Geologische 3D-Modellierung auf unterschiedlicher Datengrundlage eine Fallstudie im Raum Mügeln

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1 eine Fallstudie im Raum Mügeln Sascha Görne Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Abteilung Geologie, August-Böckstiegel- Straße 1, Dresden Pillnitz, Bei der Erstellung geologischer 3d-Modelle kann auf verschiedene Datengrundlagen zurückgegriffen werden. In der Regel bilden Bohrungsdatenbanken den wichtigsten Primärdatenbestand. Daneben sind Kartierungsergebnisse (Geologische Karten, Flözverbreitungskarten etc.) von enormer Bedeutung. Des Weiteren kann auf Sekundärdaten, die ihrerseits auf Primärdaten beruhen aber bereits eine geologische Interpretation widerspiegeln, zurückgegriffen werden. In beiden Fällen werden sich die Ergebnisse einer 3d-Modellierung voneinander unterscheiden. Im Überlappungsbereich dreier Modellierungsprojekte im Raum Mügeln (Nordwestsachsen) entstanden verschiedene Modelle unterschiedlicher Zielstellung auf den genannten primären und sekundären Datengrundlagen. Der Vortrag vergleicht die Modellierungsergebnisse und geht auf die Unterschiede der verschiedenen Arbeitsweisen ein. Geological 3d Modeling Based on Different Sources Case Study Mügeln Creation of 3d geological models can be based on different data sources. In general, borehole databases are the main primary datasets, while mapping results (geological maps etc.) are extremely important, too. Furthermore, secondary data based on geological interpreted primary data can be involved. In both cases, the results of a 3d modeling differ. Based on the primary and secondary data mentioned above different models of different objective were developed in the overlapping area of three modeling projects in the Mügeln area (Northwest Saxony). The paper compares the results and highlights the differences between the three methods. 1 Einleitung Seit 2008 wird am Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) im Rahmen des Eigenforschungsprojektes Geologische Modellbildung an wirtschaftlich bedeutenden Lockersedimenten mittels 3d-Modellierung zuzüglich der Zeitkomponente am Beispiel des Braunkohlenbergbaues im Südraum von Leipzig als Grundlage für Hydrogeologie und Geothermie ein geologisches 3d-Modell des flacheren Untergrundes erstellt. Dabei werden im Wesentlichen die Lithofazieskarten Tertiär (LfUG 2003) umgesetzt. Des Weiteren wurden unter Leitung des LfULG geologisch-hydrogeologische Körpermodelle für Mittel- und Nordwest-Sachsen und ein rohstoffgeologisches Modell der Mügelner Perm-Trias Senke erstellt. In der Region Mügeln überlappen sich die vorgenannten drei Projektgebiete in einem 5 x 10 km großen Teilgebiet. Um die erzielten Modellierungs-Ergebnisse einschätzen und die verschiedenen Arbeitsmethoden bewerten zu können, wurde ein Vergleich der 3d-Daten in diesem Gebiet unternommen. 2 3d-Modelle auf unterschiedlicher Datenbasis Das in Abbildung 1 dargestellte Gebiet liegt im Überlappungsbereich der obengenannten 3d-Modellierungsobjekte. Das Betrachtungsgebiet erstreckt sich in Nord-Süd-Ausdehnung über 10 km von Mügeln bis zur BAB14 und in West-Ost-Richtung von Strocken bis Schrobitz (ca. 5 km). Die Modelle, die sich hier in ihren Randbereichen überschneiden, weisen unterschiedliche Autorenschaft und verschiedene Bearbeitungsstände auf. Die Projekte und ihre Datenbasis werden im Folgenden kurz beschrieben und im Anschluss gegenübergestellt. 1

2 Abb. 1: Lage der Projektstandorte in Sachsen; Detailansicht des Untersuchungsgebietes 2.1 Modell der Dolomitverbreitung in der Mügelner Perm-Trias Senke Zielstellung der Modellierung war es, neue Erkenntnisse zur Geologie der Mügelner Perm-Trias- Senke und insbesondere zum Vorkommen des Plattendolomits zu gewinnen. Vordergründig wurden dabei dreidimensionale Modelle des Sedimentkörpers von Oberrotliegend/Zechstein bis zu den jüngsten Bildungen des Quartär erstellt. Für die 3D-Modellierung der geologischen Verhältnisse in der Mügelner-Perm-Trias-Mulde sind zwei Teilmodelle geschaffen worden. Das Teilmodell I stellt die Festgesteine aus Paläozoikum und Mesozoikum dar, im Teilmodell II Känozoikum stehen die Lockergesteine des Quartär und Tertiär im Mittelpunkt. Bei der Erarbeitung der Modelle wurden verschiedene methodische Ansätze erprobt oder neu entwickelt. Dem Teilmodell I können Informationen zur Nutzschicht Plattendolomit und deren unmittelbaren Hangend- und Liegendschichten entnommen werden. Außerdem bildet es die Grundlage für eine Diskussion von Konzepten der Beckenentwicklung. Das Teilmodell II ist nicht zuletzt als eine erste Machbarkeitsstudie für die Känozoikum-Modellierung in Sachsen zu verstehen und hat von daher neben rein geologischen Aussagen einen hohen methodischen Wert (GAITZSCH et al. 2008). Als Datenbasis für beide Teilmodelle dienten v.a. Bohrungsdaten des LfULG-Bohrarchives. Etwa die Hälfte der 1200 verfügbaren Bohrungen sind mit digitalen Schichtenverzeichnissen in der Bohrdatenbank erfasst. Während die Modellierung im Prä-Känozoikum im Wesentlichen auf der Flächenbildung durch Interpolation zwischen Bohrungsmarkern basiert, bilden für das Känozoikum-Modell Ausbisslinien aus Geologischen Karten, Bohrungsmarker mit angenommenen Mindestmächtigkeiten und Verbreitungsgrenzen aus Lithofazieskarten die Datenbasis. 2

3 Sascha Görne Abb. 2: Modell der Mügelner Perm-Trias-Senke, Darstellung von Rotliegend-Oberkanten (1), Plattendolomit-Körper (2), Buntsandstein (3), Tertiär (4),Auensedimente (5) sowie DGM (transparent), 10fach überhöht, Blick nach Süden (aus: GAITZSCH et al. 2008). 2.2 Modell hydrogeologischer Körper in Nordwestsachsen Im Rahmen der hydrogeologischen Landesaufnahme (Hyk50dig) wurden für das LfULG digitale Daten der Raumlage hydrogeologischer Einheiten, die zu Modellkörpern zusammengefasst wurden, erstellt. Die raumbezogenen Daten liegen als 2,5D-ESRI-Grids mit einem Rastermaß von 50x50 m vor (HGC/HGN 2004). Da bislang keine Schnittstelle für den Import von ESRI-Grids nach GOCAD existiert, wurden diverse Routinen entwickelt, die es dem Nutzer erlauben in wenigen Schritten, TSurfs aus den Grids und den als ESRI-Shapefiles vorliegenden Verbreitungsgrenzen der jeweiligen hydrogeologischen Einheiten zu generieren. Abb.3: Schritte der Flächengenerierung aus ESRI-Grids; (a) Direkte Triangulation der Datenpunkte, (b) virtuelle (1) und reelle (2) Parts nach der Verschneidung, (c) automatisch selektierte Horizontlage und verbreitung, Map-View, erstellt mit Paradigm GOCAD Dazu werden zunächst mithilfe von pythontm-scripts unter Nutzung der ESRI-Geoprocessing-Engine Punkt-Shapes erzeugt, die als PointsSets in GOCAD importiert werden können. Aus diesen Punkten und den vorliegenden Verbreitungsgrenzen werden dann über einen GOCAD-Wizard 3d-Flächen 3

4 errechnet. Bei nicht flächendeckend verbreiteten Horizonten stellt sich oft die Problematik, dass GOCAD aus den Eingangs-Punktdaten zusammenhängende Flächen interpoliert, die nach der Verschneidung mit den Verbreitungsgrenzen aus virtuellen und reellen Surface-parts bestehen (siehe Abb. 3). Zur Selektion und Löschung der virtuellen Parts wurde ein 1-Klick-Wizard entwickelt, der diesen Arbeitsschritt automatisiert. Abb. 4: 3d-Modell der hydrogeologischen Körper; Nord-Teil des Vergleichsgebietes, SE-Sicht, 10fach überhöht, erstellt mit Paradigm GOCAD Bei diesem Beispiel (vgl. Abbildung 4) handelt es sich also um eine Modellierung, die auf Sekundärdaten beruht; die Datenbasis bilden ESRI-Grids mit Höhenangaben und digitale Verbreitungsgrenzen. Die Einflussnahme auf das Ergebnis mit einzelnen Punktdaten (z.b. Bohrungen) ist nicht möglich d-Modell auf Basis von Isohypsenplänen der LKT50 Ziel des Forschungsprojektes ist die methodische Untersuchung für 3-dimensionale Modellierungen der geologischen Verhältnisse in Lockersedimenten in Regionen mit intensiver zeitlicher und räumlicher anthropogener Beeinflussung. Im Rahmen des Projektes werden die geometrischstrukturellen Grundlagen für eine Rekonstruktion der geologischen Verhältnisse in der bergbaubeeinflussten Leipziger Region erarbeitet. Als wichtigste Datenbasis dienen die bis 2003 im Auftrag des LfULG entstandenen Lithofazieskarten Tertiär im Maßstab 1: (LKT50). Dabei handelt es sich um Isolinienpläne der Basis lothofazieller Einheiten des Tertiär. Zusätzlich sind 13 analoge Schnittbilder im Maßstab 1: bzw. 1: digitalisiert und georeferenziert in die Modellierung eingeflossen. Um die Datenverarbeitung weitgehend zu automatisieren und einen für die weitere Modellierung einheitlichen 3d-Datenbestand zu erhalten, wurde der Import der Datenbasis und die 3d-Flächenerstellung über zahlreiche GOCAD-Scripte realisiert. Abbildung 5 zeigt die Prätertiär-Oberkante im hier betrachteten Vergleichsgebiet. 4

5 Abb. 5: Top Prätertiär im Vergleichsgebiet, generiert aus Isohypsen der LKT 50; SE-Sicht, 10fach überhöht, erstellt mit Paradigm GOCAD 3 Vergleich der Modelle Werden die Modellierergebnisse der verschiedenen Projekte einem Vergleich unterzogen, zeigt sich schnell, dass unterschiedliche Zielstellungen, Herangehensweisen und Datengrundlagen zu abweichenden Ergebnissen führen können. So führt die hydrogeologische Interpretation der geologischen Verhältnisse zu anderen Schichteinteilungen, als die Modellierung der tertiären Sedimentfolge, deren Abgrenzung sich weitestgehend an den flächig verbreiteten Braunkohleflözen und anderer lithologischer Leithorizonte orientiert (ESCHER et al. 2003). Zudem steht hier die Zusammenfassung aller älteren Schichten zu einer Präteriäroberfläche der differenzierteren Aufteilung in hydrogeologische Einheiten gegenüber. Bezieht man in den Vergleich noch die rohstoffgeologische Modellierung mit ein, zeichnen sich erneut Unterschiede ab. Abbildung 6 zeigt eine Gegenüberstellung der Präkänozoikum-Oberkante auf Basis der LKT50 (a), der Präkänozoikum- Oberkante aus dem rohstoffgeologischen Modell (b) und die Basis känozoischer Sedimente aus der Hyk50dig (c). Folgen auch alle Flächen einem gemeinsamen Trend, so ist doch der Einfluss der Datenbasis erkennbar. In der Modellierung mit Primärdaten (b) ist deutlich das Gewicht einzelner Aufschlüsse bzw. Bohrungen ersichtlich, die bedingt durch den Maßstab der Ausgangsdaten in der LKT50-Umsetzung (a) generalisiert wurden. Abb. 6: Vergleich der Präkänozoikum-Oberkante auf Basis der LKT50 (a), der Präkänozoikum- Oberkante aus dem rohstoffgeologischen Modell (b) und die Basis känozoischer Sedimente aus der Hyk50dig (c), SE-Sicht, 10fach überhöht, erstellt mit Paradigm GOCAD 5

6 4 Zusammenfassung / Ausblick Die Modellierung auf Grundlage primärer und sekundärer (bereits interpretierter) Daten liefert erwartungsgemäß verschiedene Ergebnisse. Die Abweichungen sind zum einem dem Interpolationsalgorithmus (DSI) von GOCAD zuzuschreiben und rühren zum anderen von maßstabsbedingten Generalisierungen des Kartenmaterials her. Modellierungsergebnisse anderer Projekte können jedoch für eine neue Fragestellung eine wertvolle Ergänzung zu den eigentlichen Datengrundlagen sein. So werden bis zum Abschluss des Forschungsprojektes Geologische Modellbildung an wirtschaftlich bedeutenden Lockersedimenten mittels 3d-Modellierung zuzüglich der Zeitkomponente am Beispiel des Braunkohlenbergbaues im Südraum von Leipzig als Grundlage für Hydrogeologie und Geothermie die Daten der Hydrogeologischen Körper der Hyk50dig sowie die 3d-Daten des Dolomitverbreitungsmodells in die Modellierung einfließen und zu einem Erkenntniszuwachs führen können. 5 Literaturverzeichnis ESCHER, D., FISCHER, J., STANDKE, G., RASCHER, J. (2003): Das Tertiär Nordwestsachsens : Ein geologischer Leitfaden; unveröff. Abschlussbericht Geol. Archiv Freiberg. GAITZSCH, B., SATTLER, S., KOGAN, I. (2008): Dolomitverbreitung in der Mügelner Perm-Trias Senke - Verbesserung des geologischen Kenntnisstandes, unveröff. Abschlussbericht zum Vertrag /350, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Freiberg HGC HYDROGEOCONSULT GMBH FREIBERG/HGN HYDROGEOLOGIE NL TORGAU (2004): Hydrogeologische Grundlagenkarte Blatt L4946 Meißen; 70 S.; unveröff. Abschlussbericht LfUG Freiberg. 6