Geochemical characteristics of lacustrine sediments : the Miocene Nördlinger Ries crater lake, Germany and the Cretaceous Songliao Basin, northern China

Zhao, Zibin; Littke, Ralf (Thesis advisor); Sachsenhofer, Reinhard (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Aufgrund ihrer wirtschaftlichen Bedeutung, z.B. als Erdölmuttergesteine und als wichtige Paläo-Umwelt- und Paläo-Ökologie-Archive, wurden viele Studien zu lakustrinen Sedimenten durchgeführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung von zwei lakustrinen Sedimentgruppen mit unterschiedlichen thermischen Reifegraden: Unreife miozäne Sedimente aus dem Nördlinger Ries und hochreife Sedimentgesteine der Kreide aus dem Songliao-Becken im Nordosten Chinas.Für letztere werden umfassende geochemische und petrographische Analysen an 56 bituminösen, feinkörnigen Bohrkernproben sowie numerische vorgestellt; die Proben stammen aus der mittleren und unteren Qingshankou-Formation (K2qn1+2, Oberkreide) aus der östlichen Changling Senke des Songliao-Beckens stammen. Abnehmende K/Al-Verhältnisse in der oberen K2qn1 Formation deuten auf ein warmes Klima und steigende Paläotemperaturen hin. Während der Ablagerung des oberen Abschnitts der K2qn1 und unteren Abschnitts der K2qn2 Formation herrschten anoxische Bedingungen im Bodenwasser, die durch niedrige TOC/TS-Verhältnisse (Gesamter organischer Kohlenstoff/Gesamtschwefel) belegt werden. Der höchste siliziklastische Eintrag trat in der unteren K2qn1 Formation auf, wie hohe TiO2/TOC- und Al2O3/TOC-Verhältnisse zeigen. Dies belegt ebenfalls eine erhöhte Nährstoffzufuhr. Die untersuchten Abschnitte befinden sich innerhalb des späten Ölfensters mit Vitrinit-Reflexionswerten von 1,03-1,09 % und Tmax-Werten von über 445 °C; etwa 78 % des ursprünglichen Kerogens wurde in Erdöl umgewandelt. Dies wurde anhand neuer Daten zur Pyrolysekinetik im offenen System und numerischer Modellierung berechnet. Das ursprüngliche organische Material (OM) kann als Typ-I-II-Kerogen charakterisiert werden; es hat aber bei der Reifung einen großen Prozentsatz seines ursprünglichen Kohlenwasserstoffbildungspotentials verloren. Der Ölsättigungsindex (OSI) deutet darauf hin, dass die untersuchten Schichten ein mittelmäßiges Schieferölpotenzial aufweisen, aber als gute konventionelle Erdölmuttergesteine klassifiziert werden können. Ein neu vorgeschlagener Index zur Bewertung des Schieferölpotenzials (SOPI), welcher auch die Mächtigkeit der betrachteten Sedimentschichten berücksichtigt, deutet darauf hin, dass die untere K2qn2 Formation das höchste Schieferölpotenzial aufweist. Zusätzlich wurden 176 unreife miozäne Post-Impact-Sedimente aus dem Nördlinger Ries Kraterbecken mit einer Reihe detaillierter organisch geochemischer, petrologischer und anderer Methoden untersucht. Die am Rande des Kraters liegenden miozänen Post-Impact-Sedimente wurden mit zuvor definierten Untereinheiten des Kraterzentrums mit Hilfe von chemostratigraphischen Profilen korreliert. Ablagerung aus der zentralen Bohrung weisen eine deutlich höhere Mächtigkeit auf und enthalten hauptsächlich wasserstoffreiches Kerogen des Typs I mit einem mittleren Wasserstoffindex (HI) von 447 mg HC/g TOC, während die Randsequenz Kerogen des Typs II-III mit einem durchschnittlichen HI von 206 mg HC/g TOC enthält. Insgesamt abnehmende Reten/(Reten+Cadalen)-Verhältnisse weisen auf eine abnehmende Paläotemperatur hin, mit einer mittleren Jahrestemperatur von ca. 25 °C, wie Glycerindialkyl-glycerintetraether-Daten für den obersten Teil des Profils belegen. Im zentralen Krater herrschte eine Stratifizierung der Wassersäule mit anoxischen und hypersalinen Bedingungen, wie durch niedrige TOC/TS-Verhältnisse (3,4 im Durchschnitt), hohe δ13C-Werte (-26,7‰ im Durchschnitt für Phytan), niedrige α-/Gesamt-Methyltrimethyltridecylchroman- (<0,6 ), niedrige Pr/Ph-Verhältnisse (<0,2), und das Vorkommen von des-A-Lupan angezeigt. Die Salzgehalte nahmen während der Ablagerung der obersten miozänen Einheiten ab und waren auch in Richtung des Kraterrandes niedriger. Erhöhte C27-Steran-Konzentrationen deuten auf eine von halophilen Rotalgen/Plankton dominierte Artengemeinschaft hin, während terrestrisches Material und aerobe Bakterien erst in den letzten Stadien der Seeentwicklung significant zum OM beitrugen, wie die Anreicherung von Vitrinit/Inertinit, hohe DTPs (Diterpenoids)/C27-Steran- (bis zu 255 ) und niedrige C27-29 reguläre Sterane/C29-32 Hopane-Werte (< 0,5) suggerieren. Alkalische Bedingungen verstärkten möglicherweise die Vulkanisierung von OM. Vierunddreißig Kerogenkonzentrate aus miozänen Post-Impact-Seesedimenten im Nördlinger Ries wurden mittels elementarer, pyrolytischer, infrarotspektroskopischer und mineralogischer Methoden untersucht. Typ-I-Kerogen wurde durch hohe atomare H/C-Verhältnisse (durchschnittlich 1,6), HI-Werte (meist >600 mg HC/g TOC) und spektrale A- und C-Faktoren (meistens >0,8), aber niedrige Sauerstoffindizes (OI meist < 25 mg CO2/g TOC) nachgewiesen. Kerogen vom Typ III tritt in den obersten zentralen und den untersten Seesedimenten des Kraterrandes mit niedrigen H/C-Verhältnissen (<1), HI Werten (<300 mg HC/g TOC), spektralen A- und C-Faktoren (<0,6), aber hohen OI-Werten (>40 mg CO2/g TOC) auf. Der durch enthaltene Tonminerale und Zeolithe hervorgerufene mineralische Matrixeffekt reduziert die HI-Werte der Gesamtsedimente erheblich; die der Kerogenkonzentrate sind im Durchschnitt deutlich höher. Schwefelreiches Kerogen vom Typ I kommt in den zentralen und gelegentlich in marginalen Sedimenten mit hohen atomaren Sorg/Corg- > 0,04 und pyrolytischen Thiophen/Toluol-Verhältnissen > 13,5 vor. Die Dominanz von pyrolytisch gebildeten Alkanen/Alkenen, hohe spektrale A-Faktoren und CH2/CH3-Verhältnisse deuten bei den meisten Proben auf einen starken Algeneintrag im OM hin. Von den älteren, tieferen zu den jüngeren, flacheren Ablagerungen nimmt die Länge der aliphatischen Ketten im Kerogen ab und der Verzweigungsgrad zu. Während sauerstoffhaltige organische Bestandteile häufig zu finden sind, sind stickstoffhaltige Komponenten selten. Schließlich wird ein Strukturschema für schwefelreiches Kerogen vom Typ I vorgestellt.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Geologie, Geochemie und Lagerstätten des Erdöls und der Kohle [532410]