Kernbohrung Gevelsberg

Auf der Suche nach dem Massenkalk

Im Rheinischen Schiefergebirge kommen im Untergrund mehr als 375 Millionen Jahre alte Riffkalke aus der Devon-Zeit vor, die sogenannten Massenkalke. Vor allem in Wuppertal und Hagen treten sie auch großräumig an der Oberfläche auf. In diesen Gesteinen konnten sich große Höhlensysteme wie z. B. die Kluterthöhle in Ennepetal bilden. Riffkalke sind besonders interessant für die hydrothermale Geothermie. In Spalten und Hohlräumen dieser Kalksteine kann Wasser zirkulieren, das sich zur Gewinnung von Erdwärme eignet. Doch wie sieht es in Gevelsberg aus? Massenkalk ist hier kaum an der Oberfläche anzutreffen. Ob er unterirdisch vorkommt, erkunden wir mit der bis zu 80 Meter tiefen Kernbohrung. Die erbohrten Schichten zeigen, dass der Untergrund hier durch vorhandene Störungszonen – Bruchbereiche, an denen Gesteine gegeneinander versetzt werden – sehr komplex ist. Die Bohrungsdaten liefern Informationen zur Mächtigkeit, Struktur und Aufbau der Kalksteine. Laboruntersuchungen werden zeigen, wie gut die Gesteine Wärme leiten und wie alt die Kalksteine unterhalb des Massenkalks sind. Die Ergebnisse fließen in unsere 3D-Untergrundmodelle und geologischen Karten ein und bilden die Datenbasis für eine klimafreundliche Nutzung der Wärme aus der Tiefe.

 

Januar 2023

Wir haben die Labormessungen zur Gesteinsdichte, Wärmekapazität und -leitfähigkeit abgeschlossen und die Bohrkerne im Bohrkernarchiv eingelagert. Das Bohrprofil fasst die Ergebnisse der Bohrung zusammen:

Vorläufiges Bohrprofil mit Daten, die bei uns angefragt werden können. Bohrsäule, PDF (347 KB)

 

Dezember 2022

01.12.: Fertig! Der letzte Meter wurde erbohrt und Gesteine aus bis zu 80 Metern Tiefe sind im Geologischen Dienst angekommen. Der abschließende Bohrabschnitt war besonders interessant: Der Knollenkalk wechselt sich an einigen Stellen mit Tonstein ab. Darunter folgt ab 65 Metern wieder Massenkalk der Devon-Zeit. Er reicht ganze 75 Meter tief. Zuunterst tritt vermehrt dunkler Tonstein auf. Dieser könnte jünger sein als die Gesteine darüber. Das bedeutet, dass entgegen der normalen Abfolge, bei der die jüngsten Schichten immer ganz oben liegen, hier möglicherweise ältere Gesteine auf jüngeren lagern. Im Rheinischen Schiefergebirge ist das nicht unüblich. Um das zu verstehen, müssen wir einen großen Zeitsprung machen: Vor etwa 300 Millionen Jahren, also fast 80 Millionen Jahre nach der Ablagerung der hier angetroffenen Gesteine, kollidierten zwei Kontinente. Gewaltige Kräfte türmten die Gesteine zu einem Hochgebirge auf. Dabei wurden sie gegeneinandergedrückt, gefaltet, übereinandergeschoben und auch zerbrochen. Der Untergrund im Rheinischen Schiefergebirge kann daher komplex aufgebaut sein und wir treffen nicht immer das an, was wir erwarten. Die Bohrung in Gevelsberg ist ein tolles Beispiel dafür.

Links: Es ist geschafft: Bohrmeister Roland hält den letzten Bohrmeter in der Hand. Rechts: Bohrkerne aus 74 bis 78 Metern Tiefe. Auf den Massenkalk folgt ab ungefähr 74,9 Metern Tonstein.

 

November 2022

25.11.: Wir sind mittlerweile bei 65 Metern angekommen. Ab ungefähr 54,5 Metern beginnen geschichtete Kalksteine. Weil die hellgrauen Kalklagen wie langgezogene und teilweise auch rundliche Knollen aussehen, wird das Gestein als Knollenkalk bezeichnet. Wie alt es ist, können wir nur mit Mikrofossilien bestimmen. Als Nächstes geht es also für einige der Knollenkalke ins Labor zur Untersuchung.

Links: Sören untersucht den Knollenkalk auch im nassen Zustand, so kann er die Strukturen besser erkennen. Rechts: eine Nahaufnahme des Knollenkalks. Zu erkennen ist eine typische Schichtung, die hier schräg ist. Die Schichten, die vorher horizontal waren, wurden durch die spätere Gebirgsbildung (s. oben) gekippt.

23.–24.11.: Es geht schnell voran. Zwischen 42 und 51 Metern ersetzt ein dunkelgrauer, fast schwarzer, kalkiger Ton den hellgrauen Kalkstein. Möglicherweise markiert er eine Störungszone. Darunter folgt wieder Kalkstein, dessen Farbe nun ebenfalls dunkelgrau ist.

Die Gesteine in den Bohrkernkisten bestehen aus unverfestigtem Ton, der bei 51 Metern von devonzeitlichem Kalkstein abgelöst wird.

22.11.: Auf dem Bohrplatz wird es spannend. Mit schwerem Filmequipment rückt ein Kamera-Team von ZDFinfo an. Sie begleiten unseren Geologen Sören bei der Bohrung für eine Doku-Reihe zum Thema Erde. Dazu werden die Kalksteine ganz genau ins Visier genommen. In unserem Probenbearbeitungsraum in Krefeld ging es weiter. Dort wurden auch die Kalksteine der dort gerade ausliegenden Bohrung Duisburg-Rahm näher betrachtet und im Labor die Wärmeleitfähigkeitsmessung erklärt.
Update zur Bohrung: Wir sind bereits bei ungefähr 41 Metern und weiterhin im Kalkstein.

Das Filmteam von ZDFinfo geht ganz nah dran. Links: Gedreht wird auf dem Bohrplatz. Sören deutet auf dunkle Linien im Gestein. Diese Lösungserscheinungen entstehen bei hohem Druck. Mitte: Im Klopfraum zeigen unsere Geologen Sören und Martin Unterschiede zu den Kalksteinen der Bohrung Duisburg-Rahm. Rechts: Die Wärmeleitfähigkeitsmessungen im Labor werden auch gefilmt.

16.–18.11.: Nachdem der Bohrplatz eingerichtet ist, arbeitet sich das Bohrgestänge bereits langsam in den Untergrund vor. Ganze 80 Meter soll es unter die Erde gehen. Mächtige quartärzeitliche Lockersedimente werden an die Oberfläche gefördert. Erst bei ungefähr 30 Metern ändert sich das Bohrmaterial und es werden viele Kieselsteine sichtbar, die anschließend in das Festgestein übergehen: den Massenkalk. Dieser Kalkstein ist durchzogen von vielen weißen Linien – sogenannten „verheilten“ Klüften. Diese Risse entstehen, wenn das Gestein durch erhöhten Druck bricht. Die Bruchstellen können durch Minerale wieder verfüllt werden, die aus heißen Tiefenwässern ausgefällt werden. Im Massenkalk sind die schmalen Klüfte durch Kalzit verfüllt. Sie sind also ein Anzeichen dafür, dass vor sehr langer Zeit heißes Wasser in die Klüfte eingedrungen ist, das gelöstes Kalziumkarbonat enthielt.

Unter den Kiesgeröllen folgt bei 30 Metern devonzeitlicher Kalkstein: der Massenkalk. Das hellgraue Gestein wurde vor über 375 Millionen Jahren in einem ehemaligen Riff gebildet. Die roten Pfeile markieren einige der mit Kalzit verfüllten Klüfte. Zu sehen ist außerdem das Wasserbecken mit der Bohrspülung, in dem sich der Bohrturm spiegelt.

Zwischen den Ablagerungen der Quartär-Zeit und den devonzeitlichen Massenkalken befinden sich viele bunte Kiese und abgerundete Steine. Es sind Reste von Flussablagerungen der Ennepe, die bis zu 115 000 Jahre alt sind.

Links: das Bohrgerät mit Bohrgestänge und Bohrkernkisten im Vordergrund, rechts: beschriftete Bohrkernkiste.

Kernbohrung „An der Drucht 1“ – Duisburg-Rahm

Geothermisches Potenzial im Untergrund

Vor ungefähr 350 Mio. Jahren befand sich dort, wo heute Duisburg liegt, ein artenreiches Riff voller Leben. Im Kernmaterial der Bohrung Duisburg-Rahm zeugen nur noch versteinerte Reste von Korallen, Brachiopoden und Seelilien, abgelagert als Riffschutt, von diesem Lebensraum. Bis 130 Meter Tiefe reichen die unterkarbonzeitlichen Kalksteine, die im Wesentlichen der Heiligenhaus-Formation angehören. Interessant für uns sind die zahlreichen Klüfte und Spalten im Gestein. Kommen solche klüftigen Gesteine in großer Tiefe vor, könnte darin zirkulierendes, heißes Wasser geothermisch genutzt werden. Unsere Fachleute vom Projekt DGE-ROLLOUT nehmen die Bohrkerne in Augenschein. Laboruntersuchungen wie z. B. zur Gesteinsdichte und zur Wärmeleitfähigkeit folgen. Alle Daten werden in unserer Bohrungsdatenbank erfasst und verfeinern unsere 3D-Untergrundmodelle. So wird Schritt für Schritt eine Datenbasis für die zukünftige Nutzung von tiefer Geothermie als umweltfreundliche Wärme geschaffen.

 

September 2022

10.10.: Bei ca. 117 Metern enden die fossilreichen Riffschutt-Ablagerungen. Sie werden unterlagert von feinem Kalkstein. In 129,4 Metern folgt ein erneuter Wechsel zu einem Oolith. Dieser besteht aus unzähligen kleinen Kalkkügelchen, sogenannten Ooiden. Gebildet werden sie in warmen, kalkübersättigten Wässern mit starker Wellenbewegung. Alles deutet also auf einen Wechsel der Ablagerungsbedingungen hin. Ob diese Schichten noch zur Heiligenhaus-Formation gehören oder einen stratigraphischen Wechsel bis zu einer anderen Formation markieren, können unsere Geowissenschaftler*innen erst nach einer genaueren Untersuchung der Gesteine sagen. Es bleibt also spannend.
Als nächstes sind Messungen zur Gesteinsdichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität geplant.

Oolith im untersten Teil der Kernbohrung. Zu erkennen sind viele runde Ooide.

Die Kernkisten liegen in unserem Klopfraum aus und können von unseren Geo-Fachleuten unter die Lupe genommen werden.

27.09.: Nach fast einer Woche sind bereits 80 Meter Kernmaterial erbohrt. Weiterhin sind wir im Kalkstein.

Unser Geo-Ingenieur Bastian schaut sich die Gesteine ganz genau an.

 

21.09.: Der Bohrplatz ist eingerichtet. Nach nur 11 Metern Lockersedimenten ist schon der unterkarbonzeitliche Kalkstein erreicht. Er ist reich an Fossilien und von zahlreichen Spalten, sogenannten Klüften, durchzogen. Genau an der Grenze zwischen Tertiär und Unterkarbon ist der fossile Meeresboden erkennbar mit Stielgliedern von Seelilien, sogenannten Crinoiden. Das sind Meerestiere, die zur Gruppe der Stachelhäuter gehören.

Oberseite des Bohrkerns an der Grenze zwischen dem tertiärzeitlichen Ton und dem Festgestein. Zu erkennen ist ein längliches Bruchstück eines Crinoiden-Stiels.

Links: Das Bohrgerät mit Bohrgestänge im Hintergrund. Gerade wird ein Bohrkern geborgen. Rechts: Bohrkerne mit roten Markierungen der Klüfte. Entlang dieser Klüfte kann in größerer Tiefe heißes Wasser zirkulieren. Außerdem sind sehr viele helle Fossilien in den mittelgrauen Kalksteinen zu erkennen.

Kernbohrung Bocholt-Mussum

Referenzbohrung für die geologische Landesaufnahme

Im Untergrund von Bocholt sind die marinen Ablagerungen der Breda-Formation flächenhaft verbreitet. Doch nur in der schmalen Zone des Bocholter Grabens – mit etwa 700 Meter Breite im Bereich der Bohrung – ist diese Schichtenfolge aus der jüngeren Tertiär-Zeit vermutlich nahezu vollständig erhalten. Mit der voraussichtlich 130 Meter tiefen Bohrung wollen wir sie möglichst komplett erbohren. Die Schluffe und Feinsande der Breda-Formation wurden vor etwa 19 bis 6 Millionen Jahren in einem flachen Meer abgelagert. Außerhalb der Grabenstruktur sind die jüngeren Schichten dieser Formation abgetragen. In den tieferen Horizonten der Schichtenfolge findet sich eine reiche Fossilfauna: Seeigelstacheln, Muscheln, Schnecken, Haifischzähne sowie verschiedene Mikrofossilien.

Folgenden Fragen gehen unsere Geowissenschaftler*innen nach: Wie mächtig ist die Grabenfüllung? Wie mächtig sind die einzelnen Schichtpakete aus Schluff und Feinsand? Wie sehen die Übergänge zwischen den einzelnen Schichten und zu den darunter lagernden mehr als 23 Millionen Jahre alten Sanden der oligozänzeitlichen Grafenberg-Formation aus? Welche Rückschlüsse lassen sich aus der Schichtenfolge und den darin enthaltenen Fossilien über den damaligen Ablagerungsraum ziehen – einem flachen, zeitweise subtropischen Meer, das an den Küsten von Sumpfwäldern mit Mammutbäumen und Palmen begrenzt wurde?

Über den Sedimenten der Tertiär-Zeit liegen etwa 20 Meter mächtige, quartärzeitliche Geröllablagerungen des Rheins und seiner Nebenflüsse – Zeugen des eiszeitlichen Klimas.

 

April 2022

27.04.: „Vor der Hacke ist es duster.“ Dieser Bergmannsspruch gilt auch für uns. Es ist immer spannend, was uns bei einer Bohrung in unbekanntem Untergrund erwartet und welche Tücken dort lauern. Die Bohrung in Bocholt-Mussum ist ein Paradebeispiel dafür. In der Annahme, die Breda-Formation in der Grabenstruktur möglichst vollständig anzutreffen, sollte die Kernbohrung ein Referenzprofil dieser miozänzeitlichen Schichtenfolge liefern. Doch die Geologie hat uns hier einen gewaltigen Strich durch die Rechnung gemacht. Keinen einzigen Meter dieser Formation hat die Bohrung ans Tageslicht gebracht. Stattdessen unerwartet mächtige quartäre Lockersedimente mit nordischen Geschieben und umgelagerten älteren Sedimenten. Erst in 88,5 Meter Tiefe haben wir das Tertiär erreicht. Jedoch keine Meeresablagerungen aus dem Miozän, sondern noch ältere aus dem Oligozän. Die in den tonigen Schluffen enthaltenen Nannofossilien ergeben eine Datierung in die mehr als 28 Millionen Jahre alte Rupel-Formation. Da in den folgenden 100 Metern ein Durchteufen der Rupel-Formation nicht zu erwarten ist, haben wir die Bohrung bei 92 Metern beendet.

Wie ist nun diese unerwartete Schichtenfolge zu deuten? Unsere Schlussfolgerung ist, dass wir eine bislang unbekannte eiszeitliche Rinne erbohrt haben. Sie stellt uns nun vor neue Fragen: Wie verläuft sie, wo fängt sie an, wo hört sie auf? Und endet der Bocholter Graben bereits weiter nördlich? Antworten werden wir mithilfe weiterer Untersuchungen und Auswertung der Daten finden. Hierzu gehören auch die geophysikalischen Messungen, die nun noch abschließend im Bohrloch durchgeführt werden. In jedem Fall gewinnen wir auch mit dieser Bohrung neue wichtige Erkenntnisse über Aufbau und Lagerung der Schichten in dieser geologisch spannenden Region.

Meeresablagerung aus dem Oligozän und darin enthaltene kalkige Nannofossilien (v.l.): Das Auftreten der Nannofossil-Form rechts außen ist auf die Rupel-Formation beschränkt, was mit den Erkenntnissen aus der Bohrung Düsseldorf-Messe korreliert.

Prognostisches Bohrprofil im Vergleich zu den erbohrten Schichten

14.04.: Es gibt eine faustdicke Überraschung. Tobias, unser Experte für Nannofossilien, kann belegen, dass die vermeintlich tertiären Schluffe und Feinsande doch viel jünger sind und erst in der Quartär-Zeit abgelagert wurden. Es klingt paradox, aber ausgerechnet die fossilen Kalkreste mikroskopisch kleiner, einzelliger Algen aus älteren Erdzeitaltern, wie zum Beispiel Formen aus der Kreidezeit, sind der Beleg hierfür. Wie kann das sein? Während der Saale-Kaltzeit vor etwa 250 000 Jahren schoben sich Gletscher aus Skandinavien kommend bis ins Münsterland und an den Niederrhein vor. Die Gletscher und deren Schmelzwässer trugen unterschiedliche Gesteine und die darin enthaltenen Fossilien ab und lagerten sie an anderer Stelle wieder ab. Mit im Gepäck hatten die Gletscher auch nordische Gerölle, wie Granitkieselsteine. Von 36 bis 46 Meter Tiefe tauchen diese wiederholt in der Bohrspülung auf und untermauern die quartärzeitliche Alterseinstufung. Da das Bohrloch verrohrt ist, können diese nicht aus den höheren jüngeren Schichten nachgefallen sein.

Ab 46 Meter Tiefe folgen Feinsande, die teilweise Muscheln und Holzreste enthalten. Kiese sind bis 60 Meter Tiefe nicht mehr dabei. Ob wir nun die mit Spannung erwarteten tertiärzeitlichen Meeresablagerungen erreicht haben? Mal sehen, was die nächsten Bohrmeter zutage bringen und was uns die Fossilien über das Alter der Sedimente verraten. Dazu dann mehr nach Ostern. :-)

Blick in die schützende Kernrohrhülle mit feinsandigem Schluff der Quartär-Zeit aus 43 Metern Tiefe. Im Sediment steckt ein Kieselgeröll.

Kieselsteine mit teilweise nordischer Herkunft belegen die quartärzeitliche Ablagerung.

07.04.: Die letzten Meter des Quartärs werden als ungestörte Proben gewonnen. Hierfür wurde auf Rammkernbohren umgestellt. Die Lockersedimente kommen nun in ungestörter Lagerung, umhüllt von schützenden Linern zutage. Bei 21 Metern haben wir mit glaukonit- und kalkhaltigem feinsandigem Schluff und schluffigem Feinsand die tertiärzeitlichen Ablagerungen der Nordsee erreicht. Viele Jahrmillionen konnte sie weit nach Süden vordringen, weil sich der Bereich des Niederrheinisches Tieflandes und der Niederrheinischen Bucht absenkte. In unserem Labor wird das Sediment aufbereitet und auf darin enthaltene Mikro- und Nannofossilien untersucht. Sie werden uns das Alter dieser Meeresablagerungen verraten.

Schluffiger Feinsand aus 22 Metern Tiefe – die Ablagerungen der tertiärzeitlichen Nordsee sind erreicht.

Unsere Geologin Linda schaut sich die Basis der quartären Flussablagerungen an, die am unteren Ende des schützenden Liners zu sehen ist.

06.04.: Mit Schneckenbohrer und – ab Erreichen des Grundwassers – mit der Schlammbüchse sind wir heute durch die quartärzeitlichen Lockersedimente bis in eine Tiefe von 15 Metern vorgedrungen. Die nach unten zunehmend kiesigen Sande mit steinreichen Kieslagen haben Rhein und seine Nebenflüsse vor Jahrtausenden abgelagert. Durch das Wechselspiel von warmen und kalten Klimaphasen, in denen die Flüsse mal weniger, mal sehr viel mehr Wasser führten, entstanden Terrassen aus Flussgeröllen. Diese Flussterrassen liegen höher als die heutigen Talböden. Ab 5 Meter Tiefe kommen in diesen Sedimenten zahlreiche umgelagerte tertiäre Schnecken- und Muschelschalen zum Vorschein. Auch nordische Gerölle kommen in großer Vielfalt ans Tageslicht.

Mit Schneckenbohrer und Schlammbüchse haben wir die quartärzeitlichen Lockersedimente erbohrt. In den Sanden befinden sich viele kleine Schnecken- und Muschelschalen.

Nordische Gerölle, unter anderem Granite und Gneise

04.04.: Das Bohrgerät steht. Sobald der Bohrplatz eingerichtet ist, kann es losgehen.

Der Bohrplatz in Bocholt-Mussum wird eingerichtet.