Hydrotektonik von Grundwasserleitern: Rekonstruktion von Spannungsfeldern und 3D Modellierung einer geologischen Karte des Zentral-Algarve (Südportugal)
Moeck, Inga
Unter hydrotektonischen Prozessen versteht man das Zusammenspiel von Spannungszuständen in der Erdkruste, der Orientierung des Spannungstensors und dem Fluidfluß entlang von Trennflächen. In diesem Zusammenhang wurden in einem der größten Grundwasserleiter des Algarve in Südportugal die Beziehung zwischen der Orientierung von Spannungsfeldern und von Grundwasserfließwegen durch strukturgeologische Analysen untersucht. Der untersuchte Grundwasserleiter besteht hauptsächlich aus liassischen verkarsteten Karbonaten und wird durch ein Störungsmuster charakterisiert, das sich aus NW-SE bis NNW-SSE und NE-SW bis NNE-SSW orientierten Horizontalverschiebungen zusammensetzt, die von E-W bis ENE-WSW Schrägaufschiebungen gekreuzt werden. An diesen Trennflächen wurden Störungsflächenanalysen durchgeführt, die Voraussetzung waren für die Rekonstruktion von Paläospannungsfeldern. Es konnten sechs verschiedene Spannungsfelder identifiziert und zeitlich eingeordnet werden. Die ältesten Spannungsfelder beschreiben Extensionsphasen, während die übrigen Spannungsfelder Inversionsphasen bis hin zum Rezentspannungsfeld ergeben: (I) Extensionsphase mit s3=27° (II) Extensionsphase mit s3=124°, (III) Inversionsphase mit s1=99°, (IV) Inversionsphase mit s1=27°, (V) Inversionsphase mit s1=179° und (VI) Rezentspannungsfeld mit s1=148°. Bezogen auf jedes Spannungsfeld wurde die kinematische Charakteristik des Trennflächenmusters evaluiert. Die Ergebnisse wurden den hydraulisch leitfähigsten Strukturen, die durch elektromagnetische Verfahren (AMT und RF-EM) bestimmt wurden, gegenübergestellt. Dabei stellte sich heraus, dass die hydraulisch leitfähigsten Strukturen den potentiell hoch gespannten Trennflächen und damit den Scherklüften bezogen auf das Rezentspannungsfeld entsprechen. Demnach verlaufen die hydraulisch leitfähigsten Strukturen entlang der rezenten Scherklüfte in 0°-30° und 90°-110°, und es konnte das erste hydrotektonische Modell für den Karstgrundwasserleiter im Zentral-Algarve erstellt werden. Es steht in Kontrast zu bisher diskutierten hydrotektonischen Modellen, nach denen Extensionklüfte die Hauptfließwege für Grundwasser bilden. Um dieses neue hydrotekonische Modell auf das kartierte Störungsmuster zu übertragen, wurde basierend auf Geländedaten und der daraus erstellten geologischen Karte des Projektgebietes ein 3D Konzeptionsmodell mit einem Minimum Tension Algorithmus berechnet. Das von Quartär bis Karbon reichende 3D Modell umfasst ein Gebiet von 400 km2 und 107 Störungen bis in eine Tiefe von -2000m. Das ebenfalls berechnete 3D hydrotektonische Modell dient zur Visualisierung der hydraulisch leitfähigen Störungen im Projektgebiet. Der hier entwickelte innovative Ansatz in der 3D Modellierung zeigt die Möglichkeit, allein auf Oberflächeninformationen basierend geologische 3D Modelle zu berechnen und eröffnet neue Möglichkeiten in der Entwicklung konzeptioneller Modelle.
Hydrotectonic processes describe the interaction between state of stress, fault kinematics and fluid flow along faults and fractures. Within the major aquifer system of the central Algarve Basin (South Portugal) the relationship between stress tensor orientation and groundwater pathways was investigated by fault plane analysis. The aquifersystem is built up of intensively karstic rock of Liassic age and is characterised by a fault pattern consisting of NW-SE to NNW-SSE and NE-SW to NNE-SSW strike-slip faults, that are cut by E-W to ENE-WSW oblique reverse faults. The fault plane analysis was followed by paleo stress field reconstructions based on inversion calculation method after Angelier. Six different stress fields were indentified, ranging from two extensional stress fields to four inversion stress fields: (I) extension phase with s3=27° (II) extension phase with s3=124°, (III) inversion phase with s1=99°, (IV) inversion phase with s1=27°, (V) inversion phase with s1=179° and (VI) inversion phase with s1=148°. The latter stress field corresponds to the results of fault plane solutions and is considered as recent stress field. For each stress field the kinematic significance of fault planes was determined and compared with the most hydraulically conductive structures derived from electromagnetic (AMT and RF-EM) measurements. The results indicate that the hydraulically most conductive structures are high critically stressed faults with respect to the current stress field. This is strongly contrasting with conventional hydrotectonic models in which extensional fractures are considered as preferential groundwater conduits. In order to reveal the geometry and spatial distribution of the aquifer body, a 3D geological model was calculated with the 3D modeller earthVision, developed by DGI Inc.. In terms of 3D geological mapping, the model calculation was based exclusively on surface data namely on field work data and a conventional geological map. Fault and horizon grids were calculated applying a iterative minimum tension technique within a workflow and specific parameter settings. A 3D fault model build up by 107 faults and 134 fault blocks was processed in step by step calculation and reconciliation of nine sub-fault trees. The 3D fault model served as framework for the gridding process of 7 geological horizons according to geologic and specific intersection rules. The 3D geological map is the first 3D conceptual model of the Algarve basin and demonstrates the possibility to generate basic 3D models from planimetric geological maps of even structurally complex areas.
