Source rock potential and Thermal maturity of the Menilite Formation in the Czech Republic

Mgr. Petr Jirman, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Oligocénní až spodnomiocénní zdrojové horniny představují zdroj pro ~12,5 % všech objevených světových zásob uhlovodíků. Oligocénní menilitové souvrství reprezentuje nejdůležitější zdrojovou horninu uhlovodíků v rámci Karpat, které patří mezi oblasti s nejdelší historií dobývání ropy a plynu na světě. Menilitové souvrství je regionálně velmi homogenní, vertikálně však dokládá značné změny depozičního prostředí. Oligocénní až spodnomiocénní anoxické eventy v Paratethys byly způsobeny klimatickými faktory a izolací regionu od mediteránní oblasti vlivem postupující kolize mezi africkou a euroasijskou deskou. Hranice eocén-oligocén je charakteristická velkým vymíráním a následně anoxickým sedimentačním prostředím. Razantní ochlazení klimatu způsobilo výrazné snížení mořské hladiny a uzavření řady komunikačních cest, což společně s nárůstem obsahu živin vedlo v rámci Paratethydy k vyčerpání kyslíku v mořských pánví a k usazování hornin bohatých na organickou hmotu. Souvrství Tard Clay a Ruslar reprezentují ekvivalentní formace k menilitovému souvrství v rámci panonské a západní černomořské pánve. Ve východní černomořské pánvi a kaspickém regionu jsou tyto horniny známé jako maikopské souvrství. Menilitové souvrství poprvé popsal Glocker na Moravě roku 1844. V současné době se v regionu menilitové souvrství rozděluje na podrohovcové vrstvy (zóna nanoplanktonu NP22), rohovcové vrstvy (svrchní NP22 až spodní NP23), dynowské slínovce (NP23) a šitbořické vrstvy (svrchní NP23 až spodní NP25). Předkládaná dizertace shrnuje 4 nezávislé výzkumy z lokalit (1) Loučka ve slezské jednotce, (2) Bystřice nad Olší v podslezské jednotce a (3) vrtů Mouchnice-1, Mouchnice-2 a Nevojice-1 ve ždánické jednotce. Celkem bylo zhodnoceno 163 horninových vzorků; všechny byly analyzovány na celkový obsah organického uhlíku (TOC) a síry (TS) pomocí Eltra S/C Elemental Analyser. Výběr 122 vzorků byl zhodnocen pomocí řízené pyrolýzy Rock-Eval. 24 vzorků bylo zhodnoceno organickou petrografií na mikroskopu Axio Imager.M2m v odraženém a fluorescenčním světle za účelem určení původu organické hmoty. Obsah TOC v menilitovém souvrství dosahuje až 16,5 hm.%. Nejvyšší průměrný obsah TOC byl zjištěn v rohovcových vrstvách (5,25 hm.%), dále v podrohovcových vrstvách (3,52 hm.%), dynowských slínovcích (3,04 hm.%) a šitbořických vrstvách (2,64 hm.%). Menilitové souvrství má převážně „dobrý“ zdrojový potenciál uhlovodíků (HC), ačkoliv TOC odpovídá potenciálu „velmi dobrému“. Na základě průměrného genetického potenciálu (GP) Rock-Eval jsou nejvíce produktivní vrstvy rohovcové (38,3 mg HC/g horniny), dále vrstvy podrohovcové (16,9 mg HC/g horniny), dynowské slínovce (14,0 mg HC/g horniny) a vrstvy šitbořické (7,4 mg HC/g horniny). Organická hmota v rámci menilitového souvrství je na základě přepočítaného vodíkového indexu (HI) a macerálového složení hodnocena jako kerogen typ II–I. Nejvíce zastoupená je skupina liptinitu, kterou reprezentují macerály alginit, bituminit a liptodetrinit. Macerálové skupiny huminitu a inertinitu představující terestrický typ kerogenu III byly pozorovány v malém množství a především v podrohovcových a šitbořických vrstvách. Zvýšené množství organické hmoty terestrického původu v šitbořických vrstvách může odpovídat změně depozičního prostředí z převážně hemipelagického na turbiditní. Hodnocené menilitové souvrství je na základě průměrné teploty Rock-Eval Tmax (418 °C), nízkého produkčního indexu (PI) a měřené odraznosti vitrinitu (VRr) termálně nezralé. Výsledné hodnoty TOC a HI je tedy možné považovat za původní. Index zdrojového potenciálu (source potential index, SPI) menilitového

Abstract:

souvrství byl nově vypočítán na ~1,15–1,25 t HC/m2, což je porovnatelné s výsledky dřívějších studií ze ždánické jednotky (1,5 t HC/m2 na základě vrtu Křepice-5) a zóny Waschberg v Rakousku (0,9–1,6 t HC/m2). Tyto výpočty jsou však výrazně nižší než index zdrojového potenciálu menilitového souvrství v Polsku a zejména na Ukrajině (až 74,5 t HC/m2) z důvodu nižší mocnosti a menšího stratigrafického rozsahu menilitového souvrství v rámci flyšového pásma Vnějších Západních Karpat. Hodnocené menilitové souvrství má v porovnání s nejdůležitější zdrojovou horninou v České republice – jurskými mikulovskými slínovci – vodíkový index ve stejném rozsahu (329 vs. 321 mg HC/g TOC), avšak 2,3 krát vyšší průměrný obsah TOC (3,25 vs. 1,39 hm.%). Výsledný genetický potenciál menilitového souvrství v porovnání s mikulovskými slínovci je tak 2,9 krát vyšší. Menilitové souvrství je však výrazně méně mocné a převážně nezralé, což zapříčiňuje, že mikulovské slínovce jsou lepší zdrojovou horninou uhlovodíků. Menilitové souvrství na území České republiky může dle závěrů předložené dizertace představovat velmi nadějnou zdrojovou horninu uhlovodíků při dosažení vyšší tepelné zralosti vlivem dostatečné hloubky uložení, tzn. v oblasti pod jednotkami magurské skupiny příkrovů.

Abstract:

The Oligocene to Lower Miocene source rocks account for ~12.5% of all discovered hydrocarbon reserves worldwide. The Oligocene Menilite Formation represents the most important hydrocarbon source rock in the Carpathians, which is one of the oldest petroleum-producing districts in the world. The Menilite Formation is laterally uniform across long distances but shows strong vertical heterogeneity reflecting changes in depositional environments. The Oligocene to Early Miocene anoxic events in the Paratethys were controlled by climatic factors and long-lasting isolation of the region from the Mediterranean realm as a consequence of the progressing collision between African and Eurasian plates. The Eocene–Oligocene boundary is characterized by a major extinction event followed by anoxic sedimentary conditions. The change from green-house into ice-house conditions caused a significant sea-level drop and the closing of marine gateways. This, together with an overall increase of ocean fertility, resulted in oxygen-depleted conditions and the deposition of organic-rich rocks across the Paratethys. Apart from the Menilite Formation, the Tard Clay Formation and the Ruslar Formation represent its equivalents within the Pannonian Basin and the Western Black Sea Basin, respectively. Further to the east, the continuation of these facies in the Eastern Black Sea Basin and the Caspian region is known as the Maikop Formation. The Menilite Formation was first described by Glocker (1844) in Moravia, Czech Republic, where it is subdivided into the Subchert Member (nannofossil zone NP22), Chert Member (upper NP22 to lower NP23), Dynów Marlstone (NP23) and Šitbořice Member (upper NP23 to lower NP25). The present dissertation compiles four separate research studies based on (1) the Loučka section in the Silesian Unit, (2) the Bystřice nad Olší section in the Subsilesian Unit and (3) the Mouchnice-1, Mouchnice-2 and Nevojice-1 boreholes within the Ždánice Unit. Altogether, 163 samples were evaluated by screening methods for total organic carbon (TOC) and total sulphur (TS) contents using the Eltra S/C Elemental Analyser. A subset of 122 samples was used for pyrolytic yields with the Rock-Eval 6 instrument. A selection of 24 samples was evaluated by organic petrography for different biological sources of organic matter under reflected white and fluorescent light using the Axio Imager.M2m microscope. The TOC of the Menilite Formation reaches up to 16.5 wt.%. The highest average TOC was observed in the Chert Member (5.25 wt.%), followed by the Subchert Member (3.52 wt.%), Dynów Marlstone (3.04 wt.%) and Šitbořice Member (2.64 wt.%). The Menilite Formation has generally a “good” source rock potential, even though the TOC indicates a “very good” potential. Based on the genetic potential (GP), the most prolific is the Chert Member (average: 38.3 mg HC/g rock) followed by the Subchert Member (average: 16.9 mg HC/g rock), Dynów Marlstone (average: 14.0 mg HC/g rock) and the Šitbořice Member (average: 7.4 mg HC/g rock). The organic matter in the Menilite Formation is classified as kerogen type II–I based on the recalculated hydrogen index (HI) and organic petrography observations. The most abundant maceral group is the liptinite one, represented by macerals of alginite, bituminite and liptodetrinite. The huminite and inertinite maceral groups representing the terrestrial kerogen type III are present in low amount, mostly within the Subchert and Šitbořice members. The increased amount of terrestrial material within the Šitbořice Member corresponds well with the changing depositional environment from predominantly hemipelagic towards turbiditic depositional conditions. The evaluated Menilite Formation is in all studied localities not thermally mature based on the Rock-Eval Tmax (average: 418 °C), low production index (PI) and random vitrinite reflectance (VRr). The TOC and HI values were thus most probably not affected by diagenesi

Abstract:

s and are considered as original. The source potential index (SPI) of the Menilite Formation was newly estimated as ~1.15–1.25 t HC/m2, which is comparable to the SPI previously calculated for the Ždánice Unit (~1.5 t HC/m2 based on the Křepice-5 borehole) and the Waschberg Zone in Austria (0.9–1.6 t HC/m2). However, these calculations are significantly lower than the SPI estimated for the Menilite Formation in the Polish and especially the Ukrainian Carpathians (up to 74.5 t HC/m2). This is mainly due to the lesser thickness and limited stratigraphic range of the Menilite Formation in the Western Carpathians. Compared to the most important source rock in the Czech Republic, the Upper Jurassic Mikulov Formation, the evaluated Menilite Formation has HI in the same range (329 vs. 321 mg HC/g TOC), but 2.3 times higher average TOC (3.25 vs. 1.39 wt.%). Correspondingly, the average GP of the Menilite Formation is almost 2.9 times higher. However, it is the lesser thickness and primarily the low thermal maturity of the Menilite Formation which make the Mikulov Formation a better source rock. Based on the findings of this dissertation, the Menilite Formation in the Czech Republic represents a promising source rock beneath the Magura Group of Nappes, where higher thermal maturity is expected due to the sufficient burial.

Keywords

Menilitové souvrství, Paratethys, Vnější Západní Karpaty, flyšové pásmo, oligocén, zdrojový potenciál, organická petrografie, typ kerogenu, termální zralost, Menilite Formation, Outer Western Carpathians, Flysch Belt, Oligocene, Source rock potential, Organic petrography, Kerogen genetic type, Thermal maturity

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 12. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 23. 3. 2021
• Supervisor: doc. Mgr. Eva Geršlová, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Stanislav Opluštil, Ph.D., prof. Ing. Petr Skupien, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology / Stratigraphic Geology, Paleontology and Sedimentology