GIS-Modellierung pedogener CO2-Vorkommen als Ansatz zur Salzexploration am Beispiel des Mittleren Muschelkalkes

Abstract

In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich Bodengasmessungen als Ansatz für eine Explorationsmethode auf oberflächennah lagerndes Steinsalz eignen. Die Untersuchungen basieren auf der Annahme, dass Steinsalz als Barriere auf nach oben strömendes CO2 geogener Herkunft wirkt und sich aus diesem Grund die Grenze des Salzlagers durch ein erhöhtes Kohlensäure-Vorkommen in der Bodenluft an der Erdoberfläche bemerkbar macht. Als Untersuchungsgebiet wurde das 12 km2 große Gelände über dem Salzbergwerk Stetten bei Haigerloch/Baden-Württemberg ausgewählt. Dort lagert in 100 bis 200 Meter Tiefe unter GOK das Steinsalz des Mittleren Muschelkalkes. Unter der Salzschicht sind CO2- Vorkommen bekannt, die unter einem Druck von ca. 5 15 bar anstehen. Anhand der verfügbaren pneumatischen, lithologischen, und hydrologischen Daten des Untersuchungsgebietes wurde ein Modell entwickelt, mit dem der vertikale Transportmechanismus von Geogasen erklärt und die Aufstiegsgeschwindigkeit des CO2 abgeschätzt werden konnte. Dabei zeigte sich, dass es vor allem vom hydrostatischen Druck und damit von der Mächtigkeit des Aquifers im Oberen Muschelkalk abhängt, ob geogenes CO2 durch advektiven Transport zur Erdoberfläche gelangen kann. Advektiver Gastransport findet nur in Richtung eines Druckgefälles statt. Ist der hydrostatische Druck an der Aquiferbasis des Oberen Muschelkalkes höher, als der Gasdruck in den Gesteinsschichten des Mittleren Muschelkalk, entfällt das erforderliche Druckgefälle in Richtung Erdoberfläche. Demnach ist im Untersuchungsgebiet nur dort mit geogenen CO2-Vorkommen zu rechnen, wo sich die Täler des Untersuchungsgebietes bis in den Oberen Muschelkalk einschneiden. Um die Erkenntnisse der Modellrechnungen zu überprüfen wurde ein Standort über einer intakten Salzschicht mit einem Standort, unter dem kein Salz vorhanden ist verglichen. Beide Standorte befinden sich in der Aue von Bachläufen, die sich bis in den Oberen Muschelkalk eingeschnitten haben. Zum Vergleich wurde das stabile Isotop 13C des CO2 der Bodenluft und des Verhältnisses von O2 zu CO2 untersucht. Dabei konnte nur an dem Standort, unter dem kein Salz mehr vorhanden ist, geogenes CO2 nachgewiesen werden. Dies wird als Hinweis darauf gewertet, dass die Salzschicht als Barriere für den Aufstieg von geogenem CO2 wirkt. Die Messung von Bodengasen ist allerdings in o.g. Gebiet nur sehr eingeschränkt möglich, da sich dort nur ein geringer Teil des Geländes im Oberen Muschelkalk befindet. Auf einem Standort im Mittleren Keuper wurde eine großflächige Kartierung von CO2- Konzentrationen der Bodenluft durchgeführt. Bei der Auswertung der Kartierung mit Hilfe des GIS ArcView konnten zwei schwäbisch streichende Lineamente erkannt werden, deren CO2-Konzentration zwischen 50 und 100% gegenüber der mittleren CO2-Konzentration erhöht war. Eines der Lineamente trat nur dort auf, wo die Salzschicht im Mittleren Muschelkalk fehlte. Das andere Lineament verlief entlang einer geologischen Störung. Bei Untersuchungen der d13C-Isotopen und gleichzeitigen Messung von O2- und CO2- Konzentrationen in der Bodenluft zeigte sich, dass der Zustrom von geogenen CO2 die Kohlensäure-Konzentration der Bodenluft um maximal 15 % erhöht haben konnte. Die erhöhte CO2-Konzentration im Bereich der Lineamente konnte demzufolge nicht mit einem Zustrom geogenen CO2 erklärt werden.

The primary goal of this dissertation was to examine if soil-gas concentrations are indicators for shallow rock-salt deposits. The examinations were based on the assumption that rock-salt is a barrier with respect to ascending gas of geogenic origin. Therefore, the lateral extensions of rock-salt formations are characterized by increased carbon-dioxid concentrations within the soil. The study area under consideration comprises an area of 12 km2 located above the salt-mine Stetten near Haigerloch (Baden Württemberg). The rock-salt occurs in a depth of 100 to 200m below surface ( Mittlerer Muschelkalk). Below the salt layer the CO2-pressure is 5 to 10 bars. Using existing pneumatic, lithologic and hydraulic data a model has been developed to explain the overall vertical transport mechanism of geogenic gases and to generate estimates for the velocities of the ascending carbon dioxide. The model revealed that the hydrostatic pressure and therefore the thickness of the aquifer within the Oberen Muschelkalk is the most important mechanism controlling the advective transport of geogenic carbon dioxid towards the surface. Advective transport of gas only occurs towards the direction of decreasing pressure. If the hydrostatic pressure on the basis of the aquifer (located within the Oberer Muschelkalk) is higher than the gas pressure within the rock formations of the Mittlerer Muschelkalk there is no incline of pressure towards the surface. Therefore geogenic carbon dioxide within the study area is likely to occur only where valleys incise the Mittleren Muschelkalk. To verify the calculations based on this model a location with rocksalt in the sub-surface was compared to a location where no rocksalt occurs below the surface. Both locations are in floodplains of streams which incise the Oberen Muschelkalk. The stable isotope compositions of carbon derived from the CO2 of the soil-gas and the O2 / CO2 ratios of both locations have been compared. Only the location where no rocksalt occurs in the sub-surface displays carbon dioxid of geogenic origin. This indicates that rocksalt acts as a barrier with regard to ascending geogenic CO2 . The exploration of rock-salt with help of soil-gas meassurements in the study area is severly limited because only a small fraction of the area is incises the Oberen Muschelkalk. CO2 concentrations in soils in the Mittleren Keuper were mapped on a larger scale. The evaluation of this mapping with GIS ArcView revealed two lineaments that parallel the swabian strike and are characterized by CO2 concentrations which are 50 100% higher than the average carbon dioxide concentrations. One of the lineaments occured where there is no rock-salt in the Mittleren Keuper. The other lineament follows a geologic fault-line. Analisis of the stable isotopes of carbon and the concentrations of CO2 and O2 revealed that the geogenic carbon dioxid induced only a 15% increase in the carbon dioxid concentration in the soil gas. Therefore, the geogenic carbon dioxide can not explain the marked increase of the carbon dioxide concentration of this lineament.