Geothermische Nutzhorizonte in Baden-Württemberg

Oberrheingraben und Molassebeckenstellen stellen in Baden-Württemberg die primären Zielregionen der Tiefen Geothermie für hydrothermale Nutzungen dar (Abb. 1). Bei einer hydrothermalen Nutzung wird Wasser aus tiefen Grundwasserleitern (Aquifere) gefördert. Diesem wird an der Erdoberfläche durch einen Wärmetauscher die Wärme entzogen, die dem Nutzer dann für die Weiterverarbeitung, sei es für Heizzwecke und/oder zur Stromerzeugung zur Verfügung steht. Das abgekühlte Wasser muss zur Erneuerung (Recharge) des Aquifers, meist auch aus entsorgungstechnischen Gründen - denn die Tiefenwässer sind in der Regel höher mineralisiert als oberflächennahe Wässer - in einer bestimmten Entfernung zur Entnahmebohrung in denselben Aquifer zurückgegeben (injiziert) werden. Ein hydrothermales Nutzungssystem (Dublette) besteht daher aus zwei Bohrungen.

Zur Entwicklung von Modellkonzepten über den strukturellen Bau des tieferen Untergrundes wurden reflexionsseismische Sektionen aus der Erdöl-/Erdgasexploration für den Oberrheingraben und das Molassebecken zusammengestellt. Die digitalisierten Lagepläne und gescannten Seismiksektionen bilden in Kombination mit Tiefbohrungen die Datengrundlage für die Erarbeitung zweidimensionaler geologischer Tiefenschnitte. Darüber hinaus können seismische Sektionen Informationen über die Lage von Störungen, die Tiefenlage und Mächtigkeit geothermischer Nutzhorizonte sowie die Faziesverteilung liefern. Anhand der Kenntnisse über den regionalen geologischen Bau des Untergrunds lassen sich Hinweise auf erreichbare Temperaturen, Förderraten sowie auf Kompressions- und Dehnungsstrukturen ableiten.

Der Gebirgsdurchlässigkeit der einzelnen geologischen Formationen im Untergrund kommt eine besondere Bedeutung zu, da sie zur Ermittlung von erzielbaren Förderraten zwingend notwendig sind. Im Oberrheingraben - sowohl auf deutscher wie auf französischer Seite - und im Molassebecken wurden erstmalig alle hydraulischen Testdaten aus Tiefbohrungen der Kohlenwasserstoffindustrie sowie aus Trinkwasser- und Thermalwasserbohrungen systematisch erhoben, ausgewertet und Gebirgsdurchlässigkeiten in den verschiedenen geothermischen Nutzhorizonten ermittelt. Darüber hinaus wurden halbqualitative Informationen, wie Absenkungen, Förderraten, Porositäten, Permeabilitäten ( PoroPerm-Daten) u.ä., zusammengestellt. Ebenso wurden qualitative Daten erhoben, wie Spülungsverluste, Störungen, fazielle Wechsel, Hohlraumstrukturen aus Schichtenverzeichnissen usw., um Hinweise auf Wasserwegsamkeiten zu erhalten. Alle diese Daten wurden zu den aus hydraulischen Tests ermittelten Gebirgsdurchlässigkeiten in Beziehung gesetzt, um den harten Datenbestand zu ergänzen.

Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeiten bildete die Hydrochemie der geothermischen Nutzhorizonte. Hydrochemische Analysen geben Aufschluss über die Zusammensetzung der im Untergrund zirkulierenden Fluide. Hauptaugenmerk liegt auf der Gesamtmineralisation, den Hauptinhaltsstoffen, dem Gasgehalt, dem pH-Wert und der Temperatur. Diese Daten sind insbesondere für die Planung und den Betrieb geothermischer Anlagen unter den Aspekten Lösung, Fällung und Korrosion von großer Bedeutung, zumal die Tiefenwässer meist eine erhöhte Mineralisation haben. Die Wässer wurden daher auf ihre Sättigung bezüglich bestimmter Inhaltsstoffe in Abhängigkeit von Druck und Temperatur untersucht.

Oberrheingraben

Die geologische Auswertung reflexionsseismischer Sektionen aus der Erdöl-/Erdgasexloration stellt die Grundlage zum Aufbau von Modellkonzepten über den tieferen Untergrund sowie die Tiefenlage und Mächtigkeit potentieller hydrogeothermischer Nutzhorizonte dar. Daneben ermöglicht sie die Entwicklung einer Vorstellung über den strukturellen Bau. Insbesondere für den bruchtektonisch sehr stark beanspruchten Oberrheingraben sind diese Informationen von essentieller Bedeutung.

Der Baden-Württembergische Teil des Oberrheingrabens lässt sich von Norden nach Süden durch folgende tektonische Großstrukturen charakterisieren: Heidelberger Loch, Karlsruher Schwelle, Rastatter Senke, Kehler Mulde, Rheinische Hauptschwelle, Hartheimer Becken und Kalibecken Buggingen. In einem Abstand von etwa 10 km wurden durch den Oberrheingraben geologische Querschnitte gelegt und durch geologische Längsschnitte ergänzt (Jodocy & Stober (2010a, 2010b). Diese Schnitte verdeutlichen den bruchtektonisch äußerst komplexen Bau des Oberrheingraben. Anhand der geologischen Schnitte können zudem Rückschlüsse auf die Tiefenlage und Mächtigkeit der geothermischen Nutzhorizonte gezogen werden.

Die potenziellen hydrogeothermischen Nutzhorizonte und damit Zielhorizonte im Oberrheingraben sind primär die geologischen Formationen des Oberen Muschelkalks und des Buntsandsteins. Darüber hinaus stehen im südlichen Grabenbereich zwischen Kehl und Basel der Hauptrogenstein (Mitteljura; früher: Dogger) sowie im nördlichen Grabenabschnitt sandige Lagen in der erdgeschichtlich noch verhältnismäßig jungen tertiären Schichtenfolge für eine hydrothermale Nutzung zur Verfügung (s. Erläuterung). Zusätzlich wurden die Schichten des Rotliegenden und die oberste Zone des kristallinen Grundgebirges in die Untersuchungen miteinbezogen.

Im südlichen Oberrheingraben stellt die Hauptrogenstein-Formation (Abb. 2) des Mitteljuras mit ihren Kalkoolithen einen meist porenreichen, klüftigen und in der Nähe von Verwerfungen häufig stark verkarsteten Gesteinskomplex dar (CEC 1979). Nördlich des Kaiserstuhls werden Gesamtmächtigkeiten von rund 70 m erwartet, die auf der Höhe von Offenburg in Richtung Norden stark zurückgehen und ab der Höhe Kehl mit einer zunehmenden Vermergelung vom Liegenden ins Hangende verbunden sind. Nördlich der Linie Hagenau–Appenweier hat der Hauptrogenstein in seiner tonigen Ausbildung der Schwäbischen Fazies keine hydrogeothermische Bedeutung mehr. Die Gebirgsdurchlässigkeit des Hauptrogenstein-Aquifers scheint großräumig von Süden nach Norden im Mittel abzunehmen. Die Hydrochemie der Tiefenwässer kann sehr hohe Gesamtlösungsinhalte aufweisen.

Foto von Ingrid Stober: Geklüfteter, leicht verkarsteter Hauptrogenstein (Breite: 2 m)

Abb. 2: Geklüfteter, leicht verkarsteter Hauptrogenstein (Breite: 2 m)
Foto: Ingrid Stober

Die Obere Muschelkalk-Formation (Abb. 3) stellt mit ihren oolithischen und dolomitischen Kalken einen bedeutenden Grundwasserleiter im gesamten Oberrheingraben dar. Lediglich im äußersten Norden wird der Obere Muschelkalk diskordant vom Tertiär überlagert, verliert erosionsbedingt zunehmend an Mächtigkeit und ist schließlich auf der Höhe Schriesheim komplett abgetragen. Der Obere Muschelkalk lässt sich in die Obere und Untere Hauptmuschelkalk- Formation gliedern. Die Mächtigkeit des Gesamtaquifers nimmt zu, wenn die überlagernden Schichten des Lettenkeupers sowie die unterlagernden obersten Teile des Mittleren Muschelkalks kalkig-dolomitisch ausgebildet sind (CEC 1979). Werden nur die Formationen des Hauptmuschelkalks herangezogen, bewegt sich die zu erwartende Mächtigkeit zwischen 60 und 85 m. Die größten Mächtigkeiten werden dabei in den Regionen um Offenburg und um Heidelberg erwartet. Die Gebirgsdurchlässigkeit des Oberen Muschelkalk-Aquifers bewegt sich in engen Grenzen (Stober et al. 2012), während bei der Hydrochemie die Variabilität größer ist.

Foto von Ingrid Stober: Verkarsteter, geklüfteter Oberer Muschelkalk (Breite: 2 m)

Abb. 3: Verkarsteter, geklüfteter Oberer Muschelkalk (Breite: 2 m)
Foto: Ingrid Stober

Im Gegensatz zur Formation des Oberen Muschelkalks ist die Buntsandstein-Formation (Abb. 4) im gesamten Untersuchungsraum anzutreffen. Die Gesteine des Buntsandsteins lassen sich als Kluft-Grundwasserleiter charakterisieren, wobei der Kluftabstand wesentlich größer ist als im Hauptrogenstein oder Oberen Muschelkalk (Abb. 2-4). Unter den geringmächtigen obersten schluffigen und feinsandigen Tonsteinen der Rötton-Formation folgen in der Regel zunächst feinkörnige Sandsteine mit Tonsteinen (Plattensandstein-Formation). Darunter lagern mächtige gröbere Sandsteine des Mittleren und Unteren Buntsandsteins mit kieseligem oder karbonatischem Bindemittel (CEC 1979, 1981). Der Buntsandstein erreicht nördlich des Kaiserstuhls Gesamtmächtigkeiten von rund 260 m. Bis nach Karlsruhe wird mit einer Zunahme der Mächtigkeit auf bis zu 500 m gerechnet. Weiter nach Norden findet schließlich im Liegenden des Tertiärs eine allmähliche Ausdünnung bis auf max. 300 m statt. Die Ursache dieser Ausdünnung ist wie beim Oberen Muschelkalk auf prätertiäre Hebungsvorgänge des Rheinischen Schildes und damit verbundene Abtragungsprozesse zurückzuführen. Die Gebirgsdurchlässigkeit des Buntsandstein-Aquifers ist großen Schwankungen unterworfen, während bei der Hydrochemie die Variabilität niedriger ist.

Foto von Ingrid Stober: Geklüfterer Buntsandstein (Breite: 15 m)

Abb. 4: Geklüfterer Buntsandstein (Breite: 15 m)
Foto: Ingrid Stober

Da das ehemalige variszische Grundgebirge vor Beginn der Trias von tiefen Becken und Trögen durchzogen war, ist die Verbreitung der permischen Sedimente des Zechsteins und Rotliegenden sehr heterogen. Diese einstigen Akkumulationsräume wurden zunächst mit devonisch-karbonischen Sedimenten, später mit zum Teil sehr mächtigen permischen Sedimenten aufgefüllt. Es st anzunehmen, dass sich die alten Sedimentationsbecken im Oberrheingraben unter der sedimentären postkarbonischen Verfüllung fortpflanzen. Anhand von Daten aus Tiefbohrungen wurde die Verbreitung der Rotliegend-Formation im Untersuchungsgebiet in den Schnitten durch den Oberrheingraben berücksichtigt. Aufgrund der sehr geringen Anzahl von Bohrungen sind jedoch entsprechend wenig Informationen verfügbar.

Molassebecken

Für den baden-württembergischen Teil des voralpinen Süddeutschen Molassebeckens stellen die Formationen des Oberen Juras und des Oberen Muschelkalks die primären potenziellen geothermischen Nutzhorizonte dar und sind daher Untersuchungsgegenstand dieses Projektes. In die Untersuchung miteinbezogen wird die oberste Zone des kristallinen Grundgebirges. Dabei sind die Formationen des höheren Oberen Juras im nördlichen Bereich aufgrund ihrer hohen Ergiebigkeit das Grundwasserstockwerk mit dem größeren hydrogeothermischen Potenzial.

Einen Überblick über die geologische Situation des Molassebeckens erhält man durch die Auswertung der reflexionsseismischen Sektionen, die vorwiegend aus der Erdöl-/Erdgasexloration stammen. Sie stellen die Grundlage für die geologischen Schnitte durch das Molassebecken dar (Jodocy & Stober 2009).

Faziell gegliedert in einen nördlichen und einen südlichen Abschnitt, sind innerhalb des Oberen Juras (Abb. 5) die größten hydrogeothermischen Potenziale im Bereich eines mächtigen beckenparallelen Gürtels vorhanden, der sich von der Region Konstanz-Singen über das Gebiet bei Pfullendorf und Aulendorf bis zur Iller erstreckt. Die in nördlichen Beckenregionen anzutreffende Schwäbische Fazies ist hier aus massigen, teils geschichteten Kalksteinen und Dolomiten aufgebaut, deren Mächtigkeit bis zu 250 m erreichen kann (Bertleff 1986, Villinger 1988). Die Unteren und Oberen Felsenkalke sowie die Liegenden Bankkalke (ki2–ki4) zeichnen sich insbesondere im Bereich dieses aus Schwamm-Algen-Riffen aufgebauten Gürtels (MEYER & SCHMIDT-KALER 1996) durch kavernöse Gesteine bei gleichzeitig im Rahmen der Verkarstung korrosiv erweiterten Hohlräumen aus (Abb. 5). Dabei werden die natürlichen Wasserwegsamkeiten durch mehrere großräumige, überwiegend in Beckenlängsrichtung verlaufende Verwerfungssysteme zusätzlich vergrößert. In südlichen Beckenregionen nimmt die Mächtigkeit des Grundwasserleiters im Übergang zur Helvetischen Fazies dagegen stark ab und verliert mangels Ausbildung ausgedehnter Riffe und Lochfelszonen als potenzieller hydrogeothermischer Nutzhorizont zunehmend an Bedeutung.

Foto von Ingrid Stober: Verkarsteter, geklüfteter Oberjura (Breite: 3 m)

Abb. 5: Verkarsteter, geklüfteter Oberjura (Breite: 3 m), oberer Bildausschnitt: grobkristalline, „löchrige“ Massenkalke (Lochfels)
Foto: Ingrid Stober

Der Grad der im Wesentlichen im Pliozän erfolgten Verkarstung des Oberjuras geht mit zunehmender Distanz zur Donau und mit dem Absinken der Schichten in größere Tiefen im Südosten zurück und findet vermutlich südlich der Linie Überlingen – Aulendorf – Ochsenhausen ein Ende. Die darüber gelagerten gebankten Mergel- und Kalksteine der Zementmergel und Hangenden Bankkalke sind nach Erkenntnissen aus der Wassererschließung auf der Schwäbischen Alb meistens deutlich geringer durchlässiger und zeigen in weiten Teilen lediglich eine nur oberflächennahe Verkarstung (Paläokarst), die den Grundwasserleiter größtenteils nicht erreicht.

Mit fortschreitendem Abtauchen der Oberjuratafel gehen die Gebirgsdurchlässigkeiten nach Südosten zunächst langsam zurück (Stober & Villinger 1997). Neben einer verstärkten Grundwasserneubildung und einem damit verbundenen CO2-Eintrag aus nordwestlicher Richtung im Bereich der Schwäbischen Alb ist diese geringe Reduktion der Durchlässigkeiten im Wesentlichen auf die Ausbildung eines aus Schwamm-Algen-Riffen (Abb. 5) aufgebauten Gürtels in der Region Saulgau zurückzuführen. Erst südlich der Linie Überlingen – Aulendorf – Ochsenhausen findet ein verstärkter Abfall statt. In dieser Region wird mit großer Wahrscheinlichkeit die Südgrenze der Verkarstung des Grundwasserleiters liegen. Zudem erfolgt in dieser Region der allmähliche Übergang zum helvetischen Faziesbereich.

Die Potentialverteilung im Oberjura ist durch eine Wasserscheide, die von Meßkirch-Süd über Pfullendorf bis nach Ravensburg verläuft, geprägt. Die Wässer im Oberjura sind auffallend gering mineralisiert. Sie weisen jedoch trotzdem einen Anstieg im Natrium-Chlorid-Gehalt nach SE auf (Stober & Jodocy 2011a).

Die klüftigen Dolomite und Kalksteine des Oberen Muschelkalks, vorzugsweise sein oberer Teil, der Trigonodusdolomit, bilden das tiefste bedeutende Grundwasserstockwerk unter dem Baden-Württembergischen Teil des Molassebeckens. Seine Mächtigkeit nimmt von etwa75 m im NW zunächst annähernd gleichmäßig nach SE ab, um ungefähr ab einer Linie Tettnang-Bad Waldsee-Laupheim rasch abzusinken. Im äußersten SE keilt der Obere Muschelkalk gänzlich aus (Stober & Villinger 1997, Stober & Jodocy 2011a). Örtlich sind ihm hydraulisch auch noch geringmächtige Dolomite des darüber liegenden Unteren Keupers und/oder des darunter liegenden Mittleren Muschelkalks hinzuzurechnen. Unter dem Aquifer des Oberen Muschelkalkes wird daher im Folgenden der Gesamtkomplex verstanden.

Im Untersuchungsgebiet kommt im tieferen Teil des Unteren Muschelkalks als Randfazies wahrscheinlich noch ein weiteres kleines Thermalwasser führendes Grundwasserstockwerk von einigen wenigen Metern Mächtigkeit hinzu, die Muschelsandstein-Formation, besser bekannt unter der Bezeichnung Basissandstein oder Melser Sandstein (Geyer & Gwinner 1986).

Die Grundwassergleichen für den Oberen Muschelkalk-Aquifer folgen einer langgestreckten Potentialdepression nach Norden, unter der Schwäbischen Alb hindurch, zu dem Potentialminimum im Raum Bad Urach - Bad Überkingen. Bei der Hydrochemie ist eine grundsätzliche Änderung mit zunehmender Tiefe zu beobachten (Stober & Jodocy 2011a). Die Gebirgsdurchlässigkeiten im Oberen Muschelkalk-Aquifer des Molassebeckens haben sich niedriger als im Oberrheingraben erwiesen (Stober et al. 2012).

Literatur

Bertleff, B. W. (1986):
Das Strömungssystem der Grundwässer im Malm-Karst des West-Teils des süddeutschen Molassebeckens. – Abh. Geol. Landesamt Baden-Württemberg, 12; Freiburg i.Br.

Commission of the European Communities (CEC) (1979):
Geothermische Synthese des Oberrheingrabens. BRGM Alsace & Geologisches LA Baden- Württemberg, Strasbourg, Freiburg.

Commission of the European Communities (CEC) (1981):
Geothermische Bestandsaufnahme des Oberrheingrabens. Geologisches Landesamt Baden-Württemberg, Freiburg.

Geyer, O.F. & Gwinner, M.P. (1986):
Geologie von Baden-Württemberg. - E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung, 472 S., Suttgart.

Jodocy, M. & Stober, I. (2009):
Geologisch-geothermische Tiefenprofile für den südwestlichen Teil des Süddeutschen Molassebeckens.- Z. dt. Ges. Geowiss., 160/4, S. 359-366, Stuttgart.

Jodocy, M. & Stober, I. (2010a):
Geologisch-geothermische Tiefenprofile für den südlichen Teil des Oberrheingrabens in Baden-Württemberg.- Z. geol. Wiss., 38(1), S. 3-25, Berlin.

Jodocy, M. & Stober, I. (2010b):
Geologisch-geothermische Tiefenprofile für den baden-württembergischen Teil des nördlichen und mittleren Oberrheingrabens.- Erdöl Erdgas Kohle, 126. Jg., H. 2, S. 68-76, Hamburg.

Stober, I. & Villinger, E. (1997):
Hydraulisches Potential und Durchlässigkeit des höheren Oberjuras und des Oberen Muschelkalks unter dem Baden-Würtembergischen Molassebecken.- Jh. geol. Landesamt Baden-Würtemberg, H. 37, S. 7-24, Freiburg i.Br.

Stober, I. & Jodocy, M. (2011a):
Geothermische Nutzhorizonte im westlichen Teil des Süddeutschen Molassebeckens.- Z. geol. Wiss., Bd. 39, H. 3/4, S. 161-172.

Stober, I. & Jodocy, M. (2011b):
Geothermische Verhältnisse südlich des Kaiserstuhls – Das Hartheimer Becken im südlichen Oberrheingraben.- Grundwasser, Bd. 16, H. 2, S. 113-123, (DOI 10.1007/s00767-011-0163-z).

Stober, I., Jodocy, M., Hintersberger, B. (2012):
Vergleich von Durchlässigkeiten aus unterschiedlichen Verfahren - Am Beispiel des tief liegenden Oberen Muschelkalk-Aquifers im Oberrheingraben und westlichen Molassebecken.- Z. geol. Wiss., 40, 1-2, S. , Berlin.

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