Original paper

The benefit of geophysical data for hydrogeological 3D modelling an example using the Cuxhaven buried valley

Rumpel, Hanna-Maria Binot; Gabriel, Gerald; Siemon, Bernhard; Steuer, Annika; Wiederhold, Helga

Abstract

Extensive geophysical research has taken place in North Germany between the cities of Bremerhaven and Cuxhaven to study a Pleistocene buried valley: the Cuxhavener Rinne. The valley forms an aquifer due to its sandy valley fill. It is in hydraulic contact with Miocene fine-grained sands. Lauenburg Clay covers the valley in wide areas. Together with younger clay layers, it contributes to the protection of the aquifer against possible pollution. A thick clay layer underlies both Neogene sediments and the buried valley and forms the lower barrier of the aquifer. Geophysical research included high-resolution seismic reflection lines, which give insight into the general shape and structure of the valley. Helicopter-borne electromagnetic measurements in frequency- and time-domain characterise the sand-clay distribution within the buried valley. An areal gravity survey is the base for the 3D density model, which connects two of the seismic lines. The collected and interpreted data served as input for a geological/geophysical 3D model of the area. Great care was taken to model the base of the Quaternary, which defines the shape of the buried valley. The combination of all data revealed detailed information about its location and the short distance changes of its course. Seismic data show a stepwise descent of the flank to the bottom of the valley. The clay beside the valley is indicated by SkyTEM data. Together with the gravity data, SkyTEM is a strong tool to map the valley and to close the gap between the seismic profiles. The Lauenburg Clay appears as a good conductor in the electromagnetic data. Its distribution is supported by drilling and seismic information. The Lauenburg Clay is bound to the valley limits and covers most of the deeper infill.

Kurzfassung

Die Cuxhavener Rinne, ein Erbe der quartären Eiszeiten, die den norddeutschen Untergrund stark geprägt haben, ist im Rahmen des BurVal-Projektes durch zahlreiche geophysikalische Verfahren vermessen worden. Aufgrund ihrer sandig-kiesigen Füllung ist sie von großer Bedeutung für die Trinkwassergewinnung. Zudem stehen die Rinnensande in hydraulischem Kontakt mit den angrenzenden miozänen Feinsanden. Eine dicke Tonschicht, der sogenannte Lauenburger Ton, bedeckt die Rinne in weiten Teilen. Zusammen mit jüngeren, höher liegenden Tonschichten trägt er entscheidend zum Schutz des Rinnenaquifers bei. Sowohl die Rinne als auch die angrenzenden Sedimente werden von einer dicken Tonschicht unterlagert, die die Untergrenze des Aquifers bildet. Die geophysikalischen Messungen beinhalten hochauflösende seismische Reflexionsprofile, die Aufschluss über Form und innere Struktur der Rinne geben. Hubschrauberelektromagnetische Messungen im Zeit- und Frequenzbereich charakterisieren die Sand-Ton-Verteilung in der Rinne. Eine gravimetrische Vermessung liefert die Basis für ein 3D-Dichtemodell, das zwei der seismischen Linien verbindet. Die gesammelten und interpretierten Daten dienen als Eingabe für ein geologisch/geophysikalisches 3D-Modell der untersuchten Region. Die Kombination aller Daten offenbart detaillierte Informationen über Lage und Form der Rinne. Vor allem die Quartärbasis ist mit großer Sorgfalt modelliert worden, da sie die Form der glazialen Rinne beschreibt. Dabei zeigt sich, dass der Rinnenverlauf sich über kurze Distanz ändert. Die seismischen Daten belegen eine stufenweise Absenkung der Rinnenflanken zum Boden hin. Die Tonlagen außerhalb der Rinne deuten sich in den SkyTEM-Daten an. Die Kombination von Gravimetrie und SkyTEM ermöglicht es, die Lage der Rinne näher zu bestimmen und die Lücke zwischen den seismischen Profilen zu schließen. Der Lauenburger Ton erscheint als guter Leiter in den elektromagnetischen Daten. Seine Verteilung wird durch Bohr- und seismische Informationen belegt. Er ist an die Rinne gebunden und bedeckt einen Großteil der tieferen Schichten.

Keywords

3d modelburied subglacial valleyseismicsgravityhelicopter-borne electromagneticsgroundwater protectioncuxhavener rinne