Original paper

Regional distribution of the Lower Carboniferous Culm and Carboniferous limestone facies in the North German Basin derived from magnetotelluric soundings

Hoffmann, Norbert; Jödicke, Hartmut; Horejschi, Laska

Abstract

Since about 10 years, magnetotelluric (MT) soundings have been carried out within the area of the North German Basin, in order to detect electrically highly conducting layers in pre-Permian sediments. As shown in detail, such conductors are most probably caused by highly coalified bitumen- and pyrite-rich black shales. Utilising their high conductivity, the MT method may allow discriminating between the Lower Carboniferous stillwater (black/Alum shales) facies and the less conductive Carboniferous limestone or flysch facies. Highly conducting layers in pre-Permian sediments are encountered in the most north-easterly part of the basin, on the islands of Rügen and Usedom and the mainland adjacent to the south, up to the Anklam fault. Here they are correlated with Cambro-Ordovician black shales (Scandinavian Alum shales). In contrast, good conductors southwest of the Lower Elbe may be correlated with black shales of the Lower Carboniferous stillwater facies (Rhenohercynian Alum shales). In the centre of the basin, good conductors are missing in the pre-Permian. Particularly the missing of the Lower Carboniferous conductor may be explained by the formation of a "North German Carbonate Platform", which was encountered in numerous drill holes on Rügen Island, and by the distribution of the Lower Carboniferous flysch facies, also known from many drill holes in North Germany.Recent MT results from the Emsland and East Friesland profiles are of specific interest for the understanding of the regional distribution of Lower Carboniferous black shales in the North German Basin. MT models suggest that the good conductor observed in the area of the Pompeckj-Block at depths of 7 to 9 km may be correlated with Lower Carboniferous black shales. This deep conductor is missing underneath the more mobile Lower Saxony Block to the south, but is replaced by another conductor at shallower depths between 5 and 6 km. This seems to be a regional peculiarity and may be correlated with Westphalian coal seams that acquired high coalification by deep subsidence during the Jurassic and Lower Cretaceous followed by Upper Cretaceous inversion of this block. The absence of the deeper black shale layer is probably due to a "Lower Saxony Carbonate Platform" there at depth, instead of stillwater facies sediments.The MT results thus give the clue to the Lower Carboniferous facies distribution. Palaeogeographic maps of the North German Basin during the Lower Carboniferous will have to be modified because the black shales of the stillwater facies most probably extend much further to the north than previously suggested. Furthermore, a link between the Rhenohercynian Culm facies realm and the so-called Bowland shale facies or equivalents realm of the southern North Sea and Central England via the "East Friesland Basin" cannot be excluded. The Lower Carboniferous sedimentation area is characterised by typical horst and graben structures with corresponding patterns of carbonate and black shale facies distribution. The MT results suggest that the Cleaver Bank High of the southern North Sea and the eastern Netherlands may extend into the Lower Saxony Block and that the Northwest German Basin may form a genuine part of the Lower Carboniferous large-scale horst and graben system.

Kurzfassung

Seit Mitte der 90er Jahre werden im Norddeutschen Becken umfangreiche Magnetotellurik (MT)-Sondierungen mit dem Ziel des Nachweises elektrisch gut leitender Schichten in präpermischen Sedimenten durchgeführt. Es wird dargelegt, dass das Auftreten guter Leiter in größerer Tiefe mit größter Wahrscheinlichkeit auf hoch inkohlte bitumen- und pyritreiche Schwarzschiefer zurückzuführen ist. Ihre hohe Leitfähigkeit kann mit Hilfe der Magnetotellurik genutzt werden, um zum Beispiel im Unterkarbon die Stillwasser- (Schwarz-/Alaunschiefer-) Fazies von der weniger gut leitenden Flysch- und Kohlenkalk-Fazies zu unterscheiden. Gut leitende Schichten in präpermischen Sedimenten treten im Nordostteil des Beckens im Bereich der Inseln Rügen und Usedom sowie des südlich angrenzenden Festlandes bis zur Anklam-Störung in kambro-ordovizischen Schwarzschiefern (Skandinavische Alaunschiefer), südwestlich der Unterelbe-Linie dagegen in unterkarbonischen Schwarzschiefern der Kulm-Fazies (Rhenoherzynische Alaunschiefer) auf. Im Beckenzentrum fehlen gut leitende Sedimente im Präperm. Die Ursache für das Fehlen eines unterkarbonischen Leiters wird einerseits in der Ausbildung der Norddeutschen Karbonat-Plattform, die auf Rügen in einer Vielzahl von Bohrungen nachgewiesen ist, und anderseits in der Verbreitung der kulmischen Flysch-Fazies, die in Nordostdeutschland in mehreren Bohrungen erteuft wurde, gesehen.Von besonderer Bedeutung für die Ableitung der regionalen Verbreitung der unterkarbonischen Schwarzschiefer im Bereich des Norddeutschen Beckens sind die MT-Ergebnisse aus dem Emsland und aus Ostfriesland. Der Vergleich zwischen MT-Modellen und dem geologischen Schnitt zeigt, dass der gute Leiter im Bereich der Pompeckj-Scholle in einer Tiefe von 7–9 km mit unterkarbonischen Schwarzschiefern zu korrelieren ist. Dieser Leiter fehlt im Bereich der südlich angrenzenden Niedersachsen-Scholle. Als regionale Besonderheit tritt an seine Stelle ein Leiter in nur 5–6 km Tiefe, der durch westfalische Kohleflöze interpretiert wird, die dort wahrscheinlich in Folge tiefer Versenkung im Zeitraum Jura bis Unterkreide und Inversion in der Oberkreide hoch inkohlt wurden. Es wird angenommen, dass die Ursache für das Fehlen des tieferen guten Leiters im Bereich der Niedersachsen-Scholle in der Ausbildung der Niedersächsischen Karbonat-Plattform liegt.Basierend auf den MT-Ergebnissen wird die bisher bekannte Paläogeographie des Unterkarbons dahingehend präzisiert, dass die Schwarzschiefer der Stillwasser-Fazies eine wesentlich weitere nordwärtige Verbreitung im Bereich des Norddeutschen Beckens aufweisen als bisher allgemein angenommen. Es existiert möglicherweise über das Ostfriesland-Becken eine Verbindung zu den Schwarzschiefern der so genannten Bowland shaleFazies oder deren Äquivalente in der südlichen Nordsee und in Mittelengland. Der Sedimentationsraum in diesen Gebieten ist durch typische Horststrukturen mit Kohlenkalk-Fazies und Grabenstrukturen mit Schwarzschiefer-Fazies gekennzeichnet. Die MT-Ergebnisse veranschaulichen, dass das Cleaver Bank High der südlichen Nordsee und der östlichen Niederlande zwanglos in die Niedersachsen-Scholle verlängert werden kann und somit anzunehmen ist, dass auch das Nordwestdeutsche Becken in das großräumige System der Horst- und Grabenstrukturen im Unterkarbon einbezogen ist.

Keywords

north german basinlower carboniferouselectrical conductivitystillwater faciescarbonate facieshorst and graben system