Markus Wolfgramm

Fluidentwicklung und Diagenese im Nordostdeutschen Becken - Petrographie, Mikrothermometrie und Geochemie stabiler Isotope

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 13.05.2002

Abstract
Das Nordostdeutsche Becken (NEDB) ist ein etwa 300 km breites und 200 km langes Teilbecken des Mitteleuropäischen Beckens, in dem seit dem Perm mehr als 8000 m mächtige Gesteine akkumuliert wurden. Zur Rekonstruktion der Paläo-Fluidentwicklung des Sedimentbeckens wurden 29 Tiefbohrungen und einige Oberflächenaufschlüsse beprobt und die etwa 250 Proben petrographisch, mikrothermometrisch und isotopengeochemisch (34S, 13C, 18O) untersucht. Unter Berücksichtigung der petrographischen und regionalgeologischen Bedingungen konnten sieben Fluidphasen unterschieden werden. Die mikrothermometrisch ermittelte, vertikale Temperaturverteilung lässt zudem Aussagen zum Wärmetransport zu. Die sehr steilen thermischen Gradienten im Bereich der permokarbonen Vulkanite deuten so auf advektive Fluidzirkulation in den stark alterierten und geklüfteten Vulkaniten hin, während der Wärmetransport in den sedimentären Gesteinen überwiegend konduktiv erfolgte. Ein weiteres Ergebnis zeigt sich im Vergleich der Fluiddaten des NEDB mit denen der Harzer Sulfid-Gänge (z.B. Zheng & Hoefs 1993a, b, Lüders et al. 1993a). Mikrothermometrische, petrographische und isotopengeochemischen Signaturen deuten so auf z.T. gemeinsame Fluidquellen hin. In Kooperation mit C. Breitkreuz, G. Brecht und A. Schmidt Mumm konnte zudem ein hydrothermales liassisches Ereignis (206 - 156 Ma) in den permokarbonen Vulkaniten des NEDB nachgewiesen werden (Brecht & Wolfgramm 1998, Wolfgramm et al. 1998), welches durch Temperaturen bis 350C charakterisiert ist. Die isotopengeochemischen Signaturen geben Hinweise auf verschiedene Quellen, Pfade und Mischung von Beckenfluiden. So konnte eine Mischung von deszendierenden Zechsteinwässern mit Porenwässern der Rotliegend-Sandsteine und im Bereich tiefgreifender Störungszonen sogar mit Wässern der permokarbonen Vulkanite ebenso nachgewiesen werden wie die Mischung meteorischer mit basinalen Tiefenwässern im Bereich kretazischer Störungen. Die Kohlenstoff-Isotope deuten auf aszendierende Wässer der kohlenstoffreichen Karbon-Sedimente und teilweise auf juvenile Wässer hin. Das NEDB kann dem entsprechend nicht als geschlossenes System betrachtet werden, da es auch durch externe Fluidquellen beeinflusst wird.

The Northeast German Basin (NEDB) is a c.300 km long and 200 km wide subbasin of the Mid-European Basin in which more than 8000 m of volcanic and sedimentary rocks were accumulated since Permian. For the reconstruction of palaeo-fluid evolution were investigated 250 samples of 29 deep wells and some surface outcrops by petrographic, microthermometric and stable isotope analyses (34S, 13C, 18O). Considering the petrographic and regional geological investigations, seven phases of fluid mobilisation and migration can be distinguished. Besides the distinction of fluid phases, the fluid inclusion investigation revealed further characteristics of the basin fluid evolution. The microthermometrically determined depth dependent temperature distribution implies a partially steep geothermal gradient within the Permo-Carboniferous volcanic rocks. This can readily explained by assuming advective fluid circulation within the intensely altered volcanic rocks. In contrast, the thermal gradient in sediments indicate a conductive heat flow. Another pattern of fluid migration is revealed by the comparison of fluid inclusion data from the NEDB with those of the sulphide vein deposits of the Harz mountains (e.g Zheng and Hoefs 1993a,b, Lueders et al 1993a). Microthermometric, petrographic and stable isotope signatures suggest common fluid sources for both processes. A hydrothermal event during the Jurassic (206 - 156 Ma), characterised by temperatures up to 350 C could be demonstrate for the Permo-Carboniferous volcanic rocks in cooperation with C. Breitkreuz, G. Brecht and A. Schmidt Mumm. The isotopic signatures of cementing and hydrothermal minerals indicate various sources, migrational passages and fluid mixtures. A mixing of descending Zechstein related fluids with brines mobilised from Rotliegend Sanstones can be demonstrated as well as fluids related to Permo-Carboniferous volcanic rocks in the vicinity of deep seated faults and mixing of basinal brines with meteoric water. Carbon isotope ratios suggest ascending aqueous fluids derived from carbon-rich Carboniferous sediments and juvenile water. The NEDB thus has to be seen as an open system as it is partly influenced by external fluids.

Keywords:
Flüssigkeitseinschlüsse, Geochemie stabiler Isotope, Diagenese, Beckenentwicklung, cryo-REM-EDX, Beckenwässer

Fluid inclusions, geochemistry of stable isotopes, diagenesis, basin evolution, cryo-REM-edx, basinal fluids

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Inhaltsverzeichnis
Vorwort, Zusammenfassung, Abstract, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (I, IV-XII)
1 Einleitung (1-8)
2 Geologischer Überblick (9-21)
3 Methodik (22-24)
4 Petrographie und Diagenese (25-64)
5 Alter der Fluide (65-70)
6 Chemische Zusammensetzung der Fluide (71-88)
7 Temperatur- und Druckinformationen (89-121)
8 Herkunft der Fluide (122-143)
9 Diskussion der Ergebnisse und resultierende Modelle (144-153)
Literatur (154-170)
Foto-Tafeln
Anhang