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Digitale 3D-Modelle

Das Bild zeigt das geologische 3D-Modell in einer Flussaue und ihrer benachbarten Talhänge.
Geologisches 3D-Modell einer Flussaue und ihrer benachbarten Talhänge.  © Sascha Görne

Geologische 3D-Modelle unterstützen Geowissenschaftler, den Aufbau des geologischen Untergrundes in seiner Gesamtheit mit allen gegebenen Unsicherheiten zu erfassen, geologische Modellvorstellungen zu überprüfen und Entscheidungen zu treffen. Anwendung finden geologische 3D-Modelle bei allen Aufgaben, bei denen zweidimensionale geologische Karten nicht ausreichend Informationen über die Geometrie und die Eigenschaften der Gesteine im Untergrund sowie deren Änderung mit der Tiefe liefern. Typische Anwendungsbereiche sind daher die Grundwasserversorgung, die Rohstoffproduktion, die Bohrplanung, untertägige Infrastrukturprojekte oder die Geothermie.

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Details zu den 3D-Modellen

Geologische 3D-Modelle ermöglichen eine dreidimensionale Darstellung von geologischen Körpern. Sie geben einen Einblick über die Verbreitung der Gesteine und tektonischer Strukturen im Untergrund. Diese geologischen Strukturmodelle besitzen einen wichtigen Stellenwert als Instrument zur Datenbearbeitung sowie zur Präsentation von geologischen Daten in der Wirtschaft sowie in öffentlichen Institutionen. Bereits seit 2001 werden auch im Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) 3D-Modelle erstellt. Um sie zu erstellen werden Eingangsdaten – wie geologische Karten, Profilschnitte, Bohrungen, geophysikalische Daten oder digitale Geländemodelle – mit spezieller 3D-Software zu Schichtgrenzen verrechnet. Die geologischen 3D-Modelle des LfULG bestehen deshalb aus sogenannten fliegenden Teppichen. Diese repräsentieren geologische Objekte im Untergrund, d.h. geologische Grenzflächen oder Störungen. Aus diesen kann in einem weiteren Schritt ein dreidimensionaler Volumenkörper erzeugt werden.

Traditionelle geologische Karten und Profile sind für Aussagen über die geologische Untergrundbeschaffenheit nur bedingt einsetzbar, da sie immer nur ein zweidimensionales Abbild der räumlichen Situation zeigen. Um den geologischen Untergrund unter unseren Füßen möglichst realitätsnah abzubilden, werden in der Geologie zunehmend 3D-Modelle genutzt. Geologische 3D-Modelle unterstützen Geowissenschaftler, den Aufbau des geologischen Untergrundes in seiner Gesamtheit mit allen gegebenen Unsicherheiten zu erfassen, geologische Modellvorstellungen zu überprüfen und Entscheidungen zu treffen. Die Fragestellung bzw. das Ziel eines geologischen 3D-Modells beeinflusst das resultierenden Endergebnis maßgeblich. Geologische 3D-Daten schaffen eine umfassende Datengrundlage für geowissenschaftliche Anwendungsbereiche. Die im LfULG erstellten Modelle decken ein breites Spektrum an Aufgaben, Anwendungsbereichen und Maßstäben ab. Des Weiteren werden im LfULG unterschiedliche Instanzen an geologischen 3D-Modellen ausgehalten. Dazu gehören die tiefen geologischen Untergrundmodelle sowie die oberflächennahen hydrogeologischen Modelle.

Das Bild zeigt ein geologisches 3D-Modell in einem computer-aided virtual reality environment (CAVE).
Präsentation des geologischen 3D-Modells der Eisenbahnneubaustrecke Dresden-Prag im computer-aided virtual reality environment (CAVE) der TU Bergakademie Freiberg. Im Zentrum liegt die Struktur Börnersdorf (gelb) und vorgeschlagene Bohrpfade (pink) für die Erkundungstätigkeiten der DB Netz AG.  © Sabine Kulikov, EVTZ

Anwendung finden geologische 3D-Modelle bei allen Aufgaben, bei denen zweidimensionale geologische Karten nicht ausreichend Informationen über die Geometrie und die Eigenschaften der Gesteine im Untergrund sowie deren Änderung mit der Tiefe liefern. Typische Anwendungsbereiche sind daher die Grundwasserversorgung, die Rohstoffproduktion, die Bohrplanung, untertägige Infrastrukturprojekte oder die Geothermie. Weitere Einsatzbereiche von 3D-Modellen sind die Modellierung von Bergbauprozessen und Bergbaufolgen und geologisch-tektonische Strukturmodelle. Letztere stellen die komplexen geologischen Verhältnissen im Untergrund vereinfacht dar und machen sie für jeden einsehbar. Mit Hilfe von geologischen 3D-Modellen ist es möglich, schnell Informationen abzufragen, wie z.B.:

  • Vorhersagen von Gesteinsabfolgen künftiger Bohrungen,
  • Profilschnitte an jeder beliebigen Stelle (Vertikalschnitte),
  • geologische Karten in beliebigen Tiefen (Horizontalschnitte),
  • Tiefe, Mächtigkeit und Verbreitung von Schichten,
  • Ansicht ausgewählter Modellausschnitte,
  • Verifizierung digitaler Bohrlochdaten,
  • Bereitstellung von Informationen über den geologischen Untergrund für Infrastrukturvorhaben (z.B. Tunnelbau).

Die Modellierung gliedert sich in einzelne Arbeitsabschnitte und umfasst die Datenrecherche, Datenaufbereitung, Modellierung mit Spezialsoftware und Bereitstellung der Modellkörper. Die Datenrecherche und -aufbereitung nehmen dabei den größten Zeitanteil des gesamten Prozesses ein, während die Modellierung der rechenintensivste Arbeitsschritt ist.

Bei der Datenrecherche werden sämtliche zur Verfügung stehenden Daten, die das Modellgebiet betreffen, zusammengetragen. Sie umfassen Bohrungen, geologische & geophysikalische Karten und Schnitte, bereits vorhandene Modelldaten sowie Berichte und anders Archivmaterial. Die Aufbereitung der Daten für das Modellierungstool SKUA-GOCAD ist meist sehr zeitaufwändig und erfordert je nach Art der Daten verschiedene Arbeitsschritte, einschließlich des Datenimports.

Der eigentliche Prozess der Geomodellierung umfasst alle in der Spezialsoftware implementierten mathematischen Methoden zur Erstellung von geologischen Schichtgrenzen. Dabei werden alle im Recherche- und Aufbereitungsprozess gewonnenen Eingangsdaten gewichtet und entsprechend berücksichtigt.

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