Original paper

Fracture and fault systems characterising the intersection between the Lower Rhine Embayment and the Ardennes-Rhenish Massif - results from the RWTH-1 well, Aachen, Germany

[Bruch- und Störungssysteme in der Übergangszone zwischen der Niederrheinischen Bucht und dem Rheinischen Schiefergebirge im belgisch-deutschen Grenzbereich - Ergebnisse der Bohrung RWTH-1, Aachen, Deutschland]

Trautwein-Bruns, Ute; Hilgers, Christoph; Becker, Stephan; Urai, Janos L.; Kukla, Peter A.

Abstract

The 2544 m deep geothermal well “RWTH-1“, drilled in 2004 in the city centre of Aachen, is located geologically in a key position between the Variscan Ardennes-Rhenish Massif and the active rift zone of the Lower Rhine Embayment close to the early Palaeozoic London-Brabant Massif. The borehole was drilled in the footwall of the frontal Variscan Aachen-Midi Thrust and 300 m to the east of a major post-Variscan normal fault. Downhole measurements and samples include wireline logs, image logs, 126 m of cores and continuous cuttings, thus providing a unique dataset from the Variscan Frontal Zone in the German-Belgian borderland. The borehole revealed an unprecedented stratigraphic sequence with a striking absence of Middle Devonian and Lower Carboniferous carbonate rocks, which form prominent outcrops only a few hundred metres SE of the borehole location. Complex open and sealed fault and fracture systems can be discerned, reflecting the complex tectonic history. Faulting and folding is observed at 240-1520 m depth, whilst rocks are much less deformed and dip gently towards the NE in the lower part of the well down to 2544 m. Low-angle NE-SW-trending faults reflect Variscan compression. The superficially open fault and fracture system including joints and drilling enhanced fractures shows a NW-SE trend parallel to regional normal faults and the recent maximum horizontal stress. A prominent NNE-SSW-trending fracture set is interpreted as palaeojoints to have formed under NNE directed compression, which differs from the present in-situ stress orientation. Varying directions of borehole breakouts and drilling induced tensile fractures are related to a subordinate set of W-E oriented faults, located at depths of 1895 m, 2115 m and 2304 m. This orientation is aligned parallel to the maximum dextral in-situ shear stress, which is in accordance with a strike-slip faulting regime extending from the Variscan Zone in Belgium.

Kurzfassung

Im Jahr 2004 wurde im Aachener Stadtgebiet die geothermische Tiefbohrung ,,RWTH-1“ mit einer Endteufe von 2544 m gebohrt. Sie befindet sich in einer geologischen Schlüsselposition zwischen dem variszisch geprägten Rheinischen Schiefergebirge/Ardennen und der derzeit seismisch aktiven Riftzone der Niederrheinischen Bucht. Die Tiefbohrung durchteufte das Liegende der variszischen Überschiebungsfront und liegt nur 300 m östlich einer postvariszischen Abschiebung. Durch ein umfangreiches geophysikalisches Messprogramm, das auch bohrlochabbildende Verfahren umfasst, eine ununterbrochene Beprobung des Bohrkleins und das Ziehen von 126 m Bohrkernen in drei Teufenintervallen bietet die Bohrung RWTH-1 einen einmaligen Datensatz der variszischen Front im belgisch-deutschen Grenzbereich. Stratigrafisch bemerkenswert ist das Fehlen der unterkarbonischen und mitteldevonischen Karbonate, welche nur wenige 100 m südlich der Bohrlokation in großer Mächtigkeit aufgeschlossen sind. Entsprechend der lang anhaltenden tektonischen Geschichte wurde ein komplexes Bruch- und Störungssystem durchteuft. Der variszische Deformationsgrad nimmt mit der Tiefe ab. Vor allem oberhalb 1520 m zeigt sich noch starke Faltungsund Überschiebungsaktivität, wohingegen die Schichten unterhalb nur flach nach NE einfallen. Die variszischen Überschiebungen streichen NE-SW und fallen flach nach SE ein. Offene Brüche und Störungen streichen vor allem NW-SE parallel zu den Abschiebungen der Niederrheinischen Bucht und der Richtung der maximalen Horizontalspannung. Oberflächlich offene, NNE-SSW-streichende Klüfte werden als ,,palaeojoints“ gedeutet, entstanden unter NNE-gerichteter Kompression, die vom heutigen In-situ-Spannungsfeld abweicht. Abweichende Richtungen von Bohrlochrandausbrüchen und bohrungsinduzierten Rissen treten in der Nähe von offenen, W-E streichenden Störungen in einer Tiefe von 1895 m, 2115 m und 2304 m auf und werden als Indikatoren für rezente Aktivität gedeutet. Da die W-E-Streichen der Richtung maximaler Insitu-Scherspannung entspricht, liefern die Daten der Bohrung RWTH-1 eindeutige Beweise für die östliche Fortsetzung der im Bereich der belgischen Varisziden beschriebenen ,,strike-slip“-Deformationszone.

Keywords

rwth-1 deep geothermal wellvariscan deformation frontardennes-rhenish massiflower rhine embaymentroer valley grabenaachen-midi thrustborehole image logsfracture analysisstrike-slip deformation