Geologische 3D-Modellierung


Ziele

Zwei wesentliche Ziele des Einzelprojektes ZPK-TLUG sind die Erstellung eines geologischen 3D-Modells des Thüringer Beckens im Übersichtsmaßstab (Übersichtsmodell) und eines detaillierten geologischen 3D-Modells (Detailmodell), das den Standort der Forschungsbohrung FB EF 1/2014 und das Einzugsgebiet des Flusses Gramme enthält.

In beiden 3D-Modellen sollen bereits vorhandene Daten wie Bohrungen und geologische Karten ebenso eingehen wie neue Erkenntnisse aus INFLUINS. Im Projektverlauf werden sukzessive die Ergebnisse anderer Einzelprojekte (u.a. bilanzierte geologische Profilschnitte, Forschungsbohrung Erfurt, Gravimetrie) in die Datenbasis integriert und im Modell eingebunden. Dabei soll die Auflösung des Beckenmodells sowohl räumlich als auch stratigraphisch fein genug sein, um wesentliche geologische Strukturen des Thüringer Beckens darstellen zu können. Das Detailmodell soll durch seine lokal bessere Anpassung an die Ausgangsdaten geologische Strukturen feiner auflösen und die Quartärverbreitung abbilden.

Es wird angestrebt, das Beckenmodell nach Fertigstellung durch eine Internetanwendung öffentlich zugänglich zu machen. Das Detailmodell ist als Basis für eine hydrogeologische Modellierung vorgesehen.

Arbeitsgebiete

Übersichtsmodell

Das Arbeitsgebiet umfasst eine Fläche von ca. 12.000 km². Die mit oberkarbonischen bis triassischen Sedimenten gefüllte Thüringer Mulde wird vom Thüringer Wald im Südwesten, dem Thüringer Schiefergebirge im Süden und von Harz und Kyffhäuser im Norden begrenzt. Durchzogen wird sie von vorrangig NW-SE ausgerichteten Störungszonen, wie Eichenberg-Gotha-Saalfeld-Störungszone, Erfurter Störung und Finnestörung.

Detailmodell

Das Arbeitsgebiet umfasst eine Fläche von ca. 1.200 km2 im zentralen Thüringer Becken. Wesentliche geomorphologische Elemente in diesem Gebiet sind die Erfurter Keupermulde, die Muschelkalkhöhen des Ettersberges, der Fahner Höhe und des Steigers sowie die breite Talaue der Gera. Als dominierende strukturgeologische Einheiten durchziehen die Erfurter Störungszone und der Ilmtalgraben in NW-SE-Richtung das Areal.

Methodik

Zu Beginn des Projektes erfolgte die Sichtung aller infrage kommenden Datenquellen und die Aufbereitung ausgewählter Daten. Vor allem die Datenaufbereitung war aufgrund des großen Datenumfangs und der notwendigen Validierung der sehr heterogenen Daten zeitlich umfangreich und blieb auch später ein Bestandteil des Modellierungsprozesses (siehe Abb. 1).

Ablaufschema_beideModelle_klein

Abb.1: Ablaufschema zur Erstellung der geologischen 3D-Modelle (Übersichts- und Detailmodell)


Zur Modellerstellung wurden Bohrungsdaten, geologische Karten (Geologische Übersichtskarte von Thüringen 1:200.000 für das Übersichtsmodell, Geologische Karte 1:25.000 für das Detailmodell) sowie weitere Daten wie Schichtlagerungskarten und geologische Profilschnitte verwendet. Die Eingangsdaten wurden stratigraphisch vereinheitlicht und in die Modelliersoftware importiert.

Die geologische 3D-Modellierung erfolgte mit der Software SKUA der Firma Paradigm. Überwiegend wurde dabei der "Structure and Stratigraphy"-Workflow genutzt, mit dem auch geringmächtige stratigraphische Einheiten durchdringungsfrei modelliert werden können.

Im Unterschied zum Übersichtsmodell, in dem keine quartären Schichten enthalten sind, wurden für das Detailmodell die präquartären und quartären Horizonte in SKUA getrennt modelliert, bevor die beiden Modellkomplexe in SKUA zusammengeführt wurden.

Ergebnisse

Übersichtsmodell

Eine erste Fassung des Beckenmodells, die mit Paradigm GOCAD erstellt wurde, umfasst 14 geologische Einheiten und 54 Störungen. Im September 2012 wurde ein speziell auf die Anforderungen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (EP10) abgestimmter Zwischenstand dieses Übersichtsmodells mit senkrechten Störungen erstellt und den Projektpartnern von EP10 für die weitere Verwendung bei hydrogeologischen Modellierungen übergeben. Da die Mächtigkeiten der geologischen Einheiten mit GOCAD nicht korrekt darstellbar waren, wurde ein Softwarewechsel auf Paradigm SKUA vorgenommen.

Uebersichtsmodell

Abb.2: Anschnitt des Geologischen Übersichtsmodells des Thüringer Beckens, erstellt mit Paradigm SKUA (10-fach überhöht)


Das mit SKUA erstellte Modell (Abb. 2) enthält 27 geologische Einheiten und ein die geologischen Gegebenheiten akkurater wiedergebendes Störungsnetzwerk. Die Störungen wurden mit Einfallswinkel und Einfallsrichtung versehen, unter Einbeziehung der aus EP2 vorliegenden Erkenntnisse.

Ausschnitte aus diesem Modell, die mit einer höheren räumlichen Auflösung modelliert sind, wurden an mehrere andere Einzelprojekte weiter gegeben, unter anderem als Startmodell für geophysikalische Modellierungen.

Detailmodell

Im Verlauf des Arbeitsprozesses wurde festgestellt, dass für den quartären und den präquartären Anteil zwei getrennte Modellieransätze notwendig sind, bevor aus beiden Teilen ein konsistentes Modell erstellt werden kann. Hierzu wurde unter anderem ein Workflow entwickelt, um die Geometrien der quartären Flächen halbautomatisiert topologisch einwandfrei zu generalisieren.

Das Detailmodell besteht derzeit aus 15 Horizonten und 36 vertikalen Störungen (siehe Abb. 3). Ergänzend zu den oben genannten Eingangsdaten wurden bisher Ergebnisse der Forschungsbohrung (EP3), der seismischen Tomographie (EP1) und der Reflexionsseismik in den Modellierprozess eingeschlossen.

GeolDetailmodell_Zwischenstand_Aug2014_mitGew_uGG_klein

Abb. 3: Detailmodell (Stand August 2014) mit quartärer Bedeckung in den Auenbereichen und mit Störungsnetzwerk, erstellt mit Paradigm SKUA (5-fach überhöht); Bohrturm - Lage der Forschungsbohrung


Mitarbeiter/innen

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