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URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-76494
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7649/


Davaa, Buyan-Arivjikh

Geodynamic development and hydrocarbon potential of the Tamtsag Basin, Eastern Mongolia

Geodynamische Entwicklung und Kohlenwasserstoffpotenzial des Tamtsag Beckens in der östlichen Mongolei

Dokument1.pdf (39.846 KB) (md5sum: af5c703d75a0f7620e3c7020de20b277)

Kurzfassung in Englisch

The Tamtsag Basin in easternmost Mongolia was formed by rift extension occurring during the Late Jurassic and Early Cretaceous. It is filled with continental sediments and volcanics that can reach up to 4 km in thickness. Rifting and subsequent basin inversion led to a complex basin geometry characterized by several horst and graben structures.
Based on published works on the subject of geological research in eastern and southeastern Mongolia, the chrono- and lithostratigraphy of the Tamtsag Basin has been described in this study. The results were verified by means of detailed geological mapping carried out on the northwestern edge of the basin. Outcrops of Early Palaeozoic to Late Jurassic magmatic rocks are distributed on the Baruun-Urt, Matad, Numrug and Nukhet Davaa highs that surround the basin in the north, east and south. Pre-rift Palaeozoic basement rock consists of marine siliciclastics, carbonates, volcanics, volcanoclastics and slightly to highly metamorphosed rocks. They are exposed widely at higher levels.
Seven chronostratigraphic units have been distinguished for the Mesozoic basin fillings: the Khamarkhoovor, Sharalyn, Tsagaantsav, Lower and Upper Zuunbayan, Sainshand and Bayanshiree. The largest part of the basin is covered by thin unconsolidated sediments of recent age. Basalt flows originating from the Dariganga volcanic plateau which restricts the basin in the southwest partially covers the southwestern section of the basin. Moreover, there are widespread crops of volcanic rocks of the Upper Triassic to Valanginian of the Early Cretaceous on the Baruun-Urt and Matad highs. In addition, the basin floor is covered by large volumes of those rocks, as evidenced by well data. Sediments of the Early Cretaceous Tsagaantsav Formation were deposited in alluvial fan, fluvial and shallow lake depositional environments. Although, the reservoir rocks in the Tsagaantsav Formation are qualitatively poor, due to large amount of brittle volcanic materials in their lithology, reservoir rock of higher quality was found locally, where porosity was preserved. The Tsagaantsav Formation is non-conformly covered by the Lower Cretaceous Lower Zuunbayan Formation. It consists of low energy clay sediments deposited in a deep lake with anoxic conditions at the bottom. This organic rich shale contains kerogen type II. Furthermore, it can be observed in the rock column that the deep lake depositional environment subsequently changed to shallow lake and fluvial, in which the sediments of the Upper Zuunbayan Formation were deposited. They contain mainly kerogen prone to gas generation. Further up in the profile, the Upper Zuunbayan Formation is non-conformly covered by high energy sediments deposited in an alluvial fan and braided river. Relatively thin, up to 200 meter thick sandstones and conglomerates determine the Sainshand and Bayanshiree formations. Early and Middle Triassic strata and sediments of the second half of the Upper Cretaceous are missing completely in the Tamtsag Basin.
The Tamtsag Basin consists of a total of eight sub-basins located in two parallel rows. Their extension passes with structural grain of a Palaeozoic basement. The basin is divided into eastern and western parts by an optional line drawn on the intra-basinal high between the Sangiin Dalai Lake sub-basin and the Zurkh Khamar-Bayangobi sub-basin on the country's border. This study is focused on the geometric structure of the western rim, which includes the Ar Bulag, Shar Bogi, Mogoit, Sangiin Dalai Lake and Zagiin Khovoo Lake sub-basins. Rotated blocks indicative of extensional tectonic regime, flower structures caused by strike slip movement and faulted and folded structures related to deformation occur abundantly in those sub-basins. Each sub-basin represents its own specific structure reflecting its geodynamic history. In general, those basins developed in an extensional regime of the rifting, although the Sangiin Dalai Lake and the Shar Bogi sub-basins would appear to be a pull-apart basin developed on the transitional zone of a strike slip fault.
The paleo-sea floor, better called the Palaeozoic marine basement, between the Siberian and North China blocks was uplifted and strongly folded as a consequence of an early stage of continental amalgamation. In the course of this collision the paleo-oceanic crust was subducted northwards below the Siberian plate at the Mongol-Okhotsk suture zone. Moreover, denser oceanic crust sank faster into the mantle than that of the northwards movement of the North China block. Consequently, many extensional basins developed in the interior of the North China and Mongolian Tract (NCMT) during the Late Jurassic and Early Cretaceous. They were filled with sediments of the Khamarkhoovor, Sharalyn and Tsagaantsav formations. It is possible that, after the deposition of the Tsagaantsav, this subduction was broken by subduction of the Pacific plate below the Asian Plate. Consequently, the change in tectonic tensions led the post-Tsagaantsav uplift, folding and subsequent erosion. In this study, the thickness missing as a result of this erosion event has been reconstructed by interpretation of 2-D seismic profiles crossing the basin. Subsequently, the rifting extension was reactivated, but not as strongly as on the previous occasion. However, the basin reached its record burial depth and achieved its maximum volume of sediments, which are chronostratigraphically called the Zuunbayan Formation. In this case, the subsidence of the basin was led by a shrinking in volume as a result of the basin's cooling. Additionally, it was supported by the gravitational weight of basin fills, which increased continually. After that the Zuunbayan Formation was deposited, the basin again contracted. On this occasion, the basin's volume was enormous and, therefore, no strong faulting can be observed in the Zuunbayan Formation. On the contrary, it is possible that a large convex anticline developed. Within the framework of this study, the thickness missing as a result of erosion occurring post-Zuunbayan has been estimated for the wells by the method relied on with regard to the normal compaction trend of shale.
The basins located near the Pacific, e.g. the Songliao, are younger and deeper than the basins in the interior of the NCMT: Tamtsag, Hailaar, East-Gobi, Erlain and Yingen. The tectonic forces leading the development of those outer basins are explained by the theory of a Pacific back-arc extension. Although the distance between the basins interior of the NCMT and the paleo-Pacific suture zone was great, it is possible that those basins were to some degree influenced by this subduction. As a consequence, the thin strata of the Middle Cretaceous Sainshand and Bayanshiree formations were deposited.
All of those results, i.e. the chrono- and lithostratigraphy of the basin, the tectonic history explanation and the results of the reconstruction of the missing thickness from both unconformities have been used for the construction of the geo-history diagram of the Tamtsag Basin. 1-D and 2-D geo-history diagrams were used as source models for the simulation of the thermal history of the basin.
The results show that the first temperature peak in the basin's history occurred at ca. 137 Ma and was related to rifting. In this case the basin was heated by a high heat flow originating from the mantle, which was entering the basin through deep faults. The second and record high temperature peak occurred at around 122 Ma. This heating was most certainly due to deep burial, rather than extension. During the post Zuunbayan uplift, the basin effectively cooled down. The Tamtsag Basin is now in its coldest phase. Relying on the results of a thermal history analysis of the basin, hydrocarbon generation, its potential and source rock maturity have been estimated in this study. Thermal history has been calibrated by way of comparing measured and calculated vitrinite reflectance data. The kinetic EASY%Ro algorithm (Sweeney and Burnham, 1990) was used for the calculation of the theoretic values of vitrinite reflectance. The results of this simulation show that petroleum generation began at 125-120 Ma. Source rocks with kerogen type II in the Tsagaantsav and Lower Zuunbayan formations are thermally mature. Migration took place over a short distance. Generation, migration to and accumulation in reservoir rock have continued at a decreasing rate up to the present day.


Kurzfassung in Deutsch

Das Tamtsag-Becken in der östlichen Mongolei wurde durch ExtensionsRifte geformt, die während des späten Jura und der frühen Kreidezeit stattfanden. Es ist mit kontinentalen Sedimenten und Vulkangestein gefüllt, die bis zu 4 km Dicke erreichen. Rift und nachfolgende Bassin-Inversion führten zu einer komplexen Bassin-Geometrie, welche durch verschiedene Horst- und Grabenstrukturen charakterisiert ist.
Auf der Basis von publizierten geologischen Arbeiten über die östliche und südöstliche Mongolei wurde die Chrono- und Lithostratigraphie des Tamtsag-Beckens rekonstruiert. Das Ergebnis wurde durch detaillierte geologische Kartierung nachgeprüft, die am nord-westlichen Rand des Beckens durchgeführt wurde. Aufschlüsse des magmatischen Gesteins des frühen Paläozoikums bis späten Jura verteilen sich auf den Höhen von Baruun-Urt, Matad, Numrug und Nukhet Davaa, die das Becken im Norden, Osten und Süden umgeben. Das paläozoische Grundgestein aus der Zeit vor dem Rift besteht aus marinem Sedimentgestein, Karbonaten, Vulkangestein, Volcaniklastika und wenig bis hoch metamorphem Gestein. Sie wurden auf den Höhenzügen weithin freigelegt.
Sieben chronostratigraphische Einheiten wurden für die mesozoischen Beckenfüllungen-ausgewiesen: das Khamarkhoovor, das Sharalyn, das Tsagaantsav, das Untere und Obere Zuunbayan, das Sainshand und das Bayanshiree. Der größte Teil des Beckens wurde von einer dünnen Schicht von Lockergestein des jüngsten Alters bedeckt. Basaltabfluss, der aus dem vulkanischen Dariganga-Plateau entstand, das das Becken im Südwesten einschränkt, bedeckt teilweise die südwestliche Abteilung des Beckens. Außerdem gibt es weit verbreiteten Ausstrich von vulkanischen Gesteinen des Oberen Trias bis zu Valanginian der Frühen Kreide auf dem Baruun-Urt und den Matad-Höhen. Zusätzlich wurde der Bassinboden von großen Volumen dieser Gesteine abgedeckt, welche durch Bohrlochdaten nachgewiesen sind. Sedimente der Tsagaantsav-Formation der frühen Kreide wurden in der Ablagerungsbedingung des Schuttkegel, fluvialen und flachen Sees abgelagert. Obwohl die Reservoirgesteine in der Tsagaantsav-Formation qualitativ schwach sind, wegen des großen Betrags von brüchigen vulkanischen Materialien in ihrer Lithologie, konnten die Reservoirgesteine mit der höheren Qualität örtlich gefunden werden, wo Durchlässigkeit gut erhalten war. Die Tsagaantsav-Formation ist diskordantlich von der Unteren Zuunbayan-Formation von unterer Kreide abgedeckt. Sie besteht aus niederenergetischen Tonsedimenten, die in einem tiefen See mit anoxischen Bedingungen am Boden niedergelegt wurden. Dieser organische reiche Schieferton enthält das Typ II Kerogen. Außerdem kann man in der Gesteinssäule beobachten, dass die Ablagerungsbedingung den tiefen See danach zum flachen See und fluvial veränderte, in dem die Sedimente der Oberen Zuunbayan-Formation abgelagert wurden. Sie enthalten hauptsächlich Kerogen, anfällig für die Gasgeneration. Weiter im Profil nach oben ist eine Diskordanz gut bemerkbar, die die Sedimente von der Oberen Zuunbayan-Formation von den Sainshand- und Bayanshiree- Formationen abscheidet. Sie bestehen aus hohen Energiesedimenten, die in einem alluvialen Schuttkegel und einem verästelten Fluss abgelegt sind. Die Sandsteine und die Konglomerate sind bis zu 200 Meter mächtig. Frühe und Mittlere Trias-Schichten und Sedimente der zweiten Hälfte der oberen Kreide fehlen vollständig im Tamtsag -Bassin.
Das Tamtsag-Becken besteht aus insgesamt acht in zwei parallelen Reihen gelegenen Subbassinen. Ihre Erweiterung passt mit dem Strukturkorn des paläozoischen Fundaments zusammen. Das Becken wird in Ost- und Westteile durch eine fakultative Linie geteilt, die über die beckeninnere Höhe zwischen dem Subbassin des Sangiin Dalai Sees und dem Zurkh Khamar-Bayangobi Subbassin bis zur Staatsgrenze gezogen wurde. Diese Studie konzentriert sich auf die geometrische Struktur des Westrandes, der den Ar Bulag, Shar Bogi, Mogoit, Sangiin Dalai See und Zagiin Khovoo See Subbassins einschließt. Rotierte Blöcke, die indikativisch für das tektonische Ausdehnungsregime sind, Blumenstrukturen, die durch Blattverschiebungsbewegung verursacht sind, und die mit der Deformierung verbundenen Strukturen wie die Störungen und die Falten kommen reichlich in jenen Subbassins vor. Jedes Subbassin vertritt seine eigene spezifische Struktur, die seine geodynamische Geschichte widerspiegelt. Im Allgemeinen entwickelten sich die Bassins in einem Ausdehnungsregime des Rifts, obwohl die Sangiin Dalai See und die Shar Bogi Subbassins als Pull-apart-Becken bezeichnet werden können, die sich auf der Übergangszone einer Blattverschiebungsstörung entwickelte.
Der Paläomeeresboden besser bezeichnet als paläozoisches Meeresfundament zwischen den sibirischen und nordchinesischen Blöcken wurde emporgehoben und faltete sich stark als Folge einer frühen Phase der Kontinentalfusion. Im Laufe dieser Kollision wurde die paläoozeanische Kruste nach Norden unter die sibirische Platte an der Sutur-Zone des Mongolen-Okhotsk geschoben. Außerdem sank die dichtere ozeanische Kruste schneller in den Mantel als die sich nach Norden bewegende des chinesischen Nordblocks. Folglich entwickelten sich während des Späten Jura und der Frühen Kreide viele Ausdehnungsbassins im Inneren des mongolischen und nordchinesischen Traktes (NCMT). Sie wurden mit Sedimenten des Khamarkhoovor, Sharalyn und der Tsagaantsav-Formation gefüllt. Es ist möglich, dass nach der Ablagerung der Tsagaantsav-Formation diese Unterschiebung durch eine andere, nämlich die Unterschiebung der Pazifischen Platte unter die asiatische Platte unterbrochen wurde. Folglich führte die Änderung in tektonischen Spannungen zur Erhebung, Faltung und nachfolgenden Erosion nach der Tsagaantsav- Ablagerung. In dieser Studie ist die Mächtigkeit, die infolge dieses Erosionsereignisses fehlt, durch die Interpretation von 2-D seismischen Profilen, die das Becken durchqueren, wieder aufgebaut worden. Danach wurde die Riftsausdehnung reaktiviert, aber nicht ebenso stark wie bei der vorherigen Gelegenheit. Jedoch erreichte das Becken seine Rekordversenkungstiefe und bekam sein maximales Volumen von Sedimenten und das Ereignis wurde chronostratigraphisch Zuunbayan Formation genannt. In diesem Fall wurde die Senkung des Beckens durch ein Schrumpfen im Volumen infolge des Abkühlens des Beckens herbeigeführt. Zusätzlich wurde es durch das Gravitationsgewicht der Beckenfüllung unterstützt, das ständig zunahm. Danach verkürzte sich das Becken wieder. Bei dieser Gelegenheit war das Volumen der Beckenfüllung enorm und deshalb kann keine stärkere Faltung in der Zuunbayan Formation beobachtet werden. Im Gegenteil ist es möglich, dass sich eine große konvexe Antiklinale entwickelte. Im Rahmen dieser Studie ist die Mächtigkeit, die infolge der Erosion bei diesem Ereignis fehlt, für die Bohrlöcher durch die Methode geschätzt worden, die auf der normalen Kompaktionstendenz des Schiefertons beruht.
Die Bassins, die in der Nähe des Pazifik gelegen sind, z.B der Songliao, sind jünger und tiefer als die Bassins im Inneren des NCMT: Tamtsag, Hailaar, Ost-Gobi, Erlain und Yingen. Die tektonischen Kräfte, die zur Entwicklung der Außenbecken führen, werden durch die Theorie einer back-arc-Ausdehnung des Pazifiks erklärt. Obwohl die Entfernung zwischen dem Beckeninneren des NCMT und der paläopazifischen Sutur-Zone groß war, ist es möglich, dass diese Becken zu einem gewissen Grad von dieser Subduktion beeinflusst waren. Demzufolge wurden die dünnen Schichten des Mittleren Kreide Sainshand und der Bayanshiree-Formation abgelagert.
Alle jene Ergebnisse, z. B. die Chrono- und Lithostratigraphie des Beckens, der tektonischen Geschichtserklärung und der Ergebnisse der Rekonstruktion der fehlenden Mächtigkeit von beiden Diskordanzen sind für den Aufbau des Geo-Geschichtsdiagramms des Tamtsag Beckens verwendet worden. 1-D und 2-D Geo-Geschichtsdiagramme wurden als Quellmodelle für die Simulation der Thermalgeschichte des Beckens verwendet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die erste Temperaturspitze in der Geschichte des Beckens vor circa 137 Millionen Jahren lag und vom Rift verursacht wurde. In diesem Fall wurde das Becken durch einen hohen Hitzefluss geheizt, der aus dem Mantel herrührt, der durch tiefe Verwerfungen in das Becken eindrang. Die zweite und Rekordhöchsttemperatur kam vor etwa 122 Millionen Jahren vor. Diese Aufheizung kam höchstwahrscheinlich eher durch eine tiefe Versenkung als durch eine Ausdehnung. Während der Hebung, die nach der Zuunbayan-Ablagerung stattfand, kühlte das Becken effektiv ab. Das Tamtsag-Becken ist jetzt in seiner kältesten Phase. Auf der Basis der Ergebnisse einer Thermalgeschichtsanalyse des Beckens sind Kohlenwasserstoff-Generation, Potenzial und Muttersteinmaturität in dieser Studie geschätzt worden. Die Thermalgeschichte wurde über das Vergleichen von gemessenen und berechneten Vitrinit-Reflektivitäts-daten kalibriert. Der kinetische EASY%Ro Algorithmus (Sweeney und Burnham, 1990) wurde für die Berechnung der theoretischen Werte von Vitrinit-Reflektivität verwendet. Die Ergebnisse dieser Simulation zeigen, dass die Erdölgeneration vor 125-120 Millionen Jahren begann. Mutterstein mit dem Typ II Kerogen im Tsagaantsav und in den Unteren Zuunbayan Formationen sind thermisch reif. Migration fand über eine kurze Entfernung statt. Generation, Migration zu und Akkumulation im Reservoirstein gehen bis heute mit abnehmender Geschwindigkeit weiter.


SWD-Schlagwörter: Kerogen , Kohlenwasserstoffe , Becken <Geologie>
Freie Schlagwörter (englisch): Petroleum , Tamtsag , Heat flow , Sainshand , Tsagaantsav, Zuunbayan, Sharalyn
Institut: Geologisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Henk, Andreas (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.05.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 22.07.2010
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