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