Krustenskalige Strukturmodelle und thermische Simulationen für das Beaufort-Mackenzie Becken, kanadische Arktis

3D Modell vom Beaufort-Mackenzie Becken (© Judith Sippel)

Das Beaufort-Mackenzie Becken entstand im Zuge der Öffnung des Arktischen Amerasia Ozeans während des frühen Juras und entwickelte sich unter dem Einfluss der nordamerikanischen Kordillerenorogenese während der späten Kreide und des Tertiärs von einem passiven Kontinentalrand in ein Vorlandbecken. Diese geodynamischen Phasen resultierten in einer starken Verformung der Kruste und in der Ablagerung mesozoisch-känozoischer Sedimente, die heute Mächtigkeiten von lokal mehr als 16 km erreichen.

Zur Untersuchung der heutigen Beckenstruktur (mit einer Ausdehnung von 391*251 km²) wurden verschiedene Datensätze in ein konsistentes krustenskaliges 3D Modell integriert, darunter reflexions- und refraktionsseismische Profile, Bohrlochmessungen und das gravimetrische Feld. Daraus ergeben sich starke Mächtigkeitsunterschiede für die sub-sedimentäre kristalline Kruste von mehr als 42 km Mächtigkeit am Südrand bis weniger als 10 km Mächtigkeit am nördlichen Übergang zur ozeanischen Kruste. Das Modell differenziert sieben mesozoisch-känozoische Einheiten klastischer Sedimente (überwiegend sandige Tonsteine), deren Mächtigkeitsverteilungen eine sukzessive Verlagerung der Depozentren nach Nord(osten) reflektieren. Für konstante Tiefen weisen die Einheiten deshalb Richtung Norden geringere Alter, höhere Porositäten und geringere Dichten auf.

Die Beobachtung großer lateraler Temperaturunterschiede in konstanter Tiefe wirft die Frage nach deren Hauptursachen auf. Basierend auf dem 3D Strukturmodell haben wir Berechnungen des stationären konduktiven thermischen Feldes durchgeführt. Dabei wurden Informationen über die Basis des Permafrostes (d.h. über die Tiefe der 0°C-Isotherme), über im Becken gemessene Temperaturen und über Laborwerte zur thermischen Konduktivität der Gesteine berücksichtigt. Folgende, die Messdaten reproduzierende Trends ergeben sich aus den berechneten 3D Temperaturverteilungen: Für eine konstante Tiefenlage treten die geringsten Temperaturen am südlichen Beckenrand auf, wo eine thermisch schlecht leitende und somit isolierende Sedimentschicht fehlt. Das Becken ist tendenziell am wärmsten Richtung Norden (Beckenzentrum), wo die Sedimente mächtiger sind und die kristalline Kruste mit hoher radiogener Wärmeproduktion wenig ausgedünnt ist. Die geringsten Temperaturen ergeben sich für den nördlichsten, distalen Bereich des Beckens, der von ozeanischer Kruste (mit geringerer radiogener Wärme) und einer dünneren Sedimentschicht aufgebaut wird. Unterschiede zwischen den verschieden alten Sedimenteinheiten hinsichtlich ihrer Sand- und Tonanteile sowie ihrer thermischen Konduktivitäten liefern eine Erklärung für die im Beckenzentrum von Westen nach Osten abnehmenden Temperaturen. Außerdem bewerten wir lokal auftretende, größere Abweichungen des rein konduktiven thermischen Modells von gemessenen Temperaturen als Anzeichen für eine aktive Kopplung des Wärmetransports an Grundwasserbewegungen.

 

Veröffentlichungen

Sippel, J., Scheck-Wenderoth, M., Lewerenz, B., Kroeger, K.F., 2013. A crust-scale 3D structural model of the Beaufort-Mackenzie Basin (Arctic Canada) Tectonophysics 591, 30-51.

Sippel, J., Scheck-Wenderoth, M., Lewerenz, B., Klitzke, P., under review. Deep versus shallow controlling factors of the crustal thermal field – insights from 3D modelling of the Beaufort-Mackenzie Basin (Arctic Canada). Submitted to Basin Research.

 

Partner

Das Projekt wird als Teil des Programms MOM (Methane On the Move; LINK) durchgeführt). Wir danken Herrn Dr. D. Issler vom Geological Survey of Canada für spannende und hilfreiche Diskussionen.

Projektdetails

Ansprechpartner

Zuwendungsgeber

GFZ - Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Status

abgeschlossen