Original paper

Origin, sediment fill, and sequence stratigraphy of the Cenozoic Lower Rhine Basin (Germany) interpreted from well logs

Schäfer, Andreas; Utescher, Torsten

Abstract

The Lower Rhine Basin, a 1300 m thick Cenozoic basin, which subsided into the NW margin of the Rhenish Massif as a rift, is an industrial mining area on lignite and has been excavated in a large-scale technical performance since long. Mining the lignite, the seams of which totally measure by 100 m in thickness, demands a large number of drills providing 3D geology and engineer information prior to and synchronous with the exploitation activity. Many of these wells have been the base for our study. The Lower Rhine Basin is open to the Roer Valley Graben (The Netherlands). Both basins belong to the Dutch-German Cenozoic Basin, more or less oriented parallel to the course of the Rhine River in the NW of Germany and the SE of The Netherlands. Open access to the subsurface of the Lower Rhine Basin is only possible in the mining area where the lignite had been formed in the centre of the basin. Due to rich near-shore bush forest vegetation on marginal high-energy marine tidal flats and a suitable subsidence velocity of the basin, the growth of the swamp forest peats has been intense under a Neogene subtropical climate. Surface and subsurface control allowed interpretation of depositional environments using trace fossils and physical bedding types. The deposits were generated in a meso-tidal estuary system in the basal part of the basin. This was covered by swamp forest peats, forming the lignite of today. The upper part of the basin is fluvial. Cross-sections were constructed predominantly using the geophysical logs of the wells. These sections form the base of a stratigraphical concept consisting of lithostratigraphy, base-level stratigraphy, and sequence stratigraphy. An attempt was made to stratigraphically connect the Lower Rhine Basin with the Roer Valley Graben. The Neogene climate, which provided a cooling scenery leading from subtropical conditions in late Palaeogene to glacial conditions in Pleistocene, could be modelled through rich findings of mega- and microfloras. Faunas were preserved under favourable circumstances only, as humic acids from the lignite destroyed the carbonate tests of marine and lacustrine mollusc remains. Conditions to control a precise stratigraphy have been favourable in general; thus the Mid Miocene Unconformity (MMU), at the transition Langhian/Seravallian, could be located in the Frimmersdorf seam.

Kurzfassung

Das Niederrhein-Becken bildete sich als Riftbecken am NW-Rand des Rheinischen Schiefergebirges. Es ist Bergbaugebiet zur Gewinnung von Braunkohle, die seit langem in industriellem Maßstab abgebaut wird. Der Abbau von Braunkohle mit einer Gesamtmächtigkeit von 100 m erfordert eine große Anzahl von Bohrungen, die dreidimensional geologische und ingenieurtechnische Informationen vor und während des Abbaus geben. Viele dieser Bohrungen bilden die Grundlage für unsere Untersuchungen. Das Niederrhein-Becken ist zum Rurtal-Graben in den Niederlanden hin offen. Beide Becken stellen zusammen das Deutsch-Holländisch Känozoische Becken dar, mehr oder weniger parallel zum Verlauf des Rheins im NW von Deutschland und im SE der Niederlande. Zugang zum Untergrund der Niederrheinischen Bucht (dem Niederrhein-Becken) ist nur möglich im Bergbaugebiet, wo sich im Zentrum des Beckens die Braunkohle bildete. Aufgrund reicher Buschwald-Vegetation auf küstenmarinen Hochenergie-Watten, zusammen mit passender Subsidenzgeschwindigkeit des Beckens, war der Aufwuchs des Buschwald-Torfs unter dem subtropischen Klima des Neogens erheblich, was zu beträchtlicher Mächtigkeit der Braunkohle führte. Untersuchungen in den Tagebauen und an den Bohrungen gestattete die Interpretation der Sedimentfazies. Der liegende Teil der Schichtenfolge des Niederrhein-Beckens besteht aus Ablagerungen eines mesotidalen Ästuars, in welchen Spurenfossilien und Schichttypen für die Interpretation der Ablagerungsbedingungen dienten. Dieser untere Teil der Schichtenfolge wird von Buschwald-Torfmooren überlagert, welche die heutige Braunkohleflöze bilden. Der hangende Teil der Schichtenfolge ist fluvial. Es wurden Profilschnitte mithilfe von Bohrungen konstruiert, überwiegend mit deren geophysikalischen Bohrlogs. Diese Profilschnitte bilden die Grundlage des stratigrafischen Konzepts, das eine Lithostratigrafie, aber auch eine Stratigrafie mithilfe von ,,base-level“-Zyklen und der Sequenzstratigrafie erlaubt. Es wurde der Versuch unternommen, das NiederrheinBecken mit dem Rurtal-Graben in den Niederlanden stratigrafisch zu verbinden. Das Klima des Neogen beschrieb insgesamt eine Geschichte der Abkühlung, die von subtropischen Bedingungen im späten Paläogen bis zu glazialen im Pleistozän reichte, was aufgrund von Untersuchungen reicher Pflanzenfunde und Mikrofloren abgeleitet werden konnte. Fauna blieb nur unter günstigen Bedingungen erhalten, da Huminsäuren aus der Braunkohle alle Karbonatschalen mariner und lakustriner Molluskenfauna zerstörten. Da die Bedingungen für eine genaue Stratigrafie im großen Ganzen jedoch günstig sind, konnte die mittelmiozäne Diskordanz (MMU) für den Zeitraum des Übergangs Langhium/Serravallium im Flöz Frimmersdorf ausgemacht werden.

Keywords

base-level stratigraphybasin analysiscenozoicfacies analysislate palaeogene and neogenelignitelithological and geophysical well logsmid-miocene unconformityneogene climatesequence stratigraphy