Reservoir characterisation and facies classification of the detrital deposits adjacent to a travertine system in Denizli, Turkey

Michaël Verbiest
Classificatie van de verschillende detritische sedimenten die aanwezig zijn nabij een van de grootste travertijn afzettingen van Turkije. Analyse van de mogelijke vormingsomstandigheden en reservoir kenmerken van sedimenten afgezet in meer-, rivier- en debris-flow systemen.

Op zoek naar de geheimen van het Lula-veld, de grootste olie-vondst in het Westelijke Halfrond van de afgelopen 30 jaar.

Image removed.FIGUUR 1

Toen de ontdekking van het Lula-olieveld in 2006 werd bekendgemaakt, reageerden de financiële markten euforisch: de grootste olievondst in de afgelopen 30 jaar met een totale inhoud van 7 500 miljoen vaten olie. In tegenstelling tot reeds ontdekte olievelden, bestaat het Lula-veld uit oude continentale carbonaten (een kalkrijke gesteentesoort die ontstaat op land) en dit zette geologen voor een raadsel. Vooraleer ingenieurs in staat zijn om aardolie uit dit veld te onttrekken, moeten de geologische kenmerken van dit type gesteente gekend zijn en dit was toen zeker niet het geval. Dergelijke karakterisatie gebeurt vaak aan de hand van de studie van analogen, zoals actieve of verlaten groeves. De gesteentes van deze analogen bevinden zich aan het aardoppervlak en bezitten gelijkaardige kenmerken als het reservoir.  

De Braziliaanse schatkamer

De ontdekking van het Lula-olieveld kadert in wat onder geologen gekend staat als de “Pre-Salt Play”. Dit is een verzamelnaam voor olievelden onder een tot twee kilometer dikke zoutlaag.  Het olie-reservoir bestaat uit carbonaatgesteenten die op land of in ondiepe meren werden afgezet en dit zo’n 150 miljoen jaar geleden. Deze gesteentesoort wordt gekenmerkt door een grote diversiteit, die zich vertaalt in verschillende soorten sedimenten, zoals zandsteen, kleisteen en travertijn. Hoewel de eerste twee gesteenten voor zich spreken, geniet travertijn toch iets minder bekendheid. Dit laatste gesteente ontstaat door de neerslag van kalk uit water, zoals kalkaanslag in een waterkoker. Een gekend voorbeeld van travertijnafzettingen is de UNESCO site van Pamukkale.

FIGUUR 2

Een onderzoeksteam van de afdeling geologie aan de KU Leuven heeft de afgelopen jaren dergelijke travertijnafzettingen uitvoerig bestudeerd. Aangezien deze afzettingen mogelijk een goed analoog vormen voor het Lula-veld kan dit type onderzoek zeer belangrijke inzichten opleveren. Tot verassing van de onderzoekers blijkt dat naast travertijn een groot volume van de analogen bestaat uit detritische sedimenten, die gevormd worden door de verwering en erosie van omliggende gesteenten. De reservoir analogen, gesitueerd in de buurt van Denizli (Turkije), worden omringd door vier verschillende detritische intervallen, waarvan er drie te zien zijn in figuur 3.

FIGUUR 3

Detritische sedimenten

Het finale doel van ons onderzoek was het bekomen van een representatieve voorstelling van de interne opbouw van het Lula-veld. Daarvoor is het noodzakelijk om alle sedimenten die deel uitmaken van het reservoirsysteem in detail te bestuderen. De verschillende types van sedimenten kunnen beschouwd worden als een LEGO®-blokje, waarmee we op het einde een volledig model kunnen opbouwen. Dit onderzoek focust zich zowel op de reservoirkenmerken (zoals porositeit en doorlatendheid) alsook de vormingsomstandigheden van de travertijn gesteenten en aanwezige sedimenten. De reservoirkenmerken enerzijds bepalen de hoeveelheid en de snelheid waarmee olie doorheen het gesteente kan stromen. Daarentegen geven de vormingsomstandigheden een idee over de ruimtelijke dimensies van een bepaald type sediment. In ons LEGO®-model zouden de reservoirkenmerken zich vertalen naar het aantal gaatjes in elk blokje, terwijl de vormingsomstandigheden de positie en dimensies van de blokjes bepalen. De vormingsomstandigheden van de detritische sedimenten wijzen erop dat ze werden afgezet in een oud rivier- of meersysteem. In dit artikel gaan we dieper in op de één miljoen jaar oude meerafzettingen, die een belangrijk deel uitmaken van het reservoir analoog en tot nu toe verscheidene geheimem verborgen hielden.

FIGUUR 4

Afzettingsmilieu van de meerafzettingen: een cyclisch verhaal

De meerafzettingen bestaan uit een opeenvolging van verschillende laagjes, wat typerend is voor seizoenschommelingen in meren. Deze laagjes zijn afwisselend bleekgeel en groenig van kleur. De combinatie van beide laagjes wordt ook wel een doublet genoemd. Deze doubletten ontstaan door een systematische variatie in de sedimentaanvoer naar het meer. De blekere laagjes wijzen op een toegenomen aanvoer van kalk, die afkomstig is van de nabijgelegen travertijn afzettingen. De groenige laagjes daarentegen zijn rijk aan kleimineralen. Om kleimineralen te laten sedimenteren op de bodem van een meer mag er bijna geen beweging in het water optreden. Dergelijke stratificatie kan bijvoorbeeld optreden gedurende de koudere winterperiodes, waar zich een ijslaag vormt. Deze laag doet als het ware dienst als een deksel waardoor er in de onderliggende waterkolom geen turbulentie kan optreden. De fijne gelaagdheid van de meerafzettingen is het enige dat vandaag de dag nog getuigt van deze cyclische processen die optraden in deze meren. 

Palygorksiet: het paspoort van de meerafzettingen

In tegenstelling tot de andere detritische sedimenten bevatten de meersedimenten veel kleimineralen, waarvan het mineraal palygorskiet het belangrijkste is. De aanwezigheid van dit kleimineraal is bevestigd aan de hand van twee verschillende technieken, waarvan de eerste techniek X-Stralen Diffractie is. Deze techniek wees ons erop dat palygorskiet mogelijk aanwezig was in deze sedimenten, maar om ons vermoeden te bevestigen werden er ook foto’s gemaakt met een Raster Elektronen  Microscoop. Deze  laat toe foto’s te maken op micrometer schaal (waarbij zelfs gefossiliseerde bacteriën zichtbaar zijn). Een voorbeeld van zo’n een foto waarin een gewoven netwerk van palygorskiet mineralen aanwezig is, wordt weergegeven in figuur 5.

FIGUUR 5

Aan de hand van beide technieken werd de aanwezigheid van palygorskiet doorheen de meersedimenten meermaals bevestigd. Maar wat maakt dit kleimineraal zo uniek? Het antwoord ligt in de gecombineerde aanwezigheid van zowel palygorskiet als het mineraal dolomiet, wat kenmerkend is voor bodemvormingsprocessen in meerafzettingen. Dit kleimineraal getuigt dus als het ware van het regelmatig opdrogen van deze meertjes.

Conclusie

Dit onderzoek heeft bevestigd dat er één miljoen jaar geleden meren aanwezig waren nabij de grootste travertijnafzettingen van Turkije. De verschillende kenmerken van deze laagjes wijzen erop dat de evolutie van deze meren sterk beïnvloed werd door het klimaat en dat ze zelfs geregeld droog kwamen te staan. Aan de hand van deze resultaten en interpretaties zijn onrechtstreeks de geheimen van het Lula-olieveld verder ontrafeld, aangezien daar soortgelijke fenomenen werden waargenomen. Dit geeft reservoiringenieurs betere inzichten en stelt hen in staat om een efficiënt productiemodel (zoals onze LEGO®-constructie) voor het Lula-veld te ontwikkelen, waardoor het mogelijk wordt om deze immense olievondst optimaal te exploiteren.

Bibliografie

AKGÜN, F. & SÖZBILIR, H., 2001. A palynostratigraphic approach to the SW Anatolian
molasse basin : Kale – Tavas molasse and Denizli molasse. Geodinamica Acta, 14,
pp.71–93.
ALÇIÇEK, H., VAROL, B. & ÖZKUL, M., 2007. Sedimentary facies , depositional environments
and palaeogeographic evolution of the Neogene Denizli Basin , SW Anatolia , Turkey.
Sedimentary Geology, 202, pp.596–637.
BARTHA, A. & BERTALAN, É., 1997. Determination of the rare earth elements of rock
samples by ICP-MS using different sample decomposition methods. Acta
Mineralogica-Petrographica, 38, pp.131–149.
BLAIR, T.C. & MCPHERSON, J.G., 1999. GRAIN-SIZE AND TEXTURAL CLASSIFICATION
OF COARSE SEDIMENTARY PARTICLES. Journal of Sedimentary Research,
69(1), pp.6–19.
BOEHRER, B. & SCHULTZE, M., 2008. Stratification of lakes. Review of Geophysics, 46,
pp.1–27.
BOTHA, G.A. & HUGHES, J.C., 1992. Pedogenic palygorskite and dolomite in a late
Neogene sedimentary succession, northwestern Transvaal, South Africa. Geoderma,
53, pp.139–154.
BOUMAN, M., 2016. Reservoirkarakterisering van travertijncarbonaten. Masterthesis in
prep., KU Leuven
BROICHHAUSEN, H., LITTKE, R. & HANTSCHEL, T., 2005. Mudstone compaction and its
influence on overpressure generation , elucidated by a 3D case study in the North
Sea. International Journal of Earth Sciences, 94, pp.956–978.
CLAES, H., SOETE, J., NOTEN, K.V.A.N., DESOUKY, H.E.L. & SWENNEN, R., 2015.
Sedimentology , three-dimensional geobody reconstruction and carbon dioxide origin
of Pleistocene travertine deposits in the Ballık area ( south-west Turkey ). , pp.1408–
1445.
DILEK, Y. & PAVLIDES, S., 2006. Postcollisional tectonics and magmatism in the
Mediterranean region and Asia. The Geological Society of America, Boulder. pp. 409.
88
DIRIX, K., 2010. Geochemische en mineralogische studie van de Holocene sedimenten in
het bekken van Gravgaz (Turkije): karakterisering en bepaling van het
herkomstgebied. Non-published master thesis. KU Leuven, pp. 151.
DISNAR, J., STEFANOVA, M., BRÉHÉRET, J. & MACAIRE, J., 2011. Organic Geochemistry
Microbial mat development and dolomite formation under pre-evaporitic conditions
during the Atlantic in a temperate area : The Sarliève Lake ( French Massif Central ).
Organic Geochemistry, 42(9), pp.1089–1098.
DOMINGUEZ, G.C. & SAMANIEGO, V., 1992. Carbonate Reservor Characterization: A
geologic-Engineering analysis H. H. S. J. Mazzullo, G. V. Rieke, & Chillingarian, eds.,
Elsevier Ltd, New York. pp. 638.
DUPRAZ, C., REID, R.P., BRAISSANT, O., DECHO, A.W., NORMAN, R.S. & VISSCHER, P.T.,
2009. Earth-Science Reviews Processes of carbonate precipitation in modern
microbial mats. Earth-Science Reviews, 96, pp.141–162.
DUPRAZ, C., VISSCHER, P.T., ARTNER, L.K.B. & REID, R.P., 2004. Microbe – mineral
interactions : early carbonate precipitation in a hypersaline lake ( Eleuthera Island ,
Bahamas ). Sedimentology, 51, pp.745–765.
ERDOGAN, B. & GÜNGÖR, T., 2002. Tectonic significance of mafic volcanic rocks in a
Mesozoic sequence of the Menderes Massif , West Turkey. International Journal of
Earth Sciences, 91, pp.386–397.
FLANAGAN, F.J., 1986. Reference Samples in Geology And Geochemistry. U.S. Geological
Survey bulletin (1582). Alexandria. pp. 61.
FLÜGEL, E., 2004. Microfacies of Carbonate Rocks: Analysis, Interpretation and
Application. Springer Science & Business Media, New York. pp. 976.
GALPENERGIA, 2015. The Lula/Iracema Project | Brazil.
http://www.galpenergia.com/EN/Investidor/Estrategia/PrincipaisProjectos…
as/Projecto-Lula-Brasil.aspx
GARCIA-ROMERO, E., SUAREZ, M., SANTAREN, J. & ALVAREZ, A., 2007.
CRYSTALLOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF THE PALYGORSKITE AND
SEPIOLITE FROM THE ALLOU KAGNE DEPOSIT , SENEGAL. Clays and clay
minerals, 55(6), pp.606–617.
GARCÍA-VEIGAS, J., PRATS, E., DOMÍNGUEZ, A. & VILLUENDAS, A., 2012. Advanced
applications of Scanning Electron Microscopy in Geology. In Capitol del llibre:
Handbook of Instrumental techniques for materials, chemical and biosciences
research. Barcelona: Centres Cientifics i Technologics. Universitat de Barcelona. pp.
10.
HINSBERGEN, D.J.J. VAN, KAYMAKCI, N., SPAKMAN, W. & TORSVIK, T.H., 2010. Reconciling
the geological history of western Turkey with plate circuits and mantle tomography.
Earth and Planetary Science Letters, 297(3-4), pp.674–686.
HIROSE, H. & HIRONA, M., 1977. Illustrations of the Japanese Freshwater Algae.
Uchidarokakuho Publ., Tokyo, pp. 993.
JACOBS, P. & CNUDDE, V., 2009. “ Applications of X-ray computed tomography in
engineering geology ” or “ looking inside rocks ….” Engineering Geology, 103(3-4),
pp.67–68.
JANSSEN, A., SWENNEN, R., PODOOR, N. & KEPPENS, E., 1999. Biological and diagenetic
influence in Recent and fossil tufa deposits from Belgium. Sedimentary Geology, 126,
pp.75–95.
KIM, S.B., CHOUGH, S.K. & CHUN, S.S., 1995. Bouldery deposits in the lowermost part of
the Cretaceous Kyokpori Formation , SW Korea : cohesionless debris flows and
debris falls on a steep-gradient delta slope. Sedimentology, 98, pp.97–119.
KINGDOM, U., 1998. Hot-spring travertine facies and sequences , Late Pleistocene ,
Rapolano Terme , Italy. Sedimentology, 45, pp. 163-180.
LINDTKE, J., ZIEGENBALG, S.B., BRUNNER, B., ROUCHY, J.M., PIERRE, C. & PECKMAN, J.,
2011. Authigenesis of native sulphur and dolomite in a lacustrine evaporitic setting (
Hellín basin , Late Miocene , SE Spain ). Geological Magazine, 148(May 2016),
pp.655–669.
LIU, W., LI, Y., YANG, C., DAEMEN, J.J.K., YANG, Y. & ZHANG, G., 2015. Permeability
characteristics of mudstone cap rock and interlayers in bedded salt formations and
tightness assessment for underground gas storage caverns. Engineering Geology,
193, pp.212–223.
MAJOR, J.J., 1997. Depositional Processes in Large ‐ Scale Debris ‐ Flow Experiments.
The Journal of Geology, 105(3), pp.345–366.
MALIVA, R.G., 1998. Skeletal aragonite neomorphism — quantitative modelling of a twowater
diagenetic system. Sedimentary Geology, 121, pp.179–190.
MARCUSSEN, Ø., FALEIDE, J.I., JAHREN, J. & BJØRLYKKE, K., 2010. Mudstone compaction
curves in basin modelling : a study of Mesozoic and Cenozoic Sediments in the
northern North Sea. Basin Research, 22, pp.324–340.
MARSHALL, D.J., SANTOS, J.H., LEUNG, K.M.Y. & CHAK, W.H., 2008. Correlations between
gastropod shell dissolution and water chemical properties in a tropical estuary. Marine
Environmental Research, 66, pp.422–429.
MCCARTHY, T.S. & CADLE, A.B., 1995. Alluvial fans and their natural distinction from rivers
based on morphology, hydraulic processes, sedimentary processes and facies
assemblages – Discussion. Journal of Sedimentary Research, (3), pp.581–583.
MCLAREN, P. & BOWLES, D., 1985. The effects of sediment transport on grain size
distributions. Journal of Sedimentary Petrology, 55, pp.457–470.
McNaught, A.D. & Wilkinson, A., 1997. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology:
The Gold Book. 2nd Edition. Blackwell Scientific Publications, Oxford.
MOORE, C.H. & WADE, W.J., 2013. Carbonate Reservoirs: Porosity and diagenesis in a
sequence stratigraphic framework 2nd ed., Oxford: Newnes. pp. 392.
MOORE, D.M. & REYNOLDS, R.C., 1997. X-ray diffraction and the identification and analys
of clay minerals 2nd ed., Oxford: Oxford university press. pp. 378.
MUCHEZ, P., DEGRYSE, P., JOACHIMSKI, M.M., LENS, S., DEGRYSE, P., CALLEBAUT, K.,
DEDEREN, M., HERTOGEN, J., JOACHIMSKI, M., KEPPENS, E., OTTENBURGS, R.,
SCHROYEN, K. & WAELKENS, M., 2008. Petrography , mineralogy and geochemistry of
the rocks in the area of the archaeological site of Sagalassos. In Sagalassos VI. Geoand
bio-archaeology at Sagalassos and in its territory. Leuven: Leuven University
Press, p. 28.
NOTEN, K. V, CLAES, H., SOETE, J., FOUBERT, A., ÖZKUL, M. & SWENNEN, R., 2013. Fracture
networks and strike – slip deformation along reactivated normal faults in Quaternary
travertine deposits , Denizli Basin , western Turkey. Tectonophysics, 588, pp.154–
170.
OJALA, A.E.K., FRANCUS, P., ZOLITSCHKA, B., BESONEN, M. & LAMOUREUX, S.F., 2012.
Characteristics of sedimentary varve chronologies – A review. Quaternary Science
Reviews, 43, pp.45–60.
OKAY, A., 1989. Geology of the menderes massif and the lycian nappes south of denı̇zlı̇,
western taurides. Mineral Resources Exploration Bulletin, 109, pp.37–51.
OWLIAIE, H.R., ABTAHI, A. & HECK, R.J., 2006. Pedogenesis and clay mineralogical
investigation of soils formed on gypsiferous and calcareous materials , on a transect
, southwestern Iran. Geoderma, 134, pp.62–81.
PECORA, W.T., 1968. Geological survery research 1968. United States Government
Printing Office, Washington, pp. 563.
RODAS, M., LUQYE, F.J., MAS, R. & GARZON, M.G., 1994. Calcretes, palycretes and silcretes
in the paleogene detrital sediments of the Duero and Tajo basins, Central spain. Clay
Minerals, 29, pp.273–285.
ROELANDTS, I. & DUCHESNE, J.C., 1988. AWI-1, SBO-1, PRI-1, CCH-1 and DWA-1, Belgian
sedimentary rock reference materials. Geostandards and geoanalytical research,
12(1), pp.13–38.
SAARNISTO, M., 1986. Annually laminated lake sediments. Handbook of Holocene
Palaeoecology and Palaeohydrology, B.E. Berglund (Ed.), John Wiley and Sons Ltd,
Chichester, pp. 343-370
SOETE, J., 2011. Travertine & Tufa: Facies-development in the travertine quarry ‘Faber’.
Sedimentology, diagenesis and macro-porosity characterization. Masterthesis, KU
Leuven, pp. 146.
SOHN, Y.K., RHEE, C.W. & KIM, B.C., 1997. Debris Flow and Hyperconcentrated Flood ‐
Flow Deposits in an Alluvial Fan , Northwestern Part of the Cretaceous Yongdong
Basin , Central Korea. The Journal of Geology, 107(1), pp.111–132.
SÖZBILIR, H., 2002. Revised Stratigraphy and Facies Analysis of Palaeocene- Eocene
Supra-allochthonous Sediments ( Denizli , SW Turkey ) and Their Tectonic
Significance. Turkish Journal of Earth Sciences, 11, pp.87–112.
SRODON, J.A.N., DRITS, V.A., MCCARTY, D.K., HSIEH, J.C.C. & EBERL, D.D., 2001.
Quantitative X-Ray Diffraction analysis of clay-bearing rocks from random
preparations. Clays and clay minerals, 49(6), pp.514–528.
SWENNEN, R., ÖZKUL, M., CLAES, H., SOETE, J., CLAES, S., FOUBERT, A., VAN NOTEN, K.,
HUYSMANS, M., BAYKARA, O. & EL DESOUKY, H., 2013. Travertine and calcareous tufas
analogue reservoir characterization. Non published JIP report sponsored by TOTAL,
ENI E&P and PETROBRAS.
TAYMAZ, T., YILMAZ, Y. & DILEK, Y., 2007. The geodynamics of the Aegean and Anatolia :
introduction. Geological Society, London, Special Publications, 291(4), pp.1–16.
THE ECONOMIST, 2011. Brazil’s oil boom: Filling up the future.
http://www.economist.com/node/21536570
THOMPSON, D.L., STILWELL, J.D. & HALL, M., 2015. Lacustrine carbonate reservoirs from
Early Cretaceous rift lakes of Western Gondwana: Pre-Salt coquinas of Brazil and
West Africa. Gondwana Research, 28(1), pp.26–51.
TOTLAND, M., JARVIS, I. & JARVIS, K.E., 1992. An assessment of dissolution techniques for
the analysis of geological samples by plasma spectrometry. Chemical Geology, 95,
pp.35–62.
U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2001. A laboratory manual for X-Ray Powder Diffraction.
http://pubs.usgs.gov/of/2001/of01-041/htmldocs/flow/
VASCONCELOS, C., WARTHMANN, R., MCKENZIE, J.A., VISSCHER, P.T., BITTERMANN, A.G. &
LITH, Y. VAN, 2006. Lithifying microbial mats in Lagoa Vermelha , Brazil : Modern
Precambrian relics? Sedimentary Geology, 185, pp.175–183.
VERNEAUX, J., VIDONNE, A., REMY, F. & GUYARD, A., 1991. Particules organiques et rapport
C / N des sédiments des lacs du Jura. Annls Limnol., 27(2), pp.175–190.
WANG, J., NAKAZATO, T., SAKANISHI, K., YAMADA, O., TAO, H. & SAITO, I., 2004. Microwave
digestion with HNO 3 / H 2 O 2 mixture at high temperatures for determination of trace
elements in coal by ICP-OES and ICP-MS. Analytica Chimica Acta, 514, pp.115–124.
WESTAWAY, R., GUILLOU, H., YURTMEN, S., DEMIR, T. & ROWBOTHAM, G., 2012. Constraints
on the timing and regional conditions at the start of the present phase of crustal
extension in western Turkey , from observations in and around the Denizli region.
Geodinamica Acta, 18(January 2016), pp. 209-238.
WILKINSON, M., MILLIKEN, K.L. & HASZELDINE, R.S., 2001. Systematic destruction of Kfeldspar
in deeply buried rift and passive margin sandstones. Journal of the
Geological Society, 158, pp.675–683.
XIE, Q., CHEN, T., ZHOU, H., XU, X., XU, H., JI, J., LU, H. & BALSAM, W., 2013. Mechanism
of palygorskite formation in the Red Clay Formation on the Chinese Loess Plateau ,
northwest China. Geoderma, 192, pp.39–49.
YUAN, G., GLUYAS, J., CAO, Y., OXTOBY, N.H., JIA, Z., WANG, Y., XI, K. & LI, X., 2015.
Diagenesis and reservoir quality evolution of the Eocene sandstones in the northern
Dongying Sag , Bohai Bay Basin , East China. Marine and Petroleum Geology, 62,
pp.77–89.
ZOLITSCHKA, B., FRANCUS, P., OJALA, A.E.K. & SCHIMMELMANN, A., 2015. Varves in lake
sediments e a review. Quaternary Science Reviews, 117, pp.1–41.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Geology
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Prof. Dr. Rudy Swennen
Kernwoorden