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Prof. Lenin González
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE GEOLOGÍA, MINAS Y GEOFÍSICADEPARTAMENTO DE GEOLOGÍA
ContenidoIntroducciónDefiniciónFactores que influyen en la
diagénesisProcesosEstados diagenéticosMétodos de estudio
R.H. Worden and S.D. Burley(2010)
Modelado de cuencas
Modelados Cinemáticos
Predictivo
Diagénesis cuantitativa
incorporando geoquímica e isotoposPetrografía,
SEM, Diagénesis descriptiva
Composición, mineralogía y textura de los sedimentos, relación con
la temperatura y compactación
Roca fuente y descripción
de grano , forma y textura
Definición DiagénesisSe define como el conjunto de procesos que actúan para modificar a los sedimentos luego de su depositación.
La diagénesis se produce desde condiciones superficiales (interfase sedimentaria, sustrato sedimentario de los ambientes de acumulación) hasta profundidades de soterramiento en las que la temperatura alcanza unos 250º C y la presión llega hasta 1,5 kb (para algunos autores estas cifras pueden ser aún mayores). La profundidad a la que se llega a estos valores de temperatura y presión no es uniforme, ya ambos parámetros están fuertemente condicionados por la geodinámica interna.
Modificado de Pettijohn et al. (1973)
La presión Geoestática y la Temperatura (gradiente geotérmico) definiendo los campos de la diagénesis, metamorfismo y fusión
Diagénesis: Son los procesos geológicos por los cuales un sedimento (agregado inconsolidado) es transformado en una roca sedimentaria (del griego día: a través y génesis: origen)
La diagénesis incluye los procesos de compactación, pérdida de fluidos, reducción de la porosidad depositacional, cementación, litificación y recristalización de ciertos minerales.
Los procesos diagenéticos se inician directamente luego de producida la depositación y tomando como referencia a la temperatura se extiende entre la temperatura ambiente y los 230 ºC (300 ºC).
El rango de temperaturas arriba señalado se extiende entre los 0 m. y los 10.000 m. (15.000 m.).
Los cambios diagenéticos ocurren como consecuencia de reacciones entre el sistema roca-fluidos porales. Estas reacciones señalan la tendencia del sistema a alcanzar el equilibrio termodinámico al variar las condiciones de P y T.
LOS PROCESOS DIAGENÉTICOS
1.- Temperatura2.- Presión
GeoestáticaHidrostática
3.- Composición del sedimento4.- Composición de las aguas porales5.- Tiempo de residencia
FACTORES QUE CONTROLAN LA DIAGÉNESIS
Ambiente sedimentario y clima
Procesos biológicos
Aceleración en las reacciones químicas. Un incremento del orden de los 10º C puede duplicar o triplicar la velocidad de las reacciones.
Así, las fases minerales que son estables o metaestables ante temperaturas eogenéticas se vuelven inestables con mayor soterramiento.
Consecuentemente, el aumento de la temperatura incrementa la solubilidad de muchos minerales, y favorece la formación de minerales más densos y menos hidratados.
LA TEMPERATURA
El gradiente geotérmico promedio es de 1ºC cada 33m (30ºC/km).
Márgenes estables o zonas de interior de placas son las que tienen menores gradientes geotérmicos (1ºC cada 200 m., 5º/Km) mientras que zonas de subducción son las que muestran los mayores aumentos de gradiente (1ºC cada 25 m., 40º/Km )
El gradiente geotérmico es crítico en muchas reacciones diagenéticas, por ejemplo la solubilidad de la sílice a presiones de soterramiento de 1000 metros varía desde:
25ºC ------- 6 ppm50ºC ------- 21 ppm100ºC------ 62 ppm150ºC------140 ppm
«la solubilidad de la sílice es más de 20 veces mayor a 150ºC que a 25º»
OBSERVACIONES SOBRE EL GRADIENTE GEOTÉRMICO
GRADIENTE GEOTÉRMICO, PRESIÓN LITOSTÁTICA EHIDROSTÁTICA
Gradiente geotérmico normal: 1ºC cada 33 m,Presión litostática (o geostática): 245 bars/kmPresión hidrostática: 104 bars/Km
TEMPERATURAGrado geotérmico 1°C cada 33 metrosGrado geotérmico 3,25°C cada 100 metros
Modificado de Aoyagi y Kazama(1980)
La Presión litostática es en promedio de 245 bars/km mientras que la de fluidos (fluidos contenidos en los poros, también llamada presión de poros) es de unos 104 bars/km.
A profundidades cercanas a 10 Km. La Presión litostática es el doble de la de fluidos. « La presión debido a la carga de rocas en general no se transmite a los fluidos porales, por lo que ellos se comportan como si la columna que soportan fuera sólo de fluidos»
En sistemas porales no interconectados la presión de fluidos comienza a acercarse a la litostática.
En los casos en los que los valores de presión litostática se transmiten a los fluidos se generan fenómenos de sobrepresión.
OBSERVACIONES SOBRE LA PRESIÓN LITOSTÁTICA
El incremento de la presión geoestática produce la compactación física de los sedimentos y, a la vez, incrementa la solubilidad de muchos minerales, en especial a lo largo de los contactos entre los granos (disolución por presión).
La presión tiende a reducir la porosidad y conduce a un adelgazamiento general de los estratos.
LA PRESIÓN
La composición del sedimento es crítica para los procesos diagenéticos que tendrán lugar.
Sedimentos altamente maduros (arenas cuarzosas) no muestran fenómenos de disolución o recristalización hasta estadios muy avanzados de la diagénesis.
Sedimentos altamente inmaduros (p.e. arenas líticas volcánicas) muestran frecuentemente fenómenos de disolución y recristalización aún en estadios tempranos de la diagénesis.
Procesos diagenéticos específicos como por ejemplo la disolución por presión, sólo ocurren en sedimentos con una composición mineralógica determinada.
OBSERVACIONES SOBRE LA COMPOSICIÓN DELSEDIMENTO
1. Resultan un elemento indispensable en casi todas las reacciones diagenéticas conocidas.
2. Durante la diagénesis temprana los fluidos porales son en volumen casi tan importante como las fases sólidas.
3. Los fluidos porales resultan mucho más sensibles a los cambios en las condiciones del sistema que las fases sólidas.
4. Por su contenido en oxígeno disuelto se clasifican en: aguas óxicas (más de 2 ml/l de oxígeno disuelto), subóxicas (0,2 y 2 ml/l) y anóxicas (menos de 0,2 ml/l).
5. Por su salinidad se clasifican en: salmueras (más de 3,5 por mil de salinidad), salinas (1 y 3,5), salobres (0,1 y 1) dulces (menores a 0,1).
OBSERVACIONES SOBRE LA COMPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS PORALES
A)La composición del agua en el espacio poral resulta de la mezcla de diferentes componentes:
1. Agua estrictamente connata (depositada junto con los sedimentos).
2. Agua meteórica (freática).3. Agua liberada durante reacciones diagenéticas de deshidratación de minerales (sobre todo arcillosos)4. Agua hidrotermal (aguas juveniles)
B) Pequeñas cantidades de MO hacen que el agua tenga Ph ácido.
C)Pequeñas cantidades de carbonatos hacen que el agua sea básica. El carbonato actúa como buffer del Ph.
OBSERVACIONES SOBRE LA COMPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS PORALES
DIFUSIÓN: movimientos aleatorios de los componentes del agua poral a causa de los cuales las diferencias de concentración dentro del poro o entre poros conectados físicamente son borradas.
ADVECCIÓN: las concentraciones son afectadas por flujos unidireccionales de naturaleza interna al sistema (compactación, gradientes de T, de densidad) o externos al sistema (tectónica).
REACCIÓN: Consume o produce nuevos compuestos.
------------------------------------------------------------------------------DIFUSIÓN: ESCALA LOCAL (hasta pocos m. o menos)
ADVECCIÓN: a escala regional (cientos o miles de metros)
LA CONCENTRACIÓN EN SOLUCIONES PORALES
ZONA (Prof.) PROCESOS DEGRAD. CAMBIOS MINERAL Aeróbica (mm a cm)
Respiración de bacterias aérobicas CH2O+O2 → H++HCO3
- Amoníaco (NH4
+) y fosfatos (HPO42-) en poca
cantidad MO refractaria
Intercambios catiónicos en arcillas. Fosfatos se fijan por óxidos férricos. Autigénesis de glauconita (solo cond. Subóxica)
Reducción de nitratos (cm a pocas decenas de cm)
Importante proporción de HCO3-, HPO4
2-, NH4+
Reducción del Fe3+ y del Mn4+ MO refractaria
Disolución de oxi. e hidrox. férricos. Precipitación de fosfatos Autigénesis de glauconita
Reducción de sulfatos (1 a 10 m)
2CH2O+SO42- → 2HCO3
-H++HS- + H+ HCO3
-, HPO42-, NH4
+ se incrementan en las aguas porales MO refractaria
Reducción de la hematita y limonita Precipitación de la pirita Precipitación de la calcita
Fermentación (hasta 75°C)
Degradación bacteriana y reacciones correspondientes a la fermentación CH2O → CH4+HCO3
- + H+
Probable precipitación de siderita y calcitas ferrosas
A mayor tiempo geológico menor es la temperatura a la que comienza a generarse el petróleo.
A mayor tiempo geológico menor es la temperatura a la que se destruyen el petróleo y el gas.
A mayor tiempo geológico mayor es el número de procesos por el que atraviesa el sistema.
EFECTO DEL GRADIENTE GEOTÉRMICO Y DEL TIEMPO DE RESIDENCIA
En la mesogénesis las aguas porales cambian su composición como resultado de reacciones químicas con minerales de las arcillas u otros componentes, así como por interacción entre la materia orgánica y las propias fases minerales.
Estos cambios se producen en los poros de las areniscas, y pueden ejercer fuerte influencia sobre las reacciones de disolución y precipitación.
Las nuevas reacciones no sólo se pueden producir in situ, sino que afectan a otros sedimentos que son invadidos por esas aguas cuando son expelidas por fenómenos de compactación (en especial desde rocas lutiticas).
LA COMPOSICIÓN DE LAS AGUASPORALES pH, Eh
Consideraciones químicas de las aguas porales
Diagramas de “barreras geoquímicas”. Modificado de Krumbein & Garrels (1952)
Bioerosión y bioturbación
Compactación
Disolución
Autigénesis incluye Cementación
Recristalización
Reemplazo
Alteración
PROCESOS DE LA DIAGÉNESISProcesos
Procesos típicos de la eogénesis más temprana en los que se produce la modificación de un depósito sedimentario por actividad de organismos.
BIOEROSIÓN Y BIOTURBACIÓN
Este es un fenómeno que se produce entre los granos desde el mismo instante en que estos son depositados, se produce compactación mecánica y algunos autores plantean compactación química los puntos de contacto y se atenúa cuando los espacios porales de las arenas están ocupados por minerales de arcillas o han sido cementados tempranamente. Sus efectos suelen ser más intensos en las areniscas con textura fina.
COMPACTACIÓN
Notar cómo varía diferencialmente la compactación con la profundidad y la temperatura en arenitas cuarzosas (poco compactables) y en arenitas líticas (muy compactables).
COMPACTACIÓN Y CAMBIOS DE POROSIDAD EN DISTINTOS TIPOS DE ARENISCAS
Modificado de Schmidt et al. (1979)
Suele actuar entre 2 y 3 km de profundidad y puede remover tanto a los cementos como a los clastos (en especial componentes metaestables como feldespatos y algunos máficos).
La disolución puede ser congruente o incongruente. La disolución congruente sucede en partes de un mineral sin que la porción no disuelta del mismo sea modificada. En cambio las disolución incongruente hace que la parte remanente (no disuelta) del mineral se altere a otro mineral. La disolución incongruente es la que lleva a la generación de caolinita a expensas de feldespato potásico, o la de esmectita a partir del vidrio volcánico.
DISOLUCIÓN Y CREACIÓN DEPOROSIDAD
Modificado de Schmidt et al. (1979)
El proceso de cementación consiste en la precipitación masiva de sustancias autígenicas en los poros de las rocas.
En los conglomerados y las areniscas es uno de los más importantes procesos de litificación y de reducción de la porosidad primaria.
La cementación ocurre durante la eogénesis y la mesogénesis.
En los conglomerados y las areniscas, los cementos más comunes son los silíceos y carbonáticos. También pueden actuar como cementos otras sustancias, tales como sulfatos (yeso, anhidrita, baritina) y óxidos de hierro (hematita, goethita).
EL PROCESO DE CEMENTACIÓN
Además de su incorporación a las areniscas por procesos deposicionales (matriz detrítica intersticial), las arcillas se pueden generar por procesos diagenéticos (autigénesis, cementación).
La presencia de arcillas es muy importante pues tiene fuerte efecto sobre la porosidad y permeabilidad de las areniscas. Los minerales de arcillas autigénicos aparecen fundamentalmente en dos formas: como cemento rellenando poros (conduce a la pérdida de la porosidad) o como halos de arcilla.
La precipitación de halos de arcilla es uno de los eventos diagenéticos más tempranos, y en general precede al crecimiento de cuarzo o a la cementación de calcita. Cuando este halo o anillo es espeso puede inhibir la cementación siguiente y preservar la porosidad de la arenisca.
AUTIGÉNESIS DE MINERALES DE ARCILLAS EN LAS
ARENISCAS
VARIACIÓN DE LA SOLUBILIDAD DE LOS CARBONATOS Y LA SÍLICE CON EL pH
Modificado de Blatt. (1980)
Modificado de Blatt. (1982)
AUTOR ESTADO DESCRIPCIÓN Choquette & Pray (1970) Eogenético
Mesogenético Telogenético
Soterramiento somero Soterramiento profundo Ascenso y erosión
Donoyer de Segonzac (1970)
Diagénesis Temprana Diagénesis media Diagénesis tardía Diagénesis de anchizona
Soterramiento somero Soterramiento profundo T˃100 °C Transición a metamorfismo
Schmidt & McDonald (1979) Eodiagénesis Mesodiagénesis Telodiagénesis
Diagénesis en amb. deposita. Soterramiento profundo Levantamiento tectónico
Fairbridge (1983) Sindiagénesis Anadiagénesis Epidiagénesis
Sincronizada con la deposita. Soterramiento profundo Levantamiento tectónico
Singer & Müller (1983) Edo. Pre soterramiento Edo. Soterramiento somero Edo. Soterramiento profundo
En presencia de O2 Transformación de fango a pelita Transformación pelita a argilita
Burley et al. (1985) Eogénesis Mesogénesis Telogénesis
En ambiente depositacional Soterramiento profundo Levantamiento tectónico
Pettijohn et al. (1987) Estado 1 Estado 2 Estado 3 Estado 4 Estado 5 Estado 6
En ambiente depositacional Soterramiento alrededor 10 m Soterramiento aprox. 1000 m Miles de metros Muy bajo metam. Alta diagénesis Levantamiento
LOS ESTADOS DIAGENÉTICOS SEGÚN DIFERENTES AUTORES
Etapas diagenéticas, según Choquette & Pray (1970)
Eodiagénesis
Retrabajo orgánico (bioturbación)
Cementación y reemplazamiento
Alteración de estructuras sedimentarias primarias
Formación de bandeamientos moteados y otras trazas
Formación de Pirita o óxidos de Fe
Precipitación, sobrecrecimiento de Q y F, cementos de carbonatos, caolinita o clorita
Mesodiagénesis
Compactación Física
Compactación Química (Presión Solución
Cementación
Disolución por fluidos de poros
Reemplazamiento mineral
Autigenésis de arcillas
Telodiagénesis Disolución, reemplazamiento y oxidación
Disolución de cementos carbonáticos
Alteración de F a minerales de arcillas
Oxidación de minerales de Fe
Disolución de minerales menos estables
Etapas diagenéticas, según Dunoyer de Segonzac (1970)
Diagénesis
D. Temprana, donde ocurre la etapa de soterramiento somero
D. Intermedia, donde ocurre la etapa de soterramiento profundo
D. Tardía, que ocurre a temperatura superiores a 100 °C
Anchizona, Fase transicional hacia el metamorfismo
Etapas de la diagénesis (Fairbridge, 1967)
Soterramiento menos profundo.Con exposición a la atmósfera.En ambientes subácueos puede variar desde condiciones oxidantes a reductoras.Las aguas en los poros son propias del ambiente sedimentario con el Eh, pH y composición química de las aguas superficiales y subsuperficiales.La diagénesis temprana puede alcanzar los 2 km de profundidad y temperaturas inferiores a 70º C.
RÉGIMEN EOGENÉTICO,EOGÉNESIS O
SINDIAGÉNESISSoterramiento de los sedimentos, superior a 2 km de profundidad. En este régimen se incrementan la temperatura (por encima de 70º C) y la presión.Durante este estadío las aguas porales han sido modificadas por reacciones. Cambios MO.Las aguas mesogenéticas en comparación con las aguas marinas poseen menores tenores de Na, Mg, SO4 y K, pero más elevados de Ca, Sr y SiO2.
RÉGIMEN MESOGENÉTICO,MESOGÉNESIS OANADIAGÉNESIS
Corresponde al ambiente diagenético generado durante la fase de ascenso tectónico y progresivo retorno de las masas sedimentarias a las condiciones superficiales. Decrecen la presión y la temperatura, y se produce infiltración de aguas meteóricas ácidas y oxidantes.
RÉGIMEN TELOGENÉTICO,TELOGÉNESIS O EPIDIAGÉNESIS
Diagénesis
temprana o
Eogénesis
Diagénesis tardía La diagénesis tardía suele subdividirse en dos regímenes:
Mesogénesis Telogénesis.
REGÍMENES O ESTADOS DIAGENÉTICOSR.H. Worden and S.D. Burley(2010)
1. Inmediatamente después de la depositación, sistema abierto, baja P y T.
2. Hasta algunas decenas de metros, sistema abierto, baja T, compactación mecánica, sólo cementación temprana.
3. Hasta 1000 m, sistema parcialmente abierto a cerrado, aumento de T y P domina todavía compactación mecánica, procesos de cementación comunes.
4. Estado mesodiagenético, sistema cerrado, domina compactación química, regimen termobárico de fluidos.
5. Anquimetamorfismo6. Telodiagénesis, procesos de
decementación y desarrollo de porosidad secundaria frecuentes
ETAPAS DE LA DIAGÉNESIS: según Pettijohn, Potter y Siever (1987)
Redoxomórfica (inicial, depositación)Oxido Reducción de Fe, S, O y Materia Orgánica
Locomórfica (soterramiento temprano)Cementación por precipitación de fluidos en los poros:Sílice, Carbonato, Óxidos de hierro, Sulfuros y Cloruros
Filomórfica (soterramiento final)Ligeros Rasgos de Orientación de granosPerdida total de PorosidadGeneración minerales de micas y arcilla producto de neomorfismos
EpidiagénesisGeneración de Porosidad Secundaria Se produce en la etapa final del estadio diagenético o interrumpirloFracturamiento, Deshidratación, formación de minerales autigénicos
Redoxomórfica (inicial, depositación)Oxido Reducción de Fe, S, O y Materia Orgánica
Locomórfica (soterramiento temprano)Cementación por precipitación de fluidos en los poros:Sílice, Carbonato, Óxidos de hierro, Sulfuros y Cloruros
Filomórfica (soterramiento final)Ligeros Rasgos de Orientación de granosPerdida total de PorosidadGeneración minerales de micas y arcilla producto de neomorfismos
EpidiagénesisGeneración de Porosidad Secundaria Se produce en la etapa final del estadio diagenético o interrumpirloFracturamiento, Deshidratación, formación de minerales autigénicos
Dapples (1967)Dapples (1967)
Estadios diagenéticos y % de capas de Illita en los interestratificados (I/S)
(Foscolos, 1976)
DIAGÉNESIS DE MINERALES DE ARCILLAS
Métodos de estudio
Análisis petrográfico de secciones finas
Análisis por difracción de rayos X
Análisis a través de microscopia electrónica (SEM
y EDAX)
Análisis a través de cátodo luminiscencia
Análisis isotópicos (O, C, Sr, K y Ar)
CambiosCambios Factores Factores actuantesactuantes
Procesos Procesos diagenéticos diagenéticos
asociadosasociados
FísicosFísicosPresión litostáticaPresión litostática CompactaciónCompactación
QuímicosQuímicos Temperatura, Presión, Temperatura, Presión, pH, Eh, absorción iónica pH, Eh, absorción iónica
CementaciónCementaciónDisoluciónDisoluciónReemplazoReemplazoAlteraciónAlteración
RecristalizaciónRecristalización
Físicos-QuímicosFísicos-Químicos Combinación de los Combinación de los anterioresanteriores
Presión-SoluciónPresión-SoluciónAumento Aumento
empaquetamientoempaquetamiento
BiológicosBiológicos Actividades múltiples Actividades múltiples (horadaciones)(horadaciones)
Perdida de textura o Perdida de textura o creación de porosidadcreación de porosidad
Resumiendo…
Conjuntos mineralógicos
detríticos y químicos
Aguas intersticiales
someras
Profundidad y velocidad de soterramiento
P y T
Gradiente geotérmico
Tiempo
Movimientos oscilatorios
Materiales orgánicos, silicatados, óxidos,
carbonatos, estables e inestables, primarios y secundarios
Aguas meteóricas o marinas modificadas
por reacciones mineralógicas o
actividad biológica
Desde 1-10 km, 1-100m/106 años:Presiones litoestáticas de 1 bar a
2 kbarPresiones de fluidos de 1 bar a
0,7 kbarTemperaturas entre 10°C a 300°C
Bajo: 30°C/kmAlto: 70°C/km
Desde cuencas con rápida subsidencia
hasta puntos calientes ígneos y metamórficos
Total: 104 – 109 añosSedimentación activa:
104 – 109 años
Movimientos verticales y
horizontales en zonas de
divergencia y convergencia
VARIABLES DIAGÉNETICAS. Tomado y modificado de Sievers (1979)Diagénesis= f(x)
DIAGÉNESIS DE CONGLOMERADOSDepende de la composición del material intersticial, sea arenoso o lutitico.
Los ortoconglomerados tienen los siguientes efectos diagenéticos comunes:
Deformación de los clastos inestablesDisolución de clastos inestablesContactos directos grano-granoPresión soluciónCementación
Los paraconglomerados:
Matriz de minerales de arcillas (sericita, clorita, etc)Cementación de calcita, dolomita, siderita y cuarzoDeformación de los clastos inestablesDisolución de clastos inestables
DIAGÉNESIS DE ARENISCAS
Areniscas feldespáticas:
Sobrecrecimiento de feldespatoAlbitización de feldespato potásico y plagioclasa cálcicaCuarcificación de feldespato potásico y plagioclasasGeneración de hematinaDisolución de feldespatos existentesReemplazamiento de feldespatos potásicos por calcita o dolomita
Areniscas líticas: Alteración de minerales y fragmentos inestablesDeformación de minerales y fragmentos dúctilesFormación de envoltorios de minerales de arcillasDisolución de algunos fragmentos de rocas y otros minerales inestablesSobrecrecimientos de cuarzo y feldespatoCementación carbonática
DIAGÉNESIS DE ARENISCAS
Areniscas cuarzosas:
Sobrecrecimiento de cuarzoPresión – SoluciónCementación de carbonatos, de minerales de arcillas autigénicosConversión de la esmectita o alternancia ilita/esmectita a ilita puraDisolución de feldespatos existentesCaolinitización de feldespatos
Wacas:
Alteración de minerales y fragmentos inestablesDisolución de matrizCementación carbonática
DIAGÉNESIS DE LUTITAS
Cambios mineralógicos de las arcillasAlteración de esmectita a ilita y clorita con etapas intermedias mixtasAlteración de caolinita a cloritaPrecipitación de minerales diagenéticos (yeso, anhidrita, halita, óxidos de hierro)Presencia de estructuras diagenéticas (concreciones, nódulod, etc.)Posible generación de carbón
La evolución diagenética deja una serie de texturas diagenéticas y
unas mineralogías cementantes.
La secuencia de cementación permite establecer la historia
evolutiva postdeposicional.
Cada ambiente deposicional ejerce una fuerte influencia sobre la
cementación temprana, relacionando las facies sedimentarias y la
secuencia de cementos autigénicos.
Las secuencias paragenéticas pueden evolucionar dependiendo de
las condiciones de diagénesis profunda (subsidencia, esfuerzos
tectónicos) a que se vean sometidas las cuencas en que se
formaron.
ETAPAS DIAGENETICAS