Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4172
Gerisch, Stephan
Organisch-geochemische und mikroskopische Charakterisierung diskreter, organisch reicher Lagen des Messeler Ölschiefers
236 S., 2005

Organisch-geochemische und mikroskopische Charakterisierung diskreter, organisch reicher Lagen des Messeler Ölschiefers
Die Grube Messel in der Nähe von Darmstadt ist durch ihre Fossilienvielfalt und die auserordentlich gute Erhaltung weltbekannt und im Jahr 1995 zum UNESCO-Welterbe ernannt worden (www.unesco-welterbe.de).
Das entsprechende Muttergestein, der Messeler Ölschiefer, ist auch gegenwärtig noch Objekt intensiver Untersuchungen. Dieser dunkle, feinlaminierte organisch reiche Tonstein wurde in einem Maarsee im unteren mittleren Eozän vor etwa 47Ma in etwa 1 bis 1,5Ma abgelagert. Eine Untergruppe, die sogenannte 'Mittlere Messel Formation', kann durch einige spezifische Leithorizonte (M, α, β and γ), aber auch durch weitere Lagen mit ausgeprägten makroskopischen Eigenschaften unterteilt werden.
Zwei dieser Lagen, die hier untersucht wurden, repräsentieren grün-braune Ablagerungen mit einer maximalen Mächtigkeit von bis zu einem Millimeter. Sie befinden sich in einer Tiefe von 35 cm (nachfolgend als 'Horizont 0,35m uα' bezeichnet) und 100 cm (nachfolgend als 'Horizont 1,00m uα' bezeichnet) unter dem Leithorizont α. Typisch für beide Horizonte ist ihre Duktilität. Sie können so sehr einfach, wie Papierseiten, von dem sie umgebenden Gestein (Ölschiefer) getrennt werden. Durch ihre Beschaffenheit, eine papier- bzw. lederartige Konsistenz, kann ein hoher Anteil an organischem Material angenommen werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Art des organischen Materials, aus dem die auffälligen Horizonte bestehen, zu bestimmen.
Diese Arbeit untersucht die Variationen des organischen Materials der Horizonte 0,35m uα und 1,00m uα durch einen Vergleich der molekularen Zusammensetzung der Proben. Dazu kamen unter anderem temperaturgesteuerte Pyrolyse-Gaschromatographie und Thermovaporisation-Gaschromatographie zum Einsatz, die nur sehr geringe Probenmengen benötigen. Zusätzlich wurde die Zusammensetzung der Fraktion der C15+ gesättigten Kohlenwasserstoffe (Aliphaten), z.B. n-Alkane, Isoprenoide und andere Biomarker der Horizonte mit dem sie umgebenden Ölschiefer verglichen.
Die Basisdaten, wie der Gehalt an organischem Kohlenstoff (TOC), dem Gehalt an Schwefel (TS) und der Wasserstoff-Index (HI) zeigen höhere Gehalte des organischen Materials für beide Horizonte, mit einer stärkeren Anreicherung für den unteren Horizont 1,00m uα. Dieser zeigt auserdem einen überraschend hohen Gehalt an Schwefel (7 %), der bisher nicht eindeutig erklärt werden kann, wohl aber Ausdruck einer höheren mikrobiellen Tätigkeit im unteren Horizont 1,00m uα ist. Die molekulare Zusammensetzung und der Reifegrad der Proben von unter 0,5% Rm (Tmax unter 430 °C und eine starke Dominanz der ungeradzahligen gegenüber den geradzahligen n-Alkanen) lassen darauf schliesen, dass migriertes organisches Material keinen Einflus auf das organische Material der Proben hat.
Die Lipidzusammensetzung mit einer Dominanz der ungeradzahligen n-C23 bis n-C31 Alkane deutet auf einen hohen Eintrag terrestrischen Materials höherer Pflanzen hin und steht somit im Gegensatz zu den HI-Werten mit Werten über 620mgKW/ g TOC. Deshalb mus ein hoher Beitrag bakteriellen/mikrobiellen Materials angenommen werden, der durch Biomarkerdaten nachgewiesen werden kann. Beide Horizonte und das umgebende Gestein verfügen über ähnliche Mengen von bakteriellen/mikrobiellen organischen Material. Dagegen zeigen beide Horizonte 0,35m uα und 1,00m uα eine Anreicherung von Algen und terrestrischem organischen Material höherer Pflanzen im Vergleich zu dem sie umgebenden Ölschiefer. Sie enthalten aber kein anderes organisches Material als die sie umgebenden Ölschiefer.
Die Anreicherung sowohl von algen- als auch von terrestrischem Material kann durch eine höhere Bioproduktivität verursacht werden. Wahrscheinlicher aber erscheint eine fast auf null reduzierte Sedimentationsrate zu sein. So kann für die Dauer der Ablagerung der Horizonte 0,35m uα und 1,00m uα (einige wenige Jahre) ein relativ arides Klima angenommen werden, einhergehend mit sehr geringen Niederschlagsmengen und stark reduzierter Erosion.


Organic Matter Composition of Two Discrete Thin Layers from the Eocene Messel Oil Shale (Germany)
The Messel Pit fossil site near Darmstadt, Germany, is famous because of its numerous well-preserved mammal and other fossils, and therefore, in 1995 became a UNESCO-World Heritage (www.unesco-welterbe.de/en/).
The respective host rock, the Messel oil shale is still a matter of intensive studies. This dark, finely laminated organic rich mudstone, was deposited in a Maar lake in the Lower Middle Eocene about 47Ma ago during a time span of 1 to 1.5 Ma. One subunit, the so-called 'Middle Messel Formation' can be subdivided by several specifically named marker beds (M, α, β and γ), but also by some further layers with distinct macroscopic characteristics. The two layers investigated here represent green-brown deposits with a maximum thickness of up to one millimetre only. They are encountered at a level of 35 cm (herein after referred to as 'layer 0,35m uα') and 100 cm (herein after referred to as 'layer 1,00m uα') below Marker Bed α. Typically, both layers are extremely ductile, and thus can easily be manually separated like individual paper-like book-sheets from their adjacent host rock. Because of their leather-like plasticity, they must be considered to be rich in organic material. Accordingly, it was the objective of this study to reveal the type of organic matter they consist of.
This approach tested the lateral variation of organic matter of layer 0,35m uα and layer 1,00m uα by comparison of the molecular compositions exhibited by the analytical results of temperature programmed pyrolysis-gas chromatography and thermovaporisation-gas chromatography which need small sample amounts only. In addition, the molecular compositions of the C15+-soluble organic matter of the layers were compared to their adjacent host rocks. The bulk parameters like total organic carbon (TOC), total sulphur (TS), and the hydrogen index (HI) confirm higher contents of organic matter for both layers, with stronger enrichments for layer 1,00m uα. Layer 1,00m uα exhibits a surprising high sulphur content of 7 %, which can not be explained so far but may represent a high microbial degradation of the organic matter. In respect to the molecular compositions, influences by migrated organic matter can be excluded due to a maturity stage below 0.5% Rr (mean Tmax below 430 °C and a strong predominance of the odd- to-even-numbered n-alkanes).
Lipid compositions with predominance of the odd-numbered n-C23 to n-C31 alkanes pointing to high proportions of terrestrial plant material are in contrast to HI values above 620mgHC/ g TOC. Thus, high bacterial/microbial contributions have to be assumed which is confirmed by individual biomarker data. Both layers and the host rock have incorporated similar amounts of bacterial/microbial organic material. In contrast, layers 0,35m uα and 1,00m uα exhibit similar enrichments of algal and terrestrial plant organic matter compared to their host rock. In respect to the deposition of layers 0,35m uα and 1,00m uα, it is certain that both do not include any other kind of specific organic matter in comparison to their host rocks.
However, identical enrichments of both algal and terrestrial organic matter may be explained by increased bioproductivity, but much more probable seems a nearly to zero diminished sedimentary input. Accordingly, for the time of deposition of layers 0,35m uα and 1,00m uα, a short period of a relative arid climate, with extremely small amounts of rain fall and therefore, more or less no erosion can be assumed.

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Letzte Änderung: 07.06.2022