New evidence from seismic data on the effect of Late Cretaceous deformation on geothermal systems in the Münsterland Cretaceous Basin, NW Germany

The Münsterland Cretaceous Basin, North Rhine-Westphalia, Germany, has become an area of focus to exploit medium-deep to deep geothermal energy to provide climate-neutral, sustainable, and regional heat for residential, commercial, and industrial purposes. Despite hydrocarbon exploration during the last century and studies at the margins of the basin, the tectonic deformation in the central part of the basin, which may favour fluid pathways for geothermal developments, has remained fairly unknown until now. In this study, we aim to characterise the deformation of the Cretaceous strata linked to underlying structural elements of the folded and faulted Palaeozoic subsurface. We interpret vintage seismic data of the hydrocarbon industry and of the DEKORP project, recently acquired seismic data by the Geological Survey of North Rhine-Westphalia, and well data. The interpretations of Cretaceous marker horizons and structural elements indicate three SW-NE trending zones of intense deformation interpreted as inversion/wrench tectonics-related flower structures. Similar structures displaying evidence of polyphase deformation, a transtensional phase followed by a transpressional phase, have already been described for the central part of the basin. Prominent impedance contrasts in these fault zones and within their damage zones indicate enhanced porosity and resulting permeability and is linked to the migration of fluids from deeper strata to the surface. The flower structures are located above Palaeozoic anticlines. We interpret that these zones formed as a result of the reactivation of tectonic weak zones. The formation of these features is explained by the regional stress field during reverse faulting activity along the Osning Fault Zone (Late Cretaceous) and the inversion of the Lower Saxony Basin during the Subhercynian inversion phase. The potentially enhanced petrophysical properties along the flower structures promote the development of medium-deep geothermal systems in the central part of the Münsterland Cretaceous Basin.

Die Energiewende hat in den letzten Jahren zu einer Zunahme der Exploration für mitteltiefe und tiefe Geothermie im Münsterländer Kreidebecken geführt. Hierbei soll klimaneutrale, nachhaltige und regionale Wärme für den Wohnsektor, den Dienstleistungssektor und die Industrie bereitgestellt werden. Trotz der Erkundung für Kohlenwasserstoffe im zentralen Teil des Beckens und zahlreicher Studien am Rande des Beckens in den letzten Jahrzehnten, wurde die Deformation der geologischen Einheiten im Zentrum des Münsterländer Kreidebeckens bisher nur vereinzelt untersucht. Diese tektonischen Strukturen sind für die Entwicklung von hydrothermalen geothermischen Systemen interessant, da diese den Fluss von Fluiden im Gestein begünstigen können. In der vorliegenden Studie untersuchen wir die Deformation der kreidezeitlichen Gesteine im Zusammenhang mit den gefalteten und gestörten Gesteinen des Paläozoikums im Liegenden des Münsterländer Kreidebeckens. Dafür interpretieren wir Bestandsdaten der Kohlenwasserstoffindustrie, Krustenseismik aus dem DEKORP Projekt und im Rahmen der Landesaufnahme des Geologischen Dienstes Nordrhein-Westfalens neu akquirierte seismische Daten sowie Bohrungsdaten. Die Interpretation von Leithorizonten innerhalb der kreidezeitlichen Schichten sowie von Strukturelementen zeigt drei SW–NE verlaufende Zonen, deren Deformation als "Flower Structures" im Bereich von Seitenverschiebungen ("Wrench Faulting") interpretiert werden. Ähnliche Strukturen, die Anzeichen für transtensionale und/oder transpressionale Bewegungen aufzeigen, wurden bereits für das zentrale Münsterland beschrieben.
Amplitudenanomalien innerhalb und im Bereich der Zerrüttungszone dieser Blattverschiebungszonen liefern Hinweise auf erhöhte Porositäten und daraus resultierenden Permeabilitäten aufgrund von Klüftung und Verkarstung. Letztere ist begünstigt durch die vertikale Migration von untersättigten Fluiden aus tieferen Schichten in die neu geschaffenen Porenräume. Die kartierten "Flower Structures" befinden sich im Hangenden von paläozoischen Antiklinalen. Wir schließen daraus, dass sich die Strukturen in diesem Bereich des Beckens als Ergebnis der Reaktivierung von Schwächezonen entlang der Sattelachsen gebildet haben. Die Anlage dieser Elemente stimmt mit dem regionalen Stressfeld während der aktiven Überschiebungstektonik entlang der Osning Störungszone (Oberkreide) und der Inversion des Niedersächsischen Beckens während der subherzynischen Inversionsphase überein. Die potenziell erhöhten Porositäten und daraus resultierenden Permeabilitäten entlang der kartierten Strukturelemente machen diese zu einem bevorzugten Ziel für die Entwicklung von mitteltiefen Geothermieprojekten im zentralen Münsterländer Kreidebecken.