Petrologia rozproszonej materii organicznej
ska³ karbonu pod³o¿a monokliny przedsudeckiej
Grzegorz J. Nowak
1Petrology of dispersed organic matter in Carboniferous rocks of the Fore-Sudetic Homocline basement. Prz. Geol., 64: 1005–1007.
A b s t r a c t. Intense program of shale gas prospecting in the territory of Poland is currently ongoing. Among the steps towards better examination of dispersed organic matter (DOM) in clastic Carboniferous rocks of the base-ment of the Fore-Sudetic Homocline are petrologic studies. The paper provides data on the DOM composition, kerogen type determination, and identification of thermal maturity degree of Carboniferous rocks in the basement of the Fore-Sudetic Homocline. In general, organic matter from the Carboniferous rocks is represented only by vitrinite and inertinite. Such composition of DOM permits to define it as humic organic matter typical for kerogen type III. Carboniferous rocks display a high and very high degree of thermal maturity, expressed by a wide range of vitrinite reflectance values (from below 1.50% to above 5.50%).
Keywords: dispersed organic matter, kerogen, vitrinite reflectance, thermal maturity degree, Carboniferous rocks in the basement of the Fore-Sudetic Homocline
Zintensyfikowany program poszukiwawczy gazu ziemnego w ska³ach ³upkowych paleozoiku, bêd¹cych potencjalnym Ÿród³em niekonwencjonalnych z³ó¿ tej kopaliny, powoduje piln¹ potrzebê kompleksowego rozpo-znania materii organicznej (MO) rozproszonej zarówno w ³upkach ni¿szego paleozoiku, jak i utworach drobnokla-stycznych karbonu pod³o¿a permu monokliny przedsudec-kiej. Badania petrologiczne materii organicznej umo¿-liwiaj¹ identyfikacjê jej sk³adu, co pozwala okreœliæ jej macierzystoœæ – typ kerogenu, oraz wyznaczyæ stopieñ dojrza³oœci termicznej na podstawie wyników pomiarów refleksyjnoœci (Ro) witrynitu. Badania takie stanowi¹ wa¿-ny element strategii poszukiwawczej z³ó¿ gazu w forma-cjach ³upkowych. Gaz ziemny wystêpuje w ³upkowych ska³ach macierzystych, których dojrza³oœæ osi¹gnê³a sta-dium okna generacji gazu.
W ostatnich latach nast¹pi³a intensyfikacja badañ MO (refleksyjnoœci i sk³adu macera³ów). Wynika to z pilnej potrzeby regionalnego rozpoznania stopnia dojrza³oœci ter-micznej oraz typu kerogenu ska³ paleozoiku Polski. Pre-zentowana praca omawia sk³ad macera³ów obecnych w ska³ach drobnoklastycznych karbonu pod³o¿a permu monokliny przedsudeckiej i trendy dojrza³oœci, na jakie wskazuj¹ wyniki pomiarów refleksyjnoœci witrynitu. Ni-niejszy artyku³ bazuje na rezultatach badañ petrologicz-nych materii organicznej rozproszonej w ska³ach karbo-nu, które nawiercono w piêciu otworach: Wrzeœnia IG 1, Marcinki IG 1, Wiêcki IG, Siciny IG 1 i Paproæ 29 (zob. ryc. 1 w Podhalañska i in., 2016). Z rdzeni tych otworów wyselekcjonowano 65 próbek skalnych, które by³y obiek-tem badañ mikroskopowych materii organicznej (Nowak, 2016). Zakres wykonanych badañ obejmowa³ identyfika-cjê macera³ów wraz z ich analiz¹ iloœciow¹ oraz interpre-tacjê uzyskanych wyników badañ, maj¹cych na celu okreœ-lenie typu kerogenu i stopnia dojrza³oœci termicznej na podstawie wyników pomiarów refleksyjnoœci witrynitu dla badanych próbek ska³ karbonu.
ROZPOZNANIE SK£ADU MACERA£ÓW I OKREŒLENIE TYPU KEROGENU
Przeprowadzona analiza petrograficzna materii orga-nicznej wystêpuj¹cej w utworach karbonu pod³o¿a permu monokliny przedsudeckiej wykaza³a obecnoœæ MO o sto-sunkowo monotonnej kompozycji. Stwierdzono w nich wystêpowanie macera³ów g³ównie dwóch podstawowych grup – witrynitu i inertynitu, bêd¹cymi humusowymi sk³adnikami materii organicznej.
Witrynit – w badanych ska³ach karbonu zaobserwo-wano dwie generacje tego macera³u: 1) autochtoniczny (pierwotny) witrynit i 2) allochtoniczny (wtórny) – redepo-nowany, ró¿ni¹ce siê barw¹, refleksyjnoœci¹ i form¹ wystê-powania. Witrynit pierwotny wystêpuje zwykle w formie drobnych i cienkich pasemek oraz niewielkich fragmentów (witrodetrynit).
Powszechnie wystêpuj¹cym komponentem organicz-nym ska³ karbonu pod³o¿a permu monokliny przedsudec-kiej jest bardzo drobnodetrytyczna humusowa materia organiczna o rozmiarach fragmentów poni¿ej 5 μm. Tak ma³a wielkoœæ u³amków organicznych w znacz¹cej liczbie przypadków uniemo¿liwia jednoznaczne rozpoznanie ich pochodzenia i przyporz¹dkowanie do grupy witrynitu b¹dŸ inertynitu. Ze wzglêdu na wy¿sz¹ frekwencjê w sk³adzie MO badanych próbek witrynitu i powszechnoœæ tego ma-cera³u w ska³ach karbonu, mo¿na z du¿ym prawdopodo-bieñstwem przypuszczaæ, ¿e w przypadku opisywanej od-miany materii organicznej dominuj¹ca czêœæ drobnych okruchów organicznych reprezentuje witrynit, a inertynit stanowi tylko domieszkê. Tê kategoriê rozproszonej mate-rii organicznej ze wzglêdu na jej humusowy charakter i stan zachowania fragmentów MO okreœlono jako detrytus humusowy.
W badanych próbkach ska³ karbonu nie stwierdzono obecnoœci macera³ów grupy liptynitu. Oznaczono nato-miast incydentalne wystêpowanie ich wysoko
przeobra-1005 Przegl¹d Geologiczny, vol. 64, nr 12, 2016
1
Pañstwowy Instytut Geologiczny – Pañstwowy Instytut Badawczy, Oddzia³ Dolnoœl¹ski, al. Jaworowa 19, 53-122 Wroc³aw; grzegorz.nowak@pgi.gov.pl.
¿onych modyfikacji – sfuzynitowanego sporynitu i algi-nitu. Brak macera³ów z grupy liptynitu wynika z wysokie-go stopnia dojrza³oœci termicznej badanych ska³. Sk³adni-kami lipoidalnymi w badanym materiale rdzeniowym s¹ niezbyt czêsto wystêpuj¹ce fluoryzuj¹ce sta³e bituminy identyfikowalne w œwietle ultafioletowym.
Inertynit – jest grup¹ sk³adników organicznych pow-szechnie wystêpuj¹cych w ska³ach karbonu z pod³o¿a mo-nokliny przedsudeckiej (Nowak, 2003). W badanych ska-³ach macera³y z grupy inertynitu s¹ reprezentowane przede wszystkim przez inertodetrynit, a czasami w przypadku wystêpowania wiêkszych fragmentów inertynitu jest mo¿-liwe rozpoznanie fuzynitu, semifuzynitu, sekretynitu czy funginitu.
Opisane powy¿ej komponenty MO, wystêpuj¹ce w ba-danych próbkach przedstawiono na rycinie 1.
Materia organiczna rozproszona w badanych utworach karbonu charakteryzuje siê przede wszystkim dominacj¹ w jej sk³adzie humusowych komponentów MO o terrestrial-nym (l¹dowym) pochodzeniu. Ska³y te praktycznie nie zawieraj¹ materii organicznej o wysokim udziale wodoru, reprezentowanej przez macera³y grupy liptynitu. Najlicz-niej wystêpuje w nich witrynit wraz z detytusem humuso-wym (66–100%) i inertynit (do 22%). W tym miejscu nale¿y tak¿e zwróciæ uwagê na powszechnoœæ wystêpo-wania redeponowanego witrynitu (do 18%) w sk³adzie materia³u organicznego. Taki sk³ad MO rozproszonej w ba-danych ska³ach karbonu pod³o¿a monokliny przedsudec-kiej jest typowy dla morskich osadów turbidytowych (Wel-te i in., 1997; Taylor i in., 1998; Nowak, 2003).
Wyniki iloœciowej analizy macera³ów materii orga-nicznej wystêpuj¹cej w utworach karbonu pod³o¿a permu monokliny przedsudeckiej wskazuj¹ na jej jednolity cha-rakter. Dominacja witrynitu w sk³adzie rozproszonego materia³u organicznego pozwala zakwalifikowaæ badane utwory karbonu pod³o¿a monokliny przedsudeckiej jako III typ ska³ macierzystych (kerogenu).
STOPIEÑ DOJRZA£OŒCI TERMICZNEJ
Otrzymane wyniki pomiarów œredniej zdolnoœci od-bicia œwiat³a – refleksyjnoœci witrynitu, wskazuj¹ na zazwyczaj stosunkowo wysoki i bardzo wysoki stopieñ dojrza³oœci termicznej materii organicznej badanych ska³
karbonu, który jest typow¹ cech¹ dla tych utworów (por. Nowak, 2003). Pomierzone wartoœci Ro witrynitu dla ba-danych próbek ska³ karbonu pod³o¿a monokliny przed-sudeckiej rejestruj¹ kilka zdarzeñ termicznych, jakim te utwory by³y poddane. Pierwsze z nich spowodowa³o osi¹g-niêcie przez rozproszon¹ materiê organiczn¹ stopnia doj-rza³oœci termicznej charakterystycznego dla katagenezy – g³ównego stadium gazowego (tzw. okna gazowego), co ilustruje przedzia³ wartoœci refleksyjnoœci witrynitu 1,49–1,94% z otworów Siciny IG 1 i Paproæ 29 oraz próbki z g³êbokoœci 4959,30 i 4988,50 m z otworu Wrzeœ-nia IG 1.
Pozosta³e próbki z otworu Wrzeœnia IG 1 (z g³êb.: 5063,20–5495,50 m) oraz Marcinki IG 1 (z g³êb.: 2143,70– –2793,80 m) wskazuj¹, ¿e pod wzglêdem dojrza³oœci ter-micznej badane osady reprezentuj¹ stadium metagenezy – suchego gazu (metanu). Wyniki pomiarów Ro witrynitu dla tych ska³ reprezentuj¹ przedzia³ 2,23–3,40%.
Najwy¿szy stopieñ dojrza³oœci termicznej obejmuj¹cy fazê przejrza³¹ (p³onn¹ dla wêglowodorów), o wartoœciach
Ro witrynitu zawartych w przedziale 4,24–5,74%
odno-towano w ska³ach nastêpuj¹cych otworów: Marcinki IG 1 (z g³êb.: 2891,00–4179,20 m) oraz Wiêcki IG 1 (z g³êb.: 1635,20–2835,00 m).
Liczba przebadanych próbek chocia¿ wysoka, to jed-nak stanowi pewnego rodzaju wyrywkowy materia³ ba-dawczy. Analiza uzyskanych wyników pomiarów reflek-syjnoœci witrynitu jest z tych wzglêdów utrudniona. Nie zawsze wzrost wartoœci Ro witrynitu nastêpuje wraz z g³ê-bokoœci¹. W przypadku ska³ karbonu pod³o¿a monokliny przedsudeckiej nale¿y wzi¹æ pod uwagê wystêpuj¹c¹ i udokumentowan¹ redepozycjê osadów (Górecka-Nowak, 2007, 2008, 2009, 2010) potwierdzon¹ kompleksow¹ ana-liz¹ strukturaln¹ i regionaln¹ (Mazur i in., 2010). Interpe-ruj¹c otrzymane wyniki, nasuwa siê sugestia, ¿e na wartoœæ
Ro wiêkszy wp³yw ma lokalizacja otworów ni¿ g³êbokoœæ
z jakiej próbka pochodzi.
Stopieñ przeobra¿enia materii organicznej rozproszo-nej w ska³ach karbonu pod³o¿a monokliny przedsudeckiej jest wysoki. Wartoœci refleksyjnoœci witrynitu zmieniaj¹ siê w szerokich granicach (w przedziale od poni¿ej 1,50% do ponad 5,50% Ro witrynitu). Zazwyczaj uzyskane warto-œci Ro witrynitu odpowiadaj¹ stadiom od generacji gazów 1006
Przegl¹d Geologiczny, vol. 64, nr 12, 2016
Ryc. 1. Materia organiczna w osadach karbonu w pod³o¿u monokliny przedsudeckiej. A – otwór wiertniczy Siciny IG1, g³êb. 2273,35 m, œwiat³o bia³e, imersja; B – otwór wiertniczy Paproæ 29, g³êb. 3456,30 m, œwiat³o bia³e, imersja; WT – witrynit, IND – inertodetrynit Fig. 1. Organic matter in the Carboniferous sediments of the Fore-Sudetic Homocline. A – Siciny IG 1 borehole, depth 2273.35 m, white light, immersion; B – Paproæ 29 borehole, depth 3456,30 m; white light, immersion;WT – vitrinite, IND – inertodetrinite
po fazê destrukcji wêglowodorów. Wczeœniejsze doœwiad-czenia autora (Nowak, 1999, 2003) wskazuj¹, ¿e g³ówn¹ fazê generacji gazów wykazuj¹ ska³y karbonu pod³o¿a pó³nocno-zachodniej i zachodniej czêœci monokliny przed-sudeckiej. Z kolei w kierunku po³udniowym, po³udnio-wo-wschodnim oraz wschodnim obserwuje siê znacz¹cy wzrost stopnia metamorfizmu organicznego wyra¿ony wysokimi wartoœciami refleksyjnoœci witrynitu.
PODSUMOWANIE
Badane utwory karbonu pod³o¿a permu monokliny przedsudeckiej to osady pr¹dów zawiesinowych. Podane powy¿ej informacje na temat sk³adu rozproszonej materii organicznej pozwalaj¹ wnioskowaæ o jej pochodzeniu, co jest szczególnie istotne w aspekcie mo¿liwoœci generacji wêglowodorów. Kompozycjê MO stanowi¹ g³ównie witry-nit i inertywitry-nit z domieszk¹ redeponowanego witrywitry-nitu, re-prezentuj¹c humusowy typ materia³u organicznego (III typ kerogenu). Badane ska³y karbonu przesz³y zaawansowan¹ ewolucjê termiczn¹, która doprowadzi³a do wysokiego stopnia uwêglenia (dojrza³oœci termicznej) rozproszonej w nich materii organicznej, która osi¹gnê³a stadia katagene-tyczne, metagenetyczne oraz przejrza³e, zdefiniowane przedzia³em wartoœci refleksyjnoœci witrynitu od poni¿ej 1,50% do powy¿ej 5,50%, odpowiadaj¹c fazom generacji gazów po przejrza³¹ (p³onn¹ dla wêglowodorów). Ska³y karbonu pod³o¿a pólnocno-zachodniej i zachodniej czêœci monokliny przedsudeckiej znajduj¹ siê w g³ównej fazie generacji gazów. W kierunku po³udniowym, po³udniowo-wschodnim oraz po³udniowo-wschodnim obserwuje siê znacz¹cy wzrost stopnia metamorfizmu materia³u organicznego wyznaczonego wysokimi wartoœciami Ro witrynitu, które odpowiadaj¹ zakresom przejrza³ym.
Recenzentce dr hab. Irenie Matyasik (INiG-PIB) dziêkujê za zrecenzowanie artyku³u. Badania, których wyniki przedstawiono w artykule, zosta³y wykonane w ramach projektu „Rozpoznanie
stref perspektywicznych dla wystêpowania niekonwencjonalnych z³ó¿ wêglowodorów w Polsce, etap I” i by³y finansowane przez Narodowy Fundusz Ochrony Œrodowiska i Gospodarki Wodnej (umowa dotacji z dn. 5.11.2013 r. nr 784/2013/Wn-07/FG-SM-DN ).
LITERATURA
GÓRECKA-NOWAK A. 2007 – Palynological constraints on the age of Carboniferous clastic succession of western Poland, Geol. Quart., 51 (1): 39–56.
GÓRECKA-NOWAK A. 2008 – New interpretations of the Carbonife-rous stratigraphy of SW Poland based on miospore data. Bull. Geosci., 83 (1): 101–116.
GÓRECKA-NOWAK A. 2009 – Palynological data from Siciny IG 1 and Marcinki IG 1 boreholes and their significance in the recognition of the Carboniferous succession of SW Poland. Geol. Quart., 53 (2): 167–186.
GÓRECKA-NOWAK A. 2010 – Complementary data on the palyno-stratigraphy of the Carboniferous succession of SW Poland. Geol. Quart., 54 (3): 337–356.
MAZUR S., ALEKSANDROWSKI P., TURNIAK K., KRZEMIÑSKI L., MASTALERZ K., RUNDACH A., GÓRECKA-NOWAK A., KUROWSKI L., KRZYWIEC P., ¯ELANIEWICZ A. & FANNING M.C. 2010 – Uplift and late orogenic deformation of the Central European Variscan belt as revealed by sediment provenance and structural record in the Carboniferous foreland basin of western Poland. Inter. J. Earth Sci. (Geologische Rundschau), 99: 47–64.
NOWAK G.J. (red.) 1999 – Analiza mo¿liwoœci generacji wêglow-odorów w ska³ach karbonu pod³o¿a monokliny przedsudeckiej w œwie-tle badañ materii organicznej. Nar. Arch. Geol. PIG-PIB,
Wroc³aw–Warszawa.
NOWAK G.J. 2003 – Petrologia materii organicznej rozproszonej w póŸnopaleozoicznych ska³ach osadowych po³udniowo-zachodniej Pol-ski. Cuprum, 4 (29): 3–209.
NOWAK G. 2016 – Wyniki badañ petrologicznych materii organicznej rozproszonej w ska³ach karbonu pod³o¿a monokliny przedsudeckiej. [W:] Podhalañska T. (red.), Rozpoznanie stref perspektywicznych dla wystêpowania niekonwencjonalnych z³ó¿ wêglowodorów w Polsce, etap I. Nar. Arch. Geol. PIG-PIB, Warszawa.
PODHALAÑSKA T., WAKSMUNDZKA M.I., BECKER A. & ROSZ-KOWSKA-REMIN J. 2016 – Rozpoznanie stref perspektywicznych wystêpowania niekonwencjonalnych z³ó¿ wêglowodorów w Polsce – nowe wyniki oraz dalsze kierunki badañ. Prz. Geol., 64 (12): 953–962. TAYLOR G.H., TEICHMÜLLER M., DAVIS A., DIESSEL C.F.K., LITTKE R. & ROBERT R. 1998 – Organic Petrology. Gebrüder Borntraeger. Berlin-Stuttgart.
WELTE D.H., HORSFIELD B. & BAKER D.R. (red.) 1997 – Petro-leum and basin evolution. Springer-Verlag, Berlin.
1007 Przegl¹d Geologiczny, vol. 64, nr 12, 2016
