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Fazies, Porosität und Gasinhalt der Karbonatgesteine des norddeutschen Zechsteins

Füchtbauer, Hans

Kurzfassung

Zusammenfassung 1. Die Evaporitfolge des Zechsteins läßt sich in vier z. T. unvollständige Eindampfungszyklen (Ton - Karbonat - Anhydrit - Salz) unterteilen. Die Karbonatphasen der Zyklen 2 (Ca2 = Staßfurt-Karbonat) und 3 (Ca3 = Leine-Karbonat) enthalten in Nordwestdeutschland Erdgaslagerstätten. Die Beziehungen zwischen Paläogeographie, Petrographie, Porosität, Poreninhalt und Strukturgeschichte dieser Karbonatgesteine werden untersucht. 2.1. Im Zechstein 2 bildeten sich in einer Zone von landfernen Untiefen, die durch Anschwellungen des unterlagernden Anhydrits 1 hervorgerufen waren, helle, 30-90 m mächtige Dolomite, welche z. T. aus 0,05-5 (meist 0,2-1) mm großen, runden bis fladenförmigen Algenknöllchen bestehen (Näheres auch in der vorangehenden Arbeit von QUESTER). Diese wechseln ab mit Bahamiten, deren Aggregatkörner (0,03-0,06 mm) häufig auch die Grundmasse der Algen bilden, meist aber der Sammelkristallisation zum Opfer gefallen sein dürften. Die Algen fanden zumindest im W des Untersuchungsgebietes die günstigsten Lebensverhältnisse nahe dem Abhang zum Becken. An der schroffen Westkante der beiden größten Algenareale deutet die Häufigkeit von Algenbeuteln auf verstärkte Brandung hin (Westwinde?). Küstenwärts von diesen Biostromen finden sich lagunäre, anhydritische, sterile Dolomite mit gelegentlichen Algenlagen. Seewärts schließt sich ein Gürtel von 10-60 m mächtigen Stinkdolomiten und Stinkkalken an. Darin wechseln von bituminösen Siltflasern durchsetzte, Foraminiferen und Ostracoden führende Kalke mit sterilen (z. T. calcitisierten) Dolomiten, Kalken und Stinkschieferlagen ab. Die eigentliche Beckenfazies, der 2-8 m mächtige, euxinische und daher fossilfreie Stinkschiefer, besteht aus ca. 0,1 mm dicken Kalklagen, welche durch pyritisch-bituminöse Siltbestege voneinander getrennt sind. Er ist gelegentlich dolomitisch entwickelt. Die Verteilung der Säurerückstandsgehalte ergibt das Bild eines Ästuars NNE von Kassel. In der Karbonatphase des Zechsteins 1 fehlt eine euxinische Beckenfazies. Der geringmächtige "Zechsteinkalk" hat Stinkkalk- und Stinkdolomitfazies. Küstenwärts geht er im allgemeinen in eine helle Fazies mit Anreicherungen z.T. röhrchenförmiger Algen und gelegentlichen Bryozoenriffen über. 2.2. Im Zechstein 3 bildeten sich ähnlich wie im Zechstein 1 und küstennäher als im Zechstein 2 Bänke von teils runden bis lappigen, teils röhrchenförmigen Algen. Diese Algendolomite werden im südlichen Emsland unterlagert von hellen Kalken und feinen Kalk-Dolomit-Wechsellagerungen mit Ostracoden, Foraminiferen, Bryozoen und Bivalven, Sedimenten also, die der Stinkkalk- und Stinkdolomitfazies des Ca2 ähneln. Der seewärts anschließende Stinkdolomit ist weitgehend fossilfrei. Für ihn sind sekundäre Kalifeldspat-Umwachsungen charakteristisch, während im Zechstein 2 überwiegend autigene Albite gefunden werden. Eine karbonatische Beckenfazies fehlt. 3.1. Eine Literaturübersicht der bisherigen Experimente und der rezenten Dolomitfunde ergibt keine Hinweise auf eine primäre Ausscheidung von Dolomit, wohl infolge der geringen Bildungsgeschwindigkeit desselben. Geologisch lassen sich nur frühdiagenetische und spätdiagenetische Dolomite unterscheiden. Die frühdiagenetische Dolomitisierung begann im noch weichen Sediment unter dem Einfluß des Porenwassers, welches noch die gleiche Zusammensetzung wie das darüber stehende Meerwasser hatte. Da das letztere in seinem Chemismus vom "environment" beeinflußt wird, gilt das Gleiche auch für die frühdiagenetischen Dolomite. Dies ist bei den spätdiagenetischen Dolomiten nicht der Fall; sie entstanden später, aus bereits verfestigten Kalksteinen. A. Frühdiagenetische Dolomite zeigen nach der Literatur und den Beobachtungen an Zechstein-Dolomiten im Gelände oder im Laboratorium die folgenden Merkmale: 1. Regionale Differenzierungen, beispielsweise Dolomite im Flachseestreifen, Dolomit-Kalk-Wechsellagerungen am Hang und Kalke im Beckeninnern. 2. Unterschiedliche Fossilien in wechsellagernden Dolomiten (z. B. Algen) und Kalken (z. B. Foraminiferen und Ostracoden). 3. Dolomite mit Kristallgrößen unter 2 µ sind im allgemeinen frühdiagenetisch. 4. Auch aus der Erhaltung der Fossilschalen können sich Hinweise ergeben: a) Dolomitisch erhaltene Fossilien, welche unter gekreuzten Nikols undulöse Auslöschung oder das schwarze Kreuz zeigen (faserig-radialstrahliger Aufbau), sind vermutlich frühdiagenetisch dolomitisiert. b) Kommen in einem Dünnschliff die gleichen Fossilien nebeneinander gut erhalten in Dolomit und schlechter erhalten in Calcit vor, so ist die dolomitische Form die ursprüngliche, die Calcitisierung aber später erfolgt. 5. Als Arbeitshypothese wird eine Röntgenmethode mitgeteilt: Die frühdiagenetischen Dolomite enthalten im Dolomitgitter einen kleineren CaCO3-Überschuß als die frühdiagenetisch-dolomitischen Kalke. Die fünf bisher untersuchten Vorkommen spätdiagenetischer Dolomite zeigen keine solche Abhängigkeit vom Dolomitgehalt. 6. Daß die fossilfreien Dolomite im Zechstein stets dicht sind, spricht für ihre frühdiagenetische Entstehung. 7. Intraformationäre Breccien aus Dolomiten unterschiedlicher Kristallgröße zeigen eine frühdiagenetische Dolomitisation dieser Komponenten an. B. Spätdiagenetische Dolomite (s. auch obige Punkte 4-5) 1. Die Dolomitisierungszonen können das Gestein unabhängig von Schichtung und Fazies durchziehen und sind oft an Störungszonen gebunden (Inst. Franç. du Pétrole). 2. In Kalkareniten beginnt die Dolomitisierung in der Grundmasse; sie verwischt häufig die Fossilstrukturen. Nach all dem sind die Zechsteindolomite ganz überwiegend frühdiagenetisch. Zwei Typen der CALCITISIERUNG wurden im Zechstein beobachtet: Der eine erzeugte krypto- bis mikrokristalline Gefüge (5-20 µ), der andere makrokristalline (0,1-10 mm; oft Knollen). 3.2. Nach einer knappen Darstellung der in Karbonatgesteinen möglichen Porentypen und ihrer Entstehung werden die wesentlichen Typen im Zechstein beschrieben: Zwickelporen (zwischen Algen, Algenbeuteln oder Kalkknollen), Hohlformporen (ausgehöhlte Algen) und interkristalline Poren (in zuckerkörnigen, jedoch auch in kryptokristallinen Dolomiten). Die etwa 7 x größere mittlere Porosität im Ca2 zwischen Weser und Ems (15-20%) gegenüber dem Gebiet westlich der Ems (2-3%) ist großenteils erst während der laramischen Strukturbildung entstanden, und zwar durch Lösungvorgänge, bei denen die gleichzeitige CO2-Zufuhr mitgewirkt haben mag. Erst im Anschluß daran wanderte das Erdgas in die Strukturen. Im Ca2 westlich der Ems aber fanden die laramischen Bewegungen mit den zugehörigen Lösungsprozessen nicht statt. Die mittlere Permeabilität liegt für Proben mit Zwickel- und Hohlformporen zwischen 0,1 und 10 md, für zuckerkörnige Dolomite zwischen 20 und 200 md. Die vor allem im Emsland und in Thüringen häufigen Klüfte können die Durchlässigkeit beträchtlich erhöhen. 3.3. Die großen Gasrunde unterhalb des Zechsteins in NE-Holland, sowie die Tatsache, daß im Zechstein nur unmittelbar über flözführendem Oberkarbon reine Erdgaslagerstätten gefunden wurden, lassen vermuten, daß sich das im Zechstein gespeicherte Erdgas nicht in dieser Formation, sondern überwiegend im Oberkarbon bildete. Ein Vergleich der bei der Inkohlung frei werdenden und abgegebenen Gasmengen mit den im Zechstein vorhandenen ergibt ein nahezu 100-faches Überangebot. Die dürftigen Öllagerstätten (z.T. mit Gaskappen) in Gebieten ohne flözführendes Oberkarbon (Thüringen, Fallstein/Harz) werden aus der benachbarten oder (in Thüringen) unterlagernden Stinkkalk- und Stinkdolomitfazies des Zechstein 2 hergeleitet desgleichen das den Kohleflözen fremde H2S. Der regional stark wechselnde CO2-Gehalt läßt sich mit magmatischen Exhalationen am Nordrand der Rheinischen Masse in Zusammenhang bringen. 3.4. In allen bisher untersuchten Zechsteinlagerstätten zeigen die strukturhöheren, mit Kohlenwasserstoffen gefüllten Teile eine deutliche Diagenesehemmung gegenüber den wassergefüllten Partien. Diese äußert sich vor allem durch eine 1,5 bis 4 x höhere Porosität der ersteren. Im Randwasserbereich ist der Dolomit stärker sammelkristallisiert sowie meist etwas anhydritisiert und gelegentlich calcitisiert; auch sind die organischen Relikte schlechter erhalten als in den durch Kohlenwasserstoffe konservierten Trägerteilen.

Abstract

1. The Upper Permian Sediments of Northern Germany are divided in four partly incomplete evaporation cycles (shale - carbonate - anhydrite - rock salt). Gas pools are known within dolomites of the 2nd and 3rd cycle (Ca2 = Staßfurt-dolomite and Ca3 = Leinedolomite). The relationships between paleogeography, petrology, porosity, saturation, and structural history of these carbonate rocks have been investigated. 2.1. In the Zechstein 2,30-90 m of light brownish-grey dolomites were deposited on extensive offshore banks, which were caused by a local swelling of the substratum (anhydrite 1). These dolomites are partly composed of globular to flattened algal nodules, 0,05-5 (mainly 0,2-1) mm in size (vz. QUESTER), which alternate with bahamites, the aggregate grains of those (0,03-0,06 mm) acting frequently as matrix. In the Emsland area, the highest concentration of algae has been encountered immediately at the very rim of the shallow water regions. Composite algal pellets, occurring at the westernmost border of these areas, may indicate a strong surf action, wich could be explained by western winds. In the "backreef"-area of these biostromes, anhydritic lagoonal dolomites containing only a few algae were deposited. The "fore-reef" sediments consist of 10-60 m flasery, fossiliferous limestones (foraminifera and ostracods), interbedded with sterile dolomites (partly calcitisated), limestones, and silt layers. The "stinking shale", a limestone bed of 2-8 m thickness, stratified by very fine layers of pyritic bituminous silt (thickness of stratification about 0,1 mm), represents the sterile euxinic facies of the basin floor (estimated depth about 400 m). The distribution of insoluble residue points towards an estuary NNE of Kassel. 2.2. In the Zechstein 3, a similar algal biostrome of nearly 20 m thickness developed, however situated closer towards the coast line than the one of Zechstein 2. Locally, it is underlain by a 20 m-layer of fossiliferous limestones with foraminifera and ostracods, which are similar to the so-called fore-reef-sediments of Zechstein 2. On the slope towards the basin, the above series grade into a stinking dolomite bare of fossils. This dolomite is rich in potassium feldspars, whereas the corresponding carbonate rocks in the Zechstein 2 contain only autigenic sodium feldspars. A basinal carbonate facies did not develop in the Zechstein 3. 3.1. Neither by laboratory investigations nor by observations on recent dolomites, a primary sedimentation of dolomite could be proved so far, probably because of the very slow formation. Only early diagenetical and epigenetical dolomites can be distinguished. The early diagenetical dolomitisation starts already in the soft sediment, under the influence of the connate water, which has still the same composition as the sea water above. Since the chemical composition of the sea water is controled by the environment, the same can be inferred for the early diagenetical dolomites. This however is not the case for epigenetical dolomites: They are formed in already consolidated limestones. A. Early diagenetical dolomites can be recognized in the field or in the laboratory, according to literature and the observations in the Zechstein dolomites, by the following attributes: 1. Regional differentiations, e. g. shallow water dolomites, dolomite- limestone series on the slope, and limestones at the basin floor. 2. Different fossils within alternating dolomites (e. g. algae) and limestones (e. g. forams, ostracods). 3. Dolomite crystal sizes below 2 micron have been found only in early diagenetical dolomites. 4. The kind of preservation of fossil shells may be indicative: a) Dolomitic fossil shells, which show under crossed nicols undulous extinction or a black cross, due to fibrous, radial or tangential textures, are supposed to have been early dolomitized. b) If in one slide shells of the same species are found both dolomitic, well preserved, and calcitic, more or less obliterated, then the dolomitic shells are supposed to be early diagenetical, the calcitisation being epigenetical. 5. As a working hypothesis, an x-ray distinction has been developed: The early diagenetical dolomitic limestones are richer in CaCO3 also within the dolomite lattice than early diagenetical pure dolomites are. In five cases of epigenetical dolomites and dolomitic limestones, which have been checked so far, these differences are not developed. 6. The observation in the Zechstein, that all dolomites without fossils are dense, points to their early diagenetical origin. 7. Intraformational breccias with dolomite fragments of different crystal size prove an early diagenetical dolomitisation of those components. B. Epigenetical dolomites (vz. nos. 4 and 5 above) 1. The zones of dolomitisation may penetrate the rocks independent of stratification and facies; they are often connected with faults. 2. In calcarenites, the dolomitisation starts with the matrix. Fossil structures are more or less obliterated. According to the indications mentioned, the majority of the Zechstein dolomites is of early diagenetical origin. In the Zechstein, two types of calcitisation have been observed: krypto- to microcrystalline (5-20 micron) and macrocrystalline calcitisation (0,1-10 mm, often nodules). 3.2. The following types of porosity are developed: Interparticle porosity (between algae, composite algal pellets, or calcite nodules), vuggy porosity (excavated algae), and intercrystalline pores of different size. In the area between the Weser and the Ems river, the porosity of the Ca2 averages between 15 and 20%, in the northern Emsland area (W of the Ems river) the figures are 2-3%. The higher porosity in the eastern region can be explained by solution processes during the postcretaceous upwarping of this area, which were possibly stimulated by CO2-supplies. In this region the dolomites were filled with CH4 not before the tertiary. In the nothern Emsland however, the postcretaceous movements and the accompanying solution processes did not occur. The average permeability of samples with prevailing interparticle and vuggy porosity is between 0,1 and 10 md, whereas in samples with the larger intercrystalline pores (sucrose dolomites) permeabilities as high as 20-200 md are reported. Especially in the Emsland area and in Thüringen, the permeability is improved considerably by fissures. 3.3. The CH4 of the Zechstein gas pools is supposed to have originated rather from the upper carboniferous coal measures than from the Zechstein sediments. In favor of this hypothesis are the important gas bearing sandstones between Zechstein and Carboniferous in the northeastern Netherlands, and the fact, that the Zechstein contains nearly no gas except immediately above coal bearing carboniferous strata. The volume of hydrocarbons released during the diagenesis of the coals has been calculated. It was found to be about a hundred times higher than the proved gas reserves within the Zechstein dolomites. In the areas without coal measures, the Zechstein contains sometimes small oil fields and scarcely gas (e. g. in Thüringen). These hydrocarbons probably derived from the "forereef" sediments of the Zechstein 2. The same may be the case for the H2S, whereas the CO2 may be connected partially with magmatic exhalations around the "Rheinische Masse". 3.4. The Diagenesis has been hampered in the gas-filled area of all Zechstein gas pools examined so far. As a consequence, in the water-filled area the porosity is 1,5-4 times lower, the recrystallisation being intensified. Occasionally, also anhydritisation and calcitisation took place in these areas.