Original paper

Source rock characterisation and thermal maturity of the Rupelian Fish Shale (Bodenheim Fm./Hochberg Subfm.) in the central Upper Rhine Graben

Böcker, Johannes; Littke, Ralf

Abstract

The Rupelian Fish Shale acts as important source rock for several oil reservoirs in the central and northern Upper Rhine Graben (URG). Here, we present the first detailed organic geochemical characterisation of this unit and a comparison of molecular characteristics with those published on oils from the graben. In the central URG the Fish Shale can be classified as oil-prone source rock with a very good hydrocarbon generation potential characterised by high TOC contents of 4.0–5.5 % and hydrogen-rich type II kerogens with HI values of up to 550 mg HC/g TOC (e.g. in the clay pit Unterfeld). The highly branched isoprenoid C originating from diatoms occurs in significant quantities in the Fish Shale and can be used as highly specific tool for oil-source rock correlations in the URG. Thermal maturity has been analysed using T and vitrinite reflectance (VR) data. A detailed VR map has been created using VR values from 63 locations and a structure map of the Fish Shale as reference map for a depth dependent gridding operation. The Fish Shale in surface outcrops is immature (0.30 % VR). Highest maturity levels occur in the area of Huttenheim (0.88 % VR) and in the Heidelberg-Mannheim Graben (0.75–0.8 % VR). The latter region represents the most significant kitchen area for the Fish Shale. Increased VR gradients occur in the central parts of the URG, e.g. Huttenheim, Rülzheim and Landau, whereas lower gradients characterise the Heidelberg-Mannheim Graben indicating lower basal heat flows there. Two exploration targets exist within the Tertiary succession. First, in the central URG several minor oil reservoirs are located in thin, discontinuous sands in the Meletta Beds, Cyrena Marls and Bunte Niederrödern Beds overlying the Fish Shale and Upper Rupelian Clay. Secondly, in the Northern URG several reservoirs within heterogeneous, but more continuous sand units occur in the Upper Pechelbronn Beds underlying the Bodenheim Fm. For oil reservoirs in the Meletta Beds, Cyrena Marls and Bunte Niederrödern Beds overlying the mature Fish Shale relatively short lateral and vertical migration distances are postulated, whereas longer lateral migration distances from the Heidelberg-Mannheim Graben into reservoirs located in the Pechelbronn Beds in the Northern URG are likely.

Kurzfassung

Der Fischschiefer (Rupel) wirkt als wichtiges Muttergestein für viele Öl-Reservoire im zentralen und nördlichen Oberrheingraben. Wir präsentieren hier zum ersten Mal eine detaillierte organisch-geochemische Charakterisierung des Fischschiefers und vergleichen diese mit publizierten Daten der molekularen Ölzusammensetzung vieler Reservoire. Im zentralen Oberrheingraben kann der Fischschiefer als gutes, ölgenerierendes Muttergestein klassifiziert werden. Hohe TOC Gehalte (4,0–5,5 %) und wasserstoffreiche Typ-II-Kerogene (HI bis zu 550 mg/g) charakterisieren diese Einheit. Ein stark verzweigtes Isoprenoid C25, das auf Diatomeen zurückgeht, konnte im Fischschiefer in hohen Konzentrationen nachgewiesen werden und kann als hochspezifischer Parameter für Öl-Muttergesteinskorrelationen im Oberrheingraben verwendet werden. Die thermische Reife des Fischschiefers wurde mittels Tmax und Vitrinitreflexion (VRr) analysiert. Eine detaillierte VRr-Karte wurde auf der Basis von 63 VRr-Messwerten und einer Strukturkarte des Fischschiefers als Referenz für eine tiefenabhängige Rasterberechnung erstellt. In Oberflächenaufschlüssen ist der Fischschiefer unreif (ca. 0,30 % VRr). Die höchste Reife liegt im mittleren Ölfenster in der Gegend um Huttenheim (0,88 % VRr) und im Heidelberg-Mannheim-Graben (0,75–0,80 % VRr). Letztgenannter dient als wichtigste ,,kitchen area“ für den Fischschiefer. Erhöhte VRr-Gradienten liegen im zentralen Oberrheingraben vor (Huttenheim, Rülzheim, Landau), wohingegen niedrigere Gradienten im Heidelberg-Mannheim-Graben vorkommen, bedingt durch niedrigere Wärmeflüsse. Innerhalb der tertiären Grabenfüllung kommen zwei Explorationsziele mit vom Fischschiefer generierten Reservoiren in Betracht. Zum einen treten im zentralen Oberrheingraben diverse kleinere Reservoire in dünnen, wenig aushaltenden Sanden in den Meletta-Schichten, Cyrenen-Mergel und Bunte Niederrödern-Schichten auf, die den Fischschiefer und Oberen Rupelton überlagern. Zum anderen gibt es heterogene, aber stärker aushaltende Sandschüttungen in den Pechelbronner Schichten im nördlichen Oberrheingraben, die die Bodenheim Fm. unterlagern. Für Reservoire in den Meletta-Schichten bis Bunte Niederrödern-Schichten können eher kurze laterale und vertikale Migrationsweiten angenommen werden, da sie zumeist den reifen Fischschiefer überlagern. Für Reservoire in den Pechelbronner Schichten im nördlichen Oberrheingraben sind längere laterale Migrationsweiten aus dem Heidelberg-Mannheim-Graben wahrscheinlich.

Keywords

diatomsdinoflagellatesfish shaleforaminifera marlshighly branched isoprenoidsource rockthermal maturityvitrinite reflectance