Technischer Bericht NTB 85-02

Die Nagra (Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle) hat 1980 in der Nordschweiz in einem rund 1200 km² grossen Gebiet ein umfassendes geologisches Untersuchungsprogramm in Angriff genommen. Es soll die erdwissenschaftlichen Erkenntnisse beschaffen, welche notwendig sind, um die Eignung des Untergrundes zur Endlagerung hochradioaktiver Abfälle zu beurteilen. Die vielfältigen Untersuchungen gliedern sich in ein Tiefbohrprogramm, eine geophysikalische Erkundung der regionalen Gesteins- und Strukturverhältnisse, ein hydrogeologisches Untersuchungsprogramm zur Abklärung der Wasserfliesswege im tiefen Untergrund und ein neotektonisches Untersuchungsprogramm zur Erkennung aktiver Erdkrustenbewegungen im Untersuchungsgebiet.

Die Sondierbohrung Böttstein wurde als erste Bohrung des Tiefbohrprogramms durchgeführt. Mit den Koordinaten 659'340.8/268'556.0, 347.46 m ü.M., liegt sie auf dem Gebiet der Gemeinde Böttstein, Kanton Aargau, rund 10 km nördlich von Brugg. Sie hat eine Endtiefe von 1501 m erreicht.

Die Bohrarbeiten begannen am 11. Oktober 1982 und dauerten bis zum 5. Juni 1983. Sowohl in den Sedimenten wie im Kristallin kam fast ausschliesslich das herkömmliche Rotary-Bohrverfahren zur Anwendung. Ausser einer knapp 250 m langen, mit Warzenmeisseln gebohrten Strecke im Kristallin wurden sowohl die Sedimente wie auch das Kristallin vollständig gekernt. Die Kernorientierung mit dem anfänglich eingesetzten Multishot-Verfahren war wegen starker Drehung des Innenkernrohrs nicht möglich. Die Kerne wurden deshalb nachträglich mit Hilfe einer neu konzipierten Sonic Televiewer-Sonde (SABIS) orientiert.

Am Kernmaterial der Sondierbohrung Böttstein wurden detaillierte und umfangreiche Feld- und Laboruntersuchungen durchgeführt. Neben stratigraphisch-sedimentologischen und mineralogisch-petrographischen Untersuchungen wurden folgende Aspekte berücksichtigt:

• Strukturgeologische Kartierung der Bohrkerne (Kernabwicklung auf Transparentfolie)
• Porosimetrie (Absolute Porosität, Quecksilber-Druckporosimetrie)
• Permeabilität
• Fluoreszenzmikroskopie
• Spezifische Oberfläche
• Kationenaustauschkapazität
• Wärmeleitfähigkeit (quick thermal conductivity meter)
• Felsmechanische Untersuchungen
• Haupt- und Spurenelementanalysen
• Stabile und radioaktive Isotope
• Fluide Einschlüsse
• Reifegrad des organischen Materials (nur in Sedimenten)

Der vorliegende Bericht enthält eine Zusammenstellung sämtlicher bis Ende Oktober 1984 erhobenen Daten. Diese werden sowohl im Hinblick auf die Abfolge der geologischen Ereignisse im Gebiet Böttstein wie auch im Hinblick auf eine Charakterisierung der Wasserfliesssysteme im Sediment und im Kristallin interpretiert. Der Bericht enthält zudem ausführliche Erläuterungen zur Untersuchungsmethodik.

Unter einer rund 300 m mächtigen mesozoischen Sedimentbedeckung mit Schilfsandstein (Mittlerer Keuper) im Dach und Oberem Buntsandstein an der Basis traf die Sondierbohrung Böttstein in 315.3 m Tiefe auf einen Biotitgranit (kristallines Grundgebirge), der bis 1501 m Tiefe untersucht werden konnte. Aufgrund seiner mineralogischen und texturellen Beschaffenheit sowie seiner tektonischen Stellung entspricht er dem aus dem Südschwarzwald bekannten Typus der spätorogenen, postkinematischen variszischen Granite

Der teilweise erodierte, unter 17.5 m pleistozänen Niederterrassenschottern liegende Schilfsandstein (Mächtigkeit im Bohrprofil 25.0 m) ist oben in Rinnenfazies (Feinsand- und Siltsteine) und unten in Stillwasserfazies (Dolomitmergel) ausgebildet. Der Gipskeuper (74.8 m) stellt eine sehr heterogene Ton/Dolomitmergel-Anhydrit-Abfolge dar. Im Kontakt zu den hängenden und liegenden, porösen wasserführenden Zonen ist der Anhydrit in Gips umgewandelt. In der «Lettenkohle» (4.7 m) sind die beiden Schichtglieder «Grenzdolomit» und Estherienschiefer ineinander verzahnt. Der Obere Muschelkalk kann in den Trigonodus-Dolomit (28.9 m), Plattenkalk (13.9 m) und Trochitenkalk (32.4 m) gegliedert werden. Der Trigonodus-Dolomit und der Trochitenkalk enthalten stark poröse Zonen (bis 30 %) mit Drusen sowie Lösungsporen nach Fossilien und Gips/Anhydrit-Kristallen. Der Obere Muschelkalk ist zusammen mit dem liegenden porösen Dolomit der «Anhydritgruppe» (7.4 m) des Mittleren Muschelkalks als sogenannter «Muschelkalk-Aquifer» bekannt. Der untere Teil des Mittleren Muschelkalks besteht aus den heterogen aufgebauten tonigen Evaporiten der Oberen Sulfatschichten (48.1 m), den Salzschichten (2.1 m Halit) und den vergipsten Anhydrit/Dolomit-Wechsellagerungen der Unteren Sulfatschichten (6.2 m). Der vorwiegend tonige, vereinzelt dünne Kalkbänke enthaltende Untere Muschelkalk konnte in Orbicularis-Mergel (9.4 m), Wellenmergel (26.1 m) und Wellendolomit (10.6 m) gegliedert werden. Die Orbicularis-Mergel enthalten eine 3 m mächtige Anhydritbank, der Wellendolomit ist nur an seiner Basis in Dolomitfazies ausgebildet. Die im unteren Teil karneolführenden Quarzsandsteine des Oberen Buntsandsteins (8.2 m) zeigen sehr unterschiedliche Porositäten. Der Übergang in den Granit des kristallinen Grundgebirges ist scharf. Eine früh- bis prätriadische Oberflächenverwitterung (Vergrusung) ist nur in den obersten ca. 3 m nachweisbar.

Der Böttstein-Granit ist ein grobkörniger porphyrischer Biotitgranit mit Kalifeldspat-Grosskristallen. Der mittlere Modalbestand beträgt: Kalifeldspat 37.5 %, Plagioklas 27.5 %, Quarz 27 % und Biotit 8 %. K/Ar-Al­tersbestimmungen an Biotiten zeigen ein unter- bis oberkarbones Alter. Aplitische bis aplitgranitische, pegmatitische und rhyolithische Ganggesteine sind häufig, aber meist nur geringmächtig. Die Absenkung des südlich von Böttstein verlaufenden Troges im Oberkarbon und Perm führte zu einer intensiven spröden Deformation mit kakiritischen Störungszonen und starker Klüftung im Granit. Eine früh-hydrothermale Umwandlung im Zusammenhang mit der Abkühlung des Granits und eine spät-hydrothermale, permische, vorwiegend an kakiritische Störungszonen und Klüfte gebundene Vertonung sind verantwortlich für die mineralogisch und petrophysikalisch sehr heterogene Beschaffenheit des Granits. Die Mineralogie der Umwandlungsmineralien im Granit und der Kluftfüllungen ist sehr ähnlich: Tonmineralien (Illit, Illit/Smektit-Wechsellagerungen, Chlorite, oberhalb 600 m Kaolinit), Calcit, Quarz und oberhalb 1000 m Hämatit. Die offenen Porositäten (Quecksilber-Druckporosimetrie) schwanken zwischen 0.2 % im frischen Granit und 6.7 % in stark umgewandeltem kakiritisiertem Granit. Die am wenigsten umgewandelten, frischesten Granite wurden im unteren Bereich der Sondierbohrung zwischen 1075 -1330 und 1475 -1501 m angetroffen.

Die meisten Klüfte im Kristallin sind vollständig mit Tonmineralien, Calcit und Quarz gefüllt. Ihre Häufigkeit ist nicht mit der Durchlässigkeit des Gebirges korrelierbar. Die in sehr eng begrenzten Zonen beobachtete Wasserführung im Kristallin ist zur Hauptsache an offene Klüfte in pegmatitisch-aplitischen Ganggesteinen sowie an unvollständig verheilte Quarzklüfte und -adern gebunden, die bevorzugt in kakiritischen Störungszonen auftreten.

Die in der Sondierbohrung Böttstein festgestellte, relativ einheitliche räumliche Lage der kakiritischen Störungszonen (vorwiegend steil nach SW fallend) und die davon deutlich verschiedene, stärker variierende Lage der Ganggesteine ergeben ein kompliziertes, dreidimensionales Netzwerk von möglichen Wasserfliesswegen im Kristallin.

Mit Hilfe von fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen konnten mögliche Verbindungswege zwischen dem offenen Hohlraum der Klüfte und den umgebenden porösen, hydrothermal umgewandelten Graniten und Ganggesteinen nachgewiesen werden. Im Hinblick auf die Probleme im Zusammenhang mit der Lagerung radioaktiver Abfälle in geologischen Formationen bedeutet dies, dass die beim Nuklidtransport eine wichtige Rolle spielende Diffusion von den durchströmten Hohlräumen in die umhüllende Gesteinsmatrix möglich ist.