Wissenschaftliche Ergebnisse

Zu den Hauptforschungsthemen, die mit Hilfe der Bohrung angegangen wurden, konnte eine Vielzahl von Ergebnissen erarbeitet werden. Die nachfolgende Auflistung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, denn bis heute werden Forschungsergebnisse veröffentlicht, die auf Daten oder Material aus der Tiefbohrung beruhen.

Strukturbau und Krustenevolution

  • Mit der Bohrung wurde der Grenzbereich zwischen den für den europäischen Untergrund überaus wichtigen tektonischen Baueinheiten Saxothuringikum („Ur-Europa“) und Moldanubikum („Ur-Afrika“) durchteuft. Über den gesamten Tiefenbereich hat die Hauptbohrung steil gestellte Gesteinseinheiten der Zone von Erbendorf-Vohenstrauß angetroffen, die in unerwartet hohem Maße durch Brüche deformiert waren.
  • Die bedeutendste Bruchzone wurde in der Hauptbohrung zwischen 6.860 und 7.260 m angetroffen. Sie besteht aus einem Bündel von kataklastischen Scherzonen, die durch Graphitführung und Sulfidvererzung charakterisiert sind. Es handelt sich hierbei um die Tiefenfortsetzung des Fränkischen Lineaments, welches sich von Thüringen im NW knapp südlich an der KTB-Bohrlokation vorbei bis tief in den Oberpfälzer Wald im SE als geologische Bruchzone bemerkbar macht.
  • Die Gneise in der KTB-VB und der KTB-HB sind ganz überwiegend Umwandlungen von Sedimentgesteinen, die in Form von Trübeströmen in einem kontinentnahen Bereich eines Meeresbeckens abgelagert worden waren.
  • Die Amphibolite und Metagabbros in beiden Bohrungen haben geochemische Charakteristika, welche sie als ehemaligen Ozeanboden kleinerer ozeanischer Becken (Typ Rotes Meer) auszeichnen.
  • Die Wechselfolgen-Gesteine bestehen aus Paragneisen und Hornblendegneisen mit dazwischengeschalteten Marmorbändern und Kalksilikatgesteinen, die ein ursprünglich flachmarines, tektonisch aktives Gebiet repräsentieren.
  • Alle Gesteine wurden bei Temperaturen von 650-700 °C und Drucken von 6-8 kbar während einer Mitteldruck-Metamorphose umgewandelt aus ursprünglichem Sediment- und Vulkangestein. Im Detail ist ihre Metamorphosegeschichte aber sehr viel komplexer: Sie zeigt für die verschiedenen ursprünglich an der Erdoberfläche abgelagerten Gesteinspakete unterschiedlich schnelle und tiefe Versenkungen, aber eine anschließende gemeinsame Hebungsgeschichte.
  • Das Alter der Mitteldruck-Metamorphose liegt zwischen etwa 410 und 380 Millionen Jahre. Aus der Untersuchung verschiedener Minerale liegen aber auch Hinweise auf eine noch frühere druckbetonte Metamorphose vor circa 480 Millionen Jahren vor.
  • Die Hebungs- und Abkühlungsgeschichte des erbohrten Krustensegments ist durch überraschend zahlreiche Phasen der Deformation im Übergangsbereich vom spröden zum duktilen Verhalten gekennzeichnet. Die Analyse ihrer tektonischen Gefüge verdeutlicht eine sehr komplexe Entwicklungsgeschichte während der Endphase der Gebirgsbildung – und bis heute.
  • Ein unerwartetes Ergebnis, das überhaupt nur mit Hilfe einer Tiefbohrung erzielt werden konnte, ist die Feststellung, dass sich die Temperaturerhöhung zur Tiefe hin erst ab einer Teufe von etwa 7.500 m überhaupt auf die Gesteinseigenschaften auswirkt. Diese Beobachtungen lassen sich nur so interpretieren, dass die Zone von Erbendorf-Vohenstrauß im Bereich der Bohrlokation nach der Gebirgsbildung durch Kompression stark verdickt worden ist. Das Fränkische Lineament bildet dabei wahrscheinlich die frontale Rampe eines Schuppenstapels, der von einem duktilen Abscherhorizont in 9.000 bis 10.000 m Tiefe aufgestiegen sein könnte.

Paläofluidaktivität und rezente Fluide

  • Trotz ihrer starken Überprägung durch Druck und Temperatur haben die verschiedenen Gesteinstypen ihre Sauerstoff- und Schwefel-Isotopensignatur bewahrt. Diese überraschende Erkenntnis ist für das Verständnis der Metamorphose an sich von großer Bedeutung. Offenbar ist Metamorphose nicht das Ergebnis großräumiger Fluidbewegungen und Fluiddurchtränkung der Gesteine, sondern läuft in Teilsystemen ab, die nicht miteinander in Verbindung stehen.
  • Die Deformation der Gesteine der Zone von Erbendorf-Vohenstrauß wurde von einer intensiven Fluidaktivität begleitet. Sie konzentrierte sich auf tektonische Brüche und führte zu einem bunten Spektrum an Mineralisationen.
  • Geoelektrische Phänomene sind abhängig vom Vorkommen und der Verteilung von Graphit in den Gesteinen. Die Gneise enthalten sehr fein verteilten Graphit, der reliktische Biomasse der sedimentären Ursprungsgesteine darstellt. Für den Elektrizitätstransport kommt dieser Graphit nicht in Betracht. Daneben tritt Graphit, zusammen mit Eisensulfid-Mineralen und Chlorit, als weit verbreitete sekundäre Mineralisation auf wenige mm-mächtigen Bewegungsflächen zwischen Gesteinsblöcken auf. Lokal ist dieser Graphit so stark angereichert, dass sich elektrische Leiterbahnen ausbilden können.
  • Ein sehr vielfältiges Inventar hydrothermal gebildeter Erzminerale (vorwiegend Eisensulfide) stimmt weitgehend überein mit den Mineralisationen, die in der russischen Kola-Tiefbohrung SG3 angetroffen wurden. Solche Erzabscheidungen sind offenbar generell typisch für kontinentale Grundgebirgsbereiche. Diese Sulfidmineralisation erfolgte bei Drucken von 2-3 kbar und Temperaturen von 250-300 °C.
  • Die erbohrten Gesteine haben einen unerwartet hohen Gehalt an freien Fluiden. Sogenannte „trockene“ Gase, die vorwiegend aus Methan und Helium bestehen, sind vor allem an die mit Graphit belegten Bruchflächen gebunden. Außerdem wurden auf der gesamten Teufe des Bohrlochs wässrige Lösungen angetroffen: Bis etwa 1.500 m Tiefe wurden Zuflüsse normal mineralisierter Grundwässer nachgewiesen. Unterhalb 3.100 m wurden dagegen hochsalinare Calcium-Natrium-Chlorid-Wässer festgestellt, die in begrenzten Horizonten von wenigen Metern bis zu mehreren 10er Metern Mächtigkeit auftreten. Sie enthalten große Mengen an Gasen wie Stickstoff, Methan, Helium, Argon und Radon, die unter den Druck- und Temperaturbedingungen dieser Tiefen im Wasser gelöst sind.
  • Fluidzustrom-Mengen im Bohrloch pro Zeiteinheit wurden analysiert auf die zugrundeliegenden Wegsamkeiten für wässrige Lösungen im Gestein. Im Bohrlochtiefsten besitzen die Gesteine trotz des enorm hohen Auflastdruckes noch immer beachtliche Permeabilitäten, die um Größenordnungen höher liegen als es aufgrund von Laborexperimenten zu erwarten ist. Offensichtlich existieren auch in großen Tiefen noch offene Wegsamkeiten für den Transport wässriger Lösungen durch das Gestein.

Geophysikalische Strukturen und Phänomene

  • Es konnte mit der Bohrung zum ersten Male bewiesen werden, dass starke seismische Reflektoren, die aus geophysikalischen Experimenten von der Erdoberfläche aus erkennbar werden, ausgedehnte Bruchzonen darstellen. Ein in den Voruntersuchungen zum KTB-Projekt identifizierter starker Reflektor wurde mit einem Ast des Fränkischen Lineaments korreliert und sollte nach der geophysikalischen Prognose zwischen 6.600 und 7.100 m mit der Bohrung erreicht werden. Tatsächlich traf die Bohrung eine intensive Bruchzone in einer Tiefe von 6.860 bis 7.260 m an.
  • Ausgedehnte Anomalien des elektrischen Eigenpotenzials im KTB-Umfeld stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit den Graphitmineralisationen auf den steil geneigten, kataklastischen Bruchzonen. Die Enstehung solcher Anomalien erfordert elektronenleitendes Material (z.B. Graphit), das über eine größere Distanz eine elektronische Verbindung besitzen muss und Zonen verschiedenen Redoxpotenzials verbindet. Vom Prinzip her steht der Bohrturm quasi auf einer Batterie.
  • Hauptträger der Gesteinsmagnetisierung in den Gneisen und Metabasiten der Bohrung ist Pyrrhotin, nicht Magnetit.
  • Im oberflächennahen Bereich ist eine starke Anomalie mit einer deutlichen Verringerung der magnetischen Feldstärke durchbohrt worden, und ab ungefähr 1.200 m Tiefe ist eine Zunahme der Intensität des Magnetfelds mit der Tiefe festzustellen, die drei- bis fünfmal stärker ist, als durch das erdmagnetische Hauptfeld zu erwarten wäre.
  • Die geothermischen Verhältnisse boten einige Überraschungen. Bis in etwa 1.000 m Tiefe entsprach die gemessene Temperaturzunahme etwa dem prognostizierten Wert von 21°C/km. Danach erfolgte eine sehr rasche Temperaturzunahme, bevor sich ab 1.500 m ein annähernd konstanter Temperaturgradient von 29-30°C/km einstellte. In 4.000 m Tiefe liegt die Temperatur mit 118°C schon weit über den für diese Tiefe möglich gehaltenen Werten.
  • Die steife obere Erdkruste verhält sich wie ein Spannungsleiter, der zur Verstärkung von Spannungen in der spröden oberen Erdkruste führt. Sie erreichen im Bereich des spröd-duktil-Übergangs bei circa 300°C (entspricht etwa 9-10 km Tiefe) ihre höchsten Werte, die dort bis an die Grenze der Bruchfestigkeit der Gesteine gehen. Durch den Bruch wird die Spannung abgebaut und ihre Energie wird in Form von Wellen durch die Erdkruste geleitet. Diese Energie macht sich als Erdbeben an der Oberfläche bemerkbar.