Isotope, biomarker, and organic petrographic investigations of organic matter-rich rocks in the basement of the Alpine Foreland Basin: Implications for paleoenvironment and source rock potential

Titel in Übersetzung: Organische Petrographie, Isotopen- und Biomarkeranalysen an organisch-reichen Gesteinen im Untergrund des alpinen Vorlandbeckens: Rekonstruktion des Ablagerungsmilieus und Implikationen für das Kohlenwasserstoffpotential

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Sedimente mit hohen Gehalten an organischem Material sind potentielle Kohlenwasserstoff-Muttergesteine, aber auch wertvolle Archive für Paläo-Umweltbedingungen. In dieser Dissertation wurden Sedimente des Permo-Karbons und des Unterjuras untersucht. Zur Bewertung des Muttergesteinspotentials und der Rekonstruktion der Ablagerungsbedingungen wurde die Rock-Eval-Pyrolyse eingesetzt und organische petrographische und geochemische Methoden (Biomarker-Analyse; komponenten-spezifische Kohlenstoff-Isotopie) angewandt.
Permokarbone Sedimente im Untergrund des Nordalpinen Vorlandbeckens (NAFB) treten in postvariszischen Grabenstrukturen auf. Kohlen des Oberkarbons sind das wahrscheinliche Muttergestein für das einzige Gasfeld in der Schweiz, während organisch-reiche Seesedimente des Unterperms potenzielle Öl-Muttergesteine darstellen. Die Untersuchung der permokarbonen Sedimente stützt sich auf 90 Kernproben aus der Bohrung Weiach-1 (Nordschweiz). Die bis zu 10 m mächtigen Kohleflöze aus dem Karbon wurden in Niedermooren abgelagert. In Weiach-1 erreichten sie ein Reifestadium, das dem Beginn der Gasbildung entspricht. Die an organischen Stoffen reichen permischen (autunischen) Tonsteine wurden in anoxischen Seen mit einer geschichteten Wassersäule abgelagert. Das organische Material ist aquatischen und terrigenen Ursprungs. Niedrige 13C Werte für Pristan und Phytan belegen die Wiederverwertung organischen Materials in der Wassersäule. Die permischen Sedimente weisen lokal ein sehr gutes Ölpotenzial auf. Das wichtigste Tonstein-Intervall in Weiach-1 ist etwa 12 m mächtig. Es hat die Ölfensterreife erreicht und wird bei fortgeschrittener Reife 0,35 t Kohlenwasserstoffe/m² generieren.
Der unterjurassische Posidonienschiefer repräsentiert das „Toarcische Anoxische Ereignis“ (T-OAE). Eine negative Kohlenstoff-Isotopenexkursion (CIE; ~183 Myr) tritt im unteren Teil des T-OAE auf. Untersucht wurde Posidonienschiefer in einem aktiven Steinbruch (Dormettingen; Schwäbische Alb) und in einem Bohrkern aus dem Grundgebirge des NAFB (Salem; Deutschland).
Der Posidonienschiefer in Dormettingen ist etwa 10 m mächtig und wurde anhand von 56 Proben untersucht. Geochemische Redox-Indikatoren belegen anoxische Verhältnisse innerhalb der photischen Zone. Das Maximum der Sauerstoff-Reduktion wurde während der CIE nach Ablagerung des "Unteren Steins" erreicht. Biomarkerdaten deuten auf eine erhöhte Aktivität diazotropher Cyanobakterien hin. Die sauerstoffarmen Bedingungen setzten sich, wenn auch in geringerer Intensität, nach der CIE fort. Alle untersuchten organischen Verbindungen spiegeln die negative CIE wider. Die negative Exkursion für organische Kommponenten, die von mariner Biomasse abstammt (kurzkettige n-Alkane, Pristan und Phytan), schwankt zwischen 4,5 und 5,0 ‰. Dies ist der höchste Wert, der bisher im Toarcium beobachtet wurde. Die 13C Werte von Pristan und Phytan erreichen ein Minimum nahe der Basis des CIE-Intervalls und steigen im oberen Bereich an. Die maximale negative Isotopenverschiebung erfolgte daher vor der stärksten Beckenabschnürung. In Dormettingen ist der Posidonienschiefer unreif bis marginal reif.
Im Salem ist der Posidonienschiefer ebenfalls etwa 10 m mächtig. Die unteren 7,5 m und der oberste Teil des darunter liegenden Amaltheentons wurden anhand von 62 Kernproben untersucht. Im Gegensatz zu anderen Toarc-Profilen sind die TOC-Gehalte in den Sedimenten der CIE hoch, in den darüberliegenden Sedimenten aber noch höher. Die Biomarkerdaten deuten darauf hin, dass dies starke Sauerstoffverarmung während der CIE (elegantulum bis untere elegans-Subzone), aber auch während der falciferum-Subzone widerspiegelt. Während der untere Teil des Posidonienschiefers (tenuicostatum Zone bis elegans Subzone) deutlich geringmächitger ist als in benachbarten Profilen (z. B. Dormettingen), ist sein mittlerer Teil (falciferum Subzone) ungewöhnlich mächtig. Dies deutet darauf hin, dass eine verstärkte Subsidenz zu den anoxischen Verhältnissen beigetragen hat, und deutet auf erhebliche Veränderungen der Beckengeometrie waährend des Toarciums hin. Obwohl das CIE-Intervall sehr dünn ist, bestätigen die δ13C-Werte der n-Alkane den zeitlichen Abstand zwischen der maximalen negativen Isotopenexkursion (unterhalb des "Unteren Steins") und der stärksten Beckenabschnürung (oberhalb des "Unteren Steins"). Darüber hinaus erfolgte der Beginn der CIE für aquatische Organismen früher als für terrigene. In Salem ist der Posidonienschiefer thermisch reif und ein ausgezeichnetes Öl-Muttergestein. Das residuale Ölpotential beträgt 0,8 t Kohlenwasserstoffe/m².
Titel in ÜbersetzungOrganische Petrographie, Isotopen- und Biomarkeranalysen an organisch-reichen Gesteinen im Untergrund des alpinen Vorlandbeckens: Rekonstruktion des Ablagerungsmilieus und Implikationen für das Kohlenwasserstoffpotential
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Groß, Doris, Mitbetreuer (extern)
  • Wagreich, Michael, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Stojanovic, Ksenija, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Sachsenhofer, Reinhard, Betreuer (intern)
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Organische Geochemie
  • Biomarker
  • Stabile Kohlenstoffisotope
  • Anoxie der photischen Zone
  • Geschichtete Wassersäule
  • Mikrobielle Aktivität
  • Ozeanisches Anoxisches Ereignis
  • Permokarbone Sedimente
  • Permische lakustrine Schwarzschiefer
  • Karbone Schwarzschiefer
  • Kohlenwasserstoffpotential
  • Gaspotential
  • Palynofazies
  • Anoxischer See
  • Palynologie
  • Ozeanische Anoxische Ereignisse im unteren Toarcium
  • negative Kohlenstoffisotopenanomalie
  • Unterjura

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