APLICACIONES DE LA MINERALOGA DE LAS ARCILLAS EN EL ENTENDIMIENTO EVOLUTIVO DE

LAS CUENCAS SEDIMENTARIAS

Germn Eduardo Bonilla Osorio Gelogo, M.Sc Estudiante de Doctorado en Geociencias Universidad Nacional de Colombia gbonilla@inclaygeology.com gebonillao@unal.edu.co 2014

XRD COMO HERRAMIENTA DE APOYO EN LA EVALUACIN DE CUENCAS

SEDIMENTARIAS

Aspectos generales de las cuencas sedimentarias y los minerales Arcillosos.

Se estima que entre el 50 y el 74 % de la carga sedimentaria total de los tributarios de un sistema montaoso (tipo Amazonas) corresponde a carga en suspensin y una tercera parte corresponde a fracciones menores a 2m. Los ros tropicales llegan a transportar en suspensin hasta un 98% de partculas finas menores a 2m. Cerca del 60% del material sedimentario de una cuenca corresponde a lodos, arcillas y limos. WEAVER (1989)

XRD COMO HERRAMIENTA DE APOYO EN LA EVALUACIN DE CUENCAS

SEDIMENTARIAS

Estudios de Cuencas:

Fotointerpretacin Geofsica Control de Campo Levantamiento de Columnas estratigrficas

XRD COMO HERRAMIENTA DE APOYO EN LA EVALUACIN DE CUENCAS

SEDIMENTARIAS

Herramientas de laboratorio comnmente utilizadas:

TOC Petrografa Petrofsica Palinologa Micro Macrofsiles Reflectancia de Vitrinita (Ro)

DIFICULTADES FRECUENTES EN LOS ANLISIS DE CUENCAS

ZONAS MUY PLANAS O SIN AFLORAMIENTOS POCA MATERIA ORGANICA PETROGRAFIA POBRE POBRE REGISTRO FOSIL

XRD COMO HERRAMIENTA

ABUNDANCIA DE UNIDADES ARCILLOSAS RELACION TOC ARCILLAS Y MINERALES EN LA FRACCION ARCILLOSA MEDIDAS CORRELACIONABLES CON OTRAS TCNICAS ANALISIS DE PROCEDENCIA (Facilita la identificacin en fracciones de poco o nulo alcance petrogrfico) ENTERRAMIENTO E HISTORIA TERMAL APOYO A LA CARTOGRAFIA EVALUAR LAS POSIBILIDADES DE OCURRENCIA DE ZONAS PROSPECTABLES PARA HIDROCARBUROS.

VENTAJAS

LA TCNICA NATURALEZA DE LOS RAYOS X Y PRINCIPIOS DE DIFRACCIN DE RAYOS X

El descubrimiento de los Rayos X se debi a partir de los experimentos con tubos catdicos, muy utilizados a finales del siglo XIX. A finales del siglo XIX, fue establecido que los rayos provenientes del ctodo eran absorbidos por la materia y que su absorcin era inversamente proporcional al voltaje de aceleracin. El Fsico Aleman Wilhelm Conrad Rntgen paso a estudiar los rayos catdicos en mas detalle en 1984 y al ao siguiente se concentr en el estudio de la radiacin emitida a la cual llamara Rayos X, debido a su naturaleza desconocida.

Wilhelm Conrad Rntgen

NATURALEZA DE LOS RAYOS X

QUE SON LOS RAYOS X?

Son radiaciones electromagnticas de alta energa y de longitud de onda relativamente pequea.

= 0,1 a 100 E= 0,1 a 100 KeV Longitud de Onda, Frecuencia y Energa

NATURALEZA DE LOS RAYOS X Propiedades:

Propagacin en lnea recta Alta capacidad de penetracin Indiferencia a campos magnticos Capacidad de imprimir placas

fotogrficas Las partculas atmicas dentro de los

cristales forman un arreglo tridimensional y ordenado en patrones que se repiten.

Este arreglo tiene un espaciamiento

con dimensiones semejantes a las longitudes de onda de los Rayos X.

Los Rayos X son de naturaleza

ondulatoria.

NATURALEZA DE LOS RAYOS X W.L. Bragg & W.H. Bragg ca-1913

La Difraccin puede ser interpretada como una reflexin en planos paralelos e idnticos internos de un cristal.

MINERALES ARCILLOSOS Y SU IDENTIFICACIN

CONCEPTOS BSICOS GRUPO: FILOSILICATOS

Estructuras laminares de capas tetradricas y octadricas con organizaciones caractersticas 1:1 y 2:1.

1:1 2:1

T T

T O

O

MINERALES ARCILLOSOS Y SU IDENTIFICACIN LAYER TIPE GROUP SUBGROUP

1:1

Serpentines - Kandites Kaolins serpentines

2:1

Talc - Pyrophylites Pyrophylites

Talc

Smectites Montmorillonite

Saponite

Vermiculites Vermiculite (d)

Vermiculite (t)

True micas Micas (d) Illite

Micas (t) Illite

Brittle micas Brittle mica (d)

Brittle mica (t)

Chlorites Chlorites (d)

Chlorites (d-t)

Chlorite (t)

MINERALES ARCILLOSOS Y SU IDENTIFICACIN

PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO

Preparacin de Suspensiones

Secado y orientacin de laminas

Ley de Stokes

Molienda Tamizado y montaje en polvo

Tipos de Muestra: Superficie Ripios de Perforacin Ncleos

MINERALES ARCILLOSOS Y SU IDENTIFICACIN

PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO

Saturacin con Etilen-Glicol

Calcinacin a 500C

MINERALES ARCILLOSOS Y SU IDENTIFICACIN

CRISTALINIDAD

En general, mediante XRD es posible medir un

porcentaje de cristalinidad.

Sin embargo es claro que dependiendo del

material la medida se realiza de diferente

manera.

La medida consiste en encontrar una relacin

de fases cristalinas y fases amorfas.

Conforme un material presenta mejor

desarrollo del cristal, el pico de XRD se torna

ms definido.

MINERALES ARCILLOSOS Y SU CRISTALINIDAD

MEDIDA DEL ANCHO A LA ALTURA MEDIA DEL PICO DE XRD O FWHM (Full Wide Half maximum) Y SU RELACIN CON LA CRISTALINIDAD.

Pseudo Voigt (PSV), que resulta de una superposicin aditiva de parmetros Gaussianos (G) y Lorentzsianos (L) con un parmetro fraccional relacionando el radio de la intensidad del pico de G y L (Will, 2006):

PSV = G + L

MINERALES ARCILLOSOS Y SU TRANSFORMACIN CON EL ENTERRAMIENTO

ANLISIS DE CRISTALINIDAD DE ILLITAS POR DIAGNESIS

ndice de cristalinidad (IC). Cristalinity Index Standard (CIS) Seis rocas metapelticas del cinturn metamrfico de muy bajo grado Variscan Belt al norte de Conrwall, SW de Inglaterra.

PSV = G + L 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.650.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

CIS

CIS

EXPERIMENTAL (BONILLA, 2008)

CIS = 1.103x + 0.03 2

Esmectita + K+ + Al3+ --> Illita + Na+ + Ca2+ + Si4+ + Fe2+ + Mg2+ + H2O

14

10

MINERALES ARCILLOSOS Y SU TRANSFORMACIN CON EL ENTERRAMIENTO

INTERESTRATIFICADOS ILLITE/SMECTITE (I/Sm)

MINERALES ARCILLOSOS Y SU TRANSFORMACIN CON EL ENTERRAMIENTO

INDICADORES DE DIAGNESIS Y TEMPERATURA

Fuente: BONILLA - 2014

MINERALES ARCILLOSOS Y SU SELECCIN EN LOS MEDIOS DE DEPSITO

La seleccin de los minerales arcillosos en los medios sedimentarios depende de las propiedades fisicoqumicas de estos.

Cargas elctricas de Superficie

Forma y Tamao del Mineral

Reactividad del Mineral al

medi de transporte (Eh y pH).

CAOLINITAS

PROPIEDADES

Minerales arcillosos tipo 1:1

Baja capacidad de intercambio catinico, entre 2 y 5 meq/100gr

Capacidad de cambiar las cargas elctricas de superficie de acuerdo al medio

de transporte.

Refractarias y por lo tanto resistentes a los procesos diagenticos, los

primeros cambios estructurales estn por encima de los 495C.

CAOLINITAS MODELO AMBIENTAL PROPUESTO

APLICACIONES DE LAS PROPIEDADES DE LOS

MINERALES ARCILLOSOS

CASO DE ESTUDIO DE LA FORMACIN

GUADUAS AL NORTE DE BOGOT

La Formacin Guaduas, es un claro ejemplo de una unidad mixta donde predominan los materiales finos. Se acumula durante el Maastrichtiano tardo/Paleoceno temprano, intervalo en el que se inicia la transformacin de los medios de depsito de la cuenca Cretcica y refleja la variacin de las reas de aporte que inciden en sus componentes mineralgicos. Estos aspectos quedan impresos en los minerales arcillosos, algunos de los cuales son modificados durante el proceso diagentico en el enterramiento. El DRX demuestra su efectividad en la clarificacin del proceso mediante la determinacin de la evolucin de los minerales arcillosos, sustentados por la composicin de los componentes del armazn en las areniscas..

OBJETIVO GENERAL

Determinacin de las propiedades de los minerales arcillosos y su relacin con los medios sedimentarios, las fuentes de aporte y los procesos diagenticos.

MUESTREO

RESOLUCIN: 64 muestras en 1241 metros de seccin estratigrfica.

SARMIENTO, 2011

FORMACIN GUADUAS

FORMACIN ARENISCA LABOR Y TIERNA

FORMACIN PLAENER

FORMACIN CACHO

Form

aci

n

Labo

r y T

iern

a

Form

aci

n Gu

adua

s

Mineraloga de arcillas constante a lo largo de la seccin. Caolinitas, Illitas, I/Sm, Cloritas.

Laminacin plana paralela

Foraminferos de fase lodosa

Cuarzo Arenitas

Arcillolitas verde - azules

Paleocanal

Arcillolitas Abigarradas

Litoarenitas

Paleosuelos

Form

aci

n

Labo

r y T

iern

a

Form

aci

n Gu

adua

s Cambios en la Cristalinidad (FWHM) de Caolinitas en funcin del ambiente

FWHM (2)

Loca

lizac

in

(met

ro)

Gr G

uada

lupe

Fo

rmac

in

Guad

uas

Fm

Cach

o

Cl

MC-SAMPLES

C

500

400

300

600

Formacin Cacho

Form

aci

n Gu

adua

s

Grupo Guadalupe

ST

ST

ST

ST

SE

Cuarzoarenitas

Litoarenitas

ANLISIS DE CRISTALINIDAD DE ILLITAS INDICE DE KBLER Y SU RELACIN CON LAS FUENTES DE APORTE

Illitas heredadas: alto IC

Illitas diagenticas

ndi

ce d

e Cr

istal

inid

ad

Illitas meteorizadas: bajo IC

DIAGNESIS RELACIONES ILLITE/SMECTITE vs PROFUNDIDAD

Fuente: Meunier, 2005.

DIAGNESIS

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Apor

te M

acizo

Gua

yane

sAp

orte

Cor

dille

ra C

entra

l

T

Fm. Cacho

Fm. G

uadu

as

Diag

nes

is Ta

rdia

Epizo

na

LOCA

LIZA

CIO

N (m

)

IC 2 (Kbler)

Anqu

izona

Gr. Guadalupe sup.

Curva de la tendencia

general de enterramiento en funcion

del FWHM de la Illita

Curva de la tendencia general

de enterramiento de Illitas heredadas

K

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Loca

lizac

ion

en m

etro

% de K2O

Aumento de la profundidad

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

R = 0.93844

FWHM

Etil

en G

licol

(2

)

FWHM Natural (2)

Datos Experimentales Y= 0.12207 + 0.86684X

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8 CIS = 1.103x + 0.03 2, R: 0.9924

Diagnesis

Anquizona

IC

2

(CIS

)

IC 2 (Kbler)

Epizona

OTROS CASOS DE ESTUDIO

Serrana de Chiribiquete

Unidades geolgicas involucradas en el estudio: Formacin Araracuara (Paleozoico) Formacin Pebas (Mioceno)

Objetivo: Utilizar las aplicaciones en mineraloga de arcillas en el entendimiento de la cuenca sedimentaria y su madurez.

OTROS CASOS DE ESTUDIO

Serrana de Chiribiquete Muestreo: Se analizaron alrededor de 150 muestras tanto para la Formacin

Pebas (superficiales) como para la Formacin Araracuara (Columna)

Mineraloga de la Formacin Pebas

OTROS CASOS DE ESTUDIO

Serrana de Chiribiquete Muestreo: Se analizaron alrededor de 150 muestras tanto para la Formacin

Pebas (superficiales) como para la Formacin Araracuara (Columna)

Mineraloga de la Formacin Araracuara

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de cristalinidad de

Caolinitas (KPEI)

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de cristalinidad de

Illitas (Kbler Index)

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de cristalinidad de

Illitas (Kbler Index)

OTROS CASOS DE ESTUDIO

Anlisis de Proveniencia

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de la cuenca

intracratnica del Vichada

Unidades geolgicas involucradas en el estudio: Unidades de paleosuelos (Mioceno Plio-pleistoceno) Formacin Pebas ? (Mioceno)

Objetivo: Utilizar las aplicaciones en mineraloga de arcillas en el entendimiento de la evolucin de la cuenca sedimentaria como apoyo a la cartografa.

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de la cuenca intracratnica del Vichada

Minerales Arcillosos

Illita I/Sm

Esmectita Clorita

Caolinita Pirofilita

Otros Minerales

Cuarzo Feld K

Plagioclasa Gibsita

Yeso Lepidocrocita

Goethita Siderita Apatito Anatasa

Pirita

MINERALOGA

INDICADORES AMBIENTALES

La presencia de minerales como la Lepidocrocita, la Gibsita y la Siderita se encuentran fuertemente relacionados con el desarrollo de suelos tipo Oxisoles y Ultisoles.

Exceso de Al+3

MINERALOGA

Presencia de Erionita Pertenece al la familia de las zeolitas y se genera en ambientes sedimentarios por alteracin de vidrios presentes en cenizas volcnicas. Junto con la presencia de Feldespatos y Plagioclasas indicara un aporte volcnico dentro de los depsitos aluviales y/o herencia

ANLISIS DE CRISTALINIDAD DE CAOLINITAS

Minerales Arcillosos

El anlisis de los ndices de cristalinidad para caolinitas (KPEI) asociados a paleoambientes muestran caolinitas muy mal cristalizadas, asociadas a la intensa acidez de los suelos, generando un alto grado de deterioro en la estructura sedimentaria (Indicador Climtico).

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

KPEI

KPEI

NA 0.21 0.28 0.350.24

0.32

0.40

KPEI

Experimental gmaslab 2014

KPEI Samples KPEI=0.95469(x)+0.02968

R=0.794

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de la cuenca intracratnica del Vichada

OTROS CASOS DE ESTUDIO Anlisis de la cuenca intracratnica del Vichada

CONCLUSIONES Las aplicaciones en mineraloga de arcillas utilizando la tcnica de Difraccin de rayos X, es una Herramienta poderosa en el entendimiento de los medios sedimentarios, el ambiente de depsito, la proveniencia de los sedimentos, el estado diagentico y las condiciones climticas a que estuvieron expuestos, no obstante, la informacin geolgica del rea de estudio seguir siendo la mejor herramienta en el entendimiento de cualquier estudio.

LA EXPERIENCIA, LA PRACTICA, LA TECNOLOGA, EL ARTE Y LA IMAGINACIN SON EL MEJOR MARTILLO EN LA CIENCIAS DE LA TIERRA DE LA EPOCA MODERNA.

GRACIAS!

Slide Number 1Slide Number 2Slide Number 3Slide Number 4DIFICULTADES FRECUENTES EN LOS ANLISIS DE CUENCASXRD COMO HERRAMIENTASlide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36OTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOSlide Number 46Slide Number 47Slide Number 48OTROS CASOS DE ESTUDIOOTROS CASOS DE ESTUDIOCONCLUSIONESSlide Number 52