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Technischer Bericht NTB 94-01

Geothermiebohrung Bassersdorf Charakterisierung der Oberen Meeresmolasse und Unteren Süsswassermolasse

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Im Zusammenhang mit der Geothermiebohrung Bassersdorf, die zur Gewinnung von Wärme aus dem Tiefengrundwasser der OMM für die Beheizung des Neubaus eines Pflegeheims abgeteuft wurde, konnten umfangreiche erdwissenschaftliche Untersuchungen in der OMM und – im vertieften Bohrloch – zusätzlich in der USM durchgeführt werden.

Das Hauptziel dieser Geothermiebohrung – die wirtschaftliche Nutzung geothermischer Energie – konnte erreicht werden. Um die für die Beheizung des Pflegeheims geplante Entnahmeleistung von ca. 0.2 MW zu erzielen, muss mit ca. 3 I/s gepumpt werden. Die theoretisch mögliche maximale Förderrate liegt bei ca. 7 I/s. Dabei ist eine Abkühlung des geförderten Tiefengrundwassers von ca. 23° C auf 8° C vorgesehen. Das geförderte Tiefengrundwasser kann aufgrund seiner hydrochemischen Beschaffenheit problemlos versickert resp. in die Vorflut eingeleitet werden. Die Auswertung der hydraulischen Tests hat ergeben, dass eine gegenseitige Beeinflussung oder Beeinträchtigung während des Betriebs der beiden Geothermiebrunnen Bassersdorf und Kloten-1 ausgeschlossen ist.

Der vorliegende Bericht dokumentiert die innerhalb der Geothermiebohrung Bassersdorf durchgeführten operationellen Arbeiten und Untersuchungen. Ausserdem werden alle Untersuchungsergebnisse dargestellt und interpretiert.

Die Bohrstrecke bis zum Liegenden der OMM wurde als Spülbohrung durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten eine Beschreibung der Cuttings und eine Analyse der Schwerminerale in der OSM und OMM, ein geophysikalisches Bohrloch-Logging in der OMM, Pumpversuche und Fluid Logging in der OMM sowie hydrochemische Untersuchungen der OMM-Wässer. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die gesamte OMM geologisch, hydrogeologisch, petrophysikalisch und hydrochemisch zu charakterisieren, insbesondere im Hinblick auf die Nutzung geothermischer Energie aus dieser Formation.

Die Zusatzuntersuchungen in der USM umfassten die Vertiefung der Bohrung als Kernbohrung um knapp 250 m, eine detaillierte Aufnahme der Kernstrecke mit Beschreibung der Lithofazies und Einteilung in fazielle Architektur-Elemente, eine schwermineralogische Gliederung, mineralogisch-petrographische und petrophysikalische Laboruntersuchungen, geophysikalisches Bohrloch-Logging und Interpretation der Daten mit Ausscheidung der faziellen Architektur-Elemente, Fluid Logging und Packertests. Das Ziel dieser Zusatzuntersuchungen war eine geologische, petrophysikalische und hydrogeologische Charakterisierung der durchteuften Abschnitte der USM, insbesondere der «Oberaquitanen Mergelzone» («OAMZ»).

Am Aufbau der OSM sind v. a. Siltsteine mit unterschiedlichem Ton-, Sand- und Karbonatgehalt beteiligt, die auf einer Überschwemmungsebene mit Sümpfen und flachen Seen im beckenaxialen Bereich des Vorlandbeckens abgelagert wurden. Ausserdem treten Feinsandsteine mit variablem Silt- und Tongehalt auf, die in Durchbruchsrinnen, Durchbruchsfächern oder als Flussrinnensande sedimentiert wurden. Diese Sedimente sind der alpinen Hörnli-Schüttung zuzuordnen; ausserdem konnten drei Interferenzen der E-W-Glimmersand-Schüttung ausgeschieden werden.

Generell lässt sich die OMM in der Bohrung Bassersdorf in einen geringmächtigen oberen Teil, der unter eher küstennahen Bedingungen abgelagert wurde, und einen mächtigeren unteren Teil mit vorherrschend marinen Ablagerungsbedingungen unterteilen.

Petrophysikalisch wird die OMM durch 6 Lithofaziestypen beschrieben, welche als karbonathaltige Sedimente, Konglomerate, grobe Mittelsandsteine, Fein- bis MitteIsandsteine, Siltsteine sowie Tonsteine interpretiert werden. Neben den überwiegend feinsandigen Sedimenten kommen v. a. im unteren Teil «Muschelsandsteine», d. h. karbonathaltige Lagen mit Echinodermenbruchstücken vor, während vorwiegend im oberen Teil Konglomeratlagen auftreten. In der Logfazies herrschen im unteren Teil der OMM invers gradierte «coarsening upward» Sequenzen vor, die nach oben bis zur Basis des oberen Teils in normal gradierte «fining upward» Sequenzen überleiten. Darüber setzen die Konglomeratablagerungen relativ rasch ein. Dies weist auf einen Wechsel der grossräumigen Ablagerungsbedingungen – vermutlich verursacht durch eine Absenkung des Meeresspiegels – hin, der verbunden ist mit dem Vorrücken deltaischer Ablagerungssysteme aus den Gebieten der grossen Schuttfächer im Süden. Aufgrund der schwermineralogischen Untersuchungen wird für den oberen Teil eine Sedimentzufuhr vom Hörnli- und z. T. vom Bodensee-Schuttfächer angenommen, während der untere Teil überwiegend der Bodensee-Schüttung zugeordnet wird. Diese Grenze kann auf der Logfaziesinterpretation mit dem Wechsel von «fining upward» zu «coarsening upward» Zyklen parallelisiert werden. Ein Vergleich der Ergebnisse der geologischen mit den geophysikalischen Untersuchungen zeigt, dass sich markante Logfaziestypen anhand der Cutting-Beschreibung kalibrieren und charakterisieren lassen.

Aufgrund der hydraulischen Versuche wurde eine Gesamt-Transmissivität von T = 5.1 x 10-5 m2/s ermittelt. Die Ergebnisse des Fluid Loggings zeigen, dass ca. 90 % dieser Transmissivität der durchlässigen, konglomeratisch ausgebildeten Zone in 315 – 340 m Teufe zuzurechnen sind. Umgerechnet auf diese 25 m mächtige Zone ergibt sich eine Transmissivität von T = ca. 4.6 x 10-5 m2/s. Daraus lässt sich eine hydraulische Durchlässigkeit von K = 1.8 x 10-6 m/s (poröses Medium mit unbeschränkter lateraler Ausdehnung) berechnen. Für den Restanteil Transmissivität von T = ca. 0.5 x 10-5 m2/s in der verbleibenden OMM-Strecke kann eine Durchlässigkeit von K = 1.9 x 10-8 m/s abgeleitet werden, also zwei Grössenordnungen weniger als in der Konglomeratzone.

Aufgrund der Ergebnisse der hydrochemischen und isotopenhydrologischen Untersuchungen handelt es sich bei dem in der OMM angetroffenen Tiefengrundwasser um ein Na-CI-SO4-HCO3-Wasser, d. h. ein Mischwasser des Na-Cl-Typs mit gewissem Anteil an eiszeitlich infiltriertem Na-HCO3-Wasser.

Die USM lässt sich aufgrund der geologischen und petrophysikalischen Untersuchungen zweiteilen in einen oberen, silt-/tonreicheren, der als sog. «Oberaquitane Mergelzone» («OAMZ») bezeichnet wird, und einen unteren, sandreicheren Abschnitt.

Das Profil zeigt einen Wechsel der Lithologien auf kurzer vertikaler Distanz. Die meist 2 – 3 m mächtigen Sedimentationszyklen weisen eine Zunahme der Korngrösse von unten nach oben («coarsening upward») auf und sind durch Bodenbildungsphasen gegeneinander abgegrenzt. Sie werden als in Seen progradierende Deltas resp. Durchbruchsfächer interpretiert. Die USM zeichnet sich in der Bohrung Bassersdorf durch einen Mangel an Sandsteinabfolgen der Rinnengürtel aus.

Die «OAMZ» wird aufgrund des Kernbefunds nach unten durch einen mächtigen Paläoboden begrenzt. Auf den geophysikalischen Logs und im Schwermineralprofil zeichnet sich die «OAMZ» durch einen insgesamt höheren Karbonatgehalt aus. In dieser Ablagerungssequenz dominiert die Zufuhr aus dem Hörnli-Schuttfächer, während der untere Teil der USM einschliesslich des Paläobodens aufgrund der schwermineralogischen Untersuchungen der Napf-Schüttung zugeordnet wird.

Die hydrogeologische Charakterisierung der durchteuften USM bleibt mangels belastbarer in situ-Testergebnisse auf qualitative bzw. semi-quantitative Aussagen beschränkt. Die Laborwerte für die absolute Porosität, die insbesondere an Sandsteinproben der Architektur-Elemente DR (Durchbruchsrinne), DF (Durchbruchsfächer) und RG (Rinnengürtel) bestimmt wurden, variieren zwischen 3 und 23 %. Die im Labor an entsprechenden Proben gemessene Permeabilität umfasst einen grossen Wertebereich von < 0.01 - 500' Millidarcy (md).

Aufgrund fehlender Grundwasserproben sind keine Angaben zur Hydrochemie des USM-Tiefengrundwassers möglich.

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