Die Tromm-Region: Eignung für die GeoLaB-Forschung

Mit der Entscheidung zur geologischen Eignung konnte die Erkundungsphase abgeschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Untergrund im Odenwald günstige Bedingungen für die Geothermie-Forschung bietet. Es beginnen nun die konkreten Planungen des Felslabors und anschließend die Genehmigungsphase.

Geologische Rahmenbedingungen für GeoLaB

Das Felslabor soll im kristallinen Grundgebirge gebaut werden. 

Was ist das kristalline Grundgebirge? Das kristalline Grundgebirge setzt sich im Wesentlichen aus Graniten und Gneisen zusammen. Es bildet weltweit die ältesten Gesteine und liegt in der Regel unter allen jüngeren Gesteinsschichten. Die Kristallingesteine setzen sich aus vielen kleinen Kristallen zusammen, überwiegend aus Feldspat, Quarz, Glimmer. Alle Kontinente der Erde besitzen diesen kristallinen Sockel, der überall sehr ähnlich zusammengesetzt ist. Auf diesem Sockel haben sich im Laufe von Millionen von Jahren in Senken weitere Gesteine abgelagert, die sogenannten Sediment- oder Ablagerungsgesteine. Das kristalline Grundgebirge kann in Tiefen von etwa 2 bis über 5 Kilometern zur geothermischen Wärmegewinnung genutzt werden.

Auf beiden Seiten entlang des Oberrheingrabens wurden die Gesteinsschichten über viele Jahrtausende nach oben gehoben und bilden heute als sogenannte Grabenschultern die bekannten Mittelgebirge Odenwald, Schwarzwald, Pfälzer Wald und Vogesen. Teilweise wurden während dieser Hebungsphase Sedimentschichten abgetragen. Deshalb liegt hier kristallines Gestein großflächig an der Oberfläche.

Das ist für die Forschung ein großer Vorteil. Im tiefen Untergrund lassen sich Untersuchungen nur über Bohrungen realisieren. In den gehobenen Bereichen dagegen ist das Gestein über ein Felslabor direkt zugänglich. Dort können Versuche kontrolliert durchgeführt und in Raum und Zeit beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass es viele geologische Gemeinsamkeiten zwischen der Grabenrandschulter und dem Tiefengestein gibt, so dass sich wesentliche Erkenntnisse aus dem Felslabor auf Geothermie-Reservoire übertragen lassen. Aufgrund der Nähe zur Oberfläche gibt es allerdings auch Unterschiede. Ein Beispiel dafür ist die Temperatur: In einem Felslabor in nur wenigen hundert Meter Tiefe ist sie deutlich niedriger als in 2 bis 5 km Tiefe. Allerdings ließe sich bei höheren Temperaturen auch kein Felslabor realisieren, da bei Temperaturen über 40 °C Arbeiten vor Ort kaum möglich wären. 

Die Tromm liegt im Odenwald, also auf der östlichen Schulter des Oberrheingrabens. Hier ist das kristalline Gestein an die Oberfläche gehoben worden, das im Oberrheingraben selbst in mehreren Kilometern Tiefe liegt. Das Gestein der Tromm ist also eng mit dem geothermisch nutzbaren Gestein im Oberrheingraben verwandt. Zusätzlich ist die Tromm für die GeoLaB-Forschung interessant, weil hier ein weitgehend einheitlicher Granitkörper (das Gestein des Tromm-Plutons) an eine Störungszone grenzt. Bei dieser Otzberg-Störungszone haben sich Gesteinsblöcke gegeneinander verschoben, und das Gestein ist stark zerklüftet. Das Nebeneinander dieser Zonen ist besonders interessant für die Geothermie-Forschung.

Diese großräumigen geologischen Bedingungen waren bekannt, als die Tromm als Forschungsraum für GeoLaB in Betracht gezogen wurde. Ob das Gestein vor Ort tatsächlich für ein Felslabor geeignet ist, sollte die Erkundungsphase klären. Ihr Ergebnis: Die Tromm bietet gute Voraussetzungen für die Forschung. Das wird im nächsten Abschnitt näher erläutert.

Ergebnisse der Erkundungsphase

In der Erkundungsphase wurden umfangreiche Daten über das Gestein im Untergrund erhoben. Dabei zeigte sich, dass das Gestein der Tromm insgesamt mäßig geklüftet ist und aus drei Einheiten besteht. Das Nebeneinander dieser Gesteine und ihre unterschiedlichen Eigenschaften entstanden durch tektonische Prozesse über viele Millionen Jahre hinweg. 

Geologischer Aufbau: Wie sieht dieser Aufbau nun konkret aus? In den oberen 400 Metern besteht der Untergrund aus Granit. Darunter folgt eine 10 m mächtige Übergangszone. Hier wurde das Gestein vor Millionen Jahren erst in der Tiefe wie Knetmasse verformt und später nahe der Oberfläche zerbrochen. Geologen sprechen von einer „mylonitisch-kataklastischen“ Grenzzone. Darunter liegen metamorphe Gesteine, vor allem Gneise. Das sind durch hohen Druck und hohe Temperatur umgewandelte Gesteine. 

Mechanische Eigenschaften: Unterschiede im Gestein wirken sich auch auf seine Festigkeit aus. Einige Bereiche sind deutlich „schwächer“ als andere. Das zeigen Laborversuche. Diese Unterschiede in der mechanischen Festigkeit haben zudem Folgen für Fließwege, denn an den Übergängen zwischen mechanisch unterschiedlichen Gesteinsschichten scheint sich Wasser bevorzugt zu bewegen.

Messungen aus der Bohrung und von der Oberfläche aus zeigen auch, dass im tieferen Untergrund eine geomechanische Spannung mit einer bestimmten Orientierung vorherrscht. Man kann sich das vorstellen wie ein Buch, das zwischen den Händen zusammengepresst wird. Aus einer Richtung wird stärker gedrückt als aus den anderen. Im Untergrund entstehen diese Kräfte durch tektonische Bewegungen, also dadurch, dass sich Kontinentalplatten über lange Zeiträume gegeneinander verschieben. Die gefundenen Spannungsverhältnisse findet man auch an anderen Orten in Mitteleuropa, an denen sich Erdwärme aus tiefem, festem Gestein nutzen ließe. Dies ist ein wichtiger Aspekt für die Übertragbarkeit der Ergebnisse von GeoLaB.

Klüfte: Die Spannungsverhältnisse im Gestein haben auch Auswirkungen auf die Entstehung von Klüften und Störungen. Die bisherigen Messungen zeigen, dass viele dieser Strukturen im Untergrund hauptsächlich in Nord-Süd-Richtung verlaufen. 

Für die untersuchten Gesteinseinheiten in der Tromm gilt: Manche Bereiche sind stärker geklüftet und verändert als andere. Klüfte im Gestein bedeuten aber nicht automatisch, dass Wasser durchfließen kann. Das hängt hauptsächlich davon ab, wie groß ihre Öffnung ist und ob sie an ein Netzwerk wasserführender Klüfte angeschlossen sind. Die meisten der untersuchten Klüfte in den Bohrungen sind klein oder gar geschlossen. In GeoLaB-2 zum Beispiel haben viele Klüfte kleine Öffnungen von weniger als 4 mm, einige wenige sind 5-10 mm und nur sechs Klüfte sind mehr als 1 cm breit. Insgesamt bestätigt sich die ursprüngliche Vermutung, dass das Tromm-Massiv ein unterschiedlich stark geklüftetes Kristallingestein ist.

Wassersystem: Mit hydraulischen Bohrloch-Tests wurde das direkte Umfeld der beiden Erkundungsbohrungen untersucht. Damit können Aussagen getroffen werden, in welchen Bereichen entlang der Bohrung das Gestein wasserdurchlässig ist und wie stark. Dabei zeigte sich, dass Wasser sich hauptsächlich in bestimmten Abschnitten bewegte. So erwies sich das Gestein in der Bohrung GeoLaB-2 in einer Tiefe von etwa 280 m als am durchlässigsten und als mäßig durchlässig in etwa 420 m Tiefe. Die niedrigsten Durchlässigkeiten wurden in GeoLaB-1 in einer Tiefe von etwa 440 m gefunden; hier war das Gestein quasi undurchlässig. Die Durchlässigkeit ist im Bereich der Bohrungen also sehr variabel. 

Besonders aufschlussreich waren auch sehr genaue Temperaturmessungen in der Bohrung. Sie erfassen Unterschiede von etwa einem Zehntel Grad. Wo Wasser aus dem Gestein ins Bohrloch eintritt, verändert sich die Temperatur minimal. So konnten indirekt offene wasserführende Klüfte dokumentiert werden. 

Die gemessenen Wasserdrücke in der Tiefe deuten darauf hin, dass das Tiefenwasser nicht direkt mit der Oberfläche verbunden ist. Und es gibt einige Anzeichen dafür, dass das Tromm-Gestein nicht von einem einzigen durchgehenden Netz aus Klüften durchzogen ist, sondern dass die Klüfte in voneinander abgegrenzte Bereiche unterteilt sind – wie Straßennetze in Dörfern, die nicht oder kaum miteinander verbunden sind.

Die Beobachtung aus der Tromm-Region, dass Quellen nach Regenfällen Wasser schütten und danach wieder trockenfallen, spricht dafür, dass die oberflächennahen Bereiche hydrogeologisch von den tieferen Bereichen der Tromm weitestgehend abgekoppelt sind. Das Wasser fließt also nach Regenfällen vermutlich zum größten Teil oberflächennah in der höchstens etwa 30 m mächtigen Verwitterungsschicht in Richtung Tal und tritt dort an Quellen aus oder wird aus Brunnen in der Verwitterungsschicht bzw. jungen Ablagerungen im Weschnitztal gefördert. Brunnen im Granit, die relevante Mengen Wasser fördern, sind uns nicht bekannt.