Fluidentwicklung und Diagenese im Nordostdeutschen Becken: Petrographie, Mikrothermometrie und Geochemie stabiler Isotope

Abstract

Das Nordostdeutsche Becken (NEDB) ist ein etwa 300 km breites und 200 km langes Teilbecken des Mitteleuropäischen Beckens, in dem mehr als 8000 m mächtige Gesteine akkumuliert wurden. Seine Entwicklung erfolgte in fünf Stadien und begann im Perm mit der Ablagerung mächtiger Vulkanitserien. Neben diesem initialen Stadium können das permotriassische Hauptabsenkungsstadium, das Differenzierungsstadium (Rhät - Jura), das Inversionsstadium (Kreide) und Stabilisierungsstadium (Tertiär - Quartär) unterschieden werden. Petrographische, mikrothermometrische und isotopengeochemische Untersuchungen (δ34S, δ 13C, δ 18O) von Bohrkernproben zeigen, dass sich in diagenetischen Mineralparagenesen und den darin enthaltenen Flüssigkeitseinschlüssen die Beckenentwicklung widerspiegelt. Die authigenen und hydrothermalen Minerale repräsentieren die chemische Zusammensetzung, die physiko-chemischen Parameter sowie die Herkunft und Migrationspfade von verschiedenen Paläo-Fluidsystemen. Basis der Untersuchungen bilden ca. 250 Proben von 29 Tiefbohrungen und mehreren Oberflächenaufschlüssen aus dem NEDB. Es standen jeweils 211 Proben für petrographische und mikrothermometrische Untersuchungen und 150 Mineralseparate für isotopengeochemische Analysen zur Verfügung. Schwerpunkt der Untersuchungen waren die fluid-führenden sekundären Karbonate, Quarze, Anhydite, Baryte, Fluorite und Feldspäte. Unter Berücksichtigung der petrographischen und regionalgeologischen Bedingungen konnten sieben Fluidphasen unterschieden werden (Abb. 9-1): 1. Älteste Mineralbildungen sind Drusenfüllungen und intraformationelle Brekzien in den permokarbonen Vulkaniten. Diese sind wahrscheinlich das Resultat einer hydrothermalen „Nachphase“ des Rotliegend-Vulkanismus. Charakteristische Minerale sind vor allem Kalzit und Epidot, außerdem Albit, Chlorit und Quarz. Die entsprechenden Flüssigkeitseinschlüsse sind durch niedrige Salinitäten von ca. 2 - 15 Gew. % NaCl+CaCl2 Äquiv. Und Bildungstemperaturen (Tb) von 210 - 290 °C charakterisiert. 2.-3. Es folgen zwei Fluidphasen, welche durch früh- und spätdiagenetischen Mineralbildungen repräsentiert werden. Flüssigkeitseinschlüsse in frühdiagenetischen Anhydrit- und Dolomitzementen lassen auf Tb < 50 °C schließen. Spätdiagenetischen Fluide, welche überwiegend in Kalzit- und Quarzzementen beobachtet wurden, zeigen bei niedrigen bis mittleren Tb von 50 - 175 °C sehr hohe Salinitäten von 20 - 35 Gew. % NaCl+CaCl2 Äquiv. 4. Ein viertes Fluidereignis repräsentiert das Differenzierungsstadium am Ende der maximalen Beckenversenkung im Keuper. Neben den tektonisch bedingten Störungssystemen sorgten infolge starker Alteration von Feldspäten, Illitisierung, Chloritisierung und weiterer diagenetischer Prozesse entstandene Permeabilitäten und Porositäten für erhöhte Fluidzirkulationen. Die in Kluftmineralen enthaltenen Flüssigkeitseinschlüsse weisen tiefenabhängig hohe Salinitäten von etwa 20 - 30 Gew. % NaCl+CaCl2 Äquiv. und Tb von 60 - 270 °C auf. Die Sauerstoff-Isotope zeigen Signaturen basinaler Tiefenwässer. 5. Während die oben genannten Fluidsysteme im gesamten Becken nachgewiesen werden konnten, beschränkt sich ein fünftes, hochthermales Fluid mit Tb bis 350°C auf das Beckenzentrum und Klüfte der permokarbonen Vulkanite sowie den Zeitraum Rhät bis Jura. Die Salinitäten änderten sich zum vierten Fluidsystem nicht. Kogenetisch zu den wässrigen Einschlüssen gebildete N2- und CH4-Einschlüsse deuten auf erhöhte Gasmigration hin. 6. Ein sechstes Fluidsystem wurde nur in Kluftmineralen der Störungszone des nördlichen und südlichen Beckenrandes nachgewiesen. Es zeigt Fluideinschlüsse mit niedrigeren Tb von 60 – 180°C und Salinitäten von 20 - 28 Gew. % NaCl+CaCl2 Äquiv. Während im Beckenzentrum Gradienten von 50 °C/km bestimmt wurden, waren im Bereich der Scholle von Calvörde 70 °C/km nachweisbar. Diese Gradienten können nicht auf die Tiefenlagen vor der Heraushebung zurückgeführt werden. Die Sauerstoff-Isotopendaten weisen auf eine Mischung basinaler Tiefenwässer mit meteorischen Wässern hin. Starke Hebungsvorgänge von Krustenschollen in der Kreide führten zur hydraulischen Mischung der Fluide. Charakteristische Minerale dieser Fluidphase sind Kalzit, Fluorit, Baryt und Anhydrit. 7. Die jüngsten Fluide konnten in sekundären Einschlüssen von Mineralzementen nachgewiesen werden. Die Tb von 60 - 250 °C repräsentieren das Stabilisierungsstadium des Sedimentbeckens. Charakteristisch sind Salinitäten von 0 – 10 Gew. % NaCl+CaCl2 Äquiv. Offenbar waren zum Zeitpunkt der Fluidbildung die bestehenden Mineralparagenesen so stabil, dass keine Gesteins-Fluid-Wechselwirkungen stattfanden. Neben dieser Differenzierung der Fluidphasen konnten weitere Ergebnisse erzielt werden. So zeigt die mikrothermometrisch ermittelte, vertikale Temperaturverteilung einen sehr steilen thermischen Gradienten im Bereich der permokarbonen Vulkanite. Dieser lässt sich nur unter Annahme konvektiver oder advektiver Fluidzirkulation in den stark alterierten und geklüfteten Vulkaniten erklären. Bedeutsam ist auch, dass nur in den Vulkaniten zoniert gewachsener Kluftquarz beobachtet wurde. Ein weiteres Ergebnis zeigt sich im Vergleich der Fluiddaten des NEDB mit denen der Harzer Sulfid- Gänge (z.B. ZHENG & HOEFS 1993a, b, LÜDERS et al. 1993a). Mikrothermometrische, petrographische und isotopengeochemischen Signaturen deuten so auf z.T. gemeinsame Fluidquellen hin. In Kooperation mit C. Breitkreuz, G. Brecht und A. Schmidt Mumm konnte zudem ein hydrothermales liassisches Ereignis (206 - 156 Ma) in den permokarbonen Vulkaniten des NEDB nachgewiesen werden (BRECHT & WOLFGRAMM 1998, WOLFGRAMM et al. 1998), welches durch Temperaturen bis 350°C charakterisiert ist. Die isotopengeochemischen Signaturen geben Hinweise auf verschiedene Quellen, Pfade und Mischung von Fluiden. So konnte eine Mischung von deszendierenden Zechsteinwässern mit Porenwässern der Rotliegend-Sandsteine und im Bereich tiefgreifender Störungszonen sogar mit Wässern der permokarbonen Vulkanite ebenso nachgewiesen werden wie die Mischung meteorischer mit basinalen Tiefenwässern. Die Kohlenstoff-Isotope deuten auf aszendierende Wässer der kohlenstoffreichen Karbon-Sedimente und teilweise auf juvenile Wässer hin. Das NEDB kann dem entsprechend nicht als geschlossenes System betrachtet werden, da es auch durch externe Fluidquellen beeinflusst wird.