Burial Diagenesis in Gulf Coast Pelitic Sediments

Abstract

Subsurface samples of shales ranging in age from Pleistocene to Eocene obtained from five Gulf Coast oil wells were examined mineralogically and chemically to determine the nature and extent of burial diagenesis in pelitic sediments. Illite/montmorillonite dominates the mineralogy and undergoes a monotonic decrease in expandability from about 80 to a limit of 20 per cent montmorillonite layers with increasing depth. The interstratification changes from random to ordered at about 35 per cent expanded layers. Discrete illite and kaolinite phases are ubiquitous and judged detrital. The discrete illite (mica) content of the whole rock decreases with depth, while the kaolinite shows no systematic variation. Chlorite occurs in appreciable amounts in only one well and there only in samples from the shallow water facies. This chlorite is also considered detrital.

Whole rock chemical analyses show no systematic variation with depth except for a decrease in calcium and magnesium caused by solution of carbonate. In contrast, potassium increases progressively with depth in the clay-size fraction, indicating a redistribution of potassium within the rock. Detrital illite (mica) seems to break down with increasing depth, thereby supplying potassium for interlayer fixation in illite/montmorillonite as the proportion of illite layers increases. The diagenetic reaction is independent of the geologic age of the sediments and of stratigraphic boundaries. Temperature seems to be more important than pressure in governing the reaction.

Résumé

Des échantillons souterrains de schistes variant en âge du Pléistocène à l’Eocène, prélevés dans 5 puits de pétrole de la côte du golfe du Mexique ont été examinés minéralogiquement et chimiquement afin de déterminer l’étendue de la diagenèse “en terre” dans les sédiments pélitiques. L’illite/montmorillonite domine la minéralogie et subit une décroissance monotonique de l’expanda-bilité de 80 à 20% des couches de montmorillonite au fur et à mesure que la profondeur augmente. L’interstratification passe de hasardeuse à ordonnée à peu près aux couches étendues à 35%. De discrètes phases d’illite et de kaolinite sont présentes partout et considérées détritiques. Le contenu discret d’illite (mica) du roc diminue avec la profondeur, alors que celui de la kaolinite ne subit pas de variation. Le chlorite n’apparaît en quantité appréciable que dans un puit et seulement dans les échantillons des facies d’eau peu profondes. Ce chlorite est également considéré détritique.

Les analyses chimiques du roc entier ne montrent pas de variations systématiques avec la profonduer, à part une diminution du calcium et magnésium due à la dissolution de carbonate. Par contre, le potassium augmente progressivement avec la profondeur dans la fraction argileuse indiquant une redistribution du potassium à l’intérieur du roc. L’illite (mica) détritique semble se décomposer avec l’augmentation de la profondeur, fournissant ainsi du potassium pour la fixation en inter-couche dans l’illite/montmorillonite, comme la proportion des couches d’illite augmente. La réaction diagéné-tique est indépendante de l’âge géologique des sédiments et des limites stratographiques. La température semble, plus que la pression, déterminer les réactions.

Kurzreferat

Es wurden Untergrundproben von Schiefern, deren Alter sich vom Pleistozän bis zum Eozän erstreckte, und die aus fünf Mineralölbohrlöchern an der Golfküste erhalten worden wareh, mineralogisch und chemisch untersucht um die Art und das Ausmass von unterirdischer Diagenese in pelitischen Ablagerungen zu bestimmen. Mineralogisch vorherrschend ist Illit/Montmorillonit, der mit zunehmender Tiefe eine monotone Abnahme im Schwellvermögen von etwa 80 bis zu einem Grenzwert von 20 Prozent Montmorillonitschichten erfährt. Die Zwischenlagerung verändert sich von unregelmässig zu geordnet bei etwa 35 Prozent aufgeblähten Schichten. Getrennte Illit und Kaolinit Phasen sind allgegenwärtig und werden als Geröll angesehen. Der Gehalt des Vollgesteins an getrenntem Illit (Glimmer) nimmt mit der Tiefe ab, während der Kaolinit keine systematische Veränderung zeigt. Chlorit kommt in bedeutenden Mengen nur in einem Bohrloch vor und auch hier nur in Proben aus den Seichtwasserfazies. Der Chlorit wird ebenfalls als Geröll angesehen.

Chemische Analysen von Vollgestein zeigen keine systematische Veränderung mit zunehmender Tiefe mit Ausnahme einer Abnahme von Calcium und Magnesium infolge einer Auflösung von Carbonat. Umgekehrt nimmt der Kaliumgehalt mit zunehmender Tiefe in der Tongrössefraktion zu, was auf eine Neuverteilung des Kaliums innerhalb des Gesteins hinweist. Der aus Geröll bestehende Illit (Glimmer) scheint mit zunehmender Tiefe zu zerfallen und so Kalium für eine Zwischenschichtfixierung in Illit/Montmorillonit zu liefern während sich der Anteil an Illitschichten erhöht. Die diagenetische Reaktion ist unabhängig vom geologischen Alter der Ablagerungen und von strati-graphischen Grenzen. Die Temperatur scheint für die Reaktion in höherem Masse bestimmend zu sein als der Druck.

Резюме

Образцы глинистых сланцев из нефтяных скважин Галф Коуст, возраст которых колеблется от плейстоценового до эоценового, подверглись минералогическому и химическому изучению для выяснения природы и степени диагенеза в погребенных пелитовых осадках. Преобладающим минералом сланцев является иллит-монтмориллонит; его способность к набуханию однообразно уменьшается при падении содержания монтмориллонита с 80 до 20% по мере возрастания глубины. Характер смешаннослойных образований меняется от неупорядоченного до упорядоченного (при приблизительно

35% набухающих слоев). Обычны также иллит и каолинит так таковые, которые рассматриваются как детритные. Содержание иллита как такового в породе уменьшается с глубиной, тогда как для каолинита данные не определенны. Хлорит встречен в значительных количествах только в образцах из одной скважины и притом лишь в отложениях мелководной фации; он также рассматривается как детритный. Водовые анализы пород не указывают на определенные вариации с глубиной за исключением уменьшения содержания кальция и магния, которое вызвано растворением карбонатов. В противоположность

этому содержание калия в глинистой фации прогрессивно возрастает с глубиной, указывая на его перераспределение в пределах породы. Детритный иллит, по-видимому, разрушается с возрастанием глубины, освобождая калий, который фиксируется в смешаннослойном иллит-монтмориллоните (с глубиной в последнем содержание иллитовых слоев увеличивается). Диагенетические реакции не зависят от геологического возраста осадков и их стратиграфической приуроченности. Температура, вероятно, в диагенетических реакциях играет большую роль, чем давление.