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DIAGENESEVON SAND ZU SANDSTEIN
Göttingen, 03.05.2016 Jannes Schade & Philipp FühringQuelle: National Geographic
Diagenese (nach Curtis 1977 & Burley 1985)
BiologischChemischPhysikalisch
Prozesse nach Ablagerung
Beeinflussung von
Sediment & Porenwasser
Texturelles und geochemisches
Gleichgewicht mit Umgebung
Kontrollfaktoren von diagenetischen Reaktionen
Porenfluid-Chemie1
2 Temperatur
3 Druck
Porenfluid-Chemie ist
abhängig von:
1. Ausgangsgestein
2. Stärke und Art der
Verwitterung
3. Gleichgewichtsdrang des
Porenfluids
Diagenese und Forschung
1
23 4
56 1) Provenance and discription of
grain shape and textures
2) Bulk sediment composition &
changes of mineralogy and
texture with depth, temp. and
compaction
3) Petrography (SEM, EDS, TEM),
discriptive diagenese
4) Quantitative diagenese
(geochemestry & isotopes)
5) Predictive kinetic models
6) Integrated basin modelling
mod. nach Worden & Burley 2003
Zeitstrahl der Diagenese (Daten aus Worden & Burley 2003)
Begriffe und Prozesse der Diagenese 1/2
Authigenese In situ Mineralwachstum
Zementation Wachsen/Niederschlag von Mineralen im Porenraum
Kompaktion Prozesse aufgrund von kleiner werdenden Porenraum
Decarboxylierung Verlust von CO2 aus org. Material aufgrund von steigender Temp.
Dehydration
Verlust von H2O aus Mineralen und org. Material aufgrund von steigender
Temp.
Dissolution
Prozess bei dem ein Mineral aufgrund der Interaktion mit einem Fluid
gelöst wird
mod. Worden & Burley 2003
Begriffe und Prozesse der Diagenese 2/2
Lithifikation Verhärtung eines losen Sediments aufgrund von Zementation und
Kompaktion
Neoformation Wachstum neuer Minerale während der Diagenese
Neomorphismus Transformation eines Minerals durch Änderung seiner Kristallchemie
Ausfällung/
Precipitation Kristallisation eines Minerals aus Lösung
Rekristallisation
Lösung und anschließender Niederschlag mit Änderung der Kristall-
Struktur und -Größe
Metasomatose/
Replacement
Wachstum eines chemisch differenzierten, authigenen Minerals in einem
bereits existierenden Mineralkörper
mod. Worden & Burley 2003
Worden & Burley 2003
Diagenese Flow-Chart
nach Choquette und Prey 1970
• Eogenese• Einfluss auf gering versenktes
Material
• Mesogenese• „klassische“ Diagenese
• Telogenese• Einfluss von Oberflächenwasser nach
Uplift
Worden & Burley 2003
Eogenese
• oberflächennahe Prozesse
• Chemie des Porenwassers bedingt
durch Ablagerungssystem
ursprüngliches Porenwasser
• Kont. Ablagerung: Bodenbildung und
Verwitterung
• Marine Ablagerungen: bakteriell
gesteuerte Redoxreaktionen
• Bereich der Eogenese abhängig von
Sediment
Ton-/Siltstein: wenige Meter
Sandstein: 1-2 km
Eogenese: Szenario I – fluvial-alluvial & arid
Worden & Burley 2003
• hoch oxidierende
Bedingungen
• Mangel an reduzierender
Organik
• niedriger Wasserpegel
• Fe bleibt and Oberfläche und
färbt Sediment rot (Hämatit)
Eogenese: Szenario II – fluvial & humid
Worden & Burley 2003
• niedriger pH-Wert
• niedriger Salzgehalt
• niedrige Fe-Konzentration
• Anreicherung reduzierender
Organik:
Fe Fe2+
• Unterschied zum marinen ,
eogenen Milieu:
Mangel an SO42- und Mg2+
andere Minerale, wie z.B.
Kaolinit
Eogenese: Szenario III – marin
• bakteriell katalysierte
Prozesse: reduzierende
Organik
• oxidierende, anorga-
nische Stoffe (SO42-)
schnelle eogene
Verwitterung
• authigene Minerale (Pyrit)
• Carbonate & Glaukonit
Worden & Burley 2003
Mesogenese
• Prozesse während Versenkung
• Nicht durch Ablagerungssystem
beeinflusst
• Hauptfaktoren:
Zeit und Temperatur
Mineralogie und Struktur
Materialverlust und -gewinn
(Massentransfer)
Geochemie des Porenwassers
ggf. petroleum related Fluids
• Bereich der Mesogenese begrenzt durch
Beginn der Metamorphose
Diagenese - Metamorphose
Worden & Burley 2003
Mesogenese
Te
mp
era
tur
Dru
ck
Sediment
Sedimentgestein
Absenkung
+
Kompaktion
Wa
sse
rge
ha
lt
Po
rositä
t
H2O
Kompaktion
• Volumenreduzierung und
Porenwasserverdrängung
• Bestimmt durch relative Porosität
• Vier Prozesse• Kornneuanordnung
• Plastische Verformung
• Spröde Brüche
• Drucklösung
Verringerung der Porosität
• mechanische Kompaktion bis 1000
bzw. 2000 m
a. hochporöse
Struktur bei
Ablagerung
b. nach mech.
Kompaktion
c. nach mech.
und chem.
Kompaktion
Worden & Burley 2003
Überdruck und Kompaktion
Hantschel & Kauerauf 2009
Zementation
Worden & Burley 2003
a. syntaxial überwachsener Zement
b. porenfüllender Zement
c. anfänglich kornverdrängender Zement
d. ausgedehnt kornverdrängender Zement
• häufigste Zementminerale sind
Quarz, Karbonate und
Tonminerale
• während Versenkung ab 70°C
Verringerung der Porosität
Quarz Zementation
a. Quarz Überwuchs (Opt)
b. Gleicher Ausschnitt (CL)
c. Gleiche Probe (SEM)
d. Idiomorpher Überwuchs
(SEM)
e. Aneinanderfolgende
Anwuchszonen (SEM)
f. Mikroquarz Kristalle (SEM)
mod. Worden & Burley 2003
Zementation vs. Kompaktion
Worden & Burley 2003
Worden & Burley 2003
Telogenese
• Prozesse in angehobenen und
exhumierten Gesteinen, z.B. entlang von
Störungen
• Beeinflusst von meteorischem Wasser
• Unterschied Eogenese: Durch Uplift
Kontakt mit fließendem, leicht salzigem,
hoch oxidiertem, CO2 gesättigtem Wasser
Änderung der Geochemie:
Feldspatverwitterung zu Tonmineralen
Eisenoxidation (z.B. Alteration zu
Dolomit)
• Wenige bis 10er Meter Tiefe
Wasserfluss
a. Gut entwickelter Grundwasserspiegel mit
umfangreichem meteorischem Wasser
Einfluss und Grundwasserfluss
b. Kompaktion Entwässerung
c. Post-Rift Sedimentbedeckung
Anreicherung von Petroleum, Entwässerung
durch hochdurchlässiges Material
d. Erosion meteorisches Wasser lokale
Telogenese (haupt. Ausfällung)
Worden & Burley 2003
Feldstudie – case study
• Ula Field, Nordsee
Feldstudie – case study
• Diagenese endet nicht bei
Kontakt mit Öl
• Zementation schließt Öl im
Porenraum des Sandsteins
ein
• Zementation, in mit Öl
gefüllter Pore, erfolgt
möglicherweise entlang eines
feinen Wasserfilms auf der
Oberfläche der Quarzkörner
• Zementation von Quarz und
Albit
• Nachweis eines „Ölschubs“
während der Diagenese
Nedkvitne et al 1992
Quellen
Literatur:
Worden & Burley 2003: Sandstone diagenesis: the evolution of sand to stone, University of Liverpool, 42 S.
Bjorlykke & Egeberg 1993: Quartz Cementation in Sedimentary Basins, AAPG, 11 S.
Aase & Walderhaug 2005: The effect of hydrocarbons on quarz cementation: diagenesis in the Upper
Jurassic sandstones of the Miller Filed, North Sea, revisited, Statoil ASA, 9 S.
Morad et al 2000: Spatial and temporal distribution of diagenetic alterations in siliciclastic rocks: implications
for mass transfer in sedimentary basins, Uppsala University, 26 S.
Nedkvitne 1992: Relationship between reservoir diagenetic evolution and petroleum emplacement in the Ula
Field, North Sea, University of Oslo, 16 S.
Hantschel & Kauerauf 2009: Fundamentals of Basin and Petroleum Systems Modeling, Springer, 404 S.
Bilder:
http://images.nationalgeographic.com/wpf/media-live/photos/000/011/cache/sandstone-
swirls_1180_990x742.jpg
http://www.bp.com/content/dam/bp-country/shared/Fields/Ula/ula_0846.jpg
https://en.wikipedia.org/wiki/Ula_oil_field#/media/File:North_Sea_location_map.svg