Permian to Cenozoic structural evolution and salt tectonics in the Baltic sector of the North German Basin

Abstract

The subsurface beneath the present southwestern Baltic Sea holds a unique geological archive of the tectonic evolution of an intracontinental sedimentary basin strongly influenced by salt tectonics. By means of seismic imaging, this thesis investigates the structural evolution of the Baltic sector of the North German Basin from Permian to recent times, thus, covering a timespan of approx. 300 million years. Main stages during the development of the North German Basin comprise initial Permo-Carboniferous wrench faulting and volcanism followed by Permian to Middle Triassic thermal subsidence, Late Triassic E-W extension, Middle Jurassic uplift, Late Cretaceous inver-sion and Cenozoic extension and glaciation. The analysis of the formation and overprinting of the North German Basin and its northern margin allowed a reassessment of salt tectonics within the regional tectonic framework. The results contribute to a better understanding of complex sedimentary basin evolution. This important aspect of geo-logical research is relevant to socioeconomics due to the multitude of resources, potential hazards and subsurface use capabilities of such sedimentary basins (e.g. for carbon capture and storage, geothermal energy utilization or nuclear waste repositories). Stratigraphic interpretation of the sedimentary subsurface is based on wells in combination with high-resolution 2D seismic data covering the marine area from the Bay of Kiel up to north of Rügen Island. The presented seismic images, in traveltime and depth, continuously image the subsurface from the seafloor down to the base Zechstein. Regional maps, in a stratigraphic subdivision unprecedented for the study area, elucidate the Permian to recent structural development of the northeastern Glückstadt Graben, the salt structures within the Eastholstein-Mecklenburg Block and the fault systems of Western Pomeranian Fault System at the northeastern basin margin. Thereby, an update of the fault pattern including basement faults, is given. Mapping of the Zechstein succession allows a revision of the geometry of salt structures in the study area and reveals a novel salt pillow within the Little Belt. In most parts of the Baltic sector of the North German Basin, mapping of the Buntsand-stein and Muschelkalk units confirm the absence of salt movement during the Early to Middle Triassic. An exception might be the Kegnaes Diapir at the northern basin margin where seismic interpretation indicates salt movement and faulting already during deposition of the Buntsandstein. Furthermore, this work shows that major salt movement began in the northeastern Glückstadt Graben under regional E-W extension in Ladinian – Carnian times. Coeval thin-skinned faulting at the northeastern basin mar-gin is associated with transtensional movements within the Trans-European Suture Zone. Thereby, a transtensional sub-basin formed at the northeastern basin margin with intensified accumulation of Keuper and Jurassic deposits. In between the fault systems of the northeastern basin margin and the northeastern Glückstadt Graben, the Eastholstein-Mecklenburg Block formed a more stable transition zone where salt movement had not started before latest Triassic – Early Jurassic times. This work pro-poses a thin-skinned extensional mechanism as the trigger of Late Triassic – Early Jurassic salt movement in the study area. Uplift and erosion caused by the Mid Jurassic North Sea Doming event resulted in a regional stratigraphic gap encompassing the Middle Jurassic to Aptian. Sedimentation resumed in the Albian followed by a phase of relative tectonic quiescence lacking salt movement. This period ended with the Late Cretaceous inversion, whose onset in the study area is specified to the Coniacian – Santonian. Inversion was expressed by uplift of the Grimmen High, the reactivation of normal as reverse faults and the reactivation of minor salt flow at the northeastern Glückstadt Graben and in the Bay of Mecklenburg. Thin-skinned shortening is interpreted as the driving mechanism of Late Creta-ceous salt movement. At the northeastern basin margin, salt flow driven by gravity gliding induced by basin margin tilt, seems unlikely based on a detailed discussion. Following large-scale domal uplift in the beginning of the Paleocene, the late Paleo-cene to middle Eocene marked a renewed period of relative tectonic quiescence lacking salt movement. In the late Eocene to Oligocene, salt flow was reactivated in the northeastern Glückstadt Graben and local thickness variations of Cenozoic units suggests contemporaneous major growth of salt structures within the bays of Kiel and Mecklenburg. Cenozoic salt structure growth critically exceeded the growth during the Late Cretaceous. The different structural style of major Cenozoic reactivation of salt movement in the Glückstadt Graben compared to minor flow during Late Cretaceous inversion suggests a different driving mechanism for Cenozoic salt movement. This thesis proposes that extension triggered the Cenozoic reactivation of salt flow. The extensional event is possibly related to the coeval beginning development of the European Cenozoic Rift System. Overall, salt structure evolution in the study area is strongly controlled by regional tectonics and phases of active salt movement correlate with periods of extension or shortening. Such times of active salt movement were replaced by periods of relative tectonic quiescence without salt movement, which were preceded by regional erosion events.

Der Untergrund der heutigen südwestlichen Ostsee enthält ein einzigartiges geologisches Archiv der tektonischen Entwicklung eines intrakontinentalen Sedimentbeckens, welches stark durch Salztektonik geprägt wurde. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von reflexionsseismischen Daten die strukturelle Entwicklung des Ostseeraums des Norddeutschen Beckens vom Perm bis zur Gegenwart untersucht. Dies entspricht einem Zeitraum von ca. 300 Millionen Jahren. Wichtige Ereignisse in der Entwicklung des Norddeutschen Beckens beinhalten: anfängliche permo-karbonische Blattverschiebungen und Vulkanismus gefolgt von thermischer Absenkung im Perm bis zur Mittleren Trias, Ost-West Extension in der Späten Trias, Hebung im Mittleren Jura, Inversion in der Späten Kreide und känozoische Extension und Vergletscherung. Die durchgeführte Analyse zur Entstehung und Überprägung des Ostseeraums des Norddeutschen Beckens und des Beckenrandes ermöglicht eine Neubewertung der Salztektonik im Kontext regionaler Tektonik. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Entwicklung komplexer Sedimentbecken bei. Dies ist aufgrund der Vielzahl von Ressourcen, Gefährdungspotenzialen und unterirdischen Nutzungsmöglichkeiten solcher Sedimentbecken ein wichtiger Aspekt der sozioökonomisch relevanten geologischen Forschung (z.B. für die Speicherung von Kohlendioxid, geothermische Energienutzung oder die Endlagerung von radioaktiven Abfällen). Die stratigraphische Interpretation in dieser Arbeit basiert auf Bohrungen in Kombination mit hochauflösenden 2D seismischen Profilen. Der Datensatz deckt das Meeresgebiet von der Kieler Bucht bis nördlich der Insel Rügen ab. Die seismischen Abbilder (in Zwei-Wege Laufzeit und Tiefe) bilden den Untergrund vom Meeresboden bis zur Zechsteinbasis lückenlos ab. Regionale Karten in einer für das Untersuchungsgebiet bisher einmaligen stratigraphischen Untergliederung verdeutlichen die permische bis rezente Strukturentwicklung des nordöstlichen Glückstadt Grabens, der Salzstrukturen des Ostholstein-Mecklenburg Blocks und der Störungen des Vorpommerschen Störungssystems am nordöstlichen Beckenrand. Dadurch wird eine Aktualisierung des Störungsmusters, einschließlich der Grundgebirgsstörungen, ermöglicht. Die Kartierung des Zechsteins erlaubt eine Revision der Geometrie der Salzstrukturen im Arbeitsgebiet und offenbart ein bisher unbekanntes Salzkissen im Kleinen Belt. In den meisten Teilen des Ostseeraums des Norddeutschen Beckens bestätigt die Kartierung des Buntsandsteins und des Muschelkalks das Fehlen von Salzbewegungen während der Frühen und Mittleren Trias. Eine Ausnahme könnte der Kegnaes Diapir am nördlichen Beckenrand bilden. Hier gibt die Seismik Hinweise auf Salzbewegungen und Störungsaktivität bereits während der Ablagerung des Buntsandsteins. Insgesamt zeigt sich, dass wesentliche Salzbewegungen im nordöstlichen Glückstadt Graben während des Ladiniums und Karniums einsetzten. In dieser Zeit war das Arbeitsgebiet regionaler Ost-West Dehnung ausgesetzt. Die zeitgleiche Aktivierung von Störungen am nordöstlichen Beckenrand, die teilweise durch das Zechsteinsalz vom Grundgebirge entkoppelt sind, wird mit transtensionalen Bewegungen innerhalb der Transeuropäischen Suturzone in Verbindung gebracht. Dadurch bildete sich ein transtensionales Subbecken mit erhöhter Akkumulation von Keuper- und Juraablagerungen. Zwischen den Störungssystemen des nordöstlichen Beckenrandes und dem nordöstlichen Glückstadt Graben bildete der Ostholstein-Mecklenburg Block eine stabilere Übergangszone, in der Salzbewegungen erst in der Späten Trias - Frühen Jura einsetzten. Durch das Salz entkoppelte Extensionsbewegungen werden als Auslöser für die Anlegung der Salzstrukturen während der Späten Trias und im Frühen Jura interpretiert. Aufwölbung und Erosion im Mittleren Jura führten zur Ausbildung einer regionalen stratigraphischen Lücke, die das Mitteljura bis Aptium umfasst. Mit der Wiederaufnahme der Sedimentation im Albium folgte eine Phase tektonischer Ruhe ohne Salzbewegungen. Diese Phase endete mit der Inversion in der Spätkreide, deren Beginn für das Arbeitsgebiet auf das Coniacium - Santonium präzisiert werden kann. Die Inversion äußerte sich in der Hebung des Grimmener Hochs, der Reaktivierung von Abschiebungen als Aufschiebungen und geringer Salzbewegung im Glückstadt Graben und der Mecklenburger Bucht. Krustenverkürzung wird als Auslöser der kretazischen Salzbewegung angesehen. Salzbewegung in der Mecklenburger Bucht und am nordöstlichen Beckenrand, die durch gravitatives Gleiten angetrieben wird, erscheint nach eingehender Diskussion unwahrscheinlich. Nach regionaler Aufwölbung zu Beginn des Paläozäns folgte eine erneute Periode relativer tektonischer Ruhe ohne Salzbewegungen. Im späten Eozän bis Oligozän wurde der Salzfluss im nordöstlichen Glückstadt Graben reaktiviert. Lokale Mächtigkeitsunterschiede der känozoischen Einheiten implizieren gleichzeitiges Wiederaufleben der Akkumulation von Salz in den Strukturen der Kieler und Mecklenburger Bucht. Das Anwachsen der Salzstrukturen während des Känozoikums überstieg jenes in der Späten Kreide deutlich. Die strukturellen Unterschiede zwischen der intensiven känozoischen Reaktivierung im Glückstadt Graben im Vergleich zu dem geringen Ausmaß an Salzbewegung während der kretazischen Inversion, lassen auf einen anderen Antriebsmechanismus schließen. Diese Studie spricht sich für eine Reaktivierung der Salzbewegung im Känozoikum durch Extension aus. Dieses Extensionsereignis steht möglicherweise im Zusammenhang mit der gleichzeitig beginnenden Entwicklung des Europäischen Känozoischen Riftsystems. Insgesamt wird die Entwicklung der Salzstrukturen im Untersuchungsgebiet stark von der regionalen Tektonik kontrolliert. Phasen aktiver Salzbewegung korrelieren mit Perioden von Extension oder Verkürzung. Solche Phasen aktiver Salzbewegungen wurden von Zeiten relativer tektonischer Ruhe ohne Salzbewegungen abgelöst, denen jeweils regionale Erosionsereignisse vorausgingen.