Diagenese von klastischen Sedimenten Göttingen, 14. Mai 2014 Diagenese von klastischen Sedimenten M.Geo.137, LV 2: Diagenese und Verwitterung Marlene Perschl, Alexander-Maria Ploch, Maren Schröpfer, Oliver Seidel, Caren Sundermeyer

1 Einführung 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 Riftbecken Ablagerungsmilieu: Prozesse: physikalisch, chemisch, biologisch Ohne Wasser finden keine Prozesse der Diagenese statt. humide und aride Klimate erzeugen Gibbsit, Tonminerale der Kaolingruppe und Smektite aus Aluminosilikaten In kälteren Bereichen liegen größere Varietäten an metastabilen Tonmineralen des Verwitterungsprofiles vor. Ursachen: _ Folgen: Minerale verlassen ihr Stabilitätsfeld 10°C geothermischer Gradient gilt für stabile Kratone 30°C geothermischer Gradient gilt für Riftbecken Salton Sea, California Sandstone: Sandstein ähnlicher Zusammensetzung über ein Temperaturintervall von 100°C bis 350°C aufgeschlossen/ aus Bohrung Elmore 1 Stabile Kratone McKinley et al., 2001

Salton Sea Sandstone, California 2 Nicht im Gleichgewicht stehende Mineralassoziationen werden durch metamorphen Albit, Chlorit und Quarz ersetzt McDowell & Elders, 1980

Prozesse der Diagenese 3 Prozesse der Diagenese Authigenese: Generierung in situ: nicht detritische sondern diagenetische Mineralneubildungen Zementation: authigene Mineralbildung im Porenraum des Sediments , wodurch es zur Lithifizeirung kommt Kompaktion: reorientieren von Körnern durch flache Versenkung bis hin zur duktilen Deformation von weichen Sandkörnern und intergranularer Matrix Dissolution: weglösen fester Bestandteile, zurück bleibt nuer Porenraum Neomorphose: ersetze und rekristallisieren eines Minerals durch ein verwandtes Mineral mit eingeschlossener Änderung der Mineralchemie (Porenfüllung ausgeschlossen) Aragonit durch niedrig Mg-Klazit ersetzt; Neomorphose ist wichtig, da sie Strukturelemente konserviert Replacement: Ersatz von authigenen/detritischen Mineralen durch authigeneMinerale : 1. Disolution – 2. Precipitation/Ausfällung Paragenetische Sequenz: Interpretation einer Abfolge von diagenetischen Prozessen. Worden & Burley, 2003

Regime der Diagenese 4 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 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) 1.: Eogenese zu a) : Porenwasserchemie wird von Ablagerungsmilieu gesteuert einschließlich Verwitterung, Bodenbildung, bakterielle verursachte Redox-Reaktion in marinen Settings. Zu b): flach: in gering permeablen Tonsteinen – tief in porösen kontinentalen Sandsteinen, abhängig von der geometrischen Anordnung von Aquiferen, Aquitarden, synsedimentären Falten und Aquiferpermeabilität Zu c): gilt allgemein für Becken mit geothermischen Gradienten von 30^C pro 1km und einer durchschnittlichen Oberflächentemperatur von 10°C 2.: Mesogenese Zu a) Temperatur hat stärkeren Einfluss als das mit dem Oberflächenwasser verbundene Porenwasser, also ab 1-2 km = 30–70°C Zu b) wichtige Faktoren, die die Mesogenese beeinflussen sind: der Zeit-Temperaturverlauf des Beckens, primäre Mineralogie, Massentransfer mit benachbartem Gestein, geochemie von Porenfluiden 3.: Telogenese Zu (Verwitterung): Wasser ist CO2-angereichert, leicht salinar, hoch oxidativ,: potential für geochemische Veränderungen, z.B. Feldspatverwitterung zu Tonmineralen (meist Kaolinit) Basierend auf Choquette & Pray (1970)

5 Eogenese Boggs, 2006

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

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

8 3. Marine Bedingungen Worden & Burley, 2003

9 Mesogenese Boggs, 2006

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

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

Kompaktionsgefüge im Dünnschliff 12 Kompaktionsgefüge im Dünnschliff Mechanische Kompaktion Chemische Kompaktion Boggs, 2006 Boggs, 2006 400µm 1600 µm Worden & Burley, 2003 Worden & Burley, 2003

13 Mesogenese Boggs, 2006

14 Mineralumwandlungen 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 Singer & Müller, 1983

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

Authigenese von Tonmineralen 16 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+ Singer & Müller, 1983 Kaolinit Illit

17 Telogenese Boggs, 2006

Chemische Reaktionen: Fe-Carbonate zu Hämatit und Goethit oxidiert 18 Chemische Reaktionen: Fe-Carbonate zu Hämatit und Goethit oxidiert Bildung Gips aus Pyrit falls Wasser Ca-gesättigt ist Mineralateration: Fsp. – Tonmineral Minerallösung: z.B. Pyroxene und Amphibole Tiefe bis wenige 10er m Wichtig: Interaktion mit meteorisches Wasser, welches ein Oxidationsmittel ist und CO2 gesättigt ist Chemische Rkt. – Fe-Carbonate zu Hämatit und Goethit oxidiert Bildung Gips aus Pyrit falls Wasser Ca-gesättigt ist (Bezug zur Mesogenese???) Mineralateration: Fsp. – Tonmineral Minerallösung: z.B. Pyroxene und Amphibole Eogenesis Fairbridge, 1983

19 Quelle: 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 BSP: Aldebaran Sandstein (Queensland (AUS)) Entstehung neue authigene Minerale durch Kontakt mit meteorischem Wasser. Dawsonit [NaAlCO3(OH)2]: Weltweit seltenes Mineral in sedimentären Gesteinen – Ersetzt labile Gerüstkörner (framework grains) Ankerit: porenfüllendes Clustermineral und verdrängt Gerüstkörner – gelöst: durch authigenes Kaolinit ersetzt Baker, 1991

20 Zusammenfassung Boggs, 2006

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 Phasen A, B = experimentell bestimmte Konstanten T =Temperatur XRD untersucht u.a. die Mineralreinheit der Tonminerale, erkennt beispielsweise Dawsonit ihren Pewak in 110-Richtung bei 0-556 nm Wellenlänge Ermittlung der Temperatur des diagenetisch entstandenen Minerals anhand der Fluideinschlüsse oder der Sauerstoffisotopie Isotopenfraktionierung- Literaturquelle: Okrusch, Matthes (2005): Mineralogie (7.Auflage), S. 463 Burley, Worden (2003): Sandstone diagenesis, S. 576

Altersdatierung Authigene Tonminerale (z.B. Illit, Chlorit): K-Ar –Radiometrie sowie Rb-Sr –Radiometrie seltener verwendet: authigene Feldspäte Burley, Worden (2003): Sandstone diagenesis

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.