Zeitschrift für Angewandte Geologie: Band 17, Heft 11 November 1971 [Reprint 2021 ed.] 9783112560327, 9783112560310

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ZEITSCHRIFT FÜR A N QE WANDTE QEOLOQIE

AUS DEM INHALT

R . Meier, W . Bartmann, M. G. Waljaschko & N. S. Kusajewa Die Rubidiumverteilung in Hartsalz/Carnallitit-Übergängen des Kaliflözes Staßfurt in der Deutschen Demokratischen Republik C. W . Kudakow Über die Natur der Erdölporphyr ine am Beispiel des Wolga—Ural-Gebiets

H ERAUSQEQEBEN VOM ZENTRALEN GEOLOGISCHEN INSTITUT IM AUFTRAG DES STAATSSEKRETARIATS FÜR GEOLOGIE

F. Hafner Anwendung der instationären Strömungstheorie auf Probleme der frühzeitigen Vorratseinschätzung in Erdgaslagerstätten L. E . Lewin & E . Chain Die tektonischen Voraussetzungen und Besonderheiten der Erdöl-Erdgas-Akkumulation im System des Weltozeans Ch. Geissler Zur Isotopenanalyse des organischen Kohlenstoffs geologischer Proben

AKADEMIE

-VERLAG

• BERLIN

BAND 17 I H E F T

J . JL

NOVEMBER 1971 SEITE

449-496

PREIS: 6 , - M Sonderpreis DDRi 2,— M

INHALT

COßEPJKAHHE

MEIER, R . , W . BARTMANN, M . G . WALJASCHKO & N . S . KITSAJEWA

Die Rubidiumverteilung in. I l a r t salz/Carnallitit-Übergängen des Kaliflözes Staßfurt in der Deutschen Demokratischen R e p u blik

Pacnpe^ßJieuHe py6wj;nH B nep e x o f l a x TBepaan itaMeHHaa cojit-KapHaJiJiHT B njiacTe Ka-

KAPUSTIN, I. N .

Die Rolle des tektonischen F a k tors bei der Bildung der Salzkuppelstrukturcn. Dargestellt a m Beispiel der Norddeutschen Senke

Pojlb TGKTOHHHGCKOrO (JiaKTOpa

Kriterien der Diagnose von E r d -

KpHTepHH

RODIONOWA, K . F . , & S . P . MAKSIMOW

öl-Erdgas-Muttergesteinen

jiHHHtix

cojieii

CONTENTS

IIlTacij)ypT

B

TepMaHCKOfi fleMOKpaTHieOKoii PecnyÖMKe

B

lj)OpMHpOBaHHH

«WIHHO-

Kynojibiibix CTpyKTyp (Ha npHMepe CeBepo-FepMancKoä BnaniiHM) ÄnarHocTHKii

Tera30H0CH0CTH

The Distribution of Rubidium in 449 Transitions from H a r d Salt to Carnallitite of the Stassfurt Potash S e a m in the Germ a n Democratic Republic Role of the Tectonic F a c t o r in 454 . the Formation of Salt Dome Structures. Illustrated by the North German Depression

He$-

Criteria for Diagnosing Oil a n d 460 Gas Mother Rocks

RUDAKOW, G . W .

Über die N a t u r der Erdölporphyrine a m Beispiel des Wolga— Ural-Gebiets

O n p i i p o a e nop$iipHHOB ne$Teii n a n p H M e p e p a ö o n a ITIEJKFLY

On the Nature of Oil Porphyrin©», 464 Illustrated by the Volga —Ural District

IIÄFNER, F .

Anwendung der instationären Strömungstheorie auf Probleme der frühzeitigen Vorratseinschätzung in E r d g a s l a g e r s t ä t ten

npHMeHenne

The Instationary Theory of Flow 465 as Applied to Problems of a n E a r l y E s t i m a t e of Resources in N a t u r a l Gas Deposits

Die telctouischen Voraussetzungen und Besonderheiten der Erdöl-Erdgas-Akkumulation im S y s t e m des Weltozeans

TenTOHHHecKiie npennocbiJiKn H

GEISSLER, CH.

Zur Isotopenanalyse des organischen Kohlenstoffs geologischer Proben

K

H30TonnoMy aiiamray o p r a HHHGCKoro yrnepoAa r e o n o n i qecKHX npo5

Isotype Analysis of Organic Car- 484 bon in Geological S a m p l e s

KTTRDJUKOW, A . A .

Die Redoxeigenscliaften von Gesteinen, die neben Schwarzschiefern mit Uranvererzung liegen

BoccTaHOBHTenbHHe CBOöCTBa nopoÄ, pacnoJiOHteuHLix pnHom c qepHbiMii cJiaHijaMii c

T h e R e d o x Properties of R o c k s 488 L y i n g near B l a c k Schists with Uranium Mineralization

SCHARFMAN, W . S .

Die Kennzeichen von Schlot- und schlotnahen Zonen an erodierten Paläovulkanen

IIpH3HaKH Hcepjia H npiiJKepjioBOX 30Ha 3poniipoBaHHbix najieoByjiitaHax

The Characteristics of Vent a n d 490 Near-Vent Zones on E r o d e d Palaeovolcanoes

LEWIN, L . E . , & E . CHAIN

Buchbesprechungen, Informationen, Kurznachrichten

Bojiroiî H ypajiOM

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CjieM o n e m ; n o a n a c o B n a 30BbIX MeCTOpOWAeitHHX p a H H H X CTaflHHX paÖOT

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YPAHOBUM OPY^ENEHHEM

T h e Tectonic Prerequisites and 475 Peculiarities of the Oil and G a s Accumulation within the Syst e m of the World Ocean

492

Die Z E I T S C H R I F T F Ü R A N G E W A N D T E G E O L O G I E berichtet ständig über folgende Arbeitsgebiete: Geologische Grundlagenforschung und Lagerstättenforschung / Methodik der geologischen E r k u n d u n g / Ökonomie und Planung der geologischen E r k u n d u n g / Technik der geologischen Erkundung / Geologie und Lagerstättenkunde im Ausland. In der Zeitschrift können alle strittigen F r a g e n der praktischen Geologie behandelt werden. Die Autoren übernehmen für ihre Aufsätze die übliche Verantwortung.

ZEITSCHRIFT FOR A N ÇE W A N D T E QEOLOQIE

KOLLEKTIVE

CHEFREDAKTION

Dr. K. K A U T E R (Redaktionssekretär) Prof. Dr. F. S T A M M B E R G E R Dr. habil. G. T I S C H E N D O R F

Träger der Ehrennadel in Gold der Gesellschaft (ür

DeUFrtnd0schafrhe

BAND 17 • NOVEMBER 1971 • HEFT 11

Die Rubidiumvert eilung in Hartsalz/Carnallitit-Übergängen des Kaliflözes Staßfurt in der Deutschen Demokratischen Republik R . MEIER, W .

BARTMANN, B e r l i n ,

M . G . WALJASCHKO & N . S . K U S A J E W A , M o s k a u

(Mitteilung Nr. 174 aus dem Zentralinstitut Physik der Erde, Berlin) 1. Einleitung und Problemstellung Carnallitite und verschiedene, in sich jeweils gesetzmäßig verknüpfte sulfatische Sylvingesteine (Hartsalze) sind die Hauptgesteine des Kaliflözes Staßfurt der Zcchstein-Serie 2. Nach feinstratigraphischen und petrographischen Arbeiten der letzten J a h r e sind die Carnallitite als primäre Gesteine aufzufassen, aus denen sich partiell noch vor Ablagerung des nachfolgenden Schichtglieds, des Grauen Salztons (T3), durch vorherrschende aszendente, aber auch durch deszendente Umlösung sulfatische Sylvingesteine und Vertaubungen zu entwickeln beginnen (s. u. a. MÖTZING 1966, MEIER 1965, 1969b, DÖHNER 1968). Von besonderem Interesse sind die Übergänge der Hauptgesteinstypen. Im folgenden wird über die Rb-Verteilung in solchen Übergängen berichtet, die Br-Verteilung zum Vergleich herangezogen und unsere Schlußfolgerung zur Genese des Hartsalzes mitgeteilt.

Das K 2 wird in eine Liegend- und eine Hangendgruppe geteilt (TINNES 1928). Die weitere Untergliederung erfolgt bereits seit RozSA (1913) durch sogenannte Steinsalzleitbänke, die durch Kalisalzzwischenmittel verschiedener Mächtigkeit getrennt sind. Die feinstratigraphische Unterteilung der Zwischenmittel ist ebenfalls möglich (MEIER 1965, 1969a, 1969b). Im Arbeitsgebiet (Abb. 1.) ist im Subherzynen Becken nur die Hangendgruppe wirtschaftlich kalisalzführend; im Unstrul.-Kalirevier beginnt die wirtschaftliche Ausnutzbarkeit bereits in der oberen Liegendgruppe. 3. Stand der IIb-Untersuchungen im Kaliflöz Staßfurt Der Nachweis von R b in Kalisalzmineralen gelang

1

Angewandte Geologie, Heft 11/71

konkreten, aus der Lagerstätte stammenden Rb-Werten noch nicht sehr günstig. Für die Diskussion unserer Werte sollen Modelle von KÜHN (1968) und HOITMANN (1964) herangezogen werden.

iStaDfurt

iif^iMSii

w

Sangerhausen Querfurt 5%

2. Huminkoeffizient

frühes Braunkohlenstadium (!!,_ J > 50%

25-50%

10-25%

> 6

4. Öle (Kohlenwasserstoffe) im Bitumen

< 10%

10-20%

20-30%

> 30%

5. Kohlenwasserstoffkoeffizient

< 0,3%

0,3-1,0%

1-2%

2-5,6%

6. Atomares Verhältnis H/C in der Elementzusammensetzung des Bitumens Ach[

< 0,75

1,25-1,5

> 1,5

0,75-1,25

2-1

< 10%

3. Neutralitätskoeffizient (K/N")

7. Atomares Verhältnis O/C in der Elementzusammensetzung des Bitumens Achi

6-2

spätes Braunkohlenstadium (B s )

< 1

mittleres Steinkohlenstadium

mittleres Steinkohlenstadium

(B,-,)

Braunkohlenstadium — frühes Steinkohlenstadium (B 3 —E)

5 % . Vorherrschen des Limonits

gemischt oxydiert

Braunkohlengrad

kontinentale und halbkontinentale von hellen bis zu schwarzen. Es herrschen Kaolinit und Hydroglimmer vor.

suboxydative und oxydierte; Gehalt an „Reaktions"-Fe > 5 % . Es herrscht Limonit vor.

vorwiegend humos, oxydiert

Erdgasmuttergesteine

und

humos,

(BJ-E)

dito

Menge im Gestein Organische Substanz

Verhältnis Kohlenwasserstoffkoeffizient

Koeffizient Neutr. K/isr

3-5,5

Bitumenchi

%

Kohlenwasserstoffe g/m3

2-10

0,1-2,0

1000

1-3

0,07-0,3

500-1000

1,5-3

0,5 —1,5

0,04-0,01

200-500

0,001 — 0,02 0,01-0,1

•%

0,02-0,5 0,5-25

M/N" der Kohlenwasserstoffe

CPI in den nParaffinen

0,5-0,3

> 10

1 und < 1

0,7-2

> 5

1-1,2

0,4-1,0

1-3

~ 1

1,2-1,5

< 200

0,1-0,2

2-9

< 1

2-5

5-200

0,1-0,02

5-11

—0

5-7

bonatisch-tonigen Pakete, die mit organischer Substanz und syngenetischen Kohlenwasserstoffen angereichert sind (3 bis 10% und entsprechend 0,5 bis 10 kg/m 3 ); so sind sie im Bereich der Romaschkinoer Lagerstätte ungefähr 4 Meter, in der Schkapowoer Lagerstätte 5 bis 6 Meter, im Kuibyschew—Orenburger TranswolgaGebiet bis zu 10 Meter und im Bereich der Einsenkung v o n Rjasan—Saratow und ihrer südöstlichen Fortsetzung über 10 Meter mächtig.

Die karbonatisch-tonigen Pakete des sogenannten „schwarzen" oder „Zwischen-Kalksteins" des Mullinoer Horizonts der Givet-Stufe sind lediglich am südöstlichen Abhang des Tatarischen Gewölbes verbreitet (Lagerstätte v o n Sehkapowo). Seine bituminologische Charakteristik k o m m t derjenigen nahe, die für den „mittleren Kalkstein" festgestellt ist. Der Unterschied besteht in einer gewissen sekundären Oxydation der organischen Substanz in einzelnen Bereichen.

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 17 (1971), Helt 11 RODIONOWA & MAKSIMOW

/ Diagnose von Erdöl-Erdgas-Muttergesteinen

Die tonigen, karbonatisch-tonigen und karbonatischen Varietäten der Domanikowoer Fazies des Kynower (Schugurowoer), des Domanikowoer und des Mendymer Horizonts der Frasnes-Stufe erscheinen im System der alten Melelcess-Radajewer und der alten Abdulinoer Einsenkung und der östlichen Fortsetzung der letzteren. Die geochemische Charakteristik der organischen Substanz dieser Gesteine ist derjenigen ähnlich, die für die Gesteine des „mittleren Kalksteins" festgestellt worden ist. Einige Unterschiede sind in der Gruppenzusammensetzung der K W der Öle festgestellt worden. Die organische Substanz der analogen lithologischen Varietäten, die sich aber unter schwachen geochemischen Reduktionsverhältnissen bei niedrigem Wasserstand gebildet haben (Semilukaer Ablagerungen), ist charakterisiert durch einen merklichen Oxydationsgrad in der Sedimentogenese oder frühen Diagenese, durch einen geringeren Gehalt an Kohlenwasserstoffen (ungefähr 1 % ) und durch ein Überwiegen beziehungsweise einen erheblichen Anteil von zyklischen Strukturen in den letzteren. Die genannten Gesteine können zu der Kategorie der „günstigen" oder aber sogar der armen Erdölmuttergesteine gerechnet werden, und an einigen Stellen sind sie offensichtlich Erdgasmuttergesteine. Analogien zu der Domanikowoer Fazies wurden auch in den Gesteinen der Famenne-Stufe des Devons des Ural—Wolga-Gebiets sowie in der Pripjat-Depression (Transdon—Jelez-Ablagerungen) festgestellt, die ihrem Habitus nach den „guten" und stellenweise sogar den „sehr guten" Erdölmuttergesteinen entsprechen. Die Gesteine der Domanikowoer Fazies der TournaiStufe der Steinkohlenablagerungen tretenim Rahmen des südlichen Teiles des Systems der Kama-Kinel'-Depressionen und seiner östlichen Fortsetzung (zur Vorural-Depression hin) auf. Sie sind (wie auch die analogen Gesteine des Devons) durch ein Vorherrschendes sapropelitischenTyps der organischen Substanz charakterisiert, die ein mittleres Steinkohlenstadium (G) der Metamorphose erreicht hat, angereichert mit syngenetischen Kohlenwasserstoffen bei Vorherrschen von Methan-Naphthen-Fraktionen. Die karbonatisch-tonigen Gesteine des Tulaer Horizonts der Vise-Stufe in den Depressionen des südöstlichen Teils der Russischen Tafel können ebenfalls zu den „guten" Erdölmuttergestemen gerechnet werden. Im westlichen und nördlichen Teil des Systems der Kama-Kinel'-Depressionen gehören diese zu den „günstigen" Erdölmuttergesteinen. Von der Tournai-Zeit angefangen, verringern sich im Wolga—Ural-Gebiet die Zonen, welche für die Bildung von Erdölmuttergesteinsablagerungen günstig sind. Insbesondere ist das für die oberbaschkirische und für die frühwerejasche Zeit zu bemerken. „Gute" Erdölmuttergesteine des genannten Alters wurden lediglich für den südöstlichen Teil des Systems der Kama-Kinel'-Depressionen festgestellt. In dieser Zone und in der Voruraldepression wurden lokale Analogien zur Domanikowoer Fazies und zu den oberen Steinkohlenablagerungen festgestellt.

463

Im nördlichen Teil des Systems der Kama-Kinel'-Depressionen wurden in der Steinkohlenepoche dank des Vorhandenseins des im Nordosten nahegelegenen kontinentalen Festlandes pflanzliche Überreste in die Ablagerungen eingetragen, die beim Transport eine starke Oxydation durchmachten. Daher besitzt die in den Gesteinen gebildete organische Substanz vom gemischten sapropelitisoh-humosen oder vorwiegend humosen Typ Fusit-Charakter mit niedrigem Bitumenkoeffizienten (bis zu 0,5%) und niedrigem Kohlenwasserstoffkoeffizienten (bis zu 0,1%). Außerdem bedingt das verhältnismäßig geringe Absinken der Schichten (bis zu 1000 m) das niedrige Stadium ihrer Umwandlung, die nicht über das mittlere Braunkohlcnstadium hinausgeht. Die in Frage stehenden Gesteine können lediglich zu den Erdgasmuttergesteinen gerechnet werden. Im östlichen Teil der Russischen Tafel entstanden für die Bildung von Erdölmuttergesteinssedimenten günstige Verhältnisse auch in der Perm-Zeit, in der Asselskojer, der Artinsker und lokal auch in der Kungur-Zeit. Jedoch wurde, wie auch in der Visé- und in der Baschkirischen Zeit, die in den Ablagerungen hineingetragene organische Substanz mit einer merklichen Beimengung allochthonen humosen Materials vermischt. Von den untersuchten prädevonischen Ablagerungen enthält lediglich der obere Teil der Bawlyer Gesteinsfolge „günstige" Ejdölmuttergesteine. Bei ihren in einzelnen Gebieten des zentralen Teils der Russischen Tafel erschlossenen Äquivalenten wurden die mit organischer Substanz (bis zu 7%) und neutralen bituminösen Komponenten (,AoM) bis zu 0,45% von hohem Umwandlungsgrad angereicherten tonigen Gesteine der Redkinoer Folge festgestellt. Die genannten Gesteine können als gute Erdölmuttergesteine klassifiziert werden. Doch der hohe Grad der Umwandlung der organischen Substanz in ihnen stellt diese Gesteine an die Grenze der Gasmuttergesteine (mit schweren Gasen). Leider sind ihre Mächtigkeiten und Verbreitungsgebiete bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch ungenügend untersucht. Im östlichen Vorkaukasus können die Argillite der Trias, die bis zu 5 % organische Substanz vom gemischten sapropelitisch-humosen Typ und bis zu 0,25% Bitumen-A c h l von genügend hohem Umwandlungsgrad (B 3 und E) einschließen, ebenfalls zu den „guten" Erdölmuttergesteinen gerechnet werden. Zu den „guten" und „günstigen" Erdölmuttergesteinen können auch die tonigen und karbonatisch-tonigen Varietäten vom Jura—Neokom-Alter der Amu-Darjaund der Murgab-Senke mit gemischter und mit sapropelitischer organischer Substanz (bis zu 1 — 1,7%) und mit einer Menge von Kohlenwasserstoffen bis zu 450—720 g/ m 3 gerechnet werden. In den känozoischen Ablagerungen des westlichen Vorkaukasus gehören die karbonatisch-tonigen Varietäten der Kumskojer Gesteinsfolge zu den „sehr guten" und zu den „guten" Erdölmuttergesteinen,

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 17 ( 1 9 7 1 ) , Heft 1 1 R u d a k o w / Ü b e r die N a t u r d e r E r d ö l p o r p h y r i n e

464

über die Natur der Erdölporphyrine am Beispiel des Wolga-Ural-Gebiets G. W . R u d a k o w , T j u m e n

Bekanntlich haben die Porphyrine, die zuerst von H a b e k l a n d t (1944) in den K a r b o n a t e n

hydrothermaler

Entstehung entdeckt und von ihm zu den nichtorganischen Substanzen gestellt wurden, eine weite Verbreitung ( F l o r o w s k a j a 1964) in der Natur. Sie sind nicht nur in Sedimentgesteinen, sondern auch in Mineralzusammensetzungen von endogener Entstehung, in Tiefenwässern und in Erdölen anzutreffen. Eine Anreicherung mit Porphyrinen ist auch in Schwerölen zu beobachten. Nach

Riecker

(1962)

wurden

Porphyrine

in

halb-

flüssigen Bitumina mit einer Dichte von 1,0366 g/cm 3 auf der Lagerstätte MacMurrey im Staate Alberta (Kanada) gefunden, während sie praktisch in bestimmten Leichtölen fehlen. Das konnte auch von K r o p o t k i n (1959) bestätigt werden. Die Erdöle werden je nach der Verbreitung von bestimmten Metallporphyrinkomplexen in ihnen von N. P. K u s n e z o w (1946) in vier T y p e n eingruppiert. Zu einem

solchen Typ gehören die Erdöle de§ Wolga—Ural-Gebiets, die Porphyrine enthalten, die ihre Spektralcharakteristik bei Zugabe des EHBLICH-Reaktivs nicht ändern. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die genannten Erdöle von denen in Baku, auf Sachalin und anderer Fundpunkte. Zwischen den Porphyrinen der Erdöle und den Porphyrinen pflanzlicher oder tierischer Entstehung besteht keine Identität. Der Unterschied liegt in der begrenzten Anzahl ihrer in den Erdölen anzutreffenden Typen.

Das veranlaßte M e e n s c h e i n

(1959),

der die Hypothese von der organischen Entstehung der Porphyrine unterstützt, zu der Vermutung, daß nicht alle in Gesteinen vorhandene disperse organische Substanz in Erdöl übergehen kann, da lediglich ihr löslicher Anteil extrahiert werden kann. Andererseits zeugt das Vorkommen von aromatischen Verbindungen mit kondensierten Kernen vom Typ 1-2-Benzanthren, Triphenyl, Chrysen, Perylen u. a., die nicht in Erdölen anzutreffen sind, aber in den aus disperser organischer Substanz gebildeten Bitumina vorkommen, ebenfalls von dem Ablauf von Extraktionsprozessen, bei denen Kohlenwasserstoffe mit hochkondensierten Kernen während der Migration des Erdöls nicht aus den Sedimentgesteinen extrahiert werden. Die Vorstellungen über die Extraktion der Porphyrine aus dem umgebenden Medium im Migrationsprozeß des Erdöls sind nicht neu ( N a g y & W o u r m s 1958,

Rudaxow

1 9 6 3 , T r e i b s 1 9 3 4 ) . A u ß e r d e m z e i g t e n die U n t e r s u c h u n gen

Dttnnings

und

seiner Mitarbeiter (1960), daß

die

Porphyrine natürliche oberflächenaktive Substanzen sind und daß die Metallporphyrinkomplexe die Benetzbarkeit der Gesteine verbessern. So können die Porphyrine nicht nur durch Erdöl aus den Nebengesteinen extraAus: „Geologija i raswedka", Nr. 2, S. 8 8 - 9 0 (1970). Übeis.: H. Patze, Berlin.

hiert, sondern auch aus diesen entfernt werden, indem sie an der Grenze Erdöl/Wasser adsorbiert werden, wobei, wie R a d t s c h e n k o (1960) vermerkt, der Porphyringehalt nicht mit dem Alter der Nebengesteine zusammenhängt. Früher haben wir geschrieben ( R u d a k o w 1961a), daß im Prozeß der vertikalen Migration das Erdöl nach der BABTONschen Regel differenziert werden muß, nach der die Dichte des Erdöls mit der Entfernung des Lagers vom Fundament wächst. Die Menge der extrahierten Porphyrine muß ebenfalls mit der Entfernung des Lagers vom Fundament und mit der Zunahme der Dichte des Erdöls wachsen. Das wird durch die Daten Hodgs o n s (1957) und B a k e r s (1957) bestätigt. Sie stellten am Beispiel der kanadischen Erdöle eine Zunahme der Porphyringehalte mit der Vergrößerung der Dichte der Erdöle fest. In der Abbildung ist die Abhängigkeit des Porphyringehalts (mg auf 100 g Erdöl) von der Dichte der Erdöle für eine Reihe von Lagerstätten des Devons, Karbons und Perms im Wolga—Ural-Gebiet graphisch dargestellt ( D a t e n n a c h R a d t s c h e n k o & S c h e s c h t n a

1955).

So muß nach den Vorstellungen über die Differentiation des im Migrationsprozeß entstandenen Erdöls der Gehalt an Porphyrinen in den Erdölen dem Migrationsweg direkt proportional und der Migrationsgeschwindigkeit umgekehrt proportional sein. Die Migrationsgeschwindigkeit ihrerseits wird bestimmt durch den Grad der Kluftbreite, den Abstand der gestörten Blöcke usw. In den hochparaffinierten Erdölen der Lagerstätten Osek-Suat, Welitschajewka und Simnjaja Stawka zum Beispiel sowie in den Erdölen des Minusinsker Kessels fehlen Porphyrine. Überaus bemerkenswert ist jedoch, d a ß O w n a t a n o w (1964) innerhalb eines der Felder

des

Minusinsker Kessels, in der Bystrjanslcer Bohrung 17, Teufe 1073 m (Devon), nach der Luftspülung der Sohle 200 0

100 70 50 w 30 25 20 IS

/ 9

• l " y

/

10

9 5 7 6

/

4

l

A

J 7

0,800

o

• 7 02 o 3 0,850

0,900

0,950

A b b . A b h ä n g i g k e i t des G e h a l t s a n P o r p h y r i n e n ( M i l l i g r a m m a u f 1 0 0 g E r d ö l ) v o n d e r D i c h t e d e r E r d ö l e des W o l g a — U r a l Gebiets 1 — Devon, 2 — Karbon, 3 — Perm

Zeitschrift f ü r a n g e w a n d t e Geologie, Bd. 17 ( 1 9 7 1 ) , H e f t i l HÄENER / A n w e n d u n g der inslalionäreii

465

Strömuiigsthcorie

Klüfte von rund 5 m m Breite photographierte. D a m i t wird w o h l a u c h die A n s i c h t des V e r f . ( 1 9 6 1 b ) ü b e r d a s V o r h a n d e n s e i n v o n l a n g k e t t i g e n P a r a f f i n e n in d e n m i t großer Geschwindigkeit migrierten Erdölen bestätigt. Unter diesen B e d i n g u n g e n wird wahrscheinlich wenig o d e r g a r n i c h t s e x t r a h i e r t . O f f e n s i c h t l i c h w i r d die E x t r a k t i o n d e r P o r p h y r i n e a u ß e r d u r c h die o b e n g e n a n n t e n F a k t o r e n n o c h d u r c h p h y s i k a l i s c h e bei d e r M i g r a t i o n bestimmt. I m Z u s a m m e n h a n g m i t der mögliehen E x t r a k t i o n der P o r p h y r i n e a u s S e d i m e n t g e s t e i n e n ist a u c h d a s g u t bek a n n t e A u f t r e t e n v o n P h e o p h i t i n e n u n d a n d e r e n Chlor i n p i g m e n t e n in d e n S e d i m e n t g e s t e i n e n v o n I n t e r e s s e . H O D G S O N (1957) z e i g t e die M ö g l i c h k e i t d e r U m w a n d l u n g der Plicophitine in einen P o r p h y r i n k o m p l e x der Metalle v o m E r d ö l t y p . D a s ist u m so i n t e r e s s a n t e r , als d a s P h e o p h i t i n ein g a n z g e w ö h n l i c h e s P i g m e n t d e r S e d i m e n t h ü l l e ist. N a c h gewissen Vorstellungen ( P A S Y N S K I J & P A W L O W 1964) k ö n n e n die E r d ö l p o r p h y r i n e a u c h a b i o g e n e n t s t a n d e n sein. N a c h K U D R J A W Z E W (1964) k a n n die Z e r s e t z u n g s t e m p e r a t u r d e r P o r p h y r i n e (250 bis 300 °C) diese G e n e s e n i c h t w i d e r l e g e n . D a s A u f t r e t e n v o n P o r p h y r i n e n i n e i n i g e n E r d ö l e n b e w e i s t n i c h t i h r e organische E n t s t e h u n g . SKÄJA

Literatur BAKER, B . L . : Vanadium, Nickel and Porphyrins in thermal geochemistry of Petroleum. — Bull. Amcr. Ass. Petrol. Geol., vol. 41, Nr. 11(1957). DITNNINO, H . N., u . a . : Porphyrin, Nickel, Vanadium a n d Nitrogen in Petroleum. — Journ. oi ehem. a n d Kngio. D a t a , vol. 5, Nr. 4 (1960). FLOROWSKAJA, W. N . : Geochemische Grundlagen der E n t s t e h u n g des Lebens. - Wcstnik MGU, Sei'. IV, Ausg. 2 (1964). HABEUIANDT, H . : Porphyrinkomplcxverbindungen als färbende Einlagerungen in hydrothermalen Kalkspatkristalleu. — Cliem. Z., H . 47 (1944). HODGSON, G. W . : Vanadium, Nickel a n d iron trace metalls in crude oils of Western Canada. — Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol., vol. 41, Nr. 11 (1957). KROPOTKIN, P . N . : D i e geologischen B e d i n g u n g e n zur E n t s t e h u n g des Lebens auf der Erde und das Problem der Erdölentstehung. I n : Sammelbd.: E n t s t e h u n g des Lebens auf der Erde. - Verl. A N S S S E (1959). KUDRJAWZEW, N . A . : Geochemische und geologische Aspekte der Genese v o n Erdöl u n d Kohlenwasserstoff gas. — Sowj. Geol., Nr. 11 (1964). MEINSCHEIN, W . G . : Origin of Petroleum. - Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol., vol. 43, Nr. 5 (1959). NAGY, B . , & .T. P. WOUMIS : Chromatographie Separation a n d c o n c e n t r a t i o n of organic compounds in sediments. — Bull, of the geol. Soc. of Amer., vol. 35 (1958). OWNATANOW, G. T.: Erschließung und Abbau der Schicht. — Verl. Nedra (1964). PASYNSKIJ, A. G„ & T. E . PAWLOWSKAJA: Die B i l d u n g wichtiger biochemischer Verbindungen im präbiologischen Entwicklungsstadium der Erde. - Erfolge der Chemie, Bd. S3, Nr. 10 (1964). ltADTSCHENKO, O . A . : Fragen der Geochemie der Erdölporphyrine. — Dokl. A N S S S B , Bd. 134, Nr. 3 (1960). BADTSCHENKO, O. A., & L. S. SCHESCHINA: Zur Frage der Geochemie der Erdölporphyrine. - Tr. W N I G l t l , Geol. Sammelbd. 1, Ausg. 83 (1955). BIECKER, Ii. E . : Hydrocarbon Fluorescensc and migration of Petroleum. — Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol., vol. 40, Nr. 1 (1962). BTJDAKOW, G. W . : Zur Diskussion über die Bildung des Erdöls und seiner Lagerstättenentstchung. — Z. angew. Geol., 7, 2, Berlin 1961 [1961a]. — Badanie kinetyki adsorpsji i desorpsji asfaltowo-smolowych skladnikew ropy w osrodku poworatym. — N a f t a , Nr. 3 (1961) [1961b]. — O sagadnienie glebinowego poehodsenia ropy naftowcj. — Kwart. geol., vol. 7, Nr. 2 (1963). XREIBS, A . : Häminderivatc in bituminösen Gesteinen, Erdölen, Erdwuchsen und Asphalten. - Lib. Ann., Bd. 42 (1934).

Anwendung der instationären Strömungstheorie auf Probleme der frühzeitigen Vorratseinscliätzung in Erdgaslagerstätten1) FRIEDER HAFNER,

Freiberg (Sa.)

Es ist das Ziel der geologischen E r k u n d u n g , in kürzester Zeit V o r r ä t e an n u t z b a r e n Kohlenwasserstoffen nachzuweisen. Die möglichst schnelle Ü b e r f ü h r u n g gasfündiger Sonden in die volkswirtschaftliche N u t z u n g erfordert die frühzeitige A b s c h ä t z u n g des geologischen Vorrats zur Festlegung des weiteren E r k u n d u n g s a u f w a n d s u n d zur Vorbereitung der Inproduktionsnalimc. Die b e k a n n t e n statischen Berechnungsmethoden sind in diesem S t a d i u m meist noch nicht a n w e n d b a r . Die Volumenm e t h o d e erfordert Kenntnisse über den Bau, die Ausdehnung u n d Speichereigenschaften der Schicht, die Materialbilanzm e t h o d e verlangt die P r o d u k t i o n von mindestens 1 bis 5 % des geologischen Vorrats. Die von H A F N E R (1970) u n d V O I G T U. a. (1971) ausführlich dargestellte Theorie der i n s t a t i o n ä r e n S t r ö m u n g in porösen Stoffen bietet die Möglichkeit, wesentliche P a r a m e t e r des Speichers d u r c h Testarbeiten in Sonden zu bestimmen. Darü b e r hinaus bietet sie Lösungsmöglichkeiten zur direkten B e s t i m m u n g des freien Porenvolumens u n d d a m i t des geologischen Vorrats. Die B e s t i m m u n g der Schichtparameter, vor allem der Permeabilität, ist eine wichtige Grundfrage, der in der Literat u r ein überaus breiter R a u m gewidmet wird, weil die Permeabilität A u s g a n g s p u n k t f ü r alle weiter zu bestimmenden P a r a m e t e r , wie Skineffekt, E n t f e r n u n g von Störungen u n d K o n t a k t e n oder V o r r a t im Einzugsbereich, ist. Fehler in der B e s t i m m u n g der Permeabilität durch falsche I n t e r p r e t a t i o n E i n g a n g des Manuskripts in der B c d a k t i o n : 17. 2 . 1 9 7 1 . *) Die B e d a k t i o n stellt diesen Artikel zur Diskussion m i t dem ausdrücklichen Hinweis, daß diese reservoirmeehanische Einschätzung eine e x a k t e Vorratsberechnung nicht ersetzen k a n n und, falls sie ohne begründete geologische K o n z e p t i o n für sieh allein steht, die Gefahr einer Fehlorientierung in sich birgt. 3

Angewandte Geologie, H e f t 11/71

von Meßkurvcn haben entscheidenden Einfluß auf vorgen a n n t e Größen u n d sind in den seltensten Fällen durch andere Bestimmungsmethoden feststellbar. E s soll nicht u n e r w ä h n t bleiben, d a ß die folgenden Untersuchungen ausschließlich auf analytischen m a t h e m a t i s c h e n Verfahren basieren. Die in j ü n g s t e r Zeit immer m e h r in den Vordergrund t r e t e n d e n numerischen Methoden, insbesondere der der endlichen Elemente, sind f ü r unsere Probleme noch nicht ausreichend praxisreif u n d bedürfen weiterer Bearbeitung. Die A n w e n d u n g der Strömungstheorie auf das spezielle Problem der Vorratseinscliätzung verlangt die Berücksichtigung der an das DAROYsche Gesetz g e k n ü p f t e n Bedingungen. Die zweite, entscheidende E i n s c h r ä n k u n g für die d y n a mischen Methoden isl; die, daß grundsätzlich n u r über den Vorrat innerhalb des jeweils ausgebildeten Einzugsradius Aussagen gemacht werden können. I n größeren Erdgaslagers t ä t t e n ist wegen der begrenzten Dauer der Tcstzeit dieser Einzugsradius meist kleiner als der Radius der L a g e r s t ä t t e . Die Aussage b e s c h r ä n k t sich auf den W e r t „ V o r r a t pro Flächeneinheit" bzw. das P r o d u k t „gasgesät ligte Mächtigkeit X P o r o s i t ä t " . Bei E r d g a s l a g e r s t ä t t e n klüftig-porösen Typs f ü h r t die A n w e n d u n g dynamischer Methoden zu einer frühzeitigeren Aussage über den V o r r a t u n d die Größe des Kluftvolumens. 1. Grundlagen zur a n a l y t i s c h e n L ö s u n g der D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g der S t r ö m u n g e i n e s r e a l e n Gases Die D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g d e r i s o t h e r m e n S t r ö m u n g eines r e a l e n Gases i n p o r ö s e n S t o f f e n l a u t e t u n t e r V o r a u s s e t z u n g d e r G ü l t i g k e i t des DARCY-Gesetzes ( l a m i n a r e

Zeitschrift f ü r a n g e w a n d t e Geologie, Bd. 17 ( 1 9 7 1 ) , H e f t i l HÄENER / A n w e n d u n g der inslalionäreii

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Strömuiigsthcorie

Klüfte von rund 5 m m Breite photographierte. D a m i t wird w o h l a u c h die A n s i c h t des V e r f . ( 1 9 6 1 b ) ü b e r d a s V o r h a n d e n s e i n v o n l a n g k e t t i g e n P a r a f f i n e n in d e n m i t großer Geschwindigkeit migrierten Erdölen bestätigt. Unter diesen B e d i n g u n g e n wird wahrscheinlich wenig o d e r g a r n i c h t s e x t r a h i e r t . O f f e n s i c h t l i c h w i r d die E x t r a k t i o n d e r P o r p h y r i n e a u ß e r d u r c h die o b e n g e n a n n t e n F a k t o r e n n o c h d u r c h p h y s i k a l i s c h e bei d e r M i g r a t i o n bestimmt. I m Z u s a m m e n h a n g m i t der mögliehen E x t r a k t i o n der P o r p h y r i n e a u s S e d i m e n t g e s t e i n e n ist a u c h d a s g u t bek a n n t e A u f t r e t e n v o n P h e o p h i t i n e n u n d a n d e r e n Chlor i n p i g m e n t e n in d e n S e d i m e n t g e s t e i n e n v o n I n t e r e s s e . H O D G S O N (1957) z e i g t e die M ö g l i c h k e i t d e r U m w a n d l u n g der Plicophitine in einen P o r p h y r i n k o m p l e x der Metalle v o m E r d ö l t y p . D a s ist u m so i n t e r e s s a n t e r , als d a s P h e o p h i t i n ein g a n z g e w ö h n l i c h e s P i g m e n t d e r S e d i m e n t h ü l l e ist. N a c h gewissen Vorstellungen ( P A S Y N S K I J & P A W L O W 1964) k ö n n e n die E r d ö l p o r p h y r i n e a u c h a b i o g e n e n t s t a n d e n sein. N a c h K U D R J A W Z E W (1964) k a n n die Z e r s e t z u n g s t e m p e r a t u r d e r P o r p h y r i n e (250 bis 300 °C) diese G e n e s e n i c h t w i d e r l e g e n . D a s A u f t r e t e n v o n P o r p h y r i n e n i n e i n i g e n E r d ö l e n b e w e i s t n i c h t i h r e organische E n t s t e h u n g . SKÄJA

Literatur BAKER, B . L . : Vanadium, Nickel and Porphyrins in thermal geochemistry of Petroleum. — Bull. Amcr. Ass. Petrol. Geol., vol. 41, Nr. 11(1957). DITNNINO, H . N., u . a . : Porphyrin, Nickel, Vanadium a n d Nitrogen in Petroleum. — Journ. oi ehem. a n d Kngio. D a t a , vol. 5, Nr. 4 (1960). FLOROWSKAJA, W. N . : Geochemische Grundlagen der E n t s t e h u n g des Lebens. - Wcstnik MGU, Sei'. IV, Ausg. 2 (1964). HABEUIANDT, H . : Porphyrinkomplcxverbindungen als färbende Einlagerungen in hydrothermalen Kalkspatkristalleu. — Cliem. Z., H . 47 (1944). HODGSON, G. W . : Vanadium, Nickel a n d iron trace metalls in crude oils of Western Canada. — Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol., vol. 41, Nr. 11 (1957). KROPOTKIN, P . N . : D i e geologischen B e d i n g u n g e n zur E n t s t e h u n g des Lebens auf der Erde und das Problem der Erdölentstehung. I n : Sammelbd.: E n t s t e h u n g des Lebens auf der Erde. - Verl. A N S S S E (1959). KUDRJAWZEW, N . A . : Geochemische und geologische Aspekte der Genese v o n Erdöl u n d Kohlenwasserstoff gas. — Sowj. Geol., Nr. 11 (1964). MEINSCHEIN, W . G . : Origin of Petroleum. - Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol., vol. 43, Nr. 5 (1959). NAGY, B . , & .T. P. WOUMIS : Chromatographie Separation a n d c o n c e n t r a t i o n of organic compounds in sediments. — Bull, of the geol. Soc. of Amer., vol. 35 (1958). OWNATANOW, G. T.: Erschließung und Abbau der Schicht. — Verl. Nedra (1964). PASYNSKIJ, A. G„ & T. E . PAWLOWSKAJA: Die B i l d u n g wichtiger biochemischer Verbindungen im präbiologischen Entwicklungsstadium der Erde. - Erfolge der Chemie, Bd. S3, Nr. 10 (1964). ltADTSCHENKO, O . A . : Fragen der Geochemie der Erdölporphyrine. — Dokl. A N S S S B , Bd. 134, Nr. 3 (1960). BADTSCHENKO, O. A., & L. S. SCHESCHINA: Zur Frage der Geochemie der Erdölporphyrine. - Tr. W N I G l t l , Geol. Sammelbd. 1, Ausg. 83 (1955). BIECKER, Ii. E . : Hydrocarbon Fluorescensc and migration of Petroleum. — Bull. Amer. Ass. Petrol. Geol., vol. 40, Nr. 1 (1962). BTJDAKOW, G. W . : Zur Diskussion über die Bildung des Erdöls und seiner Lagerstättenentstchung. — Z. angew. Geol., 7, 2, Berlin 1961 [1961a]. — Badanie kinetyki adsorpsji i desorpsji asfaltowo-smolowych skladnikew ropy w osrodku poworatym. — N a f t a , Nr. 3 (1961) [1961b]. — O sagadnienie glebinowego poehodsenia ropy naftowcj. — Kwart. geol., vol. 7, Nr. 2 (1963). XREIBS, A . : Häminderivatc in bituminösen Gesteinen, Erdölen, Erdwuchsen und Asphalten. - Lib. Ann., Bd. 42 (1934).

Anwendung der instationären Strömungstheorie auf Probleme der frühzeitigen Vorratseinscliätzung in Erdgaslagerstätten1) FRIEDER HAFNER,

Freiberg (Sa.)

Es ist das Ziel der geologischen E r k u n d u n g , in kürzester Zeit V o r r ä t e an n u t z b a r e n Kohlenwasserstoffen nachzuweisen. Die möglichst schnelle Ü b e r f ü h r u n g gasfündiger Sonden in die volkswirtschaftliche N u t z u n g erfordert die frühzeitige A b s c h ä t z u n g des geologischen Vorrats zur Festlegung des weiteren E r k u n d u n g s a u f w a n d s u n d zur Vorbereitung der Inproduktionsnalimc. Die b e k a n n t e n statischen Berechnungsmethoden sind in diesem S t a d i u m meist noch nicht a n w e n d b a r . Die Volumenm e t h o d e erfordert Kenntnisse über den Bau, die Ausdehnung u n d Speichereigenschaften der Schicht, die Materialbilanzm e t h o d e verlangt die P r o d u k t i o n von mindestens 1 bis 5 % des geologischen Vorrats. Die von H A F N E R (1970) u n d V O I G T U. a. (1971) ausführlich dargestellte Theorie der i n s t a t i o n ä r e n S t r ö m u n g in porösen Stoffen bietet die Möglichkeit, wesentliche P a r a m e t e r des Speichers d u r c h Testarbeiten in Sonden zu bestimmen. Darü b e r hinaus bietet sie Lösungsmöglichkeiten zur direkten B e s t i m m u n g des freien Porenvolumens u n d d a m i t des geologischen Vorrats. Die B e s t i m m u n g der Schichtparameter, vor allem der Permeabilität, ist eine wichtige Grundfrage, der in der Literat u r ein überaus breiter R a u m gewidmet wird, weil die Permeabilität A u s g a n g s p u n k t f ü r alle weiter zu bestimmenden P a r a m e t e r , wie Skineffekt, E n t f e r n u n g von Störungen u n d K o n t a k t e n oder V o r r a t im Einzugsbereich, ist. Fehler in der B e s t i m m u n g der Permeabilität durch falsche I n t e r p r e t a t i o n E i n g a n g des Manuskripts in der B c d a k t i o n : 17. 2 . 1 9 7 1 . *) Die B e d a k t i o n stellt diesen Artikel zur Diskussion m i t dem ausdrücklichen Hinweis, daß diese reservoirmeehanische Einschätzung eine e x a k t e Vorratsberechnung nicht ersetzen k a n n und, falls sie ohne begründete geologische K o n z e p t i o n für sieh allein steht, die Gefahr einer Fehlorientierung in sich birgt. 3

Angewandte Geologie, H e f t 11/71

von Meßkurvcn haben entscheidenden Einfluß auf vorgen a n n t e Größen u n d sind in den seltensten Fällen durch andere Bestimmungsmethoden feststellbar. E s soll nicht u n e r w ä h n t bleiben, d a ß die folgenden Untersuchungen ausschließlich auf analytischen m a t h e m a t i s c h e n Verfahren basieren. Die in j ü n g s t e r Zeit immer m e h r in den Vordergrund t r e t e n d e n numerischen Methoden, insbesondere der der endlichen Elemente, sind f ü r unsere Probleme noch nicht ausreichend praxisreif u n d bedürfen weiterer Bearbeitung. Die A n w e n d u n g der Strömungstheorie auf das spezielle Problem der Vorratseinscliätzung verlangt die Berücksichtigung der an das DAROYsche Gesetz g e k n ü p f t e n Bedingungen. Die zweite, entscheidende E i n s c h r ä n k u n g für die d y n a mischen Methoden isl; die, daß grundsätzlich n u r über den Vorrat innerhalb des jeweils ausgebildeten Einzugsradius Aussagen gemacht werden können. I n größeren Erdgaslagers t ä t t e n ist wegen der begrenzten Dauer der Tcstzeit dieser Einzugsradius meist kleiner als der Radius der L a g e r s t ä t t e . Die Aussage b e s c h r ä n k t sich auf den W e r t „ V o r r a t pro Flächeneinheit" bzw. das P r o d u k t „gasgesät ligte Mächtigkeit X P o r o s i t ä t " . Bei E r d g a s l a g e r s t ä t t e n klüftig-porösen Typs f ü h r t die A n w e n d u n g dynamischer Methoden zu einer frühzeitigeren Aussage über den V o r r a t u n d die Größe des Kluftvolumens. 1. Grundlagen zur a n a l y t i s c h e n L ö s u n g der D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g der S t r ö m u n g e i n e s r e a l e n Gases Die D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g d e r i s o t h e r m e n S t r ö m u n g eines r e a l e n Gases i n p o r ö s e n S t o f f e n l a u t e t u n t e r V o r a u s s e t z u n g d e r G ü l t i g k e i t des DARCY-Gesetzes ( l a m i n a r e

Zeitschrift lür angewandte Geologie, Bd. 17 (1871), Holt 11

HAFNER / Anwendung der iiistationären Ströinungstheoric

466

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In Anlehnung an LEIBENSON linearisierte (1963) Gl. (1) mit d e m R e a l g a s p o t e n t i a l

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