Minerały ilaste w poszukiwaniach złóż Jan Środoń Institute of Geological Sciences PAN, Senacka 1, 31002 Kraków, Poland, ndsrodon@cyf-kr-edu.pl
Co to są minerały ilaste? Drobnoziarniste płytkowe krzemiany warstwowe zawierające H 2 O i/lub OH Główne produkty interakcji pomiędzy litosferą, hydrosferą i atmosferą
(CMS newsletter)
Normative mineral composition of igneous and sedimentary rocks Mineral Average Igneous Rock Ferrosilite 6 Enstatite 7 Wollastonite 3 Anorthite 18 Average Sedimentary Rock Albite 28 6 K-feldspar 19 6 Hematite 3 4 Quartz 16 35 Calcite 7 Dolomite 4 Illite 27 Smectite 3 Chlorite 7 Garrels and Mackenzie (1971)
Mineral composition of shales Podolia Podolia Donbas Silesia Podhale Carp. Foredeep Average Contrib. to Silurian (10) Devonian (11) Carb. (31) Keuper (110) Oligocene (24) Miocene (35) sed. rock Quartz 14 19 32 32 26 35 26 20 Kspar 7 1 1 2 3 2 3 2 Plagioclase 3 4 3 1 9 6 4 3 Calcite 1 18 1 7 9 7 7 5 Dolomite 19 2 0 6 5 4 6 4 Siderite 2 1 Pyrite 1 2 Hematite 1 Anatase 1 1 Halite 1 Turb.+1Md 39 34 31 31 2M1 9 12 15 11 Illite+smectite 49 46 46 42 40 30 42 32 Chlorite 8 9 8 1 2 5 5 4 Kaolinite 0 0 5 6 2 1 2 2 Clay 56 55 59 49 44 36 SUM 96 illite+smectite group is the dominant component of shales
Wpływ minerałów ilastych na własności skał Stabilność ścian otworów wiertniczych Porowatość i przepuszczalność Przewodnictwo elektryczne skał Reakcja skały na zabiegi exploatacyjne i stymulacyjne
Zastosowanie minerałów ilastych w badaniach historii geologicznej Datowania stratygraficzne (glaukonit, illit żelazisty) Datowania wieku maksymalnych paleotemperatur (illitsmektyt z poziomów piroklastycznych) Datowania wieku przeobrażeń hydrotermalych i wieku uskoków (illit-smektyt) Szacowanie maksymalnych paleotemperatur (illit-smektyt z łupków ilastych) Rekonstrukcje środowisk sedymentacyjnych i kierunków transportu Rekonstrukcje kierunków przepływu wód termalnych Śledzenie migracji węglowodorów (NH 4 w illicie)
Pomiary skał i minerałów ilastych wykonywane w ING PAN XRD analiza ilościowa składu mineralnego skał XRD szczegółowa identyfikacja frakcji ilastej XRD rozkład grubości krystalitów minerałów ilastych Pojemność kationów wymiennych skał Powierzchnia właściwa skał Zawartość wody związanej w skałach Gęstość szkieletowa i objętościowa skał Wyliczanie parametrów petrofizycznych i geofizyki otworowej z pomiarów mineralogicznych i chemicznych Datowanie K-Ar
Complex composition of illite+smectite fraction of shales, according to modeling of XRD patterns illite = 16% IS R0 = 28% smectite = 38% kaolinite = 14% def. chlorite = 4% GLYCOLATED MODEL Experimental pattern SYBILLA modeled pattern (Zeelmaekers, 2011)
(Środoń et al., 2009) MudMaster measurements of illite crystal thickness distributions in bentonites
Results of porosity calculations for THE SAME sample Data 1 Gas shale composition example Accurate wt.% and ρ min Mineral wt.% ρ min (g/cc) Quartz 22 2.65 Illite 36 2.74 Chlorite 7 2.81 Dolomite 15 2.87 K-feldspar 9 2.57 Pyrite 4 5.05 Kerogen 7 1.30 Data 2 Data Data 3 4 Accurate wt%, inaccurate ρ min 2.65 2.81 3.11 2.94 2.57 5.05 1.30 Composition Inaccurate wt.%, accurate ρ min wt.% ρ min (g/cc) 25 2.65 40 2.74 3 2.81 11 2.87 10 2.57 2 5.05 9 1.30 ρ ma 2.575 (g/cc) f (gas filled) 6.8 % f (water filled) 11.9 % ρ ma 2.622 (g/cc) f (gas filled) 8.5 % f (water filled) 14.6 % ρ ma 2.457 (g/cc) f (gas filled) 2.3 % f (water filled) 4.2 % While typical range of porosity in a shale is 3 15 %... This is why BOTH accurate mineral quantification AND real mineral densities are needed.
BestRock / BestMin / MinLog
Consequences of B location in illite: direct evaluation of CEC, TSSA, and f s from the logging data 15 TSSA CEC 2.82 Q S 30.00 25.00 20.00 y = 0.0221x 2 + 0.1753x - 2.7982 R 2 = 0.9618 CEC 15.00 10.00 f s = 0.0091CEC 5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 neutron absorption cross section a (Środoń and Kawiak, 2012, modified)
Upper Silesia Coal Basin: thermal event vs. burial illitization K-Ar data from Środoń et al., 2006
Mezozoiczne wydarzenie termiczne na Górnym Śląsku potwierdzone badaniami K-Ar skał ilastych kajpru Sample % K2O % 40Ar* Age [Ma] Strat. age [Ma] K-1/23.8 5.47 78.93 217 >216 K-1/41.4 5.74 89.54 267 K-1/44.7 5.01 76.98 164 K-1/57.5 5.96 77.09 175 K-1/73.6 5.26 70.94 177 K-1/76.6 5.28 80.26 223 K-1/85.4 6.2 80.81 213 K-1/90.5 6.48 73.81 198 K-1/94.7 6.46 87.24 251 K-1/96 6.26 74.38 203 229 Middle Jurassic Conclusion: post-sedimentary illitization in or after Middle Jurassic (Środoń et al., 2014)
Results of illite-smectite study of the Tertiary Podhale-Orava basin verified by AFT Chochołów Bukowina Tatrzańska 91 82 Paleothermal gradient from %S: 20-25 o C/km from Środoń et al. (2006)
Jesteśmy otwarci na współpracę w zakresie naszych kompetencji
Mixed-layer illite-smectite vs. end-members surface 300 o C
Smectite illitization as a thermometer and chronometer for the diagenetic zone 5%S Age B Age A 5%S Age B (Środoń et al., 2002) Age A
Budget of N on Earth x 10 18 mol N 2 Atmosphere Ocean Life Crust Mantle Berner 2006 (Geology) 142 0.06 0.03 50 Canfield et al. 2010 (Science) 140 0.05 43 97 Goldblatt et al.. 2009 (Nature Geoscience) 143 75 192 x 10 18 mol K 8600 Goldblatt et al., 2010: - Precambrian Earth atmosphere had much more N (Venus: 3.4 PAN); - N was fixed in the continental crust, which expanded from 0.1 to 0.9 of present volume during Precambrian; - biological fixation followed by mineral (NH 4 for K substitution): N and K correlated in sediments; - N and 40 Ar correlated in the mantle: N from the subduction of sediments.