title: Sedimentologische, petrophysikalische und petrographische Charakterisierung des Nordbayerischen Deckgebirges
Creators: name: Korthals, Alexander
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Petrophysik, Stratigraphie, Sedimentologie, Petrographie, Bayern, Fränkisches Becken

description: Das Nordbayerische Deckgebirge umfasst Sedimente vom Permokarbon bis ins Quartär und beinhaltet somit mehr als 300 Ma Erdgeschichte. Geprägt wird das heutige Landschaftsbild vom Süddeutschen Schichtstufenland, das in Nordbayern durch Oberflächenausbisse der Germanischen Trias (Buntsandstein, Muschelkalk, Keuper) und des Jura (Fränkische und Schwäbische Alb) geformt wird. Zwar sind in der Literatur zahlreiche – vor allem ältere – regionalgeologische Veröffentlichungen bzgl. Stratigraphie, Beckenentwicklung, Petrographie und Bohrungen zu finden, flächendeckende, petrophysikalische sowie quantitativ-petrographische Analysen existieren bisher jedoch nicht. Das Ziel dieser Arbeit ist daher eine umfangreiche Datenbasis zu schaffen, die alle stratigraphischen Einheiten vom Rotliegend bis zum Weißjura mit einschließt und diese hinsichtlich ihrer Verbreitung, Mächtigkeit, Lithologie sowie ihrer petrophysikalisch-petrographischen Eigenschaften hin charakterisiert. Zudem wird ein aktueller Überblick über die Stratigraphie, die Ablagerungsbedingungen und die Beckenentwicklung vom Perm bis in den Weißjura gegeben. Aufgrund des großen geographischen und stratigraphischen Umfangs war die Behandlung jeder Einheit nicht im Detail möglich und die Anzahl an Proben und Messungen war begrenzt. Dennoch wird hiermit ein solides Fundament dargelegt, auf dem in Zukunft durch weitere Analysen aufgebaut werden kann. Informationen zu Mächtigkeit und Lithologie wurden größtenteils den Bohrungsdaten aus dem Umweltatlas Bayern entnommen, in Tabellen zusammen getragen und auf Plausibilität geprüft. Die Daten wurden als Input für ArcGIS genutzt, um dort für jede Einheit Karten zur Mächtigkeit und lithologischen Verteilung zu erstellen. Im Bohrkernlager des Bayerischen Landesamts für Umwelt wurden 20 Kernbohrungen beprobt und die insgesamt 642 Gesteinsplugs in Laboren des GeoZentrums Nordbayern analysiert. Im Fokus standen dabei Porositäts- und Permeabilitäts-Messungen, die mit verschiedenen Methoden durchgeführt wurden. Außerdem wurden mehr als 100 Sandstein-Proben mikroskopisch auf ihre Zusammensetzung und die Beschaffenheit des Intergranularraums untersucht (Point-Counting). Nach einer tektonisch kontrollierten Sedimentation in Halbgräben mit stark variierenden Mächtigkeiten während des Rotliegend folgte die mehr oder weniger stetige Ablagerung im dem neu entstandenen Fränkischen Becken. Nordbayern lag seitdem am Rand des Vindelizisch-Böhmischen Massivs (VBM), das als stabiles Hochgebiet das Fränkische Becken nach SO und O hin bis in den Braunjura hinein begrenzte. Die petrographischen Untersuchungen bestätigen das VBM als primäres Liefergebiet in Nordbayern für alle Einheiten bis auf zwei Ausnahmen. Die Erfurt- und Stuttgart-Fm. des Unteren und Mittleren Keupers sind durch eine stark abweichende Zusammensetzung der Gesteinsbruchstücke charakterisiert, was die Annahme eines in Südskandinavien liegenden Liefergebietes unterstützt. Auch der klimatische Umschwung von ariden Bedingungen im Perm zu humiden Verhältnissen im Jura spiegelt sich in der Komposition der Sandsteine wider. Die Untersuchung der diagenetischen Veränderungen gibt hingegen Hinweise auf die max. Versenkungstiefe und Temperatur und bestätigt aktuelle Daten aus der Literatur. Durch die große Probenanzahl und die präzise Messung von Porosität und Permeabilität mit verschiedenen Methoden konnten Umrechnungsformeln aufgestellt werden, um eine methodische Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Basierend auf 612 Permeabilitätsmessungen wurde eine zuverlässige Umrechnung zwischen der Hassler-Zelle und dem portablen Luftpermeameter TinyPermII (New England Research Inc.) ermöglicht. Zudem konnten die Werte der Isopropanol-Tauchwägung mit denen der Quecksilber-Porosimetrie sowie des Gas-Pyknometers AccuPyc II 1345 (Micromeritics Instrument Corporation) vergleichbar gemacht werden. Bei den beprobten Lithologien kommen auf Grundlage der Messungen von Porosität und Matrixpermeabilität nur Sandsteine und Konglomerate als potenzielle Reservoir-/Speicher-Gesteine in Frage. Das Rotliegend erweist sich hierbei mit einer mittleren Porosität der Sandsteine und Konglomerate von ca. 6 % und einer Permeabilität von 0.01 bis 1 mD als größtenteils dicht. Auch die Sandsteine des Zechsteins liegen in einem ähnlichen Bereich. Lediglich in der randlich gelegenen Bohrung Lindau 1 werden vereinzelt auch Werte &gt; 15 % und bis max. 26 mD erreicht. Der Buntsandstein zeichnet sich je nach Lokalität durch eine eher geringe Durchlässigkeit von etwa 0.1 bis 100 mD und eine Porosität zwischen 5 und 20 % aus. Besonders gut geeignet sind hingegen der randfazielle Buntsandstein (Bohrung Abenberg1001) sowie die proximalen Ablagerungen des Mittleren Keupers, v. a. die Benk- und Hassberge-Fm. (Bohrungen Eschertshofen und Abenberg1001). Hier wurden überwiegend Porositätswerte ≥ 20 % bestimmt und die Permeabilitäten liegt meist bei mehr als 100 mD bis nicht selten über 1000 mD. Auch der Obere Keuper sowie die Sandsteine des Schwarz- und Braunjuras weisen teilweise sehr gute PoroPerm-Eigenschaften auf, wobei die Werte hier allerdings stark schwanken. Karbonate, Tonsteine und Evaporite eignen sich im Gegenzug als mögliche Barriere-Horizonte, welche insbesondere im Muschelkalk, in der Grabfeld-Fm. und im Zechstein identifiziert wurden. Aber auch Sandstein-Abfolgen des Buntsandsteins (Bohrungen Mürsbach, Bad Windsheim TWB1) und des Zechsteins (Obernsees 1, Neuenbuch 1) können mit Permeabilitäten von 0.01 bis 10 mD z. T. relativ dicht ausgebildet sein, weshalb auch hier Barriere-Kriterien erfüllt wurden.
description: Sedimentary rocks covering the basement in Northern Bavaria comprise strata ranging from the Permo-Carboniferous to the Quaternary, thus encompassing more than 300 Ma of Earth's geological history. The landscape is primarily shaped by the South German Scarplands, which in Northern Bavaria are largely composed of the Triassic (Buntsandstein, Muschelkalk, Keuper) and the Jurassic (Franconian and Swabian Alb) at the surface. Numerous – especially older – regional geological publications on the various stratigraphic units can be found in the literature, but comprehensive petrophysical and quantitative-petrographic analyses are currently lacking. The aim of this work is to create an extensive database that includes all units from the Rotliegend to the White Jurassic, characterizing them in terms of their distribution, thickness, lithology, as well as petrophysical-petrographic properties. Furthermore, an updated overview of the stratigraphy, the depositional environment and the basin development from the Permian to the White Jurassic is given. Due to the large geographical and stratigraphic scope, it was not possible to go into detail for each unit. However, this study provides a solid basis on which further analyses can build. Information on thickness and lithology was mostly obtained from drilling data in the Umweltatlas Bayern, which was then compiled into tables, and checked for plausibility. The data were used as input for ArcGIS to create maps for each unit showing thickness and lithological distribution. In the core shed of the Bayerisches Landesamt für Umwelt in Hof, 20 cores were sampled, and the resulting 642 rock plugs were analysed in the laboratories of the GeoZentrum Nordbayern. The focus was on porosity and permeability measurements, conducted using various methods. Additionally, more than 100 sandstone samples were examined microscopically for their composition and the texture of the intergranular porespace (point-counting). Following tectonically controlled sedimentation in half-grabens with highly variable thicknesses during the Rotliegend, more or less continuous deposition occurred in the newly developed Franconian Basin. Since then, Northern Bavaria has been located at the margin of the Vindelician-Bohemian Massif (VBM), which, as a stable highland area, bordered the Franconian Basin to the SE and E until the Middle Jurassic. Petrographic investigations confirm the VBM as the primary source area in Northern Bavaria for all units with two exceptions. The Erfurt- and Stuttgart-Fm. of the Lower and Middle Keuper are characterized by a significantly different composition of rock fragments, supporting the hypothesis of a source area located in southern Scandinavia. The climatic shift from arid conditions during the Permian to humid conditions during the Jurassic is also reflected in the composition of the sandstones. The investigation of the diagenetic modifications, on the other hand, provides information on the maximum burial depth and temperature and confirms current data from the literature. Due to the large number of samples and the precise measurement of porosity and permeability with different methods, conversion formulas could be established to ensure methodological comparability. Based on 612 permeability measurements, a reliable conversion between the handheld air permeameter TinyPermII (New England Research Inc.) and the Hassler cell was possible. In addition, the values of the mercury porosimetry could be made comparable with those of the isopropanol immersion weighing and the AccuPyc II 1345 gas pycnometer (Micromeritics Instrument Corporation). Based on porosity and matrix permeability measurements, only sandstones and conglomerates are suitable as potential storage or reservoir rocks among the sampled lithologies. With an average porosity of the sandstones and conglomerates of approx. 6 % and a permeability of 0.01 to 1 mD, the Rotliegend proves to be largely tight. Also, the sandstones of the Zechstein fall within a similar range. Only in the marginal Lindau 1 well values &gt; 15 % and up to max. 26 mD are occasionally achieved. Depending on the location, the Buntsandstein is characterised by a low to moderate permeability of around 0.1 to 100 mD and a porosity of between 5 and 20 %. However, particularly suitable are the marginal deposits of the Buntsandstein (Abenberg1001 well) and the proximal clastics of the Middle Keuper, especially the Benk- and Hassberge-Fm. (Eschertshofen and Abenberg1001). Here, mainly porosity values ≥ 20 % were determined, and the permeability is usually more than 100 mD, often also greater than 1000 mD. The Upper Keuper and the sandstones of the Black and Brown Jurassic also exhibit very good PoroPerm properties in some cases, however, the values here vary greatly. Carbonates, mudstones and evaporites, on the other hand, are suitable as potential barrier horizons, which have been identified particularly in the Muschelkalk, the Grabfeld-Fm. and the Zechstein. But also sandstone successions of the Buntsandstein (Mürsbach, Bad Windsheim TWB1) and the Zechstein (Obernsees 1, Neuenbuch 1) can be relatively tight with permeabilities of 0.01 to 10 mD, which is why barrier criteria were also fulfilled here.