Die Geologie ist die Wissenschaft von Aufbau und der Struktur der Erdkruste. Entscheidend sind dabei vor allem die Eigenschaften der verschiedenen Gesteine sowie die chemischen und physikalischen Prozesse in der Erdgeschichte, die die Erdkruste geformt haben.
Die Erde unter uns ist nicht homogen aufgebaut. Sie ist vielmehr eine Abfolge verschiedener Gesteinsschichten. Teilweise sind die Schichtenfolgen an sogenannten Aufschlüssen auch direkt an der Oberfläche zu beobachten. Das Bild des geologischen Gartens in Bochum zeigt zum Beispiel verschiedene Gesteinsschichten. Durch plattentektonisch bedingte Faltungen oder Störungen in der Erdgeschichte verlaufen die Schichten oftmals nicht parallel zur Erdoberfläche, sondern verworfen, gefaltet oder gestaucht. In unserem Beispiel verlaufen die Schichten nicht waagerecht, sondern fallen in einem 30°-Winkel ein.
Die konkrete Geologie spielt bei der Tiefengeothermie eine zentrale Rolle. Zu allererst werden in den angepeilten Tiefen Gesteine benötigt, die es dem Wasser ermöglichen, zwischen den beiden Bohrungen zu fließen. Maßgebliche physikalische Größen sind dabei die Permeabilität (Durchlässigkeit) sowie die Porosität (Anteil des Hohlraumes am Gesamtvolumen). Besonders interessant sind sogenannte Störungszonen im Untergrund. Eine Störung bezeichnet ein strukturell verändertes Gestein, wobei diese Veränderung durch tektonische Ereignisse hervorgerufen wurde. Störungen gehen oftmals mit Verwerfungen und Hohlräumen einher, die den Wasserfluss positiv beeinflussen.
„Vor der Hacke ist es duster“, sagt ein altes Sprichwort der Bergleute. Dies gilt für große Tiefen ganz besonders. Eine Aussage, wie die konkrete Geologie am Standort in mehreren tausend Metern Tiefe ist, lässt sich leider nicht aus Erfahrung oder Literaturwerten beantworten. Eine umfangreiche Erkundung des Untergrundes ist daher in jedem Einzelfall notwendig.
Die Geologie wurde vom Geologischen Dienst des Landes NRW am Standort prognostiziert und stellt sich voraussichtlich wie in der folgenden Abbildung dar-
Zielhorizont für die Tiefengeothermie sind devonische Karbonatformationen, die vor ca. 380 Mio. Jahren entstanden sind. Das heutige Hagen lag damals auf der Südhalbkugel in der subtropischen Zone nahe dem Äquator. Küstennah lagerten und bildeten sich die Karbonate in Form von Karbonatplattformen oder Riffen.
Man geht beim Zielhorizont von einer Mächtigkeit von ca. 900 Metern aus, in Tiefen von 3.500 bis 4.000 Metern.
Derselbe Zielhorizont liegt in anderen Gegenden deutlich niedriger. Im Hagener Süden streichen diese Formationen sogar an der Oberfläche aus. In Steinbrüchen in Wuppertal, Hohenlimburg und im Konnatal, konnten daher bereits Proben der Karbonate gewonnen und im Labor untersucht werden. Die festgestellten Verkarstungsprozesse (Gesteinsverwitterung von Kalksteinformationen durch Kohlensäure) und die auftretende Dolomitisierung (Umwandlung von Calcit-Mineralen in Dolomit-Minerale) lassen auf eine gute Wasserdurchlässigkeit schließen.
Eine genauere Prognose über die Lage, Tiefe, Mächtigkeit und die Eigenschaften des Zielhorizontes, erfolgt durch Untergrunduntersuchungen und die Seismik.
Das Ziel der Untergrunduntersuchungen und der Seismikkampagne ist, möglichst umfangreiche Informationen über die Ausdehnung und die Eigenschaften des Zielhorizontes – der devonischen Karbonatformationen – zu erhalten.
Grundlegend bedeutet die seismische Messkampagne, dass künstlich angeregte seismische Wellen – durch gezielt hervorgerufene Erschütterungen – durch den Untergrund laufen. Über eine Kette von Geophonen werden die Reflexionen der Wellen und ihre Laufzeit aufgezeichnet. Da die Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch verschiedenen Gesteinsschichten laufen und vor allem an den Trennschichten zwischen zwei Gesteinsschichten gebrochenen und reflektiert werden, können aus den aufgezeichneten Daten Rückschlüsse auf die geologischen Schichtungen gezogen werden.
Für die Erzeugung der künstlichen Wellen werden spezielle Fahrzeuge eingesetzt, die über Rüttelplatten am Boden verfügen.
Die Aufnahme der Daten erfolgt über Geophone, die entlang eine sorgfältig geplanten und ausgewählten Messtrecke, für diesen Zweck temporär und oberflächlich ausgelegt werden.
Zur weiteren Untergrunduntersuchung wird durch das Fraunhofer IEG mittels der institutseigenen Bohranlage eine 300m bis 500m tiefe Bohrung abgeteuft. Ziel dieser Bohrung ist es, den Zielhorizont in geringer Tiefe zu erbohren, um Bohrkerne als Probenmaterial zu gewinnen.
Die gewonnen Bohrkerne werden im Labor einem umfangreichen Analyseprogramm unterzogen:
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