vortrag 26.10.2005: geologische prozesse im aachener raum · trias cu dm + frasne krahn 1988...
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1
Christoph Hilgers
Geologische Prozesse im Aachener Raum & ihre Bedeutung für
die Gesellschaft
Aachens geologischer Untergrund
Hilgers & Bauer 2003
abgewickelter Kubus:
Aachen
Köln
Geologie & Gesellschaft
Hilgers & Bauer 2003
Braunkohle18. Jh.
Erdbeben1640
Thermal-QuellenKelten
VulkanismusSteinkohle1353
Pb/Zn2000a
S&E
Geologie & Gesellschaft
Hilgers & Bauer 2003
Braunkohle20 Ma
Erdbeben60 Ma
Thermal-Quellen
Vulkanismus, >10 ka
Steinkohle300 Ma
Pb/Zn170 Ma
S&E
Geologische Karte
Tertiär & Quartär <65Kreide <97Trias 240-213Paläozoikum 590-315Vulkane
Datengrundlage
Quantitative ModelleProzesse
spröde0 tannCτ σ φ= +
duktil( )1 3
Q nRTAeε σ σ−
= −&
2
Geologie Rezente Erdbeben
http://www.gd.nrw.de/cgi-bin/erdbeben/erdbeb10.pl
Übersicht
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
FluideSteinkohle, Erdöl & -gas
RWTH-1 & Thermalwasser
Mechanik & Erze
global lokal
Vorlandbecken Falten-& Über-schiebungsgürtel
Fluide
regional
Variszischer Gebirgsgürtel
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
300 Ma
Plattentektonik, Devon - Klastika & Riffkalksteine
www.scotese.com
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Plattentektonik, Unterkarbon - Plattform-Kalksteine
www.scotese.com
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
3
Plattentektonik, Oberkarbon - Steinkohle
www.scotese.com
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Vorlandbecken: Biegung elastische PlattemMKS
Ziegler & Dezes 2005
Aachenm
Garfunkel & Greiling 2000
Aachen
310 Ma
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Avalonia
Elastische Platte
Wang 2001
mm
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Klima+Vegetation+Vorlandbecken
Wrede, in: Drodzweski et al. 1985
Erdöl & Erdgas
Steinkohle
Kraus, National Geographic, 2004
Inde Revier: 1820-1944 30Mt21.6Mt in Flözen >1m
Inde
Wurm
Südlimburger R.
Campine R.
Erkelenzer R.
Wurmmulde 1353
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Beispiel Alpen, Molassebecken
http://geology.com/europe-satellite-images.shtml
Te=25 km, D=1.4x1023 NmAndewegh & Cloetingh, 1998
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Walter 1992
Falten- & Überschiebungsgürtel
4
Falten- & Überschiebungsgürtel
RWTH-1
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Abscherhorizonte
mMKS
Aachen
Lacombe & Mouthereau, 2002, Tectonics
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluidebasement
Beckenbasis
Stolberg, Vichttal
Hausmann 1808, BerlinSchulze 1822, Dumont 1832Sedgwick & Murchison 1842, EnglandHolzapfel, seit 1885 Professor, RWTH
Kasig 1978, aus Richter 1985
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Tschechische Republik, fault bend fold
Suppe 1983
Rampe<->Falte
12
sin 2tan2cos 1
γθγ
− ⎛ ⎞= ⎜ ⎟+⎝ ⎠
θ
γ
Faltung=Biegung+interne Deformation
Issler et al. 1995, Festigkeitslehre
13
0
26BaB
λ π⎡ ⎤
= ⎢ ⎥⎣ ⎦
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Schieferung: Ordoviz
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
5
Ordoviz, Schieferung
S1
S0
Drucklösung do: 30% Volumenverlust
von Winterfeld 1994
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Breddin 1954
Φ
ψ
1
3
11
eRe
+=
+
Geologische Karte
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Kreide-Quartär <97
Trias 240-213
Karbon 387-315
Devon 408-387
Kambro-Ordoviz 590-458
Lithologie
Walter et al.1985
>2400m>900m
Steinkohle
Thermal-quellen
Pb/Zn
Stein-kohle
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
DEKORP 1A Reflexionsseismik, BergbauAachenRWTH-1
Wrede, in: Drodzweski et al. 1985
Meissner & Bortfeld (eds) DEKORP-Atlas 1990
Prinzip Bilanzierung: Linien-Längen
dlel
=
Bilanziert kann Natur wiederspiegeln
Nicht bilanzierbar ist falsch
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Bilanziertes Profil
RWTH-1
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
6
Quantitative Daten
Interne Verformung Rxz1.5-1.645% Verkürzung, e=0.45Transportweite Eifeldecke 41 kmVerformungsraten 0.45/15 Ma=10-12-10-14 1/s (cm/yr)
WurmMulde
Theux-AachenDecke
Eifel-Decke
Venn-WeserDecke
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Fluide
Fluiddrücke, UK Zentral-Graben
Borge 2002
• stress-related:– disequilibrium compaction– increase of fluid volume– fluid movement
• stress-insensitive:– cementation
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Subsidenzkurve Rursee
Bueker et al. 2000 Hilgers et al. 2000
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Fluide & Decken
>4 km
>40 km
Medwedeff & Suppe 1997
θ
γ
Hubbert & Rubey (1959)Smoluchowski (1909) paradoxon
Eifeldecke
Schichtparallele Fluide Rursee
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
7
Schichtparallele Fluide
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Schichtsenkrecht mineralisierte Fluide1
S0
3
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Mikrostrukturen - Paläopermeabilitäten
Mügge 1928, Urai et al. 1991Bons 2001, Hilgers et al. 2001,Nollet et al. 2005
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Flüssigkeitseinschlüsse: Paläotemperaturen
parallel S0senkrecht S0
Bueker et al. 2000 Hilgers et al. 2000
RWTH-1 Bohrung
Lögering et al. 2005
see also Rottke & Stroink 1999
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Brüche - Differenzialspannungen1
3
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
σ1-σ3 < 4T
σ1-σ3 > 5.66T
8
Paläo-Spannungen Rursee
Hilgers et al. 2000
σ1-σ3 >60 MPaσ1-σ3 <60 MPa
Teufe z=6 kmσv eff=90 MPaPoisson ν=0.3σh eff=40 MPaT=-15 MPapf overpr=55 MPa
1h vνσ σν
=−
.effv f hydrostatgz pσ δ= −
SandsteinTonschiefer
Sandstein
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Dynamische Rekristalllisation
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Differenzialspannung - Paläopiezometer
Stipp & Tullis 2003
σ1-σ3 = 60 MPa
100µm
( )1 3
Q nmRTAe dε σ σ−
−= −&
GBM
SGR
Fluide & Pb-Zn Erze, bei Stolberg
Seit 2000 a Bergbau
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Bleiglanz
Lagerstättenbildung
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Trias
cudm + Frasne
Krahn 1988
Advektiver Stofftransport - Prinzip
Kalk-stein
Calcit-lösung
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
9
Analogexperimente Alaun
0.052 ml/h, S=1.08
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Analogexperimente
0.515 ml/h, S=1.09
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Analogexperimente
0.052 ml/h, S=1.08
0.085 ml/h, S=1.11
0.258 ml/h, S=1.11
0.515 ml/h, S=1.09
Q=const, ∆pi=1.15Pa/m, vi=10-5-10-4m/sHilgers et al. 2004, Geology
0.0E+00
5.0E-08
1.0E-07
1.5E-07
0 0.07 0.14 0.21
grow
th v
eloc
ity
(m/s
)
relative supersaturation σ
this model:
this experimentvflow= 0
data
1 m/s0.2 m/s0.05 m/s0.01 m/s0.16 mm/s
data from Mullin 1993 &Garside 1977
vgrowth = A σn vflowm
Wachstumskinetik Alaun
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide
Wachstumsgeschwindigkeiten
0.0E+00
2.0E-05
4.0E-05
0 15 30 45
0.0E+00
2.5E-05
5.0E-05
0 15 30 45
0.00E+00
1.25E-05
2.50E-05
0 15 30 45
v flow is constant
v gro
wth
(mm
/s)
flow velocity
supersaturation σ
aperture
5 mm/s0.16 mm/s0.02 mm/s
0.200.140.05
1.0 mm0.5 mm0.3 mm
Hilgers & Urai, 2002, JSG
Empfindlichkeitsanalyse
Fold- & thrust belt
Vorland-becken
Fluide horizontal distance x (mm)
10
Zusammenfassung: Geologische Prozesse
PaläospannungenVersiegelungsprozesse
→Deckenmechanik, Einengung
→Plattentektonik
Geologie & Gesellschaft
BraunkohleErdbeben
Thermal-Quellen
Steinkohle
Pb/ZnS&E
Geologie → Industrie →
Komplexer Multilayer → p,T,X, f(t)