Organic geochemistry and petrography of the early Cretaceous Garau Formation in the Kabir-Kuh Anticline, Ilam

Document Type : Research Paper

Authors

1 MSc Student Petroleum Geology, Faculty of Earth Science, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

2 Assistant Professor, Department of Petroleum and Sedimentary Basins, Faculty of Earth Sciences, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

Abstract

Abstract
In this research, the Neocomian–Cenomanian Garau Formation, in the surface outcrop of Kabir-Kuh Anticline (Ilam), has been subjected to geochemical evaluation using the Rock-Eval pyrolysis and organic petrographic techniques. For this purpose, 19 surface samples were taken at regular intervals of 30 meters. Results from this study indicated that there is a highly organic-rich zone at the base of the Garau Formation. A relatively organic-rich zone exists in the middle parts of the Garau Formation, which progressively changes into organic-poor succession upward in the studied section. Based on the Rock-Eval pyrolysis results, the studied samples from the Garau Formation have little hydrocarbon generation potential and are highly mature in the studied section. Also, according to organic petrographic observations, the organic-rich succession of the Garau Formation contains abundant solid bitumen with framboidal pyrite. Accordingly, it can be concluded that anoxic conditions existed in the paleo-depositional environment of the Garau Formation. At present-day conditions, the studied formation can be important in terms of unconventional hydrocarbon resources (gaseous hydrocarbons trapped inside organic porosity).
Keywords: Garau Formation, Organic geochemical evaluation, Organic petrography, Kabir-Kuh Anticline, Outcrop
 
 
Introduction
In the present study, for the first time, the organic geochemistry of the Garau Formation (Neocomian–Albian) has been evaluated using the outcrop samples collected from the Kabir-Kuh Anticline in Ilam Province. These samples were analyzed using Rock-Eval pyrolysis and organic petrographic methods.
Previous studies on the Garau Formation have examined this formation in terms of stratigraphy (Barmaki Zadeh 2017), palaeodepositional environments (Sharafi, 2021), and microfacies (Hosseinpour 2007; Mahanipour 2018). Also, organic geochemical characteristics of the Garau Formation have been investigated in several of wells drilled in the Lurestan Area (Ala et al. 1980; Tavangar Ranjbar 2014; Mahbobipour 2016; Lotfiyar 2017; Hosseinpour 2021). It is worth mentioning that the Garau Formation has been studied in the outcrops in the Aligudarz Area (Shabrang 2021). However, this formation has not been geochemically evaluated in the outcrops of the Ilam Province. In this study, for the first time, 19 samples from the outcrop of the Garau Formation in the Kabir-Kuh Anticline of Ilam have been analyzed by organic petrography and Rock-Eval pyrolysis techniques. This information can be very helpful in better understanding the organic facies, the source rock characteristics, and palaeodepositional environments of the Garau Formation.
 
Material & Methods
Rock-Eval pyrolysis is a relatively easy and cost-effective method for rapid source rock evaluation in the oil industry (Behar et al. 2001). Among the most important geochemical parameters obtained from Rock-Eval pyrolysis are TOC, hydrogen index, oxygen index, S1, S2, and Tmax. These parameters can be used for evaluating the amount, type and maturity of the organic matter contained in sedimentary rocks (Behar et al. 2001). On the other hand, organic petrographic methods provide a direct means of observing organic constituents under the microscope. These techniques can provide valuable information about the type and thermal maturity of the organic matter contained in rock samples (Taylor et al. 1998). In the present study, results from both techniques are combined for better geochemical evaluation of samples collected from the Garau Formation.
 
Discussion of Results and & Conclusions
Results from this study suggest that the basal parts of the Garau Formation are highly organic-rich. The TOC and S2 parameters for the studied samples vary between 0.5-40 (wt%) and 0.1-14 (mg HC/g rock) respectively. In addition, the high Tmax values (460-520 ֯C) are consistent with the very high thermal maturity of the studied samples. This highly organic-rich facies at the base of the Garau Formation gradually changes into moderately-rich facies in the middle parts and eventually into organic-poor facies at the top of the studied section. The organic-rich succession is characterized by abundant quantities of solid bitumen and framboidal pyrite under the microscope. The latter provides robust evidence that the palaeodepositional conditions were anoxic during the deposition of organic-rich facies. This is further supported by field evidence (including the presence of dark lamination and the lack of bioturbation) indicating the prevalence of anoxic conditions during the deposition of the organic-rich facies of the Garau Formation. In addition, results from this study indicate that the studied samples are highly mature (the late gas window). This suggests that the remaining organic matter in the Garau Formation consists of inert carbon, which has a limited hydrocarbon generation potential. Therefore, the remaining organic matter in the Garau Formation is the residue from primary organic matter that was preserved during the sedimentation of the Garau Formation. This implies that large volumes of hydrocarbons were generated by the Garau Formation in the earlier geological time. However, a detailed geohistory analysis of petroleum system elements and processes is required to better understand the fate of generated hydrocarbons.

Keywords

Main Subjects

Full Text

مقدمه

ژئو‌شیمی ‌آلی شاخه‌ای از علوم زمین است که تحولات مواد آلی را در محیط زمین‎‍شناختی بررسی می‌کند. ژئو‌شیمی ‌آلی، گرایش‌های مختلف علوم طبیعی مانند شیمی، زیست‌شناسی و علوم ‌دریایی را در کنار اصول زمین‌شناسی به‎‍ کار می‎‍بندد تا تحولات مواد آلی را از آغاز (یعنی تولید اولیة‌ مواد آلی ازطریق موجودات فتوسنتز‌کننده) تا فرجام آن (بازگشت مجدد مواد آلی به‌صورت گاز CO2 به اتمسفر)‌ بررسی کند (Alipour 2024a). از‌جمله کاربردهای اصلیِ این علم، بررسیِ چگونگی حفظ‎‍شدگیِ مواد آلی در سنگ‎‍های رسوبی و همچنین به ارزیابی سنگ‎‍های منشأ هیدروکربنی اشاره می‌شود (Peters and Moldowan 1991). به این ترتیب‌ با استفاده از این اطلاعات‌، واحد‌های چینه‎‍ای با پتانسیل بالای سنگ منشأ، در یک حوضة رسوبی شناسایی می‌شود (Hunt 1996).

در مطالعة حاضر، برای اولین بار ژئوشیمیِ آلی سازند گرو (به سن نئوکومین ـ آپسین پسین) در رخنمون سطحی تاقدیسِ کبیر‌کوه ایلام ارزیابی شده است (شکل ۱). برای همین منظور، نمونه‎‍های سطحی از سازند گرو با استفاده از روش‌های پیرولیز راک ـ ایول و پترو‌گرافی‌ آلی‌ مطالعه و بررسی شده‎‍اند.

شکل 1- موقعیت جغرافیاییِ رخنمون سطحی سازند گرو در تاقدیس کبیرکوه ایلام (a) و عکس از رخنمون سازند گرو و سازندهای معادل در مقطع‌ مطالعه‌شده (b)‌

Fig 1- Geographic location of the Garau Formation outcrop in Kabir kuh section of Ilam (a), and outcrop image of the studied formation and equivalents (b)

‌مطالعات پیشین بر‌ سازند گرو، این سازند را ازنظر چینه‎‍شناسی (Barmaki Zadeh 2017)، شرایط محیط رسوبی دیرینه (Sharafi et al. 2023) ‌و میکروفاسیس (Hosseinpour 2007; Mahanipour 2020)‌ بررسی کرده‎‍اند. به‎‍طور کلی، نتایج این مطالعات نشان‎‍دهندة سن زمین‎‍شناختی سازند گرو‌ و حاکی از وقوع شرایط بی‎‍هوازی اقیانوسی[1] در مقاطع زمانی خاصی در حوضة ته‎‍نشینی سازند گرو هستند. همچنین، این مطالعات حاکی از تهنشین‌شدن سازند گرو در یک محیط درون‎‍سکویی محصور یا رمپ کربناتة هم‎‍شیب‌اند. علاوه بر این‌ در سال‌های اخیر، ویژگی‎‍های ژئو‌شیمی آلی و پتانسیل هیدروکربنی منابع نامتعارف سازند گرو در تعدادی از چاه‎‍های حفاری‌شده در ناحیۀ لرستان، با استفاده از روش‌هایی مانند پیرولیز راک ـ ایول، کروماتوگرافی گازی و پتروگرافی ‌آلی ‌بررسی ‌ شده است (Ala et al. 1980; Hosseinpour 2021; Lotfiyar 2017; Mahbobipour et al. 2016; Tavangar Ranjbar 2014). به‎‍طور کلی نتایج حاصل از این مطالعات، بیانگر حضور کروژن نوع II/III یا III هستند که‌ بلوغ حرارتی معادل با پنجرة‌ گاززایی را دارند. همچنین‌ نتایج این مطالعات حاکی از برقراری شرایط احیایی در محیط ته‎‍نشینی سازند گرو هستند. علاوه بر این، شایان ذکر است که سازند گرو به‌صورت بسیار محدود در رخنمون‌های سطحی در ناحیة الیگودرز، ازلحاظ چینه‎‍شناسی و ژئوشیمیایی ‌مطالعه شده است (Shabrang 2021)، اما این سازند تاکنون در رخنمون‌های سطحی در استان ایلام، ازلحاظ‌ ژئوشیمیایی ارزیابی نشده است. در همین راستا، در مطالعة ‌حاضر برای اولین بار تعداد 19 نمونۀ سطحی از رخنمون سازند گرو در تاقدیس کبیرکوه ایلام با استفاده از روش‌های پتروگرافی آلی و پیرولیز راک-ایول، مورد بررسی دقیق ژئوشیمی آلی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این مطالعه، در شناخت بهتر رخسارة آلی، شرایط محیط رسوبی دیرینه، خصوصیات سنگ منشأ گرو و نقش آن در سیستم‎‍های هیدروکربنی موجود در ناحیة لرستان بسیار راهگشا هستند.

زمین‌شناسی منطقة‌ مطالعه‌شده

در اواخر ژوراسیک، به‎‍دلیل تداوم اقلیم گرم و خشک در حوضۀ لرستان، رسوبات تبخیری گوتنیا در محیط‌های بسیار کم‌عمق سبخایی ته‌نشست یافتند (Sharland et al. 2001). پس از رسوب‌گذاری سازند گوتنیا با ضخامت بالا، در اوایل دورۀ کرتاسه محیط‌های رسوبی درون‎‍سکویی با شرایط احیایی حاکم شدند. همین امر باعث رسوب‌گذاری شیل‌های سیاه‌رنگ و آهک‌های به‌شدت بیتومینی در نزدیکی محور حداکثر فرونشست حوضۀ رسوبی شد (James and Wynd 1965).

در محل برش نمونه، واقع در 10 کیلومتری شمال‎‍ شرقی دهکدة قلعه‎‍دره در جنوب‎‍ غربی تاقدیس کبیرکوه، ضخامت سازند گرو به 814 متر می‌رسد (Motiei 1993). این سازند دارای تناوبی از شیل‎‍های به‎‍شدت بیتومینه وآهک‌های رسی تیره است که ضخامت شیل‌ها و همچنین شدت تیره‌بودن آنها از قاعده به‌سمت بالا کاهش می‌یابد (یعنی ضخامت آهک‌ها افزایش می‌یابد). در سازند گرو، فسیل‌های آمونیت در ابعاد کوچک تا بزرگ به‎‍وفور دیده می‌شود. با توجه به اینکه رسوبات این سازند اغلب بسیار دانه‌ریز ‌ و دارای لامیناسیون‌اند و همچنین با توجه به وفور فسیل رادیولرها در آن، نتیجه گرفته می‌شود که محیط رسوبی سازند گرو فاقد اکسیژن و بسیار کم‌انرژی بوده است (Motiei 1993). سازند گرو در منطقۀ لرستان، به‎‍طور عمده از شیل تشکیل شده است، در حالی که در فروافتادگی دزفول دارای رخسارة آهکی است (شکل ۲). از‌نظر چینه‌شناسی، مرز پایینی این سازند‌ تشخیص‌دادنی نیست، اما مرز فوقانی آن بسیار متفاوت است (Motiei 1993)؛ برای مثال، مرز بالای سازند گرو در محل برش نمونه، از‌طریق یک ناهمسازی فرسایشی با آهک‎‍های گروه بنگستان مشخص می‎‍شود (Stöcklin 1968). در نواحی مرکزی لرستان، این سازند در زیر سازند سورگاه قرار می‌گیرد. همچنین در بخش‎‍های شرقیِ فروافتادگی دزفول، سازند گرو در زیر سـازند فهلیان قرار می‌‎‍گیرد (Motiei 1993). به این ترتیب مشخص می‌شود که سازند گرو‌ در زیر سازند‌های مختلفی قرار می‌گیرد که علت آن به پیشروی رسوبات مختلف به درون حوضۀ رسوبی گرو نسبت داده می‌شود ( شکل 2). از‌نظر سیستم‎‍های هیدروکربنی، سازند گرو یکی از سنگ‎‍های منشأ مهم در سری‎‍های کرتاسة حوضة‌ زاگرس محسوب می‎‍شود (Alipour 2024b).

 شکل2- ستون چینه‎‍شناسی مربوط به مزوزوئیک و سنووزیک حوضة زاگرس (که نشان‌دهندة محدودة چینه‎‍شناختی‌ بررسی‌شده در این مطالعه و ارتباط جانبی رخساره‎‍ها با همدیگر است) (James and Wynd 1965; Motiei 1993)‌

Fig 2- Stratigraphic column of the Mesozoic and Cenozoic in the Zagros basin indicating the studied stratigraphic interval and the lateral facies relationships (James and Wynd 1965; Motiei 1993)‌

 مواد و روش‌‌ها

 نمونه‎‍های‌ استفاده‌شده در این مطالعه

در این مطالعه، سازند گرو در رخنمون سطحی تاقدیس کبیرکوه‌ بررسی شده است. تاقدیس کبیرکوه یک تاقدیس نامتقارن در جنوب شهرستان ایلام است که طویل‎‍ترین تاقدیس در ناحیة لرستان است و تقریباً از 50 کیلومتری شمال ‎‍غربی اندیمشک شروع می‌شود و تا 20 کیلومتر جنوب ‎‍شرقی شهرستان ایلام ادامه دارد (Motiei 1993). برای دستیابی به این محل، می‌توان از قسمت شرقی شهرستان ملکشاهی (شهر ارکواز) و از‌طریق راه گردنۀ طلاوسان (مله طلاوسان) واقع در یال جنوب ‎‍غربی تاقدیس کبیرکوه وارد تاقدیس شد و با گذشتن از یک مسیر صعب‎‍العبور، به محل مدنظر رسید، یا اینکه ‌از قسـمت غربی روستای پاکل گَراب واقع در یال شـمال‎‍ شـرقی تاقدیس کبیرکوه و بعد از پیمودن مسیر صعب‎‍العبور کوهستانی به رخنمون سطحی‌ مطالعه‌شده دسترسی یافت.

در مطالعة حاضر، تعداد 19 نمونه از سازند گرو با فواصل منظم حدود 30 متری و با رعایت اصول صحیح نمونه‎‍برداری جمع‎‍آوری شده است (شکل3). هوازدگیِ سطحی، معمولاً سبب بروز خطا در داده‎‍های پیرولیز راک-ایول می‎‍‌شود (Copard et al. 2002). به همین منظور با توجه به احتمال تأثیر هوازدگی در نمونه‌های برداشت‌شده از سازند گرو، توجه ویژه‎‍ای به نمونه‎‍برداری از بخش‎‍های سالم و غیرهوازدة سازند (با کندن گودال‎‍هایی به عمق حداقل ۲۵ سانتی‎‍متر) شده است.

شکل 3- موقعیت نمونه‎‍های برداشته‌شده از سازند گرو در مقطع‌ مطالعه‌شده از تاقدیس کبیرکوه ایلام‌

Fig 3- Location of samples collected from the Garau Formation in the Kabir-Kuh section of Ilam‌

 روش پیرولیز راک ـ ایول

روش پیرولیز در‌واقع به معنای حرارت‌دادن مادة آلی در غیاب اکسیژن است. این فرآیند باعث آزاد‌شدن هیدروکربن‌ها از مواد آلی موجود در رسوبات‌ و به‌نحوی شبیه‌سازی فرآیند زایش هیدروکربن در دماهای بالا و با مدت‌زمان کوتاه‎‍تر در محیط آزمایشگاهی محسوب می‎‍شود (Barker 1974). انجام آزمایش پیرولیز به صرف زمان زیادی نیاز ندارد و همچنین یک روش ساده و نسبتاً ارزان محسوب می‎‍شود؛ در‌نتیجه‌ این روش به یکی از مرسوم‎‍ترین روش‎‍ها برای ارزیابی مقدماتی سنگ‎‍های منشأ تبدیل شده است (Behar et al. 2001; Lafargue et al. 1998). برای انجام پیرولیز راک-ایول، ابتدا با استفاده از چکش مقداری از نمونه‌های سنگی را جدا‌ و سپس آنها را با استفاده از هاون چینی پودر می‌کنیم. اندازۀ ذرات نمونه‌های پودر‌شده معمولاً در حدود 80 میکرون است. برای حذف رطوبت از نمونه‌ها، پودرهای تهیه‌شده را به مدت 24 ساعت در دمای 38 درجه در آون قرار می‌دهیم. درنهایت، حدود 50 تا 70 میلی‌گرم از پودرهای تهیه‌شده را برای پیرولیز راک-ایول استفاده می‌کنیم (Behar et al. 2001).

از‌جمله مهم‎‍ترین پارامترهای ژئوشیمیایی که از پیرولیز راک-ایول حاصل می‎‍شود، TOC‌[2]، شاخص هیدروژن[3]، شاخص اکسیژن[4]، S1، S2، و Tmax است (شکل ۴). پیک S1 نشانگر مقدار هیدروکربنی است که به‎‍واسطۀ حرارت‌دادنِ نمونه در دمای 300 درجۀ سانتی‌گراد آزاد‌ و به‎‍عنوان اولین پیک با آشکار‌گر یونی ‌(FID [5]) ثبت می‌شود (Behar et al. 2001) (شکل ۴). پس از مدت حدود سه دقیقه، دمای کورة پیرولیز با نرخ دمایی 25 درجۀ سانتی‌گراد بر دقیقه افزایش می‌یابد تا به دمای حدود 650 درجۀ سانتی‌گراد برسد (Behar et al. 2001). در این مرحله، پیک S2 ثبت می‎‍شود که بیانگر مقدار هیدروکربن‌های به ‎‍دست آمده از تجزیة حرارتی کروژن‌ و نمایندة پتانسیل هیدروکربنی باقی‌ماندة نمونه‎‍هاست (Peters and Cassa 1994; Peters et al. 2005). پیکS3 بیانگر مقدار ترکیبات اکسیژن‎‍داری است که در محدودة دمایی حدود 390 تا 600 درجة سانتی‎‍گراد تجزیه‌ و با آشکارگر دستگاه پیرولیز ثبت می‎‍شوند (Lafargue et al. 1998) (شکل ۴). شاخص هیدروژن، بیانگر میزان ترکیبات هیدروژن‎‍داری است که در ساختمان شیمیاییِ کروژن قرار دارند و اساساً به‌عنوان ‌معیاری از نوع مادة آلی موجود در سنگ منشأ نیز به کار می‌روند (Tissot and Espitalie 1975). پارامتر Tmax بیانگر میزان دمایی است که پیک S2 به مقدار بیشینۀ خود می‌رسد و شاخصی از بلوغ حرارتی نمونه شناخته می‌شود (Hunt 1996; Lafargue et al. 1998). شاخص اکسیژن، از نسبت S3 به مقدار TOC محاسبه‌ و برای تعیین نوع کروژن و درجة بلوغ از آن استفاده می‌شود. در‌نهایت، شاخص تولید (PI) از نسبت S1/(S1+S2) به دست می‌آید (Behar et al. 2001).

روش پترو‌گرافی آلی

روش مرسوم در پترو‌گرافی آلی، شامل مطالعة مقاطع صیقلی با استفاده از میکروسکوپ انعکاسی است (Bustin et al. 1985). پتروگرافی آلی یکی از روش‎‍های مقرون به‌ صرفه در اکتشاف اولیه برای تعیین نوع ماسرال و کروژن سنگ منشأ به حساب می‌‎‍آید (Taylor et al. 1998).

در مطالعة حاضر،‌ برای تهیة قرص‎‍های صیقلی‌ از نمونه‌های برداشته‌شده از سازند گرو، ابتدا قطعاتی در اندازۀ 1 در 5/1 سانتی‎‍متر برش داده شدند. این قطعات در درون قالب‎‍های مخصوص قرار داده‌ و بر‌ آنها چسب اپوکسی (مخلوط رزین و هاردنر که با نسبت دو به یک مخلوط شده‎‍اند) ریخته شد. بعد از سخت‌شدن چسب نمونه‌ها (حدود 24 ساعت)، نمونه‎‍ها را از قالب‎‍ها خارج می‌کنیم و مطابق با روش استاندارد صیقل می‌دهیم تا برای انجام مطالعات پتروگرافی آلی آماده شوند (شکل ۵). در این مطالعه، نمونه‌های آماده‌شده با استفاده از میکروسکوپ پترو‌گرافی آلی Zeiss Axioplan (II) با نور سفید انعکاسی در بزرگ‌نمایی 100 ‌ بررسی شده‎‍اند (شکل ۵).

شکل 4- شکل شماتیک از روش کار دستگاه پیرولیز راک-ایول 6 و برخی از پارامترهای ژئوشیمیایی مهم به ‎‍دست آمده از آن (Behar et al. 2001; Lafargue et al. 1998)‌

Fig 4- Workflow of the Rock-Eval 6 pyrolysis method and some of the parameters derived from it (Behar et al. 2001; Lafargue et al. 1998)‌

 شکل5- عکس از یکی از نمونه‎‍های سنگی از سازند گرو و مقطع صیقلی آماده‌شده (a) و میکروسکوپ انعکاسی استفاده‌شده برای انجام مطالعات پتروگرافی آلی در این مطالعه (b)‌

حضور لامینه‎‍های غنی از مواد آلی در نمونة دستی‌ مشاهده می‌شود.

Figure 5. Photo of a rock sample from Garau Formation with the polished pellet prepared from it (a), and Zeiss Axioplan-II microscope used for organic petrographic observations in this study (b). Organic-rich laminae are visible in the hand specimen of the Garau Formation.

نتایج

نتایج حاصل از پیرولیز راک ـ ایول

داده‎‍های حاصل از پیرولیز راک-ایول نمونه‎‍های برداشته‌شده از سازند گرو در رخنمون سطحی تاقدیس کبیرکوه در جدول ۱ ارائه شده است. در مطالعة حاضر، از این نتایج برای ارزیابی مقدار، نوع و بلوغ حرارتیِ مادة آلیِ موجود در داخل سنگ منشأ گرو استفاده شده است که در ادامه درباره‌اش بحث می‏شود.

جدول 1- نتایج حاصل از آنالیز پیرولیز راک-ایول نمونه‎‍های سازند گرو در رخنمون کبیرکوه ایلام‌

Table 1- Results from Rock-Eval pyrolysis of the Garau Formation samples in the Kabir-Kuh outcrop of Ilam‌

Formation

Sample name

Stratigraphic position

S1

(mg HC/g rock)

S2

(mg HC/g rock)

PI

(S1/S1+S2)

Tmax

(°C)

TOC

(wt%)

HI

(mg HC/g TOC)

OI

(mg CO2/g TOC)

General description

Garau

(Kabir-Kuh surface outcrop, Ilam)

G-01

Garau

0.25

14.89

0.02

552

42.39

35

36

شیل به‎‍شدت بیتومینۀ سیاه‌رنگ

G-02

Garau

0.11

0.65

0.15

579

4.69

14

31

شیل سیاه که دارای پیریت فرمبوئید در مقطع صیقلی است

G-03

Garau

0.81

2.37

0.25

563

9.26

26

2

شیل بسیار تیره همراه با پیریت فرمبوئید

G-04

Garau

1.23

2.61

0.32

520

9.1

29

15

شیل بسیار تیره همراه با پیریت فرمبوئید

G-05

Garau

0.16

0.23

0.41

518

1.03

22

24

مارل تیره همراه با پیریت فرمبوئید اندک

G-06

Garau

0.09

0.14

0.39

514

0.74

19

29

مارل سیاه همراه با لامینه

G-07

Garau

0.01

0.11

0.08

576

0.8

13

135

مارل تیره همراه با لامیناسیون خیلی عالی و پیریت توده‎‍ای در مقطع صیقلی

G-08

Garau

0.04

0.24

0.14

518

2.44

10

64

مارل سیاه همراه با لامیناسیون و پیریت فرمبوئید در مقطع صیقلی

G-09

Garau

0.19

0.37

0.34

511

1.85

20

27

مارل تیره و دارای لامیناسیون خوب همراه با پیریت توده‎‍ای در مقطع صیقلی

G-10

Garau

0.04

0.18

0.18

514

0.98

19

62

مارل تیره همراه با پیریت فرمبوئید در مقطع صیقلی

G-11

Garau

0.07

0.08

0.47

463

0.5

17

9

مارل تیره همراه با پیریت فرمبوئید و توده‎‍ای در مقطع صیقلی

G-12

Garau

0.22

0.81

0.21

515

3.48

23

33

مارل به‎‍شدت تیره همراه با رگه‎‍های آهکی در امتداد لامینه‎‍ها قرار

G-13

Garau

1.38

2.23

0.38

498

4.23

53

3

مارل بسیار تیره همراه با مقادیر زیادی از پیریت فرمبوئید و توده‎‍ای در مقطع صیقلی

G-14

Garau

0.55

1.18

0.32

480

2.09

56

15

مارل سیاه همراه با مقادیر زیادی از پیریت توده‎‍ای در مقطع صیقلی

G-15

Garau

0.62

0.83

0.43

467

1.52

55

0

مارل سیاه همراه با مقادیر زیادی از پیریت فرمبوئید و توده‎‍ای در مقطع صیقلی

G-16

Fahliyan equivalent

0.05

0.05

0.48

567

0.26

19

20

آهک سیاه رنگ با مقادیر اندکی پیریت فرمبوئید در مقطع صیقلی

G-17

Lower Gadvan equivalent

0.03

0.13

0.18

498

0.39

33

94

آهک روشن همراه با کلسی‎‍اسفر و مقادیر بسیار اندک مواد آلی در مقطع صیقلی

G-18

Lower Gadvan equivalent

0.59

0.96

0.38

470

1.09

88

6

آهک روشن همراه کلسی‎‍اسفر که با پیریت جایگزین شده است، به‎‍همراه مقدار بسیار کم مادة آلی در مقطع صیقلی

G-19

Khalij equivalent

0.01

0.01

0.47

484

0.09

15

195

آهک روشن همراه با پیریت‎‍های اکسید شده و سایر اکسیدهای فلزی در مقطع صیقلی

 مقدار مادة آلی

یکی از پارامترهای مهم برای ارزیابی سنگ‎‍های منشأ، مقدار مادة آلی موجود در آنهاست که اساساً نشان می‎‍دهد چه درصدی از وزن نمونة مدنظر[6]، به مواد آلی مربوط است (Hunt 1996). نتایج حاصل از آنالیز راک ـ ایول نشان می‎‍دهند که مقدار مادۀ آلی در سازند گرو، دارای محدودة وسیعی از تغییرات است (جدول 1 و شکل 6). علاوه بر این، بررسی تغییرات عمودیِ داده‌های به ‎‍دست آمده از پیرولیز راک ـ ایول، حاکی از حضور یک بخش غنی از مواد آلی در قاعده سازند گرو است که به‎‍تدریج به رخساره‎‍های نسبتاً غنی در بخش‎‍های میانی سازند گرو تبدیل می‌شود و در‌نهایت به واحدهای کاملاً فقیر از مادة آلی در بخش‎‍های فوقانی سازند گرو تغییر می‏یابد ( شکل 6).

شکل 6- تغییرات عمودی مقدار مادة آلی (TOC) در نمونه‌های مربوط به سازند گرو در منطقة ‌مطالعه‌شده به‎‍همراه عکس‎‍های صحرایی از بخش‎‍های مختلف سازند گرو‌

Fig 6- Vertical variation profile of TOC data for samples from Garau Formation in the studied section along with field photos from different parts of the Garau Formation‌

بلوغ حرارتی مادة‌ آلی

میزان بلوغ حرارتی مواد آلی یکی از کلیدی‎‍ترین معیارها برای ارزیابی توان هیدروکربن‎‍زایی سنگ‎‍های منشأ است و معمولاً به‎‍صورت تنگاتنگی با تاریخچة تدفین[7] سنگ‎‍های منشأ‌ طول زمان زمین‎‍شناسی ارتباط دارد (Peters and Cassa 1994). برای ارزیابی بلوغ حرارتیِ مواد آلیِ موجود در سنگ‎‍های منشأ، از نمودار HI در مقابل Tmax استفاده می‌شود (Hunt 1996). ترسیم این نمودار برای نمونه‎‍های سازند گرو، نشان‌دهندة بلوغ حرارتیِ خیلی بالای آنهاست (شکل a7). همچنین به‎‍منظور بررسی پتانسیل هیدروکربن‎‍زایی امروزین سنگ‎‍های منشأ، از نمودار Tmax‌ در مقابل PI استفاده می‌شود (Hunt 1996). بر‌اساس این نمودار‌، مادة آلی موجود در نمونه‎‍های سازند گرو، عمدتاً از نوع مادة آلی غیرفعال است و در مرحلة فوق‎‍بالغ قرار گرفته است (شکل b۷). این یافته نشان می‎‍دهد‌ سازند گرو در زمان‎‍های گذشتة زمین‎‍شناسی، متحمل تدفین بسیار بالایی شده و بخش درخور ‎‍توجهی از پتانسیل هیدروکربن‎‍زایی خود را از دست داده است. به ‎‍عبارت بهتر، مواد آلیِ موجود در داخل سازند گرو، به‎‍دلیل بلوغ حرارتیِ بالای خود، بخش درخور ‎‍توجهی از هیدروژن خود را از دست داده‎‍اند و بنابراین در حال حاضر تنها پتانسیل زایش هیدروکربن‎‍های گازی را از خود نشان می‎‍دهند (شکل b۷).

شکل۷- نمودار HI در برابر Tmax (a) و نمودار PI در برابر (b) Tmax برای بررسی بلوغ حرارتی و نوع مادة آلی موجود در سازند گرو (Hunt 1996)‌

Fig 7- Diagrams of HI versus Tmax (a) and Tmax versus PI (b) for determining the maturity and type of organic matter in the Garau Formation (Hunt 1996)‌

نوع مادة‌ آلی

یک سنگ منشأ هیدروکربنی نه‎‍تنها باید غنی از مادة آلی باشد،‌ مادة آلی موجود در آن هم باید‌ کیفیت مناسبی برای هیدروکربن‎‍زایی داشته باشد. به‎‍ عبارت بهتر، حضور مواد آلی با کیفیت پایین و توان هیدروکربن‎‍زایی ناچیز (هرچند در مقادیر درخور ‎‍توجه) در یک سنگ منشأ، حاکی از بالا‌بودن توان هیدروکربن‎‍زایی آن نیست (Peters and Cassa 1994)؛ برای مثال، مواد آلی اکسید‌شده[8] یا مواد آلی به‎‍شدت پخته‌شده[9]، توان هیدروکربن‎‍زایی ناچیزی دارد و حضور آنها در یک سنگ منشأ،‌ هرچند باعث بالا‌رفتن مقدار مادة آلی می‎‍شود، اما‌ ارتباطی به پتانسیل هیدروکربن‎‍زایی سنگ منشأ‌ ندارد (Hunt 1996).

در مطالعة حاضر، به‎‍دلیل بلوغ حرارتی بسیار بالای نمونه‎‍های‌ استفاده‌شده، تعیین نوع مادة‌ آلی موجود در سازند گرو، کار دشواری است. با توجه به نمودارهای HI‌ در مقابل Tmax (شکل a۷)، مشخص می‎‍شود که نمونه‎‍های مطالعه‌شده از سازند گرو، به‎‍دلیل بلوغ حرارتی بالای خود، اساساً‌ شاخص هیدروژن بسیار پایینی دارند (جدول‌ 1) و در گوشة سمت راست پایین نمودار قرار می‎‍گیرند، بنابراین تشخیص دقیق نوع مادة آلی در آنها مقدور نیست. اما در حالت کلی بیان می‌شود که نوع مادة‌ آلی موجود در این سازند، کیفیت مناسبی برای زایش هیدروکربن در مقادیر بالا نیست و بنابراین بالا‌بودن مقادیر TOC‌ در نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده (جدول ۱)، نمی‎‍تواند حاکی از کیفیت بالای سنگ منشأ گرو باشد.

نتایج حاصل از پتروگرافی آلی

در این مطالعه بعد از انجام آنالیز پیرولیز راک ـ ایول، مطالعات پتروگرافی آلی به‌منظور شناخت بهتر مادة آلی موجود در نمونه‎‍های سازند گرو انجام شد. اجزای آلی که در این نمونه‎‍ها تشخیص داده شد، عمدتاً شامل بیتومن جامد[10]، پیریت فرمبوئید[11]، مادۀ آلی آمورف[12] به‎‍همراه مقادیر متفاوتی از پیریت بوده است. به‎‍طور کلی، مواد آلی موجود در بخش بسیار غنی از مادة آلی که در قاعدۀ سازند گرو قرار دارد، عمدتاً از بیتومن جامد و پیریت فرمبوئید تشکیل شده است (شکل ۸). وجود پیریت فرمبوئید در سنگ منشأ، حاکی از برقراری شرایط غیر اکسیدان در محیط رسوبی دیرینة سازند گرو است که به سهم خود باعث حفظ‎‍شدگی بالای مواد آلی در داخل رسوبات می‎‍شود (Alipour 2022; Amiri and Alipour 2023). مقدار زیاد بیتومن جامد (حدود ۹۰درصد از حجم کل سنگ) نشان می‌دهد‌ این بخش از سازند گرو‌ بلوغ بسیار بالایی دارد. همچنین این بخش از سازند گرو ‌ مقادیر بسیار زیادی از اجزای آلی اولیه بوده است که در زمان ته‎‍نشینی در داخل سازند گرو حفظ‌ و بعداً در اثر حرارت زیاد به بیتومن جامد تبدیل شده‎‍اند. این نکته بیان می‎‍دارد که هرچند بخش قاعدة سازند گرو، مقادیر بالایی از مواد آلی دارد (جدول ۱ و شکل ۶)، اما کیفیت این مواد آلی برای زایش هیدروکربن مناسب نیست (به‎‍دلیل بلوغ حرارتی بالای نمونه‎‍ها). علاوه بر این، بلوغ حرارتی زیاد باعث دگرسانی شدید اجزای آلی اولیه و تبدیل آنها به مواد هیدروکربنی (بیتومن جامد)‌ شده است، بنابراین تشخیص دقیق نوع مادة آلی اولیه در این نمونه‎‍ها کار دشواری است.

شکل ۸ - تصاویر میکروسکوپی از بخش بسیار غنی از مادة آلی واقع در قاعدة‌ سازند گرو در رخنمون سطحی تاقدیس کبیرکوه ایلام (SB= Solid bitumen; FP= Framboidal pyrite)‌

Fig 8- Microscopic photomicrographs of the organic-rich zone at the base of the Garau Formation in Kabir-Kuh section of Ilam (SB= Solid bitumen; FP= Framboidal pyrite‌)

 در بخش‎‍های میانی سازند گرو، یک رخسارة نسبتاً غنی از مادة آلی وجود دارد که عمدتاً شامل تناوبی از مارن و آهک است (شکل ۶). بررسی‎‍های پتروگرافی آلی بر‌ نمونه‎‍های مربوط به این بخش، نشان‌دهندة حضور غالب بیتومن جامد در آنهاست (شکل ۹)؛ اما مقدار بیتومن جامد در مقایسه با بخش بسیار غنی واقع در قاعدة سازند کمتر است. شایان ذکر است که نوع اجزای آلی اولیه در نمونه‎‍های مذکور، به‎‍دلیل بلوغ حرارتی بالای آنها‌ تشخیص‌دادنی نیست. به‎‍طور کلی، نمونه‎‍های مربوط به بخش‎‍های میانی سازند گرو‌ مقادیر مشابهی از بیتومن جامد و مواد معدنی (50-50) دارند. همچنین در نمونه‎‍های مذکور پیریت به مقدار فراوان دیده می‎‍شود که عمدتاً به‎‍صورت پیریت‎‍های فرمبوئیدی‌اند (شکل ۹). این شواهد به‏طور کلی بیانگر استمرار شرایط احیایی در محیط دیرینة سازند گرو هستند.

شکل۹- تصاویر میکروسکوپی مربوط به نمونه‎‍های مطالعه‌شده از رخسارة نسبتاً غنی از مواد آلی در بخش‎‍های میانی سازند گرو (SB=Solid bitumen; P=Pyrite; FP=Framboidal pyrite)

Fig 9- Microscopic photomicrographs of organic-rich samples from the middle parts of the Garau Formation‌

 بخش‎‍های فوقانی سازند گرو دارای رخسارة فقیر از ماده آلی بوده و از آهک سفید‌رنگ تشکیل شده‎‍اند (شکل ۶). در نمونه‎‍های بررسی‌شده از این بخش‎‍ها، مقادیر بسیار کمی از بیتومن جامد دیده می‎‍شود که در یک زمینة‌ روشن حضور دارند (شکل ۱۰). همچنین در نمونه‎‍های مذکور، مقادیر بسیار ناچیزی از پیریت وجود دارد. بر‌اساس مشاهدات پتروگرافی آلی، بیان می‌شود که در بخش‎‍های فقیر سازند گرو، مادة آلی کمتر از 10درصد حجم سنگ را شامل می‎‍شود. به‎‍طور کلی، بیان می‌شود که بخش‎‍های فوقانی سازند گرو، دارای مقدار بسیار ناچیزی از مواد آلی بوده‎‍اند و بنابراین محصولات هیدروکربنی حاصل از دگرسانی این مواد آلی نیز به مقدار بسیار ناچیز در نمونه‎‍های این بخش مشاهده می‎‍شوند.

شکل1۰- تصاویر میکروسکوپی مربوط به نمونه‎‍های بخش فقیر از مواد آلی در بخش‎‍های فوقانی سازند گرو‌

Fig 10- Microscopic photomicrographs of the organic-poor facies in the upper parts of the Garau Formation‌

 نتیجه

نتایج حاصل از مطالعات پیرولیز راک ـ ایول و پتروگرافی آلی بر‌ نمونه‎‍های برداشته‌شده از سازند گرو در رخنمون سطحی تاقدیس کبیرکوه ایلام، نشان می‎‍دهد که مقدار مادة آلی از بخش‎‍های قاعده‎‍ای به‌سمت بالای سازند‌ مطالعه‌شده، به‎‍تدریج کاهش می‎‍یابد. همچنین نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده، بلوغ حرارتی بسیار بالایی دارند (انتهای پنجرة گاززایی). به‎‍همین ترتیب، نتیجه گرفته می‌شود که مقدار و نوع مادة آلی موجود در سازند گرو که در حال حاضر قابل مشاهده و اندازه‎‍گیری است، در حقیقت باقی‌ماندة‌ مادة آلی اولیه‎‍ای است که در زمان ته‎‍نشینی در سازند گرو حفظ شده است. شواهد صحرایی (از‌جمله وجود لامینه‎‍های تیره و‌ وجودنداشتن آشفتگی) و شواهد پتروگرافی آلی (ازجمله فراوانی پیریت‎‍های فرمبوئیدی)، حاکی از حضور شرایط بدون اکسیژن در زمان ته‎‍نشینی بخش‎‍های قاعده‎‍ای تا میانی این سازندند. اما شرایط بدون اکسیژن در زمان ته‎‍نشینی بخش‎‍های فوقانی سازند گرو استمرار ندارند و در‌نتیجه بخش‎‍های فوقانی سازند گرو، کاملاً فقیر از مواد آلی‌اند. بر‌اساس نتایج حاصل از این مطالعه، بیان می‌شود که مادة آلیِ باقی‌مانده در این سازند، اساساً متشکل از کربن غیرفعال است که به‎‍دلیل از دست دادن هیدروژن، پتانسیل هیدروکربن‎‍زایی محدودی (به‌استثنای مقادیر متفاوتی از گاز خشک) دارد. به این ترتیب‌ در زمان‎‍های گذشتة زمین‎‍شناسی، مقادیر عظیمی از هیدروکربن از سازند گرو در حوضة لرستان زایش پیدا کرده‎‍اند. شناخت دقیق سرنوشت هیدروکربن‎‍های زایش‌یافته از سازند گرو، نیازمند آنالیز عناصر و فرآیندهای سیستم هیدروکربنی مربوطه است.

 

[1] Oceanic Anoxic Event (OAE)

[2] Total Organic Carbon

[3] Hydrogen Index

[4] Oxygen Index

[5] Flame Ionization Detector

[6] Weight percent (wt%)

[7] Burial history

[8] Oxidized organic matter

[9] Over-mature organic matter

[10] Solid bitumen (SB)

[11] Framboidal pyrite (FP)

[12] Amorphous organic matter (AOM)

References

Ala M. Kinghorn R. and Rahman M. T. 1980. Organic geochemistry and source rock characteristics of the Zagros petroleum province, southwest Iran. Journal of Petroleum Geology, 3(1):61-89.  
https://doi.org/10.1111/j.1747-5457.1980.tb01004.x
Alipour M. 2022. Organic facies and paleo-depositional environments of the Aptian–Albian Kazhdumi source rock in the Zagros basin of Iran. Marine and Petroleum Geology, 145: 105887. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2022.105887
Alipour M. 2024a. Organic geochemitry (textbook). Pazhohandegan Rahe Danesh, 140 p.
Alipour M. 2024b. Petroleum systems of the Iranian Zagros Fold and Thrust Belt. Results in Earth Sciences, 2: 100027. https://doi.org/10.1016/j.rines.2024.100027
Amiri S. and Alipour M. 2023. Organic facies and organic petrographic characteristics of the Pabdeh Formation in the Kilur-Karim Oilfield, SW Iran. Journal of Stratigraphy and Sedimentology Researches, 39(3): 1-14. https://doi.org/10.22108/jssr.2023.139363.1270
Barker C. 1974. Pyrolysis technique for source rock evaluation. AAPG Bulletin, 58(11): 2349-2361.
Behar F. Beaumont V. and Penteado H. D. B. 2001. Rock-Eval 6 technology: performances and developments. Oil & Gas Science and Technology, 56(2): 111-134. DOI:10.2516/ogst:2001013
Bustin R. M. Cameron A. Grieve D. and Kalkreuth W. 1985. Coal petrology-its principles, methods, and applications, Geological Association of Canada, Short Course Notes, Volume 3, 250 p.
Copard Y. Disnar J.-R. and Becq-Giraudon J. F. 2002. Erroneous maturity assessment given by Tmax and HI Rock-Eval parameters on highly mature weathered coals. International Journal of Coal Geology, 49(1):57-65. https://doi.org/10.1016/S0166-5162(01)00065-9
Hosseinpour M. 2007. Microfaceis and depositional environments of Garau Formation in the type section, Kabir Kuh, Ilam. MSc thesis, Bu Ali Univesity, 98 p.
Hosseinpour S. 2021. Evalution of geochemical properties of Garau Formation from the prespective of source rock in Tang-e-Bigar, Emam Hassan and Shahabad North fields. MSc thesis, Sahand Univesity of Technology, 115 p.
Hunt J. 1996. Petroleum geochemistry and geology (textbook). WH Freeman Company, p. 720.
James G. and Wynd J. 1965. Stratigraphic nomenclature of Iranian oil consortium agreement area. AAPG Bulletin, 49(12):2182-2245. https://doi.org/10.1306/A663388A-16C0-11D7-8645000102C1865D
Lafargue E. Marquis F. and Pillot D. 1998. Rock-Eval 6 applications in hydrocarbon exploration, production, and soil contamination studies. Revue de l'institut français du pétrole, 53(4): 421-437.
Lotfiyar A. Chehrazi A. Swennen R. and Ghasemi Siani M.  2017. Geochemical, geological, and petrophysical evaluation of Garau Formation in Lurestan basin (west of Iran) as a shale gas prospect. Arabian Journal of Geosciences, 11: 1-21.
Barmaki Zadeh K. 2017. Calcareous nannofossil biostratigarphy of Valanginian- Hauterivian sedimants at the lower part of the Garau Formation, Arkavaz section ( Kabir- Kuh anticlin, SE Ilam). MSc thesis, Shahid bahonar Univarsity of Kerman, 380 p.
Mahanipour A. Eftekhari M. and Soheili S. 2020. The early Aptian oceanic anoxic event 1a (OAE 1a) based on calcareous nannofossils at Garau Formation (Kabir-Kuh anticline), West of Iran. Geosciences, 29: 53-60. https://doi.org/10.22071/gsj.2018.144766.1526
Mahbobipour H. Kamali M.R. and Solgi A. 2016. Organic geochemistry and petroleum potential of Early Cretaceous Garau Formation in central part of Lurestan zone, northwest of Zagros, Iran. Marine and Petroleum Geology, 77: 991-1009. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2016.05.004
Motiei H. 1993. Stratigraphy of Zagros, Geological survey of Iran, 556 p.
Peters K. and Moldowan J. 1991. Effects of source, thermal maturity, and biodegradation on the distribution and isomerization of homohopanes in petroleum. Organic Geochemistry, 17(1): 47-61. https://doi.org/10.1016/0146-6380(91)90039-M
Peters K. E. and Cassa M. R. 1994. Applied source rock geochemistry. In: Magoon L. and Dow W. (Eds.), The petroleum system - from source to trap. AAPG Memoir, 60: 93-117.
Peters K. E. Walters C. C. and Moldowan J. M. 2005. The biomarker guide, Cambridge University Press. 1155 p.
Shabrang S. 2021. Microfaceis and sedimentary environments, geochemistry and organice petrography of the Garau Formation in the Aligudarz section type, Lurestan. MSc thesis, Shahid Beheshti Univesity, 137 p.
Sharafi M. Bayet-Goll A. Bagher R. Kavoosi M. Rashidi M. Daryabandeh M. and Zamani A. 2023. Sedimentary evolution of the Garau Basin (Lower-Middle Cretaceous): Implications from the facies analysis, depositional environment and palaecological conditions. Advanced Applied Geolgoy, 23: 635-662. https://doi.org/10.22055/aag.2021.37615.2227
Sharland P. R. Archer R. Casey D. M. Davies R. Hall S. H. Heward A. P. Horbury A. D. and Simmons M. 2001. Arabian plate sequence stratigraphy, Manama Bahrain, Gulf PetroLink, v. 4, 370 p.
Stöcklin J. 1968. Structural history and tectonics of Iran: a review. AAPG Bulletin, 52(7):1229-1258. https://doi.org/10.1306/5D25C4A5-16C1-11D7-8645000102C1865D
Tavangar Ranjbar M. 2014. Shale gas evaluation in Garau and Sargelu formations based on organic geochemistry data. MSc thesis, Shahrood University of Technology, 128 p.
Taylor G. H. Teichmüller M. Davis A. Diessel C. Littke R. and Robert P. 1998. Organic petrology, Berlin, Gebruder Borntraeger, 704 p.
Tissot B. and Espitalie J. 1975. Thermal evolution of organic-matter in sediments-application of a mathematical simulation-petroleum potential of sedimentary basins and reconstructing thermal history of sediments. Revue De L Institut Francais Du Petrole, 30(5): 743-777. https://doi.org/10.2516/ogst:1975026 
Journal of Stratigraphy and Sedimentology Researches
Volume 40, Issue 3 - Serial Number 96
Journal of Stratigraphy and Sedimentology Researches , Vol. 40, Issue 3, No. 96, Autumn 2024
October 2024
Pages 29-46

Files

Share

How to cite

Statistics