Zementbildung. Wiebke Wollenweber Nicole Miosga Beatrix Heller Meike Fischer Julia Riegel Patrick Kunath Anna Wittenborn

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1 1 Zementbildung Wiebke Wollenweber Nicole Miosga Beatrix Heller Meike Fischer Julia Riegel Patrick Kunath Anna Wittenborn

2 2 Gliederung 1) Definitionen und Unterschied zur Matrix 2) Quarz-Zemente 3) Carbonat-Zemente 4) Feldspat-Zemente 5) Tonmineral-Zemente 6) Zeolith-Zemente 7) Phosphat-Zemente 8) Sulfat- und Sulfid-Zemente 9) Eisen-Zemente

3 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 4 Zement und Matrix Gemeinsamkeit: 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) Merkmal Zement Matrix Bildungszeit post-sedimentär, authigen synsedimentär, vor der Diagenese Bildungsort Hohlraum/ Poren schlecht sortiertes Sediment, dicht Bildungsmerkm ale Gefüge Partikel (oft mehrphasig) gesäumte aus Mineralum- und - neubildung überwiegend Komponentengestützt Partikel schwimmen in feinem grauen Schlamm, der verfestigt wird überwiegend Matrixgestützt Partikelrelikte fehlen im Zement vorhanden Kristallgrenzen oft gerade - Kristallgrößen kleine Poren: einheitlich; große Poren: innen gröber sehr feinkörnig (pelitisch) Verändert nach Füchtbauer, 1988, S.376 (und z.t. nach Stauffer, 1962) Besonderheiten geopetale Gefüge Paläo-Wasserwaage Sammelkristallisations -erscheinungen

5 5 Bildung von Zementen -Quarzvon Beatrix Heller

6 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 7 Quarz-Lösung an Styloliten Alternative Si-Quellen: Rekristallisierung biogenen Siliziums Feldspat-Lösung Umwandlung Smektit Illit in Tonsteinen Oelkers et al, 1996 (American Journal of Science)

8 8 Bildung von Zementen -Carbonatvon Nicole Miosga

9 Siderit Felder, Dolomit Tucker, 1990 Kalzit Elbracht, 2002 Aragonit Tucker, 1990 High-Mg Kalzit Tucker, 1990 Aragonit (CaCo 3 ) Kalzit (CaCO 3 ) High/Low Mg Kalzit Dolomit (MgCa(CO 3 ) 2 ) Siderit (FeCO3) (nach Burley; Worden, 2003) Seite 11

10 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 Elbracht, 2002 Tucker, 1996 Tucker, 1996

11 11 Differenzierung nach Sandsteinen und Kalkareniten, sowie nach früh und spät Diagenese sowie offenen und geschlossenen Systemen (nach Einsele, 2000) Einsele, 2000

12 12 Dolomitisierung Ca 2+ + Mg (CO 3 2- ) CaMg(CO 3 ) 2 2CaCO 3 + Mg 2+ CaMg(CO 3 ) 2 + Ca 2+ CaCO 3 + Mg 2+ + CO 3 2- CaMg(CO 3 ) 2 Tucker, 1996

13 13 Steuernde Faktoren Abhängigkeit vom Ablagerungsmilieu und dem Sedimenttypen Einsele, 2000 Salinität Gelöste Komponenten Druck Temperatur Zeit Tucker, 1996 Tucker, 1996 Tucker, 1996

14 14 Bildung von Zementen -Feldspatvon Meike Fischer

15 15 Vorkommen von Feldspat-Zementen Auftreten im Bereich der: Hochdiagenese schwachen Metamorphose (Füchtbauer, 1988, S.167) Übergang ist fließend abhängig von der Gesteinszusammensetzung (Okrusch und Matthes, 2009, S. 382) Frühe Zemente spiegeln das Ablagerungsmilieu wider; Tendenz: Kalifeldspat kontinental, arid (Füchtbauer, 1974; Houareau, 1974; Waugh, 1978) Albit marin (Almon et al., 1976) Druck-Temperatur-Diagramm: Abgrenzung von Diagenese und Metamorphose (Okrusch und Matthes, 2009, S.382)

16 16 Feldspat bei diagenetischen Prozessen 1) Verdrängung von Feldspat: Bsp.: 4KAlSi 3 O 8 + 4H 2 O Al 4 (OH) 8 Si 4 O K 2 O+8SiO 2 Quarz-Zementation (Bjorlykke, 1979) 2) Albitisierung 3) Feldspatneubildung Anzeichen für Kornauflösung (SEM). A) Feldspat; Skala: 10µm (Land et al., 1986)

17 Albitisierung bringt texturelle Veränderungen mit sich im Plagioklas (Gold, 1984); Skala: 40µm (Land et al., 1986). 17 Feldspat bei diagenetischen Prozessen 1) Verdrängung von Feldspat 2) Albitisierung Feldspat (Sanidin, Orthoklas) und Plagioklas durch ALBIT verdrängt KAlSi 3 O 8 + Na + NaAlSi 3 O 8 +K + (Land und Milliken, 1981) 3) Feldspatneubildung

18 18 Feldspat bei diagenetischen Prozessen 1) Verdrängung von Feldspat 2) Albitisierung 3) Feldspatneubildung Nur reine Feldspat- Endglieder 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 19 Feldspat bei diagenetischen Prozessen 1. Zement: Albit Anwachssaum um Orthoklas. 2. Zement: Anhydrit. Skala: schmale Seite: 0,37mm (Füchtbauer, 1988, S.167).

20 20 Bildung von Zementen -Tonmineralevon Nicole Miosga

21 21 Tonminerale Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4) Illit (KAL3Si3O10(OH)2) Chlorit (Fe-MG)5Al2Si3O10(OH)8) Burley, Wordon, 2003 Zaid, 2013 Higgins et al Higgins et al. 2014

22 22 Pettijohn et al Einsele, 2000

23 23 Bildung von Zementen -Zeolithvon Julia Riegel

24 24 Mineralogie Zeolith Gerüstsilikate niedrige Dichte 2,1 bis 2,2 g/cm^3 niedrige Licht- und Doppelbrechung Bsp. für Zeolithvariationen: -Analcim Na AlSi 2 O 6 *H 2 O T < 70 C -Heulandit (Ca,Na 2 ) Al 2 Si 2 O 18 *6H 2 O T < 110 C -Laumonit Ca Al 2 Si 4 O 12 *4H 2 O T < 150 C

25 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 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 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 28 Bildung von Zementen -Phosphatvon Patrick Kunath

29 29 Vorkommen von Phosphat-Zementen feinkörniges Sediment (marin) Bspw.: Turbidite (nach R. D. A. Smith, 1987) Kalkriffe (K. P. Krajewski, 1984) ist ein früh diagenetisches marines Phänomen

30 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 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 Phosphat- Zementen, verändert nach R. D. A. Smith, 1987

32 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 33 Kalkriffe Mikroorganismen zuständig für die Anreicherung und Ausfällung von Phosphat Fossile Cyanobakterien im Zement Phosphat-Zement Zementformen, verändert nach K. P. Krajewski, 1984

34 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 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 36

37 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 38 Bedingungen für Anhydrit- und Baryt-Zemente: -hypersalinares Milieu oder Sulfat-angereicherte Fluide C -mäßige Tiefen

39 39

40 40 Bildung von Zementen -Eisenoxidevon Anna Wittenborn

41 Nielsen et al.,

42 Nielsen et al.,

43 43 Chemismus hematite 2Fe 2+ (aq) + 0,5 O 2(g) + 2H 2 O (l) = Fe 2 O 3(s) + 4H+ (aq) goethite 2Fe 2+ (aq) + 0,5 O 2(g) + 3H 2 O (l) = 2FeO(OH) (s) + 4H + (aq) dehydration of goethite 2FeO(OH) (s) = Fe 2 O 3(s) + H 2 O (l)

44 44 Progressive Zementation Nielsen et al., 2014

45 45 Entstehung von Fe-reichen Horizonten Nielsen et al., 2014

46 46 Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit.

47 47 Quellen Quarz: BJØRLYKKE, K., AND EGEBERG, P.K., 1993, Quartz cementation in sedimentary basins: American Association of Petroleum Geologists, Bulletin, v. 77, p Harwood, J., 2013, Quartz Cementation History of Sandstones Revealed By High-Resolution Sims Oxygen Isotope Analysis: Journal of Sedimentary Research, v.83(7), p McBride, E.F., Quartz cement in sandstones: a review. Earth-Sci. Rev., 26: 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 Carbonat: Tucker, M. E., Wright, V. P., 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., 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., 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., 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., 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 Sand and Sandstones, Springer, 2. Auflage, S.458

48 48 Quellen Feldspat: Füchtbauer, H., Sediment-Petrologie, Teil 2: Sedimente und Sedimentgesteine, Schweizerbart, 4. Auflage. S.165, 167f, 174f, 177f, 376, 421ff. Okrusch, M. und Matthes, S., 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., Diagenetic evolution of cenozoic sandstones, Gulf of Mexico sedimentary basins. Sedim. Geol., Land, L. S., Milliken, K. M., Feldspar diagenesis in the Frio Formation, Brazoria County, Texas Gulf Coast. GEOLOGY, Grotzinger, J., Jordan, T., Understanding Earth (6. Auflage). W. H. Freeman and Company, New York. S.129f Tonminerale: Zaid, M. S., 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., 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., 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 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: Fernandez, R., Mäder, U.,2009.Alteration of compacted bentonite by diffusion of highly alkaline solutions.eur.j.mineral.,21: 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:

49 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 , August 1984 Smith, R. D. A., Early diagenetic phosphate cements in a turbidite basin Geological Society, London, Special Publications 1987, v. 36, p 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 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 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 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 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 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 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)