Palynological, organic-petrographical and organic-geochemical investigations on coals and sediments of the Duckmantian, Ruhr Basin, Germany

Jasper, Kai; Littke, Ralf

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-32220

Palynological, organic-petrographical and organic-geochemical investigations on coals and sediments of the Duckmantian, Ruhr Basin, Germany = Palynologische, organisch-petrographische und organisch-geochemische Untersuchungen an Kohlen und Sedimentgesteinen im Duckmantium des Ruhrgebietes (Deutschland)

Jasper, Kai (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kai Jasper

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXVIII, 221 S. : graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-12-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32220
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51781/files/3222.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Palynologie (Genormte SW) ; Palökologie (Genormte SW) ; Oberkarbon (Genormte SW) ; Ruhrgebiet (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Kohlenpetrographie (frei) ; Ruhrbecken (frei) ; coal petrography (frei) ; palaeoecology (frei) ; palynology (frei) ; Duckmatian/Pennsylvanian (frei) ; Ruhr Basin/Germany (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die Grundidee dieser Arbeit war die Kombination verschiedener Analyse-Methoden zur Durchführung einer hochauflösenden Studie. Hierfür wurde ein sehr kurzes Zeitintervall im Duckmantium (Pennsylvanium/Oberkarbon) des Ruhrbeckens/Deutschland ausgewählt. Die Anwendung von organsicher Petrographie, Palynologie, Sedimentologie sowie organischer Geochemie ermöglichten die Aufnahme eines sehr umfangreichen Datensatzes, dem eine statistisch gestützte Ergebnisdiskussion folgte und die zwei Hauptzielsetzungen hatte: (a) Reife und Qualität von Source Rocks und (b) Entwicklung von Sumpf-Environments.(a) Reife und Qualität von Source RocksIm ersten Teil der Doktorarbeit wurden Qualität, Quantität und Reife von Kohlen und dispersem organischen Material untersucht. Zusätzlich wurden Kerogenkonzentrate und Kohle-Mineral-Mischungen analysiert. Die Vitrinitreflexion in dem beprobten Bereich liegt zwischen 0,75 und 1,0%, wobei die Reife mit Teufe und stratigraphischem Alter zunimmt. Dabei ist die durchschnittliche Reflexion in den Sedimenten etwas höher als in den Kohlen der jeweiligen Abschnitte. Der Reifetrend wird ebenfalls in den Tmax-Werten oder dem nC17/nC27-Verhältnissen deutlich. Rock-Eval-Untersuchungen zeigen, dass es sich um Typ III bzw. Typ II/III Kerogene handelt. Messungen des Hydrogen-Index (HI) an Kohlen zeigen durchschnittlich doppelt so hohe Werte als Sedimentproben, auch wenn letztere eine ähnliche Mazeralzusammensetzung aufweisen. Der Oxygen-Index (OI) ist dagegen in den Sedimenten stärker ausgeprägt, was an der stärkeren Degeneration der organischen Komponenten in den klastisch geprägten Environments gegenüber den kohlebildenden Sümpfen liegt. Einen besonders starken Einfluss auf den Oxygen-Index haben dabei die Karbonate, während der Hydrogen-Index durch Mineral-Matrix-Effekte beeinflusst werden kann. Experimente mit Kohle-Mineral-Mischungen bestätigten dies, wobei Wechselwirkungen besonders für Pyrit deutlich wurden.(b) Entwicklung von Sumpf-EnvironmentsIm zweiten Teil der Dissertation wurde versucht, anhand von Miosporen die Entwicklung von Sümpfen während des Duckmantium im Ruhrbecken zu rekonstruieren. Für diese Interpretation wurden zudem auch sedimentologische und organisch petrologische Daten genutzt. Als Grundlage für die Interpretation diente ein Abgleich zwischen Miosporen und den dazugehörigen sporenproduzierenden Pflanzen. Hierfür wurde eine ausführliche Literaturrecherche zur Betrachtung von in situ Sporen durchgeführt. Anschließend wurde anhand der Pflanzen auf die Vegetationsentwicklung geschlossen und dadurch konnten die einzelnen Paläoenvironments definiert werden. In dieser Studie konnten mittels Detrended Correspondence Analyse (DCA) sechs unterschiedliche Pflanzenassoziationen charakterisiert werden: Lepidocarpacean-Assoziation I, Lepidocarpacean-Assoziation II, Lepidocarpacean-Sigillarien-Assoziation, Lepidocarpacean-Sphenophyll-Assoziation, Lepidocarpacean-Farn-Assoziation sowie die Lepidocarpacean- „niedrigwüchsige Lycopsiden”-Assoziation. Zusätzlich wurden diese Assoziationen durch die Verhältnisse von den kohlenpetrographischen Indizes GI/TPI und GWI/VI untermauert. Die Einführung eines auf der Palynologie basierenden „Water Cover Index” (WCI) zeigt ebenfalls die unterschiedlichen Assoziationen. Der WCI spiegelt dabei das Verhältnis von hydrophilen/hygrophilen gegen mesophile Pflanzen wieder. In dem beprobten Abschnitt stellen die baumwüchsigen Lycopsiden die dominierende Pflanzengattung. Lycospora ist die dominierende Spore und tritt in 75% aller Proben mit einer Häufigkeit von über 50% auf. Im mittleren und späten Duckmantium wurde die Vegetation des Ruhrbeckens von Lepidophloios und Lepidodendron geprägt. Beide traten besonders in den Überflutungsebenen sowie den Niedermooren auf. Variationen in der Sporenzusammensetzung zeigen zudem Unterschiede in der Pflanzenvergesellschaftung. Das Auftreten der Miospore Crassispora, produziert von den Sigillarien, ist ein Anzeiger für Sumpfränder oder etwas sandigere und zeitweise trockenere Sumpfgebiete. Densosporen-produzierende Pflanzen sowie Sphenophyllen bilden dagegen die typische Hochmoor-Flora. Farn-dominierte Environments sind dafür in dieser Zeit eher selten. Ein wiederholtes zyklisches Auftreten der Pflanzenassoziationen und der Ablagerungsräume zeigt in allen Flözbereichen ein relativ einheitliches Bild: Die Basis eines Intervalls wird von der Überflutungsebene gebildet. Hierauf erfolgt die Bildung eines Niedermoores, welches langsam in ein Hochmoor übergeht. Durch anhaltende Subsidenz und wiederholte Überflutung kommt es zu einer erneuten Ausbildung einer Überflutungsebene. Dieses allgemeine Bild wird immer wieder durch lokale Vegetationsunterschiede unterbrochen, die sowohl eine Verlagerung des Moores zur Randzone zeigen können, als auch den Einfluss von Flusssystemen oder die Ausbildung von Pionierfloren aufgrund von Vegetations-Einschnitten wie Waldbränden oder ähnlichem.

The idea of the present thesis was to combine different established methods in a high-resolution study on a short-timed interval of Duckmantian strata (Pennsylvanian/Upper Carboniferous) of the Ruhr Basin, Western Germany. Organic petrographical, palynological, sedimentological and organic geochemical techniques were used to obtain a huge data set, to support the argumentations and discussions. In doing so, these investigations were focused on two main goals: (a) the maturity and quality of source rocks and (b) the evolution of swamp environments.(a) Maturity and quality of source rocksThis first part of the study focuses on the quality, quantity and maturity of coal and dispersed terrigenous organic matter. Furthermore, kerogen concentrates and coal-mineral-mixtures also were analysed. For the sampled interval samples show a vitrinite reflectance between 0.75 and 1.0% with an increase of maturity towards the stratigraphic older and deeper seam successions. Average vitrinite reflectance of sediment samples is slightly higher than that of coal samples. The maturity trend also is reflected in the Tmax values of Rock-Eval pyrolysis or the C17/C27-relationship. Investigations on petroleum potential show a kerogen type III respectively II/III for the sampled interval. Differences between Rock-Eval parameters determined on whole rock samples and kerogen concentrates were observed, especially with respect to Hydrogen Index (HI) values. In coals, which were compared with dispersed organic matter of similar maceral composition, the HI is about two times as high as that of the sediment samples. In contrast, Oxygen Indices are much higher for dispersed type III kerogen than for coal, caused by the stronger degradation of organic compounds in the clastic environments as compared to the peat environments. However, Oxygen Indices clearly are influenced by decomposition of carbonate minerals. Furthermore, Hydrogen Indices of dispersed kerogen are influenced by mineral-matrix effects. Experiments with artificial mixtures of coal and minerals show that reactions with pyrite seem to reduce HI values of kerogen concentrates significantly. (b) Evolution of swamp environmentsThe second part of the thesis focuses on palynological investigations on miospores to reconstruct the swamp evolution during the Duckmantian of the Ruhr Basin. In addition, sedimentological and organic petrographical data confirmed the interpretation. Based on published information of in situ spores the encountered miospores were assigned to their parent plants in order to reconstruct the vegetation history. In this study six plant associations were identified by using a Detrended Correspondence Analyses (DCA): lepidocarpacean association I, lepidocarpacean association II, lepidocarpacean – sigillarian association, lepidocarpacean – sphenophyll association, lepidocarpacean – fern association, and the subarborescent lycopsid association. Furthermore, coal petrographical GI/TPI and GWI/VI relationships also reflect these associations. Another new defined index, the water cover index (WCI), based on these palynological interpretations, reflects the ratio of hydrophilous/hygrophilous vs. mesophilous plants and gives additional information on the environment.In the sampled seam successions arborescent lycopsids are the most abundant plants, with a dominance of the miospore Lycospora. In 75% of all samples the genus is represented with more than 50% relative abundance. Hence, lepidocarpaceans such as Lepidophloios and Lepidodendron dominated the vegetation of the Ruhr Basin during the mid and late Duckmantian, forming flood plains and planar forest mires. Some variations are reflected in abundance of other spores. A greater influence of the sigillarian miospores Crassispora was typical for drier swamp margins, whereas densospore producing plants or sphenophylls characterized the stunted respectively scrambling vegetation of domed swamps. By contrast, fern influenced environments were rare during the Duckmantian. Recurring rhythmic successions of plant associations and depositional environments were noted in the studied interval: A lower flood plain is followed by peat substrate topogenous mires, which rise up and build an ombrogenous mire. After subsidence and recurrent flooding an upper flood plain was re-established. This general cycle is temporarily interrupted by other plant associations representing varying local environments. Drier sandbanks and swamp margin zones covered with sigillarians regularly occurred, implicating small environmental variations and a lateral shift of the swamp habitat.

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