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M.Geo.137, LV 2: Diagenese und Verwitterung Diagenese von klastischen Sedimenten Marlene Perschl, Alexander-Maria Ploch, Maren Schröpfer, Oliver Seidel,

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1 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

2 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: °C Salton Sea Sandstone, California Einführung McKinley et al., 2001 Stabile Kratone Riftbecken 1

3 Salton Sea Sandstone, California McDowell & Elders,

4 Prozesse der Diagenese 3 Worden & Burley, 2003

5 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

6 Eogenese Boggs,

7 1. Kontinentale Bedingungen: fluviatil-alluvial, arid GW 6 Worden & Burley, 2003

8 2. Kontinentale Bedingungen: fluviatil, humid 7 Worden & Burley, 2003

9 3. Marine Bedingungen 8 Worden & Burley, 2003

10 Mesogenese Boggs,

11 Stone & Siever, 1996 Porosität nach Ablagerung Porosität nach Hauptphase der mechanischen Kompaktion Porosität nach Hauptphase der chemischen Kompaktion Kompaktion 10

12 Punktkontakte Floating grains Rotation Spröde Bruchbildung Längskontakte Suturierte Kornkontakte, Konvex-Konkav Kontakte Drucklösung Sprödes Brechen von Glimmern Kompaktionsgefüge 11 Worden & Burley, 2003

13 Kompaktionsgefüge im Dünnschliff Mechanische KompaktionChemische Kompaktion 400µm 1600 µm Boggs, Worden & Burley, 2003

14 Mesogenese Boggs,

15 Zerstörung instabiler Minerale wie K-Fsp und Zeolit  Ersatz durch Calcit und Qz-Zement Dehydrationsreaktionen (Verlust von OH - und CO 3 2- ) Bsp.: Gips  Anhydrit Smektit  Illit Mineralumwandlungen Singer & Müller,

16 Porenfluide Oft hohe Salinität der Porenwässer, reduzierend und pH-neutral Wichtige Reaktionen o Albitisierung von Kalifeldspat, o Alteration von Tonmineralen, o Bildung von Anhydrit-Zement und Sulfiden Fairbridge, 1983 Eogenesis 15

17 Authigenese von Tonmineralen Abbau frühdiagenetischer Tonminerale (Smektit, Kaolinit und Montmorillonit) Bildung von Illit und Chlorit Na + + KAlSi 3 O 8 → K + + NaAlSi 3 O 8 3 Al 2 Si 2 (OH) 5 + 2K + → 2 KAl 3 Si 3 O 10 (OH) H 2 O + 2H + Kaolinit Illit Singer & Müller,

18 Telogenese Boggs,

19 Eogenesis 18 Fairbridge, 1983 Chemische Reaktionen: o Fe-Carbonate zu Hämatit und Goethit oxidiert o Bildung Gips aus Pyrit falls Wasser Ca-gesättigt ist o Mineralateration: Fsp. – Tonmineral o Minerallösung: z.B. Pyroxene und Amphibole

20 Baker,

21 Zusammenfassung Boggs,

22

23 Methode Untersuchung der (Ton-) Minerale durch Röntgendiffraktometrie (engl. x-ray diffraction (XRD)) Isotropen-Franktionierung: δ 18 O als Geothermometer 1000 lnα 1-2 = A (10 6 / T 2 ) + B α 1-2 =Fraktionierungsfaktor zweier Phasen A, B = experimentell bestimmte Konstanten T =Temperatur

24 Altersdatierung Authigene Tonminerale (z.B. Illit, Chlorit): K-Ar – Radiometrie sowie Rb-Sr –Radiometrie seltener verwendet: authigene Feldspäte

25 Larsen & Chilingar, 1983

26 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, 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, 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, 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, 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, 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, Fairbridge, R.W. (1983): Syndiagenesis – Anadiagenesis – Epidiagenesis: Phases in Lithogenesis. In: Larson, G. & Chilingar, G. V. (Eds.): Diagenesis in sediments And sedimentary rocks, 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, Frey, M. (1987): Very low grade metamorphism of clastic sedimentary rocks. In: Low Temperature Metamor- phism (Ed.M. Frey),pp Blackie,London. Hesse, R. (1987): Selective and reversible carbonate- silica replacements in Lower Cretaceous carbonate- bearing turbidites of the Eastern Alps. Sedimentology, 34, 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, 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), 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, 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, Singer, A. & Müller, G. (1983): Diagenesis in argillaceous sediments. In: In: Larson, G. & Chilingar, G. V. (Eds.): Diagenesis in sediments And sedimentary rocks, 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, 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 Tardy, Y. (1969) Geochemie des alterations. Mem. Serv. Carte. Geol. Alsace Lorraine, Strasbourg, 31, 199 pp.


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