Development of high-resolution 3D geological subsurface models based on airborne electromagnetic data

case studies from the Cuxhaven tunnel valley and the Lutter anticline, northern Germany

verfasst von

Dominik Steinmetz

betreut von

Jutta Winsemann

Abstract

Die Aeroelektromagnetik (AEM) ist eine effiziente Methode für geophysikalische Untersuchungen im Bereich des oberflächennahen Untergrundes und wurde erfolgreich in verschiedenen geologischen Räumen getestet, um u. a. die Ablagerungsarchitektur des Untergrundes hinsichtlich grundwasserwirtschaftlicher Fragestellungen zu untersuchen. Jedoch ist die Interpretation der AEM-Daten oftmals auf 1D Inversionsergebnisse begrenzt, die anhand von 2D Widerstandskarten und Profilschnitten dargestellt werden. Die Integration der durch die Aeroelektromagnetik gewonnenen geophysikalischen Daten mit geologischen Daten fehlt oftmals und führt zu Unsicherheiten in der Interpretation. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es eine verbesserte Methode für die geologische Interpretation von AEM Daten zur Erstellung von möglichst wirklichkeitsgetreuen 3D Untergrundmodellen bereitzustellen. Die Methodik basiert auf der Entwicklung integrierter Arbeitsabläufe und 3D Modellierungsansätzen mit Hilfe der Modellierungssoftware GOCAD® von Paradigm und beruht auf der Kombination verschiedener geophysikalischer und geologischer Datensätze (Aeroelektromagnetik, Karten des Geotektonischen Atlas 3D, 2D reflektionsseismische Profile und Bohrdaten). Anhand der geostatistischen Analyse und Interpolation bestehender aeroelektromagnetischer 1D Inversionsergebnisse wurden 3D Widerstandsmodelle des Untergrundes erstellt. Diese wurden anschließend durch Integration geologischer Kartenwerke, Bohrdaten, seismischer Profile und hochauflösender topographischer Karten geologisch interpretiert. Für die Untersuchungen wurden zwei Testgebiete mit unterschiedlichem geologischem Untergrund gewählt. Das Ziel des ersten Untersuchungsgebietes im Nordwesten Deutschlands, in der Nähe von Cuxhaven, lag darin die Methodik zur Entwicklung der aus Gitterzellen aufgebauten 3D Widerstandsmodelle an Lockersedimenten im Bereich einer in neogene Ablagerungen eingeschnittenen pleistozänen subglazialen Rinne zu testen. Die 3D Widerstandsmodelle ermöglichen eine genaue Unterscheidung der verschiedenen Lithologien und ermöglichen die Abgrenzung sedimentärer Architekturelemente. Die neogene Abfolge besteht aus feinkörnigen marinen Schelf- und Küstenablagerungen und gliedert sich durch vier Diskordanzen. Hinweise auf den früheren Verlauf der Weser gibt es im oberen Miozän in Form einer erosiven Rinnenstruktur, die im Pliozän mit deltaischen Sedimenten gefüllt wurde. Die im Mittelpleistozän gebildete subglaziale Rinne (Elster-Eiszeit) schneidet sich bis zu 350 m tief in die neogenen Sedimente ein und ist zwischen 0,8 bis 2 km breit. Die mit Lockersedimenten gefüllte spätmiozäne Rinnenstruktur stellte wahrscheinlich einen bevorzugten Fließweg für die pleistozänen subglazialen Schmelzwässer dar und begünstigte das erosive Einschneiden. Mit Hilfe der 3D Widerstandsmodelle konnte die Rinnenfüllung detailliert dargestellt werden. Sie besteht aus einer komplex aufgebauten sedimentären Abfolge alternierender fein- bis grobkörniger elsterzeitlicher Sedimente, die von glazilakustrinen Sedimenten des Lauenburger Ton Komplexes und marinen Sedimenten des Holstein-Interglazials überlagert werden. Die durchgeführten Untersuchungen und Ergebnisse zeigen eine zuverlässige Methode, die für zukünftige Untersuchungen ähnlicher geologischer Räume angewendet werden kann. Im zweiten Untersuchungsraum ging es um die Erprobung einer Methode zur Bestimmung vorherrschender Gesteinstypen, Störungs- und Kluftsysteme unter Anwendung von Trendanalysen dreidimensionaler Widerstandsmuster, die auf hochauflösenden aeroelektromagnetischen Befliegungsdaten basieren. In Gebieten mit begrenzter Aufschlussanzahl liefern aerogeophysikalische Messungen entscheidende gesteinsspezifische Daten zur Interpretation der regionalen und lokalen geologischen Untergrundverhältnisse. Die Methode wurde anhand eines Gebietes in Deutschland im Bereich des Harzvorlandes, dem Lutter Sattel, getestet. Anhand des erstellten dreidimensionalen Widerstandsmodells dieser auf Salztektonik zurückzuführenden Sattelstruktur konnten laterale und vertikale Änderungen in den lithologischen Einheiten, im Wassergehalt und in der Geometrie der Sattelstruktur sowie Störungszonen identifiziert und kartiert werden. Das erstellte dreidimensionale Widerstandmodell der Sattelstruktur ermöglicht eine Unterscheidung der aufgestellten paläozoischen und mesozoischen Gesteine. Am elektrischen Widerstandsmodell angewendete Kurvenanalysen zeigen Trendmuster, die mit aus Aufschlüssen bekannten Störungs- und Kluftsystemen übereinstimmen. Der Vergleich zwischen Trendmustern des Widerstandsmodells mit den lokalen, in Aufschlüssen gemessenen Störungs- und Kluftsystemen zeigt vielversprechende Ergebnisse, die darauf hinweisen, dass aeroelektromagnetische Daten zur Identifizierung von Störungssystemen oberflächennah anstehender Sedimentgesteine geeignet sind. Demnach bieten aeroelektromagnetische Daten das Potential für eine direkte strukturanalytische Anwendung.

Organisationseinheit(en)

Institut für Geologie

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

118

Publikationsdatum

2019

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 14 – Lebensraum Wasser

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/7462 (Zugang: Offen)