und effektive Porosität, innere und äussere spezifische Oberfläche und Wärmeleitfähigkeit. Die Auswirkungen der hydrothermalen Umwandlungen auf diese Parameter sind in der Regel beträchtlich.

Die Lokalisation von Wasserzutrittstellen erfolgte mittels Fluid-Logging und Kernbefund. Es wurden insgesamt 35 Zuflussstellen registriert, von denen 19 am Bohrkern sicher identifiziert werden konnten, darunter alle Hauptzuflussstellen. Es konnten vier verschiedene Typen von Fliessystemen charakterisiert werden:

  1. Offene Drusen, Kanäle und Klüfte in oder in unmittelbarer Umgebung kataklastischer Störungszonen (Anteil 35 – 40 %). Im Granit ist dieser Typ untergeordnet.
  2. Offene Klüfte in den Gneisen ohne direkten Zusammenhang mit kataklastischen Störungszonen (40 – 45 %).
  3. Offene Klüfte in sauren Ganggesteinen (5 – 15 %). Dieses System wurde nur in der Gneisserie beobachtet.
  4. Subvertikale Quarz/Baryt-Adern- und Gänge mit offenen Klüften und Drusen im Granit, ohne begleitende kataklastische Zone (ca. 5 %). Dieses System war bis anhin nicht bekannt. Im Bereich 1648 – 1689 m war es für bedeutende Wasserzuflüsse verantwortlich.

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