Technischer Bericht NTB 00-01

Die Nagra hat 1980 ein regionales erdwissenschaftliches Untersuchungsprogramm in der Nordschweiz mit dem Ziel begonnen, den geologischen Aufbau der Schweiz, insbesondere das unter den mesozoischen Sedimentgesteinen liegende Grundgebirge, zu untersuchen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden Tiefbohrungen abgeteuft, deren Resultate Grundlagen für das Projekt Gewähr der Nagra von 1985 lieferten. Die Entscheidung des Bundesrats über das Projekt Gewähr beinhaltete die Verpflichtung, auch Sedimentoptionen für die Lagerung hochradioaktiver Abfälle zu untersuchen.

Anlässlich dieses Auftrags begann die Nagra, anhand vorhandener Unterlagen, die Vorkommen sedimentärer Gesteine im Hinblick auf ihre Eignung als Wirtgestein für ein geologisches Tiefenlager zu evaluieren. Dabei konzentrierten sich die Arbeiten auf die Untersuchung des Opalinustons und der Unteren Süsswassermolasse. Im Rahmen einer Lagebeurteilung mit der Aufsichtsbehörde (HSK) sowie den Experten der KNE und KSA wurde 1994 beschlossen, den Opalinuston weitergehend zu explorieren. Wichtige geowissenschaftliche Basisdaten für diese Exploration bilden die Ergebnisse der seismischen Untersuchungen im Zürcher Weinland (3D-Seismik), der Untersuchungen in der Sondierbohrung Benken und die Resultate aus den Experimenten im Felslabor Mont Terri. Ergänzt wird dieser Basisdatensatz durch Resultate der früheren 2D-Seismik-Kampagnen in der N-Schweiz sowie durch Resultate aus anderen Tiefbohrungen in der N-Schweiz.

Die Sondierbohrung Benken (Koordinaten: 690'988.80/277'842.90, 404.30 m ü.M.) liegt auf dem Gebiet der Gemeinde Benken im Kanton Zürich, ca. 0.7 km SSW des Dorfrandes, westlich der Autostrasse Winterthur-Schaffhausen. Die Bohrung weist eine Endtiefe von 1'007 m auf, durchteufte das gesamte mesozoische Sedimentpaket und erreichte das kristalline Grundgebirge.

Die Bohrarbeiten begannen am 03. September 1998 und dauerten, mehrfach unterbrochen durch wissenschaftliche Untersuchungen, bis 12. Mai 1999. Die letzten Arbeitsschritte der Bohrphase beinhalteten die Rückzementation der Bohrung bis in eine Tiefe von 827.7 m und die Perforation der Verrohrung in den geplanten Langzeitbeobachtungsintervallen. In der Zeit vom 28. Juni 1999 bis zum 17. Juli 1999 wurde ein Mehrfachpackersystem zur Langzeitbeobachtung der hydraulischen Potentiale eingebaut. Das geplante Untersuchungsprogramm konnte vollständig und erfolgreich durchgeführt werden.

Das Bohr- und Testprogramm wurde von Mitarbeitern der Nagra geleitet. An den Untersuchungen arbeiteten über 30 Hochschulinstitute, Beraterfirmen und Servicefirmen aus verschiedenen Ländern mit.

Der vorliegende Bericht dokumentiert die geowissenschaftlichen Resultate der Untersuchungen in der Sondierbohrung Benken. Er macht demzufolge keine direkte Aussage zur Eignung des Opalinustons als Wirtgestein für ein geologisches Tiefenlager für radioaktive Abfälle. Diesbezügliche Schlussfolgerungen werden in der Berichterstattung zum Entsorgungsnachweis dargelegt, welche die Resultate aller anderen Untersuchungen (insbesondere aus der 3D-Seismik und dem Felslabor Mont Terri) einbezieht.

Das Zürcher Weinland befindet sich im tektonisch ruhig gelegenen Grenzgebiet zwischen dem nördlichen Randbereich des Molassebeckens und dem Tafeljura. Die im Schaffhauser Tafeljura aufgeschlossene und mit ca. 3–5° nach SE unter die tertiären Ablagerungen einfallende mesozoische Sedimentdecke umfasst zwischen dem basalen Kristallin und der Molasse eine Abfolge mit Trias- und Jurasedimenten.

Das Ziel der Sondierbohrung Benken war, die Eigenschaften des Opalinustons und seiner benachbarten Schichten (Rahmengesteine) abzuklären und die seismischen Daten mit diesen Ergebnissen zu korrelieren. Hauptzielsetzungen waren:

• Erfassung der Mächtigkeit, der Schichtlage sowie der lithologischen und mineralogisch/ petrographischen Ausbildung der erbohrten Sedimentabfolge
• Erfassung der Kluft- und Störungssysteme sowie Bestimmung deren räumlicher Orientierung
• Erkundung der felsmechanischen Eigenschaften im Opalinuston und Erfassung des Spannungsfelds sowie der Temperaturverhältnisse im Opalinuston
• Erkundung der Transmissivitäten und hydraulischen Potentiale in den Aquiferen und Aquitarden
• Hydrochemische und isotopenhydrogeologische Untersuchungen der Tiefengrundwässer in Aquiferen und der Porenwässer in Aquitarden
• Erhebung von geophysikalischen Referenzdaten für die Kalibrierung der seismischen Aufnahmen

Die Sondierbohrung Benken wurde, entsprechend den im Arbeitsprogramm festgelegten Randbedingungen, bis in eine Teufe von 395 m mit Rollenmeissel gebohrt und ab dieser Teufe gekernt. Daher steht für die geologischen Untersuchungen in den ersten 395 m nur Bohrklein (Cuttings) zur Verfügung. Das Kernmaterial der Sondierbohrung Benken (395 m bis Endteufe) wurde ausführlich beschrieben und die Kernaufnahmen dokumentiert. An ausgewählten Kernen wurden detaillierte und umfangreiche Laboruntersuchungen durchgeführt. Neben stratigraphisch-sedimentologischen und mineralogisch-petrographischen Untersuchungen umfassten diese Arbeiten auch strukturgeologische, petrophysikalische, geochemische und isotopengeochemische Untersuchungen.

Nach den quartären Lockergesteinen (bis 68 m Teufe) und 131 m Tertiär durchteufte die Bohrung 784.3 m mesozoische Sedimente. Der Opalinuston (Dogger) und die tonig ausgebildeten, faziell sehr ähnlichen Murchisonae-Schichten zwischen 539.70 und 652.04 m Teufe bilden über eine Mächtigkeit von 112.34 m das potentielle Wirtgestein für ein geologisches Tiefenlager. Unterhalb 983.30 m wurde basales Kristallin bestehend aus einem Biotit-Plagioklas-Gneis erbohrt.

Das erbohrte Quartär zeigt ein wechselhaftes Neben- und Übereinander von Ton, Silt, Sand, Kies sowie Seekreide. Die Obergrenze wird durch den auflagernden Humus, die Untergrenze durch den anstehenden Fels bestimmt. Das folgende Tertiär setzt sich zusammen aus einer 124 m mächtigen Unteren Süsswassermolasse – bestehend aus bunten Mergeln, schwach zementierten Sanden und Sandsteinen – und der 7 m mächtigen Bohnerz-Formation (meist ockerfarbige Tone mit darin eingeschlossenen Erzbohnen).

Der Malm umfasst eine ca. 252 m mächtige Folge von Kalksteinen und geringmächtigen Mergel-Zwischenlagen. Insgesamt ist die Ausbildung des durchbohrten Malms vergleichbar mit derjenigen des Randengebietes und der westlichen Schwäbischen Alb. In dieser Fazies ist der Malm geprägt von gut geschichteten und massigen Kalken. Verglichen mit benachbarten Regionen ist der Malm in Benken relativ geringmächtig. Dies ist vor allem auf die geringe Mächtigkeit der Effinger Schichten zurückzuführen.

Der Dogger zeigt eine ca. 200 m mächtige Folge von zum Teil feinsandigen Tonsteinen und Mergeln sowie zwischengeschalteten Kalken, Kalksandsteinen und Eisenoolithen. Er lehnt sich in seiner lithologischen Ausbildung und faziellen Entwicklung an den Braunen Jura des Wutachgebietes und des Schaffhauser Juras an. Der 93.52 m mächtige Opalinuston besteht generell aus dunkelgrauen, siltigen, kalkigen und glimmerhaltigen Tonsteinen. Diese führen in unterschiedlichem Ausmass dünne Silt- und Sandsteinlagen, -linsen und -laminae sowie bräunliche Sideritkonkretionen. Die 19.68 m mächtigen Murchisonae-Schichten über dem Opalinuston bestehen in der Sondierbohrung Benken aus schwarzen siltigen bis feinsandigen, kalkigen Tonsteinen und setzen damit lithologisch den obersten Opalinuston fort. Sie unterscheiden sich damit in ihrer Ausbildung von den kalkigen Murchisonae-Schichten in der Bohrung Weiach.

Der Lias umfasst eine ca. 40 m mächtige heterogene marine Folge von Mergeln, Kalken, Silt- und Tonsteinen. Die Formationen können, obwohl die meisten sehr geringmächtig sind, in gleicher oder sehr ähnlicher Lithologie bis in den Schwäbischen Jura und bis Weiach verfolgt werden.

Eine Folge von ca. 119 m mächtigen Tonsteinen und Mergeln mit zwischengelagerten Dolomiten, Sandsteinen und Anhydrit stellt der Keuper dar. Im oberen Drittel liegen die sandigen Formationen des Stuben- und Schilfsandsteins, in den zwei unteren Dritteln befindet sich der Gipskeuper mit reichlich Anhydrit. Der Keuper ist in ähnlicher Mächtigkeit und Ausbildung vom Aargauer Jura bis ins Wutachgebiet verbreitet. In der Sondierbohrung Benken kann der Keuper in die bekannten Formationen unterteilt werden, wobei der Stubensandstein wegen seiner höheren Mächtigkeit und der porösen Karbonatbrekzien vom gewohnten Erscheinungsbild abweicht.

Der Obere Muschelkalk umfasst poröse massige Dolomite, plattige, z. T. oolithische Dolomite und mikritische Kalke sowie Trochiten- und Schillbänke. Sie sind zusammen ca. 63 m mächtig und zeigen die übliche Zweiteilung in Trigonodus-Dolomit und Hauptmuschelkalk. Der ca. 68 m mächtige Mittlere Muschelkalk weist zusammen mit laminierten Dolomiten, Mergeln und Tonsteinen eine weitere Evaporitserie mit mächtigen Anhydritbänken und einem Steinsalzlager (Mächtigkeit 13 m) auf. Der Untere Muschelkalk besteht mehrheitlich aus einer ca. 34 m mächtigen Folge von dunkelgrauen bis schwarzen Tonsteinen mit dünnen Sandsteinlagen und einzelnen Karbonatbänklein. Zusätzlich weist er Mergel und zuunterst dolomitische Sandsteinbänke auf. Er ist damit, verglichen mit den nördlich angrenzenden Gebieten, relativ geringmächtig ausgebildet. In der Sondierbohrung Benken wird der Untere Muschelkalk in Orbicularis-Mergel, Wellenmergel und Wellendolomit unterteilt.

Der Buntsandstein (Mächtigkeit ca. 8 m) besteht aus grünlichen und weissen Sandsteinen sowie geringmächtigen karneolzementierten, tonigen Sandsteinen und einem Umlagerungshorizont. Es fehlen die bunten, violettroten, tonigen und sandigen Paläoböden, die den Buntsandstein im Wutachgebiet prägen. Der Buntsandstein der Sondierbohrung Benken wird in Plattensandstein, Karneolhorizont und einen Umlagerungshorizont unterteilt.

Das erbohrte kristalline Grundgebirge (983.30-1'007 m) besteht aus hochmetamorphen, teilweise migmatischen Gneisen sowie einem Aplit-Gang.

In der Sondierbohrung Benken wurde ein umfassendes bohrlochgeophysikalisches Untersuchungsprogramm durchgeführt, bestehend aus petrophysikalischen Untersuchungen, Strukturuntersuchungen und bohrlochseismischen Messungen.

Die petrophysikalischen Messungen erwiesen sich in den Sedimenten erwartungsgemäss als sehr gut geeignet, um die wichtigsten Formationsparameter in situ zu erfassen. Dabei konnte auch in der gemeisselten Strecke (bis 395 m) ein detailliertes Bild der lithologischen Verhältnisse erhalten werden. Sehr gut lassen sich die hydraulisch gering durchlässigen, tonhaltigen Bereiche von den kalkreichen Schichten unterscheiden.

Die detaillierte Aufnahme der Strukturen der Bohrlochwand mit verschiedenen Sonden erlaubte zudem eine Re-orientierung der Bohrkerne auf ihre wahre Lage und mithin die Bestimmung der Raumlage von Schichten, Klüften und Inhomogenitäten.

Die Bohrlochseismik ist das Bindeglied zwischen der 3D-Seismik und der Sondierbohrung Benken. Mit ihrer Hilfe wurden die seismischen Reflektoren bohrlochnah abgebildet und teufenkalibriert. Der Vergleich der Ergebnisse der Bohrlochseismik mit den Ergebnissen der 3D-Seismik erlaubte die Kalibration der 3D-Seismik und eine laterale Extrapolation der Bohrlochergebnisse auf die mesozoischen Sedimentgesteine im Untersuchungsgebiet.

Die felsmechanischen Untersuchungen konzentrierten sich auf die Charakterisierung des Opalinustons und die Untersuchung des Primärspannungsfeldes.

Es zeigte sich, dass die felsmechanischen Eigenschaften des Opalinustons stark anisotrop (transversal isotrop) sind. Die Abhängigkeit der elastischen Eigenschaften und der Festigkeitsparameter vom Wassergehalt belegen die mechanischen Wechselwirkungen zwischen Gesteinsverformung und Porendruck (hydro-mechanische Kopplung). Zudem wird ein Übergang von sprödem Materialverhalten zu einem duktileren Verhalten in Abhängigkeit vom Wassergehalt festgestellt. Die gesteinsphysikalischen Eigenschaften hängen nur untergeordnet vom Mineralgehalt ab. Während für die Poisson-Zahl keine Richtungsabhängigkeit festgestellt wurde, zeigen die Elastizitätsmoduln eine deutliche Anisotropie in Bezug auf die Schichtung mit E_P > E_Z > E_S. Das E-Modul (Young's Modul) variiert in Abhängigkeit von der Richtung zur Schichtung zwischen 11 und 6 GPa, die einaxiale Druckfestigkeit beträgt parallel bzw. senkrecht zur Schichtung ca. 30 MPa, während sie in einer 45°-Ausrichtung zur Schichtung nur ca. 6 MPa erreicht.

Zur Bestimmung von Betrag und Richtung des in situ-Primärspannungsfeldes wurden Hydraulic Fracturing-Versuche durchgeführt sowie die Orientierung von Bohrlochrandausbrüchen und induzierten Rissen bestimmt. Die Ergebnisse der Hydrofrac-Spannungsmessungen liefern Beträge für die minimale und maximale horizontale Hauptspannung S_h und S_H mit deutlichen Variationen und nicht-linearen Zunahmen mit der Tiefe. Diese Ergebnisse im Opalinuston sind durch die konsistenten Resultate der Versuche in 629.5 m und 632.5 m Tiefe mit S_h = 14.6 MPa und S_H = 19.7 ± 2.6 MPa belegt. Die Untersuchungen liefern übereinstimmend eine NNW-SSE bis N-S-Orientierung der maximalen horizontalen Hauptspannung S_H.

Die im Arbeitsprogramm der Sondierbohrung Benken vorgesehenen hydraulischen Untersuchungen, speziell des Opalinustones und der anderen tonigen Bohrlochabschnitte, erforderten vorgängig eine Überprüfung des geplanten Testkonzepts und der Methodik, um den Erfolg der Arbeiten in Benken gewährleisten zu können. Bedingt durch die geringe hydraulische Durchlässigkeit des Gesteins (ca. 1·10^-13 m/s) bewirken Änderungen des Druckfeldes (z. B. durch den Bohrvorgang) starke Reaktionen des Mess-Signals im Testabschnitt. Durch ein den Erfordernissen entsprechendes Testdesign wurde versucht, den Einfluss dieser Störungen auf die Versuchsdurchführung möglichst gering zu halten. Es wurden sowohl Einfachpacker benutzt, die ein Testintervall beliebiger Länge über Sohle vom überliegenden Bohrlochabschnitt isolieren, als auch Doppelpacker, die ein Testintervall in einem beliebigen Bohrlochabschnitt isolieren können.

Im Allgemeinen erreichte man mit einem radialsymmetrischen Modell mit zwei Zonen (= "radial composite") die besten Anpassungen an die Testdaten. Die Ergebnisse für die innere Zone sind in der Regel auf Störeffekte (z. B. Auflockerungszone um die Bohrung) zurückzuführen und daher als Wert für die tatsächlichen Formationseigenschaften nicht repräsentativ. Die für die hydraulische Charakterisierung der Gesteine relevanten Testergebnisse sind aus den Ergebnissen für die äussere Zone des verwendeten Modells abzuleiten.

Die in der Sondierbohrung Benken ermittelten hydraulischen Durchlässigkeiten variieren zwischen 1·10^-14 m/s im Opalinuston und 6·10^-6 m/s im Buntsandstein. Im Malm ergaben sich hydraulische Durchlässigkeiten zwischen 6·10^-14 m/s und 1·10^-8 m/s. Für den oberen Dogger wurden ausschliesslich niedrige Werte ermittelt (K von 2·10^-13 bis 2·10^-12 m/s). Im Opalinuston inkl. Murchisonae-Schichten wurden in den Packertests ebenfalls ausschliesslich sehr geringe hydraulische Durchlässigkeiten bestimmt (1·10^-14 bis 6·10^-14 m/s). Der Lias hat ebenfalls eine geringe hydraulische Durchlässigkeit mit 3·10^-14 m/s. Der Keuper ist bis auf den Bereich des Stubensandsteins (K = 1·10^-7 m/s) gering durchlässig (Gipskeuper = 1·10^-13 m/s). Im Muschelkalk wurden zwei Tests durchgeführt, die hydraulische Durchlässigkeiten von 1-5·10^-7 m/s aufweisen. Die höchste hydraulische Durchlässigkeit (6·10^-6 m/s) der Sondierbohrung Benken wurde im Buntsandstein lokalisiert.

Die Bestimmung eines Gaseintritts- bzw. Gasschwellendrucks im voll gesättigten Opalinuston konnte mit dem Test O5 vorgenommen werden. Der festgestellte Wert von 1.27 MPa in Abhängigkeit von der festgestellten hydraulischen Durchlässigkeit von 1·10^-12 m/s (innere Zone) ist konsistent mit Literaturwerten.

Alle Werte für das Süsswasserpotential aus dem Malm zeigen leicht subartesische Werte (ca. 11-20 m unter Terrain). Generell steigen ab dem oberen Dogger, im Opalinuston bis zum Lias, die Potentiale stark an. In diesem Abschnitt werden Süsswasserpotentiale mit 50-150 m über Terrain beobachtet. Im oberen Keuper (Stubensandstein) ergibt sich ein Potential von 464 m ü.M. (ca. 60 m ü. Terrain). Im unteren Teil der Bohrung (Muschelkalk und Buntsandstein) ist das Potential nahe der Terrainoberfläche (404 m ü.M.).

Nach Abschluss der Bohr- und Testaktivitäten wurde ein Multipackersystem mit neun Beobachtungsintervallen in die Bohrung eingebaut. Dieses System dient der Langzeitbeobachtung der Tiefengrundwässer.

Die hydrochemischen Untersuchungen in der Sondierbohrung Benken hatten zwei Hauptziele. Einerseits sollte die physikalisch-chemische und isotopische Beschaffenheit der Tiefengrundwässer in den regionalen Aquiferen und in den wasserführenden Schichten ober- und unterhalb des Opalinustons erkundet werden. Andererseits sollte das Porenwasser im Opalinuston und in angrenzenden geringdurchlässigen Formationen charakterisiert werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen dienen dem Verständnis der regionalen Grundwasserströmungsverhältnisse und stellen eine wichtige Grundlage dar für das Verständnis des Stofftransports im Wirtgestein und in den angrenzenden Formationen. Für den sehr geringdurchlässigen Opalinuston und die über- und unterliegenden tonreichen Formationen war erwartungsgemäss keine konventionelle Grundwasserprobenentnahme möglich. Zur Charakterisierung des Porenwassers in diesen tonigen Lithologien wurden deshalb spezielle Laboruntersuchungen an Bohrkernen durchgeführt.

Das Untersuchungsprogramm für die Charakterisierung des Porenwassers in den tonigen Formationen umfasste die Bestimmung der Isotopenverhältnisse δ¹⁸O und δ²H am Porenwasser mittels Vakuum-Extraktion sowie diffusivem Isotopenaustausch, die Bestimmung der Edelgase im Porenwasser, die Bestimmung der Kationenaustauschkapazität und der Gehalte an wasserlöslichen Salzen im Gestein sowie die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung und der stabilen Isotope von ausgepresstem Porenwasser.

Für das Tiefengrundwasser in den Wohlgeschichteten Kalken des Malms weisen die hohe Mineralisierung, die Isotopenzusammensetzungen und hohen He-Gehalte konsistent auf ein sehr altes, durch Wasser/Gestein-Wechselwirkungen (und evtl. Mischung) modifiziertes Formationswasser marinen Ursprungs hin (Na-Cl-(SO₄)-Typ). Das hochmineralisierte Na-SO₄-(Cl)-Typ - Wasser im Keuper ist meteorischen Ursprungs und entwickelte sich vorwiegend in den Lithologien des Keupers. Die Zusammensetzung der stabilen und radiogenen Isotope, die gelösten Edelgase und die hohen He-Gehalte weisen für das Keuperwasser konsistent auf eine lange Verweilzeit und eine Infiltration während einer Interglazialzeit hin. Deutlich tiefer mineralisiert sind das Ca-Mg-SO₄-(HCO₃)-Typ - Wasser im Muschelkalk und das Na-HCO₃-Cl-(SO₄)-Typ - Wasser im Buntsandstein. Für das Muschelkalkwasser ergibt sich aufgrund seiner ¹⁴C-Aktivität eine Aufenthaltszeit im Untergrund von ca. 13'700 Jahren. Dies ist im Einklang mit der Zusammensetzung der stabilen Wasserisotope, der relativ tiefen He-Gehalte und der gelösten Edelgase, welche für dieses Wasser auf eine Infiltration während der letzten Glazialzeit hinweisen. Für das ¹⁴C-freie Buntsandsteinwasser lässt sich eine minimale Verweilzeit von >26'000 Jahren berechnen, was konsistent ist mit den hohen He-Gehalten und den auf eine Infiltration unter kälteren klimatischen Bedingungen als den heutigen hinweisenden stabilen Wasserisotope und gelösten Edelgase. Die bedeutenden Mengen von radiogenem ⁴He und ⁴⁰Ar weisen auf eine längere Zirkulation dieses Wassers in kristalliner Umgebung hin. Die Tiefengrundwässer aus dem Malm, Keuper und Muschelkalk haben sehr hohe ³He/⁴He-Verhältnisse und das Malm- und das Keuperwasser auch hohe ⁴⁰Ar/³⁶Ar-Verhältnisse.

Für die Porenwässer im zentralen Bereich des Doggers ergeben sich Chloridkonzentrationen von ca. 5'700 mg/l (ca. 0.16 M), für den distalen Bereich an der Sohle des Opalinustons solche von ca. 3'000 mg/l (ca. 0.085 M).

Chloridgehalte, Chlorisotope, stabile Wasserisotope und gelöste Edelgase der Porenwässer zeigen vom untersten Malm bis zum obersten Keuper eigenständige aber typische Konzentrationsverläufe, welche alle als Diffusionsprofile erklärt werden können. Die Chloridgehalte und die Chlorisotopen weisen darauf hin, dass sich die Randbedingungen, die zu den heute beobachteten Diffusionsprofilen führten, im Verlaufe der geologischen Entwicklung mehrfach geändert haben müssen. Diese Veränderungen sind in den stabilen Wasserisotopen und Edelgasen nur noch teilweise abgebildet.