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Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 159 Wolfgang Scheer, Jens Kröger und Reinhard Kirsch Als Mitinitiator und Partner wirkte das Landes- amt für Natur und Umwelt (LANU) Schleswig- Holstein von 2004 bis 2006 in dem von der EU geförderten, dänisch-niederländisch-deutschen INTERREG IIIB Projekt BurVal mit. Ziel des Pro- jektes war die Erkundung der geologischen Zu- sammenhänge in tiefen eiszeitlichen Rinnen- systemen, die international als buried valleys bezeichnet werden. In sechs Pilotgebieten wa- ren innovative hydrogeologische und geophysi- kalische Methoden im Hinblick auf präzise Ar- beitsergebnisse sowie Kosteneffizienz einzu- setzen und ihre Nutzbarkeit für Fragen der Grundwassergewinnung und des Grundwas- serschutzes zu optimieren. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe 3-dimensionaler geologischer Modelle ausgewertet und visualisiert. Das hier beschriebene Modell der Ellerbeker Rinne wur- de von den geologischen Landesdiensten der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt (BSU) Hamburg (vormals BUG) und dem LANU gemeinsam entwickelt. Nähere Informationen zum Projekt können auf der Homepage http://www .bur val.or g eingesehen werden. Geologische 3-D-Modellierung des Untergrundes – Ergebnisse aus dem INTERREG IIIB-Projekt BurVal Abbildung 1: Übersicht der sechs Projektgebiete und der neun Projektpartner

Geologische 3-D-Modellierung des Untergrundes – Ergebnisse

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Page 1: Geologische 3-D-Modellierung des Untergrundes – Ergebnisse

Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 159

➢ Wolfgang Scheer, Jens Kröger und

Reinhard Kirsch

Als Mitinitiator und Partner wirkte das Landes-amt für Natur und Umwelt (LANU) Schleswig-Holstein von 2004 bis 2006 in dem von der EUgeförderten, dänisch-niederländisch-deutschenINTERREG IIIB Projekt BurVal mit. Ziel des Pro-jektes war die Erkundung der geologischen Zu-sammenhänge in tiefen eiszeitlichen Rinnen-systemen, die international als buried valleysbezeichnet werden. In sechs Pilotgebieten wa-ren innovative hydrogeologische und geophysi-kalische Methoden im Hinblick auf präzise Ar-beitsergebnisse sowie Kosteneffizienz einzu-setzen und ihre Nutzbarkeit für Fragen derGrundwassergewinnung und des Grundwas-serschutzes zu optimieren. Die Ergebnissewurden mit Hilfe 3-dimensionaler geologischerModelle ausgewertet und visualisiert. Das hierbeschriebene Modell der Ellerbeker Rinne wur-de von den geologischen Landesdiensten derBehörde für Stadtentwicklung und Umwelt(BSU) Hamburg (vormals BUG) und dem LANUgemeinsam entwickelt. Nähere Informationenzum Projekt können auf der Homepagehttp://www.burval.org eingesehen werden.

Geologische 3-D-Modellierung des Untergrundes – Ergebnisse aus dem INTERREG IIIB-Projekt BurVal

Abbildung 1: Übersicht der sechs Projektgebiete und der neun Projektpartner

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Abbildung 2.: Verbreitung eiszeit-licher Rinnen inSchleswig-Holstein

Eiszeitliche Rinnen (Buried Valleys)

Die in den sechs Pilotgebieten untersuchteneiszeitlichen Rinnen wurden im Verlauf derKaltzeiten des Quartärs von Gletschereis undSchmelzwässern canyonartig bis mehrerehundert Meter tief in den Untergrund einge-schnitten. Den Erosionsphasen folgten im kur-zen zeitlichen Abstand Sedimentationsphasen,

in denen die großräumigen Hohlformen vomSchutt der Gletscher wieder „begraben“ wur-den, so dass sie heute an der Geländeoberflä-che nicht mehr erkennbar sind. Im Hinblick aufdie Grundwasserbewegung und als Grund-wasserspeicher haben die eiszeitlichen Rinneneine herausragende Bedeutung. Abbildung 2gibt einen Überblick der Verbreitung solcherStrukturen in Schleswig-Holstein.

Das Projektgebiet Ellerbeker Rinne

Das Projektgebiet der Ellerbeker Rinne liegt ander westlichen Landesgrenze zwischen Ham-burg und Schleswig-Holstein. Durch vorange-gangene Untersuchungen waren hier bereitszahlreiche hydrogeologische Informationenvorhanden, die zur Eichung und Bewertung

der eingesetzten geophysikalischen Verfahrenherangezogen werden konnten. Auf Grund ih-rer Dimension, ihres internen Aufbaus sowieihrer hydraulischen Anbindung an die umge-benden jungtertiären Grundwasserleiter ist dieEllerbeker Rinne aus hydrogeologischer Sichtzudem wasserwirtschaftlich und wissen-schaftlich interessant.

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Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 161

Abbildung 3: Lage des Untersu-chungsgebietes Ellerbeker Rinne

Abbildung 4: Geologischer Aufbau im Projektgebiet Ellerbeker Rinne

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Abbildung 5: Karte der Tiefenla-ge der Quartärba-sis bezogen aufNN, Verlauf der El-lerbeker Rinne

Die Schnittdarstellung in Abbildung 4 zeigtden Aufbau der im Projekt untersuchten geo-

logischen Schichtfolge: Im Bereich Elmshornund Quickborn fallen die aus großer Tiefe auf-gestiegenen Salz-, Gips- und Tongesteine desPerm (>200 Mio. Jahre alt) auf. Sie haben dieLagerungsverhältnisse der Ablagerungen desTertiärs (dargestellte Schichtfolge ca. 50 – 5Mio. Jahre alt) stark beeinflusst: Als tiefste un-tersuchte Tertiärschicht ist der Untere Glim-merton abgebildet, der von den für die Trink-wasserversorgung genutzten Braunkohlensan-den (BKS) überlagert wird. Durch den Hambur-ger Ton werden die Braunkohlensande in dieUnteren BKS und die Oberen BKS unterglie-

dert. Letztere werden vom Oberen Glimmer-ton flächenhaft abgedeckt. Das jüngste tertiä-re Schichtglied sind die regional verbreitetenmarinen Glimmerfeinsande.

Die vorgenannte, relativ gleichförmige tertiäreSchichtfolge wird von sehr heterogen aufge-bauten Sedimenten des Quartärs, vorherr-schend eiszeitliche Geschiebemergel, Sandeund Kiese, sowie Tone und Schluffe, überla-gert. Im Verlauf der Ellerbeker Rinne habensich die eiszeitlichen Ablagerungen tief in dieoben genannten tertiären Tone und Sande ein-geschnitten.

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Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 163

Abbildung 6: Auswertung einer Aufschlussbohrung: links die Bohrsäule mit der Beschreibung der erbohrten Schichten und einer strati-graphischen Einordnung, rechts die Diagramme der geophysikalischen Bohrlochmessungen

Die Rinne erstreckt sich aus dem Stadtgebietvon Hamburg in Richtung Nordwesten bisüber Barmstedt hinaus über eine Länge vonüber 40 Kilometern (Abbildung 5). Ihre mittlereBreite beträgt zwei bis drei Kilometer. Dabeierreicht sie in weiten Teilen Tiefen von 300 bis400 Metern unter NN, lokal ist sie sogar deut-lich über 400 Metern tief. Die Sande innerhalbder Rinne stellen einen regional bedeutendenGrundwasserleiter dar, der an den Rinnenflan-ken mit den umgebenden tertiären Wasserlei-tern hydraulisch verbunden ist.

Die Erkundung des Untergrundes –

Entwicklung einer geologischen

Modellvorstellung

Zum Verständnis der Untergrundverhältnissemuss zunächst ein grobes, dreidimensionales

Strukturmodell entworfen werden. Einen di-rekten, aber nur lokal sehr begrenzten Ein-blick in die Tiefe bekommt man durch dieAuswertung von Aufschlussbohrungen (Abbil-dung 6). Der Schritt hin zu einem dreidimen-sionalen Modell erfolgt über die zweidimen-sionale Darstellung in Schnittkonstruktionen(Abbildung 7), in denen die Informationen ausmehreren Bohrungen korreliert werden, dasheißt: wiederkehrende Schichten werdenidentifiziert und verbunden. Aus mehrerenEinzelschnitten lässt sich ein Schnittraster(Abbildung 8) erstellen, aus dem ein räumli-ches Bild des Untergrundes entsteht. Ausdiesem können dann Themenkarten wie bei-spielsweise Tiefenlinienkarten einzelnerSchichten konstruiert werden.

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Abbildung 7: Korrelation von Bohrungen und Erstellung eines geologischen Schnittes

Abbildung 8: Schnittraster und beispielhaft eine daraus abgeleitete Themenkarte zu Verbreitung, Tiefenlage und Mächtigkeit einer geologi-schen Schicht

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Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 165

Abbildung 9: Aeroelektromagnetik, Messsystem SkyTEM, Helikopter mit Messapparatur Farbkodierung: rot, gelb, orange – überwiegend sandige Schichten (hoher elektrischer Widerstand);blau und grün – überwiegend tonige, schluffige Schichten (geringer elektrischer Widerstand)

Geophysikalische Erkundung des

Untergrundes

Ergänzend zu Bohrungen liefern geophysikali-sche Messungen von der Erdoberfläche odervom Helikopter aus einen Einblick in die Tiefe.Diese Techniken liefern flächenhafte Informa-tionen und schließen so die Bereiche zwi-schen den Aufschlussbohrungen mit Daten.

Von den zur Verfügung stehenden geophysika-lischen Verfahren hat sich im Projekt BurValbesonders der Einsatz von Seismik, Geoelek-trik, Elektromagnetik und Gravimetrie bewährt.Zwei Beispiele von Messverfahren, deren Da-ten für die Optimierung des digitalen geologi-schen 3-D-Modells genutzt wurden, sind inden Abbildungen 9 und 10 dargestellt.

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Abbildung 10: Seismische Messungen, oben: Vibrator als seismische Quelle zur Erzeugung von Erschütterungswellen; unten: seismi-sches Profils durch die Ellerbeker Rinne, farbig abgesetzt sind die tertiären Gesteine

Abbildung 9 zeigt das von einem Helikoptergeschleppte Elektromagnetik-System Sky-TEM, eine Entwicklung der Universität Aarhus,mit dem die Verteilung des elektrischen Wi-derstands des Untergrundes bestimmt wird.Aus der wiederum können Rückschlüsse aufdie räumliche Verteilung von grundwasserlei-tenden und –geringleitenden Sedimenten ge-zogen werden. Das in der Abbildung darge-stellte Diagramm zeigt für ein etwa fünf Kilo-meter langes Messprofil den Schichtaufbaubis in eine Tiefe von 280 Metern unter Gelän-

de. Deutlich sind im zentralen Teil des Profilsdie grundwasserführenden Sande der Ellerbe-ker Rinne als rot bis orange markierte Berei-che mit hohen elektrischen Widerständen zuerkennen. Die blau eingefärbten Partien mitniedrigen elektrischen Widerständen zeigendie Verbreitung von Tonen. Außerhalb der Rin-ne sind es die tertiären Tone des Oberen undUnteren Glimmertons, in der Rinne ist es derso genannte Lauenburger Ton, der die Rinnen-wasserleiter als schützende Deckschicht über-lagert.

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Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 167

Der Einsatz seismischer Messungen hat einelange Tradition in der Untersuchung des tiefenUntergrundes zur Kohlenwasserstoff-Explorati-on. Neuere technische Entwicklungen ermög-lichen zusätzlich die seismische Erkundung fla-cherer Untergrundstrukturen, so dass diesesVerfahren auch im Bereich der Hydro- und In-genieurgeologie angewandt wird. So konntedie Geometrie der Ellerbeker Rinne durchseismische Messungen bedeutend genauerbestimmt werden. Abbildung 10 zeigt einen2.800 Meter langen und 600 Meter tiefenseismischen Profilschnitt durch die EllerbekerRinne, aus dem die Tiefenlage und der kom-plexe interne Aufbau erkennbar sind. Einge-schnitten ist die Rinne in tertiäre Sedimente,bei denen es sich um Tone (blau = ObererGlimmerton und Hamburger Ton, grün = Unte-rer Glimmerton und ältere Tone) und Sande(gelb = Obere und Untere Braunkohlensande)handelt. Die seismischen Messungen wurdenvom Institut für Geowissenschaftliche Ge-meinschaftsaufgaben (GGA) in Hannoverdurchgeführt.

Von der analogen geologischen

Modellvorstellung zum digitalen

geologischen 3-D-Modell

Die geologischen Verhältnisse im Untergrundkönnen analog nur zweidimensional in Profil-zeichnungen und thematischen Karten darge-stellt werden. Besonders wenn komplexe geo-logische Strukturen verstanden, abgebildet undbewertet werden sollen, ergeben sich teilwei-se große Schwierigkeiten. Digitale geologische3-D-Modelle, wie sie im Projekt BurVal einge-setzt wurden, bieten die Möglichkeit, die Geo-metrien der verschiedenen Schichten des Un-tergrundes detailliert im Rechner zu konstruie-ren und abzubilden. Weiterhin besteht ein gro-ßer Vorteil darin, dass die Gesteinseigenschaf-ten der Schichtkörper in den Modellen dreidi-mensional dargestellt und mit statistischenVerfahren weiter bearbeitet werden können.

Auf dem Markt stehen hierzu zahlreiche Soft-warelösungen zur Verfügung, die sich in ihrerLeistungsfähigkeit und Anwenderfreundlichkeitstark unterscheiden. Im Rahmen des ProjektsBurVal wurde die Software Gocad eingesetzt.

Abbildung 11:Flussdiagrammzum Aufbau einesgeologischen 3-D-Modells

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Datenimport undweitere Datenkontrolle

3-DOberflächenmodell

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Export in spezielle 4/5-D Modelle zurBerechnung der zeitlichen und

räumlichen Entwicklung bestimmterParameter (z. B. GW-Modelle,

Geothermische Modelle

Datenexport(Karten,Schnitte)

Datenkontrolle, Datenhomogenisierung undÜberführung in programmkompatible Datenformate

Page 10: Geologische 3-D-Modellierung des Untergrundes – Ergebnisse

168 Geologische 3-D-Modellierung des Untergrundes – Ergebnisse aus dem INTERREG IIIB-Projekt BurVal

Abbildung 12: Import der Basisdaten aus Bohrprofilen,Schnittzeichnungen, Strukturkarten und seismischen Profilen

Abbildung 13: Erzeugen des Mo-dellrasters einerFläche

Aufbau des digitalen geologischen

3-D-Modells

Die Konstruktion des geologischen 3-D-Mo-dells erfolgt in mehreren Schritten (Abbildung11). Es können Daten unterschiedlichster Artimportiert werden, die zunächst jedoch kon-trolliert, homogenisiert und in Formate über-führt werden müssen, die von der eingesetz-

ten Software verarbeitet werden können. Zu-dem ist es sinnvoll, den Daten je nach ihrerVerlässlichkeit eine Wertigkeit zuzuordnen, diespäter bei der Modellierung beachtet werdensollte. Nachdem die Grunddaten modellge-recht aufbereitet wurden, können sie für dieBerechnung eines ersten groben Flächenmo-dells importiert werden (Abbildung 12).

Dazu werden die vorbereiteten Basisdaten ge-nutzt, um die Grenzflächen der zu modellie-renden geologischen Schichten zu erzeugen.Das Modell entwirft hierzu ein Raster, das diefür die Berechnung der Fläche bestimmtenPunkte räumlich verbindet. In weiteren Schrit-ten kann dieses Raster an die Datenstrukturangepasst und gegebenenfalls verdichtet wer-den (Abbildung 13). Fehlerhafte Daten könnenin diesem Stadium leicht erkannt, überprüftund gegebenenfalls entfernt werden. Zur an-schließenden Berechnung der Fläche kannfestgelegt werden, welche Rasterknoten alsFixpunkte gesetzt werden sollen und für wel-che eine mehr oder weniger große Abwei-chung zugelassen wird. Dadurch kann, ent-

sprechend der vorher definierten Wertigkeit,bestimmt werden, dass ausgewählte Punkte,deren Daten als zuverlässig angesehen wer-den, nach der Interpolation weiter exakt in denberechneten Flächen liegen. In weiteren Ar-beitsschritten können zusätzliche Daten in dasModell importiert und verarbeitet werden. Ab-bildung 14 zeigt Beispiele, wie geophysikali-sche Daten genutzt wurden, um die Geomet-rie der Rinne zu korrigieren und die aktualisier-ten Flächen neu zu berechnen. Es ist ein be-deutender Vorteil der digitalen geologischenModelle, dass sich auch nach Fertigstellungdes Modells jederzeit neue Daten zur Aktuali-sierung ohne großen Aufwand einfügen las-sen.

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Jahresbericht Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2006/07 169

Abbildung 15: Geologisches Modell der Ellerbeker Rinne mit Detaildarstellung

Abbildung 14: Verarbeitung seismischer Profile (links) und elektromagnetischer SkyTEM Daten (rechts) im Modell

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Die Abbildung 15 gibt einen räumlichen Ein-druck von der Dimension der Ellerbeker Rin-ne, die bis über 400 Meter tief in die umge-benden tertiären Schichten eingebettet ist.Die in der Rinne vorhandenen Grundwasser-leiter bilden zusammen mit den tertiären Obe-ren und Unteren Braunkohlensanden einengroßräumigen, hydraulisch zusammenhängen-den Grundwasserspeicher, der für die Trink-wasserversorgung der Region eine wichtigeRolle spielt.

Basierend auf den zuvor berechneten Flächenkönnen in sich geschlossene Körper der ein-zelnen Schichten des Modells erstellt werden,so dass der komplette dreidimensionale Raummit Daten belegt werden kann. Werte für un-terschiedliche Parameter, wie die hydrauli-schen Gesteinsdurchlässigkeiten, den Poren-raum, geophysikalische oder geochemischeGesteinsparameter können so in ihrer räumli-chen Verteilung innerhalb der Gesteinskörperzugeordnet und mit Hilfe von statistischenVerfahren weiter bearbeitet werden.

Weitere Nutzung und Präsentation digitaler

geologischer 3-D-Modelle

Der große Vorteil der digitalen Modellierungliegt in der Möglichkeit, Daten unterschied-lichster Art zu importieren und für den Aufbaueines in sich konsistenten Schichtenmodellszu verarbeiten. Hierbei können selbst komple-xe geologische Verhältnisse abgebildet undauch für Nichtfachleute anschaulich präsen-tiert werden. Die Form der möglichen Präsen-tation reicht vom Ausdruck von Schnitten undKarten bis hin zur automatisierten Animation,wie beispielsweise einem virtuellen Kamera-flug durch den Untergrund oder dem Aus-druck mit modernen 3-D-Druckern in realen„begreifbaren“ 3-D-Modellen.

Je nach Bedarf können die Geometrien sowiedie Parameterbelegung der digitalen geologi-schen Modelle in andere Programme expor-tiert und weiterverarbeitet werden. So findenbeispielsweise die Schichtdaten des ModellsEllerbeker Rinne zukünftig eine praktische An-wendung in einem Grundwasserströmungs-

modell, das für die Bewirtschaftung und fürdas Wasserrechtsverfahren eines großenWasserwerkes erstellt wird.

Das 3-D-Modell der Ellerbeker Rinne selbstwird zukünftig seitens der BSU und desLANU weiter gepflegt und um Flächen inHamburg und Schleswig-Holstein erweitertwerden.

Die Ergebnisse des Projekts BurVal sind indem Handbuch „Groundwater Resources inBuried Valleys – a Challenge for Geosci-ences“ (BURVAL WORKING GROUP 2006) be-schrieben.

Summary

During the years 2004 to 2006 LANU was oneof nine international partners in the ProjectBurVal, which was funded by the INTERREGIIIB Programme of the EU. The aim of the pro-ject BurVal was to develop tools for the inves-tigation of buried valleys under the aspect ofgroundwater supply and groundwater protecti-on. Within the frame of the project innovativehydrogeological and geophysical methods hadbeen applied and optimized in six pilot areas.For visualisation and verification the resultshave been integrated into digital geological 3-D-Models. Further information about the pro-ject can be seen on http://www.burval.org.

Literatur

BURVAL WORKING GROUP (2006): Groundwaterresources in buried valleys, Project Report,Hannover

Homepage: www.burval.org

➢ Wolfgang Scheer

Dezernat 51 – GeologieTel.: 0 43 47 / [email protected]

➢ Jens Kröger

Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt Geologisches Landesamt Billstraße 84, 20539 HamburgTel.: 040 / 42 845 – 26 [email protected]

➢ Dr. Reinhard Kirsch

Dezernat 54 – Ingenieurgeologie; Energieroh-stoffe; Geopotenziale des tieferen UntergrundesTel: 0 43 47 / [email protected]