3D Modellierung von Tonwürfelsalz zur Rekonstruktion von Hauptspannungsrichtungen

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1 R. Marschallinger, W. Wanker, F. Zobl: Beiträge zur COGeo doi: /cogeo D Modellierung von Tonwürfelsalz zur Rekonstruktion von Hauptspannungsrichtungen Christoph LEITNER, Robert MARSCHALLINGER Peer-reviewed COGeo 2010 contribution doi: /cogeo Appendix doi: /cogeo a01 Zusammenfassung Die alpinen Salzlagerstätten bestehen zu etwa 50 % aus Tonstein. Dieser tektonisch zerbrochene Tonstein beinhaltet oft 2-10 mm große Salzkristalle, die in Gruppen, aber isoliert voneinander in der Tonsteinmatrix auftreten. Die äußere Kristallform des Tonwürfelsalzes ist die des Quaders, Rhomboeders oder rhombischen Prismas, sowie Kombinationen davon. Die übliche Kristallform von Steinsalz ist jedoch die des Würfels. Auch in rezenten Salzlagerstätten werden bei der Kristallisation bzw. Sedimentation keine Quader, Rhomboeder oder rhombische Prismen beobachtet. Die Vermutung liegt nahe, dass die ursprüngliche Würfelform zu diesen Symmetrieformen deformiert wurde (These 1) und nicht durch anisotropes Wachstum im Tonstein entstand. Welche der Formen entstand, hing von der ursprünglichen und zufälligen Orientierung der Salzwürfel zur späteren Hauptspannungsrichtung ab. Um diese Behauptung zu stützen, muss gezeigt werden, dass es eine einheitliche Deformationsrichtung gibt. Glücklicherweise finden sich Schichtflächen im Tonstein. Sollte die Deformationsrichtung normal zur Schichtfläche orientiert sein, handelt es sich sehr wahrscheinlich um eine Kompaktionserscheinung durch sukzessive Versenkung (These 2) und nicht um eine tektonische Deformation. Von einer geeigneten Probe wurden Röntgen-Tomographische Schnitte hergestellt. Die Salzkristalle sind bei der Betrachtung auf den CT-Bildern gut erkennbar. Die CT-Bilder weisen allerdings ein deutliches Bildrauschen auf; Standard-Bildklassifikationsmethoden liefern aus diesem Grund keine befriedigenden Ergebnisse. Die Salzkristalle wurden deshalb pro Schnitt manuell digitalisiert, in drei Qualitätsklassen eingeteilt und als Polygone mit distinkten Graustufen gespeichert. Mit Hilfe eines 3D-Modellierungsprogramms wurden die klassifizierten CT-Schnitte zu einem Volumenmodell der Salzkristalle zusammengesetzt, das mit Median- und binären Filtern verbessert wurde. Das 3D-Modell ist die Basis für die geplante, automatisierte Analyse der 3D-Anisotropien der Salzkristallformen. Einführung Isolierte Salzwürfel in Tonstein oder Abdrücke von solchen in Tonstein/Sandstein wurden weltweit und in unterschiedlich alten Salzlagerstätten beobachtet (z.b. Kendall, 2000; Haude, 1970; 1

2 Christoph Leitner, Robert Marschallinger Gornitz & Schreiber, 1981). Alpine Salzlagerstätten bieten optimale Aufschlussverhältnisse und haben einen hohen Tonanteil. Tonwürfelsalz wird nur von Haidinger in alpinen Lagerstätten (1847; 1853) und Görgey von einer oberelsässischen Lagerstätte (1912) explizit beschreiben. Geologisches Setting Die Nördlichen Kalkalpen stellen einen Überschiebungsgürtel dar (fold and thrust belt). Die evaporitische Formation des Haselgebirges wurde während der alpinen Gebirgsbildung stark beansprucht. Die in Bergwerken zugänglichen Salzgesteine liegen als tektonische Mélange vor und bestehen hauptsächlich aus Steinsalz und Tonstein. Die Lagerstätten selbst wurden unter völlig anderen Bedingungen abgelagert, nämlich vor etwa 250 Mill. Jahren (Oberes Perm bis Skyth). Die Evaporite dürften sich in einem Riftsystem als Ausläufer der Thetys unter Sabkhaartigen Bedingungen abgelagert haben (Spötl, 1989) 2

3 3D-Modellierung von Tonwürfelsalz zur Rekonstruktion von Hauptspannungsrichtungen Beschreibung der Salzkristalle In den unzerstörten Tonsteinen finden sich Salzwürfel ( Tonwürfelsalz ). Die Salzwürfel sind üblicherweise etwa bis 1 cm groß. Es gibt aber auch kleinere Kristalle mit 2-4 mm und größere, bis zu 10 cm Kantenlänge. Obwohl die Kristalle in Gruppen vorkommen, berühren sich die einzelnen Kristalle selten. Innerhalb der Gruppen gibt es kaum Korngrößenunterschiede. Die Salzwürfel liegen hauptsächlich als Quader, Rhomboeder oder rhombische Prismen vor und nur untergeordnet als Würfel. Die typischen würfeligen Spaltflächen des Kristallindividuums sind meist schräg zu den äußeren Begrenzungsflächen. Die Ecken und Kanten sind gelängt. Alle diese Formen treten nebeneinander auf. Die Kanten sind oft gelängt, bei kleinen Kristallen kaum, bei großen in aller Regel. An mehreren Proben wurde eine Feinlamination des Tonsteins festgestellt. Die Lagen können dabei virtuell durch den Kristall verfolgt werden. Die millimeter-dicken Lagen verdicken sich gegen die Kristallbegrenzungsflächen. Strukturen dieser Art enstehen durch Materialverdrängung. Annahmen und offene Fragen zum Tonwürfelsalz Allgemein wird angenommen, dass die allseitig von Ton umschlossenen Salzkristalle im noch unverfestigten Ton gewachsen sind (Haidinger, 1847; Görgey, 1912 mit noch älteren Literaturangaben). Vom Toten Meer wurden rezente Steinsalzwürfel beschrieben. Sie wuchsen im noch unverfestigten Sediment und zeigen die ideale Würfelform teilweise mit verstärktem Kantenwachstum ( displacive hopper crystals, Gornitz & Schreiber, 1981). Auch die oben beschriebene Materialverdrängung kann als Ausdruck des Wachstums im bereits bestehenden Ton verstanden werden. Bisher wurden in den alpinen Salzlagerstätten keine eindeutigen Kompaktionsstrukturen beobachtet. Eventuell sind derartige Strukturen deshalb selten anzutreffen, weil es sich bei dem Tonstein genaugenommen um Schluff handelt (Spötl, 1992). Dieser hat ein wesentlich geringeres Porenvolumen als Tonstein (etwa 15 % bei der Sedimentation). Während der Versenkung oder tektonischen Deformation wurden die Kristalle vermutlich zu Quadern, Rhomboedern und rhomischen Prismen verformt. In der von Görgey beschriebenen oligozänen, oberelsässischen Lagerstätte fanden sich deformierte Salzkristalle, wobei die maximale Überlagerung ca. 650 m betrug. Es wäre nun interessant zu wissen, ob es bei der von uns untersuchten Lagerstätte (1) eine einheitliche Spannungsrichtung gab, die die ursprünglich zufällig im Raum orientierten Würfel verformte und (2) diese Spannungsrichtung normal zur Schichtung orientiert war. In diesem Fall würde es sich um Kompaktionsvorgänge handeln. Computerunterstützte 3D-Modellierung von Tonwürfelsalz Röntgentomographie Die untersuchte Tonwürfelsalzprobe ALT-4D aus dem Bergbau Altaussee, Steiermark (ca. 160 x 160 x 40 mm) enthält eine größere Zahl von Salzkristallen. Die Tonsteinmatrix zeigt feinlaminierte Schichtung. An der Universität von Texas, Austin wurden mittels Röntgentomographie (High-resolution X-ray computed tomography HRXCT) tomographische Schnitte dieser Probe hergestellt. Die Ergebnisse liegen als 8bit bzw. 16bit Graustufenbilder vor. Während bei optischer Inspektion der CT-Bilder die Kristalle relativ gut erkennbar sind, gestaltet sich eine automatische Klassifikation der Salzkristalle mit herkömmlichen, pixelbasierten Bildverarbeitungsmethoden als schwierig. Das in Abb.1 integrierte trimodale Histogramm zeigt, dass neben den Klassen Bildrand und Probenhalter eine kompakte Klasse vorliegt, in der sowohl Tonstein- 3

4 Christoph Leitner, Robert Marschallinger matrix und Salzkristalle vereinigt sind. Wegen des doch erheblichen Bildrauschens, des geringen Grauwertkontrastes zwischen Salzkristallen, Matrix, Spaltenfüllungen und Matrixverunreinigungen sowie aufgrund zahlreicher Scanningartefakte (Ringartefakte, beam hardening, Ketcham & Carlson 2001) ist eine Klassifikation durch Schwellwertbildung, auch in Kombination mit anschließender 3D-Filterung (binäres Filtern mit unterschiedlichen Kernelgeometrien) nur bedingt erfolgreich. Abb. 1: Typisches CT-Schnittbild mit Salzkristallen, natürlichen und künstlichen Artefakten und der entsprechenden Grauwertverteilung (Histogramm oben rechts). Details siehe Text. Zur Erstellung eines für die angestrebte Anisotropieuntersuchung hinreichend genauen 3D- Modells aus den CT-Daten stehen prinzipiell 2 Möglichkeiten zur Verfügung: manuelles Digitalisieren der Kristallumrisse und objektbasierte Bildverarbeitung, mit der externes Expertenwissen in den Klassifikationsprozess eingebunden werden kann (Marschallinger & Hofmann, 2010). Nachdem im Rahmen dieser Untersuchung lediglich eine Probe mit einer überschaubaren Anzahl von CT-Schnitten zu bearbeiten ist, wurde für die 3D-Modellerstellung eine manuelle Digitalisierung durchgeführt (Corel Draw). Somit konnten trotz des Bildrauschens und der Scanning- Artefakte die Kristallformen relativ klar festgelegt und gleichzeitig von Spalten- oder Fremdmaterialien unterschieden wurden. Die Salzkristalle wurden in drei Formklassen (gut mittel schlecht) eingeteilt und pro Schnitt als Polygone mit distinkten Graustufen gespeichert. Einerseits wurde dadurch die Kantenauflösung der Salzkristalle verbessert. Andererseits konnten natürliche Störfaktoren wie Spaltenfüllungen und andere, störende Minerale (Polyhalit) in eigene Klassen überführt und Scanningartefakte ausgeblendet werden. 4

5 3D-Modellierung von Tonwürfelsalz zur Rekonstruktion von Hauptspannungsrichtungen 3D-Rekonstruktion der Salzkristalle Mit Hilfe des Computerprogramms Voxler wurden die digitalisierten Polygone aus 158 brauchbaren Schnitten aufgestapelt und als 3D-Modell dargestellt. In Abb. 2 ist lediglich die Formklasse gut dargestellt. Digitalisierungs- bedingte Verzerrungen auf den Kristallflächen wurden mit einem 3D Medianfilter verbessert, nahe aneinander liegende Kristalle wurden mit einer binären shrink-grow Filterkombination getrennt. Abb. 2: Rekonstruierte Salzkristalle 3D-Rekonstruktion der Hauptspannungsrichtung Görgey ermittelte bereits 1912 die theoretisch möglichen Verformungen der Salzwürfel (Abb. 3). Fig.2 (in Abb.3) zeigt den Fall, dass eine der vierzähligen Achsen senkrecht auf die Tafelebene steht. Bei Zusammendrücken des Würfels entsteht ein tetragonaler Kristall (Spezialform des Quaders). Fig.3 (in Abb.3) zeigt den Fall, in welchem eine der dreizähligen Achsen senkrecht auf die Tafeleben steht. Es würde ein Rhomboeder entstehen. in der letzten Figur, Fig.4 (in Abb.3) steht eine der zweizähligen Achsen senkrecht auf die Tafelebene. Bei Deformation normal zur Tafelebene entsteht ein rhombisches Prisma, welches im geeigneten zweidimensionalen Anschnitt parallel zur Deformationsachse ein Parallelogramm sichtbar werden lässt. Aus diesen Idealfällen lassen sich durch Kombination monokline und trikline Symmetrien ableiten. 5

6 Christoph Leitner, Robert Marschallinger Abbildung 3: Verformungsmöglichkeiten nach Görgey (1912) Eine entscheidene Vorraussetzung bei der Rekonstruktion der Hauptspannungsrichtung ist, dass die Ausgangsformen tatsächlich Würfelformen darstellten. Es ist geplant, für die Ermittlung der Hauptspannungsrichtung mit einem geeigneten Programm (z.b. Mathlab- oder R-Applikation), die Voxelarrays auf Anisotropien zu filtern und für die Objekte der Klasse gut jeweils einhüllende Ellipsiode zu erstellen. Die Orientierung der Hauptachsen sollte die Hauptspannungsrichtung, der die Salzwürfel ausgesetzt waren, sichtbar machen. 6

7 3D-Modellierung von Tonwürfelsalz zur Rekonstruktion von Hauptspannungsrichtungen Literatur GÖRGEY, R. (1912) Zur Kenntnis der Kalisalzlager von Wittelsheim im Ober-Elsaß. Tschermak s mineralogisch petrographische Mitteilungen 31, S GORNITZ, V. M. and SCHREIBER, B. C. (1981) Displacive halite hoppers from the dead sea: Some implications for ancient evaporite deposits. Journal of Sedimentary Petrology, Vol.51, No.3, p HAIDINGER, W. (1847) Über die Pseudomorphosen nach Steinsalz. Naturwissenschaftliche Abhandlungen I, S HAIDINGER, W. (1853) Drei neue Localitäten von Pseudomorphosen nach Steinsalz in den nördöstlichen Kalkalpen. Jahrbuch der kaiserlich-königlichen geologischen Reichsanstalt, S HAUDE, R. (1970) Die Entstehung von Steinsalz-Pseudomorphosen. N. Jahrbuch f. Geologie u. Paläontologie, Monatshefte. S KENDALL, A.C. (2000) Compaction in halite-cemented carbonates the Dawson Bay Formation (Middle devonian) of Saskatchewan, Canada. Sedimentology 47, p KETCHAM, R.A., CARLSON, W.D. (2001): Acquisition, optimization and interpretation of X-ray computed tomographic imagery: Applications to the geosciences, Computers and Geosciences, v.27, doi: /s (00) MARSCHALLINGER, R., HOFMANN, P. (2010): The application of Object Based Image Analysis to Petrographic Micrographs. 8 pages chapter in Microscopy 2010, Formatex, im Druck. SPÖTL, C., (1989) The Alpine Haselgebirge Formation, Northern Calcareous Alps (Austria): Permo-Scythian evaporites in an alpine thrust system. Sedimentary Geology 65, SPÖTL, C. (1992) Clay minerals in Upper Permian evaporites from the Northern Calcareous Alps (Alpines Haselgebirge Formation, Austria). European Journal of Mineralogy 4, p