background image

GEOLOGICA CARPATHICA, JUNE 2008, 59, 3, 225—236

www.geologicacarpathica.sk

Organic geochemistry of Jurassic-Cretaceous source rocks

and oil seeps from the profile across the Adriatic-Dinaric

carbonate platform

ŽELJKA FIKET

*1

, ANĐA ALAJBEG

2

,

 

SABINA STRMIĆ PALINKAŠ

3

, VLASTA TARI-KOVAČIĆ

4

,

LADISLAV PALINKAŠ

3

 and JORGE SPANGENBERG

5

1

Center for Marine and Environmental Research, “Ru er Bošković” Institute, Bijenička 54, PP 180, HR-10002 Zagreb, Croatia;

*

zeljka.fiket@irb.hr

2

INA- Strategic Development, Research and Investment Sector, HR-10002 Zagreb, Croatia

3

Institute of Mineralogy and Petrography, Faculty of Science, University of Zagreb, HR-10000 Zagreb, Croatia

4

INA-Exploration, HR-10000 Zagreb, Croatia

5

Institute of Mineralogy and Geochemistry, University of Lausanne, BFSH-2, CH-1015 Lausanne, Switzerland

(Manuscript received November 23, 2006; accepted in revised form November 21, 2007)

Abstract: Organic geochemical and stable isotope investigations were performed to provide an insight into the deposi-
tional environments, origin and maturity of the organic matter in Jurassic and Cretaceous formations of the External
Dinarides. A correlation is made among various parameters acquired from Rock-Eval, gas chromatography-mass spec-
trometry data and isotope analysis of carbonates and kerogen. Three groups of samples were analysed. The first group
includes source rocks derived from Lower Jurassic limestone and Upper Jurassic “Lemeš” beds, the second from Upper
Cretaceous carbonates, while the third group comprises oil seeps genetically connected with Upper Cretaceous source
rocks. The carbon and oxygen isotopic ratios of all the carbonates display marine isotopic composition. Rock-Eval data
and maturity parameter values derived from biomarkers define the organic matter of the Upper Cretaceous carbonates
as Type I-S and Type II-S kerogen at the low stage of maturity up to entering the oil-generating window. Lower and
Upper Jurassic source rocks contain early mature Type III mixed with Type IV organic matter. All Jurassic and Creta-
ceous  potential  source  rock  extracts  show  similarity  in  triterpane  and  sterane  distribution.  The  hopane  and  sterane
distribution pattern of the studied oil seeps correspond to those from Cretaceous source rocks. The difference between
Cretaceous oil seeps and potential source rock extracts was found in the intensity and distribution of n-alkanes, as well
as in the abundance of asphaltenes which is connected to their biodegradation stage. In the Jurassic and Cretaceous
potential source rock samples a mixture of aromatic hydrocarbons with their alkyl derivatives were indicated, whereas
in the oil seep samples extracts only asphaltenes were observed.

Key words: Jurassic, Cretaceous, Adriatic-Dinaric carbonate platform, biomarkers, potential source rock, oil seep.

Introduction

The Adriatic-Dinaric carbonate platform (ADCP) (Fig. 1), de-
veloped during the Alpine evolution of the Dinaric parts of the
Tethys (Pamić 1993), is composed of up to 8 km thick carbon-
ate and shallow-water carbonate-evaporite sequences (Fig. 2).

Potential  and  effective  source  rocks  in  the  ADCP  include:

(1) Carboniferous mudstones and shales and Middle Permian
laminated  limestones  and  shales;  (2)  Middle  Triassic  marls,
shales and dolomicrites; (3) Upper Jurassic “Lemeš” beds –
sediments deposited in a deeper bay of Tethys, represented by
thin-bedded  to  platy  limestones  interbedded  with  cherts,  in
some  places  with  rich  ammonite  assemblages  (Furlani  1910;
Chorowicz & Geyssant 1972) and (4) Lower and Upper Creta-
ceous carbonates. Some Lower and Middle Eocene limestone
formations  contain  immature  or  early  mature  source  rocks
(Pamić  1993).  Oil  seeps  in  the  ADCP  were  correlated  to
source  rocks  of  various  stratigraphic  levels  ranging  from  the
Middle  Triassic  to  the  Upper  Cretaceous  (Moldowan  et  al.
1992; Jerinić et al. 1994).

This paper presents data on Rock-Eval pyrolysis, the stable

isotopic composition of carbonates (

δ

13

C, 

δ

18

O) and kerogen

(

δ

13

C), as well as the molecular distribution of saturated and

aromatic compounds from the Jurassic and Cretaceous poten-
tial  source  rocks  and  oil  seeps,  collected  along  the  400 km
long profile in ADCP (Fig. 1).

The aim of this paper is geochemical characterization of the

depositional  environments  and  maturation  history  of  the  or-
ganic matter (OM) in carbonate deposits of the ADCP during
the Jurassic and Cretaceous Periods.

Geological setting

The studied area extended along the Croatian coast-line, in-

cluding  Hvar  and  Brač  Islands,  from  Metković  (43.05°N,
17.65°E) to Senj (44.99°N, 14.90°E) (Fig. 1).

The  Dinarides  form  a  complex  fold,  thrust  and  imbricate

belt  which  developed  along  the  northeastern  margin  of  the
Adriatic  (Dewey  et  al.  1973)  or  Apulia  microplate  (Ricou  et
al. 1986; Dercourt et al. 1993). The Dinarides, which can be
traced along-strike for about 700 km, merge in the north-west
with the Southern Alps and in the south-east with the Helle-
nides (Pamić et al. 1998). The largest part of the Central Di-

background image

226

FIKET, STRMIĆ PALINKAŠ, PALINKAŠ, TARI-KOVAČIĆ, ALAJBEG and ŠPANIĆ

narides, despite their complex fold, thrust and imbricate struc-
ture, is characterized by a regular zonal pattern in the spatial
distribution  of  characteristic  Mesozoic—Paleogene  tectonos-
tratigraphic units developed during the Alpine evolution in the
Dinaric  parts  of  the  Tethys  (Pamić  et  al.  1998).  From  the
south-west to the north-east, that is from the Adriatic micro-
plate  towards  the  Pannonian  Basin,  the  following  tectonos-
tratigraphic 

units, 

originating 

in 

different 

Tethyan

environments, can be distinguished: (1) Adriatic-Dinaric car-
bonate  platform  (ADCP)  –  the  External  Dinarides  (Fig. 1);
(2) carbonate—clastic sedimentary rocks, in some places with
flysch signatures, of the passive continental margin of the Di-
naric Tethys; (3) ophiolites associated with genetically relat-
ed sedimentary formations (the Tethyan open-ocean realm);
(4)  sedimentary,  igneous  and  metamorphic  units  of  the  Eu-
roasian  active  continental  margin;  (5)  Paleozoic—Triassic
nappes,  which  are  thrust  onto  the  Internal  Dinarides  units;
their frontal parts directly overlying the northeastern margin
of the ADCP. The tectonostratigraphic units 2 to 4 define the
Internal Dinarides.

From  the  Liassic  period  to  the  Middle  Eocene,  the  ADCP

was an isolated platform surrounded by the Tethys Ocean. The
final disintegration of the ADCP started in the Senonian with
regional tectonic movements resulting in uplift, partial regres-
sion and flysch deposition (Pamić et al. 1998). Tangential tec-

tonics reduced transversally the area of the ADCP to the about
700 km  long  and  50—250 km  wide  thrust  belt  commonly
named  the  External  Dinarides  (Velić  et  al.  2001).  From  the
Late  Triassic  to  the  Middle  Eocene,  for  almost  150  million
years, the ADCP was a relatively stable, shallow-marine plat-
form;  global  sea-level  changes  and  synsedimentary  tectonics
influenced both platforms periodically but not contemporane-
ously, generating about 5 to 8 km thick carbonate sequences.
The  carbonate  rocks  and  carbonate-evaporite  shallow-water
deposits  in  the  ADCP  include  effective  and  potential  source
rocks, oil seeps, and ore deposits associated with organic mat-
ter of different ages starting from the Carboniferous and con-
tinuing up to the Paleogene.

Samples and methods

Sampling and geochemical analysis

A total of 13 Jurassic and 23 Cretaceous samples of poten-

tial source rocks and oil seeps were collected from fresh rock
surface exposures at 12 localities along a profile in the ADCP
(Fig. 1). The studied Jurassic and Cretaceous potential source
rock  samples  are  represented  by  carbonates  which  contain
autochthonous  organic  matter,  kerogen  and  associated  bitu-

Fig. 1. Map of the Adriatic-Dinaric
carbonate platform with marked lo-
calities of sampled potential source
rocks  and  oil  seeps.  (   –  Creta-
ceous  potential  source  rock;    –
Cretaceous oil seep; 

 – Jurassic

potential source rock).

background image

227

ORGANIC GEOCHEMISTRY OF SOURCE ROCKS FROM THE ADRIATIC-DINARIC CARBONATE PLATFORM

men.  The  Cretaceous  oil  seep  samples  are  represented  by
carbonates  with  pores,  fissures  and  cavities  filled  with  mi-
grated bitumen.

Samples were chosen based on the literature and knowledge

accumulated at the Croatian Oil Company INA in order to rep-
resent carbonate formations of different depositional environ-
ments developed during the Jurassic and Cretaceous Periods.

To  remove  superficial  contamination  from  handling  and

weathered material, the rock samples were cut into slabs with
a water cooled saw, washed with deionized water and distilled
ethanol and dried at 50 °C for 48 h. The cleaned samples were
milled  in  an  agate  ball-mill,  and  analysed  for  distribution  of

hydrocarbons and isotopic composition of carbonates and ker-
ogen according to the procedure described by Spangenberg &
Macko (1998).

All the samples were subjected to TOC and Rock-Eval anal-

ysis in order to investigate basic potential source rock proper-
ties  and  select  a  reduced  number  of  samples  for  further
detailed  analysis.  Rock  powders  were  submitted  to  total  or-
ganic  carbon  (TOC)  and  Rock-Eval  analysis  at  the  Humble
Geochemical Services Division (Humble, TX 77347).

An  aliquot  of  selected  samples  (150—200 g)  was  extracted

with  dichloromethane  (DCM)  (200 ml)  for  6  days,  with  a
change  of  solvent  after  the  first  48 h  in  the  case  of  samples

Fig. 2. Stratigraphic column of Cretaceous and Jurassic carbonate deposits in the Adriatic-Dinaric carbonate platform. (  – Cretaceous
potential source rock;   – Cretaceous oil seep;   – Jurassic potential source rock).

background image

228

FIKET, STRMIĆ PALINKAŠ, PALINKAŠ, TARI-KOVAČIĆ, ALAJBEG and ŠPANIĆ

with low TOC ( < 1 %), or Soxhlet extracted (ca. 50 g of sam-
ple) for 72 h with DCM in the case of samples with high TOC
( > 1 %). The extractable organic matter (EOM) was desulphur-
ized  with  activated  Cu  (24 h,  room  temperature).  The  extracts
were fractionated by silica-alumina liquid chromatography into
saturated, aromatic and polar compounds. Prior to liquid chro-
matography  asphaltenes  were  precipitated  from  oil  seeps  and
potential source rock extracts with TOC  > 2 wt. % with hexane
at room temperature. Chemical characterization of saturated and
aromatic  hydrocarbons  was  performed  with  an  Agilent  Tech-
nologies  6890  GC  coupled  to  an  Agilent  Technologies  5973
quadrupole  mass  selective  detector  (gas  chromatography-
mass spectrometry – GC/MS)  using  a  HP-ULTRA-2  fused-
silica  capillary  column  (50 m

×0.20 mm  i.d.  coated  with

0.11 

µm  cross-linked  5%-diphenyl—95%-dimethyl  siloxane  as

stationary phase) and He as carrier gas. The samples were in-
jected  splitless  at  280 °C.  After  an  initial  period  of  1 min  at
70 °C, the column was heated to 280 °C at 5 °C/min followed
by an isothermal period of 20 min. The MS was operated in the
electron impact mode at 70 eV, source temperature of 250 °C,
emission  current  of  1 mA  and  multiple-ion  detection  with  a
mass range from 50 to 700 amu. Compound identifications are
based  on  comparison  of  standards,  GC  retention  time,  mass
spectrometric fragmentation patterns and literature mass spectra.

Isotope analysis of kerogen

The  insoluble  organic  matter  (kerogen)  was  obtained

by acidification of the extracted sample with 6 N HCl for
24 h and HF for 48 h. The oven-dried residues (consisting
mostly of kerogen, a little quartz and clay) were analysed
for  carbon  isotopic  composition  by  using  a  Carlo  Erba
1108 EA connected to a Finnigan MAT Delta S IRMS via
a Conflo II split interface (EA/IRMS). The isotopic com-
position  is  reported  in  delta  (

δ)  notation  as  the  per  mil

(‰) deviation relative to the Vienna Pee Dee Belemnite
(V-PDB). The reproducibility of the EA/IRMS analyses,
assessed  by  replicate  analyses  of  a  laboratory  standard
(glycine  (—25.8‰),  urea  (—43.1‰ 

δ

13

C)  and  USGS24

(—15.9‰ 

δ

13

C)), was better than 0.1‰.

Isotope analysis of carbonates

Thirty-six carbonates were separated for stable isotope

analyses.  Extraction  of  CO

2

  from  the  carbonates  was

done by reaction with 100% phosphoric acid (4 h, 50 °C)
in  a  closed  reaction  vessel  (McCrea  1950).  Carbon  and
oxygen isotopic compositions were measured via dual in-
let on a Thermoquest/Finnigan Delta S mass spectrome-
ter.  The  results  were  corrected  for  carbonate-phosphoric
acid fractionation using the factors of 1.010600 for dolo-
mite  (Rosenbaum  &  Sheppard  1986)  and  1.009311  for
calcite  (Friedman  &  O’Neil  1977).  The  stable  C  and  O
isotope ratios are reported in delta (

δ) notation as the per

mil  (‰)  deviation  relative  to  the  V-PDB  international
standard.  Analytical  uncertainty,  assessed  by  replicate
analyses  of  the  laboratory  standard  (Carrara  marble,
δ

13

C= + 2.1‰  and 

δ

18

O= + 29.4‰),  is  less  than  ± 0.05‰

for 

δ

13

C and  ± 0.1‰ for 

δ

18

O.

Results

Total organic carbon and Rock-Eval pyrolysis

The total organic carbon (TOC) values of Lower and Upper

Jurassic carbonates range from 0.04 to 0.13 % (Table 2). For
Upper  Cretaceous  and  Cretaceous-Paleocene  samples  higher
values  were  recorded,  up  to  3.1 %  and  6.0 %,  respectively
(Table 3).

The Rock-Eval pyrolysis data (S

1

, S

2

, and S

3

) are used to as-

sess  the  temperature  of  maximum  hydrocarbon  generation
(T

max

)  and  to  determine  the  hydrogen  (HI),  oxygen  (OI)  and

production (PI) indices for chemical characterization of prima-
ry  in  situ  sedimentary  organic  matter  (Peters  1986).  The  re-
sults  of  Rock-Eval  pyrolysis  are  presented  in  Table 2  and
Table 3,  conventional  HI  vs.  OI  (Fig. 3)  and  HI  vs.  T

max

(Fig. 4) plot.

Acyclic hydrocarbons

In gas chromatograms of all fractions of saturated hydrocar-

bons which did not undergo severe biodegradation, normal al-
kanes and acyclic isoprenoids pristane (Pr) and phytane (Ph)
are the main resolvable compounds.

Table 1: Stable carbon and oxygen isotope data of the analysed carbonates.

background image

229

ORGANIC GEOCHEMISTRY OF SOURCE ROCKS FROM THE ADRIATIC-DINARIC CARBONATE PLATFORM

In Jurassic potential source rock extracts the n-alkanes are

easily  noticed  in  C

12

—C

31

  range,  maximized  at  n-C

16—18

(Fig. 5).  Phytane  is  generally  dominant  over  pristane  with
Pr/Ph ratio values between 0.59 and 0.82. The only exception
is the sample from Velić (Lower Jurassic) with Pr/Ph = 2.34.
The ratios between acyclic isoprenoids (Pr and Ph) and their
neighbouring  n-alkanes  n-C

17

  and  n-C

18

  range  from  0.24  to

0.92 for Pr/n-C

17

 ratio and from 0.46 to 1.09 for Ph/n-C

18

 ratio.

In Upper Cretaceous potential source rock extracts the n-al-

kanes are found to be present in the C

11

—C

25 

range. In samples

Table 2: The Rock-Eval pyrolysis parameters of the analysed Jurassic potential source rock samples.

Table 3: The Rock-Eval pyrolysis parameters of the analysed Cretaceous potential source rock and oil seep samples.

from  Sućuraj,  Hvar  Island  and  Selca,  Brač  Island  n-alkanes
exhibit a bimodal distribution maximizing

 

at n-C

13 

and

 

n-C

18—19

,

whereas  in  samples  from  Hajdukovića  Mlin  and  Prapatnica
(Fig. 5)  n-alkanes  maximize  at  n-C

21 

and  n-C

18

,

 

respectively.

The Pr/n-C

17

 (0.59—2.38) and Ph/n-C

18

 (0.78—3.10) ratio val-

ues  are  higher  then  for  Jurassic  samples  with  Pr/Ph  ratios
ranging from 0.32 to 0.99.

In oil seep extracts from Vrgorac (Upper Cretaceous), Pak-

lenka  (Upper  Cretaceous)  and  Dračevo  (Cretaceous-Pale-
ocene)  no  n-alkanes  were  identified.  Only  oil  seep  samples

background image

230

FIKET, STRMIĆ PALINKAŠ, PALINKAŠ, TARI-KOVAČIĆ, ALAJBEG and ŠPANIĆ

from  Škrip,  Brač  Island  (Upper  Cretaceous)  contained  n-al-
kanes  displaying  a  bimodal  distribution  in  the  range  of  C

16

C

35 

with a major mode centred at n-C

21

 and a secondary mode

centered at n-C

27 

(Fig. 5).

Cyclic hydrocarbons

 In all potential source rock extracts, triterpanes (m/z = 191)

(Fig. 6) and steranes (m/z = 217) (Fig. 7) show a similar distri-
bution pattern. The m/z 191 mass chromatograms are dominat-
ed  by  three  groups  of  pentacyclic  terpanes:  Tm,  norhopanes

and hopanes (Fig. 6). The tricyclic terpanes are found only in
source rock samples from Velić (Lower Jurassic) and Svilaja
Mt  (Upper  Jurassic)  and  two  oil  seep  samples  from  Vrgorac
(Upper  Cretaceous)  and  Dračevo,  Metković  (Cretaceous—Pa-
leocene).  When  present,  tricyclic  terpanes  are  found  in  the
C

19

—C

24

 range, maximized at C

23.

 Among pentacyclic terpanes

C

31

  and  C

32 

17

α(H)-homohopanes are found and  character-

ized  with  predominance  of  22S  over  22R  epimers.  The  con-
centrations of homohopanes decrease with an increase of their
molecular mass which is characteristic for suboxic conditions
during  OM  deposition  (Peters  &  Moldowan  1991).  The  ap-

Fig. 3. Hydrogen index (HI) vs. oxygen index (OI) plot of the analy-
sed samples.

Fig. 4. Hydrogen index (HI) vs. T

max

 plot of the analysed samples.

Fig. 5. Ion  chromatograms  showing  the  distribution  of  alkanes  (m/z
71)  in  potential  source  rock  (a,b)  and  oil  seep  (c)  samples.  Peak
identifications: C

= n-alkanes with x carbon number; Pr = pristane;

Ph = phytane.

background image

231

ORGANIC GEOCHEMISTRY OF SOURCE ROCKS FROM THE ADRIATIC-DINARIC CARBONATE PLATFORM

Fig. 6. Ion chromatograms showing the distribution of hopanes (m/z
191) in potential source rock (a,b) and oil seep (c,d) samples. Iden-
tification of the labeled compounds is given in Table 6.

plied  lower  final  GC  oven  temperature  (280 °C)  resulted  in
peak  broadening  and  height  lowering,  causing  the  difference
to the results published by Moldowan et al. (1992). All Juras-
sic  samples  have  C

29 

hopane

 

as  the  most  abundant  hopane,

while in Upper Cretaceous potential source rock extracts C

30

hopane is dominant (Fig. 6).

Regarding regular steranes predominantly composed of C

27

and C

29

 homologs (Fig. 7), Jurassic extracts are characterized

by dominant content of C

27, 

while in Cretaceous extracts C

29

regular  sterane  is  the  most  abundant  (Fig. 7).  In  potential
source  rock  extracts  from  the  Velić  (Lower  Jurassic)  and
Svilaja  Mt  (Upper  Jurassic)  (Fig. 7)  a  remarkable  amount  of
pregnanes is found.

The Cretaceous oil seeps can be divided into two subgroups

based on their hopane and sterane distribution pattern (Fig. 6
and  Fig. 7).  Hopane  (m/z 191)  mass  fragmentograms  of  oil
seep  extracts  from  Vrgorac  (Upper  Cretaceous),  Škrip,  Brač
Island  (Upper  Cretaceous)  and  Dračevo,  Metković  (Creta-
ceous-Paleogene)  are  characterized  by  C

27

—C

30

  17

α(H)-ho-

panes  maximized  at  C

29

  and  presence  of  C

31

  and  C

32

17

α(H)-homohopanes  with  predominance  of  22S  diastere-

omers. Regular steranes in samples from Vrgorac (Upper Cre-
taceous)  are  below  the  detection  limit.  In  oil  seep  extracts
from  Paklenka  (Upper  Cretaceous)  hopane  distribution  is
characterized  by  C

27

—C

30

  17

α(H)-hopanes maximized at C

30

and again with C

31

 and C

32 

17

α(H)-homohopanes 22S diaste-

reomers  predominating.  Sterane  distribution  in  all  oil  seep
samples  is  similar  to  those  of  Cretaceous  potential  source
rocks comprising predominantly C

27 

and C

29

 homologs maxi-

mized  at  C

29

.  All  oil  seep  extracts  have  one  feature  in  com-

mon, they all contain pregnanes (Fig. 7).

Aromatic hydrocarbons

The  aromatic  hydrocarbon  fractions  of  all  potential  source

rocks  are  dominated  by  alkyl  derivatives  of  naphthalene,
phenantrene  and  dibenzothiophene.  The  methylphenantrene
index (MPI-1) values obtained from GC/MS data of aromatic
hydrocarbons are listed in Table 4. In oil seep extracts only as-
phaltenes were observed.

Isotopic composition of carbonates and kerogen

The 

δ

13

C  values  of  Lower  Jurassic  carbonates  range  be-

tween —1.0 ‰ and 1.7 ‰ V-PDB (Table 1). The 

δ

13

C values

of  Upper  Jurassic  carbonates  display  higher  scatter  ranging
between —3.9 ‰ and 4.3 ‰ V-PDB. The whole set of Jurassic
δ

13

C isotopic values falls within those documented for marine

limestones (Marshall 1992; Mahboubil et al. 2002).

For Upper Cretaceous carbonates 

δ

13

C values range from —

2 ‰ to 3.6 ‰ V-PDB. The 

δ

13

C values from —2.5 ‰ to 2.5‰

have  been  interpreted  as  characteristic  of  Cretaceous  marine
limestones  and  dolomitic  limestones  (Hudson  1977;  Moss  &
Tucker  1995),  although  relatively  higher 

δ

13

C  values  were

also  documented  for  marine  carbonates  (Anderson  &  Arthur
1983).  The  significant  scatter  of  these  values,  up  to  5.6 ‰,
likely  reflects  the  primary  compositional  variability  in  the
δ

13

C of organic matter (i.e. variable contribution from marine

plankton, bacteria and algae) and variations in the productivity

background image

232

FIKET, STRMIĆ PALINKAŠ, PALINKAŠ, TARI-KOVAČIĆ, ALAJBEG and ŠPANIĆ

rate during deposition (Hollander & McKenzie 1991; Fogel &
Cifuentes 1993).

However,  samples  from  Hajdukovića  Mlin,  Plitvice  Lake

(Upper  Cretaceous)  which  display  values  between  —10 ‰
and —5 ‰ were also recorded. The 

13

C-depleted dolomite in-

terbedded  with  shale  from  Hajdukovića  Mlin,  Plitvice  lake
most  likely  indicate  a  contribution  from  biogenic  carbon
sources.

The 

δ

18

O values of the Lower Jurassic samples show a high-

er  scattering  than  the 

δ

13

C    values,  from  —4.0 ‰  to  —1.2 ‰

V-PDB (Table 1). The 

δ

18

O values of Upper Jurassic carbon-

ates cover a narrower range, from —5 ‰ to —4.2 ‰ V-PDB.

The  oxygen  isotope  behaviour  of  the  Cretaceous  samples

exhibits a considerable scatter with 

δ

18

O values ranging from

—4.5 ‰ to 4.2 ‰ V-PDB. Positive 

δ

18

O values are characteris-

tic  of  samples  from  Dračevo,  Metković  (Cretaceous-Paleo-
cene)  and  Sućuraj,  Hvar  Island  (Upper  Cretaceous).  Since
these values are too high to have formed from normal sea wa-
ter  these  heavy  carbonates  must  have  been  precipitated  from
fluids enriched in O

18

, probably as a result of evaporation (Gill

et al. 1995).

The 

δ

13

C values of kerogens and asphaltenes from Upper

Cretaceous carbonates (Table 5) vary between —26.2 ‰ and
—20.4 ‰ V-PDB and —26.9 ‰ and 22.3 ‰ V-PDB, respec-
tively,  whereas  the  analysed  Jurassic  carbonates  display
slightly lower values for kerogens in the range —27.9 ‰ to
—24.0 ‰  V-PDB.  The  significant  scatter  of  these  values  is
most  likely  due  to  changes  in  the  source  of  organic  matter
during deposition.

Discussion

By combining geochemical and isotope analyses of selected

potential source rock and oil seep samples, especially the cor-
relation of certain biomarker compounds, we have attempted
to determine the depositional environments, origin and matu-
rity of the OM from the Jurassic and Cretaceous carbonates of
the ADCP.

The source and deposition of environment indicators

The 

δ

13

C and 

δ

18

O values of Lower and Upper Jurassic, as

well  as  Upper  Cretaceous  carbonates  fall  within  the  range
characteristic  of  marine  limestone  and  dolomitic  limestone.
The distinctive scatter of obtained values reflects variability in
the primary composition of organic matter (algae and/or bac-
teria)  in  the  Jurassic  and  Cretaceous  sedimentary  environ-
ments.

The low organic matter content (TOC  < 0.13 %) is a general

characteristic  of  the  Jurassic  sediments.  Higher  TOC  values
were  detected  in  Upper  Cretaceous  (up  to  3.1 %)  and  Creta-
ceous-Paleocene (up to 6.0 %) sediments. The wide range of
obtained  values  (Table 2  and  Table 3)  is  indicative  of  facies
variability  of  investigated  Jurassic  and  Cretaceous  potential
source rocks.

The pristane/phytane (Pr/Ph) ratio is an indicator of the re-

dox  potential  of  the  depositional  environment  (Didyk  et  al.
1978; Chappe et al. 1982), affected by source input, maturity

Fig. 7. Ion chromatograms showing the distribution of steranes (m/z
217) in potential source rock (a,b) and oil seep (c,d) samples. Iden-
tification of the labeled compounds is given in Table 6.

background image

233

ORGANIC GEOCHEMISTRY OF SOURCE ROCKS FROM THE ADRIATIC-DINARIC CARBONATE PLATFORM

Table 4:  Distribution of molecular parameters determined from GC/MS analyses.

Table 5:  Stable  carbon  isotope  data  of  kerogen  and  asphaltenes
from the analysed samples.

and  salinity  (Goosens  et  al.  1984;  ten  Haven  et  al.  1987).
The low Pr/Ph ratio (0.32—0.99) found in all samples is con-
sidered to reflect the carbonate lithology and low TOC con-
tent  (Hughes  et  al.  1995).  The  only  exceptions  are  the
samples from the Velić (Lower Jurassic) with a Pr/Ph ratio
of 2.34 suggesting a different depositional environment.

The  distribution  of  n-alkanes  with  predominance  in  the

C

14

—C

19

  range  indicates  a  dominant  marine  algal  source  of

OM  for  all  Cretaceous  and  Jurassic  potential  source  rocks.
The  absence  of  n-alkanes  in  oil  seep  extracts  from  Vrgorac
(Upper  Cretaceous),  Paklenka  (Upper  Cretaceous)  and
Dračevo  (Cretaceous—Paleocene)  can  be  attributed  to  bio-
degradation of migrating hydrocarbons in these samples (Pe-
ters & Moldowan 1993).

The  composition  of  biomarker  compounds,  especially  ste-

roid  and  triterpenoid  derivatives,  are  of  special  interest  be-
cause these compounds reflect the depositional environments,
origin  and  diagenetic/maturation  history  of  sedimentary  or-
ganic  matter  (Peters  &  Moldowan  1993;  Peters  et  al.  2005).
The relative concentration of steranes and terpanes reflects the
eukaryotic and prokaryotic contributions to the organic matter

Table 6:  Assignation  of  compounds  in  the  m/z  191  and  m/z  217
mass fragmentograms shown in Fig. 6 and Fig. 7.

background image

234

FIKET, STRMIĆ PALINKAŠ, PALINKAŠ, TARI-KOVAČIĆ, ALAJBEG and ŠPANIĆ

of  sediments  (Peters  et  al.  2005).  The  higher  contents  of  ho-
pane  over  sterane  in  all  the  studied  samples,  Cretaceous  and
Jurassic, are indicative of organic matter deposited within the
carbonate platform (Marynowski et al. 2000).

The  relative  distribution  of  C

31 

and  C

32

  homohopanes  can

imply  redox  potential  during  and  after  deposition  of  carbon-
ates (Peters et al. 2005). Presence of short-chain tricyclic ter-
panes  is  indicative  of  a  bacterial  contribution  to  the  organic
matter (Marynowski et al. 2000). High abundance of C

23

 ho-

molog is indicative of a predominantly marine input (Peters et
al. 2005).

In the m/z 217 mass fragmentogram of Jurassic extracts, C

27

steranes predominate over C

28

 and C

29

 steranes due to a high

contribution of algae to the organic source (Peters & Moldow-
an  1993).  The  relative  abundance  of  C

29

  steranes  in  Creta-

ceous  samples  with  20S/20S+ 2 0R  ratios  of  isomerization
around  0.47  (equilibrium  values= 0 .55)  indicates  a  relatively
low thermal maturity of samples (Yangming et al. 2005).

The  overall  higher  proportion  of  pregnane  relative  to  the

sterane content can be related to backbone rearrangement ca-
talysed by clay minerals (van Kaam-Peters et al. 1998). Dia-
sterane to sterane ratios do not correlate with clay content but
depend on the amount of clay relative to the amount of organ-
ic matter present (van Kaam-Peters et al. 1998). During early
diagenesis  high  clay/TOC  ratios  may  favour  backbone  rear-
rangement over reduction of steranes.

The high abundance of dibenzothiophenes in the investigat-

ed  samples  is  considered  to  be  the  result  of  a  sulphurization
process  of  planktonic  lipids  and  carbohydrates.  The  sulphur-
ization of algal-derived biolipids is suggested to be an impor-
tant  mechanism  for  the  selective  preservation  of  these
molecules during early diagenesis (Kohnen et al. 1990; Russel
et al. 2000).

Thermal maturity

Plots of HI vs. OI as a van Krevelen-type diagram (Fig. 3)

and  HI  vs.  T

max

  (Fig. 4)  were  used  for  identification  of  the

type of organic matter, thermal maturity and its level of sec-
ondary alteration (Kenig et al. 1994).

According to the hydrogen and oxygen indices (HI = 34—767,

OI = 5—206), the organic matter of the Upper Cretaceous sam-
ples  plot  close  to  the  maturation  pathways  typical  of  Type I
and  Type II  oil  prone  kerogen  (Fig. 3  and  Fig. 4).  This  is  in
agreement with the biomarker composition data of these rocks
showing that their OM consists predominantly of algal materi-
al.  The  low  HI  values  obtained  for  oil  seep  samples  from
Škrip, Brač Island (Upper Cretaceous) and low HI and OI val-
ues for oil seep samples from Vrgorac (Upper Cretaceous), al-
though  characteristic  for  Type III  and  Type IV  OM,  reflect
alteration  of  samples  due  to  oxidation.  Since  relatively  high
abundance  of  benzothiophene  compounds  is  indicated  in  the
analysed Upper Cretaceous source rock and oil seep samples,
implying  high  organic  sulphur  concentration,  kerogen  types
might  be  additionally  marked  by  S;  namely  Type I-S  and
Type II-S. The Upper and Lower Jurassic samples, according
to HI (0—385) and OI (236—1178) values, plot along the ther-
mal evolution line characteristic for Type III and Type IV or-
ganic matter (Fig. 3 and Fig. 4).

The C

31 

homohopanes 22S/(22S + 22R) ratio of the studied

samples  ranges  between  0.52  and  0.60  (Table 4),  which  is
below  or  equal  to  the  equilibrium  end  point  value  of  about
0.57—0.60 (Peters et al. 2005), indicating that these samples
are  near  or  at  the  beginning  of  the  oil-generating  window
(Peters et al. 2005).

The  MPI-1  values  differ  between  the  Jurassic  and  Creta-

ceous samples (Table 4) corresponding to a maturity range of
approximately 0.44—0.55% R

and

 

0.55—0.60% R

c

,

 

respective-

ly,  implying  thermal  immaturity  or  low  maturity  of  Upper
Cretaceous organic matter and the beginning of the oil-gener-
ating window for Jurassic organic matter. These low maturity
levels are in agreement with the low geothermal gradients ob-
served in that area (Cota & Baric 1998).

Since  all  studied  kerogens  contain  reasonable  amounts  of

the organically bound sulphur, as reflected in the presence of
benzothiophenes, they might be expected to release hydrocar-
bons at relatively low maturity stage. In sulphur rich kerogen,
weak S—C bonds require significantly lower activation energy
during cracking, and therefore hydrocarbon generation occurs
at lower maturity levels (Orr 1974; Baric et al. 1988; Cota &
Baric  1998).  The  low  T

max

  (379  to  433 °C)  values  observed

are,  therefore,  probably  related  to  the  type  of  kerogen  rather
than to immaturity of the organic matter.

The data presented here are based on a rather limited num-

ber of samples and cannot be used as representative of all the
processes influencing geological organic matter in the ADCP
during  Jurassic  and  Cretaceous  Periods.  Therefore,  further
more detailed research is required in order to obtain better in-
sight  into  depositional  environments,  origin  and  maturation
history of geological organic matter in the Jurassic and Creta-
ceous formations of the External Dinarides.

Conclusion

The  distinctive  scatter  of  carbon  and  oxygen  isotope  val-

ues  in  the  studied  samples  is  indicative  of  variation  in  the
sources of the organic matter. The Rock-Eval pyrolysis and
biomarker  composition  data  characterize  Upper  Cretaceous
organic  matter  in  the  studied  potential  source  rock  samples
as Type I-S oil prone and Type II-S oil and gas prone kero-
gen at the immature to early mature oil-generating level. The
organic matter from the Lower and Upper Jurassic potential
source  rocks  is  characterized  as  early  mature  Type III  and
Type IV kerogen. Low Pr/Ph ratio values in all the analysed
samples  mainly  reflect  suboxic  to  anoxic  OM  depositional
environments. The biomarkers distribution indicates the pre-
dominantly  algal  and  bacterial  marine  organic  matter  input
with  rare  terrestrial  organic  matter.  The  sterane  and  triter-
pane  maturity  parameters  confirm  Upper  Cretaceous  poten-
tial source rocks as thermally immature, that is approaching
or just entering the oil-generating window (corresponding to
0.45—0.52 %  R

c

)  and  Lower  and  Upper  Jurassic  potential

source rocks as marginally mature with R

c

 values from 0.53

to  0.60 %.  The  high  diasterane  to  sterane  ratios  found  in
most of the studied samples reflect the backbone rearrange-
ment  process  catalysed  by  clay  minerals.  The  presence  of
dibenzothiophenes,  as  dominant  compounds  in  most  of  the

background image

235

ORGANIC GEOCHEMISTRY OF SOURCE ROCKS FROM THE ADRIATIC-DINARIC CARBONATE PLATFORM

aromatic fractions, reflects the sulphurization process of al-
gal-derived biolipids.

Acknowledgments:  This  research  was  supported  by  Suisse
National Science Foundation and the University of Lausanne
(SCOPES  Project  No. 7KRPJ065483.01).  We  thank  to  Vale-
rie  Schwab  and  Jošt  Lavrič  for  their  help  in  preparation  and
measurement of the samples, their patience and friendship.

References

Anderson T.F. & Arthur M.A. 1983: Stable isotopes of oxygen and

carbon  and  their  application  to  sedimentologic  and  paleoenvi-
ronmental  problems.  In:  Arthur  M.A.  (Ed.):  Stable  isotopes  in
sedimentary  geology.  Soc.  Econ.  Paleontol.  Mineral.,  Short
Course 
10, 1—15.

Baric G., Maricic M. & Radic J. 1988: Geochemical characterization

of  organic  facies  in  the  Dugi  Otok  basin,  Adriatic  Sea.  Org.
Geochem
. 13, 343—349.

Chappe B., Albrecht P. & Michaelis W. 1982: Polar lipids of archae-

bacteria in sediments and petroleum. Science 217, 65—66.

Chorowicz  M.J.  &  Geyssant  R.J.  1972:  Présence  des  couches  de

Lemeš (calcaires à  Ammonites submédi-terranéennes du Malm)
dans le Lika (Croatie, Yougoslavie). C.R. Acad. Sc. Paris 275,
731—734.

Cota  L.  &  Baric  G.  1998:  Petroleum  potential  of  the  Adriatic  off-

shore, Croatia. Org. Geochem. 29, 559—570.

Dercourt J., Ricou L.E. & Vrielynck B. 1993: Atlas Tethys paleonviron-

mental maps, explanatory notes. Gauthiers-Villars, Paris, 1—307.

Dewey J.F., Pitman W.C. III, Ryan W.B.F. & Bonnin J. 1973: Plate

tectonics and the evolution of the Alpine System. GSA Bull. 84,
10, 3137—3180.

Didyk B.M., Simoneit B.R.T., Brassell S.C. & Eglinton G. 1978: Or-

ganic geochemical indicators of palaeoenviromental conditions
of sedimentation. Nature 272, 216—222.

Fogel M.L. & Cifuentes L.A. 1993: Isotope fractionation during pri-

mary production. In: Engel M.H. & Macko S.A. (Eds.): Organic
geochemistry,  principles  and  applications.  Plenum  Press,  New
York, 73—98.

Friedman I. & O’Neil J.R. 1977: Compilation of stable isotope frac-

tionation factors of geochemical interest. In: Fleischer M. (Ed.):
Data of geochemistry. U.S. Geol. Surv. Prof. Paper 440KK, 6

th

Edition.

Furlani M. 1910: Die Lemeš-schichten. Ein Beitrag zur Kenntnis der

Juraformation  in  Mitteldalmatien.  Jb.  Geol.  Reichsanst.  60,  1,
67—98.

Gill I.P., Moore C.H. & Aharon P. 1995: Evaporitic mixed water do-

lomitization St Corix, USVI. J. Sed. Res. 65, 4, 591—604.

Goosens H., de Leeuw J.W., Schenck P.A. & Brassell S.C. 1984: To-

copherols  as  likely  precursors  of  pristane  in  ancient  sediments
and crude oils. Nature 312, 440—442.

Hollander D.J. & McKenzie J.A. 1991: CO

2

 controls on carbon iso-

tope fractionation during aqueous photosynthesis: a paleo-pCO

2

barometer. Geol. 19, 929—932.

Hudson J. 1977: Stable isotopes and limestone lithification. J. Geol.

Soc. London 133, 637—660.

Hughes W.B., Holba A.G. & Dzou L.I.P. 1995: The ratios of diben-

zothiophene to phenantrene and pristine to phytane as indicators
of depositional environment and lithology of petroleum source-
rocks. Geochim. Cosmochim. Acta 59, 3581—3598.

Jerinić G., Jelaska V. & Alajbeg A. 1994: Upper Cretaceous organic-

rich laminated limestones of the Adriatic carbonate platform, Is-
land of Hvar, Croatia. AAPG Bull. 78, 1313—1321.

Kenig  F.,  Hayes  J.M.,  Popp  B.N.  &  Summons  R.E.  1994:  Isotopic

biogeochemistry of the Oxford Clay Formation (Jurassic), UK.
J. Geol.  Soc. 151, 139—152.

Kohnen  M.E.L.,  Sinninghe  Damsté  J.S.,  Kock-van  Dalen  A.C.,  ten

Haven H.L., Rullkötter J. & de Leeuw J.W. 1990: Origin and di-
agenetic  transformations  of  C

25

  and  C

30

  highly  branched  iso-

prenoid sulphur compounds: Further evidence for the formation
of organically bound sulphur during early diagenesis. Geochim.
Cosmochim. Acta
 54, 3053—3063.

Mahboubil A., Moussavi-Haramil R., Brenner R.L. & Gonzalez L.A.

2002: Diagenetic history of Late Paleocene potential carbonate
reservoir rocks, Kopet-Dagh basin, NE Iran. J. Petrol. Geol. 25,
4, 465—484.

Marshall J.D. 1992: Climatic and oceanographic isotope signals from

the  carbonate  rock  record  and  their  preservation.  Geol.  Mag.
129, 143—160.

Marynowski L., Nakriewicz M. & Grelowski C. 2000: Biomarkers as

environmental indicators in a carbonate complex, example from
the Middle to Upper Devonian Holy Cross Mountains, Poland.
Sed. Geol. 137, 187—212.

McCrea J.M. 1950: On the isotopic chemistry of carbonates and a pa-

leotemperature scale. J. Chem. Phys. 18, 849—857.

Moldowan J.M., Sundararaman P., Salvatori T., Alajbeg A., Gjukic

B., Lee C.Y. & Demaison G.J. 1992: Source correlation and ma-
turity  assessment  of  selected  oils  and  rocks  from  the  central
Adriatic  basin  (Italy  and  Yugoslavia).  In:  Moldowan  J.M.,  Al-
brecht P. & Philip R.P. (Eds.): Biological markers in sediments
and petroleum. Prentice Hall, New Jersey, 370—401.

Moss S. & Tucker M.E. 1995: Diagenesis of Barremian—Aptian plat-

form  carbonates  (the  Urgonian  Limestone  Formation  of  SE
France):  near-surface  and  shallow-burial  diagenesis.  Sedimen-
tology
 42, 853—874.

Orr W.L. 1974: Changes in sulfur content and isotopic ratios of sulfur

during petroleum maturation-study of Big Horn basin Paleozoic
oils. AAPG Bull. 58, 2295—2318.

Peters K.E. 1986: Guidelines for evaluating petroleum sourcerock us-

ing programmed pyrolysis. AAPG Bull. 70, 318—329.

Peters K.E. & Moldowan J.M. 1991: Effects of source, thermal matu-

rity, and biodegradation on the distribution and isomerization of
homohopanes. Org. Geochem. 17, 1—47.

Peters K.E. & Moldowan J.M. 1993: The biomarker guide: Interpret-

ing molecular fossils in petroleum and ancient sediments. Pren-
tice Hall
, Englewood Cliffs, New York, 1—363.

Peters  K.E.,  Walters  C.C.  &  Moldowan  J.M.  2005:  The  biomarker

guide. 2

nd

 edition. I. Biomarkers and isotopes in the environment

and the human history. Cambridge University Press, 1—471.

Pamić  J.  1993:  Eoalpine  to  Neoalpine  magmatic  and  metamorphic

processes in the northwestern Vardar Zone, the easternmost Pe-
riadriatic Zone and the southwestern Pannonian Basin. Tectono-
physics
 226, 503—518.

Pamić J., Gušić I. & Jelaska V. 1998: Geodynamic evolution of the

Central Dinarides. Tectonophysics 297, 1—4, 251—268.

Ricou L.E., Dercourt J., Geyssant J., Grandjacquet C., Lepvrier C.

&  Biju-Duval  B.  1986:  Geological  constraints  on  the  Alpine
evolution of the Mediterranean Tethys. Tectonophysics 123, 1—4,
83—122.

Rosenbaum J.M. & Sheppard S.M.F. 1986: An isotopic study of sid-

erites,  dolomites  and  ankerites  at  high  temperatures.  Geochim.
Cosmochim. Acta
 50, 1147—1159.

Russell  M.,  Hartgers

 

W.A.  &  Grimalt  J.O.  2000:  Identification  and

geochemical significance of sulphurized fatty acids in sedimen-
tary organic matter from the Lorca Basin, SE Spain. Geochim.
Cosmochim. Acta
 64, 21, 3711—3723.

Spangenberg J.E. & Macko J.W. 1998: Organic geochemistry of the

San  Vicente  zinc-lead  district,  eastern  Pucará  Basin,  Peru.
Chem. Geol. 146, 1—2, 1—23.

background image

236

FIKET, STRMIĆ PALINKAŠ, PALINKAŠ, TARI-KOVAČIĆ, ALAJBEG and ŠPANIĆ

ten  Haven  H.L.,  de  Leeuw  J.W.,  Rullkötter  J.  &  Sinninghe  Damsté

J.S.  1987:  Restricted  utility  of  the  pristane/phytane  ratio  as  a
palaeoenvironment indicator. Nature 330, 641—643.

van Kaam-Peters H.M.E., Köster J., van der Gaast S.J., Dekker M.,

de  Leeuw

 

J.W.  &  Sinninghe  Damsté  J.S.  1998:  The  effect  of

clay  minerals  on  diasterane/sterane  ratios.  Geochim.  Cosmo-
chim. Acta
 62, 17, 2923—2929.

Velić I., Vlahović I., Dragičević I. & Matičec D. 2001: Adriatic car-

bonate platform from Middle Permian to the Middle Eocene –
a palaeogeographic overview. Abstract. 1

st 

Scientific Meeting on

Carbonate  platform  or  carbonate  platforms  of  Dinarides,
Zagreb, Croatia, 40—42.

Yangming  Z.,  Huanxin  W.,  Aiguo  S.,  Digang

 

L.  &  Dehua

 

P.  2005:

Geochemical characteristics of Tertiary saline lacustrine oils in
the Western Qaidam Basin, northwest China. App. Geochem. 20,
10, 1875—1889.