Discovery of the first Quaternary maar in the Bohemian Massif, Central Europe, based on combined geophysical and geological surveys

“infill” profiles positioned by a hand-held Garmin GPS with relative

horizontal accuracy of about 3

–4 m.

Details on gravity and magnetic data processing were given by

Mrlina et al. (2007)

. There were no signi

ficant changes in this stage,

except more accurate gravimeter's drift control based on higher

number of repeated measurements during the daily observation

programme. On the gravity data the following corrections were

applied: tidal correction, instrumental drift, normal gravity, free air,

Bouguer plate and terrain corrections due to pronounced topography

(a depression 50 m deep, with a diameter of almost 500 m). Terrain

corrections (TC) were calculated to the same distance as in case of all

previous gravity mapping projects on the territory of former

Czechoslovakia

— to 167 km from each point. Detailed DEM improved

by our own elevation data was used. Estimated TC accuracy is below

0.05 mGal, however, this value represents the highest contribution to

the total accuracy of the

final Bouguer gravity anomalies (better than

0.10 mGal). For the Bouguer correction the standard density of

2670 kg/m

3

(2.67 g/cm

3

) was used.

Magnetic observations were corrected for temporal variations of

the earth's total

field using data from a continuously running proton

magnetometer (PM-2) at a base station, or using data from magnetic

observatory in SW Bohemia that was tested already during previous

stages of the survey. The area does not exhibit any industrial noise.

Magnetic anomaly data were referred to the average value of the

undisturbed surroundings.

3.3. Geophysical indications of the maar structure

The resulting geophysical data were gridded and presented as

contour maps in

Fig. 4

. In

Fig. 4

a the location of gravity and magnetic

points is shown on top of an aerial photograph, as a further stage of

Fig. 3

in

Mrlina et al. (2007)

.

We consider the negative gravity anomaly with an amplitude of

−2.30 mGal to be the most significant feature (

Fig. 4

b). The sur-

rounding area is characterized by a general gradient of 1.5 mGal/km

(increasing gravity from SE to NW), while the gradient is sharper in

Fig. 4. Geophysical survey location maps. (a) air-photograph (Geodis, Praha) in WGS84/UTM33 grid coordinates, with gravity (kyan) and magnetic (red) points, location of

modelling Pro

file 16 and position of MY-1 well (yellow circle). Geophysical maps: (b) gravity — contour interval 0.1 mGal; (c) magnetics — contour interval 25 nT, red polygons mark

the test detailed survey areas; (d) electrical conductivity

— contour interval 1 mS/m, observation profiles in dark blue, principal anomalies A–F in white colour.

101

J. Mrlina et al. / Journal of Volcanology and Geothermal Research 182 (2009) 97

–112

---

the NW part of the study area. The gravity

field in the SE corner of the

map is relatively

flat.

The observed anomaly is of regular isometric shape, slightly elon-

gated in NNW-SSE direction (ca. 280 m × 240 m, based on in

flection

points of gravity gradients), with a relatively

flat centre and a

pronounced circular gradient of 1.3 mGal/100 m indicating a steep

dip of the source body. This corresponds well with the usual shape of

maar structures, which is an inverse cone. The apparently weaker

gradient (ca 0.7 mGal/100 m) to the S, SSE is caused just by the

interference of the regional gravity gradient and the gradient related to

the investigated structure. However, further to SSE there is an indication

of a very weak gravity low of about

−0.2 mGal amplitude at around

x = 316,800, see

Fig. 4

b. It may be related to the northern surroundings

of the

Železná hůrka volcano where we can expect accumulations of

low density volcaniclastic rocks. Also, banding of gravity contours to the

ENE of the principal anomaly may indicate minor variations of rock

density or layer thickness related to volcaniclastic deposits.

The principal positive magnetic anomaly is also located inside the

morphological depression. In general, it has an isometric shape as

well, but with much more internal variations compared to the gravity

anomaly. The main maximum is located at the southern part of the

anomaly and extends in ENE

–WSW direction, with the maximum

amplitude of about 200 nT relative to the normal magnetic total

field

in the adjacent region. However, there is another smaller, but pro-

nounced local maximum that forms the northern part of the anomaly.

Only a very gentle increase of magnetic

field intensity can be recognized

in the centre of the anomaly. We have to point out that if we convert the

observed Total Magnetic Intensity

field (TMI) into Reduced-To-Pole

(RTP), the amplitudes will change in favour of the northern maximum.

At the same time the negative ring (about

−100 nT relative to normal

magnetic

field) along the northern side of the anomaly (blue in

Fig. 4

c)

will mostly disappear. It means that both southern and northern

maxima indicate the highest amount of magnetic minerals/rocks to be

present in the subsurface. As the changes of amplitudes are not too

sharp, we can estimate that the main source rock is located at a deeper

position. The maxima may correspond to near subsurface accumula-

tions of magnetic rocks, possibly caused by a scoria cone at the base of

the maar crater or a later intrusion into the maar

filling.

Beside this principal anomaly, there are clear indications for very

high amplitude local anomalies up to, or over 1000 nT. They were

identi

fied by short magnetic test profiles in the SW, S, SE and NE areas

outside the morphological depression, see

Fig. 4

c. We assume they

re

flect the volcanic fall material accumulations (tephra) at the flanks

of the crater

— the non-eroded relicts of the ejecta rim around the

crater. From these magnetic observations we also concluded that the

volcaniclastic material could extend (far) behind the edges of the

depression, as far as the exploratory trench NW of the Mytina village,

where a 4 m section of tuff and tephra was found by

Geissler et al.

(2004)

. A more detailed image of the extent and structure of the

erupted material can be obtained from further magnetic mapping.

Microgravity test pro

files were measured in the SW corner of the

map, just outside the depression, on the gentle slope to the south. The

reason for these pro

files was the presence of volcanic bombs on the

surface of this site. Only small variations in gravity were observed with

maximum amplitude of up to 0.20 mGal. In contrast, magnetic test

pro

files showed striking sharp local anomalies of up to 1000 nT. This may

be evidence of one residual part of the ejecta rim around the crater. At a

later stage also the electrical conductivity was measured at this site and

increased conductivity values by up to 14 mS/m were found (anomaly C

in

Fig. 4

d). The highest amplitudes of magnetic anomalies were

observed in the NE test area, up to 2000 nT, see

Fig. 4

c. This is most

probably another place with signi

ficant relicts of the ejecta rim. In this

place also the electrical conductivity shows slightly increased values 6

–

8 mS/m, with one local anomaly D of 14 mS/m (

Fig. 4

d).

Maar structures are set apart by higher electrical conductivity

values as water can be better stored in higher porosity breccia and

young sediments than in the surrounding country rock. Thus, these

measurements can be deployed to scan for the outcrop of the struc-

ture apart from morphological information. We observed such a pro-

nounced conductivity anomaly E (up to 18 mS/m) elongated in the

NNW

–SSE direction in the NW edge of the assumed maar structure.

We think that it is caused by a spring and a small creek directed to

NNW through a small valley that forms the only open outlet of the

depression. As there is no obvious corresponding magnetic anomaly,

an ejecta dominated source is unlikely. Future investigations will

focus on the possible existence of a paleo-valley

filled by lahars and

base surges.

The largest, but relatively weaker (14 mS/m) conductivity

anomaly A (

Fig. 4

d) is the triangular feature that is slightly shifted

southward from the centre of the depression. We expect this anomaly

to be caused by highly water saturated unconsolidated subsurface

sediments. The local conductivity anomaly B on the northern edge of

the structure correlates with a magnetic anomaly, supporting the idea

of a volcanic source there. All these conductivity anomalies are

surrounded by a low conductivity circle (2

–5 mS/m, blue in

Fig. 4

d)

following the steeper outer part of the depression slopes. These slopes

are apparently formed by country rocks, mainly phyllite. The mea-

surements performed along the outer side of the circular edge of the

depression show slightly increased values on the ENE and NE side,

which is in agreement with high amplitude magnetic anomalies seen

in the test pro

files, as mentioned above. The anomaly F is likely of

man-made source. No further indications for obvious anthropogenic

in

fluences have been found so far.

We consider the results of the geophysical surveys as very signif-

icant and clear evidence for the existence of a maar structure. The

principal gravity and magnetic anomalies are of comparable dimen-

sions. Given the shape and sharpness of the gravity anomaly delin-

eated by steep gradients, as well as the intensity of the magnetic total

field anomaly, their source is expected to be a steeply dipping struc-

ture, such as the assumed maar. The results of the magnetic survey

outside the morphological depression indicate a high concentration

of volcanic material to NE, as well as SW, S and SE. The source of

anomalies can be the relicts of a maar ring (ejecta rim).

3.4. Gravity and magnetic 3D modelling

A preliminary gravity/density model of the investigated structure

was calculated by

Mrlina et al. (2007)

. It was composed of four different

geological bodies: country rock (phyllite), near surface sedimentary

cover, low-density

fill in the upper part (high-porosity volcaniclastic

material and possibly maar sediments), and increased-density

fill in the

lower part of a maar-diatreme inverted cone. Based on new geophysical

data covering the whole maar structure, we performed 3D gravity and

3D magnetic modelling. The information from the core analysis of the

MY-1 well was used to upgrade the original gravity model.

For the forward gravity modelling, the program package IGMAS

(Interactive Gravimetric and Magnetic Application System) by

Götze

& Lahmeyer (1988)

is used. For modelling the model area is divided

into a number of parallel vertical planes which itself consist of closed

polygon lines separating units of different density or magnetic sus-

ceptibility. The model bodies are generated by triangulation between

the vertices of corresponding polygon lines between neighbouring

planes. This modelling procedure was similar to the interpretation of

the Ebersbrunn Tertiary maar in Saxony, Germany, by

Kroner et al.

(2006)

. For the modelling of the total magnetic

field anomaly only

induced magnetization was considered. The reason for neglecting

remanent magnetization is based on the fact that the magnetic-relevant

interior of the structures cannot be expected to be ordered. The inner

part consists of a number of smaller bodies with randomly orientated

remanent magnetization. Topography was not included in the model-

ling as the Bouguer gravity data on which the gravimetric modelling is

based are reduced for terrain effects.

102

J. Mrlina et al. / Journal of Volcanology and Geothermal Research 182 (2009) 97

–112

---