Original paper

Permian strike slip and extensional tectonics in Lower Saxony, Germany

Gast, Reinhard; Gundlach, Thomas

Abstract

Structural analysis of 3D seismic data that cover most of the gas-prospective areas of Northern Germany reveals the history of tectonic processes that deformed the area of the southern Permian basin during the Permian Rotliegend and Zechstein. Seismic images of basal Zechstein and pre-Zechstein horizons helped to understand the timing of deformation and changes in deformational style. The integration of drilling results, seismic data, and geological models led to an improved understanding of the tectonic development of the Rotliegend and Zechstein Groups.During Early Rotliegend time right lateral WNW to W trending transtensional strike slip movements dominated in the area of the Southern Permian Basin. Shear movements along these faults led to the formation of rhomboedric shaped depressions, partly filled with volcanics and upthrown blocks or "pop ups" exposing Carboniferous strata to erosion. Between the strike slip fault systems a complex pattern of horsts and grabens formed. This phase of major tectonic activity between approximately 300 and 290 Ma contains mostly volcanics of the "Altmark Subgroup". Between 290 and 266 Ma uplift of large parts of the Variscan Foreland led to the tilting of blocks, erosion, and successively peneplane formation in large areas.Late Rotliegend deposition (Havel and Elbe Subgroup in the study area) started at approx. -266 Ma with the transition from thermal uplift to thermal sagging. In Late Rotiegend and in Early Zechstein E–W extension increasingly dominated over horizontal displacement and the formation of Late Rotliegend Grabens started by preferred reactivation of more or less N–S orientated tectonic elements. Between the Havel Subgroup and Elbe Subgroup a minor angular unconformity still indicates local uplift along the southern basin margin. For the development of the final shape of the Southern Permian Basin thermal sagging of the crust was the major driving force during the latest Rotliegend time (Elbe Subgroup). Decreasing graben subsidence is documented by sediment infill differences up to the Elbe Subgroup. Investigation of the palaeo-relief and core analysis prove the existence of facies belts with associated reservoir trends and their dependency on the prevailing structural style at this time. Grabens allowed the Rotliegend perennial lake to ingress further south, whereas horsts and the formation of escarpments related to normal faulting occurring along the former strike slip elements, controlled the northern position of Late Rotliegend shoreline facies assemblages.After a time of relative tectonic quiescence, a rejuvenation of the earlier stress regime occurred at the turn of Rotliegend to Zechstein. During Zechstein 1 renewed graben tectonics was observed and again in Zechstein 2 the morphology was enhanced by the activation of the old lineaments and uplift along the southern margin of the basin.

Kurzfassung

Die strukturgeologische Analyse der 3D-Seismik, die den Großteil der für Erdgas prospektiven Gebiete Norddeutschlands bedeckt, ermöglicht die Entwicklung der tektonischen Prozesse im südlichen Permbecken während des Rotliegend und Zechstein zu verstehen. Die Kartierung seismischer Horizonte im basalen Zechstein und des Prä-Zechstein halfen die Zeitlichkeit der tektonischen Abläufe und die Veränderung im tektonischen Stil zu verstehen. Die Integration von Bohrungsergebnissen, seismischen Daten und geologischen Modellen führte zu einem besseren Verständnis der tektonischen Entwicklung der permischen Rotliegend und Zechstein-Schichten.Während der frühen Rotliegendzeit herrschten im südlichen Permbecken rechtslaterale WNW–W-streichende transtensionale Blattverschiebungen vor. Scherbewegungen entlang dieser Störungen führten zur Entwicklung von rhomboedrisch geformten Becken, die großenteils mit Vulkanit gefüllt wurden. In kompressiven Bereichen bildeten sich Horstblöcke oder Pop-ups, deren Karbonsedimente der Erosion unterworfen waren.Zwischen den Blattverschiebungsbahnen entwickelte sich ein komplexes Muster von Horsten und Gräben. Diese Phase größter tektonischer Aktivität liegt zwischen 300 und 290 Ma und enthält die überwiegend vulkanischen Abfolgen der Altmark-Subgruppe. Zwischen 290 und 266 Ma führte Hebung in weiten Teilen des variskischen Vorlandes zu einer Verkippung von Blöcken, Erosion und Bildung einer Peneplain in weiten Gebieten.Die Ablagerung von späten Rotliegend-Sedimenten im Arbeitsgebiet begann etwa um 266 Ma mit der Wende von krustaler Ausdünnung zu thermischer Subsidenz. Im späten Rotliegend und frühen Zechstein dominierte Ost-West gerichtete Dehnung über die Blattverschiebungstektonik und die Bildung von Gräben im späten Rotliegend (Havel- und Elbe-Subgruppen) begann durch eine bevorzugte Reaktivierung von ca. N–S gerichteten Lineamenten. Eine kleinere Winkeldiskordanz zwischen Havel- und Elbe-Subgruppe weist auf eine lokale Hebung am Südrand des Permbeckens hin. Während der jüngsten Rotliegendzeit (Elbe-Subgruppe) war die thermische Subsidenz der Kruste die treibende Kraft für die Herausbildung der Morphologie des südlichen Permbeckens. Abnehmende Grabensubsidenz kann bis in die Elbe-Subgruppe hinein an der Entwicklung der sedimentären Grabenfüllung beobachtet werden. Die Untersuchung des Paläoreliefs und Bohrkernanalysen beweisen die Bildung von beckenrandparallelen Faziesgürteln mit assoziierten Lagerstättentrends und deren Abhängigkeit von der Tektonik dieser Zeit. Gräben erlaubten dem perennierenden Rotliegend-Salzsee nach Süden vorzudringen, während Horste und Hochlagen im Zusammenhang mit Blattverschiebungsbahnen für die nördlichere Position von Küstenfazies des späten Rotliegend verantwortlich waren. Nach einer Zeit relativer tektonischer Ruhe lebte das Stressregime an der Wende Rotliegend/Zechstein wieder auf. Im Zechstein 1 bildeten sich erneut Gräben und auch im Zechstein 2 belebte sich das Relief wieder durch erneute Aktivierung der alten Lineamente und Hebungen am Südrand des Beckens.

Keywords

permianrotliegendzechsteinrotliegend riftingrotliegend grabenright lateral strike-slip tectonicsseismic interpretation