Modelling and kinetic analysis of the thermal maturity of kerogen in Western Greece, and its correlation to the prevailing palaeoenvironmental conditions

Abstract

The fold-and-thrust belt of Western Greece preserves a succession of Mesozoic organic-rich intervals that vary in depositional environment, geochemical character, and hydrocarbon generation potential. This thesis investigates the mineralogical, geochemical, and kinetic properties of these intervals through the integration of XRD, XRF, Rock-Eval, biomarker, and palynofacies data, combined with 1D thermal modelling. Mineralogical analysis indicates a predominantly carbonate-rich character throughout the stratigraphy, with dolomite prevailing in Late Triassic – Early Jurassic samples and calcite dominating the younger units. Elemental geochemistry and redox-sensitive trace elements reveal evolving depositional conditions through time. Arid settings and euxinic conditions dominated the Late Triassic – Early Jurassic intervals, transitioning to more variable redox regimes with enhanced anoxia during the Jurassic and Early Cretaceous. Organic geochemical and palynological data indicate a range of kerogen types, mainly from Type II to II(S). Total organic carbon (TOC) reaches 35.56 wt% and Hydrogen Index (HI) values up to 728 mgHC/gTOC, while most samples remain thermally immature to early mature. Amorphous organic matter dominates, whereas increased sporomorph and phytoclast input in some units reflects terrestrial influence, affecting both preservation and kerogen reactivity. These variations are stratigraphically coherent and control kinetic behavior and generation profiles.Kinetic modelling demonstrates that activation energy (Ea) distributions vary with age and facies. Late Triassic – Early Jurassic and Early – Middle Jurassic samples show broad Ea-distributions with two to three principal peaks, covering 58–94% of the total generation potential, indicating chemically heterogeneous kerogens and gradual transformation profiles. In contrast, Mid – Late Jurassic and Early Cretaceous samples display narrower Ea-distributions, with up to 95% of potential concentrated in one or two peaks, consistent with more homogeneous kerogen and sharper generation windows. Organic sulfur content reduces Ea values and enhances reactivity, whereas calcite-rich matrices may moderate it. 1D thermal modelling of the AY-3 and PxGa-1x wells underscores the critical influence of kinetic model selection on hydrocarbon generation predictions. Differences in TR10 values between custom and library kinetics result in depth shifts exceeding 1 km under a uniform geothermal gradient. Custom kinetics yield lower TRmax and delayed hydrocarbon generation, whereas library kinetics often overestimate maturity, particularly in shallow or structurally complex intervals. Burial and thermal history calibration using vitrinite reflectance and biomarker ratios provide additional constraints on uplift, erosion, and structural evolution, suggesting eroded intervals exceeding 1 km of thickness.This study highlights the mineralogical and kinetic complexity of Mesozoic source rocks in Western Greece and the necessity of custom kinetic models for accurate simulations. These findings improve our understanding of organic matter reactivity in carbonate-rich fold-and-thrust belts and enhance hydrocarbon system prediction in analogous geological settings.

Η πτυχοεφιππευτική ζώνη της Δυτικής Ελλάδας διατηρεί μια ακολουθία Μεσοζωικών οργανικά πλούσιων στρωμάτων, τα οποία παρουσιάζουν ποικιλία ως προς το περιβάλλον απόθεσης, τον γεωχημικό τους χαρακτήρα και το δυναμικό γένεσης υδρογονανθράκων. Η παρούσα διατριβή διερευνά τα ορυκτολογικά, γεωχημικά και κινητικά χαρακτηριστικά αυτών των στρωμάτων, μέσω ολοκληρωμένης ανάλυσης δεδομένων XRD, XRF, Rock-Eval, βιοδεικτών και παλυνολογίας, σε συνδυασμό με θερμική μοντελοποίηση 1D. Η ορυκτολογική ανάλυση καταδεικνύει κυρίως ανθρακικό χαρακτήρα σε όλη τη στρωματογραφία, με τον δολομίτη να επικρατεί στις Ύστερες Τριαδικές – Πρώιμες Ιουρασικές αποθέσεις και τον ασβεστίτη να κυριαρχεί στις νεότερες. Η στοιχειακή γεωχημεία και τα ίχνη στοιχείων ευαίσθητων σε οξειδοαναγωγικές συνθήκες αποτυπώνουν την εξέλιξη των συνθηκών απόθεσης με την πάροδο του χρόνου. Ξηρά περιβάλλοντα και ευξινικές συνθήκες επικρατούν στην Ύστερη Τριαδική – Πρώιμη Ιουρασική, ενώ κατά την Ιουρασική και Πρώιμη Κρητιδική περίοδο εμφανίζονται μεταβαλλόμενες συνθήκες με επεισόδια ενισχυμένης ανoξίας. Τα οργανικογεωχημικά και παλυνολογικά δεδομένα υποδεικνύουν ποικιλία τύπων κηρογόνου, κυρίως τύπου II έως II(S). Η περιεκτικότητα σε ολικό οργανικό άνθρακα (TOC) φτάνει έως 35.56 wt% και οι τιμές του δείκτη υδρογόνου (HI) έως 728 mgHC/gTOC, ενώ τα περισσότερα δείγματα είναι θερμικά ανώριμα έως πρώιμα ώριμα. Η άμορφη οργανική ύλη κυριαρχεί, ενώ αυξημένες αναλογίες σπορομόρφων και φυτοκλαστών σε ορισμένους σχηματισμούς μαρτυρούν χερσαία συνεισφορά, η οποία επηρεάζει τόσο τη διατήρηση όσο και την αντιδραστικότητα του κηρογόνου. Οι διαφοροποιήσεις αυτές παρουσιάζουν στρωματογραφική συνοχή και καθορίζουν τη κινητική συμπεριφορά και το προφίλ γένεσης υδρογονανθράκων. Η κινητική ανάλυση δείχνει ότι οι κατανομές ενέργειας ενεργοποίησης (Ea) μεταβάλλονται ανάλογα με την ηλικία και τη λιθοφάση. Οι Ύστερες Τριαδικές – Πρώιμες Ιουρασικές και Πρώιμες – Μέσες Ιουρασικές αποθέσεις παρουσιάζουν ευρείες κατανομές Ea με δύο έως τρεις κύριες κορυφές, που καλύπτουν 58–94% του συνολικού δυναμικού, υποδηλώνοντας χημικά ετερογενή κηρογόνα και σταδιακό μετασχηματισμό. Αντιθέτως, οι Μεσο – Ύστερες Ιουρασικές και Πρώιμες Κρητιδικές αποθέσεις εμφανίζουν στενότερες κατανομές, με έως 95% του δυναμικού συγκεντρωμένο σε μία ή δύο κορυφές, ενδεικτικές πιο ομοιογενούς οργανικής ύλης και πιο μικρού παραθύρου γένεσης. Η παρουσία οργανικού θείου μειώνει τις τιμές Ea και αυξάνει την αντιδραστικότητα, ενώ οι ασβεστιτικές μήτρες φαίνεται να την περιορίζουν. Η θερμική μοντελοποίηση των γεωτρήσεων AY-3 και PxGa-1x αναδεικνύει τον καθοριστικό ρόλο της επιλογής κινητικού μοντέλου στις προβλέψεις γένεσης υδρογονανθράκων. Οι διαφορές στις τιμές TR10 μεταξύ εξατομικευμένων και βιβλιογραφικών κινητικών μοντέλων οδηγούν σε μετατοπίσεις του βάθους έναρξης γένεσης που υπερβαίνουν το 1 χλμ υπό σταθερή γεωθερμική βαθμίδα. Τα εξατομικευμένα κινητικά μοντέλα δίνουν χαμηλότερες τιμές TRmax και καθυστερημένη γένεση, ενώ τα βιβλιογραφικά τείνουν να υπερεκτιμούν την ωριμότητα, ιδίως σε ρηχά ή τεκτονικά πολύπλοκα περιβάλλοντα. Η βαθμονόμηση της ταφής και της θερμικής ιστορίας μέσω της ανακλαστικότητας του βιτρινίτη και των λόγων βιοδεικτών προσφέρει πρόσθετους περιορισμούς στην ανύψωση, τη διάβρωση και την τεκτονική εξέλιξη, υποδεικνύοντας διαβρωμένα πάχη που υπερβαίνουν το 1 χλμ. Η διατριβή αυτή αναδεικνύει την ορυκτολογική και κινητική πολυπλοκότητα των Μεσοζωικών μητρικών πετρωμάτων της Δυτικής Ελλάδας και υπογραμμίζει την ανάγκη χρήσης εξατομικευμένων κινητικών παραμέτρων για ακριβέστερη μοντελοποίηση. Τα αποτελέσματα συμβάλλουν στην κατανόηση της αντιδραστικότητας της οργανικής ύλης σε ανθρακικά πλούσια πτυχοεφιππευτικά περιβάλλοντα και στη βελτίωση των προβλέψεων συστημάτων υδρογονανθράκων σε ανάλογες γεωλογικές περιοχές.