Zementbildung

1
Zementbildung
Wiebke Wollenweber
Nicole Miosga
Beatrix Heller
Meike Fischer
Julia Riegel
Patrick Kunath
Anna Wittenborn
2
Gliederung
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
Definitionen und Unterschied zur Matrix
Quarz-Zemente
Carbonat-Zemente
Feldspat-Zemente
Tonmineral-Zemente
Zeolith-Zemente
Phosphat-Zemente
Sulfat- und Sulfid-Zemente
Eisen-Zemente
3
Definition: Zementation/Zement
• Zementation:
Ausfällung oder Zusatz von
neuen Mineral-Zementen und
Sedimentpartikeln. (Grotzinger
und Jordan, 2010, S.129)
• Zement:
Verfüllung des Hohlraums
zwischen Sedimentpartikeln
(Füchtbauer, 1988, S. 158)
durch eine authigene
Mineralbildung, welche durch
Diagenese (P-/T-Erhöhung)
induziert wird.
Grotzinger und Jordan, 2010,
S.130
4
Zement und Matrix
• Gemeinsamkeit:
Merkmal
Zement
Matrix
Bildungszeit
post-sedimentär,
authigen
synsedimentär, vor der
Diagenese
Bildungsort
Hohlraum/ Poren
schlecht sortiertes
Sediment, dicht
Bildungsmerkm
ale
Partikel (oft
mehrphasig)
gesäumte aus
Mineralum- und neubildung
Partikel schwimmen in
feinem grauen
Schlamm, der
verfestigt wird
Gefüge
überwiegend
Komponentengestützt
überwiegend Matrixgestützt
Partikelrelikte
fehlen im Zement
vorhanden
Kristallgrenzen
oft gerade
-
Kristallgrößen
kleine Poren:
einheitlich; große
Poren: innen gröber
sehr feinkörnig
(pelitisch)
Besonderheiten
geopetale Gefüge
“Paläo-Wasserwaage”
Sammelkristallisations
-erscheinungen
▫ Grundmasse des Sedimentgesteins
• Unterschied:
▫ Matrix: feines sedimentäres Material
▫ Zement: kristallines Material
• Problem: Unterscheidung
zwischen Matrix und Zement
kann durch
Sammelkristallisation der
Matrix erschwert sein
(Füchtbauer, 1988, S.376)
Verändert nach Füchtbauer,
1988, S.376 (und z.T. nach
Stauffer, 1962)
5
Bildung von Zementen
-Quarzvon Beatrix Heller
6
Quarz-Zemente
Miozäne Probe, Quarz- und Chertkörner
A+B: gut sichtbare Anwachssäume
C+E.: kleine Anwachssäume
D: Chertkorn ohne Anwachssäume
McBride 1989 (Earth Science Reviews,
v.26)
B: SEM-CL Aufnahme
C: modellierte
Wachstumstemperaturen
Harwood, 2013 (JSR , v.83)
7
Quarz-Lösung an Styloliten
Alternative Si-Quellen:
•Rekristallisierung biogenen Siliziums
•Feldspat-Lösung
•Umwandlung SmektitÆIllit in
Tonsteinen
Oelkers et al, 1996
(American Journal of
Science)
8
Bildung von Zementen
-Carbonatvon Nicole Miosga
9
Dolomit Tucker, 1990
Aragonit Tucker, 1990
Kalzit Elbracht, 2002
•
•
•
•
•
High-Mg Kalzit Tucker, 1990
Aragonit (CaCo3)
Kalzit (CaCO3)
High/Low Mg Kalzit
Dolomit (MgCa(CO3)2)
Siderit (FeCO3)
• (nach Burley; Worden,
2003) Seite 11
Siderit
Felder,
2002
10
• Marin: Aragonit, High Mg Kalzit
• Meteorisch. Low Mg Kalzit
•
Tucker, 1996
• meteorisch, vados (Süßwasser,
wasserungesättigte Zone)
• meteorisch, phreatisch (Süßwasser,
wassergesättigte Zone)
• meteorisch-marine Mischzone,
phreatisch
(Brackwasser, wassergesättigte Zone),
• marin, phreatisch (Salzwasser,
wassergesättigte Zone)
• marin, vados (Salzwasser,
Spritzwasserzone
Tucker, 1996
Elbracht, 2002
Tucker, 1996
11
• Differenzierung nach
Sandsteinen und
Kalkareniten, sowie
nach früh und spät
Diagenese sowie
offenen und
geschlossenen
Systemen
(nach Einsele, 2000)
Einsele, 2000
12
Dolomitisierung
• Ca2+ + Mg2+ + 2(CO32-) ↔
CaMg(CO3)2
• 2CaCO3 + Mg2+↔
CaMg(CO3)2+ Ca2+
• CaCO3 + Mg2+ + CO32↔CaMg(CO3)2
Tucker,
1996
13
Steuernde Faktoren
•Abhängigkeit vom
Ablagerungsmilieu und
dem Sedimenttypen
•Einsele, 2000
•Salinität
•Gelöste Komponenten
•Druck
•Temperatur
•Zeit
Tucker,
1996
Tucker,
1996
Tucker,
1996
14
Bildung von Zementen
-Feldspatvon Meike Fischer
15
Vorkommen von Feldspat-Zementen
• Auftreten im Bereich der:
▫ Hochdiagenese
▫ schwachen Metamorphose
(Füchtbauer, 1988, S.167)
x Übergang ist fließend
x abhängig von der
Gesteinszusammensetzung
(Okrusch und Matthes, 2009, S.
382)
• Frühe Zemente spiegeln das
Ablagerungsmilieu wider; Tendenz:
▫ KalifeldspatÆ kontinental, arid
(Füchtbauer, 1974; Houareau,
1974; Waugh, 1978)
▫ Albit Æ marin (Almon et al., 1976)
Druck-Temperatur-Diagramm:
Abgrenzung von Diagenese und
Metamorphose (Okrusch und
Matthes, 2009, S.382)
16
Feldspat bei diagenetischen Prozessen
• 1) Verdrängung von
Feldspat:
x Bsp.:
x 4KAlSi3O8+ 4H2OÆ
Al4(OH)8Si4O10+
2K2O+8SiO2
▫ ÆQuarz-Zementation
(Bjorlykke, 1979)
• 2) Albitisierung
• 3) Feldspatneubildung
Anzeichen für Kornauflösung
(SEM). A) Feldspat; Skala:
10µm (Land et al., 1986)
17
Feldspat bei diagenetischen Prozessen
• 1) Verdrängung von Feldspat
• 2) Albitisierung
▫ Feldspat (Sanidin,
Orthoklas) und Plagioklas
durch ALBIT verdrängt
x KAlSi3O8 + Na+ Æ
NaAlSi3O8+K+
(Land und Milliken, 1981)
• 3) Feldspatneubildung
Albitisierung bringt texturelle
Veränderungen mit sich im
Plagioklas (Gold, 1984); Skala:
40µm (Land et al., 1986).
18
Feldspat bei diagenetischen Prozessen
• 1) Verdrängung von Feldspat
• 2) Albitisierung
• 3) Feldspatneubildung
▫ Nur reine FeldspatEndglieder
x Grund: Mischungslücke im
ternären Feldspatsystem
▫ Häufig in Karbonatgestein
(Füchtbauer, 1988, S.422)
Authigene Kalifeldspäte (rechteckige bis
rautenförmige Form) im Lösungsrückstand
eines Zechstein-Karbonatgesteins. Skala:
Breite=0,39mm (Füchtbauer, 1988, S.422)
19
Feldspat bei diagenetischen Prozessen
1. Zement: Albit‐Anwachssaum um Orthoklas. 2. Zement: Anhydrit. Skala: schmale Seite: 0,37mm (Füchtbauer, 1988, S.167).
20
Bildung von Zementen
-Tonmineralevon Nicole Miosga
21
Tonminerale
• Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4)
• Illit (KAL3Si3O10(OH)2)
• Chlorit (Fe-MG)5Al2Si3O10(OH)8)
Burley, Wordon, 2003
Zaid, 2013
Higgins et al. 2014
Higgins et al. 2014
22
Pettijohn et al. 1987
Einsele, 2000
23
Bildung von Zementen
-Zeolithvon Julia Riegel
24
Mineralogie Zeolith
• Gerüstsilikate
• niedrige Dichte 2,1 bis 2,2 g/cm^3
• niedrige Licht- und Doppelbrechung
• Bsp. für Zeolithvariationen:
-Analcim
-Heulandit
-Laumonit
Na AlSi2O6*H2O
(Ca,Na2) Al2Si2O18*6H2O
Ca Al2Si4O12*4H2O
T < 70 °C
T < 110 °C
T < 150 °C
25
Vorkommen von Zeolithen
• niedriggradigen metamorphen Gesteinen
• lithischen Sedimenten (Bruchstücke von
vulkanischen Gläsern)
• Alteration bei pH–Wert 7 bis 10 (basisch)
Ablagerungsmilieu:
-saline alkalische Seen
-offene und oberflächennahe hydrologische Systeme
-Böden
-Bereiche mit hohem Wärmefluss
-und/oder Regionen mit vulkanischer Aktivität
26
Entstehung von Zeolith-Zement
Prozesse und Faktoren
Oberflächennah:
• vulkanisches Glas kontaktiert
alkalische Wässer
• Entstehung von Tonmineralen
(Alteration)
Tiefere Bereiche:
• Tonminerale alterieren zu Zeolithen
• Zeolith-Zement verfüllt
intergranulare Porenräume
(Chemismus der Porenwässer,
Temperatur, Druck und Kationen
bestimmen Art des Zeoliths.)
Clinoptilolith – Analcime –
Heulandin - Laumonit
Abb.1: Vergleich der Kristallstrukturen von
links: Heulandin (x500)
rechts: Analcim (x 900) (Zhu S F, et al.,2012)
27
Merkmale Zeolith
(Bsp. Heulandit)
• dreieckige Struktur
• unebene Ränder
• meistens treten Zeolithe
zusammen mit Carbonaten,
Tonmineralen, Albit und
Quarz auf.
Abb.2: Hellen dreieckigen Kristalle stellen den Heulandit dar. Die
Pfeile weisen auf die “krustigen“ Ränder der Heulanditkristalle.
Die Breite von Bild (a) entspricht 1,3mm, von (b,c und d)
0,32mm.
(Chigira and Sone., 1991)
28
Bildung von Zementen
-Phosphatvon Patrick Kunath
29
Vorkommen von Phosphat-Zementen
• feinkörniges Sediment (marin)
• Bspw.: Turbidite (nach R. D. A. Smith, 1987)
Kalkriffe (K. P. Krajewski, 1984)
• Æ ist ein früh diagenetisches marines Phänomen
30
Entstehung
• Hohe Phosphatkonzentration im Sediment nötig
• Die Entstehung dieser erhöhten Konzentration ist
noch nicht vollends geklärt
• In allen Fällen ist organisches Material als
Phosphatquelle nötig
31
Entstehungshypothesen
1) Aufkonzentrieren des Phosphates durch Bakterien
zwischen der oxischen und anoxischen
Wasserschicht
2) Absorption des Phosphates oberhalb des
Sediments durch anoxisches Porenwasser von
Eisen- und Mangan-oxyhydroxiden
Potentielle Entstehung von PhosphatZementen, verändert nach R. D. A.
Smith, 1987
32
Feinkörnige Turbiditlagen
• In den obersten Schichten gibt es
Phosphatanreicherung und Ausfällung kurz nach
entstehen der Schichten, noch vor der
Verfestigung des Sediments
• Der Zement besteht hauptsächlich aus
Apatitkristallen (füllt Poren und Rissränder)
re = rim envelopes
cl = cluster cement
rc = rim cement
sm = coral septum
cm = calcite cement
Phosphate cement fabrics within
grainstone that infills coral skeleton, verändert nach K. P.
Krajewski, 1984
33
Kalkriffe
• Mikroorganismen zuständig
für die Anreicherung und
Ausfällung von Phosphat
• Fossile Cyanobakterien im
Zement
• Æ Phosphat-Zement
Zementformen, verändert nach K. P. Krajewski,
1984
34
Kalkriffe
Complex infilling of the Puzosia with
phosphatic wackestone, phosphate
cement fabrics, and void-filling calcite
cement. (A) Thin section photograph: (B)
Drawing from thin section.
Verändert nach K. P. Krajewski, 1984
35
Bildung von Zementen
-Sulfate und Sulfidevon Wiebke Wollenweber
Gips
CaSO4*H20
Anhydrit
CaSO4
Baryt
BaSO4
______________________
Pyrit
Markasit
FeS2 (kubisch)
FeS2 (orthorhomb.)
36
Beispiel aus dem Rotliegenden
37
Anhydrit-Zemente im Persischen Golf
Fig. 5. Hypersaline and meteoric diagenetic zones distinguished from core and thin-section analyses. In
the hypersaline zone, which coincides with the peritidal and closed lagoon facies, dolomitization, anhydrite
cementation and nodule formation occur (plates A and B). Meteoric diagenetic features, which occur in
open lagoon, shoal and offshoal facies, include aragonite stabilization, calcite cementation, dissolution and
neomorphic processes (plates C and D).
Rahimpour-Bonab 2010
38
Bedingungen für Anhydrit- und Baryt-Zemente:
-hypersalinares Milieu oder Sulfat-angereicherte Fluide
-50-125°C
-mäßige Tiefen
39
40
Bildung von Zementen
-Eisenoxidevon Anna Wittenborn
41
Nielsen et al., 2014
42
Nielsen et al., 2014
43
Chemismus
hematite
2Fe2+(aq) + 0,5 O2(g) + 2H2O(l) = Fe2O3(s) + 4H+(aq)
goethite
2Fe2+(aq) + 0,5 O2(g) + 3H2O(l) = 2FeO(OH)(s) +
4H+(aq)
dehydration of goethite
2FeO(OH)(s) = Fe2O3(s) + H2O(l)
44
Progressive Zementation
Nielsen et al., 2014
45
Entstehung von Fe-reichen Horizonten
Nielsen et al., 2014
46
Herzlichen Dank für die
Aufmerksamkeit.
47
Quellen
Quarz:
• BJØRLYKKE, K., AND EGEBERG, P.K., 1993, Quartz cementation in sedimentary basins: American Association of
Petroleum Geologists, Bulletin, v. 77, p. 1538–1548.
• Harwood, J., 2013, Quartz Cementation History of Sandstones Revealed By High-Resolution Sims Oxygen Isotope
Analysis: Journal of Sedimentary Research, v.83(7), p.522-530
• McBride, E.F., 1989. Quartz cement in sandstones: a review. Earth-Sci. Rev., 26: 69-112.
• OELKERS, E.H., BJØRKUM, P.A., AND MURPHY, W.M., 1996, A petrographic and computational investigation of quartz
cementation and porosity reduction in North Sea sandstones: American Journal of Science, v. 296, p. 420–452.
Carbonat:
• Tucker, M. E., Wright, V. P., 1996. Carbonate Sedimentology, Blackwell Sience, S. 317, 320, 339, 366, 368
• Einsele, G., Sedimentary Basins,2000. Evolution, Facies, and Sediment Budget, Springer, 2. Auflage, S. 680
• Felder, M., 2002. Paläolimnologische Untersuchungen zu Siderit- und Aragonitbildung in schwarzpelitdominierten,
paläogenen Seen Mitteleuropas, Jena, Univ., Diss., Anhang A, Tafel 11
• Elbracht, J., 2002 Karbonatische Zementation pleistozäner Lockersedimente NW-Deutschlands, Hannover, Univ., Diss.,
S.30
Feldspat:
• Zaid, M. S., 2013. Provenance, diagenesis, tectonic setting and reservoir quality of the sandstones of the Kareem
Formation, Gulf of Suez, Egypt, Journal of African Earth Sciences 85 (2013) 31–52, S.40
• Higgs, K.E., Haese, R. R., Golding, S. D., Schacht, U., Watson, M. N., 2014. The Pretty Hill Formation as a natural
analogue for CO2 storage: An investigation of mineralogical and isotopic changes associated with sandstones exposed to
low, intermediate and high CO2 concentrations over geological time, Chemical Geology 399 (2015) 36–64, S. 52, 57
• Beurley, S. D., Worden, R. H., 2003. Sandstone Diagenesis, Recent and Ancient, Blackwell Publishing, 4. Auflage, S.12
• Einsele, G., Sedimentary Basins,2000. Evolution, Facies, and Sediment Budget, Springer, 2. Auflage, S. 698
• Pettijohn, F. J., Potter, P. E., Siever, R. 1987. Sand and Sandstones, Springer, 2. Auflage, S.458
48
Quellen
Feldspat:
• Füchtbauer, H., 1988. Sediment-Petrologie, Teil 2: Sedimente und Sedimentgesteine, Schweizerbart, 4. Auflage. S.165, 167f,
174f, 177f, 376, 421ff.
• Okrusch, M. und Matthes, S., 2009. Mineralogie. Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und
Lagerstättenkunde (8.Auflage). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. S.164ff, 382.
• Land, L. S., Milliken, K. M., McBride, E. F., 1986. Diagenetic evolution of cenozoic sandstones, Gulf of Mexico sedimentary
basins. Sedim. Geol., 50. 195-225.
• Land, L. S., Milliken, K. M., 1981. Feldspar diagenesis in the Frio Formation, Brazoria County, Texas Gulf Coast. GEOLOGY,
9. 314-318.
• Grotzinger, J., Jordan, T., 2010. Understanding Earth (6. Auflage). W. H. Freeman and Company, New York. S.129f
Tonminerale:
• Zaid, M. S., 2013. Provenance, diagenesis, tectonic setting and reservoir quality of the sandstones of the Kareem Formation,
Gulf of Suez, Egypt, Journal of African Earth Sciences 85 (2013) 31–52, S.40
• Higgs, K.E., Haese, R. R., Golding, S. D., Schacht, U., Watson, M. N., 2014. The Pretty Hill Formation as a natural analogue
for CO2 storage: An investigation of mineralogical and isotopic changes associated with sandstones exposed to low,
intermediate and high CO2 concentrations over geological time, Chemical Geology 399 (2015) 36–64, S. 52, 57
• Beurley, S. D., Worden, R. H., 2003. Sandstone Diagenesis, Recent and Ancient, Blackwell Publishing, 4. Auflage, S.12
• Einsele, G., Sedimentary Basins,2000. Evolution, Facies, and Sediment Budget, Springer, 2. Auflage, S. 698
• Pettijohn, F. J., Potter, P. E., Siever, R. 1987. Sand and Sandstones, Springer, 2. Auflage, S.458
Zeolithe:
• Chigira, M.,Sone, K.,1991. Chemical weathering mechanisms and their effects on engineeing properties of soft sandstone and
conglomerate cemented by zeolite in mountainous area. Eng. Geol.,30: 195-219
• Fernandez, R., Mäder, U.,2009.Alteration of compacted bentonite by diffusion of highly alkaline
solutions.Eur.J.Mineral.,21:725-735
• Zhu, S. F., Zhu, X. M., Wang, X. L., et al.,2012. Zeolite diagenesis and its control on petroleum reservoir quality of Permian
in northwestern margin of Junggar Basin, China. Sci China Earth Sci, 2012, 55: 386–396.
49
Quellen
Phosphate:
• Krajewski, K. P. (1984), Early diagenetic phosphate cements in the Albian condensed glauconitic
limestone of the Tatra Mountains, Western Carpathians Sedimentology Volume 31, Issue 4, pages 443–
470, August 1984
• Smith, R. D. A., Early diagenetic phosphate cements in a turbidite basin Geological Society, London,
Special Publications 1987, v. 36, p. 141-156
Sulfate:
•
Al Agha M.R., Burley S.D., Curtis C.D., Esson, J. (1995): Complex cementation textures and authigenic mineral
assemblages in Recent concretions from the Lincolnshire Wash (east coast, UK) driven by Fe (0) to Fe (II) oxidation.
Journal of the Geological Society, London, Vol. 152, Seite 157-171.
• Rahimpour-Bonab H., Esrafili-Dizaji B., Tavakoli V. (2010): Dolomitization and Anhydrite Precipitation in Permo-Triassic
Carbonates at the South Pars Gasfield, Offshore Iran: Controls on Reservoir Quality. Journal of Petroleum Geology, Vol.
33 (I), Seite 43-66.
• McNeil B., Shaw H.F., Rankin A.H. (1998): The Timing of Cementation in the Rotliegend Sandstones of the Southern North
Sea: A Petrological and Fluid Inclusion Study of Cements. Journal of Petroleum Geology, Vol. 21 (3), Seite 311-328.
• Gluyas J., Jolley L., Primmer T. (1997): Element mobility during diagenesis: sulphate cementation of Rotliegend
sandstones, Southern North Sea. Marine and Petroleum Geology, Vol 14 (7/8), Seite 1001-1011.
• Lorenz G.D. (2002): Diagenese der känozoischen Sedimente des Oberrheingrabens als Hinweis der tertiären
Fluidentwicklung. Dissertation Ruprecht-Karls- Universität zu Heidelberg.
Sulfide:
• Berner R.A. (1984): Sedimentary pyrite formation: An update. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol 48, Seite 605-615.
• Jinliang Z, Ying J., Guilin D. (2007): Diagenesis and Its Effect on Reservoir Quality of Silurian Sandstones, Tabei Area,
Tarim Basin, China. Petroleum Science, Vol. 4 (3).
• Kirkland D.W., Denison R.E, Rooney M.A. (1995): Diagenetic alteration of Permian strata at oilfields of south central
Oklahoma, USA. Marine and Petroleum Geology, Vol. 12 (6), Seite 629-644.
Eisen:
• Nielsen, G.B., Chan, M.A., and Bowen, B.B. (2014): IRON-RICH HORIZONS IN THE JURASSIC NAVAJO SANDSTONE,
SOUTHWESTERN UTAH: PROGRESSIVE CEMENTATION AND PERMEABILITY INVERSION. UGA Publication 43 (
2014)