Technischer Bericht NTB 86-04

Die Sondierbohrung Kaisten wurde – nach den Bohrungen Böttstein, Weiach, Riniken und Schafisheim – als fünfte Bohrung des Tiefbohrprogrammes der Nagra durchgeführt. Sie liegt auf dem Gebiet der Gemeinde Kaisten, Kanton Aargau (Koordinaten 644'641.0/ 265'623.7, 320.38 m ü.M.), ungefähr 3 km südwestlich des Bahnhofs Laufenburg. Sie hat eine Endtiefe von 1'306 m erreicht.

Die Bohrarbeiten begannen am 13. Februar 1984 und dauerten bis zum 27. Juni 1984. Es kam fast ausschliesslich das herkömmliche Drehbohrverfahren zur Anwendung. Ausser einer 5.5 m langen Strecke im Muschelkalk und zweier kurzer Zentrierbohrungen wurde die gesamte Bohrstrecke gekernt. Im Kristallin erfolgte ab einer Tiefe von 321.50 m die Entnahme der Bohrkerne im Seilkernverfahren.

Die durchgeführten, umfangreichen Feld- und Laboruntersuchungen umfassen neben stratigraphisch-sedimentologischen und mineralogisch-petrographischen Untersuchungen auch strukturgeologische sowie verschiedenartige petrophysikalische, geochemische und isotopengeochemische Untersuchungen. Der vorliegende Bericht enthält eine Zusammenstellung sämtlicher bis Ende Dezember 1986 erhobenen Daten.

Unter einer Sedimentbedeckung mit Muschelkalk im Dach und Perm an der Basis traf die Sondierbohrung Kaisten in einer Tiefe von 296.5 m auf das kristalline Grundgebirge, das bis zur Endtiefe von 1306 m untersucht werden konnte.

Sedimente

Unter dem 45.2 m mächtigen Quartär, das von Niederterrassenschottern (oben) und Gehängeschutt-/Bergsturzmaterial (unten) aufgebaut wird, befinden sich die fast vollständig erodierten Unteren Sulfatschichten des Mittleren Muschelkalkes (Mächtigkeit im Bohrprofil 1.2 m). Der Untere Muschelkalk mit den Orbicularis-Mergeln (9.6 m), den Wellenmergeln (27.2 m) und dem Wellendolomit (10.8 m) stellt eine vorwiegend dolomitische Mergelabfolge mit vereinzelten Kalk- und Dolomitbänklein dar. Der Buntsandstein kann mit Hilfe des Karneolhorizontes in einen Oberen (15.2 m) mit sandig-siltigen Tonen (Röt) und Fein­- bis Grobsandsteinen und einen Mittleren Buntsandstein (15.8 m) mit dem Karneolhorizont und dem diagonalschichtigen Sandstein unterteilt werden. Darunter liegt das Rotliegende mit den Fein- bis Grobsandsteinen der «Oberen grobkörnigen Folge» (63.4m), den Siltsteinen der «Mittleren feinkörnigen Folge» (80.7 m) und den Kristallinbreccien der «Unteren grobkörnigen Folge» (27. 4 m).

Die erbohrten Sedimente fallen vorwiegend flach (≤ 6°) gegen SE bis S ein. Sie weisen eine sehr geringe Klufthäufigkeit auf. Die Kluftfüllungen bestehen in der Regel aus Tonmineralien, Calcit und Quarz. Nur an der Basis des Mittleren Buntsandsteins und im untersten Teil des Rotliegenden zwischen 267 und 294 m sind offene Klüfte vorhanden.

Neben den grundwasserführenden Niederterrassenschottern konnten wasserführende Zonen im Buntsandstein und in der «Unteren grobkörnigen Folge» festgestellt werden. Im ganzen restlichen Sedimentprofil ist die Durchlässigkeit gering.

Kristallin

Das kristalline Grundgebirge umfasst eine sehr heterogene («bunte») Serie von hochgradig metamorphen lokal migmatischen, metasedimentären Gneisen, die von sauren und basischen Ganggesteinen durchsetzt ist (Aplite, Pegmatite, U- und Th-reiche Lamprophyre). Die Serie ist mit Abfolgen im Südschwarzwald und in der Bohrung Leuggern vergleichbar. Im Mittel wurden pro 100 Meter Bohrstrecke 2.9 Aplite, 10.4 Pegmatite, 1.8 Lamprophyre und 8.8 Quarz-Turmalin-­Adern durchfahren, alles Strukturen, die wegen des mechanischen Kontrastes zum Umgebungsgestein zur Bildung offener Klüfte neigen. Zudem stehen diese planaren Gesteinselemente oft steil.

Das Kristallin von Kaisten erlitt intensive und mannigfaltige postmetamorphe tektonohydrothermale Überprägungen. 6.4 % der Bohrstrecke zeigen kataklastische Deformationen und rund 33 % hydrothermale Umwandlungen. Die verschiedenen tektonohydrothermalen Ereignisse lassen sich bezüglich ihres Alters in eine relative Abfolge einfügen, die eine «retrograde» Entwicklung von höheren zu tieferen Temperaturen und Überlagerungsdrucken widerspiegelt. Dabei wurden, vor allem was die Deformation anbelangt, von den jüngeren Ereignissen bevorzugt schon bestehende gestörte Gesteinsbereiche reaktiviert, was zu teilweise äusserst komplexen Erscheinungsbildern in tektonohydrothermal beeinflussten Zonen führte.

Wahrscheinlich im Oberkarbon erfolgte eine erste intensive Beeinflussung unter recht hohen Temperaturen von 300 – 400°C, die durch kataklastische Deformationen und zirkulierende heisse, wässrige, NaCl-haltige Fluids vermutlich meteorischen Ursprungs ausgelöst wurde. Eine zweite, anscheinend permische tektonohydrothermale Phase, führte zu einer sehr starken Zerklüftung und Kataklase, zu einer begleitenden tieftemperiert-hydrothermalen Vertonung zu Illit­-reichen Tonmineralparagenesen sowie zu einer Oxidation (viel Hämatit-Neubildungen). Diese Überprägungen sind in den oberen 350 m sehr intensiv ausgebildet (generelle Rotfärbung der Gesteine). Darunter sind sie stärker auf diskrete Zonen mit verstärkter Klüftung und Kataklase beschränkt.

Weiter kann eine noch jüngere hydrothermale Umwandlung festgestellt werden, die im Kristallin der anderen Nagra-Sondierbohrungen weitgehend fehlt, nämlich eine von meist steilen Klüften ausgehende lokale Kaolinitisierung. Neben Kaolinit sind Smektit und Calcit wichtige Neubildungen. Ferner werden häufig späte Korrosionen beobachtet, die vor allem in tektonohydrothermal schon beeinflussten Gesteinen zur Bildung von offenen Lösungslöchern mit z. T. idiomorphen und frei gewachsenen Neubildungen (Calcit, Baryt, Siderit, Fluorit, Hämatit u. a. m.) führten. Inwieweit ein Zusammenhang dieser Bildungen mit der Kaolinitisierung besteht, ist noch unklar.

Im Gegensatz zu den andern Nagra-Sondierbohrungen deuten isotopengeochemische Daten in Kaisten auf jüngste geochemische Wasser-Gesteins-Interaktionen und teilweise mögliche Gleichgewichte zwischen Kluftmineralien und heutigen Tiefengrundwässern hin.

Die Kluftorientierungen zeigen zwar eine sehr grosse Streuung, aber eine Häufung von flach nach Süden bis Westen einfallenden Klüften kann doch eindeutig dokumentiert werden, wobei diese Richtungen eine auffallende Parallelität mit dem Gneisplanar zeigen, das offenbar als präexistente mechanische Inhomogenität prägend wirkte. Ob zu diesen flachliegenden Klüften noch ein orthogonales, sehr steilstehendes Kluftsystem existiert, kann wegen der senkrechten Eindimensionalität der Bohrung nicht entschieden werden.

Im Mittel wurden pro 100 m 58 meist steilstehende, offene Klüfte erfasst. Es gibt 2 grundsätzlich verschiedene Typen der im gesamten Profil angetroffenen offenen Strukturen: eigentliche Dehnungsklüfte und kommunizierende Systeme von Lösungslöchern, die sich bevorzugt in kataklastischen Störungszonen bildeten. Es konnten 36 Wasserzutrittsstellen identifiziert werden, von denen 16 eindeutig offenen Strukturen zugeordnet werden konnten. Die drei wichtigsten Fliesssysteme sind:

a) offene Klüfte in Quarz-Feldspat-reichen Gneispartien

b) offene Klüfte in sauren Ganggesteinen

c) Lösunglöcher und offene Klüfte in Störungszonen.