M.Geo.137, LV 2: Diagenese und Verwitterung

Diagenese von klastischen Sedimenten

Marlene Perschl, Alexander-Maria Ploch, Maren Schröpfer, Oliver Seidel, Caren Sundermeyer

Göttingen, 14. Mai 2014

Diagenese•Alle post-sedimentären Prozesse, in denen das Sediment mit dem vorliegenden Porenwasser zu einem strukturellem und geochemischen Gleichgewicht abhängig vom Ablagerungsmilieu reagiert.

System Diagenese•Funktion chemischer Thermodynamik und Kinetik•Änderungen in der Porenfluidchemie

Diagenese-Metamorphose-Grenze•Mineralphasen•Temperaturübergang: 180-250°C•Salton Sea Sandstone, California

Einführung

McKinley et al., 2001

Stabile Kratone

Riftbecken

1

Salton Sea Sandstone, California

McDowell & Elders, 1980

2

Prozesse der Diagenese3

Worden & Burley, 2003

Regime der Diagenese

Mesogenese: Versenkungsdiagenese

•diagnetische Prozesse wirken auf Sedimente außerhalb des Einflusses von meteorischen Wässern

•Einfluss Temperatur überwiegt gegenüber Porenwasser

Telogenese: Hebungsbezogene Diagenese

•in gehobenen und exhumierten Gesteinen

•dem Einfluss meteorischer Wässer freigesetzt (Verwitterung)

Basierend auf Choquette & Pray (1970)

• Unterteilung basiert auf einer Analogie zwischen Beckenentwicklung und diagenetischen Prozessen!

Eogenese: frühe Diagenese• Einfluss des Porenwassers dominiert• flach (Tonsteine) - tausende Meter tief (Sandsteine)• 1-2 km = 30-70°C

4

Eogenese

Boggs, 2006

5

1. Kontinentale Bedingungen: fluviatil-alluvial, arid

GW

6

Worden & Burley, 2003

2. Kontinentale Bedingungen: fluviatil, humid

7

Worden & Burley, 2003

3. Marine Bedingungen

8

Worden & Burley, 2003

Mesogenese

Boggs, 2006

9

Stone & Siever, 1996

Porosität nach Ablagerung

Porosität nach Hauptphase der mechanischen Kompaktion

Porosität nach Hauptphase der chemischen Kompaktion

Kompaktion10

• Punktkontakte

• Floating grains

• Rotation

• Spröde Bruchbildung

• Längskontakte

• Suturierte Kornkontakte,

Konvex-Konkav Kontakte

• Drucklösung

• Sprödes Brechen von

Glimmern

Kompaktionsgefüge11

Worden & Burley, 2003

Kompaktionsgefüge im DünnschliffMechanische Kompaktion Chemische Kompaktion

400µm

1600 µm

Boggs, 2006 Boggs, 2006

12

Worden & Burley, 2003Worden & Burley, 2003

Mesogenese

Boggs, 2006

13

• Zerstörung instabiler Minerale wie K-Fsp und Zeolit

Ersatz durch Calcit und Qz-Zement

• Dehydrationsreaktionen

(Verlust von OH- und CO32-)

• Bsp.: Gips Anhydrit

Smektit Illit

Mineralumwandlungen

Singer & Müller, 1983

14

Porenfluide• Oft hohe Salinität der Porenwässer, reduzierend und pH-neutral

• Wichtige Reaktioneno Albitisierung von Kalifeldspat,o Alteration von Tonmineralen,o Bildung von Anhydrit-Zement und Sulfiden

Fairbridge, 1983

Eogenesis

15

Authigenese von Tonmineralen

•Abbau frühdiagenetischer Tonminerale

(Smektit, Kaolinit und Montmorillonit)

•Bildung von Illit und Chlorit

Na+ + KAlSi3O8 → K+ + NaAlSi3O8

3 Al2Si2(OH)5 + 2K+ → 2 KAl3Si3O10(OH)2 + 3 H2O + 2H+

Kaolinit Illit

Singer & Müller, 1983

16

Telogenese

Boggs, 2006

17

Eogenesis

18

Fairbridge, 1983

• Chemische Reaktionen:o Fe-Carbonate zu Hämatit und Goethit oxidierto Bildung Gips aus Pyrit falls Wasser Ca-gesättigt ist o Mineralateration: Fsp. – Tonmineralo Minerallösung: z.B. Pyroxene und Amphibole

Baker, 1991

19

Zusammenfassung

Boggs, 2006

20

Methode

• Untersuchung der (Ton-) Minerale durch Röntgendiffraktometrie (engl. x-ray diffraction (XRD))

• Isotropen-Franktionierung: δ18 O als Geothermometer

1000 lnα1-2 = A (106 / T2) + B

α1-2 =Fraktionierungsfaktor zweier PhasenA, B = experimentell bestimmte KonstantenT =Temperatur

Altersdatierung

• Authigene Tonminerale (z.B. Illit, Chlorit): K-Ar –Radiometrie sowie Rb-Sr –Radiometrie

• seltener verwendet: authigene Feldspäte

Larsen & Chilingar, 1983

Literaturverzeichnis• Baker, J. C. (1991): Diagenesis and reservoir quality of the Aldebaran Sandstone, Denison Trough, east-central Queensland, Australia, (Reprinted from Sedimentology (1991)). Entnommen

aus Burley, S.D. & Worden, R.H. (2003): Sandstone Diagenesis: Recent and Ancient, Vol. 4, S. 563 – 582.

• Berner, R.A. (1980): Early Diagenesis: A Theoretical Approach. Princeton Series in Geochemistry, Prince- ton University Press, Princeton, NJ.

• Boggs, S., Jr. (2006): Principles of Sedimentology and Stratigraphy. 4th ed. Pearson Education, Upper Saddle River, NJ.

• Burley, S.D. & Kantorowicz, J.D. (1986): Thin section and SEMtextural criteria for the recognition of cement dissolution porosity in sandstones. Sedimentology, 33, 587-604.

• Worden, R. H., Burley S. D. (2003): Sandstone Diagenesis: The Evolution of Sand to Stone, in Sandstone Diagenesis: Recent and Ancient (eds S. D. Burley and R. H. Worden), Blackwell Publishing Ltd., Oxford, UK.

• Burley, S.D., Kantorowicz, J.D. & Waugh, B. (1985): Clastic diagenesis. In: Sedimentology: Recent and Applied Aspects (EdsP.Brenchley&B.P.B.Williams). Spec. Publ. Geol. Soc. London, No. 18, 189-226. Blackwell Scientific Publications, Oxford.

• Chapelle, F.H. (1993): Ground-water Microbiology and Geochemistry. John Wiley &Sons, New York, 448 pp.

• Choquette,P.W.&Pray,L.(1970)Geologicnomenclature and classification of porosity in sedimentary carbon- ates. American Association Petroleum Geologists Bulletin, 54, 207-250.

• Curtis, C.D. (1977): Sedimentary geochemistry: environ- ments and processes dominated by involvement of an aqueous phase. Philosophical Transactions of the Royal Society, London, 286, 353-372.

• Curtis, C.D. (1978): Possible links between sandstone diagenesis and depth-related geochemical reactions occurring in enclosing mudstones. Journal of the Geological Society, London, 135, 107-117.

• Ehrenberg, S.N., Aagaard, P., Wilson, M.J., Fraser, A.R. & Duthie, D.M.L. (1993): Depth-dependant transformation of kaolinite to dickite in sandstones of the Norwegian continental shelf. Clay Minerals, 28, 325-352.

• Fairbridge, R.W. (1983): Syndiagenesis – Anadiagenesis – Epidiagenesis: Phases in Lithogenesis. In: Larson, G. & Chilingar, G. V. (Eds.): Diagenesis in sediments

• And sedimentary rocks, 2. 17-113.

• Folk, R.L. (1965): Some aspects of recrystallisation in ancient limestones. In: Dolomitization and Limestone Diagenesis (EdsL.C.Pray &R.G.Murray).Spec. Publ. Soc. Econ. Paleont. Miner., Tulsa, OK, 13, 14-48.

• Frey, M. (1987): Very low grade metamorphism of clastic sedimentary rocks. In: Low Temperature Metamor- phism (Ed.M. Frey),pp. 9-58. Blackie,London.

• Hesse, R. (1987): Selective and reversible carbonate- silica replacements in Lower Cretaceous carbonate- bearing turbidites of the Eastern Alps. Sedimentology, 34 , 1055-1077.

• McDowell, S.D. &Elders, W.A. (1980): Authigenic layer silicate minerals in Borehole Elmore 1, Salton Sea geothermal Field, California, USA. Contributions to Mineralogy and Petrology, 74, 293-310.

• Morad, S., Ketzer, J.M. and De Ros, L.F. (2000): Spatial and temporal distribution of diagenetic alterations in siliciclastic rocks: implications for mass transfer in sedimentary basins. Sedimentology, 47 (Millenium Reviews), 95-120.

• Nahon, D.B. (1991): Introduction to the Petrology of Soils and Chemical Weathering. Wiley Interscience, New York, 313 pp.

• Odin, G.S. (1990): Clay mineral formation at the con- tinental-ocean boundary: the verdine facies. Clay Minerals, 25, 477-483.

• Pettijohn, F.J., Potter, P.E. &Siever, R. (1972): Sand and Sandstone. Springer-Verlag, NewYork.

• Schmidt, V. &Macdonald, D.A. (1979): The role of sec- ondary porosity in the course of sandstone diagenesis. In: Aspects of Diagenesis (Eds P.A. Scholle &P.R. Schuldger). Soc. Econ. Paleont. Miner. Spec. Publ., Tulsa, OK, 29, 175-207.

• Singer, A. & Müller, G. (1983): Diagenesis in argillaceous sediments. In: In: Larson, G. & Chilingar, G. V. (Eds.): Diagenesis in sediments

• And sedimentary rocks, 2. 115-212.

• Slater, D.J., Yardley, B.W.D., Spiro, B. & Knipe, RJ. (1994): Incipient metamorphism and deformation in the Variscides of SW Dyfed, Wales: first steps towards isotopicequilibrium.JournalofMetamorphicGeo- logy, 12, 237-248.

• Stone, W. N. & Siever, R. (1996): Quantifying compaction, pressure solution and quartz cementation in moderately- and deeply-buried quartzose sandstones from the Greater Green River Basin, Wyoming. SEPM Special Publications, No. 55. Entnommen aus: Boggs, S., Jr. (2006): Principles of Sedimentology and Stratigraphy. 4th ed. Pearson Education, Upper Saddle River, NJ. S. 151.

• Tardy, Y. (1969) Geochemie des alterations. Mem. Serv. Carte. Geol. Alsace Lorraine, Strasbourg, 31, 199 pp.