High-resolution organic petrography of the Toarcian Posidonia Shale of Germany and the western Netherlands: Study of the organo-mineral microfacies variations, reconstruction of the depositional environments and construction of a depositional model

Abstract

High-resolution organic petrological analysis was carried out on more than 150 core bituminous shale samples of the Posidonia Shale (Toarcian, Lower Jurassic) from three sedimentary basins: the West Netherlands Basin, the Lower Saxony Basin and the South German Basin. This study is subdivided into three main parts: the identification of the organic microfacies variations in order to reconstruct paleoenvironmental conditions of the Posidonia Shale sedimentation, the maturity evaluation of the Posidonia Shale from three sedimentary basins and the construction of the deposition model of the Posidonia Shale. The results of the organic petrography reveal that the organo-mineral microfacies defined by maceral composition and associated mineral groundmass show a wide range of variations related to the content of individual liptinite of marine origin and terrestrial macerals (macerals of vitrinite and inertinite groups and sporinite). The modifications in composition are considered as a potential indicator of different changes in depositional environments. In addition, much attention has been paid to the origin of the bituminite, which comprises most of the hydrocarbon-rich source rocks. All defined organo-mineral microfacies are poorly correlated laterally between sedimentary basins. Only those from wells E and M (the West Netherlands Basin) show a resemblance. Organo-mineral microfacies from each investigated area contain a specific type of bituminite. Particularly, bituminite V has been observed in high concentration only in wells from the West Netherlands Basin, while the content of bituminite II increased significantly in wells from the Lower Saxony Basin, and bituminite III is well-represented in the Posidonia Shale from southern Germany. The second part of the study evaluates the maturity of the Posidonia Shale. Vitrinite reflectance analysis has been used. In samples of those wells where appropriate vitrinite particles were not found, the Tmax parameter of Rock-Eval pyrolysis was used instead. The maturity of the Posidonia Shale from the West Netherlands Basin (0.4 %VRr) and southern Germany (0.4 %VRr) is defined as an early mature stage, whereas that of the Posidonia Shale from the Lower Saxony Basin (0.5–0.6 %VRr) reaches the mature stage. Exceptionally high vitrinite reflectance values are shown by Posidonia Shale in well B (3.2-3.6 %VRr) from the Lower Saxony Basin. In this case, organic matter maturity corresponds to the post-mature stage. In order to study the changes in optical properties of the macerals from mature to post-mature Posidonia Shale, two wells, A and B, were chosen. The distance between the two wells is 44 km. This part of the study demonstrates that the telalginite bodies (named post-mature telalginite), bituminite I (post-mature bituminite I) and bituminite II (post-mature bituminite II), sporinite (post-mature sporinite) in post-mature Posidonia Shale are still recognisable on the basis of their morphology. This will help to extend the scope of application of maceral analysis in such post-mature black shale and will allow a better integration of the results of organic petrology in the field of exploration geology. The third part is devoted to elaboration of a depositional model of Posidonia Shale. This part of the study is focused on the deposition of the organic matter and the main factors favouring its accumulation and preservation. To improve the quality of the interpretation, two types of graphical visualisation of the petrographic results are proposed, primarily based on several factors controlling the deposition of the organic matter. Among these, the most important are primary biomass productivity in the marine environment and transported adjoining terrestrial organic matter, biological degradation related to bacterial activity, and oxygenation of the bottom water. The first type of graphical representation is a ternary diagram focusing on the paleoenvironments in the water column. The liptodetrinite, alginite and bituminite contents have been used to characterise the different paleoenvironments which reflect not only the content of oxygen in the water column but also the dynamic conditions. The second type of graphical representation used is a scatter plot, assessing the paleoenvironmental conditions in the sediments. In order to evaluate the relationships between different types of organo-mineral microfacies and paleoenvironmental conditions, an Oxidation Index and a maceral Degradation Index are proposed. These indices display the degree of preservation of the macerals from the highly degraded to well preserved macerals, provide information on the origin of organic matter and permit recognition of the precursors of degraded organic matter (AOM). For each of the investigated sedimentary basins, a depositional model of the organic matter sedimentation is proposed. These results reveal that the deposition and preservation of the organic matter are governed not only by the morphology of the sea floor, circulation of the water masses, but by changes in environments over time which enable both the biomass productivity and rapid burial of the organic matter in the anoxic ocean floor sediments. These environments are triggered not by an instant and continuous rise of the sea level, but more by sea-level fluctuations induced by alternate periods of dry and wet climates.

Hochauflösende organische petrologische Analyse wurde an mehr als 150 verschiedenen Bohrkernproben des Posidonienschiefers (Toarcium, Unterjura) aus drei Sedimentbecken angewendet: dem Westniederländischen Becken, dem Niedersächsischen Becken und dem Süddeutschen Becken. Diese Studie ist in drei Hauptbereiche unterteilt: die Bestimmung der Variationen der organischen Mikrofazies, um die Ablagerungsbedingungen des Posidonienschiefers zu rekonstruieren, die Bestimmung des Reifegrades der Posidonienschiefer aus den drei Sedimentbecken und die Entwicklung des Ablagerungsmodells des Posidonienschiefers. Das Ergebnis der organischen Petrographie zeigt, dass die organo-mineralische Mikrofazies, die durch die Zusammensetzung der Macerale und der dazugehörigen mineralischen Grundmasse gekennzeichnet ist, eine große Streuung aufweist die in Abhängikeit zum Gehalt einzelner Liptinite mariner Herkunft und terrestrischer Macerale (Macerale aus der Vitrinit- und Inertinitgruppe und Sporinit) steht. Abwandlungen in der Zusammensetzung sind als potentielle Indikatoren von verschiedenen Änderungen in den Ablagerungsmilieus zu betrachten. Zudem wurde das Augenmerk auf die Herkunft des Bituminits gelenkt, der in den meisten mit Kohlenwasserstoff angereicherten Muttergesteinen enthalten ist. Alle definierten organo-mineralischen Mikrofazies lassen sich schlecht zwischen den Sedimentbecken korrelieren. Lediglich die Bohrungen E und M (Westniederländisches Becken) weisen Ähnlichkeiten auf. Die organo-mineralische Mikrofazies von allen untersuchten Gebieten enthalten einen speziellen Bituminit Typ. Während Bituminit V mit hohen Konzentrationen nur in den Bohrungen des Westniederländischen Beckens beobachtet wurde, stieg der Gehalt an Bituminit II erheblich in den Bohrungen des Niedersächsischen Beckens an. Der Bituminit III wiederum, war besonders stark im Posidonienschiefer des Süddeutschen Beckens vertreten. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Reife des Posidonienschiefer. Die Analyse der Vitrinitreflexion wurde hierfür angewendet. In den Proben, in denen keine geeigneten Vitrinitpartikel gefunden werden konnten, wurde stattdessen der Tmax-Parameter der Rock-Eval Pyrolyse verwendet. Die Reife des Posidonienschiefer des Westniederländischen Beckens (0.4%VRr) und des Süddeutschen Beckens (0.4%VRr) sind gekennzeichnet durch das Stadium der beginnenden Erdöl-Enstehung wohingegen die organische Materie der Posidonienschiefer des Niedersächsischen Beckens (0.5-0.6%VRr) reif ist (Hauptstadium der Erdölgeneration). Besonders hohe Vitrinitreflexionswerte zeigt der Posidonienschiefer der Bohrung B (3.2-3.6%VRr) des Niedersächsischen Beckens. In diesem Fall entspricht die Reife des organischen Materials dem Stadium der Trockengas Bildung. Um die Veränderungen der optischen Eigenschaften der Macerale des Posidonienschiefers von dem Hauptstadium der Edölgeneration bis zum Stadium der Trockengas Bildung zu studieren, wurden zwei Bohrungen A und B ausgewählt. Der Abstand zwischen den Bohrungen beträgt 44 km. Dieser Teil der Arbeit zeigt, dass die Telalginit-Körper („postmature“ Telalginit genannt), Bituminit I (“postmature“ Bituminit I) und Bituminit II („postmature“ Bituminit II), Sporinit („postmature“ Sporinit) im Stadium der Trockengas Bildung des Posidonienschiefers anhand ihrer Morphologie immer noch erkennbar sind. Dies wird helfen, den Geltungsbereich der Maceralanalyse für solche Schwarzschiefer mit hohem Inkohlungsgrad zu erweitern und eine bessere Einbindung der Ergebnisse der organischen Petrologie im Bereich der Explorationsgeologie ermöglichen. Der dritte Part widmet sich der Ausarbeitung eines Ablagerungsmodells vom Posidonienschiefer. Dieser Teil der Studie befasst sich mit der Ablagerung des organischen Materials and den Hauptfaktoren, die seine Anreicherung und Erhaltung begünstigen. Um die Qualität der Interpretation zu verbessern, wurden zwei Arten von graphischen Darstellungen vorgeschlagen die hauptsächlich auf einige Faktoren basieren, welche die Ablagerung des organischen Materials beeinflussen. Darunter die primäre Produktivität der Biomasse im marinen Milieu und das hinzugefügte terrestrische organische Material, die biologische Zersetzung abhängig von der bakteriellen Aktivität sowie die Sauerstoffzufuhr des Bodenwassers. Die erste Art der graphischen Darstellung ist ein Ternärdiagramm, das sich auf die Paläoablagerungsbedingungen in der Wassersäule konzentriert. Die Gehalte an Liptodetrinit, Alginit und Bituminit wurden verwendet, um die verschiedenen Ablagerungsbedingungen zu charakterisieren, die nicht nur den Sauerstoffgehalt in der Wassersäule widerspiegeln, sondern auch seine dynamischen Verhältnisse. Die zweite Art der graphischen Darstellung ist eine Punktwolke zur Beurteilung der Paläoablagerungsbedingungen in den Sedimenten. Um die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen organo-mineralischen Mikrofazies und Paläoablagerungsbedingungen auszuwerten, wurden ein Oxidationsindex und ein Maceral-Degradationsindex vorgeschlagen. Diese Indexe zeigen den Erhaltungszustand der Macerale, von stark zersetzten bis gut erhaltenen Maceralen, geben Auskunft über die Herkunft und Aussgangsstoffe des zersetzten organischen Materials (AOM). Für jedes untersuchte Sedimentbecken wurde ein Ablagerungsmodell vorgeschlagen. Diese Resultate zeigen, dass die Ablagerung und Erhaltung des organischen Materials nicht nur von der Morphologie des Meeresbodens und der Bewegung der Wassermassen beherrscht werden, sondern auch durch langfristige Veränderungen des Milieus welche die Produktivität der Biomasse und die schnelle Einbettung des organischen Materials in anoxischen Sedimenten des Meeresbodens ermöglichen. Dieses Umfeld wird nicht durch einen kurzfristigen und fortwährenden Anstieg des Meeresspiegels ausgelöst, sondern vielmehr durch Meeresspiegelschwankungen, herbeigeführt, die auf abwechselnde Trocken - und Feuchtklimaperioden beruhen.