Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4074
Main Title: Investigation of the activity and formation of cold seep systems in the SW Barents Sea
Translated Title: Untersuchung der Aktivität und Entstehung von Cold Seep Systemen in der SW Barentssee
Author(s): Nickel, Julia Christine
Advisor(s): Mangelsdorf, Kai
Kallmeyer, Jens
di Primio, Rolando
Referee(s): Horsfield, Brian
Schwarzbauer, Jan
Kallmeyer, Jens
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Barentssee ist ein ausgedehntes Schelfmeer im Norden Europas. Die Morphologie der südwestlichen Barentssee ist geprägt durch die geologische Entstehungsgeschichte mit Phasen von tektonischer Hebung und Senkung sowie durch den Einfluss glazialer Erosionsereignisse. Die Barentssee hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einem aussichtsreichen Ziel für die Öl- und Gasindustrie entwickelt. Darüber hinaus gibt es auf dem Meeresboden eine Reihe Indikatoren, die das natürliche Austreten von Kohlenwasserstoffen aus sogenannten „Cold Seeps“ vermuten lassen. Die beobachteten Strukturen umfassen ausgedehnte Felder mit kraterförmigen Strukturen, die als „Pockmarks“ bezeichnet werden, sowie Gebiete, in denen entlang von bekannten Störungen Karbonatkrusten und Gasaustritte aufzufinden sind. Cold Seeps haben zunehmend an Bedeutung gewonnen, zum einen weisen Sie auf mögliche Kohlenwasserstoffquellen im Untergrund hin und zum anderen hat der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen, insbesondere des Treibhausgases Methan, einen signifikanten Einfluss auf die Klimaentwicklung der Erde, wenn es in die Atmosphäre gelangt. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden Proben aus unterschiedlichen Gebieten innerhalb der Loppa High Region in der südwestlichen Barentssee analysiert. Diese erlauben die Untersuchung von zwei unterschiedlichen Cold Seep Systemen, zum einen Pockmark Felder und zum anderen Gebiete, die Karbonatkrusten aufweisen. Dabei wurde untersucht, inwieweit die Systeme heute noch aktiv sind, durch welche Auslöser sie gebildet wurden und welche die zugrundeliegenden Quellen der Fluide sind. Die Proben wurden im Rahmen von 3 Expeditionen genommen. Diese umfassen Sedimentkerne aus Pockmarkstrukturen und von Referenzstellen außerhalb der Pockmarks, sowie aus Gebieten mit Karbonatkrusten. Des Weiteren wurde Probenmaterial der Karbonatkrusten selbst untersucht. Um die oben genannten Fragestellungen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Ansatz gewählt, bei dem organisch geochemische, biogeochemische und geomikrobiologische Methoden angewendet und mit geophysikalischen Daten kombiniert wurden. Das Vorkommen von Karbonatkrusten im Zusammenhang mit aufsteigenden Gasbläschen in der Wassersäule sind erste deutliche Hinweise für einen derzeit aktiven Methanaustritt aus den Sedimenten in dem durch Karbonatkrusten geprägten Untersuchungsgebiet. Unterstützt werden diese Hinweise durch die Anwesenheit der für anaerobe Oxidation von Methan (AOM) spezifischen Biomarker sowohl in den Sedimentkernen, als auch in den dazugehörigen Karbonatkrusten. Im Tiefenprofil des Sedimentkerns weisen diese Biomarker ein ausgeprägtes Intervall erhöhter Konzentrationen auf. In Verbindung mit sehr negativen Kohlenstoffisotopenverhältnissen deutet dies auf eine aktive AOM Zone und somit das Vorhandensein von Methan im Sediment hin. In den Pockmark Gebieten hingegen können keine Hinweise für den aktiven Austritt von Gas aus dem Sediment gefunden werden, weder durch direkte Messungen der Gaskonzentrationen noch durch biogeochemische und geomikrobiologische Analysen. So können in allen untersuchten Proben, unabhängig von dem Tiefenintervall oder dem Probenahmeort (Pockmarkkerne vs. Referenzkerne), ausschließlich ungewöhnlich niedrige mikrobielle Aktivitäten festgestellt werden. Des Weiteren sind im Wesentlichen keine spezifischen AOM Biomarker vorhanden. Obwohl spezifische Ölkomponenten im Sediment nachgewiesen werden können, die potentiell auf den Austritt von Ölkohlenwasserstoffen hinweisen, hat die vorliegende Studie gezeigt, dass deren Anwesenheit vermutlich nicht auf die Freisetzung von Öl aus den Pockmarkstrukturen zurückzuführen ist. In der Loppa High Region scheinen die Ölkomponenten allgegenwärtig zu sein, unabhängig ob es sich um eine Pockmark- oder Referenzlokation handelt. Die Tiefenprofile der Ölkomponenten zeigen sehr ähnliche Variabilität wie die unreifen Komponenten des organischen Hintergrundsignals. Dies legt den Schluss nahe, dass die Erdölbiomarker vielmehr aus erodiertem reifem Material stammen, welches vermischt mit einem unreifen organischen Hintergrundsignal gleichmäßig als allochthoner Eintrag in das Untersuchungsgebiet eingetragen wurde. Mit Hilfe geophysikalischer sowie publizierter Daten über die geologische und glaziale Geschichte des Untersuchungsgebietes und den in dieser Studie erzielten Ergebnisse können Szenarien über den Ursprung und die Bildung der zwei unterschiedlichen Cold Seep Systeme formuliert werden. So legen die Daten nahe, dass die hier untersuchten Pockmarkfelder auf den Rückgang des aufliegenden Eisschildes im Anschluss des Weichsel-Glazials zurückzuführen sind. Das Abschmelzen der Eisdecke im Zuge des Klimaumschwungs vom letzten Glazial zum Holozän führte, auf Grund sich verändernden Temperatur- und Druckbedingungen, zur Destabilisierung und damit zum Zerfall der unter dem Eispanzer akkumulierten Gashydrate. Dies resultierte in einer Freisetzung immenser Gasmengen, welches zur Entstehung zahlreicher Pockmarkkrater führte. Dieses Szenario liefert eine plausible Erklärung für die Existenz weitreichender Pockmarkfelder die eine hohe Dichte an heutzutage inaktiven Pockmarks auf dem Meeresboden aufweisen. Die aktiven Cold Seep Systeme, die sich hingegen in den Karbonatkrustengebieten befinden, stehen vermutlich in Verbindung mit Störungen im Untergrund. Zusammenfassend kann geschlossen werden, dass es in der südwestlichen Barentssee mindestens zwei verschiedene Cold Seep Systeme gibt. Trotz des Eindrucks, dass diese Systeme voneinander unabhängig sind, besteht durchaus die Möglichkeit, dass beide Systeme in der Vergangenheit in Verbindung zueinander standen. Die Gashydrate, die als Faktor für die Entstehung der Pockmarkfelder diskutiert werden, können möglicherweise ebenfalls über dieselben Störungen gespeist worden sein, die heutzutage auch die aktiven Cold Seeps in den Karbonatkrustengebieten versorgen. Letztendlich konnte gezeigt werden, dass durch Anwendung geochemischer, biogeochemischer und geomikrobiologischer Techniken eine gute Beurteilung der Gasaustrittsaktivitäten von Cold Seep Systemen erreicht werden kann. Dies liefert eine verhältnismäßig schnelle und kostengünstige Methode zur Beurteilung von Cold Seep Systemen.
The Barents Sea is a broad, epicontinental Sea in northern Europe. With an area of about 1.4 million km² it extends from Novaya Zemlya (Russia) in the east to the continental slope of the Norwegian-Greenland Sea in the west, and from Svalbard and Franz Josef Land in the north to the northern coast of Norway and Russia in the south. The southwestern part of the Barents Sea is strongly characterized by its geological history with subsidence and uplift periods and several events of glacial erosion. The last glacial maximum (LGM) is one of the most important and best preserved glacial phases in this area. During the last decades the Barents Sea evolved into an oil and gas prospecting area. Several source rocks have been identified and hydrocarbon discoveries have been made. Additionally, indications for hydrocarbon seepage, so called “cold seeps” have been detected. These include extensive pockmark fields, carbonate crusts bearing areas and fault related gas flares. Leaking hydrocarbons, released by cold seeps, gained increasing attention during the last years for two reasons. First because they are potential indicators for underlying hydrocarbon reservoirs in the subsurface and second because emitted hydrocarbons, particularly methane as a greenhouse gas, are known to significantly affect the global climate when released to the atmosphere. In this thesis samples from different areas located in the Loppa High region in the southwestern Barents Sea were investigated. Two surface manifestations of cold seep systems such as huge pockmark areas and carbonate crust sites were studied in detail, in order to determine the activity, formation and spatial distribution of the different seepage structures as well as the origin and timing of the seeping hydrocarbon fluids. Therefore, samples, collected in three research cruises, were studied. These include sediment cores from pockmarks, reference sites and carbonate crust areas as well as carbonate crust samples. An interdisciplinary approach, applying organic geochemical, biogeochemical and geomicrobiological methods in combination with a geophysical data set was chosen to answer the key questions mentioned above. In order to determine the abundance of seep-associated microorganisms, the microbial activity was investigated by analyzing sulfate reduction rates (SRRs). Furthermore, the assessment of specific biomarkers was used to characterize the seeping fluids. The detection of petroleum related compounds can, for instance, indicate the presence of oil in the sediment. The analysis of biomarkers diagnostic for microorganisms, which perform anaerobic oxidation of methane (AOM) in the presence of methane, can indicate the release of gas from the subsurface. Compound specific carbon isotopic signatures of microbial biomarkers can offer further indications for seeping hydrocarbon gases, since very negative carbon isotope values indicate the utilization of methane as a carbon source by methanotrophs. Furthermore, the precipitation of carbonates often occurs in consequence of AOM. The presence of carbonate crust patches in the carbonate crust area together with rising gas bubbles from the sediment are first indications for active methane seepage in this area. Furthermore, diagnostic AOM biomarkers were detected in the sediment samples as well as in the corresponding carbonate crusts. The depth profiles of these biomarkers show a distinct interval of higher concentrations, which points towards a shallow AOM zone in this depth interval. This was further supported by very negative compound specific carbon isotopic signatures (δ13C), which suggests the participation of the corresponding organisms in methane consumption processes and, thus, the presence of gas in these study sites. In the pockmark areas, however, active release of gas from the sediment could not be observed, neither in the data of the gas measurements, nor in the biogeochemical and geomicrobiological data. Throughout the whole depth interval of the sediment cores, both from pockmark and reference cores, unusually low microbial activity was determined. Further, the diagnostic AOM biomarkers were essentially absent. Although the presence of petroleum biomarkers potentially indicates the escape of higher molecular hydrocarbons, it is inferred that their presence is not due to emitted petroleum from the pockmarks. The presence of thermogenic hydrocarbons seems to be ubiquitous in the Loppa High area occurring in pockmark as well as in reference cores. Biomarker depth profiles showed that the mature hydrocarbons show the same variability as the immature background compounds. This implies that the oil-related compounds are derived from mature material which has been eroded, mixed with immature organic matter and distributed over the entire area. Using geophysical data as well as literature data on the geologic and glacial history of the study area and the data obtained during this study, it is suggested that the present pockmark fields are the result of area wide gas hydrate decomposition as a consequence of the retreat of the ice sheet which covered the Barents Sea during the Weichselian. Due to changing temperature and pressure conditions the destabilization and, thus, the decay of gas hydrates which were accumulated under the ice sheet, occurred. This resulted in a massive release of large amounts of gas associated with the formation of the pockmark craters. This scenario explains well the existence of the large areas of inactive pockmarks which are still preserved on the seabed surface. In contrast, the currently active cold seep structures are claimed to be correlated to fault systems in the subsurface as indicated by seismic data. It is known that faults can act as conduits for migrating hydrocarbons. Since numerous faults are present in the carbonate crust areas, and hydrocarbon reservoirs occur in the vicinity, it is well possible that these faults act as migration pathways for hydrocarbon gases from deeper hydrocarbon sources towards the cold seeps. It can be concluded, that the southwestern Barents Sea contains at least two cold seep systems. Although these systems seem to be morphologically totally different from each other, it is conceivable that these features were related in the past. The gas hydrates which are claimed to be responsible for the formation of the large pockmark areas may have been fed by the same fault system, which today act as conduits for the active cold seeps. Furthermore, it was shown, that by combining geochemical and geomicrobiological tools a good assessment of the current seeping activity of cold seep structures can be achieved which can, thus, be used as a relatively fast and cheap tool to evaluate cold seep systems. 
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-52750
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4371
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4074
Exam Date: 8-May-2014
Issue Date: 24-Sep-2014
Date Available: 24-Sep-2014
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Kalte Quellen
Organische Geochemie
Pockmark-Felder
SW Barentssee
Cold seeps
Organic geochemistry
Pockmarks
SW Barents Sea
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Notes: Anhang D enthält die elektronischen Rohdaten, die zur Erstellung der in der Arbeit aufgeführten Diagramme verwendet wurden und entsprechen im Wesentlichen Anhang B. Sie werden daher bei der Onlineveröffentlichung nicht berücksichtigt.
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