Die Sandsteindiagenese im Spiegel der neueren Literatur

Zusammenfassung

In Sandsteinen wird die Porositätsabnahme mit der Tiefe vor allem von Temperatur, Druck, Zeitdauer, Korngröße und der jeweiligen Zusammensetzung von Sediment und Porenwasser bestimmt. In Grauwacken verlaufen Porositätsabnahme und chemische Diagenese anders (schnellere Kompaktion, weniger Zementation) als in matrixarmen Sandsteinen, für welche ein übersichtsdiagramm gegeben wird (Abb. 1). In Sandsteinen mit lagenweise wechselnder Korngröße bevorzugen Quarz, Feldspäte und Tonminerale meistens die feineren, Karbonate und Sulfate die gröberen Partien (oft mit poikilitischem Gefüge): Letztere Zemente kamen meist später, aus unterlagernden Serien und fanden keine Keime der gleichen Mineralart vor. Während in frühen Diagenesestadien ein Einfluß des Ablagerungsmilieus noch erkennbar sein kann, werden die Porenwässer später zunehmend vom Milieu unterlagernder Schichten und von Reaktionen mit der Festsubstanz geprägt. Der großen Verbreitung von Quarzzement entspricht eine große Zahl verschiedenartiger Quellen. Diffusion spielt dabei eine wichtige Rolle, doch erfordert die weitverbreitete Auflösung von Quarz in Siltsteinen darüber hinaus einen Transport durch den Kompaktionsstrom.

Manche Zemente werden mit zunehmender Diagenese instabil und gehen mit kleinen Verdrängungsschritten in Zemente der gleichen Mineralart, aber veränderter Zusammensetzung über. Beispiele sind Magnesiumcalcit — Calcit (in Karbonatgesteinen), Smectit-Mixed Layer — 1 Md Illit — 2 M Illit, Fe-reicher Ib Chlorit — Mg-reicher IIb Chlorit. Sekundäre Porosität durch Auflösung von Karbonatzement („Dezementation“) und von Karbonat- und Silikatkörnern kommt nicht nur in der Verwitterungszone, sondern auch in Tiefen von einigen tausend Metern vor und zeigt sich durch eine Porositätserhöhung und manchmal durch charakteristische Gefüge im Dünnschliff (Abb. 8). Verursacht wird sie wahrscheinlich durch CO₂, welches bei der Reifung von Kerogen frei wird und mit dem bei der Diagenese des Smectits abgespalteten Wasser in die Sandsteine gelangt, gefolgt von Kohlenwasserstoffen.

In vielen Sandsteinen erkennt man eine Abscheidungs-Reihenfolge von Zementen zunehmender Löslichkeit: Alumosilikate — Quarz — Karbonate und Sulfate — Steinsalz. Sie entspricht einer während der Diagenese zunehmenden Ionenstärke des Porenwassers. Abweichungen von dieser Reihenfolge gestatten es, die Besonderheiten einer Reihe von Diagenese-Vorkommen zu verstehen. Die größten Abweichungen zeigen sich bei manchen instabilen Sandsteinen (Grauwacken) an aktiven Plattengrenzen.

Summary

The porosity decrease with depth in sandstones is mainly controlled by temperature, pressure, time, grain size, and the actual composition of sediment and interstitial water. Higher compaction rates and less cementation characterize greywackes compared with matrix-poor sandstones, for which a general diagram of diagenesis with depth is presented in fig. 1. Quartz, feldspar, and clay mineral cements are found preferably in fine-grained layers of sandstones, carbonate and sulphate cements in coarse-grained layers. Whereas the first-mentioned minerals are attracted by the numerous nuclei in fine-grained sandstones, the coarse layers are left for the others, which because of the lack in carbonate and sulphate nuclei, frequently form large, poikilitic crystals surrounding the sand grains. The depositional environment may influence the first cement generations, whereas the environment of underlying strata and reactions with the solid matter are effective in later stages. Quartz, the most important cement, has many different sources. Though diffusion is an important mechanism of SiO₂ distribution, the dissolution of quartz grains in many siltstone sequences requires an additional transport by the compaction stream.

Several cement minerals become unstable with increasing depth and are step-by-step replaced by the same species, however with changed composition. Examples are magnesian calcite — calcite (in limestones), smectite — mixed layer minerals — 1 Md illite — 2 Millite, and iron-rich Ib chlorite — magnesium-rich IIb chlorite. Secondary porosity by dissolution of carbonate cement (“decementation≓) and of carbonate and silicate grains occurs not only under weathering conditions but also in the deep subsurface and may be recognized by porosity increase and characteristic thin section fabrics (fig. 8). It is presumably caused by CO₂ generated during the maturation of kerogene and transported by the water resulting from the dewatering of smectite.

In many sandstones a time-sequence of cements with increasing solubility is developed: alumo silicates — quartz — carbonates and sulphates — halite, corresponding to the increasing ionic strength of the interstitial water. Deviations from this sequence lead to the understanding of the peculiarities of a number of case histories. The most significant deviations occur in unstable sandstones (greywackes) near active plate margins.

Résumé

Dans les grès la diminution de la porosité avec la profondeur est déterminée avant tout par la température, la pression, la durée, la granularité et la composition du sédiment et de l'eau intergranulaire. Dans les grauwackes, la diminution de la porosité et la diagenèse chimique se déroulent différemment (compaction plus rapide, moindre cimentation) que dans les grès pauvres en matrice, pour lesquels un diagramme d'ensemble est donné (fig. 1). Dans les grès rubanés à granularité changeante suivant les couches, le quartz, les feldspaths et les minéraux argileux se trouvent de préférence dans les parties fines, les carbonates et les sulfates dans les parties plus grossières (souvent avec structure poecilitique): ces derniers ciments sont le plus souvent venus plus tardivement à partir des séries sous-jacents, et ne se trouvent pas en présence de germes de la mÊme espèce minérale. Tandis que dans le cas de la diagenèse hâtive, on peut reconnaÎtre l'influence du milieu de dépÔt, viendront plus tard des eaux intersticielles davantage influencées par le milieu des couches sous-jacentes et par des réactions avec les substances solides. A la grande extension du ciment quartz correspond un grand nombre de sources différentes. La diffusion y joue un rÔle important, quoique cependant la mise en solution du quartz à grande échelle dans les roches silteuses entraÎne un transfert par le courant de compaction.

Certains ciments deviennent instables au fur et à mesure de la progression de la diagenèse et passent par une lente pénétration à des ciments de la mÊme espèce minérale, mais avec une autre composition. Par exemple, calcite magnésienne-calcite (dans les roches carbonatées), smectite-couches mixtes-Illite 1 Md — Illite 2 M; chlorite 1 b plus riche en Fe-chlorite-II b plus riche en Mg. Une porosité secondaire due à la dissolution du ciment carbonaté (décémentation) et de grains de carbonate et de silicate ne se produit pas seulement dans la zone d'altération atmosphérique, mais aussi dans des profondeurs de quelques milliers de mètres elle se montre par une augmentation de la porosité et parfois par une texture caractéristique en lame mince (fig. 8). La cause probable en est le CO₂, libéré par la maturation du kérogène, parvenu dans les grès grâce à l'eau provenant de la smectite durant la diagenèse, et suivi par des hydrocarbures.

Dans beaucoup de grès on reconnaÎt une gamme de précipitations de ciments de solubilité croissante: aluminosilicates-quartz-carbonates et sulfates-sel. Elle correspond à une croissance de la force ionique de l'eau intersticielle pendant la diagenèse. Il se produit des déviations à partir de cette gamme, qui permettent de comprendre une série d'occurrences diagénétiques. Les plus grandes déviations se montrent dans certains grès (grauwackes) instables à »active plate margins«.

кРАткОЕ сОДЕРжАНИЕ

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