Original paper

Die Isotopenzusammensetzung von magmatischen und sedimentären Gesteinen aus dem Urach/Kirchheimer Geothermalgebiet in Südwestdeutschland

[The Isotopic Composition of Magmatic and Sedimentary Rocks of the Urach-Kirchheim Geothermal Area in Southwest Germany]

Koller, Bruno

Kurzfassung

Im Südwesten der Bundesrepublik, im Bereich der mittleren Schwäbischen Alb, mit Urach im Zentrum, befindet sich ein Gebiet mit einem ungewöhnlich hohen geothermischen Gradienten von bis zu 11 °C/100 m. Außer in Urach gibt es noch in einer Reihe anderer Lokalitäten dieser Zone Bohrungen mit Thermalwasser von bis zu 60 °C. Am Rande der Stadt Urach wurde darüberhinaus eine Bohrung niedergebracht, die vom Dogger ausgehend 1200 m Sedimente durchteufte, bevor sie in 1602 m Tiefe das Grundgebirge erreichte. Proben dieser Bohrung zeigen, daß die Sedimente in dieser Zone aus einer wechselnden Folge von Tonsteinen, Sandsteinen, Kalksteinen, Dolomiten und Tonen mit Gips und Anhydrit aufgebaut sind. Der kristalline Untergrund besteht aus Plagioklas-Biotit-Hornblende-Gneisen, Cordierit-Gneisen oder aus plutonischen Gesteinen. Ein großer Teil dieser Gesteine ist in seinem Mineralbestand hydrothermal umgewandelt. Die delta18O Bestimmungen der Sediment-Kalzite erbrachten Werte von + 22.5 %o bis + 31.3 %o (SMOW), das bedeutet im Durchschnitt etwa 6 %o niedriger als rezente marine Karbonate. Die delta13C Werte dieser Proben reichen von + 0.1 %o bis + 0.8 PDB mit einem besonders schweren Wert von + 1.5 %o. Dies bedeutet, daß die Kalzite des Muschelkalks nicht im isotopischen Gleichgewicht mit dem aus dem Bohrloch geförderten geothermalen CO2 sind, bei der in dieser Tiefe herrschenden Reservoirtemperatur von 60 °C. Bei dieser Temperatur müßte diese Fraktionierung 7 %o betragen, sie ist aber nur 6 %o. delta18O Untersuchungen an den Gesteinen des kristallinen Untergrundes zeigen, daß diese im obersten Teil Werte von + 8.0 %o bis + 9.5 %o haben, typisch für normale magmatische Gesteine, mit zunehmender Tiefe aber dann auf + 4.0 %o abnehmen. Dies könnte auf Austausch mit leichtem meteorischem Wasser zurückzuführen sein. Aus einem leichten Wert von + 5.8 %o in nur 1677 m Tiefe kann man schließen, daß der Austausch in diesem System wohl nur auf ganz bestimmte irreguläre Kluftzonen beschränkt war.

Abstract

An area with an unusual high geothermal gradient of up to 11 °C exists in the Middle Schwabian Alb in southwest Germany. The town of Urach is located right in the centre of this anomaly. Apart from the thermal well of Urach, boreholes drilled for thermal water exist in several locations in this area. The maximum temperatures of the thermal water yielded is 60 °C. A second research borehole in Urach drilled 1200 m of sedimentary rocks before reaching the crystalline basement at a depth of 1602 m. Samples from this borehole show that the sediments consist of alternating layers of mudstone, sandstone, limestone, dolomite and clays with gypsum and anhydrite. Basement rocks are plagioclase-biotite-hornblende-gneisses, cordierite-gneisses and plutonic rocks. A great number of these rocks is hydrothermally altered, sericitation and chloritisation of the feldspars being the most common forms of alteration. delta18O determinations of the sedimentary calcite showed values of + 22.5 %o to + 31.3 %o (SMOW), this is about 6 %o lower on the average than most modern marine carbonates. The delta13O values of the samples vary from + 0.1 %o to + 0.8 %o vs. PDB with an unusually heavy value of + 1.5 %o for the Lettenkeuper sample. Determinations of geothermal carbondioxide show that it is not in isotopic equilibrium with the calcite of the Muschelkalk formation at the reservoir temperture of 60 °C existing at this depth. This fractionation is 6 %o where theoretically it should be 7 %o. It is assumed that this is due to reequilibration between CO2 and HCO3 during ascent or that exchange with methane or biogene carbondioxide comlicate the matter. delta18O determinations of the basement rocks show values of + 8.0 %o to + 9.54 %o in the uppermost part, typical variations for normal undepleted magmatic rocks. However, these values decrease steadily to as low as + 4.0 %o with increasing depth. It is assumed that the observed depletion in oxygen --18 is due to isotope exchange with isotopically light meteoric water circulating underground. A light value of + 5.8 %o at a depth of 1677 m indicates that isotopic exchange in this ancient geothermal system was aquifer controlled and restricted to certain irregular fracture zones only and that "plumbing" of the fissures may complicate the situation.

Keywords

Basementgneissesigneous rocksMesozoic sedimentary coverclastic rockscarbonate rocksgeothermal gradientstabile isotopesO18C13concentrationhydrothermal alterationmineral composition Southwestern German HillsSwabian AlbBaden-Wurtt