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Frage 89: Aufstiege von Kohlenstoffdioxid-Gas durch die Opalinuston-Formation

Die Verteilung von Kohlenstoffdioxid-Gas tiefer Herkunft in Quellen und Grundwässern ist generell bekannt, in ihren Ursachen bisher aber erst unzureichend geklärt. Von besonderem Interesse sind CO2-Aufstiege durch die hydrologische Stockwerksgliederung im Untergrund des Schicht-Stufenlandes mit der Abfolge ausgeprägter Grundwasserleiter und sehr gering bis undurchlässiger Gesteine. Von diesen weist die mächtige Tonsteinserie der Opalinuston-Formation unterhalb der oberflächennahen Auflockerungszone eine gute Barriereneigenschaft auf und wird deshalb auch als potenziell geeignetes Wirtsgestein für die tiefe Endlagerung hochradioaktiver Abfälle diskutiert. Die Austritte von tiefem CO2 oberhalb der Opalinuston-Formation im Bereich der Schwäbischen Alb lassen allerdings auf örtlich gasdurchlässige Strukturen auch durch die hydrologisch hochwirksame Barriere des Opalinustons schliessen. Da die mögliche Existenz solcher gasdurchlässiger Strukturen im Opalinuston bei einer Endlager-Standortsuche aber unbedingt berücksichtigt werden muss bitte ich um Auskunft, ob sämtliche Opalinuston-Formationen in den Standortregionen in der Schweiz bereits auf eine mögliche Gasdurchlässigkeit von tiefem CO2 untersucht worden sind, und mit welchem Ergebnis.

Thema Bereich
Eingegangen am 3. Dezember 2012 Fragende Instanz Vertreter Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland e. V. / D
Status beantwortet
Beantwortet am 2. April 2014 Beantwortet von ,

Beantwortet von EGT (ehem. KNE)

In Baden-Württemberg sind im Bereich der Schwäbischen Alb drei Stellen bekannt, an denen Gas (Kohlendioxid) im Bereich gestörter geologischer Schichten (Bruchstrukturen bzw. Vulkanschlot) aufsteigt. Die dort vorliegenden Versätze der Tonformation von unter 20 m sind für das Gas durchlässig, während sie für Grundwasser praktisch nicht durchlässig sind. Der Opalinuston befindet sich dort allerdings in geringerer Tiefe als in den vorgeschlagenen Standortgebieten geologischer Tiefenlager. Im Kanton Aargau bekannte Thermal- und Mineralwasseraufstiege finden ebenfalls entlang von entsprechenden tektonischen Strukturen statt. Aufsteigende Gase sind hierbei – anders als in den Beispielen aus Baden-Württemberg – in Wasser gelöst. Ein Aufstieg von Gas durch intakten Opalinuston ist auszuschliessen. Anhand von Experimenten an intaktem Gestein können aber keine Aussagen über Gasaufstiege an evtl. Fehlstellen (Störungen) getroffen werden. Die EGT empfiehlt, die Gasdurchlässigkeit von Störungen standortunabhängig (z.B. mit weiteren Versuchen im Felslabor Mont Terri) experimentell zu untersuchen.

In Baden-Württemberg sind im Bereich der Schwäbischen Alb drei Stellen bekannt, an denen Kohlendioxid (CO2) aus dem tiefen Untergrund durch den teilweise mehr als 100 m, maximal 150 m, mächtigen Opalinuston hindurch an die Oberfläche aufsteigt. Zwei dieser Gasdurchtritte befinden sich im oberen Filstal, Landkreis Göppingen, in Bad Ditzenbach und Bad Überkingen. An beiden Stellen treten Säuerlinge aus. An beiden Stellen werden die Gasdurchtritte auf tektonische Bruchstrukturen zurückgeführt (LGRB, 2006; Prestel & Schloz, 2011). Aus Isotopenmessungen wird vermutet, dass das Gas magmatischer Herkunft ist. Daraus muss gefolgert werden, dass demnach die dort vorliegenden Versätze der Tonformation von unter 20 m für das Gas durchlässig sind, während sie für Grundwasser praktisch nicht durchlässig sind. Die Obergrenze des Opalinustons befindet sich in Bad Ditzenbach etwa 70 m unter Gelände und in Bad Überkingen etwa 50 m.

Der Säuerling in Kleinengstingen, Landkreis Reutlingen, auf der Schwäbischen Alb ist hinsichtlich seines Auftretens einmalig (Prestel & Schloz, 2011). Hier wird davon ausgegangen, dass der Transport entlang eines Tuffschlots von 100 m Durchmesser aus miozänem (etwa vor 23 bis 5 Mio. Jahren) Vulkanismus stattfindet. Die Obergrenze des Opalinustons liegt an dieser Stelle auf der Schwäbischen Alb bei etwa 330 m unter Gelände.

Im Bericht des LGRB (2006) wird auf einen Bericht der NAGRA aus dem Jahr 2002 zum Gastransport im Opalinuston verwiesen, welcher das Phänomen eines kontinuierlichen Gastransports durch diese Tonsteine in vergleichbarer lithologischer Ausbildung, aber in wesentlich grösserer Tiefenlage, nicht nennt. Jedoch liegen für die Schweizer Vorkommen des Opalinustons umfangreiche experimentelle Labor- und Feldstudien vor, die sich mit Fragen zum Gastransport befassen (z.B. Croisé et al., 2006; Marschall et al., 2005). Im Wesentlichen geht hieraus hervor, dass die intakten Tonsteine in relevanten Tiefen unterhalb 200 m sehr gering bis praktisch gar nicht durchlässig sind, folglich eine sehr gute Barrierenwirkung haben.

Es können anhand von Experimenten an intaktem Gestein keine Aussagen über Gasaufstiege an evtl. Fehlstellen getroffen werden, wie im Fall der Schwäbischen Alb z.B. an tektonischen Verwerfungen oder entlang vulkanischer Strukturen. Burger (2009) gibt eine Übersicht über Vorkommen von Thermal-/Mineralwasseraufstiegen im Kanton Aargau in der Schweiz. Diese Aufstiege finden jedoch entlang von entsprechenden tektonischen Strukturen statt, sodass hier nicht von einem intakten Barrierengestein ausgegangen werden darf.

Grundsätzlich muss hinsichtlich der erforderlichen Voraussetzungen zwischen vertikalem Gastransport und vertikalem Wassertransport unterschieden werden. Letzterer erfordert eine hydrogeologische Situation mit gespannten Aquiferen in der Tiefe, die einen Aufstieg von Wässern entlang durchlässiger Strukturen, wie z.B. eben durchlässige tektonische Verwerfungen, möglich machen. Für einen vertikalen Transport von Gas sind gespannte Aquifere nicht erforderlich, wenngleich unterstützend. Das Gas, welches z.B. auch durch Druckentlastung aus dem gelösten Zustand in eine freie Gasphase übertritt, weist eine sehr viel geringere Dichte auf als Wasser. Bei entsprechenden Gasmengen, die ein Überschreiten von Residualsättigungen und ggf. auch von Eintrittsdrücken erlauben, kann eine Mehrphasenströmung von Gas nach oben hin einsetzen. Die Beschreibungen in den oben genannten Quellen sind daher prinzipiell plausibel, wenngleich nicht für den Einzelfall überprüfbar, da die Datenlage dies nicht hergeben würde.

Bedeutende Wasseraufstiege sind nach heutiger Kenntnis an aufgelockerte Störungszonen gebunden. Ein Beispiel stellten die Untersuchungen zum Bözbergtunnel dar. So können im Bereich der Schuppenzone (siehe Frage 61) Wässer aus tieferen Grundwasserleitern aufsteigen (Thermalquellen Bad Schinznach). Im Opalinuston wurden solche Zonen auch in tektonisch gestörter Lage bisher nicht beobachtet. Als Ursache wird hier das Selbstabdichtungsvermögen angesehen (vgl. Situation im Felslabor Mont Terri oder Opalinuston im Bözbergtunnel). Im Tafeljura und der Vorfaltenzone sind derartige Fliesswege unwahrscheinlich, aber heute nicht auszuschliessen (aus Antwort zur Frage 61).

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die im Opalinuston gemessenen Porenwasserprofile an Bohrkernen der Bohrung Benken von Cl– und δ180 klar darauf hinweisen, dass innerhalb des Porenraums des OPAs der Transport diffusiv erfolgt. Advektion ist von sehr untergeordneter Bedeutung. Dies deutet wohl auch darauf hin, dass Wegsamkeiten im ungestörten OPA „fehlen“, welche einen vertikalen Fluidtransport überhaupt erst ermöglichen würden.

Jedoch geht es in der hier gestellten Frage um den Gasdurchtritt. Aufgrund der Dichtedifferenz zwischen Gas und Wasser ist der Gasdurchtritt an tektonischen Störungen im Opalinuston wie z.B. in Bad Ditzenbach möglich, während auch dort der Wasseraustausch zwischen den Stockwerken praktisch nicht stattfindet.

Die Opalinuston-Formation wurde nicht in sämtlichen Standortregionen in der Schweiz bereits auf eine mögliche Gasdurchlässigkeit von tiefem CO2 untersucht. Die EGT empfiehlt, die Gasdurchlässigkeit von Störungen standortunabhängig (z.B. mit weiteren Versuchen im Felslabor Mont Terri) experimentell zu untersuchen. Allerdings ist ein Gasdurchtritt durch eine intakte Opalinuston-Formation auszuschließen, da alle aus der Literatur bekannten Aufstiegsszenarien immer ausgeprägte tektonische Verwerfungen beinhalten.

Referenzen

Burger, 2009, Burger, H.: Vorkommen, Nutzung und Schutz von Thermalwässern und Mineralwässern im Kanton Aargau: eine Übersicht, Swiss.Bull.angew.Geol. 14(1+2), 13-27, 2009

Croisé et al., 2006, Croisé, J., Mayer, G., Marschall, P., Matray, J.M., Tanaka, T. und Vogel, P.: Gas threshold pressure test performed at the Mont Terri Rock Laboratory (Switzerland): Experimental data and data analysis, Oil & Gas Science and Technology 61(5), 631-645, 2006

LGRB, 2006, Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg: Kohlenstoffdioxid-Aufstiege durch die Opalinuston-Formation (al1) in Baden-Württemberg, Fachbericht, 2006

Marschall et al., 2005, Marschall, P., Horseman, S. und Gimmi, T.: Characterization of gas transport properties of the Opalinus Clay, a potential host rock formation for radioactive waste disposal, Oil & Gas Science and Technology 60(1), 121-139, 2005

Prestel & Schloz, 2011, Prestel, R. und Schloz, W.: Aufstiege von tiefem Kohlendioxid (CO2) durch die Opalinuston-Formation in Baden-Württemberg, Jh.Ges.Naturkde.Württemberg, 167, 163-190, 2011

Beantwortet von swisstopo

Im Felslabor Mont Terri haben wir keinen CO2 Gastransport, so wie in der Schwäbischen Alb in Baden-Württemberg beobachtet und in der Publikation von Prestel (2011) beschrieben, gemessen. In der Umgebung von Bad Ditzenbach, Bad Überkingen und Kleinengstingen ist ein langsamer Gastransport von CO2 durch den Opalinuston beobachtet worden. Dieses CO2 ist magmatischen Ursprungs, stammt aus dem Basement und wird längs Vulkanschloten und tektonischen Brüche in die Sedimente und an die Oberfläche transportiert. – Dies wäre theoretisch auch im Felslabor Mont Terri möglich, falls eine analoge CO2 Quelle aus dem Basement oder dem Permokarbontrog vorhanden wäre. Das am Mont Terri im Opalinuston gemessene CO2 wird in-situ produziert, stammt also aus der Formation selbst und nicht aus einer tieferen Quelle. Bei einem CO2 Gastransport wird die Barrierewirkung des Opalinustons (Sorption, sehr geringe hydraulische Durchlässigkeit, Selbstabdichtungseigenschaften) nicht beeinträchtigt.

Das Felslabor Mont Terri gibt einen Beitrag zur Beantwortung dieser Frage, da Gase im Forschungsprogramm eine wichtige Rolle spielen und die Gasproblematik in mindestens 12 Experimenten angegangen wurde und wird. Dabei spielt vor allem der Wasserstoff eine wichtige Rolle, der während der aneroben Korrosion der Stahlbehälter entsteht. Aber auch die natürlichen vorkommenden Gase wie das Kohlendioxid wurden und werden untersucht.

Transport von natürlichen Gasen:

Im Opalinuston des Felslabors konnte die Verbreitung von verschiedenen natürlichen Gasen nachgewiesen werden (z.B. Methan, Kohlendioxid, Stickstoff, Alkane (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und Helium). Diese Gase sind im Porenwasser gelöst und verbreiten sich durch die molekulare Diffusion, analog wie dies die gelösten Salze im Porenwasser (Kationen, Anionen) tun. Die meisten dieser Gase werden innerhalb der Opalinustonformation gebildet (z.B. der Stickstoff und das CO2 aus organischen Bestandteilen, das Helium aus der Uran-Thorium-Lithium Zerfallsreihe). Es gibt keine Hinweise auf höher-gasdurchlässige Strukturen im undeformierten Opalinuston, sowohl in der Gesteinsmatrix als auch längs tektonischen Brüchen. Beide Medien (Matrix und Brüche) weisen in etwa die gleichen Gasdurchlässigkeiten auf. Hingegen sind eindeutige präferentielle Gasfliesswege mit erhöhten Gasdurchlässigkeiten in der Auflockerungszone rund um den Tunnel beobachtet und bestätigt worden. In diesen Strukturen kann auch eine gewisse Entgasung der im Porenwasser gelösten Gase stattfinden. Im Felslabor selbst haben wir aber nie relevante Konzentrationen gemessen (z.B. Methan).

Transport von künstlich injizierten Gasen:

Zahlreiche Gastests, welche im Mont Terri Felslabor mit verschiedenen Gasen (Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Argon) durchgeführt worden sind führten zu folgenden Resultaten:

  • Die Gaseintrittsdrucke sind relativ gering und liegen in der Grössenordnung zwischen 1.8-2.5 MPa (Miehe et al., 2010)
  • Die intrinsische Gaspermeabilität variiert zwischen 2×10-20 und 10-15 m2, wobei eine direkte Abhängigkeit von Injektionsdruck und Gaspermeabilität besteht (Marschall et al., 2002, Miehe et al., 2010)
  • Gasexperimente an Bohrkernen und in-situ im Felslabor lassen auf folgende Transportprozesse und Gasfliesswege schliessen: 1) Gase werden im Porenwasser gelöst (hängt von der Löslichkeit des Gases ab), 2) der Gasfluss kann mit einem klassischen Zwei-Phasenfluss beschrieben werden, 3) sobald sich der Gasdruck bei Gasinjektionsversuchen dem Wert der minimalen Hauptspannung annähert beginnt die Dilatanz-gesteuerte Gasausbreitung; dabei öffnen sich die Schichtflächen und die tektonischen Brüche, 4) Gasfracturing bei hohen abrupt applizierten Gasinjektionsdrucken.
  • Reaktiver Gastransport bei Wasserstoff (Sufatreduktion und Bildung von Sulfiden).

Rein hypothetisch ist ein CO2 Gastransport wegen der tiefen Eintrittsdrucke und der vorhanden Gaspermeabilität aus tiefer liegenden Formation in und durch den Opalinuston möglich. Die relevanten Prozesse wären dabei vor allem die Lösung des CO2 im Porenwasser und der advektiv-diffusive Gastransport des gelösten CO2 durch den Opalinuston. Der pH-Wert würde sich nicht wesentlich ändern, da im Überschuss vorhandene Karbonatmineralien die CO2 Lösung puffern würden. Wegen der sehr guten Löslichkeit des CO2 sind der Zwei-Phasenfluss und die Dilatanz-gesteuerte Gasausbreitung eher unwahrscheinlich.

Herkunft des CO2 im Opalinuston des Mont Terri:

CO2 im Opalinuston des Mont Terri Felslabors entstand und entsteht aus der Zersetzung von organischem Material aus Landpflanzen und marinen Algen. Das CO2 und die Kohlenwasserstoffe wurden und werden in-situ gebildet. CO2 im Porenwasser wurde vom französischen BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières) und der Universität Bern genauer untersucht und zwar an der BPC-C2 Bohrung (Lerouge et al., 2011 und Waber et al., 2011). Am Mont Terri ist das CO2 im Porenwasser gelöst und mit den Karbonatmineralien im Opalinuston im Gleichgewicht (Partialdruck CO2=10 -2 bis 10-2.5 bar, pH=6-7). Es ist kein freies gasförmiges CO2 vorhanden. Die isotopengeologischen Untersuchungen geben keinen Hinweise darauf dass der Opalinuston von CO2 oder Kohlenwasserstoffen aus tieferen Formationen durchströmt wurde, z.B. aus permokarbonischer oder magmatischer Herkunft (Scholtis et al., 1999). Es gibt unseres Wissens (Archiv der Landesgeologie) auch bei den anderen potentiellen Standorten in der Nordschweiz keine Indizien für eine Durchströmung mit CO2 tiefer Herkunft.

CO2 Aufstieg in der schwäbischen Alb in Baden-Württemberg:

CO2 Gastransport wird in der Schwäbischen Alb in Baden-Württemberg von Prestel (2011) detailliert beschrieben und dokumentiert. Wir kommentieren diese Publikation wie folgt:

  • Das untersuchte Gebiet bei Bad Ditzenbach, Bad Überkingen und Kleinengstingen liegt innerhalb der Schichtstufenlandschaft im Bereich der Ausbisslinie des Opalinustons. Die Überlagerungen sind somit sehr gering, die Oberkante des Opalinustons liegt nur 50-70 m unterhalb der Geländeoberkante. Der Ton weist dort somit infolge Auflockerung erhöhte Durchlässigkeiten auf. In Oberflächennähe ist der Grenzdruck für die dilatanzgesteuerte Gasausbreitung sehr gering (Nagra, 2002). Zudem liegen insbesondere die Standorte Bad Ditzenbach und Bad Überkingen im Bereich von grossen Bruchstrukturen, welche zu einer erhöhten Klüftigkeit des Gesteins führen. Diese Verwitterungs- und Auflockerungsstrukturen könnten die Ursache für eine CO2-Entgasung sein.
  • Der Standort Kleinengstingen liegt im Bereich eines vulkanischen Schlots. Die genauen Probennahmestandorte mit den dazugehörigen geologischen Situationen sind aus der Publikation nicht eruierbar. Auch die geologischen Atlasblätter von Baden Württemberg (7424 Deggingen, 7521 Reutlingen) helfen hier nicht weiter. Ebenfalls ist unklar, wie die Proben entnommen wurden (kein Methodenbeschrieb, Probennahme nicht nachvollziehbar).
  • Gemäss Prestel (2011) zeigen die gemessenen Isotopensignaturen eine tiefe magmatische Herkunft des CO2. Aufgrund der niedrigen Druckhöhen des Grundwassers in den Aquiferen unter dem Opalinuston ist ein Gastransport mit aufsteigendem Grundwasser auszuschliessen. Zudem durchschlagen die Bruchstrukturen den OPA nicht vollständig, da der Versatz bei 130 m Opalinuston-Mächtigkeit nur ca. 30 m beträgt. Daraus schliesst der Autor, dass entlang von solchen Bruchstrukturen keine gasdichte Verheilung durch Quellen oder Plastifizierung stattgefunden hat.

Die Situation am Mont Terri und in den schweizerischen Standortgebieten ist aus mehreren Gründen nicht mit der in Publikation von Prestel (2011) vergleichbar:

  • Die Überlagerung ist bei den untersuchten Schweizer Standorten viel höher. Eine Auflockerung oder Verwitterung des Opalinustones auf der Kote eines potentiell zukünftigen Tiefenlagers kann dort ausgeschlossen werden. Die Überlagerungen betragen 500 m oder mehr. Am Mont Terri beträgt die Überlagerung ca. 300 m.
  • Die potentiellen Standorte liegen alle weit weg von grossen Bruchstrukturen oder Vulkanschloten. Beim Mont Terri wäre eine grosse Rampenstruktur in unmittelbarer Nähe, diese durchschlägt auch den Opalinuston mit Zweigstörungen. Das im Porenwasser gelöste CO2 am Mont Terri ist jedoch eindeutig in-situ gebildet worden. Zudem ist das Gestein innerhalb der Mont Terri Rampenfalte stark tektonisiert. Auch diese Schwächung des Gesteinsverbandes hat nicht zu einer Migration von CO2 aus dem mutmasslichen Permokarbontrog geführt.
  • Messwerte aus dem Mont Terri und Nagra-Bohrungen an den potentiellen Standorten in der Nordschweiz ergeben keinerlei Hinweise auf die Migration von CO2 magmatischer oder permokarbonischer Herkunft durch den Opalinuston hindurch.

Beeinträchtigung der Barrierewirkung des Opalinustones:

Schlussendlich bleibt noch die Frage, ob ein CO2 Gastransport durch den Opalinuston wie in Prestel (2011) dokumentiert Auswirkungen auf die Rückhalteeigenschaft wie z.B. die Sorption an den Tonmineralien hätte. Wichtig ist, dass eine CO2 Front den pH-Wert des Porenwassers nicht oder nur gering verändern würde. Das System ist gepuffert, da genügend fein verteilter Karbonatdetritus und kalzitische Zemente im Sediment vorhanden sind. CO2 liegt in der Speziierung von CO32- vor und zwar bei einem pH von 6-7 (fast neutral). Die Sorptionseigenschaften des Tons würden sich somit nicht ändern.

Referenzen

Hekel, U., 1994: Hydrogeologische Erkundung toniger Festgesteine am Beispiel des Opalinustons (Unteres Aalenium). – Tüb. Geowiss. Arb. Reihe C, Nr. 18, 170 S., 131 Abb., 12 Tab.; Tübingen

Lerouge, C., Blanc, P., Gaboreau, S., Decouchon, E., Guerrot, C., Wille, G., Jean-Prost, V. and H. Haas, 2011: Mineralogy and geochemistry of cores of the BPC-C2 borehole Mont Terri Rock Laboratory – phase II, Final report, Mont Terri Technical Note 2010-05rev, August 2011

Marschall, P., Croisé, J., Schlickenrieder, L., Boisson, J.Y., Vogel, P. and S. Yamamoto, 2002: Synhesis of hydrogeological investigations at the Mont Terri site. Unpubl. Mont Terri Tech. Rep. TR 2001-02

Miehe, R., Czaikowsik, O., Wieczorek, K. (2010): Barrier Integrity of the Isolation Rock Zone in Clay Formations. Mont Terri Technical Note TN 2010-82.

Nagra, 2002: Technischer Bericht NTB 02-03; Projekt Opalinuston, Synthese der geowissenschaftlichen Untersuchungsergebnisse, Wettingen Schweiz

Ohmert, W., 1994: Geologische Karte von Baden-Württemberg 1:25‘000, inkl. Erläuterungen zum Blatt, Blatt 7521 Reutlingen

Prestel, R., 2011: Aufstiege von tiefem Kohlendioxid (CO2) durch die Opalinuston-Formation in Baden-Württemberg, Jh. Ges. Natrukde. Württemberg, 167, S. 163.190

Schall, W., Geyer, M. and M. Franz, 2004: Geologische Karte von Baden-Württemberg 1:25’000, Blatt 7424 Deggingen

Scholtis, A., Jones, M., Schwark, L. and M. Vliex, 1999: Organic Matter Characterization of Rocks and Porewaters, in Landeshydrologie und –geologie, Geologische Berichte Nr. 23, Mont Terri Rock Laboratory – Results of the Hydrogeological, Geochemical and Geotechnical Experiments Performed in 1996 and 1997, M. Thury, P. Bossart, p.152-158

Thury, M. & Bossart, P., (Eds.), 1999: Mont Terri Rock Laboratory: Results of the Hydrogeological, Geochemical, and Geotectonical Experiments performed in 1996 and 1997. Landeshydrologie und -geologie, Geol. Ber. Nr.23. Bern, Switzerland

Waber, N. and A. Vinsot, 2011: GD experiment: Analysis of porewater and gas samples collected from BPC-C2 borehole and its extension, Mont Terri Technical Note 2010-25, June 2011