TU Darmstadt / ULB / TUprints

Crude oil and oil brine seeps: sources, detection and environmental effects in soil and water, Kirkuk NE Iraq

Sahib, Layth Y. (2019):
Crude oil and oil brine seeps: sources, detection and environmental effects in soil and water, Kirkuk NE Iraq.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Sahib_2019.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution No-derivatives.

Download (16MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Crude oil and oil brine seeps: sources, detection and environmental effects in soil and water, Kirkuk NE Iraq
Language: English
Abstract:

Natural hydrocarbons have extensively contaminated both the hydro-lithospheres, damaging the environment and the health of the people living in the Kirkuk region of North-East Iraq, which is an area with a world´s significant crude oil reserves as well as various hydrocarbon seeps and brines. The study area is located in the Zagros fold-thrust belt, within the Low Folded Zone in the northeast of the Mesopotamia basin. Complex fracture systems and faults frequently cut across the Eocene, and middle Oligocene limestone reservoirs and the evaporates Miocene cap rock. High-density maps of the detected faults and lineaments within Fatha Formation have interpreted as potential seepage locations, even for seeps that are not exposed on the surface. The present thesis aims to investigate hydrocarbon seeps, and oil brine seeps contamination impact on the surface, groundwater as well as the soil’s physical and chemical properties. Therefore, various methods were used starting by identifying the origin of the seeps as a base to assess the source and ending by estimating the contamination level of hydrocarbons and related brines in water and soil directly or remotely. The essential concept of the present thesis is based on the known hydrocarbon seepage sits – which were recorded for hundreds of meters on the surface – and the sub-surface properties of the stratigraphy and hydrogeology conditions. In addition to the several reports and studies, the primary data source was based on the wide variation of the collected samples, i.e., crude oil and brine water samples from the selected oil reservoir to define the reservoir characterization and migration level. Moreover, the reservoir oil types were used to compare them with surface crude oil seeps samples. The surface and groundwater from the selected location and different aquifers beside soil and rock samples explained the aquifer's recharge and led to the appropriate speculation of the hydrodynamic and hydrogeological conditions. The measurements included: a) oil density, organic and inorganic components and biomarkers for crude oil samples, and polycyclic aromatic hydrocarbon PAHs; b) hydrochemistry, stable isotopes; and c) the spectral reflectance behavior of crude oil and different contaminated soil samples, organic components (organic carbon (OC) and total petroleum hydrocarbons (TPHs)) and x-ray diffraction to explain the chemical composition of the soil samples. The multiple data were transformed into one database, and the results were used to complete the final hypotheses in a conceptual model, which explains the mixing mechanism of crude oil and brine seeps with the surrounding environment. The strontium isotopes (87Sr/86Sr) showed the mixing processes between shallow groundwater resources, uprising oil field brines and differentiates it from the dissolution of gypsum and halite from the Fatha Formation. The final discussion and conclusions connect all of the results and try to simulate the sub-surface hydraulic conductivity and highlight the contamination zones that were explained in the final comprehensive conceptual model, enriching our knowledge of the petroleum and the hydrogeology systems of the selected fields within the Zagros fold-thrust belt. The obtained results mainly highlight the reasons behind the environmental consequences that can be a threat to the human health. The conclusion of this study opens the door to compare the findings with other locations within the study region, which contains similar complex stratigraphy and structures.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der Region Kirkuk im Nordosten Iraks haben natürliche vorkommende Kohlenwasserstoffe sowohl Böden und Wasserressourcen stark verunreinigt als auch die Umwelt und die Gesundheit der Menschen geschädigt. Kirkuk ist ein Gebiet mit weltweit bedeutenden Rohölreserven die stellenweise oberflächlich zu Tage treten. Das Untersuchungsgebiet befindet sich im Zagros Falten- und Überschiebungsgürtel innerhalb der schwach gefalteten Zone im Nordosten des Mesopotamienbeckens. Komplexe Bruchsysteme und Verwerfungen durchqueren häufig die Reservoire in den Kalksteinen des Eozäns und mittleren Oligozäns, sowie die Evaporite der miozänen Deckgesteine. Dichtekarten der bekannten Verwerfungen und Lineamente innerhalb der Fatha-Formation wurden als potenzielle Ölaustrittsstellen interpretiert, wobei dies auch für Austrittsstellen gilt die nicht an der Oberfläche freiliegen. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, Kohlenwasserstoffaustritte und Austritte von Solen zu untersuchen, die Auswirkungen auf das Grundwasser sowie die physikalisch/chemischen Eigenschaften des Bodens haben. Dazu wurden verschiedene Methoden angewandt, beginnend mit der Identifizierung der Herkunft der Sickerwässer als Grundlage für die Quellenbeurteilung und endend mit der direkten Bestimmung von Kohlenwasserstoffen Wässern und Böden. Die wesentlichen Ansätze der vorliegenden Arbeit basieren auf bekannten Kohlenwasserstoff-Austritten, die über Hunderte von Metern an der Oberfläche nachgewiesen werden können, sowie auf den stratigraphischen Kenntnissen des Untergrundes und den verknüpften hydrogeologischen Bedingungen. Neben einer Auswertung von vorhandenen Publikationen und Berichten wurde eine große Vielfalt von Proben aus dem Untersuchungsgebiet untersucht, d.h. Rohöl- und Soleproben aus ausgewählten Ölreservoiren, die zur Charakterisierung der Reservoire und des Migrationsverhaltens verwendet wurden. Desweiteren wurden die Öltypen der unterschiedlichen Reservoire bestimmt, um sie mit oberirdischen Rohölsickerproben zu vergleichen. Die Analyse von Oberflächen- und Grundwasserproben aus den verschiedenen Grundwasserleitern im Untersuchungsgebiet diente zur Ermittlung der dortigen hydrodynamischen und hydrogeologischen Bedingungen. Die Messungen umfassten: a) Öldichte sowie organische und anorganische Komponenten und Biomarker in Rohölproben inklusive polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff-PAKs, b) anorganische Parameter (Haupt-Anionen und –Kationen sowie stabile Isotope des Wassers) in Wasserproben, und c) das spektrale Reflexionsverhalten von Rohöl und von kontaminierten Bodenproben, sowie eine Charakterisierung der Bodenproben auf den organischen Kohlenstoffgehalt (OC) und Erdölkohlenwasserstoffe (TPHs)), sowie und Röntgendiffraktometrie zur Ermittlung der chemischen Zusammensetzung der Bodenproben. Die verschiedenen Daten wurden in einer zusammengeführt um eine konzeptionelle Vorstellung zur Entstehung der Rohöl- und Solekontaminationen im Arbeitsgebiet zu entwickeln. So konnte durch Messungen der Strontiumisotope (87Sr/86Sr) in Grundwässern gezeigt werden, dass Mischungsprozesse zwischen flachen Grundwässern und Solen aus Ölreservoiren an lokal wahrscheinlich sind und sich diese von salinaren Wässern die aus der Gips- und Halitlösungen in der Fatha-Formation resultieren unterscheiden lassen. Abschließend wurden die Ergebnisse in einem konzeptionellen geologisch/hydrogeologischen Modell der relevanten Entwicklungen im Falten- und Überschiebungsgürtels von Zagros zusammengefaßt. Die in dieser Studie verfolgten Ansätze können auch auf andere Bereiche mit ähnlich komplexer Stratigraphie und Tektonik in der Umgebung des Untersuchungsgebietes übertragen werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Hydrogeology
Date Deposited: 14 Aug 2019 14:42
Last Modified: 14 Aug 2019 14:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88381
Referees: Schüth, Prof. Dr. Christoph and Henk, Prof. Dr. Andreas and Becker, Prof. Dr. Matthias and Hinderer, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 15 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8838
Export:
Actions (login required)
View Item View Item