TSK 11 Göttingen 2006 Beck et al. Lithologierekonstruktion von submarinen Einheiten des Mauna Kea Vulkans mit bohrlochgeophysikalischen Messungen der magneti- schen Suszeptibilität, HSDP Bohrung, Hawai’i Vortrag Andre Beck1 Helga de Wall1 Jochem Kück2 Einführung Als Teil des International Continental Drilling Projects (ICDP), wurde von März bis September 1999 im Rahmen des Hawai’i Scientific Drilling Projects (HSDP) die etwa 3109m tiefe HSDP-2 Bohrung in der Nähe von Hilo auf Big Island, Hawai’i niedergebracht. Die mit einem Durchmesser von 98mm (3.85′′) durchgehend gekernte Bohrung, durch- teuft sowohl die subaerischen Einheiten des Mauna Loa, als auch die darunter liegenden submarinen Laven des Mau- na Kea. Ab etwa 1080m Teufe wur- den die jüngsten, während der Entwick- lung dieses Vulkans abgelagerten sub- marinen Laven erbohrt. Die Verteilung von Hyaloklastiten, Pillowlaven, mas- siver Intrusiva sowie sedimentärer Ab- lagerungen, wurde durch die lithologi- sche Beschreibung des durchgehend ge- förderten Kernprofils von DePaolo et al. (1999) aufgenommen. Verschiedene Autoren, wie z.B. Bücker et al. (1999) oder Helm-Clark et al. (2004) haben bereits gezeigt, dass sich Messungen der natürlichen Gammastrahlung (GR), die üblicherweise sehr gut zur lithologi- schen Einteilung von Gesteinen heran- gezogen werden können, in vergleichba- 1 Institut für Geologie, Pleicherwall 1, 97070 Würzburg 2 Geo-Forschungs-Zentrum Pots- dam, Telegrafenberg, 14473 Potsdam ren Bohrungen nur sehr bedingt zur pri- mären Unterscheidung basaltischer Ge- steinseinheiten eignen. Dies ist vor al- lem auf die sehr geringe Variation des K-, U- und Th-Gehalts der Basalte zu- rückzuführen. Daher wurden von der Operational Support Group (OSG) des GFZ-Potsdam im November 2002 bohr- lochgeophysikalische Messungen in dem 98mm Bohrloch in einem Bereich von etwa 1830 bis 2615m durchgeführt. Die- se wurden speziell zum Test einer Bohr- lochsonde zur Messung der magneti- schen Suszeptibilität (MS) im Rahmen des DFG-Projektes Wa 1015/4 ange- setzt. Dazu wurde die MSdH-2 Sonde der OSG, hergestellt von der Fa. Anta- res GmbH (Stuhr, Germany) eingesetzt. Qualitätskontrolle der MS Mes- sung In einem ersten Schritt wurden die erfassten MS Daten einer genauen Qualitätskontrolle, vor allem in Be- zug auf eventuelle fehlerhafte Einflüsse durch Bohrlocherweiterungen, unterzo- gen. Die genaue Bohrlochgeometrie und -beschaffenheit wurde auf der Grundla- ge von Daten aus einer 1999 von der University of Hawai’i durchgeführten 1- arm Kalibermessung (CAL) ermittelt. Anhand der Häufigkeitsverteilung der gemessenen CAL Daten zeigt sich eine sehr hohe Qualität und Stabilität des Bohrloches. Bei einem nominellen Bohr- lochdurchmesser von 98mm (3.85′′), er- gibt die Kaliberauswertung einen durch- schnittlichen Durchmesser von 115mm. Dies kombiniert mit der visuellen Aus- wertung des CAL-Logs führte zur Ein- teilung der Bohrung in einen stabi- len Bohrlochbereich bis 115mm, indem etwa 85% aller aufgenommenen CAL- Werte liegen. Dennoch neigen vor al- lem die erbohrten Intrusiva sowie die 1 Beck et al. TSK 11 Göttingen 2006 Abbildung 1: Crossplot der MS Mittelwerte aus Bohrloch- und Kernmessungen für die einzelnen im Logintervall erfassten lithologischen Einheiten (Für die eingefügte Trendli- nien wurde das Bestimmtheitsmaß R2 sowie die für den Zusammenhang der Werte daraus abgeleitete Gleichung errechnet). Pillowlaven häufiger zu stärkeren Bohr- lochausbrüchen bis ca. 160mm, was ei- ne genaue Qualitätskontrolle der auf- genommenen MS Daten erfordert. Die- se wurde durch den Vergleich von MS Loggingdaten mit MS Kerndaten durch- geführt. Die MS Kernmessungen wur- den an Bohrkernhälften ausgewählter Profile der HSDP-2 mit einem Hand- kappameter KT-5 (Fa. Agico Inc., Br- no, Czech Republic) durchgeführt und freundlicherweise von Herrn Dr. Car- sten Vahle, Universität Heidelberg zur Verfügung gestellt. Der Vergleich dieser Daten führt zu einer sehr guten Über- einstimmung der errechneten MS Mit- telwerte für die einzelnen lithologischen Einheiten (siehe Abb. 1). Als Ergebnis der Qualitätskontrolle kann also fest- gehalten werden: Bei Messung der MS mittels der MSdH-2 Sonde, kann in der HSDP Bohrung, wenn ein Durchmesser von 160mm nicht überschritten wird, generell auf die Korrektur der Logant- worten verzichtet werden! Auswertung der MS Daten Hyaloklastite sind generell durch nied- rige mittlere MS Werte charakterisiert (14 ± 10 × 1−4 SI). Durch Laboranaly- sen kann dies auf das Vorherrschen von paramagnetischen Mineralen sowie den nur sehr geringen Gehalten an feinkörni- gem Magnetit zurückgeführt werden. In- trusive Einheiten (61± 29× 1−4 SI) und Pillowlaven (40±25×1−4 SI) zeigen da- 2 TSK 11 Göttingen 2006 Beck et al. Abbildung 2: MS Mittelwerte und Stan- dardabweichung der im Logintervall erfas- sten Gesteinsarten. gegen signifikant höhere, allerdings sehr stark schwankende MS Werte, was auf unterschiedliche Volumenanteile an Tit- anomagnetit und Schwankungen in sei- ner Zusammensetzung (Kontny et al. 2003) zurückzuführen ist. Die Messung der MS birgt damit eine sehr gute Möglichkeit zwischen den verschiedenen im HSDP-2 Profil erbohrten basalti- schen Gesteinen zu unterscheiden (siehe Abb. 2). Diese Ergebnisse stimmen sehr gut mit MS Messungen die an Kernhälf- ten ausgewählten Profilsektionen durch- geführt wurden (Kontny et al. 2003, Vahle 2005) überein. Lithologierekostruktion für die HSDP 3 — Bohrung anhand von MS Daten Von November 2004 bis Februar 2005 wurde die bestehende HSDP-2 Bohrung auf 3340m vertieft (HSDP-3). Die Boh- rung wurde ebenfalls mit einem Durch- messer von 98mm, allerdings mit gerin- gerem Kerngewinn niedergebracht. Da- durch konnte eine lithologische Gliede- rung nur deutlich ungenauer durchge- führt werden. Um die anhand der Kern- informationen gewonnene lithologische Gliederung zu ergänzen oder ggf. zu ver- bessern sowie um die bei der HSDP- 2 gewonnenen Ergebnisse anzuwenden, wurden im April 2005 Messungen der MS an den Bohrkernen und im Bohr- loch durchgeführt. Die an ausgewählten Profilen des Kernmaterials der HSDP-3 mit dem KT-5 durchgeführten MS Mes- sungen halfen zur Korrelation des von der OSG erstellten MS Logs. Mittels des erhaltenen MS Logs konnte die Li- thologie dargestellt, rekonstruiert und ergänzt werden (siehe Abb. 3.). Dies verdeutlicht ein weiteres Mal die gute Nutzbarkeit von MS Daten zur Rekon- struktion von Lithologien in submarinen Basalten. Die bohrlochgeophysikalische Messung der magnetischen Suszeptibi- lität sollte folglich einen integralen Be- standteil von Bohrlochmesskampagnen an Bohrprojekten in submarinen Vulka- nen darstellen. Literatur Bücker CJ, Cashman KV & Planke S (1999) 5. Data Report: Physical and Magnetic Charac- terization of AA and Pahoehoe Flows: Hole 990 A. In: Larsen HC, Duncan RA, Allan JF & Brooks K (eds.) (1999) Proc. ODP, Scien- tific Results, 163. College Station (TX), 41– 49 DePaolo DJ, Thomas DM, Stolper EM & Gar- cia MO (1999) Hawai’i Scientific Drilling Project: core logs and summarizing data. Re- port, California Institute of Technology, Pa- sadena. Helm-Clark CM, Rodgers DW & Smith RP (2004) Borehole geophysical techniques to define stratigraphy, alteration and aquifers in basalt. J. Appl. Geophys., 55, 3–38 Kontny A, Vahle C & de Wall H (2003) Charac- teristic magnetic behavior of subaerial and submarine lava units from the Hawai’i Scien- tific Drilling Project (HSDP-2). G3, 4 (2), 8703, DOI:10.1029/2002GC000304 3 Beck et al. TSK 11 Göttingen 2006 Abbildung 3: MS Log und mittels diesem angepasstes und rekonstruiertes Litholog der HSDP-3 (SUS=MS). Vahle C (2005) Aufbau und Entwicklung des Vulkans Mauna Kea anhand von gesteins- magnetischen und magneto-mineralogischen Untersuchungen an Kernen des ‘Hawai’i Scientific Drilling Project’ (HSDP-2). Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde, Naturwissenschaftlich- Mathematische Gesamtfakultät, Ruprecht- Karls-Universität Heidelberg, pp 285 4