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Geologie der Struktur Ketzin
Geologische Entwicklung
In Norddeutschland haben sich durch die Bewegung von großen Salzmassen im Untergrund Salzkissen, Salzwälle und Diapire ausgebildet, die die überlagernden Gesteinsschichten deformiert und zur Ausbildung von Mulden (Synklinen) und Satteln (Antiklinen) geführt haben (Abb. 1). Die Struktur Ketzin ist eine solche aufgewölbte Sattelstruktur. Sie bildet den östlichen Teil der Roskow-Ketzin-Doppelantiklinale (Abb. 2), einer NNE-SSE streichenden Aufwölbung, deren Flanken flach mit einem Winkel von 15° einfallen. Die Aufwölbungsstruktur liegt oberhalb eines Salzkissens, welches in 1500-2000 m Tiefe ausgebildet ist. Über dem Salz liegen Gesteine der Trias (Buntsandstein, Muschelkalk, Keuper) und des Unteren Juras, die von tertiären und quartären Schichten überlagert werden.
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Abb. 1 |
Schematische Darstellung des geologischen Baus im Norddeutschen Becken, der durch Antiklinalen (Aufwölbungen) und Synklinalen (Mulden) gekennzeichnet ist. In Farbe: Schichten unterschiedlichen Alters. Braun: Unteres Perm und älter; hellblau: Oberes Perm (Zechstein); violett: Trias und Jura; grün: Kreide; gelb und ocker: Tertiär; hellgelb: Quartär. Die Ketzin-Antiklinale ähnelt sinngemäß der Struktur im Blockbild. |
Abbildung 2 zeigt die Erstreckung der Roskow-Ketzin-Doppelantiklinale anhand der Tiefenlage des seismischen K2-Reflektors (Heldburg-Gips), welcher etwa 80 m oberhalb der Stuttgart-Formation des CO2SINK-Speicherreservoirs lagert. Die Struktur ist durch eine Vielzahl von Bohrungen untersucht worden.
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Abb. 2 |
Übersichtskarte der Roskow-Ketzin-Doppelantiklinale. Bohrlokationen sind als Punkte gekennzeichnet; rote Punkte zeigen Bohrungen, die die Stuttgart-Formation erbohrt haben. Graue Linien zeigen ältere seismische Profillinien. Der gelbe Stern kennzeichnet das CO2SINK-Bohrungsgelände. Der Isolinienabstand des seismischen K2-Reflektors beträgt 50 m. |
Die erste Hebung der Antiklinale hat vermutlich in der frühen Trias stattgefunden. Durch die Hebung wurden ca. 500 m der darüber abgelagerten Sedimente erodiert, so dass für die Sedimente im Oberen Keuper eine maximale Versenkungstiefe von 1200 m angenommen werden kann. Sedimente der Oberkreide kamen vermutlich nie zur Ablagerung, da sich das Gebiet zu jener Zeit in einer Hochlage befand. Erst mit dem Tertiär (Oligozän) setzte eine Becken-Absenkung ein. Im Rahmen dieser Absenkung kam es zur Ablagerung des in Norddeutschland weit verbreiteten tertiären Rupeltons und jüngerer Sedimente. Der Rupelton bildet eine Schicht, die die salinaren tiefen Grundwässer vom Frischwasserstockwerk trennt.
Abbildung 3 zeigt exemplarisch verschiedene Tiefenlinien-Karten der Ketzin-Region, die auf der Grundlage der Daten, die in das geologische Modell eingebunden worden sind, entstanden. Die Ketzin-Antiklinale ist klar definiert in Schichten, die älter sind als der tertiäre Rupelton, wie z. B. die Stuttgart-Formation in Abbildung 3B.
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Abb. 3 |
Abb. 3: Beispiele von Strukturkarten der Ketzin-Antiklinale abgeleitet aus einem frühen numerischen geologischen Modell, das mit Landmark ® erstellt wurde. Gepunktete Linien kennzeichnen seismische Profile; Kreuze kennzeichnen Bohrungen, die in das Modell eingegangen sind. A, Basis des Quartärs. Eiszeitliche Rinnen, die sich von der Oberfläche bis in den Jura eingeschnitten haben, sind mit Schraffur hervorgehoben. B, Oberfläche der Stuttgart-Formation. |
Lithologie und Fazies des Mittleren Keupers
Die Sedimente des Mittleren Keupers entsprechen überwiegend einer tonigen Playa-Fazies des lakustrinen Fazieskomplexes. Es handelt sich um feinkörnige Sedimente (Ton, Silt) sowie Karbonate und Salzgesteine. Die Ablagerung der Playa-Fazies setzte mit der Grabfeld-Formation (Unterer Gipskeuper, Abb. 4) ein, wurde durch die Ablagerung der fluviatilen Sandsteine der Stuttgart-Formation (Schilfsandstein) unterbrochen, und setzte sich mit der Ablagerung der Weser- und Arnstadt-Formation (Oberer Gipskeuper bzw. Steinmergelkeuper) fort. Mit der Ablagerung der flachmarinen Sandsteine in der Exter-Formation (Rhätkeuper), ist die Sedimenation des Playa-Typs beendet.
In die seit der Zeit der Grabfeld-Formation abgelagerten Playa-Sedimente (Sedimente der sogenannten "Stillwasserfazies" sind die fluviatilen Sandrinnen ("Strangfazies") der Stuttgart-Formation eingeschnitten. Diese Sandsteinrinnen wurden von Flusssystemen, die Material von NE nach SW beckenweit in Norddeutschland transportierten, entlang morphologischer Depressionen mit unterschiedlichen Mächtigkeiten abgelagert.
Das Reservoir- und Abdecker-Gestein von Ketzin
Die Gesteine der Weser- und Arnstadt-Formation (Mittlerer Keuper) bilden den ersten, etwa 210 m mächtigen Abdecker oberhalb der Stuttgart-Formation, dem CO2SINK-Speicherreservoir (Abb. 4). Der Abdecker besteht zu großen Teilen aus Tonstein und Siltstein sowie Anhydrit. Die tonigen Gesteine setzen sich vorwiegend aus Tonmineralen, Quartz und Dolomit zusammen. Tonige, feinkörnige Sandsteine, die mit Tonsteinen wechsellagern, weisen geringere Tonmineralanteile, höhere Quartz-Anteile und keinen Dolomit auf. Die Feldspat-Anteile in diesen Gesteinen sind höher als in den Tonsteinen.
Über der Weser- und Arnstadt-Formation liegen weitere undurchlässige Schichten aus Tonstein, Siltstein und Salz, die durch mehrere durchlässige Sandsteinschichten unterbrochen sind. Die Sandstein-Schichten des Jura wurden bis zum Jahr 2000 für die Untergrundspeicherung von Stadtgas und Erdgas durch die VNG AG genutzt. Der wirksame Abdecker dieses Speichers ist der tertiäre Rupelton, der eine Mächtigkeit von 80-90 m aufweist.
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Abb. 4 |
Litho-stratigraphische Profile von Bohrungen, die die Stuttgart-Formation im Gebiet Ketzin erbohrt haben. |
Die CO2SINK-Speicherformation (die Stuttgart-Formation), die im Durchschnitt eine Mächtigkeit von 80 m besitzt, ist hinsichtlich ihrer Gesteinsausbildung sehr heterogen. Die Sandsteinstränge der sandigen Strang- oder Rinnen-Fazies zeigen gute bis sehr gute Speichereigenschaften während die tonigen Gesteine der Stillwasserfazies schlechte Speichereigenschaften aufweisen. Die Mächtigkeit der Sandsteine erreicht mehrere Zehnermeter, wo Sandrinnen übereinander gestapelt auftreten (Abb. 5).
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Abb. 5 |
Eine der möglichen Konfigurationen der Interngeometrie der Stuttgart-Formation als Ergebnis einer stochastischen Modellierung (FluvSim) in einem Block von 10 km x 10 km x 80 m Größe. Tonige Sedimente mit geringen Permeabilitäten sind in blau abgebildet; die variable Permeabilität der Sandsteine ist farb-codiert. |
Der Sandstein der Stuttgart-Formation besteht überwiegend aus Quarz, Feldspat und Gesteinsbruchstücken und wird als Grauwacke bezeichnet. Der Sandstein ist fein- bis mittelkörnig und gut sortiert, meist allerdings nur schwach zementiert. Zemente sind Silikate und Ton sowie gelegentlich Anhydrit. Die Sandsteine weisen eine durchschnittliche Porosität von 23% auf. Permeabilitäten von 500-1000 mD sind in hydraulischen Tests nachgewiesen worden. Die Temperaturen im Speicherbereich (bei 600-700 m) betragen 33-36°C. Der Formationsdruck liegt zwischen 70 und 75 bar.
Hydrogeologie der Struktur Ketzin
Das Grundwasserleitersystem
Die Sandsteine der Exter-Formation (Abb. 4) bilden den ersten Grundwasserleiter oberhalb der Stuttgart-Formation und weisen eine Mächtigkeit von ca. 20 m auf. Darüber bilden die Sandsteine im Jura ein zweites Grundwasserleitersystem. Diese mesozoischen Grundwasserleiter, welche einen hohen Salzgehalt aufweisen, werden von den oberen süßen Grundwasserleitern durch den tertiären Rupelton getrennt. Dieser Ton besitzt damit eine besonders wichtige Funktion als Grundwasserstauer, da er die Versalzung der oberflächennahen nutzbaren Grundwasservorkommen verhindert. An der westlichen und der östlichen Flanke der Ketzin-Antiklinale haben Prozesse im Zusammenhang mit den Eiszeiten zu einer lokalen Abtragung des Rupeltons geführt. Tiefe, steil eingeschnittene Rinnen (Abb. 3) reichen dabei bis in die jurassischen Sedimente. Diese eiszeitlichen Rinnen (die Nauen-Havelländische-Rinne im Westen und die Falkensee-Oranienburger-Rinne im Osten) wurden mit quartären Sedimenten verfüllt, die sowohl grundwasserleitende als auch stauende Eigenschaften besitzen. Die lokale Erosion des Rupeltons eröffnet jedoch prinzipiell die Möglichkeit einer Verbindung zwischen den salzwasserführenden jurassischen Grundwasserleitern und dem süßwasserführenden quartären Grundwasserleitersystem.
Der Hauptgrundwasserleiter der Region wird durch quartäre Sande gestellt, welcher im Mittel eine Mächtigkeit von etwa 30 m aufweist (Abb. 6). Dieser Grundwasserleiter wird von Geschiebemergel überdeckt, welcher als Grundwasserhemmer auch eine Schutzfunktion (diesmal gegen Verunreinigungen von der Oberfläche her) ausübt. Lokal ist über dem Geschiebemergel ein weiterer sandiger Grundwasserleiter ausgebildet, welcher Mächtigkeiten von bis ca. 12 m erreichen kann. Die generelle Fließrichtung in den quartären Grundwasserleitern ist N-S in Richtung der als Vorfluter wirksamen Havel. Die Grundwasserfließgeschwindigkeit beträgt zwischen 30 und 240 m im Jahr.
Abb. 6 |
Schematischer Profilschnitt durch das quartäre Grundwasserleitersystem. I: lokaler Grundwasserleiter, II: Hauptgrundwasserleiter, III: tieferer quartärer bis tertiärer Grundwasserleiter. Unterhalb des Rupeltons (Rupelian) liegen hochsalinare Grundwässer vor. |
Zusammensetzung des Grundwassers
Die Gesamtmineralisation des Grundwassers steigt mit zunehmender Tiefe des Grundwasserleiters an. Sie beträgt 0,2-1,4 g/l in den quartären Grundwasserleitern, 47-50 g/l in den jurassischen Aquiferen und zwischen 250-321 g/l in triassischen Grundwasserleitern. Das Grundwasser der quartären Sedimente zeigt üblicherweise eine Mineralisation von nur 0,3 g/l. Während diese Grundwässer dem Kalziumhydrogenkarbonat-(Ca(HCO3)2)-Typ zugeordnet werden können, sind die tieferen Grundwässer dem Natriumchlorid-(NaCl)-Typ zuzurechen (Abb. 7). Im Bereich der Rinnen ist eine Vermischung der Grundwassertypen wahrscheinlich. Eine detaillierte Studie des komplexen quartären Grundwassersystems und möglicher Verbindungen zu tieferen Grundwasserleitern ist Teil des CO2SINK-Projekts (WP 2.1).
Abb. 7 |
Piper-Diagramm von Grundwasser in Ketzin. Sterne: quartäre Grundwässer, A: jurassische Grundwässer, B: Grundwasser der Stuttgart Formation, C: Grundwasser der Detfurth Formation (Trias). |
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