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Die Kontinentale Tiefbohrung - Verlauf und erste Ergebnisse

Mit ihrer Endtiefe von mehr als neun Kilometern war die Forschungsbohrung bei Windischeschenbach in der Oberpfalz eine technische Meisterleistung. Vor allem aber erbrachte sie, gerade weil sie mit einigen großen Überraschungen aufwartete, grundlegende neue geowissenschaftliche Erkenntnisse zum Beispiel über den Aufbau und die Entwicklung des europäischen Kontinents und das Vorkommen von Flüssigkeiten und Gasen in tiefen Schichten der Erdkruste.

Nach einer Bohrzeit von 1468 Tagen wurde am 12. Oktober 1994 die Hauptbohrung des Kontinentalen Tiefbohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) bei einer Tiefe von 9101 Metern und einer Umgebungstemperatur von ungefähr 275 Grad Celsius eingestellt. Nach drei anschließenden Großversuchen endete die operative Phase planmäßig am 31. Dezember 1994. Für dieses größte und teuerste geowissenschaftliche Projekt in Deutschland hat das damalige Bundesministerium für Forschung und Technologie insgesamt 528 Millionen Mark zur Verfügung gestellt.

Wissenschaftliche Ziele und Erwartungen

Die Idee, die kontinentale Erdkruste durch eine übertiefe Bohrung zu erforschen, ist erstmals auf der Frühjahrssitzung 1977 der Senatskommission für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsforschung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) vorgetragen worden. Ausschlaggebend für den Vorstoß war, daß das Wissen über Aufbau und Entwicklung der Kontinente durch den rasanten technischen und methodischen Fortschritt auf dem Gebiet der geophysikalischen Tiefensondierung sowie der experimentellen Petrologie und Geochemie zwar sprunghaft angestiegen ist, eine verläßliche Interpretation der seismischen, elektrischen und magnetischen Bilder des Untergrundes und eine Übertragung von Labordaten auf die Natur aber nur durch direkte Ermittlung der Eigenschaften, Zustandsbedingungen und Prozesse vor Ort möglich ist.

In der Erwartung, daß sich ab Temperaturen von etwa 250 Grad Celsius das Fließverhalten der Gesteine signifikant ändere und auch chemisch-mineralogische Umwandlungen beschleunigt abliefen, sollte die Bohrung bis in den Temperaturbereich von 250 bis 300 Grad Celsius vordringen, der in etwa zehn Kilometer Tiefe vermutet wurde. Nach einer zweijährigen, intensiven Vorerkundungsphase entschied man sich 1986 für Windischeschenbach in der Oberpfalz als Standort.

Dafür gab es viele Gründe. So liegt der Ort im Kollisionsbereich zweier großer Baueinheiten des variszischen Gebirges (Bild 2), das Mitte bis Ende des Erdaltertums – vor etwa 400 bis 300 Jahrmillionen – aufgefaltet wurde und unter anderem die deutschen Mittelgebirge umfaßt (namensgebend war der germanische Stamm der Varisker, der im variszisch geprägten Vogtland siedelte). Die lokale Geologie ist durch Gesteinskomplexe unterschiedlicher Bildungs- und Metamorphosegeschichte charakterisiert (als Metamorphose bezeichnet man mineralogische Umwandlungen, die bei den hohen Drücken und Temperaturen in tieferen Erdregionen ablaufen). Zudem existierte für die Umgebung von Windischeschenbach ein interessantes tektonisch-geodynamisches Modell, das mit einer übertiefen Bohrung überprüft werden konnte. Des weiteren liegt der Ort im Bereich ausgeprägter Anomalien des irdischen Schwere- und Magnetfeldes sowie des elektrischen Eigenpotentials. Überdies hatten geophysikalische Sondierungen ergeben, daß sich in erbohrbarer Tiefe seismische Reflektoren befinden und neun bis elf Kilometer unter der Oberfläche ein guter elektrischer Leiter auftritt. Und schließlich versprach die Nähe des geologisch jungen Eger-Grabens mögliche thermische und geochemische Anomalien im Untergrund.


Das Konzept zweier Bohrungen

Da die Verhältnisse in den angestrebten großen Tiefen eben nicht hinreichend bekannt und somit auch die technischen Erfordernisse kaum abzuschätzen waren, wurde zunächst eine Pilotbohrung niedergebracht. Sie diente vor allem dazu, umfassende Erkenntnisse aus Bohrkernen, Bohrklein, Spülproben und Bohrlochmessungen zu gewinnen, um das methodisch-analytische Instrumentarium für eine optimale Auswertung der eigentlichen übertiefen Bohrung zu entwickeln. Ein weiteres Ziel war, die geowissenschaftlichen Prognosen und Modelle zu überprüfen. Außerdem sollte dafür gesorgt werden, daß die Hauptbohrung im oberen Teil rasch und ohne unablässige Probenahmen vonstatten gehen konnte. Schließlich galt es, Informationen über die lithologisch-strukturellen Parameter (Gesteinstypen, Wechsellagerungsfolge, Einfallen der Schichten und so weiter), die Bohrbarkeit des Gebirges – wie die zu durchdringenden Gesteinsmassen bergmännisch genannt werden – und die Bohrlochstabilität zu erhalten. Ebenso wichtig war herauszufinden, ob und wo es Zuflußhorizonte gäbe, in denen Flüssigkeiten aus dem Gebirge in das Bohrloch eindringen, oder Verlustzonen, in denen die Bohrspülung in Klüften oder anderen Hohlräumen versickert. All diese Kenntnisse waren für die technische Planung der Hauptbohrung unbedingt erforderlich.

Die am 22. September 1987 begonnene Vorbohrung erreichte mit einer eigens für sie entwickelten Seilkerntechnik nach 560 Tagen eine Teufe von 4000,1 Metern und erbrachte 3564 Meter Bohrkerne von ausgezeichneter Qualität. In einem einjährigen Meß- und Testprogramm untersuchten am Projekt beteiligte Wissenschaftler anschließend das Bohrloch mit einer Vielzahl von Meßsonden und erkundeten die geologische Struktur mit dem geophysikalischen Großexperiment ISO 89 noch detaillierter; in seinem Mittelpunkt stand eine seismische 3D-Sondierung auf einer Fläche von 18 × 19 Kilometern mit der Bohrung im Zentrum.

Tatsächlich erbrachte bereits die Vorbohrung überraschende Erkenntnisse (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1990, Seite 60). So fielen die Gesteinsfolgen bis zur Endteufe ungewöhnlich steil ein. Außerdem nahm die Temperatur wesentlich stärker zu als erwartet; dies machte klar, daß die Hauptbohrung nur eine Tiefe von etwa zehn statt der ursprünglich erhofften zwölf Kilometer erreichen würde.

Die Vertikalbohrtechnik

Zwischen April 1989 und Oktober 1990 wurde die Anlage für die Hauptbohrung errichtet (Bild 1). Das noch immer einsatzbereite 83 Meter hohe Bohrgerüst ist mit einem halbautomatisierten Gestänge-Handhabungssystem ausgestattet, das aus dem sogenannten Pipehandler, der Schwenk- und Fördervorrichtung für das Gestänge, hydraulischen Verschraub-Einrichtungen, Wechsel-Elevator und integrierten automatischen Abfangkeilen besteht.

Ein solches System, zu dem auch eine sternförmige Arbeitsbühne gehört, wurde erstmals in der Geschichte der Bohrtechnik eingesetzt. In Verbindung mit 40 Meter (statt der sonst üblichen 27 Meter) langen Gestängezügen aus je drei Einzelstangen verkürzte es die Roundtrip-Zeit für den Wechsel verschlissener Bohrwerkzeuge um fast 30 Prozent. Die Zahl von mehr als 500 Roundtrips während der Hauptbohrung zeigt die große Bedeutung dieses Zeitgewinns. Um eine sichere und präzise Handhabung beim Ein- und Ausbau des Gestänges zu gewährleisten, ist der Pipehandler neben dem Drehtisch stationär installiert, wobei hydraulisch gesteuerte Arme die Bohrstangen bewegen (Bild 3).

Das neuentwickelte Getriebehebewerk sitzt einem separaten Fundament im Unterbau des Turms auf und wird vom Anlagenfahrstand aus ferngesteuert. Drei Gleichstrommotoren bewegen die Hebewerkstrommel, auf der das Fahrseil für das Gestänge aufgewickelt ist. Zugleich bremsen sie die Trommel beim Ablassen des Gestänges und gewinnen dabei als Generatoren elektrische Energie zurück. Speicherprogrammierbare elektronische Steuerungen koordinieren und kontrollieren alle Operationen des Hebewerks und des Gestänge-Handhabungssystems, so daß Fehlbedienungen so gut wie ausgeschlossen sind.

Eine extreme Beanspruchung war schon in der Planungsphase prognostiziert worden. Doch die Realität im vierjährigen Betrieb übertraf die Erwartungen noch; die Tonnenkilometerzahl des Hebewerks entsprach derjenigen von 40 konventionellen 5000-Meter-Bohrungen. Trotzdem lief die Anlage mit weniger als vier Prozent Reparatur- und Wartungszeit äußerst zuverlässig.

Die zirkulierende Spülflüssigkeit wurde mit Drücken von maximal 350 bar in das Bohrloch gepreßt. Eine spezielle Aufbereitungsanlage mit Schüttelsieben, Sandfallen, Gasabscheider, Desilter und Zentrifugen diente dazu, die austretende Spülung von Bohrklein und gelösten Gasen zu befreien.

Ohne aktive Steuerung läuft eine Bohrung zwangsläufig aus der Senkrechten heraus, weil der Meißel dazu tendiert, der Neigung der Gesteinsformation oder sonst dem geringsten Widerstand zu folgen. Dies erzeugt zusätzliche Reibungskräfte zwischen Gestänge und Wand, die sich mit zunehmender Tiefe verstärken.

Deshalb wurde für die Hauptbohrung ein spezielles Vertikal-Bohrsystem entwickelt (Bild 4). Es besteht aus einem nicht rotierenden Gehäuse mit Neigungssensoren, einer Elektronik und magnetischen Ventilen, die vier seitlich angebrachte Steuerrippen aktivieren können. Wesentlicher Bestandteil ist außerdem ein Verdrängermotor, der von der umlaufenden Spülflüssigkeit angetrieben wird; er sitzt direkt über dem Bohrmeißel und ist mit ihm durch eine Welle verbunden. Dies bringt viele Vorteile: Ein nicht mitrotierender Bohrstrang verschleißt nicht so schnell und bricht weniger leicht; durch die hydraulische Abkoppelung verringern sich zudem die auf die bohrtechnischen Ausrüstungen und die Meß-Elektronik übertragenen Vibrationen.

Das System war für Temperaturen von 200 Grad Celsius ausgelegt. Während des Bohrens erhitzte es sich jedoch nur auf maximal 110 und während der Ein- und Ausbauphasen auf 160 Grad. Die Meßwerte für Bohrlochneigung, Temperatur, Batteriezustand und Druck wurden kabellos mittels Druckpulsen durch die Spülung übertragen. Auf diese Weise ließ sich die Bohrung bis in 7500 Meter Tiefe – ab da konnte das System wegen der hohen Umgebungstemperatur nicht mehr eingesetzt werden – fast absolut senkrecht niederbringen.

Um das Loch zu stabilisieren und zu vermeiden, daß aus höheren Wandabschnitten Gestein nachfällt, wurde alle 3000 Meter eine Verrohrung eingebaut. Der vertikale Verlauf der Bohrung erlaubte dabei einen mittleren Abstand zwischen Wand und Rohr von nur 15 Millimetern. Gegenüber herkömmlichen Bohrungen, wo dieser Abstand größer gewählt wird, mußte so um 50 Prozent weniger Gesteinsvolumen gefördert werden – eine deutliche Kostenersparnis.

Ein weltweit bisher einmaliges technisches Meisterstück gelang im April 1993 mit dem Einbau der Verrohrung bis in 6000 Meter Tiefe. Dabei wurden 469 Rohre mit Durchmessern von 13 3/8 und 135/8 Zoll (34 und 34,6 Zentimetern) in das 143/4 Zoll (37,5 Zentimeter) weite Bohrloch abgesenkt und verschraubt. Der gesamte Rohrstrang wog in Luft 706 und in der Spülung immerhin noch 614 Tonnen. Die Einbaugeschwindigkeit wurde in Etappen von 20 auf 5 Zentimeter pro Sekunde verringert, um wegen des extrem schmalen Ringraums von nur 15 Millimetern Druckstöße auf das Gebirge zu vermeiden. Dank des fast vertikalen Bohrlochverlaufs wurde nach nur fünfeinhalb Tagen die Einbautiefe von 6013,5 Metern erreicht.

Das Vertikalbohrsystem der KTB hat sich so gut bewährt, daß es inzwischen auch industriell weltweit eingesetzt wird und die Grundlage steuerbarer Systeme für Richtbohrarbeiten bildet. Das Gestänge-Handhabungssystem, das Getriebe-Hebewerk und die Bohranlagen-Leitzentrale mit modernsten speicherprogrammierbaren elektronischen Steuer- und Sicherheitseinrichtungen sind ebenfalls Vorbild für kommerzielle Anlagen geworden.


Bearbeitung des erbohrten Materials

Das Feldlabor der KTB gilt heute als Musterbeispiel für die effektive Auswertung von Forschungsbohrungen. Die dort entwickelten und erfolgreich eingesetzten neuen Methoden der quantitativen mineralogischen, chemischen und petrophysikalischen Bearbeitung von Bohrklein haben inzwischen auch in der Geo-Industrie große Beachtung gefunden. Die automatische Analyse der Bohrspülung auf zahlreiche Elemente und die On-line-Bestimmung der enthaltenen Gase lieferten nicht nur aufschlußreiche wissenschaftliche Daten über Fluide (Flüssigkeiten oder Gase) in der Erdkruste, sondern auch nützliche Informationen für die operativ-technische Seite der Bohrung; insbesondere konnten Störungszonen und Zuflußhorizonte direkt ermittelt und Problembereiche somit schnell erkannt werden.

Ein weiteres Beispiel für den methodischen Fortschritt ist der Einsatz einer breiten Palette von Meßsonden, welche an Ort und Stelle Daten über die Eigenschaften des erbohrten Krustenbereiches erhoben. Die so erstellten Bohrlochlogs konnten durch Vergleich mit den Untersuchungsergebnissen an geförderten Proben (Kernen, Bohrklein und Spülung) und unter Einbeziehung experimenteller Laborbefunde sowie speziell entwickelter statistischer Verfahren erstmals bei kristallinen Gesteinen zuverlässig interpretiert werden.

Auch bei der Erfassung, Archivierung und Verarbeitung der Daten hat es bedeutende Fortschritte gegeben. Die eigens entwickelte Datenbank KTBase erlaubt, alle anfallenden Informationen – von den Ergebnissen der geowissenschaftlichen Bohrungsbearbeitung über die Logging-Resultate bis zu den bohrtechnischen Parametern – rasch zusammenzuführen und für eine interdisziplinäre Auswertung heranzuziehen.


Strukturbau und Krustenevolution

Windischeschenbach liegt im Nordteil der Zone Erbendorf Vohenstrauß (ZEV), einer besonderen geologischen Baueinheit am Westrand des Böhmischen Massivs, die im Westen durch das Fränkische Lineament begrenzt wird (Bild 2). An der Oberfläche besteht sie vorwiegend aus sogenannten Metabasiten und Paragneisen, welche sich durch Metamorphose von basaltischen und sedimentären Ausgangsgesteinen gebildet haben. Nach den Ergebnissen der Vorerkundung schien die ZEV der Rest eines Deckenkomplexes über der Nahtzone (Sutur) von zwei gewaltigen kontinentalen Krustenblöcken – Saxothuringikum und Moldanubikum – zu sein, die während der variszischen Gebirgsbildung kollidierten und dabei miteinander verschweißt wurden.

Das KTB-Team erwartete somit, unter der Deckeneinheit, die nach seismischen Befunden drei bis fünf Kilometer mächtig sein sollte, auf die verborgene Sutur zu stoßen. Dies erwies sich jedoch als Irrtum: Die Hauptbohrung hat über den gesamten Tiefenbereich ZEV-Einheiten durchteuft. Die Gesteinsschichten sind zudem in einem Ausmaß zerbrochen und geschert, wie man das in einem solchen geologischen Umfeld bisher nicht für möglich gehalten hatte; schließlich liegt Windischeschenbach inmitten einer als starr und festgefügt geltenden geotektonischen Krustenplatte, weit entfernt von jeglicher aktiven Gebirgsbildungszone.

Das erbohrte Krustenprofil besteht aus einer Wechselfolge derselben drei lithologischen Haupteinheiten, die auch an der Oberfläche dominieren: Paragneisen, Metabasiten und Gneis-Amphibolit-Wechselfolgen (Bild 6). Die Gesteine fallen konsistent im sehr steilen Winkel von 50 bis 70 Grad überwiegend nach Südwesten ein, und es gibt keine Anhaltspunkte, daß sich irgendwo die Schichtfolge umkehrte oder faltungsbedingte Profilwiederholungen aufträten.

Die bedeutendste Verwerfung wurde zwischen 6860 und 7260 Metern Tiefe angetroffen. Sie besteht aus einem Bündel von Scherzonen, in denen das Gesteinsgefüge stark zerrüttet ist. Alle Beobachtungen sprechen dafür, daß hier die Tiefenfortsetzung des großen Störungssystems durchbohrt wurde, das an der Oberfläche als Fränkisches Lineament auftritt.

Die Gneise sind aus noch wenig verfestigten Grauwacken (grauen, feldspat-führenden Sandsteinen) entstanden, die in millimeter- bis meterdicken Wechselfolgen abgelagert worden waren und großenteils die Isotopen-Zusammensetzung der sedimentären Ausgangsgesteine bewahrt haben. Wahrscheinlich handelt es sich um Turbidite: Ablagerungen von Trübströmen aus feinem Material, das sich am Rand eines marinen Beckens von einem steilen Kontinentalhang löste und lawinenartig zum Meeresgrund abrutschte.

Dagegen repräsentieren die Metabasit-Einheiten nach Zusammensetzung und Aufbau wahrscheinlich ehemaligen Ozeanboden, wie er für Randmeere oder kleinere ozeanische Becken vom Typ des Roten Meeres typisch ist. Die Gneis-Amphibolit-Wechselfolgen schließlich enthalten ein buntes Gemisch aus vulkanischen und turbiditischen Gesteinen mit carbonatischen Anteilen (zum Beispiel Marmorbändern), was für eine Ablagerung in einem tektonisch aktiven Flachmeer-Milieu spricht.

Alle Gesteine wurden bei sechs bis acht Kilobar und 650 bis 700 Grad Celsius mineralogisch umgewandelt. Hinter dieser dominierenden Mitteldruck-Metamorphose verbirgt sich im Detail allerdings eine sehr komplexe Umformungsgeschichte. Generell deuten die Befunde darauf hin, daß die Gesteine nach der Ablagerung auf der ozeanischen Platte, als diese bei der Kollision mit dem benachbarten Kontinent abtauchte, unter dessen Rand geschoben wurden – ein als Subduktion bezeichneter Vorgang, wie er heute beispielsweise vor der Westküste Südamerikas oder vor Ostasien stattfindet. Dabei gerieten sie vorübergehend unter den Einfluß der hohen Drücke und Temperaturen in tieferen Erdregionen.

Die Mitteldruck-Metamorphose fand vor ungefähr 410 bis 380 Millionen Jahren statt. Doch scheinen die ersten, vorwiegend druckbedingten Mineralumwandlungen sogar 480 Millionen Jahre zurückzuliegen, so daß die Subduktion offenbar schon im Ordovizium – der nach dem Kambrium zweiten Periode des Erdaltertums – begann. Dies steht in Einklang mit neueren geochronologischen Befunden, wonach auch die Sedimente bereits zu dieser Zeit abgelagert wurden. Mithin scheinen Ergebnisse palynologischer Untersuchungen nicht mehr haltbar, denen zufolge im Gestein eingeschlossene fossilierte Pollen aus dem untersten Devon (der Zeit vor etwa 390 Millionen Jahren) stammen.

Schon vor etwa 380 Millionen Jahren wurden die subduzierten Gesteine wieder emporgehoben. Dieser Vorgang muß sehr rasch verlaufen sein, weil nach den vorliegenden Daten vor 370 Millionen Jahren bereits die Umgebungstemperatur nur noch 300 Grad Celsius betrug. Ungeklärt ist dagegen nach wie vor die zentrale Frage, wie und wann genau die ZEV in ihre jetzige Position gelangte. Fest steht lediglich, daß diese Zone nur marginal von der variszischen Deformation und Niederdruck-Hochtemperatur-Metamorphose betroffen wurde, die das umgebende Moldanubikum und Saxothuringikum geprägt haben und vor etwa 330 bis 320 Millionen Jahren stattfanden.

Allerdings ist die ZEV im Anschluß an die variszische Gebirgsbildung durch Kompressions- und Stauchungsprozesse (vor allem im Zusammenhang mit der Auffaltung der Alpen, die vor knapp 100 Millionen Jahren begann und vor rund 40 Millionen Jahren ihren Höhepunkt erreichte) anscheinend stark verdickt worden. Darauf läßt das Ergebnis diverser unabhängiger Untersuchungen schließen, wonach sich im Bereich der Hauptbohrung bis zu einer Teufe von etwa 7500 Metern praktisch keinerlei graduelle Änderungen in den Eigenschaften des erbohrten Gesteins zeigen und sich erst darunter die Wirkung der zunehmenden Temperatur bemerkbar macht. Möglicherweise bildete das Fränkische Lineament eine Rampe, an der entlang die ZEV als Schuppenstapel, der sich in neun bis zehn Kilometern Tiefe abgeschert hatte, nach oben gedrückt wurde.

Insgesamt besteht kein Zweifel daran, daß die Ergebnisse der Tiefbohrung in Kombination mit denen der Umfelduntersuchungen grundlegende neue Erkenntnisse über den Strukturbau und die Evolution der mitteleuropäischen variszischen Kruste geliefert haben und noch liefern werden. Im wesentlichen betreffen sie die Beziehung zwischen der Zone Erbendorf Vohenstrauß, dem Saxothuringikum, dem Moldanubikum und – als viertem Krustenblock in dieser Region – dem Bohemikum. Danach scheint es sich um sogenannte Terrane zu handeln, also um eigenständige Gesteinsschollen, die gleichsam als plattentektonische Irrläufer auf dem europäischen Kontinentalschild gestrandet sind (vergleiche Spektrum der Wissenschaft, Januar 1986, Seite 64). Nach einer Hypothese wurde das Bohemikum unter das Moldanubikum subduziert, und die ZEV wäre ein rücküberschobener Teil des Bohemikums oder ein Suturkomplex zwischen ihm und dem Saxothuringikum.

Während man sich von der KTB also detaillierte Einblicke in die variszische Faltung versprochen hatte, lieferte sie tatsächlich viel interessantere Aufschlüsse über die weitaus schlechter dokumentierte prävariszische Phase. Zugleich brachte sie die frappierende neue Erkenntnis, daß durch die Auffaltung der Alpen noch in weit entfernten Bereichen im Inneren der europäischen Krustenplatte mächtige Gesteinsblöcke zerschert und gestapelt wurden.


Fluide

Die KTB hat aber auch eine Fülle von neuen und zum Teil überraschenden Erkenntnissen darüber geliefert, bis zu welchen Tiefen die Erdkruste Fluide enthält, wie beweglich diese sind und inwieweit sie geologische Prozesse beeinflussen. Unerwartet war beispielsweise der Befund, daß die verschiedenen Gesteinstypen trotz ihrer starken metamorphen Überprägung das Sauerstoff- und Schwefel-Isotopen-Verhältnis der Ausgangsgesteine bewahrt haben. Demnach ist die Metamorphose offenbar in geschlossenen Teilsystemen abgelaufen und nicht mit einer intensiven, großräumigen Fluiddurchtränkung verbunden gewesen.

Zum Teil sind die Fluide in winzigen Mengen (millionstel Milligramm) in den Mineralen eingeschlossen, aus denen sich die erbohrten Gesteine zusammensetzen. Die am häufigsten vorkommenden Einschlüsse bestehen aus wäßrigen Calciumchlorid-Lösungen (mit Beimengungen an Natrium- und Kaliumchlorid); mit einem vermuteten Alter von weniger als 65 Millionen Jahren sind sie zugleich die jüngsten Fluide. Erheblich seltener und nur in definierten Horizonten findet man dagegen salzarme Natrium-Kaliumchlorid-Lösungen, die vermutlich aus dem benachbarten Falkenberg-Granit stammen und im späten Variszikum eingeschlossen wurden.

In abgegrenzten Lagen und offenbar mit der Tiefe zunehmend treten außerdem Gaseinschlüsse auf, welche in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen Kohlendioxid, Methan und Stickstoff enthalten. Ob sie während der Mitteldruck-Metamorphose entstanden sind, ist noch offen. Interessanterweise findet sich, wenn Kohlenstoffverbindungen dominieren, meist auch Graphit.

Dieser tritt insbesondere zusammen mit Eisensulfiden und Chlorit in den zahlreichen spätvariszischen Kataklase-(Zerrüttungs-)Zonen auf. Auf den wenige Millimeter mächtigen Scherflächen ist er lokal so stark angereichert, daß sich elektrische Leiterbahnen ausbilden können. Alle vorliegenden Beobachtungen sprechen dafür, daß er sich dort durch Reaktion von Methan und Kohlendioxid gebildet und abgeschieden hat. In Gang gesetzt wurde diese Umsetzung sehr wahrscheinlich durch Reibungseffekte bei der Scherung der Gesteine. Wenn das stimmt, sollten zusammenhängende Graphit-Leiterbahnen generell in tektonisch aktiven Regionen entstehen, sofern kohlenstoffhaltige Fluide vorhanden sind.

Die Vergesellschaftung und zum Teil komplexe Verwachsung des Graphits mit den Eisensulfiden Pyrit und Pyrrhotin sowie oft auch mit Chlorit spricht für einen Zusammenhang mit deren Abscheidung aus hydrothermalen (heißen, unter Überdruck stehenden wäßrigen) Lösungen. Ähnliche Mineralisationen wurden bei der bis 12800 Meter tiefen Bohrung auf der russischen Halbinsel Kola angetroffen (Spektrum der Wissenschaft, Februar 1985, Seite 74). Möglicherweise sind sie typisch für kontinentale Grundgebirgsbereiche. Nach den vorliegenden Daten haben sich die Sulfide bei Drücken von zwei bis drei Kilobar und Temperaturen von 250 bis 300 Grad Celsius abgeschieden – unter ganz ähnlichen Bedingungen also, wie sie heute an der tiefsten Stelle der KTB-Hauptbohrung herrschen.

Außer den in Mineralen eingeschlossenen Gasen und Lösungen enthalten die erbohrten ZEV-Gesteine auch unerwartet viel freie Fluide: zum einen wäßrige Lösungen und zum anderen trockene Gase – im wesentlichen Methan und etwas Helium –, die vor allem in den graphitisierten Störungszonen auftreten. In beiden Bohrungen wurden bis zu etwa 1,5 Kilometer Tiefe normal mineralisierte Grundwässer angetroffen. Unterhalb von 3,1 Kilometern flossen dann hochkonzentrierte Calcium-Natriumchlorid-Wässer ins Bohrloch, die in ihrer Zusammensetzung jenen Solen (basement brines) ähneln, die auch in anderen Kristallingebieten erbohrt wurden.

Diese Salinarwässer traten in abgegrenzten Horizonten von einigen bis mehreren Dutzend Metern Mächtigkeit bis zur Endtiefe der Hauptbohrung auf. Sie enthalten große Mengen an Gasen, die unter den lokalen Druckbedingungen gelöst sind – hauptsächlich Stickstoff und Methan, aber auch Helium, Argon und Radon.

Mit Fluidsamplern ließen sich direkte Proben gewinnen. Außerdem wurden in einem viermonatigen Langzeitpumptest aus dem stärksten salinaren Zufluß an der tiefsten Stelle der Vorbohrung 460 Kubikmeter Formationsfluide gefördert. Die Auswertung aller Daten und Befunde macht deutlich, daß hier offenbar ein weiträumiges Fluidsystem angezapft wurde, das wahrscheinlich aus einem tiefergelegenen Reservoir stammt und bei der Heraushebung und Deformation des Grundgebirges in seine jetzige Position gelangt ist.

Herkunft und Entwicklung dieser Fluide werfen noch etliche Fragen auf. Stammen sie letztlich aus Evaporiten (Salzgesteinen), die bereits im Perm (vor 290 bis 250 Millionen Jahren) bei der Eindunstung abgeschnürter Meeresbecken auskristallisierten, oder sind sie erst im Erdmittelalter (vor 250 bis 65 Millionen Jahren) aus Sedimentationsbecken entlang tiefreichender tektonischer Strukturen in die KTB-Region gewandert? Oder wurden sie sogar schon in der frühvariszischen Subduktionsphase vor etwa 400 Millionen Jahren freigesetzt und während der spät- und postvariszischen Heraushebung der ZEV über lithostatisch-hydrostatische Austauschprozesse stufenweise aus einer ursprünglich wesentlich tieferen Lage in das heutige Niveau befördert?

Wichtige Informationen darüber, wie sich Fluide im kristallinen Gestein bewegen und verteilen, erhofft man sich vom Ergebnis der Fluid- und Hydrofrac-Tests, die nach Abschluß der Hauptbohrung durchgeführt wurden – weltweit erstmals in Tiefen von mehr als 9000 Metern. Das Prinzip besteht darin, durch Absenken des Wasserspiegels im Bohrloch zunächst ein definiertes Druckgefälle gegenüber der Gebirgsformation einzustellen; die dadurch einströmenden Tiefenwässer lassen den Flüssigkeitsspiegel im Bohrloch ansteigen, wobei sich die Druckdifferenz verringert (Bild 7). Aus der Geschwindigkeit der Spiegelerhöhung ließ sich ein Zufluß von 4,3 Kubikmeter Lösung innerhalb von zwölf Stunden berechnen. Die eingeströmte Sole muß aus dem Teufenbereich von 9030 bis 9101 Metern stammen, weil das Bohrloch darüber durch eine zementierte Verrohrung abgedichtet ist.

Nach dieser Fließphase wurde der Teststrang oben verschlossen, so daß die weiterhin in das Bohrloch dringenden Fluide den Druck darin erhöhten, was mit speziellen Sensoren gemessen wurde. Die noch nicht vollständig ausgewerteten Meßdaten geben Aufschluß über die Durchlässigkeit und Speicherfähigkeit des Gebirges. Das wohl wichtigste, schon jetzt ablesbare Ergebnis ist, daß die Gesteine am Grunde des Bohrlochs um Größenordnungen permeabler sind, als Laborexperimente erwarten ließen. Überraschenderweise existieren also auch in großen Tiefen ungeachtet des hohen Umgebungsdrucks offene Wege für wäßrige Lösungen.


Krustenseismik

Ein Hauptziel der Tiefbohrung war, mit Messungen und geophysikalischen Experimenten im Bohrloch zu testen, welche physikalischen, stofflichen und tektonischen Ursachen die in allen Grundgebirgsarealen zahlreich vorhandenen seismischen Reflektoren haben. Sie wurde deshalb im Kreuzungsbereich der beiden seismischen Profile DEKORP 4 und KTB 8502 niedergebracht, die Reflektoren in erbohrbarer Tiefe aufgezeigt hatten (Bild 5).

Die Auswertung des Großexperiments ISO 89 machte vor allem zwei Hauptgruppen von Reflektoren sichtbar: planare, mittelsteil geneigte unterschiedlicher Orientierung und Länge, die bis in Tiefen von mehr als zehn Kilometern reichen, sowie annähernd horizontal verlaufende größerer Ausdehnung in Tiefen zwischen etwa 8,5 und zwölf Kilometern. Letztere markieren eine Zone hoher seismischer Reflexivität, unter der sich nach den Ergebnissen der Vorerkundungen ein Körper befindet, in dem sich die Schallwellen (genauer: P-Wellen) mit der relativ hohen Geschwindigkeit von mehr als sieben Kilometern pro Sekunde ausbreiten. Die Oberkante dieses sogenannten Erbendorfkörpers liegt im Bereich der Hauptbohrung in etwa elf Kilometern Tiefe.

Die geneigten Reflektoren lassen sich in vielen Fällen direkt mit an der Oberfläche nachgewiesenen Störungszonen verbinden; deshalb lag die Vermutung nahe, daß es sich um die Tiefenfortsetzung dieser Versetzungen handle. Der stärkste Reflektor im Umkreis von Windischeschenbach fällt mit 55 Grad nach Nordosten ein und korreliert an der Oberfläche mit der Altenparkstein-Störungszone des Fränkischen Lineaments. Nach den geophysikalischen Prognosen sollte ihn die Hauptbohrung in einer Tiefe zwischen 6600 und 7100 Metern erreichen. In Einklang damit wurde zwischen 6860 und 7260 Meter ein mächtiges Störungsbündel durchbohrt. Demnach bildet der Reflektor tatsächlich eine ausgedehnte Störungszone ab, deren Lage sehr exakt vorhergesagt werden konnte.

Insgesamt legt der detaillierte Vergleich der Ergebnisse des 3D-Experiments und der Bohrungsbefunde nahe, daß die Methode der Steilwinkel-Reflexionsseismik zumindest in dem untersuchten Oberkrustenbereich weniger die Grenzen zwischen unterschiedlichen Gesteinseinheiten und geologischen Formationen als vielmehr das spät- und postvariszische Bruchmuster der Kruste nachzeichnet – auch dies eine interessante neue Erkenntnis.


Geoelektrik, Gravimetrie und Magnetik

In den letzten beiden Jahrzehnten sind durch elektromagnetische Tiefensondierung weltweit in der kontinentalen Kruste Horizonte mit hoher elektrischer Leitfähigkeit entdeckt worden. Als Ursache werden Fluide erhöhten Salzgehalts, netzwerkartig verbundener Kohlenstoff in Form von Graphit und Sulfidvererzungen diskutiert – oder eine Kombination davon. Die systematischen Untersuchungen im Rahmen des Großprojekts Europäische Geotraverse zeigten, daß auch in der mitteleuropäischen variszischen Kruste elektrisch leitende Horizonte weit verbreitet sind. Ihre Existenz konnte bei den Vorerkundungen zur Auswahl der Bohrstelle sowohl für den Schwarzwald als auch für die Oberpfalz belegt werden.

Im KTB-Umfeld befindet sich ein elektrischer Leiter in einer Tiefe von ungefähr zehn Kilometern, der bis weit nach Norden in die Mitteldeutsche Kristallinschwelle hineinreicht, wo seine Leitfähigkeit am größten ist. Nach den elektromagnetischen Messungen verläuft er ungefähr parallel zum Fränkischen Lineament.

Um Ausdehnung, Struktur und Beschaffenheit dieses Horizonts genauer zu erforschen, haben Geophysiker nach Abschluß der Hauptbohrung zum ersten Mal auf der Welt ein sogenanntes Dipol-Dipol-Experiment durchgeführt (Bild 8). Dabei sandten zwei Stromdipole an der Erdoberfläche in bis zu 60 Kilometer Entfernung vom Bohrloch Spannungsimpulse aus, deren Eintreffen Sonden im unverrohrten, tiefsten Teil von Vor- und Hauptbohrung sowie an insgesamt 30 anderen Meßorten an der Oberfläche registrierten. Ziel des noch nicht abschließend ausgewerteten Experiments war, ein detailliertes Widerstandsmodell für den KTB-Bereich bis in zehn Kilometer Tiefe zu erstellen und zu klären, ob und wo die Hauptbohrung elektrische Leiter erreicht hat.

Elektromagnetische Umfelduntersuchungen vor und während des Abteufens der KTB-Bohrungen haben weitere elektrisch gut leitende Horizonte im oberflächennahen Bereich aufgezeigt. Zudem erbrachten sie das überraschende Ergebnis, daß das Bohrloch nahe dem Minimum einer unerwartet starken von Nordwest nach Südost verlaufenden Anomalie des elektrischen Eigenpotentials von -600 Millivolt liegt. Dies setzt voraus, daß Zonen unterschiedlichen Redoxpotentials in der Erde existieren, die über längere Distanzen – wahrscheinlich über die Graphitschichten in den Störungszonen – leitend verbunden sind. Vereinfacht ausgedrückt, steht der Bohrturm also auf einer Art Geobatterie, die ihre Energie aus den chemischen Verhältnissen im Untergrund bezieht.

Für die elektromagnetische Tiefensondierung brachte die KTB einen enormen Fortschritt sowohl in methodischer Hinsicht als auch im theoretisch-interpretativen Bereich und in der praktischen Anwendung. Sie profitierte davon, daß alle verfügbaren Meßverfahren in Kombination eingesetzt, neue Meßsonden und Meßtechniken entwickelt, die strukturellen, stofflichen und physikalischen Eigenschaften der erbohrten Gesteine in die Interpretationen einbezogen und die Meßergebnisse durch Modellierung theoretisch abgesichert wurden.

Da der KTB-Standort im Bereich einer starken magnetischen Anomalie und eines ausgeprägten Schwerehochs liegt, versprachen sich die beteiligten Geophysiker auch grundlegende Erkenntnisse zur Magnetik und Gravimetrie. Gut erkennbar sind lithologische Feinstrukturen aufgrund der großen Dichteunterschiede zwischen Gneisen und Metabasiten sowie der an den Falkenberggranit gebundenen relativ niedrigen Schwerewerte. Durch Kombination der Bohrlochgravimeter-Daten mit den mineralogischen und petrophysikalischen Meßwerten wird derzeit versucht, den lithologischen Aufbau des Krustenblocks im Bereich der KTB in einem dreidimensionalen Modell darzustellen; damit will man vor allem die Dichtestruktur des kristallinen Gesteins in größeren Tiefen detaillierter erfassen.

Hauptträger der Magnetisierung in den Gneisen wie in den Metabasiten ist überraschenderweise das Eisensulfid Pyrrhotin, während Magnetit recht untergeordnet vorkommt und nur lokal – zum Beispiel in den marmor-führenden Amphiboliten – für die Magnetisierung verantwortlich ist. Die Pyrrhotin-Gehalte liegen meist unter einem Volumenprozent, können aber lokal – insbesondere in Kataklasezonen – bis auf zehn Prozent zunehmen. Dort ist das Mineral, wie erwähnt, gewöhnlich mit dem schwefelreicheren Pyrit und anderen Sulfid-Erzen assoziiert und meist intensiv mit Graphit und Chlorit verwachsen.

Natürlicher Pyrrhotin ist ferromagnetisch mit einer Curie-Temperatur von etwa 315 Grad Celsius. Kurz unterhalb dieser Temperatur, bei welcher der Ferromagnetismus verlorengeht, nimmt die Magnetisierbarkeit solcher Minerale gewöhnlich sehr stark zu. Bei den 275 Grad am Grund des Bohrlochs sollte sich dieser Effekt bereits durch eine starke Beeinflussung des Erdmagnetfeldes bemerkbar machen. Dies eröffnet die Chance, seine Auswirkungen direkt in der Erdkruste zu erforschen.


Geothermie

Schon bei der Vorbohrung hatte sich gezeigt, daß der Temperaturgradient nur bis in rund 1000 Meter Tiefe mit dem prognostizierten Wert von ungefähr 21 Celsiusgraden pro Kilometer übereinstimmt (was bei der bekannten Wärmeleitfähigkeit des Gesteins einer vertikalen Wärmestromdichte von etwa 55 Milliwatt pro Quadratmeter entspricht). Über die nächsten 500 Meter nimmt er stark zu und schwenkt dann auf einen Wert von etwa 28 Grad pro Kilometer ein, aus dem sich eine Wärmestromdichte von 85 Milliwatt pro Quadratmeter errechnet.

Dies wirft eine ganze Reihe von Fragen auf. Ein generelles Problem bei der Klärung besteht derzeit noch darin, daß aus der Hauptbohrung bisher zu wenige und zu ungenaue Temperaturdaten vorliegen. Der Hauptgrund dafür ist, daß die Temperatur des umgebenden Gesteins durch den Bohrprozeß erheblich gestört wurde. Bis sich das thermische Gleichgewicht wieder eingestellt hat, vergeht nach einer Faustregel mindestens ebensoviel Zeit, wie die Bohrung selbst gedauert hat.

So kann man etwa darüber, wo der Wärmefluß-Fehlbetrag von rund 30 Milliwatt pro Quadratmeter in den oberen 1000 Metern verbleibt, bisher nur spekulieren. Denkbar wäre, daß zirkulierende Grundwässer einen Teil der Wärme direkt an die Oberfläche abführen, wodurch die Gesteine dazwischen ausgekühlt wurden, oder daß die Wärmeleitfähigkeit lateral stark variiert. Auch langfristige Effekte einer früheren Klimaänderung (Abkühlung während der Eiszeit) kämen als Erklärung in Frage – bis in einige hundert Meter Tiefe sind sie jedenfalls nachgewiesen (Spektrum der Wissenschaft, August 1993, Seite 68).

Daß die oberste Erdkruste durch externe Einflüsse deutlich abgekühlt werden kann, ist eine interessante neue Erkenntnis. Sie gibt Anlaß zu der Überlegung, ob die geothermischen Gradienten und damit die Wärmestromdichten, die in Kristallingebieten aus Flachbohrungen ermittelt werden, vielleicht grundsätzlich zu niedrig seien und weltweit nach oben korrigiert werden müßten.

Auch die überraschend hohe Wärmestromdichte von etwa 85 Milliwatt pro Quadratmeter unterhalb von 1500 Metern wirft grundlegende Fragen auf. Nimmt man wie üblich an, daß in der unteren Kruste selbst kaum Wärme produziert wird, sondern daß die thermische Energie hauptsächlich durch Wärmeleitung aus dem Erdmantel nach oben gelangt, so ergibt die Extrapolation für 30 Kilometer Tiefe unrealistisch hohe Temperaturen von deutlich über 800 Grad Celsius und Wärmestromdichtewerte zwischen 45 und 70 Milliwatt pro Quadratmeter. Im obersten Erdmantel in 50 Kilometern Tiefe wäre es demnach schon so heiß, daß das Gestein teilweise aufschmelzen und basaltische Magmen erzeugen sollte, was (nicht beobachtete) vulkanische Erscheinungen hervorrufen müßte. Zudem ergeben sich aus den gemessenen Geschwindigkeiten der seismischen Wellen deutlich niedrigere Temperaturen in diesem Tiefenbereich.

Wie sind diese Diskrepanzen zu erklären? Gibt es zusätzliche Wärmequellen unterhalb der Bohrung? Produziert etwa der Erbendorfkörper deutlich mehr Wärme als normales Krustenmaterial und, wenn ja, warum? Setzen vielleicht Hydratisierungsprozesse (der Einbau von Wasser in Minerale) in der mittleren oder unteren Kruste größere Energiemengen frei?

Eine weitere Möglichkeit wäre, daß sich Nachwirkungen des nicht allzu lange zurückliegenden Magmatismus im Egergraben bemerkbar machen. Schließlich könnnte zusätzlich Wärme durch Konvektion transportiert werden, wobei vielleicht das Fränkische Lineament als bevorzugte Zirkulationszone für heiße Tiefenfluide wirkt. Alternativ wäre denkbar, daß ein Konvektionssystem vom Egergraben innerhalb einer in sich durchlässigen, aber nach oben abgedichteten oberen Krustenschicht bis unter den KTB-Standort reicht. Weitere Untersuchungen müssen klären, was davon zutrifft.


Rheologie und Spannungszustand

Eines der Hauptziele der KTB war schließlich, das Fließverhalten und den tektonischen Spannungszustand der Erdkruste genauer zu erforschen. Kenntnisse darüber sind von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der kontinentalen Intraplatten-Tektonik, der Gebirgsbildung, der Entstehung von Sedimentbecken und der Ursachen sowie der Entstehungsmechanismen von Erdbeben.

Unsere gegenwärtigen Vorstellungen von den rheologischen Eigenschaften der Erdkruste beruhen im wesentlichen auf sehr einfachen Modellvorstellungen, abgeleitet aus Untersuchungen an Gesteinen im Labor. Danach hängt die Festigkeit der Erdkruste in den oberen Stockwerken von Reibungswiderständen auf vorgegebenen Bruchflächen ab; da diese mit zunehmendem Umschließungsdruck anwachsen, sollten die möglichen Spannungen mit der Tiefe linear steigen. Andererseits zeigen Experimente bei hohen Temperaturen und niedrigen Verformungsraten, daß die Fließfestigkeit von Gestein bei Erwärmung über einen bestimmten Wert exponentiell abnimmt.

Der Schnittpunkt dieser beiden gegenläufigen Tendenzen markiert den Übergang von spröder zu plastischer Verformung und zugleich den Bereich der maximal möglichen Spannungen in der Kruste. Beim Quarz, den man wegen seiner weiten Verbreitung gerne als Modellsystem heranzieht, vollzieht sich dieser Übergang bei etwa 300 Grad Celsius.

Abgesehen von vielen Unsicherheiten bei der Übertragung der Labordaten auf die Verhältnisse in der Kruste hat dieses Konzept den grundsätzlichen Mangel, daß es in erster Näherung ein zeitunabhängiges Materialverhalten mit einem zeitabhängigen kombiniert; denn der Verlauf der Fließspannungskurve hängt von der zugrunde gelegten, als einheitlich angenommenen Verformungsgeschwindigkeit der Gesteine ab, die im Experiment außerdem um viele Größenordnungen höher ist als in der Natur. Deshalb ersetzt man den Schnittpunkt der beiden Kurven meist durch einen unscharfen Übergangsbereich. In der kontinentalen Kruste ist somit, je nach Gesteinsart und Fluidgehalt, schon ab etwa 250 Grad Celsius – also bei Temperaturen, wie sie am Grunde des Bohrlochs herrschen – damit zu rechnen, daß Spannungen eher durch Verformung als durch Bruch abgebaut werden.

Weil das Verständnis dieses Spröd-duktil-Übergangs für die gesamten Geowissenschaften fundamentale Bedeutung hat, wurde bei der KTB eine Kombination unterschiedlicher, neu entwickelter Meßverfahren und Experimente eingesetzt, mit der sich ein kontinuierliches Spannungsprofil bis zur Endtiefe der Hauptbohrung erstellen ließ. Herausragendes Ergebnis der bisher durchgeführten Auswertungen ist, daß die mechanischen Spannungen tatsächlich von der steifen kontinentalen Oberkruste übertragen werden. Sie akkumulieren sich mit zunehmender Tiefe, bis sie im Bereich des Spröd-duktil-Übergangs die Grenze der Bruchfestigkeit der Gesteine erreichen.

Um genaueren Aufschluß darüber zu erhalten, ob und wie weit die Bohrung in diesen Bereich vorgestoßen ist, wurde bei einem kombinierten Hydrofrac- und Fluidinjektions-Experiment in verschiedenen Tiefen hydraulisch ein Rißsystem erzeugt und dabei Mikroseismizität induziert. Ein Hochtemperaturseismometer am Grunde der Vorbohrung zeichnete mehr als 400 so erzeugte Mikroerdbeben bis zur Stärke 1,2 auf; die Auswertung dieser Daten wird Informationen über die Entstehungsmechanismen und damit auch über das Bruchverhalten des Gesteins in der Tiefe liefern. Außerdem sollte sie Aufschluß über die Stärke der Spannungen im Spröd-duktil-Übergangsbereich geben. Schon jetzt hat das Experiment gezeigt, daß auch in der tieferen Kruste Rißsysteme existieren, die sich durch hydraulischen Druck öffnen lassen.

Als grober Indikator für den Beginn der duktilen kontinentalen Unterkruste kann gelten, bis zu welcher Tiefe lokale Erdbeben auftreten. Die Analyse der Mikrobeben im KTB-Umfeld mit Hilfe des örtlichen seismologischen Netzes hat ergeben, daß die Herde oft zehn bis maximal zwölf Kilometer unter der Oberfläche liegen. Ein anderer Ansatz zur direkten Identifizierung des Spröd-duktil-Übergangsbereichs sind mikroskopische und submikroskopische Untersuchungen der Gefügemerkmale von Mineralen wie Quarz, die sich beim Übergang zur Plastizität deutlich ändern sollten. Sie sind selbst an feinsten Bohrkleinproben elektronenmikroskopisch feststellbar. Nach den neuesten Ergebnissen dieser Untersuchungen hat die Hauptbohrung die Spröd-duktil-Übergangszone tatsächlich erreicht.


Ausblick

Ab diesem Jahr stehen die beiden Bohrlöcher in Windischeschenbach, wie im KTB-Gesamtkonzept von Anfang an vorgesehen, interessierten Wissenschaftlern als sogenanntes Tiefenobservatorium zur Verfügung. Viele Sondierungsmethoden, die von der Erdoberfläche aus operieren, werden durch Effekte in den oberen drei bis vier Kilometern der Erdkruste stark gestört. Zu diesen Störwirkungen, die vielfach ebenso groß sind wie die Signale selbst, gehören insbesondere die seismische Bodenunruhe, klimatische Einflüsse, die Grundwasserzirkulation und die Erdoberfläche selbst in ihrer Eigenschaft als physikalische Grenzfläche. Wenn die Sonden an einem Kabel tief genug in die Bohrlöcher abgelassen werden, lassen sich solche Beeinträchtigungen vermeiden.

Zudem eröffnet die einmalige Konstellation zweier Kristallinbohrungen im Abstand von 200 Metern völlig neuartige Möglichkeiten, den Bereich zwischen ihnen mit hochauflösenden Methoden zu erkunden. So erlauben sie seismische Cross-Hole-Experimente, bei denen sich die Schallquelle im einen und der Empfänger im anderen Bohrloch befindet, sowie Experimente zur hydraulischen Kommunikation zwischen den Löchern.

Schließlich liefern einmalige Messungen nur gleichsam eine statische Momentaufnahme des untersuchten Bereichs und geben wenig Auskunft über dynamische Prozesse und periodische Vorgänge in der Erde. Deshalb müssen charakteristische Größen wie die Geschwindigkeit seismischer Wellen, der Temperaturgradient und das lokale Erdmagnetfeld über einen längeren Zeitraum hinweg verfolgt werden – dies um so mehr, als sie, wie erwähnt, derzeit noch vielfach durch die Bohrung selbst beeinflußt sind. Insofern versprechen künftige Untersuchungen in den Bohrlöchern weiteren Erkenntnisgewinn.

Verlauf und bisherige Ergebnisse der KTB haben aber auch Bestrebungen Auftrieb gegeben, das sehr erfolgreiche Ozeanbohrprogramm durch ein kontinentales Gegenstück zu ergänzen. Zu seiner Vorbereitung finden im Rahmen des Internationalen Lithosphärenprogramms alle zwei Jahre Symposien statt. Auf einer Konferenz in Potsdam im Spätsommer 1993 wurden geowissenschaftliche Probleme von besonderer sozio-ökonomischer Relevanz aufgelistet, die nur mit Bohrungen definitiv zu lösen sind. Dazu gehören insbesondere:

- Welche chemischen und physikalischen Ursachen und Prozesse stehen hinter Erdbeben und Vulkanausbrüchen? Welche Maßnahmen können helfen, ihren Schaden für die Menschheit zu begrenzen?

- Wie hat sich das Erdklima in der jüngsten geologischen Vergangenheit geändert? Wie groß ist die natürliche Variation, und was sind die Ursachen kurzzeitiger Klimaschwankungen?

- Wie entstehen und entwickeln sich Kohlenwasserstoff-Ressourcen in Verbindung mit der Bildung sedimentärer Becken?

- Durch welche Prozesse entstehen mineralische Lagerstätten? Bis zu welchen Krustentiefen ist mit welchen Rohstoffen zu rechnen, und welche Strategien einer künftigen Exploration und umweltverträglichen Gewinnung gibt es?

- Wie erfolgt der Fluid- und Wärmetransport durch die Kruste? Wie sind die geothermischen Ressourcen verteilt, und wie lassen sie sich nutzen? Welche Möglichkeiten einer dauerhaft sicheren Endlagerung radioaktiver und anderer Abfälle bietet die Erdkruste?

- Wie ist die tiefe Biosphäre beschaffen, und wie weit dringt sie in die Lithosphäre ein? Welche Bedeutung hat sie für die Entwicklung des Lebens auf der Erde und für geologische Prozesse wie die Reifung von Kohlenwasserstoffen und die Erzabscheidung?

- Wie wirken sich Einschläge von Meteoriten auf das Leben und die Umwelt aus?

- Wie kann man die geophysikalischen Methoden der Tiefenerkundung eichen, so daß sie noch genauere und verläßlichere Informationen über Struktur und Eigenschaften der Erdkruste liefern?

Das unter dem Titel "Scientific Rationale for the Establishment of an International Program of Continental Scientific Drilling" publizierte Ergebnis der Potsdamer Konferenz kann als wissenschaftliches Strategiepapier für ein weltweit operierendes kontinentales Bohrprogramm gelten. Aber auch bei den Organisations-, Management- und Finanzierungsfragen gab es Fortschritte. Unter meinem Vorsitz hat eine internationale Gruppe von Wissenschaftsmanagern und Vertretern von Organisationen zur Wissenschaftsförderung ein Memorandum of Understanding darüber entwickelt, das alle potentiellen Partner inzwischen akzeptiert haben.

Anfang letzten Jahres schließlich wurde zwischen dem GeoForschungsZentrum Potsdam und der National Science Foundation der USA der erste bilaterale Vertrag für das geplante kontinentale Tiefbohrprogramm paraphiert. China hat beschlossen, einen analogen Vertrag zu unterzeichnen. Auch Japan und weitere Länder zeigen großes Interesse an dem Vorhaben. Das internationale kontinentale Tiefbohrprogramm soll noch in diesem Jahr gestartet werden. Momentan wird seine Ankündigung vorbereitet, verbunden mit dem Aufruf, Projektvorschläge einzureichen.

Literaturhinweise

- The German Continental Deep Drilling Program (KTB). Site Selection Studies in the Oberpfalz and Schwarzwald. Herausgegeben von Rolf Emmermann und Jürgen Wohlenberg. Springer-Verlag, Heidelberg 1989.

– Geodynamik und Plattentektonik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995.

– Scientific Rationale for Establishment of an International Program of Continental Scientific Drilling. International Lithosphere Program Coordinating Committee Continental Drilling (CC4). Herausgegeben von Mark D. Zoback und Rolf Emmermann. GeoForschungsZentrum Potsdam 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1996, Seite 30
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 1996

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 1996

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