Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-449
Main Title: Geochemical indicators of paleoenvironmental and paleoclimatic change in ancient and recent lake deposits
Subtitle: Facies models, facies distributions and hydrocarbon aspects
Translated Title: Geochemische Indikatoren für Paleoumwelt- und Paleoklimaänderungen in Seeablagerungen
Translated Subtitle: Faziesmodelle, Faziesgliederungen und Kohlenwasserstoffe
Author(s): Fuhrmann, Andreas
Advisor(s): Horsfield, Brian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, ehemalige Fakultät VI - Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Eozäne lakustrine Sedimente (Es4- und Es3-Stufe der Shahejie Formation) aus der westlichen Depression des Liaohe Beckens, NO China wurden untersucht, um eine systematische Faziesklassifikation durchzuführen. Hierzu kam ein integrierter Ansatz aus mineralogischen (XRD), organisch-petrologischen sowie organisch-geochemischen Methoden zur Anwendung. Die Entwicklung der Seen war geprägt durch den Wechsel von alkalinen und höher salinaren Phasen hin zu Perioden mit reichlich Oberflächenzufluss und relativ hohen Seespiegelständen. Diese Entwicklung wurde im Wesentlichen durch die klimatischen Verhältnisse sowie die tektonische Entwicklung des Riftbeckens gesteuert. Amorphes fluoreszierendes und Lamalginit reiches organisches Material (OM) wurde in einem hydrologisch geschlossenen Seebecken (flacher bzw. Playa-See) in einem ariden Klima abgelagert, das während der Gaosheng (GS) Unterstufe im gesamten und während der Dujiatai (DJT) Unterstufe im zentralen Teil des Beckens (Lei Gebiet) vorherrschte. Diese Zeiten waren geprägt durch eine hohe Primärproduktion, eine Schichtung der Wassersäule mit anoxischem Tiefenwasser sowie dem weitgehenden Fehlen einer Vegetation im Umland der Seen. Dies führte zur Bildung eines Typ I Kerogens. Die fein-laminierten Sedimente der GS-Unterstufe mit hohen organischen Kohlenstoffgehalten (TOC) und Wasserstoffindexwerten sind die besten Muttergesteine in der westlichen Depression und in der Lage, bei hohen Temperaturen wax-reiche Erdöle zu generieren. Die sehr schmale Aktivierungsenergieverteilung deutet auf eine überwiegend aus aliphatischen Ketten aufgebaute Kerogenstruktur hin, was durch die Zusammensetzung der Pyrolyseprodukte bestätigt wird. Zu Beginn der DJT-Unterstufe führte intensive Eindampfung der Wässer im zentralen Teil der Depression zur Bildung von Magnesium- und Natrium-reichen Laugen. Unterstützt durch das sogenannte "Evaporative Pumpen" kam es zur Ausfällung von Dolomit und Analcim. Im Gegensatz dazu wurden die tonreichen Sedimente der Shale I- und Shale II-Unterstufe sowie die der Es3-Stufe in einem hydrologisch offenen Seebecken in einem humiden Klima abgelagert. Sie sind nicht laminiert und Botryococcus Alginit dominiert das OM. Die Sandsteine der DJT-Unterstufe im randlichen Shu-Du Gebiet wurden im Bereich eines Schwemmfächers sedimentiert. Die Charakterisierung des OM in Spätquartären Maarseesedimenten der Westeifel, Deutschland (Holzmaar, Meerfelder Maar) sowie aus S China (Huguang Maar) bildete den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit. Methoxyphenole aus Pyrolyseexperimenten können zusammen mit den mikroskopisch identifizierbaren terrigenen organischen Partikeln benutzt werden, um Variationen des Landpflanzen-eintrags in die Seen aufzuzeigen. Die Klimaerwärmung nach dem letzten Gletscherrückzug und die damit verbundene Zunahme der Vegetationsdichte im Umfeld des Meerfelder Maars schlagen sich in einem relativen Anstieg der Ligninkomponenten nieder. Der Klimarückschlag während der Jüngeren Dryas ist durch einen gegenläufigen Trend dokumentiert. Während des Spätglazials und der Jüngeren Dryas wurden überwiegend hoch-reflektierende terrigene organische Partikel in die Maarseen eingetragen, die auf eine verstärkte Lieferung über Bodenerosion in einem weitgehend waldfreien Umland hindeuten. Dagegen dominiert frisches Pflanzenmaterial und gering-reflektierende Huminit-partikel während des Bølling/Allerød und im Holozän. Die Phenole in den Pyrolysaten stammen sowohl von höheren Pflanzen als auch von der bakteriellen Überarbeitung von Proteinen (Tyrosin) bzw. von deren direktem Eintrag durch Cyanobakterien. Stabile Kohlenstoffisotope, gemessen am Gesamtkohlenstoff (delta 13CTOC), den langkettigen n-Alkanen (Pflanzenwachse), sowie algenspezifischen Biomarkern (Botryococcene), zeigen einen parallelen Verlauf. Insbesondere der Übergang von Lithozone 4 zu Lithozone 3 markiert den schnellen Wechsel von einem Ökosystem mit relativ hoher Primärproduktion und C3-Pflanzeneintrag zu einem Ökosystem mit geringer Primärproduktion und Eintrag von C4-Gräsern als Ergebnis trockener klimatischer Bedingungen und geringeren CO2-Konzentrationen der Atmosphäre. Dies wird belegt durch die positiveren delta 13C-Werte und ein geringeres 4-methylguaiacol zu p-vinylphenol Verhältnis in Lithozone 3 sowie die mikroskopischen Ergebnisse und Pollenanalysen. Die extrem positiven ?13C-Werte der Botryococcene in Lithozone 3 zeigen, dass die Alge Botryococcus braunii Bicarbonat assimiliert hat. Ein Vergleich mit anderen Studien ergab, dass die zeitlichen Veränderungen in den geochemischen Parametern auf Schwankungen der Intensität des Winter- und Sommermonsuns zurückzuführen sind. Gedruckte Version im Eigenverlag des Forschungszentrums Jülich im JUEL Bericht 4026 [http://wwwzb.fz-juelich.de/verlagextern1/abstract.asp?id_schriften=43644] erschienen.
Eocene lacustrine sediments (Es4 and Es3 member of the Shahejie Formation) from the Western Depression of the Liaohe Basin, NE China were examined in order to perform a systematic facies classification and to show the influence of facies variations on the source rock potential. Facies changes were reconstructed by applying a multidisciplinary approach, including mineralogy (XRD), organic petrology and organic geochemistry. The Liaohe lakes passed from alkaline to freshwater stages because of varying climatic conditions and tectonic movements. Fluorescing amorphous and lamalginite-rich organic matter (OM) was deposited in a restricted, hydrological closed-lake environment (playa and shallow lake), during Gaosheng (GS) time in the whole basin and during Dujiatai (DJT) time in the basin centre (Lei and Gao area). A high primary production dominated by cyanobacteria, low fluvial input, and paucity of terrestrial vegetation in an arid climate resulted in the deposition of type I OM. Water column stratification with anoxic, probably saline bottom waters existed which is consistent with the biomarker parameters determined in this study. Especially laminated samples from the GS sub-unit show high total organic carbon (TOC) and hydrogen-index values. They are excellent source rocks and have the potential to generate high-wax petroleum at high subsurface temperatures. The very narrow distribution of activation energies point to a mainly polymethylene kerogen structure which is supported by the pyrolysate composition. During lower DJT time intense evaporation led to the formation of magnesium and sodium rich brines with dolomite and analcime precipitation aided by evaporative pumping. In contrast, clay mineral-rich samples of the Shale I and Shale II sub-units as well as those of the Es3 member were deposited during lake-level highstands in a hydrological open freshwater environment in a more humid climate. They are mainly non-laminated and Botryococcus alginite predominates. Sediments in the marginal Shu-Du area were laid down in a fan-delta environment during DJT time, which is corroborated by the presence of abundant detrital minerals (feldspars, quartz) and coaly terrigenous particles. Variations in the composition of macromolecular OM in maar lake sediments from late Quaternary deposits of the Westeifel volcanic field, Germany (Lake Holzmaar, Lake Meerfelder Maar) and South China (Lake Huguang Maar) were studied, applying analytical pyrolysis and organic petrology. Investigations on the lipid OM were carried out for comparison. The objective of this work was to find suitable parameters which mirror the local environment and climate at the time of OM incorporation into the sediment. Parameter based on methoxyphenols together with the character and the relative abundance of terrigenous particles can be used to show variations of land plant input to the maar lakes through time. Lignin derived components increased during the amelioration of the climate, reflecting forestation of the landscape around Lake Meerfelder Maar after the last glacial retreat. A reverse trend towards the Younger Dryas cold event shows a reduction of the forest. During the Lateglacial and Younger Dryas period, high-reflecting reworked terrigenous OM from the geological substratum was introduced to the Eifel Maar lakes by soil erosion in an open, tree-less vegetation. In contrast, fresh and low-reflecting terrigenous OM predominates in the Bølling/Allerød and Holocene sequence. Beside a higher plant source, the phenols in most of the pyrolysates originate from the microbial reworking of proteinaceous tyrosine moieties or from a direct contribution of cyanobacteria. In Lake Huguang Maar, the delta 13CTOC parallels the isotopic enrichment of the plant-wax derived long-chain n-alkanes and the botryococcene biomarkers. This mirrors vegetation changes and specific environmental conditions which affected the algal biomass. Especially the significant transition from lithozone 4 to lithozone 3 is consistent with a rapid change from an ecosystem with relatively high primary productivity and C3 vegetation towards a very stable ecosystem with a low primary productivity and a dominant input of C4 grasses because of drier climatic conditions and low atmospheric CO2 levels. This is supported by the positive isotopic excursions in lithozone 3, a lower 4-methylguaiacol to p-vinylphenol ratio in lithozone 3 compared to lithozone 4 and microscopic as well as palynological data. One possibility for the very heavy delta 13C values of the botryococcenes in lithozone 3 is that Botryococcus braunii changed its CO2 demand towards a bicarbonate source. The comparison with other studies implies that downcore variations in Lake Huguang Maar are largely controlled by fluctuations of the summer and winter monsoon activity. Printed version available from Eigenverlag des Forschungszentrums Jülich, published in JUEL Bericht 4026 [http://wwwzb.fz-juelich.de/verlagextern1/abstract.asp?id_schriften=43644].
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-3510
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/746
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-449
Exam Date: 15-Nov-2002
Issue Date: 17-Jan-2003
Date Available: 17-Jan-2003
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Seesedimente
Organische Geochemie
Mineralogie
Fazies
Erdöl
Paläoklima
Lake sediments
organic geochemistry
mineralogy
facies
petroleum
paleoclimate
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