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Vom Bohrkern zum 3D-Modell - Rekonstruktion der kreidezeitlichen Gesteinsabfolge zwischen Pirna und Schmilka

tags: höntzsch, 3d, gocad, bohrkerne, elbsandsteingebirge, pirna, wismut
S. Höntzsch: Vom Bohrkern zum 3D-Modell - Rekonstruktion der kreidezeitlichen Gesteinsabfolge zwischen Pirna und Schmilka
S. Höntzsch: Vom Bohrkern zum 3D-Modell - Rekonstruktion der kreidezeitlichen Gesteinsabfolge zwischen Pirna und Schmilka
Das hier vorgestellte Projekt umfasst einen Teil der Diplomarbeit von Stefan Höntzsch an der TU Bergakademie Freiberg aus den Jahren 2006 und 2007. Ziel der Arbeit war die Rekonstruktion der Mächtigkeitsverteilung von verschiedenen kreidezeitlichen Sedimenten im Elbtal zwischen Pirna und Schmilka. Zur Darstellung dieser lateralen Mächtigkeitsunterschiede wurde von Ihm ein dreidimensionales Modell mit der Modellierungssoftware „GoCAD“ erstellt und ausgewertet.

Stefan Höntzsch
Universität Bremen, Fachbereich Geowissenschaften
stefanho[-at-]uni-bremen.de

Zusammenfassung

Als Datengrundlage dienten mir 30 Bohrkerne der ehemaligen WISMUT Uranexploration im sächsischen Elbtal. Markante Änderungen in der Zusammensetzung des Gesteins (z.B. Ton und Sandstein) wurden als Grenzfläche oder „Markerhorizont“ definiert. Diese Flächen konnten in einigen, zum Teil in allen, Profilen wieder gefunden und somit miteinander korreliert werden. Das entstandene Modell zeigt schließlich, dass nicht alle Ablagerungen im untersuchten Gebiet gleichermaßen verteilt waren. Als Ursache hierfür werden deutlich Reliefunterschiede an der Basis des kreidezeitlichen Elbtalbeckens angenommen. Zudem zeigt das Modell die deutlich höhere Lage des Liliensteins, deren Ursache wahrscheinlich auf eine Störung namens „Liliensteinflexur“ zurück geht. Des Weiteren ist es möglich, Anstiege des Meeresspiegels von vor rund 100 Millionen Jahren zu rekonstruieren. Ein praktischer Nutzen des Modells ist vor allem in der Darstellung und Rekonstruktion von grundwasserleitenden Horizonten (vor allem Sandsteine)  zu sehen.

Das Elbtal - heute und vor 100 Millionen Jahren

Die unteren Abbildungen zeigen das Elbtal südlich von Pirna, so wie wir es kennen (Abb. 1a) und vor ca. 100 Millionen Jahren (Abb. 1b). Die Elbe formte die heutige Landschaft in wenigen tausend Jahren. Der größte sächsische Fluss schnitt sich tief in das unter ihm liegende Gestein ein, das dem Elbsandsteingebirge seinen Namen gab. Aber woher kommt dieser ganze Sand?

Die Karte links unten zeigt das Elbtal in der Kreidezeit. Vor rund 100 Millionen Jahren war das Elbtal eine Landenge zwischen zwei größeren „Inseln“ - dem Böhmischen Massiv im Südwesten und dem Westlausitzer Block im NE (dunkelgraue Bereiche). Es wird vermutet, dass verschiedene Flüsse größere Mengen Sediment in das Sächsische Kreidebecken befördert haben. Im Süden und Nordwesten breitete sich jedoch das Meer aufgrund eines steigenden Meeresspiegels kontinuierlich aus und überflutete schließlich das kreidezeitliche Elbtal. Im flachen Wasser werden vor allem Sande, also eher grobe Sedimente, abgelagert. Steigt der Meeresspiegel weiter an, werden eher feinere Sedimente abgelagert. Dazu zählen vor allem Silte (Pläner) und Tone. Durch diesen Wechsel zwischen eher tonigen und eher sandigen Ablagerungen kann die Änderung des Meeresspiegels rekonstruiert werden. Zudem helfen ausgestorbene marine Muscheln (Inoceramen) die Gesteine in den richtigen Zeitabschnitt einzuordnen.

Untersuchungsgebiet mit verwendeten Bohrkernen

Abb. 1a – Das Untersuchungsgebiet mit den verwendeten Bohrkernen. Die in gelb gekennzeichneten Kerne wurden detailliert aufgenommen; die in grün gekennzeichneten Kerne verwenden die lithologische Klassifikation der WISMUT.

Untersuchungsgebiet in der Kreide der Elbezone

Abb. 1b – Regionaler paläogeographischer Überblick des Untersuchungsgebiets im Mittleren Cenoman. Nach Süden schließt sich das Böhmische Kreidebecken an, dessen Teil das Sächsische Kreidebecken ist.

Der Ablauf der Modellierung - Arbeitsschritte und Datenverarbeitung

Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Arbeitsschritte während der Modellierung - von den „Rohdaten“ bis zum fertigen dreidimensionalen Modell. Zur „Überführung“ der aufgenommenen Bohrkerndaten in GoCAD dient ein sogenanntes Skript in der Programmiersprache „Python“, das von Marcus Apel generiert wurde. Zur Vereinfachung des Modells wurde die heutige Erdoberfläche nur mit Hilfe weniger Punkte (Verlauf des Elbtals, Ausstrichpunkte der Bohrungen) modelliert. Ein weitaus genaueres Bild könnte mit Hilfe eines Digitalen Geländemodells (DGM) erzielt werden.

Schrittweise Modellierung

Abb. 2 – Schematische Darstellung des Ablaufs der Modellierung.

Das 3D-Modell und was es uns zeigt

Ein Modell ist immer eine Vereinfachung eines Sachverhalts. In diesem Fall soll nur ein grober Überblick über die abgelagerten Sedimente vom Mittleren Cenoman bis ins Mittlere Turon im unteren Elbtal gegeben werden. In Abbildung 3 wird der Aufbau des Modells in zwölf Schritten dargestellt. Demnach kann das 3D-Modell und die Abfolge der darin abgelagerten Sedimente wie folgt beschrieben werden:

(1) zeigt das prä-mesozoische Basement (rot) und die Lausitzer Überschiebung (rechts) inkl. aller verwendeten Bohrkerne. Die eigentliche Aktivität der Lausitzer Überschiebung beginnt erst nach der Ablagerung der kretazischen Sedimente im Elbebecken. Zur Vereinfachung des Models wurde die Störung daher als „fixe“ oder statische Fläche dargestellt. In (2) und (3) werden erste Sedimente des Niederschönaer Flusses in das Becken geschüttet (Mittleres Cenoman, weiß und grau). Die eher lokale Verbreitung ist wahrscheinlich erosionsbedingt. Im Oberen Cenoman (4) breitet sich das Meer erstmalig im Becken aus. Es werden marine Sande (gelb) abgelagert. Einige Bereiche der Flusssedimente (grau) werden allerdings noch nicht geflutet. Diese morphologischen Antiklinalen sind auch als „Cenomanian Islands“ bekannt. Ab dem Unteren Turon (5) erkennt man deutlich die zyklische Wechsellagerung von Sanden (gelb, orange und rot), Tonen (blau bis violett) und kalkigen Silten („Pläner“: grün bis türkis). Von (9) bis (12) zeichnen sich deutlich die Erhebung des Liliensteins sowie der einschneidende Verlauf der Elbe ab. Die exponierte Lage des Liliensteins ist wahrscheinlich auf den Einfluss der sogenannten Liliensteinflexur zurückzuführen.

Abbildung 4 zeigt ein Blockbild des Modells jeweils von Osten (links), Norden (Mitte) und Westen (rechts). Hier wird die laterale Faziesverteilung sowie Faziesverzahnung von NW nach SE deutlich. Sandige Sedimente nehmen vom Oberen Cenoman zum Mittleren Turon generell zu. Weiterhin werden Mergel und Pläner vor allem im NW abgelagert, Sandsteine akkumulieren sich dagegen im SE des Beckens.

Schichtaufbau

Abb. 3 – Das generalisierte Modell in zwölf Abbildungen. Jede Abbildung umfasst eine zusätzliche Fazieseinheit, die sich durch Lithologie, Morphologie oder räumliche Ausdehnung von den vorigen unterscheidet.

Deutlich werden die lateralen Faziesunterschiede von NW nach SE sichtbar

Abb. 4 – Blockbild des 3D-Modells. Deutlich werden die lateralen Faziesunterschiede von NW nach SE sichtbar.

Literatur & weiterführende Links

  • Höntzsch, Stefan. 2007.
    3D model of stratigraphic sucsessions of the Saxonian Cretateous Basin [unpublished Diploma thesis]. TU Bergakademie Freiberg 2006-2007: 1-65.
 Als Datengrundlage dienten mir 30 Bohrkerne der ehemaligen WISMUT Uranexploration im sächsischen Elbtal. Markante Änderungen in der Zusammensetzung des Gesteins (z.B. Ton und Sandstein) wurden als Grenzfläche oder „Markerhorizont“ definiert. Diese Flächen konnten in einigen, zum Teil in allen, Profilen wieder gefunden und somit miteinander korreliert werden. Das entstandene Modell zeigt schließlich, dass nicht alle Ablagerungen im untersuchten Gebiet gleichermaßen verteilt waren. Als Ursache hierfür werden deutlich Reliefunterschiede an der Basis des kreidezeitlichen Elbtalbeckens angenommen. Zudem zeigt das Modell die deutlich höhere Lage des Liliensteins, deren Ursache wahrscheinlich auf eine Störung namens „Liliensteinflexur“ zurück geht. Des Weiteren ist es möglich, Anstiege des Meeresspiegels von vor rund 100 Millionen Jahren zu rekonstruieren. Ein praktischer Nutzen des Modells ist vor allem in der Darstellung und Rekonstruktion von grundwasserleitenden Horizonten (vor allem Sandsteine)  zu sehen.

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