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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