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)