Hydrogeologische Erkundung toniger Festgesteine am Beispiel des Opalinustons (Unteres Aalenium)

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojektes "Gebirgseigenschaften mächtiger Tonsteinserien" des Geologischen Landesamtes Baden-Württemberg wurden auf 6 repräsentativ ausgewählten hydrogeologischen Versuchsfeldern im Ausstrich des Opalinustons (al1) am Rande der Schwäbischen Alb 18 tiefe und 29 flachere Kernbohrungen niedergebracht. Zur Messung der Gebirgsdurchlässigkeit wurden zahlreiche Bohrlochtestmethoden erprobt. Diese hydraulischen Bohrlochtests wurden von hydrogeologischen Feldmethoden sowie der Bestimmung von Gesteinsparametern an Kernproben und der Untersuchung zahlreicher Wasserproben ergänzt. Es wird ein hydrogeologisches Untersuchungsprogramm für Deponiestandorte in tonigen Festgesteinen vorgeschlagen, das geeignete und unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvolle Untersuchungsmethoden beinhaltet. Zur Vorerkundung potentiell wasserwegsamer Klüfte eignen sich optische und akustische Bohrlochmeßverfahren sowie eine aus kurzen Pulse-Tests bestehende Squeeze-Test-Serie. Quantitative Aussagen über die Gebirgsdurchlässigkeit im Opalinuston können mit Doppelpackertests (Pump-, Slug-, Drill-Stem und Pulse-Tests) getroffen werden. Als günstige Alternative zu diesen konventionellen Testarten eignet sich das Fluid-Logging- Verfahren zur teufengenauen Lokalisierung und Quantifizierung von Kluftzuflüssen. Zur Messung der Durchlässigkeit in der ungesättigten Zone werden modifizierte Injektionstests eingesetzt. Zur Auswertung der hydraulischen Tests werden verschiedene Aquifermodelle für den Opalinuston diskutiert sowie konventionelle und neuere Verfahren beschrieben. Neben den Bohrlochtestmethoden werden Durchführung und Ergebnisse von seismischen und konventionellen hydrogeologischen Verfahren wie Pumpversuche, Tracertests, Potential- und Abflußmessungen im Opalinuston beschrieben. Von den Laboruntersuchungen lassen die Parameter Wassergehalt, Dichte, Korngrößenverteilung, Kalkgehalt und Gesteinsfestigkeit Rückschlüsse auf den Verwitterungs- bzw. Auflockerungsgrad des Gebirges zu. Wesentliche Informationen über mögliche Grundwasserbewegungen liefert die Untersuchung des Chloridgehalts im Porenwasser. Proben der Kluftwässer geben durch spezifische Ionen- und Isotopengehalte Aufschluß über die Geschwindigkeit der Grundwasserzirkulation. Der unverwitterte und grundwassergesättigte Bereich des Opalinustons (V0) kann in eine durchlässige Grundwasserzirkulationszone (Z) und eine tiefere, hydraulisch relativ dichte Stagnationszone (S) gegliedert werden. In der Zirkulationszone existiert ein offenes, vorwiegend horizontales Kluftsystem, das auf eine Gebirgsauflockerung durch Abtrag der Gesteinsauflast zurückgeführt werden kann. Bei einem durchflußwirksamen Kluftvolumen von ca. 0,7% liegen die Klufttransmissivitäten in diesem Bereich zwischen 10-6 und 10-4 m2/s. Die Mächtigkeit dieser relativ durchlässigen Auflockerungszone hängt von der landschaftsgeschichtlichen Entwicklung und der Reliefsituation ab. Mächtigere Auflockerungszonen bis 30 m Tiefe haben sich unter alten Talflächen und unter Höhenrücken entwickelt. Geringermächtige Grundwasserzirkulationszonen finden sich in jungen Talsystemen. Unterhalb der Auflockerungszone weist der Opalinuston mit kf -Werten zwischen 10-11 und 10-8 m/s sehr geringe Gebirgsdurchlässigkeiten auf. Chloridreiche oder nur unvollständig ausgesüßte Porenwässer zeigen, daß im tieferen Bereich eine Grundwasseradvektion nur über geologische Zeiträume erfolgt. Die hydrogeologischen Voraussetzungen des Opalinustons im Hinblick auf eine geologische Barriere sind je nach der landschaftsgeschichtlichen Entwicklung eines Gebietes sehr unterschiedlich. Bereiche mit mächtigen durchlässigen Auflockerungszonen bieten aufgrund des horizontalen Grundwasserabstroms nur geringe natürliche Rückhaltemöglichkeiten für potentielle Deponiesickerwässer. Vergleichsweise gute Voraussetzungen weisen junge Talsysteme auf, wo die relativ dichte Gebirgszone nur von einer flachen Auflockerungszone überlagert wird und ein Grundwasserabstrom bei einer seitlichen Abdichtung durch die Talränder nur entlang der Talsohle möglich ist.

Within the context of the research project "Rock properties of thick claystone series" of the Federal State Geological Service of Baden-Württemberg (Geologisches Landesamt Baden-Württemberg) 18 deep and 29 shallow boreholes where drilled at six representative hydrogeological investigation sites within the Opalinus clay formation, exposed NW of the escarpment of the Swabian Alb. Different methods for the quantification of hydraulic conductivities were evaluated. These borehole tests were accompanied by hydrogeological field methods as well the analysis of rock parameters using core material and the analysis of many water samples. A hydrogeological testing scheme is proposed for the evaluation of waste disposal sites situated in claystones, offering suitable and economically feasible methods for site characterization. For a preliminary examination of potentially water bearing fractures, optical and acoustic borehole measurement techniques, as well as squeeze tests, (a series of short pulse tests) proved to be a suitable initial approach. The quantification of the rock hydraulic permeabilities can be obtained by means of double packer tests (pump-, slug-, drillstem-, pulse tests). As a more cost effective alternative to standard testing procedures fluid logging has been successfully employed for the localization and quantification of the fracture discharge into boreholes. The hydraulic conductivities of the unsaturated zone are determined by modified injection tests. Several aquifer models are discussed for the Opalinus clay formation and conventional as well as more advanced techniques are discussed. In addition to the borehole testing methods the implementation and the results of seismic and standard hydrogeological techniques e.g. pumping tests, tracer tests, potential and discharge measurements are discussed for the Opalinus clay. Laboratory sample examinations such as water content, density, particle size distribution, carbonate content and rock strength parameters give important clues to the degree of weathering and disintegration of the parent rock. Essential information concerning possible groundwater movements can be obtained from the chloride concentration of the interstitial pore water. Water samples derived from fractures show distinct ion and isotope contents give an indication on the degree of groundwater circulation. The unweathered and saturated zone of the Opalinus clay shows a distinct separation into two hydraulic domains, a more permeable zone of groundwater circulation and a deeper hydraulically more or less impermeable zone of stagnating conditions. The permeable domain shows an open, mostly horizontally oriented fracture system that is caused by the stress release due to erosion of the overlying strata. With an effective fracture volume of 0.7%, the fracture transmissivities range in the order of 10-6 to 10-4 m²/s. The thickness of this relatively permeable domain is closely related to the geomorphological development and the topographic relief at the respective sites. Thicker zones of disintegration of up to 30 m are developed below old vallies and topographic ridges. Thinner zones of groundwater circulation are found below geologically young valley systems. Below the zone of groundwater circulation the Opalinus clay shows very low hydraulic conductivities ranging from 10-11 - 10-8 m/s. Chloride rich and thus only partially diluted interstitial pore waters show that advection is only an important factor over a geologic time scale. The ability of the Opalinus clay to perform as a geological barrier depends significantly on the topographic history of the respective site. Due to horizontal ground water flow conditions at sites with a thick permeable zone of disintegration, they provide only little retardation capacity for potential leaks from a waste disposal site. Fairly good prerequisites in comparison are found in young valley systems, where the impermeable domain is covered by only a thin zone of disintegration and groundwater discharge is limited to directions trending the valley base.