Sedimentology, geochemistry and organic petrology of shallow marine fine-grained siliciclastic sedimentary rocks: implications for paleoenvironmental reconstruction and black shale deposition in epicontinental basins

Burnaz, Linda; Littke, Ralf; Sachsenhofer, Reinhard

doi:43127

Sedimentology, geochemistry and organic petrology of shallow marine fine-grained siliciclastic sedimentary rocks: implications for paleoenvironmental reconstruction and black shale deposition in epicontinental basins = Sedimentologie, Geochemie und organische Petrologie flachmariner feinkörniger silikatischer Sedimentgesteine: Implikationen für die Rekonstruktion der Paläoökologie und Ablagerung von Schwarzschiefern in epikontinentalen Becken

Burnaz, Linda^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Linda Burnaz, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)^RWTH* ; Sachsenhofer, Reinhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-10-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-02622
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/980879/files/980879.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Feinkörnige, in epikontinentalen Becken abgelagerte Sedimentgesteine, insbesondere organikreiche Schwarzschieferablagerungen, dienen als außergewöhnlich gute Archive vergangener Sedimentationssysteme, in denen besonders gut erhaltene paläontologische und geochemische Informationen gespeichert sind. Ein Verständnis über vergangene Umweltprozesse und klimatische Extremereignisse kann auch zu einem verbesserten Gesamtverständnis heutiger und künftiger Umgestaltungen beitragen, inklusive der Auswirkungen anthropogener, besonders schneller Umweltveränderungen, was die Untersuchung dieser Sedimentarchive zu einem hochaktuellen Thema macht. In Kapitel 2 wird die geochemische und petrographische Charakterisierung von Schwarzschiefern des oberjurassisch-unterkreidezeitlichen Bazhenov-Horizonts (Tutleim-Formation) aus dem südwestlichen Westsibirischen Becken vorgestellt. Ziel der Studie ist es, die Ablagerungsbedingungen der Schwarzschiefer zu rekonstruieren, um die wichtigsten Mechanismen zu verstehen, welche die Anreicherung organischen Materials in der Sedimentabfolge begünstigt haben. An bis zu 298 Gesteinsproben aus einer etwa 60 m mächtigen Sedimentabfolge der Tutleim, Abalak und Frolov Formationen, wurden Elementanalysen, Gesteinspyrolyse, sowie molekular-geochemische und petrographische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse deuten auf ein marines Ablagerungsmilieu hin, in dem authigene Mineralausfällungen quantitativ bedeutend sind und der detritische Eintrag begrenzt ist. Die Zusammensetzung des organischen Materials weist auf einen überwiegend aquatischen und bakteriellen Ursprung hin. Die Anreicherung anorganischer und organischer Bestandteile, welche bevorzugt unter reduzierenden Bedingungen im Sediment akkumuliert werden, deutet auf reduzierende und zeitweise sulfidische Bedingungen im Bodenwasser und obersten Porenwasser hin. Korrelationen zwischen Redox-Bedingungen, detritischem Eintrag und Anreicherungen organischen Kohlenstoffs deuten darauf hin, dass Variationen des Sauerstoffgehaltes des Bodenwassers eng mit eustatischen Meeresspiegelveränderungen verknüpft waren, und dass organischen Material vermehrt während transgressiver Phasen mit reduziertem Sauerstoffgehalt im Bodenwasser angereichert wurde. In Kapitel 3 wird ein zweites Beispiel eines epikontinentales Becken vorgestellt, in dem feinkörnige, organisch-reiche Sedimente abgelagert wurden: das Nordwestdeutsche Becken. Die Studie umfasst zwei Bohrungen, die marine, oberpliensbachische bis obertoarcische Sedimentgesteine abdecken. Untersucht wurden die organische und anorganische Geochemie, Biostratigraphie und organische Petrographie der Sedimentabfolgen. Die Gesteine des Oberen Pliensbachiums, unterhalb der Posidonienschiefer Formation, weisen einen deutlichen terrestrisch-klastischen Eintrag auf und wurden unter geringen Wassertiefen und überwiegend oxischen Bodenwasserbedingungen abgelagert. Die Ablagerung der Schwarzschiefer aus dem Toarcium ist durch den Eintrag von organischem Algenmaterial und anoxische Bodenwasserbedingungen gekennzeichnet. Geochemische und petrographische Daten deuten darauf hin, dass die Schwarzschieferablagerungen im Toarcium das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von Meeresspiegelveränderungen, Klimaerwärmung und eingeschränkter Wasserzirkulation sind. Die globale Erwärmung und die Intensivierung von Monsoonregenfällen, die verstärkte kontinentale Verwitterung mit erhöhtem Süßwasser- und Nährstoffeintrag mit sich brachten, waren wahrscheinlich die Hauptauslöser der Schwarzschieferbildung. Die länger andauernde Ablagerung der Schwarzschiefer im Nordwestdeutschen Becken im Vergleich zu denen in Süddeutschland, bis weit hinein ins Obertoarcium, könnte die Folge von i) verstärkten Niederschlägen in Nordeuropa und ii) der veränderten Konnektivität zwischen der arktischen Ozean und Tethys während des späten Untertoarciums sein. Die Beurteilung der thermischen Reifung ist ein entscheidender Schritt bei der Charakterisierung organisch reicher Sedimentgesteine, da die Zusammensetzung von organischem Material nicht nur durch die Ablagerungsbedingungen, sondern auch durch stark durch thermische Reifung beeinflusst wird. Es kann dementsprechend zu Fehlinterpretationen bei der Rekonstruktion von Ablagerungsbedingungen führen, wenn die thermische Reife nicht gründlich bei der Interpretation berücksichtigt wird. Die maximale Versenkungstemperatur wird in der Regel aus Vitrinitreflexionsmessungen abgeleitet. Bei feinkörnigen Sedimentgesteinen weist die Vitrinitreflexion jedoch häufig größere Unterschiede zwischen verschiedenen Messlaboren auf, was zum Teil auf eine schlechte Probenvorbereitung zurückzuführen ist, z. B. aufgrund von quellenden Tonen. Kapitel 4 befasst sich mit den Auswirkungen alternativer und teils automatisierter Aufbereitungstechniken auf die Vitrinitreflexion an Gesteinen mit dispersem organischen Material (Kerogentyp III), wobei (1) ein Schmiermittel auf Ölbasis für das herkömmliche Schleifen und Polieren verwendet wurde, und (2) eine BIB(Breitband-Ionenstrahl)-Politur angewandt wurde. Präpariert wurden Proben einer kohlehaltigen pennsylvanischen Sedimentabfolgen des Westfals B und C in einem Reifebereich von 0,56 bis bis 0,92 % Vitrinitreflexion. Die Präparation auf Wasser- und Ölbasis führte zu ähnlichen Reflexionswerten. Durch die BIB-Politur stieg die Vitrinitreflexion systematisch um bis zu 0,25 % (relativer Anstieg von +29 %), wobei der höchste BIB-induzierte Reflexionsanstieg bei einem thermischen Reifegrad von 0,86 % Vitrinitreflexion (vor dem BIB-Polieren) beobachtet wurde. Ein praktischer geologischer Ansatz zur Rekonstruktion der maximalen Temperatur bei der Absenkung der Gesteine unter Nutzung von Vitrinitreflexionswerten nach BIP-Politur wurde durch die Kalibrierung von numerischen 1D-Beckenmodellen entwickelt.

Fine-grained sedimentary rocks deposited in epicontinental basins, especially organic-rich black shale deposits, serve as exceptionally good archives for past sedimentary systems by representing relatively pristine geological records. An understanding of past environmental processes and extreme climatic events can also contribute to an improved overall understanding of present and future changes, including the effects of anthropogenic, particularly rapid environmental changes, making the study of these sedimentary archives a highly topical issue. Chapter 2 presents the geochemical and petrographic characterization of black shales of the Upper Jurassic-Lower Cretaceous Bazhenov Horizon (Tutleim Formation) from the southwestern West Siberian Basin. The study aims to reconstruct the paleodepositional conditions of the black shales, in order to understand the main mechanisms that favored the enrichment of organic matter in the sedimentary sequence. Elemental analysis, rock pyrolysis, molecular organic geochemistry, and petrographic studies were carried out on up to 298 core samples from an around 60 m thick well section of the Tutleim, Abalak and Frolov Formations. The results indicate a marine depositional environment, with significant authigenic mineral precipitation and minor detrital influx. Organic matter composition shows predominant aquatic and bacterial organic matter origin. Enrichments of redox-sensitive inorganic and organic compounds indicate reducing, and periodically sulfidic conditions in the bottom and uppermost pore waters. Correlations between redox conditions, detrital influx, and organic carbon contents suggest that paleoredox variations were closely linked to eustatic sea level changes, and that organic matter enrichment is most pronounced during transgressive phases with reduced bottom water oxygenation. Chapter 3 presents a second example of an epicontinental basin, where marine, fine-grained organic-rich sedimentary rocks (black shales) were deposited, the Northwest German Basin. The study includes two boreholes covering Upper Pliensbachian to Upper Toarcian sediments. Organic and inorganic geochemistry, biostratigraphy, and organic petrography of the sedimentary sequence were investigated. Upper Pliensbachian sediments, underlying the Posidonienschiefer Formation, show a significant terrestrial clastic influx, and were deposited under shallow water depths and predominantly oxic bottom water conditions. The deposition of the overlying Toarcian black shale is characterized by algal organic matter input and anoxic bottom water conditions. Geochemical and petrographic data suggest that the Toarcian black shale deposition was the result of a complex interplay of sea level changes, climate warming, and restricted water circulation. Global warming and the intensification of monsoon rains, which entailed continental weathering with increased freshwater and nutrient inputs, were probably the main causes of the formation of the black shales. Prolonged deposition of organic matter-rich sediments into Upper Toarcian times in the Northwest German Basin compared to the Southwest German Basin may be related to i) intensified monsoonal precipitation in northern Europe and ii) enhanced Tethys-Arctic connectivity at the late Lower Toarcian. Thermal maturity assessment is a critical step in the characterization of organic-rich sedimentary rocks, as the rock composition is not only influenced by paleoenvironmental variations but also strongly affected by thermal maturation, potentially leading to misinterpretations in terms of paleoenvironmental reconstruction, if not thoroughly considered. Maximum burial temperature is most commonly derived from vitrinite reflectance measurements. However, for fine-grained sedimentary rocks, vitrinite reflectance often shows great variation between different laboratories, partly caused by poor sample preparation, e.g. due to the effect of swelling clays. Chapter 4 deals with the effect of alternative and partly automated preparation techniques on vitrinite reflectance measured on rocks containing dispersed organic matter (kerogen type III), using (1) an oil-based lubricant for traditional grinding and polishing and (2) BIB (broad-ion-beam) polishing. The study was conducted on coal-bearing Pennsylvanian sedimentary successions of the Westphalian B and C with a maturity range of 0.56 to 0.78 % and 0.73 to 0.92 % vitrinite reflectance. Water- and oil-based preparation resulted in similar reflectance values. After BIB polishing, vitrinite reflectance systematically increased by up to 0.25% (relative increase of +29 %), with the highest BIB-induced reflectance increase observed at a thermal maturity of 0.86% vitrinite reflectance (before BIB polishing). A practical geological approach for reconstruction of maximum burial temperatures was tested by calibrating 1D basin models using post-BIB vitrinite reflectance values.

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