Numerische Simulation der Kohlenwasserstoffgenese an der Subduktionszone vor Costa Rica

Lutz, Rüdiger; Littke, Ralf

doi:263

Numerische Simulation der Kohlenwasserstoffgenese an der Subduktionszone vor Costa Rica

Lutz, Rüdiger

2001 & 2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rüdiger Lutz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

UmfangXV, 120 S. : graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Prüfungsjahr: 2001. - Publikationsjahr: 2002

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-12-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2630
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59159/files/02_002.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geowissenschaften (frei) ; Costa Rica (frei) ; Subduktion (frei) ; Sediment (frei) ; Kohlenwasserstoffe (frei) ; Entstehung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Sedimente, die während ODP (Ocean Drilling Program) Leg 170 an den Sites 1039 und 1040 erbohrt wurden mittels organisch-geochemischer und organisch-petrologischer Untersuchungsmethoden analysiert. Somit konnten Angaben zu Art, Herkunft und Erhaltung des organischen Materials in den Sedimenten vor Costa Rica gemacht werden. Teile dieser Untersuchungsergebnisse dienten als Eingabeparameter für die numerische Modellierung der Temperatur- und Subsidenzgeschichte sowie der Kohlenwasserstoffgenese und Migration. Auf Basis des seismischen Profils SO81-200, wurde zusammen mit den organisch-geochemischen Eingabedaten die Kohlenwasserstoffgenese und Migration, für verschiedene Modelle mit unterschiedlicher Wärmeflußgeschichte, simuliert. In einem 3D-seismisch vermessenen Gebiet (3D-Box) vor Costa Rica (und in 2D-Profilen) wurden sogenannte bottom simulating reflectors (BSRs) identifiziert, die ein Anzeichen für Gashydrate sind. Diese BSRs treten nicht kontinuierlich auf, sondern zeigen eine fleckenhafte Verteilung. Unter Modellierung der Druck- und Temperaturverteilung in der 3D-Box wurde untersucht, ob Variationen der Druck-Temperaturverhältnisse eine Erklärung für das diskontinuierliche Auftreten der BSRs liefern. Die Untersuchungen am organischen Material der Sedimente, die der Cocos Platte aufliegen, haben ergeben, daß das organische Material überwiegend mariner Herkunft ist und über ein geeignetes Potential zur Generierung von Kohlenwasserstoffen verfügt. Als Kinetik zur Bildung von Methan und Öl aus dem Kerogen wurde eine Kinetik vom Typ II verwendet. Weiterhin wurden die subduzierenden Sedimente zu einer Sedimenteinheit zusammengefaßt und dieser Einheit ein organischer Kohlenstoffgehalt von 0,5% TOC sowie ein Wasserstoffindexwert (HI) von 270 mg KW/g TOC zugewiesen. Da es außer den Bohrungen von ODP-Leg 170 bisher keine weiteren verfügbaren Bohrungen an der Subduktionszone gibt, die geeignete Kalibrationsparameter zur Verfügung stellen könnten und um den Einfluß der verschiedenen Parameter (Sensitivitäten) auf die Simulationsergebnisse zu testen, wurden verschiedene numerische Modelle zur Absenkungs- und Temperaturgeschichte sowie zur KW-Genese und Migration untersucht. In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls der Einfluß der möglichen Reibungswärme entlang des Decollements (Grenzfläche zw. oberer und unterer Platte) untersucht. Die errechnete Temperaturverteilung für heute zeigt in allen Modellen, daß das Temperaturgleichgewicht an der Subduktionszone gestört ist. Die Isothermen weisen eine deutliche Verbiegung nach unten auf und besonders die unterhalb des Decollements verlaufenden Isothermen zeigen erst im Bereich der Küste von Costa Rica einen ersten thermischen Ausgleich.Die zusätzliche Wärme, die durch die Reibung zwischen den Platten bei der Subduktion erzeugt wird, hat keinen signifikanten Einfluß auf die Temperaturverteilung und damit auf die Kohlenwasserstoffgenese. Die Mengen an organischem Material, die durch die Subduktion vor Costa Rica in die Tiefe geführt werden und aus denen Kohlenwasserstoffe generiert werden können, sind in allen Modellen sehr groß. Die Mengen an Methan, die aus dem organischem Material, das sich heute innerhalb des Kohlenwasserstoffbildungsbereiches befindet bzw. diesen im untersuchten Profil durchlaufen hat, generiert werden können, betragen zwischen 0,2 und 0,3*10E+12 m^3 pro km Tiefseerinne. Die Migrationsgeschwindigkeiten der gebildeten Kohlenwasserstoffe (Öl und Gas) sind in den Modellen mit sehr schneller (120 mm/a) und schneller (90 mm/a) Subduktionsgeschwindigkeit geringer als die jeweiligen Subduktionsgeschwindigkeiten, wodurch es zu keiner Migration der Kohlenwasserstoffe entlang des Decollements bzw. im Muttergestein bis zum Meeresboden kommt. Für das Modell mit langsamer Subduktionsgeschwindigkeit (30 mm/a) ist die Migrationsgeschwindigkeit des Methans in einzelnen Bereichen höher als die Subduktionsgeschwindigkeit. Trotzdem erreicht das Gas nicht den vorderen Bereich der Subduktionszone, da die hohen Migrationsgeschwindigkeiten auf einzelne Bereiche innerhalb der subduzierten Sedimente beschränkt sind und die Migrationsgeschwindigkeit nicht konstant höher als die Subduktionsgeschwindigkeit ist. Dies bedeutet, daß das gebildete Öl in den Gasbildungsbereich wandert und zu Gas umgesetzt wird. Ölfunde sind demnach an aktiven Plattengrenzen mit schneller Subduktion nicht zu erwarten, zumindest nicht in der abtauchenden Platte. Gasfunde sind dagegen durchaus möglich, insbesondere, wenn die Gesteine im Hangenden der abtauchenden Platte höhere Porositäten und Permeabilitäten aufweisen. Das diskontinuierliche (fleckenhafte) Auftreten der BSRs im Bereich der 3D-Box kann in dem verwendeten Modell nicht durch plötzliche Änderungen der Druck- und Temperaturverhältnisse erklärt werden. An drei Stellen der 3D-Box wurden in Pseudobohrungen (vertikale eindimensionale Schnitte) die errechneten Druck- und Temperaturverhältnisse in den Sedimenten des Kontinentalhangs bestimmt. Die Druck- und Temperaturverhältnisse zeigen den Simulationsergebnissen zufolge, daß große Bereiche innerhalb der Sedimente für eine Gashydratbildung geeignet sind. Einige Bereiche im oberen Teil der 3D-Box (zur Küste) sowie einige Bereiche in größerer Tiefe im unteren Teil (zur MAT) der 3D-Box weisen Druck- und Temperaturbedingungen auf, die eine Gashydratbildung nicht zulassen. Störungen, die Wegsamkeiten für warme Fluide bilden und dadurch lokal für das Verschwinden von BSRs bzw. der Zersetzung der Gashydrate verantwortlich sein können, waren in der ersten seismischen Auswertung nicht zu erkennen.

In this study sediment samples drilled during ODP Leg 170 at Sites 1039 and 1040 were analyzed with organic geochemical and organic petrological methods. These methods included determination of organic carbon, sulfur and iron contents, Rock-Eval pyrolysis on sediments and kerogen concentrates as well as gas chromatographic studies of the soluble organic matter n-alkane and fatty acid distributions. With these studies information about type, origin and preservation of the organic matter was obtained. Some results were used as input parameters for the numerical modeling of temperature and subsidence history as well as hydrocarbon generation. The seismic profile SO81-200 was used together with organic geochemical data for the numerical modeling of hydrocarbon generation and migration of different models with different heat flow histories. In an area off Costa Rica which was studied by 3D-seismic investigations (3D box) bottom simulating reflectors (BSRs) were found. These BSRs are an indicator for gas hydrates but they show a small-scale patchy distribution in the 3D box. Pressure and temperature was calculated to test the assumption that variations in pressure/temperature ratios are the cause for the patchy BSR distribution. Studies on the organic matter revealed that most of the organic matter incorporated in the sediments overlying the Cocos plate is of marine origin and has a suitable potential for generating hydrocarbons. For the generation of methane and oil kinetics for Type II kerogen were used. The subducting sediments were treated as one sedimentary unit with a mean organic carbon content (TOC) of 0.5% and a hydrogen index (HI) value of 270 mg HC/g TOC. Except for the wells drilled during ODP Leg 170 there are no other wells available which could contribute suitable calibration parameters. Therefore several models with changing input parameters were calculated to determine the influence of single parameters on the result and to give a range for the amount of hydrocarbons generated and their migration velocity. In addition the possible influence of frictional heating along the decollement (boundary separating the upper and lower converging plates) was studied. The calculated temperature distribution for the present day exhibits a disturbance in temperature equilibrium for all models. The isotherms are heavily bended downwards and especially those below the decollement do not show a balancing of the thermal field until the coast of Costa Rica is reached. The additional heat due to frictional heating between the two plates has no significant influence on temperature distribution and hence on hydrocarbon generation. The amount of organic carbon subducted off Costa Rica which could generate hydrocarbons is huge in all models. The amount of methane which could be generated from the organic matter which is in the field of hydrocarbon generation today or has already passed through this field within the studied profile is in the range of 0.2-0.3*10E+12 m^3 per kilometer of trench length. Migration velocities of hydrocarbons (oil and methane) are in the models with very high (120 mm/a) and high (90 mm/a) subduction velocities lower than the respective subduction velocity. Therefore migrating hydrocarbons do not reach the sea floor. For the model with a low subduction velocity (30 mm/a) migration velocity of methane is higher than the subduction velocity in some parts of the profile. Despite this fact methane does not reach the frontal zone of the subduction complex because the very high migration velocities only occur in some parts of the sediments and velocities are not constantly higher than the subduction velocity. This means that the oil reaches the gas zone and is converted to methane. Therefore oil discoveries cannot be expected at convergent margins with high subduction velocities, at least not in the subducting plate. Gas discoveries are possible, especially if the hanging wall rocks are of higher porosity and permeability. The patchy distribution of BSRs within the 3D box cannot be explained with sudden changes in temperature/pressure ratios, at least not for the studied model. At three points of the 3D box pseudo wells (vertical one-dimensional cuts) were constructed and temperature/pressure ratios determined. The temperature/pressure ratios show that large parts within the sediments are suitable for gas hydrate formation. Some parts of the upper region (to the coast) and some parts of the lower region (to the MAT) of the 3D box exhibit temperature/pressure ratios unsuitable for gas hydrate formation. Faults which could serve as migration paths for warm fluids which can destroy gas hydrates were not visible in the first seismic interpretations.

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