Original paper

Three-dimensional mapping of Quaternary sediments improved by airborne electromagnetics in the case of the Quakenbrück Basin, Northern Germany

Klimke, Jennifer; Wiederhold, Helga; Winsemann, Jutta; Ertl, Gabriele; Elbracht, Jörg

Abstract

The increasing demand on using the subsurface raises the call for a better understanding of the depositional architecture. In this study, we demonstrate how 3D subsurface models can be improved by airborne electromagnetic data. The study area is located in the Pleistocene Quakenbrück Basin in Northern Germany. This overdeepened basin is fronted by a push moraine ridge and filled with Middle Pleistocene (Saalian) to Holocene sediments known from a limited amount of borehole data. In 2009, this area was target of an aeroelectromagnetic survey with the SkyTEM system. For the interpretation of SkyTEM resistivity data, a relation between grain size and resistivity was derived using resistivity borehole logs from the larger study area. The analysis of the data showed a positive correlation as resistivity increases with increasing grain size and permeability. Each stratigraphic layer was then modelled with the commercial software GOCAD ® based on the geological and geophysical information as each sediment layer is characterised by a specific resistivity in the SkyTEM data. Our results demonstrate that by integrating airborne electromagnetic data into geological 3D models, the distribution of stratigraphic units can be modelled with higher lateral resolution due to higher data density. The resistivity-grain size relation can be applied to other study areas with comparable geological conditions. Saline groundwater can clearly be identified and distinguished from non-saline regions in the Quakenbrück Basin by low resistivities.

Kurzfassung

Der zunehmende Bedarf an der Nutzung des Untergrundes erfordert ein besseres Verständnis der Ablagerungsverhältnisse und Untergrundbeschaffenheit. In der vorliegenden Studie zeigen wir, wie dreidimensionale Untergrundmodelle durch aeroelektromagnetische Daten verbessert werden können. Das Untersuchungsgebiet befindet sich in Norddeutschland im Umfeld des pleistozänen Quakenbrücker Beckens. Dieses übertiefte Becken wird von einer Stauchendmoräne begrenzt und ist mit pleistozänen (saalezeitlichen) bis holozänen Sedimenten verfüllt, die aus einer endlichen Anzahl Bohrungen bekannt sind. Im Jahr 2009 war diese Region Ziel einer aeroelektromagnetischen Messung mit dem SkyTEM System. Für die Interpretation der aus der SkyTEM Vermessung abgeleiteten spezifischen Widerstände wurde eine Beziehung zwischen Korngröße und Widerständen aufgezeigt, für die Widerstandswerte aus 164 Bohrlochmessungen im Untersuchungsgebiet verwendet wurden. Die Analyse dieser Widerstände zeigte eine positive Korrelation, da der Widerstand mit zunehmender Korngröße und Permeabilität ansteigt. Verschiedene stratigrafische Einheiten wurden mit der kommerziellen Software GOCAD® basierend auf geologischen und geophysikalischen Informationen modelliert. Die meisten dieser Einheiten zeichnen sich durch charakteristische Widerstände in den SkyTEM Daten ab. Unsere Ergebnisse zeigen, dass durch das Einbeziehen aeroelektromagnetischer Daten in geologische 3D-Modelle die Verteilung von stratigrafischen Einheiten mit höherer lateraler Auflösung modelliert werden kann. Die Korrelation Korngröße-Widerstände kann für andere Untersuchungsgebiete mit vergleichbaren geologischen Gegebenheiten verwendet werden. Versalzenes Grundwasser im Quakenbrücker Becken kann eindeutig identifiziert und aufgrund seiner geringen Widerstände von nicht versalzenen Zonen abgegrenzt werden.

Keywords

3d modelpleistocene basinaeroelectromagnetic methodgeophysics