The electrical resistivity of the Posidonia black shale: from magnetotelluric exploration to rock samples

Abstract

I carried out a magnetotelluric field survey in the southeastern area of the Lower Saxony Basin, in Germany. Eighty-three magnetotelluric stations were deployed along a SW-NE, sixty-three kilometre long profile. The main goals of the survey were of testing this geophysical method for imaging the regional Posidonia black shale formation and evaluating the influence of thermal maturity in its electrical resistivity. The acquired data were highly affected by cultural noise. For this reason, I discarded the southern profile section between stations one and twenty-seven. However, data processing was successful for the majority of stations between twenty-eight and eighty-three. The corresponding geo-electric strike estimates point to a predominantly E-W direction, in accordance with regional geology and major faults. Two- dimensional magnetotelluric inversion results of the acquired data show a series of electrically conductive structures which correlate with brine saturated sediments but also with deeper, meta-anthracitic/graphitized Carboniferous coals. However, none of these structures could be directly related with the Posidonia black shale, which appears to be generally electrically resistive due to its low thermal maturity and, therefore, very difficult to resolve with the magnetotelluric method. Besides the magnetotelluric experiment, I made a series of laboratory measurements of electrical resistivity on a set of Posidonia black shale samples from the Hils syncline structure found in the Lower Saxony basin. The corresponding rock samples were collected in shallow wells named Wickensen, Harderode and Haddessen. These three wells show immature, oil and gas thermal maturities, respectively. Results showed that the Posidonia black shale samples are electrically resistive, when measured in dry conditions. Furthemore, electrical resistivity is consistently higher when measured against rock bedding, which indicates that the Posidonia black shale is heterogeneous and electrically anisotropic. I observed no direct correlation between electrical resistivity and thermal maturity: the Harderode samples showed the highest electrical resistivity, whilst the Haddessen samples showed the lowest. This was an unexpected result because the increase of thermal maturity between Wickensen and Haddessen contributed to the aromatization of the organic carbon in the Posidonia black shale. Consequently, this effect should have contributed to a constant decrease of electrical resistivity in the Posidonia black shale between Wickensen and Haddessen. An ineffective drying process and the presence of moisture could have been the reasons for the observed trend of electrical resistivity. I tested the dependence of electrical resistivity of the Posidonia black shale samples on water content by saturating them with distilled and saline water solutions. The saturation process led to a constant and significant decrease of electrical resistivity of the experimented samples. Moreover, increasing salinity corresponded to higher drops in electrical resistivity for the Wickensen and Harderode samples. However, the observed decrease of electrical resistivity with distilled water of electrical resistivity was generally lower at the Haddessen samples, meaning the influence of water content in electric conduction could be lower for these samples. To constrain the influence of water content in electric conduction through the Posidonia black shale, I measured the porosity of all samples and correlated it with electrical resistivity of the water saturated samples. Strong and positive correlations were observed for the Wickensen and Harderode samples. No correlation was observed, however, for the Haddessen samples, possibly due to the lack data points. These observations indicate that the electrical resistivity of Posidonia black shale, at the immature and hydrocarbon generation stages, is porosity controlled. I also correlated electrical resistivity with the organic carbon content of the samples. No correlation was observed in the Wickensen and Harderode samples, but a strong and positive correlation was observed for the Haddessen samples. This result together with the less prominent influence of water in electric conduction through the Haddessen samples strengthens the possibility of a more influential role of carbon in electric conduction at the gas stage in detriment of pore water and porosity. I conclude from my research that the electrical conductivity of black shales depends on a variety of factors. At immature and hydrocarbon-generation thermal maturities the Posidonia black shale is not electrically conductive. Furthermore, electric conduction at these maturities seems to be mainly controlled by water content and porosity rather than by carbon content. Because of this, the magnetotelluric method has limited potential for the exploration of such black shales in sedimentary basins such as the Lower Saxony basin. The main difficulty is to distinguish them from other over- and underlying water-rich formations. It is possible, however, to characterize black shales with higher thermal maturities. The deep and highly conductive body present in the inversion models related to meta- anthracitic/graphitized Carboniferous coals, is proof of that possibility.

Ich führte eine magnetotellurische Feldstudie im Südosten des Niedersächsischen Becken, in Deutschland. Dreiundachtzig magnetotellurische Stationen wurden entlang eines SW-NE, dreiundsechzig km langen Profil im Einsatz. Die Hauptziele der Studie waren der Prüfung dieses geophysikalische Methode zur Abbildung der regionalen Posidonia schwarzen Schieferformation und Bewertung des Einflusses der thermischen Reife in seinem elektrischen Widerstand. Die gewonnenen Daten wurden stark von kulturellen Lärm betroffen. Aus diesem Grund verworfen ich die südliche Profilabschnitt zwischen den Stationen ein und siebenundzwanzig. Jedoch war die Datenverarbeitung erfolgreich für die Mehrzahl von Stationen zwischen achtundzwanzig und dreiundachzig. Die entsprechenden Geo-Türöffner Schätzungen deuten auf eine überwiegend OW-Richtung in Übereinstimmung mit der regionalen Geologie und schwerwiegende Fehler. Zweidimensionale magnetotelluric-Inversion der erfassten Daten zeigen eine Reihe von elektrisch leitenden Strukturen, die mit Salzlösung gesättigt Sedimente korrelieren auch mit tieferen, meta-Anthrazit / graphitierte Karbon Kohlen. Jedoch keine dieser Strukturen könnten direkt mit der Posidonia schwarzen Schiefer, die als allgemein elektrisch resistive erscheint wegen seiner geringen thermischen Reife und, bezogen werden daher sehr schwierig, mit dem magnetotelluric Verfahren lösen. Neben der magnetotellurische Experiment, machte ich eine Reihe von Labormessungen des elektrischen Widerstandes auf eine Reihe von Posidonia schwarzen Schieferproben aus der Hils Mulde Struktur im niedersächsischen Becken gefunden. Die entsprechenden Gesteinsproben wurden in seichten Brunnen benannt Wickensen, Harderode und Haddessen gesammelt. Diese drei Bohrlöcher zeigen, unreif, Öl- und Gas-Wärmelaufzeiten auf. Die Ergebnisse zeigten, dass die Posidonia Schwarzschiefer Proben mit elektrischem Widerstand, bei trockener Lagerung gemessen. Außerdem ist elektrischer Widerstand durchweg höher, wenn gegen Felsenbettzeug , die anzeigt, dass der Posidonia Schwarzschiefer ist heterogen und elektrisch anisotropen gemessen. Ich beobachtete keinen direkten Zusammenhang zwischen elektrischen Widerstand und thermische Reife: die Harderode Proben zeigte die höchste elektrische Widerstand, während die Haddessen Proben die niedrigste zeigte. Dies war ein unerwartetes Ergebnis, weil die Erhöhung der thermischen Laufzeit zwischen Wickensen und Haddessen trug zur Aromatisierung des organischen Kohlenstoffs im Posidonia schwarzen Schiefer. Folglich ist dieser Effekt auf einen konstanten beigetragen Verringerung des elektrischen Widerstandes in der Posidonia Schwarzschiefer zwischen Wickensen und Haddessen. Eine unwirksame Trocknungsprozess und die Anwesenheit von Feuchtigkeit sein konnte die Gründe für die beobachteten Trend des spezifischen elektrischen Widerstands. Getestet habe ich die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands der Posidonia Schwarzschiefer Proben auf Wassergehalt durch Sättigung sie mit destilliertem und salzhaltigen Lösungen. Der Sättigungsprozess führte zu einem konstanten und signifikanten Abnahme des elektrischen Widerstandes der Proben experimentiert. Darüber hinaus entsprach zunehmende Versalzung zu höheren Tropfen in elektrische Widerstand für die Wickensen und Harderode Proben. Jedoch ist die beobachtete Abnahme des elektrischen Widerstandes mit destilliertem Wasser mit elektrischen Widerstand wurde in der Haddessen Proben allgemeinen niedriger, was bedeutet, den Einfluß des Wassergehalts in der elektrischen Leitung könnte niedriger für diese Proben ist. Um den Einfluß des Wassergehalts in der elektrischen Leitung durch das Posidonia schwarzen Schiefer beschränken, I gemessene Porosität aller Proben und korreliert sie mit der elektrische Widerstand der mit Wasser gesättigten Proben. Starke und positive Korrelationen wurden für die Wickensen und Harderode Proben beobachtet. Es wurde keine Korrelation beobachtet, aber aus den Haddessen Proben, möglicherweise aufgrund der fehlenden Datenpunkten. Diese Beobachtungen zeigen, dass der spezifische elektrische Widerstand Posidonia schwarzen Schiefer, im unreifen und Kohlenwasserstoffphasen Generation, Porosität gesteuert. I auch korrelierte elektrische Widerstand mit der organischen Kohlenstoffgehalt der Proben. Es wurde keine Korrelation in den Wickensen und Harderode Proben beobachtet, aber eine starke und positive Korrelation wurde für die Haddessen Proben beobachtet. Dieses Ergebnis zusammen mit der weniger hervor Einfluss von Wasser in die elektrische Leitung durch die Haddessen Proben stärkt die Möglichkeit, einen größeren Einfluss Rolle des Kohlenstoffs in der elektrischen Leitung an der Gasphase in Nachteil des Porenwassers und der Porosität. Abschließend möchte ich aus meiner Forschung, die die elektrische Leitfähigkeit des Schwarzschiefer, hängt von einer Vielzahl von Faktoren. Bei unreifen und Kohlenwasserstoff-Erzeugung thermischer Laufzeiten der Posidonia Schwarzschiefer ist nicht elektrisch leitend. Darüber hinaus scheint die elektrische Leitung an diesen Laufzeiten, hauptsächlich durch den Wassergehalt und die Porosität nicht durch Kohlenstoff-Gehalt gesteuert werden. Aus diesem Grund hat der magnetotellurische Verfahren begrenztes Potenzial für die Erforschung solcher Schwarzschiefern in Sedimentbecken, wie das Niedersächsische Becken. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, sie von anderen Über- und zugrunde liegenden wasserreichen Formationen zu unterscheiden. Es ist jedoch möglich, den schwarzen Tonschiefern höheren thermischen Laufzeiten zu charakterisieren. Die tiefe und gut leitenden Körper in der Inversionsmodelle Meta-Anthrazit / graphitierte Karbon Kohlen bezogenen vorhanden, ist ein Beweis für diese Möglichkeit.