Geologie: Ein Loch in der Fränkischen Linie

Wir leben auf einem Apfel. Das Kerngehäuse ist der Erdkern, das Fruchtfleisch der Erdmantel, und die dünne Schale stellt die Erdkruste dar, auf der sich alles Leben abspielt. Die Kruste der Erde ist etwa 30 km dick. Unter Hochgebirgen wie den Alpen oder dem Himalaja reicht sie bis zu 70 km in den darunter befindlichen Erdmantel, unter den Weltmeeren ist die Kruste nur etwa 7 km dünn. Erdmantel und Erdkern zusammen messen mehr als 6300 km bis zum Erdmittelpunkt. Die Kruste ist also nur eine dünne Haut der Erde.

Zonen der Verwerfung

Nach der von Alfred Wegener begründeten Plattentektonik bewegen sich die Kontinentalplatten der Erdkruste. Die großräumigen Wärmebewegungen im Erdmantel sorgen für die Dynamik der Erdkruste. Platten und Schollen werden im Laufe von Millionen Jahren angehoben und verschoben. Die Drift der Kontinente und Gebirgsbildungen sind das Ergebnis. An den Rändern kommt es zu Vulkanausbrüchen und Erdbeben. Solche Verwerfungszonen sind so interessant, weil sie einen Blick in die geologische Vergangenheit erlauben.

Warum Windischeschenbach?

Deutschland startete das Kontinentale Tiefbohrprogramm (KTB) mit dem Ziel, die Vorgänge in der tieferen Erdkruste besser verstehen zu lernen. Ein besonderer Flecken Erde, das Städtchen Windischeschenbach in der Oberpfalz, ist der Ort des Geschehens. Dort stießen vor 400 Millionen Jahren Ureuropa und Urafrika aufeinander. Die Kollisionszone ist die Fränkische Linie. Sie verläuft zwischen dem Fränkischen Jura und dem Böhmischen Grundgebirge und darüber hinaus bis Linz bzw. bis zur Nordsee, insgesamt über fast 3000 km. Die aufeinander prallenden Kontinentalplatten verursachten an der Fränkischen Linie bis in 70 km Tiefe reichende Verwerfungen der Schichten.

Die Metamorphose des Basalts

Die Fränkische Linie ist die erste bekannte große Störungszone der Erdkruste in Mitteleuropa. Ein zwischen den Urkontinenten liegendes Meer wurde verdrängt. Vulkane, die dort entstanden waren, versanken in die Tiefe. Unter hohen Drücken ab etwa 2 Kilobar - das entspricht einer Tiefe von 7 km - und Temperaturen über 200°C beginnen die Gesteine bzw. die in ihnen enthaltenen Mineralien eine Metamorphose.

Die relativ siliciumarmen Mineralien im Basalt der uralten Vulkane wandeln sich zu Amphiboliten; dazu gehört z.B. die Hornblende. Von der Amphibolitenschicht der Fränkischen Linie existiert noch ein 7 km breites und 25 km langes Reststück in der Oberpfalz. Genau an dieser Schicht metamorphen Gesteins aus dem Erdaltertum sind die Geologen interessiert. Es wurde also nicht der für die Oberpfalz typische Granit angebohrt, der der Rest eines kristallinen Urgebirges ist.

Das tiefste Loch der Erde

Der Vorstoß in die Erde begann 1983. Nach drei Jahren Vorbereitung wurde 1987 mit der Vorbohrung bis in 4001 m begonnen. Die Hauptbohrung erreichte im Oktober 1994 genau 9101 m. Zwar bohrten die Russen bereits 1991 auf der Halbinsel Kola bis in 12601 m Tiefe. Da aber durch nachbrechendes Gestein ein großer Teil wieder zugefallen ist, gilt die Bohrung in Windischeschenbach mit Recht als derzeit tiefstes Loch der Erde.

95 Grad Celsius tiefer gebohrt...

Ziel der Bohrung waren 300°C Gesteinstemperatur, erreicht wurden in 9 km Tiefe 275°C. Das war völlig überraschend. Denn auf Kola lag die Temperatur in 12 km Tiefe erst bei 180°C. In der Oberpfalz wurde also 95°C tiefer gebohrt. Noch tiefer zu bohren wäre zwar kein Problem gewesen, aber die Hochtemperaturmesselektronik verträgt dauerhaft nur 200°C.

...und im Lot geblieben

Die Bohrung auf Kola wich am Ende fast 1km vom Lot ab. Das am KTB entwickelte Senkrechtbohrsystem hat dagegen neue Maßstäbe gesetzt. Bei Kilometer7 lag das Bohrloch gerade acht Meter aus dem Lot. Auf den letzten 1600m konnte das System wegen der großen Hitze nicht mehr eingesetzt werden. Die Bohrung lief bis zu 20 Grad aus der Senkrechten.

Das fast ideale Lot wurde möglich durch eine Bohrturbine, die das Abdriften selbständig korrigiert. Sie funktioniert ohne Gestängeantrieb. Die Turbine sitzt am Bohrkopf und treibt direkt den Meißel an. Das technische Meisterwerk von 13,5 m Länge und 4 t Gewicht stammt von der Firma Baker Hughes Inteq in Celle. Es ist das erste Exponat des Deutschen Museums in Bonn und hängt dort im Treppenhaus des Wissenschaftszentrums.

Spröd und plastisch

275°C wurden erreicht. Zwischen 250 und 300°C ist die Zone des spröd-plastischen Übergangs. Setzt man Mineralien unterhalb dieses Temperaturbereichs hohen Drücken aus, zerbrechen sie, oberhalb verformen sie sich. Für die Entstehung von Erdbeben ist diese Eigenschaft entscheidend. Denn brechende Gesteine in der Erdkruste sind nichts anderes als Erdbeben.

Unerklärliches Wasser

Völlig überraschend und bis heute unerklärlich sind die Porenräume in 9 km Tiefe. Die Geologen gingen davon aus, dass ab 5 km Tiefe alle Risse, Spalten und Mikroporen zusammengedrückt werden. Wasser wurde deshalb in großer Tiefe nicht erwartet. Doch trotz des immensen Gebirgsdrucks fließen pro Stunde mehrere Kubikmeter Wasser in das Bohrlochende.

Das Tiefenwasser wirkt wie ein Schmiermittel. Es erhöht die Plastizität der Gesteinsschichten. Das hat erhebliche Auswirkungen auf die Ausbreitung von Brüchen und somit von Erdbeben. Möglicherweise müssen die Modelle zur Entstehung von Erdbeben korrigiert werden.

Archivierter Absturz

Sämtliche Bohrkerne des KTB sind in 4000 Holzkisten im Gesteinsarchiv in Wackersdorf archiviert. Dieser einmalige Forschungsschatz wird noch über Jahre analysiert, zersägt und angebohrt. Unerwartet war die starke Verwerfung der Erdkruste. Die Schichten stürzen regelrecht ab. Gesteinsformationen aus den ersten tausend Metern fand man bei 9000 m wieder. Das zeigt die extreme Kollision der Kontinentalplatten.

Die Bohrkerne belauschen

Die Bohrkerne dehnen sich an der Erdoberfläche, wo sie nicht mehr dem Druck der Tiefe unterliegen, aus. Neben einer Vielzahl von Analysen wird auch ihr Knistern mit Mikrophonen aufgezeichnet. Die Bohrlöcher von Vor- und Hauptbohrung sind seismologische Tiefenlabors. Erdbeben der ganzen Welt werden hier registriert. Bis auf die letzten Meter sind beide Bohrlöcher komplett mit Edelstahlrohren ausgekleidet. Sie können daher nicht zufallen.

Alle sind zufrieden

Das KTB ist wissenschaftlich ein voller Erfolg. Geophysiker, Geochemiker, Mineralogen und Erdbebenforscher arbeiten Hand in Hand. In internationalen Projekten werden die Erfahrungen weitergegeben. Die neu entwickelte Technik wird bereits in Hawaii beim Anbohren des größten aktiven Vulkans der Erde eingesetzt.

Die Industrie hat nun nicht nur bessere Meißel. Sie versteht auch die Bildung von Lagerstätten besser. Es wird sogar spekuliert, ob sich die porenhaltigen Mineralien aus großen Tiefen als Computerchips eignen. Auch die Region ist stolz auf ihr neues Wahrzeichen, den Turm des KTB. Mit einem Wort: alle sind zufrieden.