The Early Miocene Upper Marine Molasse of the German part of the Molasse Basin - a subsurface study. Sequence Stratigraphy, Depositional Environment and Architecture, 3D Basin Modeling

Abstract

The detailed investigation of the early Miocene (Upper Marine) Molasse of the German part of the Molasse Basin is based on the study logs from 72 wells which have been digitized with LogScan® (Briere Engineering) and on the reinterpretation of 14 seismic sections. The interpretation program Geographix® (Landmark Graphics) has been used to integrate all data into facies maps, cross sections and 3D model in order to reach an improved interpretation of the paleogeographic configuration, paleobathymetry and facies-distribution of the Upper Marine Molasse. These interpretations have been complemented by data available from literature.

The Upper Marine Molasse (Obere Meeresmolasse = OMM) of the Northern Alpine Foreland Basin has been deposited in a narrow marine connection (the so-called “Burdigalian Seaway”) of the Mediterranean Sea with the Paratethys during the early to middle Miocene. Although numerous studies discuss the paleogeography, paleobathymetry, and facies-architecture of the OMM, additional data were required to improve our knowledge of the structural and stratigraphic configuration of the "Burdigalian Seaway".

The deposition of the Upper Marine Molasse (OMM) was initated by a basin wide transgression during the Early Miocene (~ 20 Ma) that flooded the Alpine foredeep, generating shallow marine conditions between south-eastern France and Eastern Austria via Switzerland and Southern Germany.

A sequence stratigraphic subdivision of the Upper Marine Molasse was suggested by Jin (1995) and Zweigel (1998) in the area of Eastern Bavaria. Five second order sequences modified from Jin (1995) have been recognized by Zweigel (1998). The aim of this work is to study in detail the Sequence 4, which was deposited during the early Miocene.

Die Untersuchung der Oberen Meeresmolasse (unteres Miozän) im Untergrund des deutschen Anteiles am nordalpinen Molassebecken beruht vor allem auf der Analyse von 72 Bohrungen und 14 seismischen Profilen, die von der deutschen Erdölindustrie zur Verfügung gestellt worden sind.

Traditionell wird der deutsche Teil des Molassebeckens in die Westmolasse zwischen München und dem Bodensee und die sich von München bis an die österreichische Grenze erstreckende Ostmolasse unterteilt (Fig. 2). Die Qualität und die Anzahl der Daten aus dem Untergrund der Ostmolasse ist für eingehende Untersuchungen ausreichend. Die Exploration in der Westmolasse erfolgte vor allem in den fünfziger und sechziger Jahren; entsprechend sind die Daten sehr viel spärlicher und oft von ungenügender Qualität. Aus dem Untergrund des Grenzbereiches zwischen der West- und der Ostmolasse standen keine Daten zur Verfügung.

Die zweite Megasequenz der Molasse (Obere Meeresmolasse und Obere Süsswassermolasse) beginnt in Ostbayern im frühen Burdigal (Eggenburg) mit der Transgression mariner Ablagerungen aus dem Puchkirchen-Trog in Oberösterreich entlang der alpinen Front nach Westen. Mehr oder weniger gleichzeitig erfolgt eine marine Transgression aus dem Gebiet der Westschweiz nach Osten in den Bereich der südlichen Westmolasse. Die beiden marinen Vorstösse vereinigen sich schliesslich zu einem durchgehenden Meeresarm. In einem zweiten Vorstoss greift die Obere Meeresmolasse auf den Südrand der Schwäbischen und Fränkischen Alb bis hin zur Klifflinie. Die brackischen Kirchberger Schichten der Westmolasse und die Oncophoraschichten der Ostmolasse markieren den Übergang zur Oberen Süsswassermolasse. Am Ende des Burdigals (Ottnang) hat sich das Meer vollständig aus dem Molassebecken zurückgezogen.

Stratigraphische Einheiten der Oberen Meeresmolasse

Die hier verwendeten pragmatischen stratigraphischen Einheiten entsprechen der in der Exploration mehrheitlich angewandten Bezeichnung der Schichtglieder.

Die Obere Meeresmolasse der Westmolasse lässt sich in einen transgressiven litoralen grobkörnigen unteren Teil (Basisschichten, 20-35m), einen vorwiegend subtidalen feinkörnigen mittleren Teil (Sandmergelserie I und II, 10-110m) und einen wiederum litorales vorwiegend grobkörnigeren regressiven Teil ("Baltringer Schichten" und "Feinsandserie", 15-40m) unterteilen.

In dem N-S verlaufenden Querprofil (Fig. 11) bleibt die Mächtigkeit der einzelnen Einheiten recht konstant.

Die einzige in der Westmolasse zur Verfügung stehende seismische Linie (Fig. 13) ist von eher schlechter Qualität, so dass sich die Ablagerungsmuster innerhalb der verschiedenen stratigraphischen Einheiten nicht eindeutig erkennen lassen.

Auch in der Westmolasse lassen sich in der Molasse fünf Sequenzgrenzen erkennen (Jin 1995, Zweigel 1998). Die Sequenz 4, die dem obersten Teil der Unteren Süsswassermolasse und der Oberen Meeresmolasse entspricht, wird in 5 Subsequenzen untereilt (4a: oberer Teil der Unteren Süsswassermolasse, 4b: Basisschichten, 4c1: Sandmergelserie I, 4c.2: Sandmergelserie II und 4d: Baltringer Schichten).

Die Ostmolasse wird in einen flachmarinen westlichen und in einen östlichen Teil, der im Oligocaen und im frühen Miocaen dem Übergang zum tiefer marinen Bereich in Oberösterreich bildet, getrennt.

Die Obere Meeresmolasse lässt sich wie in die Westmolasse in eine untere transgressive Abfolge mit den Aquitan-Fischschiefern, der Obing Folge und dem "Burdigal", ein mächtiges mittleres Paket mit den Neuhofener Schichten I und II und einen oberen regressiven Teil mit den Glaukonitsanden und Blättermergeln unterteilen. Die Obing Folge ist nur in im östlichen Teil vorhanden.

Im N-S verlaufenden Querprofile (Fig. 17 und 19) nehmen alle stratigraphischen Einheiten mit Ausnahme der Glaukonitsande und Blättermergel nach Süden hin an Mächtigkeit zu. Das "Burdigal" transgrediert mit einer ausgeprägten Winkeldiskordanz auf die Aquitan-Fischschiefer. Das "Burdigal" und die "Neuhofener Schichten keilen nach Norden mit progressivem "Onlap" aus. In fast allen Einheiten nimmt der Sandgehalt nach Süden zu.

Im W-E Querprofile (Fig. 21 und 23) zeigen das "Burdigal" und die Neuhofener Schichten einen nach Westen progressiven "Onlap" auf die Aquitan-Fischschiefer. Das "Burdigal" nimmt nach Osten stark an Mächtigkeit zu, während die Neuhofener Schichten I und II, die Glaukonitsande und Blättermergel nur geringe Mächtigkeitsschwankungen zeigen.

In den seismischen Linien aus dem westlichen Teil der Ostmolasse (Figs. 25 bis 31) lagern die Aquitan-Fischiefer (Subsequenz 4a) mit "Onlap" auf den an ihrer Obergrenze erodierten Aquitan-Sanden. Die mächtige Subsequenz 4b ("Burdigal") weist in ihrem unteren Teil recht einheitliche grossflächige Ablagerungsmuster auf. Im mittleren und oberen Teil finden sich Anzeichen einer von Westen nach Osten progradierenden deltaischen bis prodeltaischen Sedimentation. In der mit erosiver Grenze auflagernden Subsequenz 4c.1 (Neuhofener Schichten I) nimmt die Amplitude der erosiven Muster nach Westen hin zu. Subsequenz 4c.2 (Neuhofener Schichten II) weist vorwiegend parallele bis subparallele Muster auf, die auf einheitliche Ablagerungsbedingungen hinweisen. In den Subsequenzen 4d-e (Glaukonitsande und Blättermergel) dominieren wiederum parallele Reflektoren. Sie werden durch einen sehr konstanten starken Reflektor getrennt.

Im N-S Querprofil des östlichen Teiles der Ostmolasse (Fig. 32) sind die lateralen Wechsel komplexer als im westlichen Teil. Die Mächtigkeit der Obing Folge nimmt nach Süden hin ab. Relativ einheitliche Mächtigkeiten finden sich in den Glaukonitsanden und Blättermergel, den Neuhofener Schichten I und dem "Burdigal". In den Aquitan-Fischschiefern und den Glaukonitsanden nimmt der Sandgehalt nach Süden hin ab, während er in den Neuhofener Schichten I und II recht konstant bleibt.

In den seismischen Linien aus dem untersuchten östlichen Teil der Ostmolasse (Figs. 34 bis 37, 41 und 44) lassen sich die gleichen Subsequenzen wie in deren westlichen Teil erkennen. Die Subsequenz 4b enthält hier zusätzlich die Obing Folge (4b.1), die nach Nordwesten auf die Aquitan-Fischschiefer (4a) greift. Das transgressive “Burdigal” (4b.2) progradiert nach Nordosten. Die vorwiegend parallelen Reflektoren zeigen einheitliche Ablagerungsbedingungen an. Die Subsequenzen 4c.1 (Neuhofener Schichten 1) und 4c.2 (Neuhofener Schichten II) entsprechen der grössten Ausdehnung der Oberen Meeresmolasse. Sie werden durch eine geringe Erosionsphase getrennt. Die Subsequenz 4c.2 wird durch einen ausgeprägten doppelten Reflektor zweigeteilt, der als Oberfläche der maximalen Flutung interpretiert wird. Die Subsequenzen 4d und 4e (Glaukonitsande und Blättermergel) bestehen aus mehr oder weniger parallelen Reflektoren, in welchen die Ablagerungsmuster schlecht abgebildet sind. Sie konnten nicht voneinander getrennt werden und werden deshalb als eine Einheit behandelt.

Zeit-, Geschwindigkeits- und Isopachen-Karten (Figs. 48 to 55)

Zeit-, Geschwindigkeits- und Isopachen-Karten (“grid maps”) wurden in MapView mit den Programm SeisVision in einem GeographixDiscovery Project konstruiert. Die Grenzen und der Wahrscheinlichkeitsgrad dieser Karten werden durch die Dichte und die Verteilung der zur Verfügung stehenden Bohrungsdaten und seismischen Linien bestimmt. In der Ostmolasse wurde ein Gebiet im Westen südlich und südöstlich von München sowie ein weiteres Gebiet im Südosten in der Nähe der österreichischen Grenze ausgewählt in welchen die Datendichte ausreichend ist. Die Dichte und die Qualität der in der Westmolasse zur Verfügung stehenden Daten ist ungenügend.

Geschwindigkeits-Karten (Figs. 50-51): Im westlichen Teil der Ostmolasse wird die in den Glaukonitsanden und Blättermergeln nach Norden zunehmende Geschwindigkeit durch erhöhten Sandanteil verursacht. Die Geschwindigkeits-zunahme im mittleren Teil des Gebietes in den "Neuhofener Schichten I und II" sowie dem “Burdigal” ist vermutlich ebenfalls auf Zunahme des Sandanteiles zurückzuführen. In den Aquitan-Fischschiefen und dem Aquitan nehmen die Geschwindigkeiten im zentralen Bereich und nach Süden bedingt durch die grössere Abteufung und den ebenfalls ansteigenden Sandgehalt zu.

Im östlichen Teilgebiet der Ostmolasse sind die nach Norden zunehmenden und nach Osten abnehmenden Geschwindigkeiten in den Glaukonitsanden und Blättermergeln vor allem auf den unterschiedlichen Sandgehalt zurückzuführen. Die Neuhofener Schichten I und II, das "Burdigal" und die Aquitan-Fischschiefer weisen die höchsten Geschwindigkeiten im zentralen Bereich des Gebietes auf. Die trotz grösserer Tiefe im Süden niedrigeren Geschwindigkeiten zeigen wohl geringeren Sandgehalt an. In der Obing Folge werden die im Westen höheren Geschwindigkeiten durch den sich in proximaler Richtung erhöhenden Sandanteil verursacht. Im “Aquitan” finden sich die höchsten Geschwindigkeiten und vermutlich auch der höchste Sandgehalt im Südosten.

Tiefen-Karten (Figs. 52-53): Im westlichen Teil der Ostmolasse nimmt die Tiefe aller stratigraphischen Einheiten wie zu erwarten mit geringen Variationen nach Süden zu. Die Aquitan-Fischschiefer und das "Aquitan" weisen im zentralen Teil eine leichte Abnahme der Tiefe auf. In der östlichen Ostmolasse finden sich die grössten Tiefen im Südosten in der Nähe von 5 Ost.

Isopachen-Karten (Figs. 54-55): In der westlichen Ostmolasse erreichen die Glaukonitsande und Blättermergel ihre grösste Mächtigkeit im zentralen Bereich. Die Mächtigkeit der Neuhofener Schichten II nimmt nach Südosten zu und vermindert sich nach Norden und Westen, während diejenige der Neuhofener Schichten I und des "Burdigal" im zentralen Bereich am geringsten sind und sich sowohl nach Süden als auch nach Norden zu erhöhen. Die Isopachen der Aquitan-Fischschiefer zeigen ein komplexes Muster.

Im östlichen untersuchten Gebiet der Ostmolasse reduzieren sich die Mächtigkeiten der Glaukonitsande und Blättermergel sowie der Neuhofener Schichten II im Süden und nehmen nach Norden zu, während die Neuhofener Schichten I und daas "Burdigal" im Süden und Südosten am mächtigsten sind. Die Isopachen der Obing Folge und der Aquitan-Fischschiefer verlaufen recht unregelmässig. In beiden Einheiten trennt ein zentraler Bereich mit reduzierten Mächtigkeiten einen nördlichen und südlichen Bereich mit Mächtigkeiten von mehreren hundert Metern.