Technischer Bericht NTB 86-04

Le forage Kaisten est le cinquième forage réalisé, dans le cadre du programme des forages profonds de la Nagra après ceux de Böttstein, Weiach, Riniken et Schafisheim.

Il est situé sur le territoire de la commune de Kaisten, dans le canton d'Argovie (coordonnés 644.641.0/265.623.7, 320.28 m s.mer), environ 3 km au Sud-Ouest de la gare de Laufenburg. Il a atteint une profondeur finale de 1306 m.

Les travaux de forage ont commencé le 13 février 1984 et se sont poursuivis jusqu'au 27 juin 1984. On a utilisé presque exclusivement le procédé de forage par rotation. A part pour deux courts tronçons de centrage, la longueur totale forée a été carottée. A partir d'une profondeur de 321.50 m, le prélèvement des carottes s'est effectué en utilisant le carottier à cable.

On a exécuté un nombre considérable d'investigations sur le site et en laboratoire. En plus des recherches stratigraphiques, sédimentologiques, minéralogiques et pétrographiques, ces investigations comprennent des études de géologie structurale et différentes investigations pétrophysiques, géochimiques et de géochimie isotopique. Le présent rapport contient un résumé complet des données obtenues à la fin décembre 1986.

Sous une épaisse couverture sédimentaire constituée de Muschelkalk au sommet et de Permien à la base, le forage de Kaisten a atteint, à 296.5 m de profondeur, le substratum cristallin, qui a pu être investigué jusqu'à la profondeur finale de 1306 m.

La séquence sédimentaire

Le Quaternaire, qui mesure 45.2 m de puissance, comprend les dépôts du Niederterrassenschotter et·le complexe des éboulis de pente et matériaux d'éboulement qu'ils recouvrent. Au-dessous on trouve les Untere Sulfatschichten, qui font partie du MuscheIkalk moyen, presque complètement érodés (épaisseur dans le profil du forage: 1.2 m). La formation suivante, le Muschelkalk inférieur, constitue avec les Orbicularis-Mergel (9.6 m), les Wellenmergel (27.2 m) et le Wellendolomit (10.8 m) une série marneuse dolomitique prédominante avec de petits bancs de dolomies et de calcaires. Le Buntsandstein est subdivisé, par la présence du Karneolhorizont, en un Oberer Buntsandstein (15.2 m) comprenant des argiles silto-sableuses (Röt) et des grès à grains fins et grossiers, et un Mittlerer Buntsandstein (15.8 m) comprenant le Karneolhorizont et le "diagonalschichtiger Sandstein". Au-dessous le Rotliegendes est représanté par les grès à grains fins et grossiers de l' "Obere grobkörnige Folge" (63.4 m), les microgrès de la "Mittlere feinkörnige Folge" (80.7 m) et les brèches cristallines de l' "Untere grobkörnige Folge" (27.4 m).

Les sédiments forés indiquent un pendage prédominant presque horizontal (≤ 6°) de direction du Sud-Est à Sud. Ils montrent un diaclasage très réduit. Les remplissages de diaclases sont composés en prédominance de minéraux argileux, calcite et quartz. Des diaclases ouvertes existent seulement au niveau du "Mittlerer Buntsandstein" et dans la partie inférieure du Rotliegendes, entre 267 et 294 m.

En dehors des aquifères situés dans le Niederterrassenschotter, des zones avec débit d'eau ont été constatées dans le Buntsandstein et dans l' "Untere grobkörnige Folge". Dans tout le profil sédimentaire restant, la perméabilité est faible.

Le Cristallin

Le substratum cristallin comprend une série très hétérogène ("bunte Serie") de gneiss métasédimentaires, localement migmatiques et à degré de métamorphisme élevé, traversés par des filons de roches acides et basiques (aplite, pegmatite, lamprophyres riches en uranium et thorium). La série peut être comparée aux profils du Sud de la Forêt-Noire et du forage Leuggern. Pour 100 m de forage, on a compté en moyenne 2.9 veines d'aplite, 10.4 de pegmatite, 1.8 de lamprophyre et 8.8 de quartz-tourmaline. Toutes ces veines favorisent la formation de diaclases ouvertes, étant donné le contraste mécanique qu'elles représentent avec la roche environnante. En outre, ces roches filoniennes planaires sont souvent très inclinées.

Le cristallin de Kaisten a subi à plusieurs reprises des paroxysmes tectono-hydrothermaux postmétamorphique intenses. On a constaté des déformations cataclastiques sur 6.4 % de la longueur forée, ainsi que des modifications hydrothermales sur près de 33 %. Les différents événements tectono-hydrothermaux s'ordonnent, d'après leur âge, en une série, qui témoigne de pressions de surcharge et d'une décroissance des températures.

De plus, la déformation des domaines rocheux perturbés témoigne d'une réactivation tectonique survenue lors des événements le plus jeunes. Ceci a en partie conduit, dans les zones influencées par l'activité tectono-hydrothermale, à des aspects visuels extrêmement complexes.

Une première phase tectono-hydrothermale intense est survenue probablement au Carbonifère supérieur, avec des températures plutôt élevées de 300 – 400°C. Elle a été déclenchée par des déformations cataclastiques et des circulations de fluides aqueux très chauds, contenant du NaCI, qu'on suppose d'origine météorique. Une seconde phase, apparemment permienne, a provoqué un très fort diaclasage accompagné de cataclase, et a conduit simultanément à une argilisation hydrothermale de basse température dans les paragenèses des minéraux argileux riches en illite, et à une oxydation (beaucoup de minéraux d'hématite néoformés). Ces phases se sont marquées de manière très nette dans les 350 m supérieurs (coloration des roches généralement rouge). Au-dessous, elle sont limitées à des zones discrètes plus fortement marquées et par des diaclases et cataclases.

Une transformation hydrothermale plus jeune, qui manque largement dans le cristallin des autres forages profonds de la Nagra, peut être constatée dans le forage de Kaisten, notamment par une kaolinisation locale développée dans le plupart des diaclases très inclinées. A côté de la kaolinite, la smectite et la calcite constituent d'importants minéraux de néoformation. En outre, on a observé de nombreuses corrosions tardives qui ont conduit, avant tout dans les roches déjà influencées par les processus tectono-hydrothermaux, à la formation de cavités de dissolution contenant des minéraux néoformés idiomorphes et librement développés (calcite, barytine, sidérite, fluorite, hématite). Le degré de relation entre ces minéraux et la kaolinisation apparaît encore peu clair.

Au contraire des autres forages profonds de la Nagra, les données de la géochimie isotopique obtenues à Kaisten indiquent de très jeunes interactions géochimiques eau – roche, et partiellement de possibles conditions d'équilibre entre les minéraux des diaclases et les aquifères profonds actuels.

Les orientations des diaclases montrent une très grande dispersion. Cependant, un ensemble de diaclases très faiblement inclinées en direction du Sud jusqu'à l'Ouest a pu être nettement distingué, dans lequel se dessine un parallèlisme marquant avec la structure planaire du gneiss. Ce dernier, par son inhomogénéité mécanique préexistante, a manifestement facilité de telles diaclases. Du fait de l'unidimensionnalité verticale du forage, on ne peut pas déterminer s'il existe un système de diaclases très raides associé orthogonalement à ces directions presque horizontales.

En moyenne, on a intercepté 58 diaclases ouvertes par 100 m de forage, en majorité des diaclases très inclinées. Parmi les structures ouvertes rencontrées dans l'ensemble du profil, on considère en principe 2 différents types fondamentaux: des diaclases d'extension proprement dites, et des réseaux connectés de cavités de dissolution, qui se sont formés de préférence dans les zones cataclasées. Au total 36 venues d'eau ont pu être localisées, dont 16 sont clairement reliées à des structures ouvertes. Les 3 systèmes de circulation d'eau les plus importants sont:

a) Diaclases ouvertes dans les parties de gneiss riches en quartz-feldspath

b) diaclases ouvertes dans des filons rocheux acides

c) cavités de dissolution et diaclases ouvertes dans les zones perturbées.