Geomechanisches Modell von Deutschland

Der rezente Spannungszustand in der oberen Kruste ist für viele geotechnische Anwendungen und wissenschaftliche Fragestellungen von großer Bedeutung. Allerdings ist die Informatiosdichte für Deutschland bisher überschaubar. Es gibt im Wesentlichen zwei Datenkompilationen die Informationen über das tektonische Spannungsfeld zur Verfügung stellen. Die World Stress Map (WSM, Heidbach et al., 2018) die hauptsächlich Informationen über die Orientierung der größten horizontalen Hauptspannung (SHmax) und das Spannungsregime bereitstellt und eine Spannungsmagnitudendatenbank (Morawietz et al. 2020). Allerdings liefern diese Daten oftmals nur punktuelle, unvollständige und heterogene Information des 3D Spannungstensors.

Übersicht über das Modellgebiet und die verfügbaren Datensätze. Die grauen Punkte zeigen Orte an denen Spannungsmagnituden verfügbar sind (Morawietz et al., 2020), die farbigen Striche geben die Orientierung der größten horizontalen Hauptspannung (SHmax) und das Spannungsregime an (WSM, Heidbach et al., 2018).

Wir präsentieren hier ein geomechanisches numerisches Modell, das eine kontinuierliche Beschreibung des rezenten Spannungsfeldes für Deutschland in 3D ermöglicht. Das Modell erstreckt sich über 1000 x 1250 km2 und bis in 100 km Tiefe. Es umfasst ingesamt sieben Einheiten, denen spezifische Materialeigenschaften zugewiesen sind (Dichte, Poissonzahl und E-Modul) und die lateral variierende Mächtigkeiten aufweisen: Eine sedimentäre Einheiten, vier Einheiten der Oberen Kruste, die Untere Kruste und der lithosphärische Mantel.

Workflow der 3D geomachnischen Modellierung.

Das Modell wird anhand der beiden oben beschriebenen Datensätze kalibriert um eine bestmögliche Übereinstimmung mit der Orientierung von SHmax und der Magitude der kleinsten horizontalen Hauptspannung (Shmin) zu erzielen. Die Ergebnisse zeigen eine Übereinstimmung mit den SHmax-Orientierungen, die innerhalb der Unsicherheiten der verwendeten Daten aus der WSM liegen. Auch die berechneten Shmin Magnituden zeigen eine gute Übereinstimmung mit verschiedenen Datensätzen.

Ergebnisse des Modells, die die Orientierung von SHmax im Vergleich zu Daten aus der WSM zeigen. (a) Orientierung von SHmax aus dem Modell in 5 km Tiefe. (b) Relative Abweichungen der Modellergebnisse. (c) Gemittelte Orientierung von SHmax aus der WSM (d) Histogramm der Abweichungen.
Ergebnisse des Modells, die die Shmin Magnituden im Vergleich zu den Magnituden aus der Datenbank von Morwietz et al. (2020) zeigen. Die Differenzen werden als Modellergebnisse minus Kalibrierungsdaten berechnet. (a) Tiefenverteilung der Abweichungen (b) Räumliche Verteilung der verwendeten Kalibrierungsdaten. Die Nummern geben Orte mit mehreren Daten an. (c) Histogramm der Abweichung.

Die berechneten SHmax Magnituden zeigen allerdings signifikante Abweichungen, insbesondere zu hohe Werte im oberen Bereich des Modells.

Ergebnisse des Modells, die die SHmax Magnituden im Vergleich zu den Magnituden aus der Datenbank von Morwietz et al. (2020) zeigen. Die Differenzen werden als Modellergebnisse minus Kalibrierungsdaten berechnet. (a) Tiefenverteilung der Abweichungen (b) Räumliche Verteilung der verwendeten Kalibrierungsdaten. Die Nummern geben Orte mit mehreren Daten an. (c) Histogramm der Abweichung.

Das aktuelle Modell kann in Zukunft weiter verfeinert und erweitert werden, z. B. durch weitere Einheiten, lateral und vertikal variierende Materialeigenschaften und neue Spannungsmessungen. Die Ergebnisse können insbesondere für kleinskaligere Modelle, mit höhere Auflösung, als initialer Spannungszustand verwendet werden.

Skizze wie die Ergebnisse mit Hilfe von mehreren Submodelling Schritten wichtige Randbedingungen für wesentlich kleinere und besser aufgelöste Modelle liefern können.

Kontakt: Steffen Ahlers

Referenzen:

Heidbach, O., Rajabi, M., Cui, X., Fuchs, K., Müller, B., Reinecker, J., Reiter, K., Tingay, M., Wenzel, F., Xie, F., Ziegler, M. O., Zoback, M.-L., and Zoback, M.: The World Stress Map database release 2016: Crustal stress pattern across scales, Tectonophysics, 744, 484–498, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2018.07.007, 2018.

Morawietz, S., Heidbach, O., Reiter, K., Ziegler, M., Rajabi, M., Zimmermann, G., Müller, B., and Tingay, M.: An open-access stress magnitude database for Germany and adjacent regions, Geothermal Energy, 8, https://doi.org/10.1186/s40517-020-00178-5, 2020.

Publication:

Ahlers, S., Henk, A., Hergert, T., Reiter, K., Müller, B., Röckel, L., Heidbach, O., Morawietz, S., Scheck-Wenderoth, M., and Anikiev, D.: 3D crustal stress state of Germany according to a data-calibrated geomechanical model, Solid Earth, 12, 1777–1799, https://doi.org/10.5194/se-12-1777-2021, 2021.