Frage 148: Alter der Sedimente in der ehemaligen Quarzsandgrube von Benken und Konsequenzen für die neotektonische Aktivität der Neuhauser Störung
Oberhalb von Benken (ZH) wurden bis in die 1980er-Jahre in einer Grube Quarzsande abgebaut. Gemäss geologischer Karte (Blatt Diessenhofen) handelt es sich dabei um Ablagerungen der Graupensandrinne, die stratigraphisch der Oberen Meeresmolasse und einem Sedimentationsalter von 17 bis 17.5 Millionen Jahren zugeordnet wurden. Untersuchungen in der Rinne bei Ulm haben jedoch gezeigt, dass in den Graupensanden (Grimmelfinger Schichten) glasiges Material vorkommt, das dem Alter des Ries-Impaktkraters entspricht. Der Ries-Impakt wird gegenwärtig auf 14.6 Millionen Jahre datiert. In der Grube Benken wurden die Grobsande, welche früher an der Grubenbasis zu sehen waren, von verschiedenen Autoren als Grimmelfinger Schichten gedeutet, das heisst als Äquivalent der Graupensande. Damit wären die Sedimente oberhalb von Benken 2 bis 3 Millionen Jahre jünger als bisher angenommen.
Die Ablagerungen und Strukturen in der ehemaligen Quarzsandgrube Benken wurden kürzlich vom Fragestellenden in einer Publikation (Bühl 2017) im Detail beschrieben, darunter auch eine im Osten der Sandgrube bei Benken sichtbare steile Störung, die der Neuhauser Störung zugeordnet werden kann. Der Fragesteller ist der Ansicht, dass in der Quarzsandgrube von Benken nur im unteren Teil sandige marine Ablagerungen vorkommen, die diskordant von terrestrischen und fluvialen Sedimenten (u. a. von Konglomeraten) überlagert werden. Die Störung erfasst auch diese jüngeren Sedimente. Das Alter der Aktivität der Neuhauser Störung ist für die geplante Tiefenlagerung radioaktiver Abfälle im Standortgebiet Zürich Nordost von Bedeutung. Aufgrund der eigenen Beobachtungen und den in der Literatur verfügbaren Daten stellen sich folgende Fragen:
Inwieweit sind die Ablagerungen in der ehemaligen Quarzsandgrube von Benken als marine oder terrestrische Ablagerungen zu interpretieren?
Welches Alter ist den verschiedenen Sedimenten in der Sandgrube von Benken zuzuordnen?
Lässt sich die von früheren Bearbeitern postulierte stratigrafische Zuordnung des in Benken aufgeschlossenen Profils zu den Grimmelfinger Schichten und Kirchberger Schichten mit den datierten Glasfragmenten aus der Graupensandrinne bei Ulm vereinbaren?
Welche Konsequenzen hätte ein jüngeres Alter der in der ehemaligen Quarzsandgrube bei Benken vorkommenden Ablagerungen auf die Beurteilung einer neotektonischen Aktivität der Neuhauser Störung?
In der Quarzsandgrube Benken sind heute Sedimentgesteine aufgeschlossen, welche im Übergangsbereich der Oberen Meeresmolasse zur Oberen Süsswassermolasse im Miozän abgelagert wurden. Es bestehen Hinweise darauf, dass die Sedimente in einem dynamischen System mit marinem und terrestrischem Einfluss (z.B. Delta, Watt) abgelagert wurden. In der Grube ist eine Störung zu beobachten, welche in Zusammenhang mit der Neuhauser Störung gebracht wird. Sie versetzt die aufgeschlossenen Schichten und hat damit maximal deren Ablagerungsalter, also ein miozänes Alter. Die Neuhauser Störung wird seitens Nagra als potentiell aktive Störung betrachtet, d.h. es wird davon ausgegangen, dass sie auch wesentlich später im Quartär noch aktiv gewesen sein könnte oder noch aktiv sein kann. Deshalb hat die zeitliche Einordnung der in der Grube aufgeschlossenen Sedimente innerhalb des Miozäns keine Konsequenzen auf die Einschätzung der tektonischen Aktivität der Neuhauser Störung.
Die Quarzsandgrube Benken fasziniert schon seit langem Geologen und es finden sich mehrere Beschreibungen der Grube in der Literatur (z.B. Hofmann & Hantke 1964, Bühl 2017). Bereits Arnold Escher v.d. Linth erwähnt 1844 in der Gegend von Benken einen gelblichen Sand, welcher u.a. für die Fabrikation von Glas abgebaut werde (Wegelin 1918). In der Grube wurde bis in die 1980er Jahre Sand abgebaut, heute ist der unterste Teil der ehemaligen Grube nicht mehr aufgeschlossen. Im oberen Bereich der Grube beschreibt Madritsch (2015) eine Störung, eine nach Nordosten einfallende Abschiebung, welche in Zusammenhang mit der Neuhauser Störung gebracht wird (Figur 148-1). Da die Störung jünger sein muss als die Schichten, welche sie versetzt, kann das Alter der Schichten einen Hinweis darauf geben, wann die Neuhauser Störung aktiv war.
Figur 148-1: Quarzsandgrube Benken mit Störung, welche Sandsteine und Konglomerate versetzt.
a)
Die Ablagerungen der Quarzsandgrube Benken wurden bereits von mehreren Geologen untersucht und sie wurden sowohl einem marinen als auch terrestrischen Milieu zugeordnet (Hofmann & Hantke 1964, Bühl 2017). Eines der wohl vollständigsten geologischen Profile wurde von Hofmann & Hantke (1964) aufgenommen (Figur 148-2), welches auch heute verschüttete tiefere Abschnitte der Grube dokumentiert.
Figur 148-2: Detail aus der Quarzsandgrube Benken, mittlerer Teil, Zustand 1963 von Hofmann & Hantke (1964). 1 Moräne. 2 Mittelkörnige, leicht karbonathaltige Sande mit Geröllagen (Austernnagelfluh). 3 Gröbere karbonatfreie Quarzsande, abbaufähig. 4 Feinsande bis Samtsande, karbonathaltig, in der Lage im Liegenden von 3 seitlich ersetzt durch Geröllhorizonte vom Austernnagelfluh-Typus. 5 Gröbere, teils etwas lehmige, karbonatfreie und abbaufähige Sande mit einzelnen Geröllnestern. 6 Zone der wallartig gelagerten Graupensande, die in erster Linie für den Abbau gesucht sind. Oft mit bedeutenden Geröllagen vom Austernnagelfluhtypus. 7 Grubensohle. 8 Liegendes, bunte Mergel der Unteren Süsswassermolasse. Die Schicht 2 repräsentiert die Kirchberger Schichten (marin-brackisch), die Schichten 3 bis 6 gehören zu den Grimmelfingerschichten (marin-brackisch).
Die aktuell aufgeschlossenen Schichten wurden neu von Bühl (2017) beschrieben (Figur 148-3). Bühl (2017) unterscheidet von unten nach oben fünf Sedimentkörper: 1) tidal geprägte Sande, 2) Verwitterungsboden, 3) sandige Rinnenfüllung, 4) Konglomerat-Komplex mit Konglomerat-Schichten (Schichten aus gerundeten Kiesen) und mit Sand verfüllten Rinnenstrukturen innerhalb der Konglomerate sowie 5) Obere Sande. Aufgrund der Fazies der Sedimente, das heisst der gesamten Merkmale der Sedimente wie z.B. Sedimentstrukturen, Zusammensetzung, Geröllpetrographie usw. schliesst Bühl (2017) auf die Ablagerungsbedingungen der Sedimente. Die tidal geprägten Sande (Sedimentkörper 1) werden dabei einem marin-brackischen Milieu zugeordnet. Der darüber folgende Verwitterungsboden (Sedimentkörper 2) wird einem terrestrischen Milieu und die darüber folgenden Sedimentkörper 3-5 werden einem fluviatilen Milieu zugeordnet (Figur 148-3).
Figur 148-3: Modell der Erosionsbasis-Zyklen des Profils Quarzsandgrube Benken von Bühl (2017).
Die tidal geprägten Sande mit ihren Rippeln und ihrer Wellen- oder Flaserschichtung weisen auf einen dynamischen Ablagerungsbereich im Gezeitenwechsel hin. Beim Verwitterungsboden könnte es sich auch um in einer Rinne umgelagerte Strandsedimente handeln. In den darüberliegenden Sedimentkörpern finden sich Sedimentstrukturen (z.B. trogförmige Schrägschichtung), welche auf ein fluviatiles Milieu hinweisen können. Ein zusätzliches, wichtiges Merkmal zur Unterscheidung von verschiedenen Ablagerungsmilieus sind Fossilien. In seiner Maturaarbeit hat R. Meier (2016) mit Hilfe von J. Jost Fossilien im heute aufgeschlossenen Bereich der Quarzsandgrube Benken gesammelt. In den Konglomeratschichten konnten sie an verschiedenen Orten Austern finden. Neben den Austern konnten sie Seepocken, Kammuscheln und Moostierchen nachweisen, welche auf ein marines, brackisches Ablagerungsmilieu hinweisen. Gemäss J. Jost (persönliche Mitteilung) sehen die marinen Fossilien mindestens teilweise nicht terrestrisch umgelagert aus, was auf eine mindestens zeitweise Ablagerung in einem marinen Milieu hinweist. Daneben konnten R. Meier und J. Jost aber auch Fossilien wie Schnauzenschnecken, Armleuchterlagen, Samenreste und Kleinsäugerzähne nachweisen, welche auf ein terrestrisches, fluviatiles Milieu hinweisen.
Zusammenfassend betrachtet weisen die beschriebenen Beobachtungen auf ein dynamisches, komplexes Ablagerungsmilieu hin, in welchem sowohl marine als auch terrestrische Einflüsse nachgewiesen werden können. Solche Sedimente können auf ein Brackwassermilieu hindeuten.
b)
In den heute nicht mehr aufgeschlossenen Ablagerungen der Quarzsandgrube Benken wurden früher zahlreiche Fossilien nachgewiesen, welche auf eine Ablagerung während der Oberen Meeresmolasse (OMM) im Burdigalien (chronostratigraphische Stufe des Miozäns, Figur 148-4) hinweisen (Bolliger 1999). Eine radiometrische oder biostratigraphische Datierung der darüber liegenden, aktuell aufgeschlossenen Ablagerungen liegt bisher nicht vor. Eine Alterseinstufung kann also nur im Vergleich mit Erkenntnissen von anderen Lokalitäten erfolgen. Hierzu kann man sich am publizierten Alter für die OMM und Obere Süsswassermolasse (OSM) orientieren. Dabei muss aber beachtet werden, dass es sich bei der OMM und OSM um lithostratigraphische Einheiten handelt, welche regional unterschiedliche Alter haben können. So zog sich das Meer in der Nordostschweiz generell von Südosten nach Nordwesten zurück, so dass der Übergang von der OMM in die OSM im Südosten früher stattfand als im Nordwesten. Ausserdem ist zu beachten, dass in der Nordschweiz z.B. beim Erstellen von geologischen Atlasblättern in der Regel erst mit dem endgültigen Verschwinden mariner Einflüsse die OSM ausgeschieden wird. Das heisst, dass die OMM bis zur letzten (jüngsten) marinen Ablagerungen ausgeschieden wird und kann entsprechend auch terrestrische Ablagerungen enthalten.
Figur 148-4: Stratigraphie der Molasseablagerungen im Gebiet von Atlasblatt Bülach (Haldimann et al. 2017).
Eine zeitliche Einteilung der OMM und OSM findet sich beispielsweise im Geologischen Atlasblatt Bülach von Haldimann et al. (2017). Ordnet man die heute in der Quarzsandgrube aufgeschlossenen tertiären Schichten gesamthaft der OMM zu, resultiert ein Alter des Burdigaliens. Ordnet man die oberen Schichten der OSM zu, resultieren jüngere Alter des Langhiens (wobei die OSM gegen Westen auch noch jünger sein kann, vgl. Zaugg et al. 2008).
c)
Die in der Quarzsandgrube Benken aufgeschlossenen Schichten wurden von Hofmann & Hantke (1967) der Graupensandrinne s.l., das heisst den Grimmelfinger und Kirchberg Schichten der süddeutschen Autoren zugeordnet. Die Graupensandrinne ist in der Nordschweiz Teil der OMM und wird älter als 16 Millionen Jahre eingeschätzt (Figur 148-4).
Buchner (1998) hat die Grimmelfinger Schichten/Graupensande in der Umgebung von Ulm mit dem Impaktkrater des Ries-Meteoriten in Verbindung gebracht. Der Ries-Impaktkrater wurde von Schmieder et al. (2018) radiometrisch auf ein Alter von rund 14.8 Millionen Jahre datiert. Buchner (1998) beschreibt, dass die Gesteine der Graupensande eine «stosswellenmetamorphe Überprägung» aufweisen, d.h. durch einen Meteoriteneinschlag (Druck & Temperatur) in ihrem Aufbau verändert wurden und sie damit aus der Ries-Auswurfmasse stammen müssten. Buchner et al. (2003) konnten ausserdem Glas Partikel aus den Graupensanden (Grimmelfinger Schichten) radiometrisch auf 14.3-14.4 Millionen Jahren datieren, was in etwa dem Ries-Impaktkrater Alter entspricht. Diese von Buchner bestimmten Alter für die Grimmelfinger Schichten sind mindestens 2 Millionen Jahre jünger als die jüngsten Ablagerungen der OMM gemäss Atlasblatt Bülach (Figur 148-4). Das heisst die Alter von Buchner unterstützen die postulierte Korrelation der Grimmelfinger Schichten von Ulm nach Benken nicht, wenn man die heutigen lithostratigraphischen Schemata der Nordschweiz zu Grunde legt, eine solche Korrelation wurde auch von Buchner & Seyfried (1999) angezweifelt.
Die Befunde und Schlussfolgerungen von Buchner stehen jedoch teilweise in Widerspruch zu bio- und magnetostratigraphischen Befunden und wurden kritisch diskutiert (Baier 2005, Reichenbacher et al. 1998, 2013). Die Zuordnung des in Benken aufgeschlossenen Profils zu den Grimmelfinger Schichten und Kirchberger Schichten könnte weiterhin zutreffen.
d)
Die in der Quarzsandgrube Benken beobachtete Abschiebung wird mit der Neuhauser Störung in Verbindung gebracht. Seit dem Entsorgungsnachweis (Nagra 2002, Kap. 8.4) wird die Neuhauser Störung als potenziell aktive Störung angesehen. Eine Störung wird gemäss Nagra (2002) als aktiv bezeichnet, wenn nachgewiesen werden kann, dass während des Quartärs wiederholt Bewegungen stattgefunden haben und ein Potenzial für zukünftige Reaktivierungen besteht.
Die Aktivität der Neuhauser und der benachbarten Randen Störung im Miozän ist aufgrund ihres Versatzes von Molasse-Einheiten gesichert (Kirchberger Schichten werden entlang der Randen Störung noch versetzt (Schreiner 1992, Hoffmann et al. 2000)). Eine Aktivität im Quartär ist geomorphologisch schwer nachweisbar, kann aber nicht ausgeschlossen werden. Erst kürzlich wurde von Diehl et al. (2018) aufgezeigt, dass sich jüngere Erdbeben in der Region vermutlich der Randen sowie der Neuhauser Störung zuweisen lassen. Diese Befunde bestätigen die Nagra-Einstufung im Rahmen des Entsorgungsnachweises. In diesem Sinne hat ein möglicherweise jüngeres Alter der Ablagerungen innerhalb des Miozäns in der Quarzsandgrube Benken auf die Beurteilung der neotektonischen Aktivität der Neuhauser Störung keinen Einfluss.
Referenzen
Baier, J. (2005). Zur „biogenen Basislage “des Hochsträß (Mittlere Schwäbische Alb): Diskussion anorganisch-geochemischer Untersuchungen. Jahresberichte und Mitteilungen des Oberrheinischen Geologischen Vereins, Band 87, 361-370.
Bolliger, T. (Hrsg.) (1999): Geologie des Kantons Zürich. Stiftung Geologische Karte des Kantons Zürich. Ott Verlag, Thun.
Buchner, E. (1998): Die süddeutsche Brackwassermolasse in der Graupensandrinne und ihre Beziehung zum Ries-Impakt. Jahresberichte und Mitteilungen des Oberrheinischen Geologischen Vereins, Band 80, 399-459.
Buchner, E., & Seyfried, H. (1999). Die Grimmelfinger Schichten (Graupensande): fluviale und/oder ästuarine Ablagerungen. Jahresheft der Gesellschaft für Naturkunde in Württemberg 155, 5-25.
Buchner, E., Seyfried, H., & van den Bogaard, P. (2003). 40Ar/39Ar laser probe age determination confirms the Ries impact crater as the source of glass particles in Graupensand sediments (Grimmelfingen Formation, North Alpine Foreland Basin). International Journal of Earth Sciences 92(1), 1-6.
Bühl, H. (2017): Die Kontroverse um das Alter der miozänen Graupensandrinne und die Ablagerungen in der Quarzsandgrube Benken (ZH), Naturforschende Gesellschaft Schaffhausen (NGSH).
Diehl, T., Clinton, J., Deichmann, N., Cauzzi, C., Kästli, P., Kraft, T., Molinari, I., Böse, M., Michel, C., Hobiger, M., Haslinger, F., Fäh, D. & Wiemer, S. (2018). Earthquakes in Switzerland and surrounding regions during 2015 and 2016. Swiss Journal of Geosciences, 111, 221-244.
Haldimann, P., Graf, H.R. & Jost, J. (2017): Geologischer Atlas der Schweiz1:25’000, Blatt 1071 Bülach (Atlasblatt 151). Bundesamt für Landestopografie, Wabern (Bern).
Hofmann, F. & Hantke R. (1964): Geologischer Atlas der Schweiz 1:25’000, Blatt 1032 Diessenhofen (Atlasblatt 38) mit Anhängsel von Blatt 1031 Neunkirch, Erläuterungen. Schweiz. Geolog. Kommission.
Hofmann, F., Schlatter, R. & Weh M (2000): Geologischer Atlas der Schweiz 1:25’000, Blatt 1011 Beggingen (Südhälfte) mit SW-Anteil von Blatt 1012 Singen. Bundesamt für Landestopografie, Wabern (Bern).
Madritsch, H. (2015): Outcrop-scale fracture systems in the Alpine foreland of central northern Switzerland: kinematics and tectonic context. Swiss Journal of Geosciences 108, 2-3.
Meier (2016): Feldbegehung der Quarzsandgrube Benken ZH. Entstehung und Zusammensetzung der Molasseschichten in der Quarzsandgrube ZH. Maturaarbeit an der Kantonalen Maturitätsschule für Erwachsene Zürich.
Nagra (2002): Projekt Opalinuston: Synthese der geowissenschaftlichen Untersuchungsergebnisse: Entsorgungsnachweis für abgebrannte Brennelemente, verglaste hochaktive sowie langlebige mittelaktive Abfälle. Nagra Technischer Bericht NTB 02-03.
Reichenbacher, B., Böttcher, R., Bracher, H., Doppler, G., Engelhardt, W. V., Gregor, H.-J., Heissig, K., Heizmann, E. P. J., Hofmann, F., Kälin, D., Lemcke, K., Luterbacher, H., Martini, E., Pfeil, F., Reiff, W., Schreiner, A. & Steininger, F. F.(1998): Graupensandrinne Ries-Impakt: Zur Stratigraphie der Grimmelfinger Schichten, Kirchberger Schichten und Oberen Süßwassermolasse (nördliche Vorlandmolasse, Süddeutschland). Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft 149, 127-161, Stuttgart.
Schmieder, M., Kennedy, T., Jourdan, F., Buchner, E., & Reimold, W. U. (2018). A high-precision 40Ar/39Ar age for the Nördlinger Ries impact crater, Germany, and implications for the accurate dating of terrestrial impact events. Geochimica et Cosmochimica Acta 220, 146-157.
Schreiner A (1992) Hegau und westlicher Bodensee. Geologische Karte von Baden-Württemberg 1:50 000, Erläuterungen, p 290.
Wegelin, H. (1918): Die Quarzsande von Benken : Vortrag, gehalten auf der Exkursion der Thurgauischen Naturforschenden Gesellschaft, am 21. Mai 1916. Frauenfeld: Huber.
Zaugg, A., Geyer, M., Rahn, M., Wessels, M., Schlichtherle, H., Hasenfratz, A. & Burkhalter, R. (2008): Geologischer Atlas der Schweiz 1:25’000, Blatt 1033/1034 Steckborn-Kreuzlingen (Atlasblatt 112), Erläuterungen. Bundesamt für Landestopographie, Wabern (Bern).
