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Technischer Bericht NTB 92-03

Untere Süsswassermolasse im Erdsondenfeld Burgdorf Charakterisierung mittels Geologie, Petrophysik und Fluid Logging

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Im Erdsondenfeld Burgdorf sind auf einer Fläche von 14 m auf 14 m 13 Bohrungen in die Untere Süsswassermolasse (USM) abgeteuft worden. Die USM besteht hier aus Sandsteinkörpern von 1 m bis gegen 20 m Mächtigkeit, die aus den faziellen Architektur-Elementen Rinnengürtel, Durchbruchsrinnen und Durchbruchsfächer zusammengesetzt sind und aus zwischengelagerten bis 15 m mächtigen geringdurchlässigen Einheiten aus Uferwall- und Schwemmebenen-Sedimenten.

An 5 Bohrungen wurden Zusatzuntersuchungen durchgeführt, über die in diesem NTB berichtet wird. Diese umfassten die Vertiefung der Bohrung M 1400 von 100 auf 250 m, die detaillierte Aufnahme der zwei Kernbohrungen M 1400 und M 2100 (Beschreibung der Lithofazies und Ausscheidung der faziellen Architektur-Elemente), eine Fluid-Logging-Kampagne in der Bohrung M 1400, petrophysikalische Messungen in den Bohrungen M 1400, M 2100, E 2100 und E 2200 und Labor-Untersuchungen an Proben der Kernbohrung M 1400. Das Ziel dieser Zusatzuntersuchungen war eine bessere geologische, petrophysikalische und hydrogeologische Charakterisierung der fünf angetroffenen faziellen Architektur-Elemente, sowie deren Erkennung aufgrund der petrophysikalischen Logs, wobei den Architektur-Elementen mit durchlässigen Sandsteinen besondere Bedeutung zukam.

Die geologischen Zusatzuntersuchungen umfassten einerseits die Bestimmung der Lithofazien und faziellen Architektur-Elemente an 2 Kernbohrungen. Andererseits wurden anhand zahlreicher Laborproben aus der Kernbohrung M 1400 (insbesondere Sandsteinproben aus Rinnengürteln, Durchbruchsrinnen und Durchbruchsfächern) mineralischer Aufbau und Kennwerte wie Gesteinsdichte, Korndichte, offene Porosität, Gesamtporosität und Permeabilität bestimmt. Die lithologisch untersuchten Fein- und Mittelsandsteine müssen gemäss dem Dreiecksdiagramm «Quarz-Feldspäte-Gesteinsbruchstücke» nach FOLK (1974) als Litharenite und feldspatreiche Litharenite bezeichnet werden. Die Sandsteine haben eine einfache Diagenesegeschichte mit Kompaktion und nachfolgender calcitischer Zementation sowie z. T. Lösung von Feldspäten und Gesteinsbruchstücken. Die Gesamtporositäten der Proben aus Architektur-Elementen, die vorwiegend aus Sandsteinen aufgebaut sind, zeigen Werte von 10 – 25 %, die offenen Porositäten von 4 – 21 % und die Permeabilitäten von 3 – 5660 md. Rinnengürtel- und Durchbruchsrinnen-Sandsteinkörper weisen eine Permeabilitäts-Verteilung mit Höchstwerten im Zentrum und Tiefstwerten oben und unten auf. Die durchlässigen Sandsteinabschnitte werden stets von mergeligen Schichten begrenzt, die nur geringe Porosität und keine messbare Permeabilität aufweisen.

Für die hydrogeologische Charakterisierung der durchlässigen Bereiche der USM wurden in der Bohrung M 1400 Fluid-Logging-Methoden (Leitfähigkeits-Logging und Packer-Flowmeter-Logging) eingesetzt. Beide eignen sich gut für die Untersuchung der durchlässigen Bereiche der USM. Bei der Methodenauswahl kann man als Grundregel folgende Entscheidungshilfe beiziehen:

  • Falls aus dem zu testenden Bohrlochintervall mit machbaren Pump- und Absenkraten (respektive Injektion) mehr als ca. 5 I/min gefördert (resp. injiziert) werden können (5 E-3 m2/s > Ttot > 1 E-7 m2/s), ist die Packer-Flowmeter-Methode zu empfehlen.
  • Falls geringer durchlässige Teststrecken (5 E-4 m2/s > Ttot > 1 E-10 m2/s) mit Pumpraten im Bereich von bis zu ca. 5 I/min getestet und die einzelnen Fliesswege lokalisiert und charakterisiert werden sollen, ist die etwas aufwendigere Leitfähigkeits-Methode zu empfehlen.

In der Bohrung M 1400 wurden Transmissivitäten von 2 E-5 bis 2 E-7 m2/s gemessen, was bezogen auf die Mächtigkeit der Sandstein-Architektur-Elemente K-Werte von 4 E-6 bis 4 E-8 m/s ergibt. 7 der 9 eruierten Zuflüsse lagen in Rinnengürteln, 2 weitere in Durchbruchsrinnen/Durchbruchsfächern. Zwei Rinnengürtel zeigten keine erkennbaren Zuflussstellen. Die zwischen den Zuflussstellen liegenden Architektur-Elemente (ton­ und siltreiche Überflutungssedimente) wirken als effektive hydraulische Barrieren, die keinen Ausgleich erlauben zwischen den in der Bohrung M 1400 über kurze vertikale Distanz beobachteten relativ grossen Potentialunterschieden.

Die petrophysikalische Messkampagne umfasste die Vermessung von 4 Bohrlöchern (Kaliber, natürliche Gamma-Strahlung, Gamma-Gamma-Dichte und Neutron­Porosität). In 2 Bohrlöchern, die bereits verrohrt und mit Kies hinterfüllt waren, waren keine quantitativ auswertbaren Messungen möglich, die Logs «natürliche Gamma­Strahlung» konnten aber trotzdem für «Schichtkorrelationen» zu den anderen Bohrungen verwendet werden. In den zwei unverrohrten Bohrlöchern waren die Messbedingungen gut. Insbesondere in der «natürlichen Gamma-Strahlung» und in der «Gamma-Gamma-Dichte» sind die Sandstein-Einheiten abgrenzbar. Im Bereich von starken Bohrloch-Ausweitungen sind die Kaliberkorrekturen zur Berechnung der Dichte- und Porositätswerte allerdings unbefriedigend. Sandige Einheiten sind anhand der petrophysikalischen Messungen auch ohne geologische Aufnahme erkennbar. Die Rinnensandsteine zeichnen sich dank dem geringen Tongehalt durch tiefste Strahlungsintensitäten ab. Eine Spezialstudie anhand der petrophysikalischen Logs der Kernbohrung M 1400 zeigte, dass auch ohne Kenntnis der geologischen Kernauswertung schon mit dem vorhandenen minimalen petrophysikalischen Datensatz die USM detailliert charakterisiert, d. h. in Architektur-Elemente gegliedert werden kann.

Über die Schichtgeometrie im Untergrund des Erdsondenfeldes Burgdorf lassen sich die folgenden Aussagen machen. Aufgrund aller Daten aus insgesamt 5 Bohrungen kann abgeleitet werden, dass das Schichteinfallen vermutlich gegen ESE gerichtet ist, mit einem Fallwinkel von ca. 10°. Da die Logs «natürliche Gamma-Strahlung» der 4 vermessenen Bohrungen über grosse Tiefenbereiche fast deckungsgleich sind, scheint der geometrische Aufbau des Untergrundes recht einfach zu sein. Grössere Störungen lassen sich ausschliessen. Sowohl aufgrund der Bohrkernfotos, wo mit 60° einfallende Störungen (vermutlich Abschiebungen, Fallazimut unbekannt) festgestellt wurden, als auch aufgrund der Auswertung der Logs «natürliche Gamma-Strahlung» können aber einige Kleinstörungen nachgewiesen werden. Diese sind räumlich nicht orientierbar, weshalb auch eine genaue Aufschlüsselung des dreidimensionalen Aufbaus des Untergrundes des Erdsondenfeldes Burgdorf nicht möglich ist.

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