Regionale geothermische Verhältnisse

Zur Abklärung einer möglichen Nutzung von Thermalwässern oder geothermischer Energie im Umfeld eines geologischen Tiefenlagers (Kap. 3.9) müssen die regionalen und lokalen geo-thermischen Verhältnisse betrachtet werden. Auf der Grundlage früherer Arbeiten (Rybach et al.

1987, Schärli 1989) haben Schärli & Rybach (2002) einen aktuellen Datensatz "Geothermie Nordschweiz" zusammengestellt. Dieser wird zudem für die Abschätzung des Potenzials für magmatische Aktivitäten in der Nordostschweiz benötigt (Kap. 8.4.4). Dazu wurde aus den bestehenden Daten die Wärmeflusskarte der Nordschweiz (Fig. 3.8-1) erstellt.

3.8.1 Datengrundlage

Für die Darstellung der geothermischen Verhältnisse in der Nordschweiz standen Temperatur-messungen aus insgesamt 59 Bohrungen mit einem Teufenspektrum zwischen 160 m und 5'448 m zur Verfügung. Die Temperaturmessungen wurden mit verschiedenen Messmethoden und unterschiedlicher Messdichte erhoben, weshalb die Datenqualität von Bohrung zu Bohrung stark variiert. Die ausgewerteten Bohrungen sind zudem geographisch ungleich verteilt mit Häufungen in der Region Basel, im unteren Aaretal, in der Region Zürich und um den unteren Bodensee.

Die Auswertung der Temperaturmessungen ist in Schärli & Rybach (2002) detailliert beschrie-ben. Zur vollständigen Darstellung der Temperaturmessungen wurden soweit möglich die Tem-peraturprofile zuerst in lineare Gradientenabschnitte eingeteilt. Dann wurde der mittlere Tempe-raturgradient in jeder Bohrung bestimmt. Dieser geothermische Gradient wird jedoch durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Ohne weitere Kenntnisse oder Annahmen über die Lithologie und Tektonik vermag er nur einen beschränkten Einblick in die geothermischen Verhältnisse des Untergrunds zu vermitteln. Für ein besseres Verständnis der Daten wurde deshalb für jede Bohrung auch der geothermische Wärmefluss bestimmt. Dieser ist berechnet als Produkt der Wärmeleitfähigkeit der lokalen Gesteinsabfolge und dem Temperaturgradienten in vertikaler Richtung. Die entsprechenden Werte sind in der Wärmeflusskarte (Fig. 3.8-1) dargestellt, womit sich nun Zonen erhöhten Wärmeflusses abgrenzen lassen.

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Fig. 3.8-1: Wärmeflusskarte der Nordschweiz; detaillierter Datensatz mit Identifikation der Bohrungen.

Aus Schärli & Rybach (2002).

u S

Basel Winterthur St.Gallen 200 700750650

250 103 61

BohrungenmitWärmeflusswerten ausMedici&Rybach(1995) BohrungenmitWärmeflusswertenaus Schärli&Rybach(2002) WärmeflusswertinmW/m2 AnomaliebeiSchinznach-Bad–Baden Wärmefluss-Isolinie(mW/m)2

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3.8.2 Interpretation der Wärmeflusskarte

Die Karte zeigt eine graduelle Zunahme des geothermischen Wärmeflusses von SSE (Alpen-nordrand, Werte < 80 mW/m²) nach NNW bis etwa zum Rhein (100–120 mW/m²), d.h. die Richtung der Zunahme verläuft etwa senkrecht zum Streichen der Alpenfront resp. des Molasse-beckens. Dieses regionale Bild wird überlagert durch zwei Zonen mit erhöhtem Wärmefluss, wo Werte bis 170 mW/m² erreicht werden.

Eine ausgedehnte positive Anomalie mit Wärmeflusswerten > 120 mW/m² liegt in der zentralen Nordschweiz zwischen dem Rhein und dem Zusammenfluss von Aare, Reuss und Limmat.

Innerhalb dieser Anomalie lassen sich zwei lokale Zonen mit Wärmeflusswerten von über 160 mW/m² abgrenzen. Die eine liegt am Südrand des östlichsten Faltenjuras zwischen Bad Schinznach und Baden (Zone 1), die andere im unteren Aaretal bei Böttstein–Klingnau (Zone 2). Nördlich von Basel sind die Wärmeflusswerte im Bereich des Oberrheingrabens ebenfalls erhöht.

Nach Schärli & Rybach (2002) lassen sich diese Zonen erhöhten Wärmeflusses nur durch den advektiven Wärmetransport aufsteigender Tiefengrundwässer entlang tektonischer Störungen erklären, bei allerdings sehr geringer Fliessrate. Aufgrund der geologischen bzw. der tektoni-schen Situation der beiden Zonen mit erhöhtem Wärmefluss kann diese Hypothese der auf-steigenden Tiefengrundwässer als plausibel betrachtet werden. Zumindest für die Zone 1 gibt es in den oberflächennah gefassten Thermalquellen von Baden/Ennetbaden hydrochemische Evi-denzen für die Beimischung von Tiefengrundwässern aus dem Grundgebirge (Kap. 3.7.5).

Beide lokalen Anomalien liegen über dem südlichen bzw. nördlichen Rand des Permokarbon-trogs (Weiach-Trog), dessen Randzonen durch nordvergente bzw. südvergente Sockelsprünge (Sprecher & Müller 1986) geprägt sind. Der Permokarbontrog weist gegenüber dem kristallinen Grundgebirge eine bedeutend geringere hydraulische Durchlässigkeit auf (Thury et al. 1994) und wirkt daher als Barriere für aufsteigende Tiefenwässer. Die geographische Situation der Anomalien lässt sich nicht nur durch ihre Lage über den Randzonen des Permokarbontrogs mit tiefgreifenden tektonischen Störungszonen erklären, sondern auch durch die Potenzialdifferenz zwischen der jeweiligen Infiltrations- und der Exfiltrationszone (Thury et al. 1994).

So liegt die südliche Anomalie von Bad Schinznach–Baden im Bereich nordvergenter Sockel-sprünge des Permokarbontrog-Südrands sowie zahlreicher Aufschiebungen des Faltenjuras, und gleichzeitig besteht aber auch eine hohe Potenzialdifferenz gegenüber den vermuteten Infiltra-tionsgebieten am Alpennordrand.

Als Infiltrationsgebiet für die Tiefenwässer, welche die nördlich des Permokarbontrogs liegende Wärmeanomalie von Böttstein–Klingnau und in abgeschwächter Form auch eine solche bei Weiach–Eglisau (136 und 120 mW/m²) bewirken, gelten Kristallinzonen des Südschwarzwalds.

Die beachtliche Höhen- und damit Potenzialdifferenzen zwischen dem Infiltrationsgebiet im Südschwarzwald und dem untersten Aaretal dürften zusammen mit der tektonischen Situation (Trogrand & Vorwaldstörung, s. Beil. 3.2-1) der Grund für den hohen, bei Böttstein–Klingnau gemessenen Wärmefluss sein. Entlang des Permokarbontrogs gegen Osten nimmt die Potenzial-differenz ab. In gleicher Richtung zeigt auch die Karte geringere Wärmeflusswerte.

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3.8.3 Regionale geothermische Verhältnisse: Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse

Auf Grund der Auswertung von insgesamt 59 Bohrungen konnte eine regionale Darstellung der geothermischen Verhältnisse erarbeitet werden. Dabei wurde nicht nur der vertikale Tempera-turgradient berücksichtigt, sondern auch der effektive Wärmefluss berechnet.

• Innerhalb der weiträumig relativ ausgeglichenen Verhältnisse können im Raum unteres Aaretal grössere geothermische Anomalien lokalisiert werden, welche durch aufsteigende Tiefengrundwässer erklärbar sind.

• Im Gebiet des Zürcher Weinlands ist keine Zone mit erhöhtem Wärmefluss zu erkennen.

Die Werte liegen unter 100 mW/m². Hier gibt es keine Hinweise auf aufsteigende Tiefen-grundwässer, und es gibt auch keine Hinweise auf rezente magmatische Aktivitäten im Untergrund.

3.9 Rohstoffvorkommen

Bei der Evaluation von Standorten für ein geologisches Tiefenlager ist das Vorhandensein möglicher abbauwürdiger mineralischer Rohstoffe bzw. nutzbarer Mineral- und Thermalwässer sowie das geothermische Potenzial (vgl. Kap. 3.8) zu prüfen und zu beurteilen. Dabei geht es um die Frage möglicher Interessenskonflikte zwischen der Erstellung eines geologischen Tiefenlagers sowie der Nutzung von Ressourcen untertage. Im ersten Zwischenbericht zur Sedimentstudie (Nagra 1988) wurde diese Frage aufgrund des Wissensstandes, d.h. der damals nachgewiesenen und vermuteten Rohstoffvorkommen im regionalen Rahmen, ausführlich dis-kutiert. Im vorliegenden Kapitel werden diese Ergebnisse rekapituliert und durch den seit-herigen Erkenntniszuwachs aus regionaler und lokaler Erkundung sowie aus gezielten Pro-spektionsversuchen ergänzt. Eine weiterführende Gesamtübersicht über die Rohstoffvorkom-men des Kantons Zürich findet sich in Bolliger et al. (1999).

3.9.1 Kohle und Kohlegas

Im Rahmen der regionalen Erkundung des Gebiets zwischen dem unteren Aarelauf und dem Bodensee (Naef et al. 1995) wurde ausgehend von der Bohrung Weiach die mögliche Verbrei-tung der dort nachgewiesenen Kohleflöze (Flamm- bis Fettkohle) in den Permokarbonsedi-menten untersucht (Diebold 1988). Aufgrund dieser mutmasslichen Verbreitungsgebiete und der Tiefenlage der (seismischen) Anzeichen von Kohleflözen konnten Aussagen über die grund-sätzlich in Frage kommenden Explorationsgebiete gemacht werden. Dabei ist für die Gewin-nung des Rohstoffs zu unterscheiden zwischen dem konventionell-bergmännischen Kohleabbau und der Kohleflözentgasung in situ.

Konventioneller Bergbau für die Ausbeutung der Kohleflöze im Permokarbontrog ist bei den gegebenen Tiefen der mutmasslichen Vorkommen aus heutiger Sicht unwahrscheinlich. Denn es bestehen Möglichkeiten zur Nutzung des Kohlegases von der Erdoberfläche aus, indem es – auf ähnliche Weise wie bei konventioneller Erdgasgewinnung – mittels Tiefbohrungen gefördert wird. Diese Methode findet in den USA seit den 80er Jahren Anwendung in den coalbed methane-Projekten. Die Tiefe der bisher auf diese Weise erschlossenen Kohlevorkommen bewegt sich überwiegend im Bereich von weniger als 1'500 m; in grösseren Tiefen häufen sich technische Schwierigkeiten. Auf die Verhältnisse der Nordschweiz übertragen bedeutet dies aufgrund des heutigen Standes der strukturellen Erkundung, dass sich die Höffigkeit auf einen Gebietsstreifen etwa nördlich einer Linie Baden–Weiach–Stein am Rhein beschränkt.

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3.9.2 Kohlenwasserstoffe

In rund vierzig Jahren der Erdöl- und Erdgasexploration wurden im Untersuchungsgebiet (unteres Aaretal bis Bodensee), das z.Z. zur Konzession der SEAG (Aktiengesellschaft für schweizerisches Erdöl) gehört, in mehreren Etappen reflexionsseismische Daten akquiriert (letztmals 1990). In den nächstliegenden Explorationsbohrungen Kreuzlingen-1 (gebohrt 1962), Lindau-1 (1964), Berlingen-1 (1964) und Herdern-1 (1982) wurden bisher keine produzierbaren Kohlenwasserstoffvorkommen gefunden. Als Grund für die Misserfolge sind einerseits unbe-friedigende Eigenschaften der Speichergesteine (geringe Permeabilitäten) in den mesozoischen Zielhorizonten zu nennen, anderseits ist die strukturelle Integrität der getesteten Hochlagen fraglich. Nach den erfolglosen Explorationsbemühungen wurde die Swisspetrol-Holding AG im Jahr 1994 liquidiert und die existierenden Daten der verbleibenden, neu strukturierten SEAG übertragen.

Keine der erwähnten SEAG-Bohrungen hat das unter dem Mesozoikum liegende Permokarbon durchteuft. Die Nagra-Bohrungen Weiach (gebohrt 1983) und Riniken (1983/84) durch die mächtigen Serien des Nordschweizer Permokarbontrogs (NPT) eröffneten diesbezüglich neue Perspektiven (Häring 1993). Namentlich in den tiefen Trogfüllungen zeichneten sich sowohl potenzielle Speichergesteine als auch abdichtende Formationen ab. Allerdings wurden damals nur geringe Anzeichen von Gasspuren festgestellt; trotzdem schrieb man in Fachkreisen den tiefen Sedimentfüllungen des NPT zumindest ein relativ hohes Potenzial für Gasvorkommen zu.

Aus diesem Grund wurde im Herbst des Jahres 2000 rund 400 m nordwestlich der Nagra-Bohrung Weiach von der SEAG und einem US-amerikanischen Konsortium eine Explorations-bohrung (Weiach-2) durch das Permokarbon bis zum kristallinen Grundgebirge abgeteuft, namentlich um das allfällige Vorhandensein von Gas in Porenräumen zu erkunden (tight gas reservoirs, Kempter 1999). Die Tests haben keine schlüssigen Resultate erbracht.

Mit der Neuinterpretation der strukturellen Verhältnisse im Grundgebirge aufgrund der Analyse der Bohrung Benken (Nagra 2001) und der 3D-Seismik gewinnt auch das Bild in bezug auf all-fällige Ressourcen schärfere Konturen (Birkhäuser et al. 2001 Fig. 4.19). Der zentrale Sockel-bereich des Weinlands besteht aus kristallinem Grundgebirge. Als südliche Begrenzung des Kristallins wird ein Übergang in die Schulter des Riniken-Weiach-Trogs vermutet, dessen Fort-setzung sich nach Osten abzeichnet (Permokarbonvorkommen der Bohrung Dingelsdorf). Im Norden der kristallinen Zone im Weinland lässt die Seismik bezüglich des Sockels keine schlüssige Interpretation zu; Permokarbon kann indes nicht ganz ausgeschlossen werden.

3.9.3 Salz

Bekannte abbauwürdige Steinsalzvorkommen liegen vor allem längs des Rheins zwischen Augst und Zurzach. Auch im Klettgau waren Prospektionsbohrungen bei Geisslingen und Oberlauchringen erfolgreich (Steinsalzlager von 3 bis 20 Meter Mächtigkeit, Bausch & Schober 1997). Erfolglos waren hingegen die Probebohrungen im nordöstlich anschliessenden Randen (Wilchingen, Siblingen, Schleitheim; Hofmann 1981). Geyer & Gwinner (1991) haben auf den damals vorhandenen Grundlagen eine Karte der mutmasslichen Verbreitung von Salzvor-kommen entworfen; es zeichnete sich eine östliche Begrenzung in der Gegend von Kaiserstuhl ab. Daher durchteufte man eher überraschend mit der Bohrung Benken auf einer Länge von rund 13 Metern eine stark mit Anhydrit und Tonsteinen durchsetzte Lage von Steinsalz. Wie in Kapitel 3.2 ausgeführt, gehört dieses Salz jedoch nicht zu einer ausgedehnten, in ruhigem Milieu abgelagerten Schicht sondern ist als stark verunreinigtes Vorkommen mit lokaler Begrenzung ohne Abbaupotenzial zu betrachten.

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3.9.4 Mineral- und Thermalwasser, Geothermie

Folgende Tiefenaquifere sind in der Nordostschweiz von lokaler bis regionaler Bedeutung:

- Obere Meeresmolasse (OMM) - Untere Süsswassermolasse (USM) - Malm

- Muschelkalk

- Buntsandstein/geklüftetes Kristallin

Ihre Nutzung für die Gewinnung von Tafelmineralwasser beschränkt sich auf die OMM ("Aqui"

in der Stadt Zürich) und die USM in Eglisau (mit Beimischungen von Malm-Wasser).

Von gewisser Bedeutung sind die Tiefenaquifere der OMM als Wärmequellen. Die Wasser-temperaturen reichen von 19°C (Kloten) bis 23°C (Bassersdorf). Die zurückhaltende geother-mische Nutzung der tieferliegenden Aquifere hängt mit wirtschaftlichen Überlegungen zusam-men. Wie zum Beispiel die Abklärungen im Auftrag der Gemeinde Weiach für die Möglich-keiten der Nutzung der Nagra-Bohrung gezeigt haben, garantiert selbst eine bereits vorhandene Tiefbohrung ihre wirtschaftliche Nutzung keineswegs (Investitionen, Transportleitungen, kriti-sche Grösse von Verbraucherzentren etc.).

Die Darstellung der geothermischen Verhältnisse der Nordschweiz (Kap. 3.8) zeigt, wo aus heutiger Sicht tendenziell ein Potenzial für die Nutzung dieser Ressource zu erwarten ist. Mit einem Schwerpunkt beim Zusammenfluss von Aare, Reuss und Limmat und einem im untersten Aaretal schwächt sich die Wärme-Anomalie nach Osten ab.

3.9.5 Rohstoffvorkommen: Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse

Der Gesteinsuntergrund in der Nordostschweiz gehört zu den geologisch besterkundeten Gebie-ten des Landes. Dazu beigetragen haben zur Hauptsache rund vier Jahrzehnte Kohlenwasser-stoffexploration sowie die Untersuchungen der Nagra. Aufgrund der vorliegenden Kenntnisse ergeben sich bezüglich denkbarer Nutzungskonflikte mit einem geologischen Tiefenlager im Zürcher Weinland folgende Aussagen:

• Konventioneller Bergbau für die Ausbeutung von Kohleflözen im Permokarbontrog ist in den Tiefen der mutmasslichen Vorkommen aus heutiger und auf lange Sicht unwahrschein-lich. In-situ-Kohleflözentgasung wäre allenfalls südlich des Untersuchungsgebiets denkbar (Rand des Weiach-Trogs).

• Die Suche nach "unkonventionellen" Gasvorkommen (tight gas reservoir) war bisher er-folglos. Aufgrund der bisherigen Erfahrungen kämen dafür höchstens Bereiche der tiefen Tröge, d.h. weit südlich des Zürcher Weinlands, in Frage.

• Das Salzvorkommen in der Bohrung Benken ist keine Ressource (geringe Ausdehnung, grosse Tiefe, ungenügende Qualität).

Das Zürcher Weinland ist aufgrund der Wärmeflussverteilung für die konventionelle geo-thermische Nutzung nicht prädestiniert.

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3.10 Geologische Entwicklungsgeschichte und heutige geologische