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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