Subsidencia.pdf

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada

División de Ciencias de la Tierra

Petrología Sedimentaria y Ambientes de Formación Dr. Arturo Martín Barajas

Trabajo Final Análisis de subsidencia y litología de la cuenca Laguna Salada

Bartens Olórtegui Marco Antonio Posgrado en Ciencias de la Tierra Orientación en Geofísica Aplicada Matrícula: 11282696

Rogelio Sosa Valdés Posgrado en Ciencias de la Tierra Orientación en Geología Matrícula: 11282731

Ensenada, Baja California a 19 de abril de 2012

Petrología Sedimentaria y Ambientes de Formación

Trabajo Final

OBJETIVO Desarrollar un análisis de geohistoria realizando un cálculo de subsidencia tectónica a unidades litológicas de un pozo ELS-1 de la cuenca Laguna Salada asociando información de procesos diagenéticos involucrados, la actividad tectónica para dar una interpretación de los procesos de subsidencia en la cuenca.

INTRODUCCIÓN La cuenca Laguna Salada es una cuenca lacustre localizada al noreste de la península de Baja California, que se encuentra controlada estructuralmente por un semigraben con subsidencia activa producto de la tectónica transtencional del Golfo de California (Dorsey y Martín-Barajas, 1999). Los depósitos en la cuenca Laguna Salada marcan la subsidencia a lo largo de la Falla Laguna Salada y el despegue Cañada David y la rápida exhumación de las Sierras Cucapá y El Mayor (Martín- Barajas et al ., 2001).

Figura 1. (A) Mapa del oeste de Norteamérica que muestra la ubicación de la cuenca Laguna Salada. (B) Modelo digital de elevación de la cuenca Laguna Salada. (C) Mapa geológico simplificado de la región de Laguna Salda, se muestran las estructuras principales en la zona y la localización del pozo ELS-1 (tomado de Contreras, et al ., 2005).

Análisis de subsidencia y litología de la cuenca Laguna Salada

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Trabajo Final

La mayoría de las secuencias que comprenden a la cuenca Laguna Salada incluyen depósitos de alternancias de grano fino a grano grueso que representan la interacción de varios ambientes de sedimentación los cuales van desde sedimentos de plataforma, prodelta, fluvio-deltaico, aluvial y depósitos lacustres, los cuales alternan con depósitos productos de avalanchas y deslizamientos de rocas (Martín-Barajas et al ., 2001). Así mismo, esta cuenca endorreica es sensible a cambios en sedimentación por variaciones en el aporte de sedimentos de fuentes cercanas y distales transportados por arroyos de las sierras adyacentes mencionadas y por el Río Colorado, lo que la hace un sitio idóneo para desarrollar un cálculo de subsidencia en el área, con la participación de la tectónica y los procesos diagenéticos involucrados que se han generado durante la misma.

METODOLOGÍA Se conto con datos del pozo ELS-1 (Figura 1) propiedad de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Los mecanismos principales de la subsidencia están dados por isostasia (compensación local), flexión de la litosfera (rigidez a la fricción), contracción térmica (enfriamiento de placa) los cuales van generando acumulación de sedimentos que agregan carga y dan lugar a cuencas sedimentarias. Una forma de analizar la subsidencia de una cuenca es a partir de técnicas estratigráficas, que permiten la construcción de diagramas tiempo versus profundidad a partir de datos de perforaciones, tales como litología, edades formacionales y espesores. Estos diagramas permiten visualizar la subsidencia total, la subsidencia por carga litostática y subsidencia tectónica en función de los factores que la originan. Para la elaboración de diagramas tiempo versus profundidad se debe retroceder en el tiempo y reconstruir los procesos de subsidencia locales de la cuenca -para este caso, la cuenca Laguna Salada- al momento de su formación hasta la actualidad. Los diagramas tiempo versus profundidad están compuestas por (1) la curva de subsidencia original, que resulta de efectuar la corrección por compactación de los espesores de la formación; (2) la curva de subsidencia por carga litostática, que corresponde a la subsidencia causada por la depositación de las sucesivas formaciones en la cuenca; y (3) la curva de subsidencia tectónica, que implica procesos tectónicos que ocurren durante la formación y evolución de la cuenca.


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Para construir el diagrama tiempo versus profundidad contamos con la siguiente información mostrada en la Figura 2 y la Tabla 1.

Figura 2. Columna estratigráfica del pozo CFE LS-1, que comprende las unidades de este trabajo.


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Tabla 1. Base de datos para análisis de geohistoria o estimación de subsidencia del pozo ELS-1.

Unidad/Ambiente

6. lacustre 5. aluvial 4. lacustre 3. aluvial 2. fluvial-deltaico 1. marino-deltaico

Espesor

Litología

Edad

Φo

545 480 650 575 600 650

lodolita arenisca lodolita arenisca arenisca lutita

0.0 0.5 1.0 2.0 3.0 6.0

0.56 0.49 0.56 0.45 0.49 0.63

Coeficiente de compactación 3.90×10-4 2.70×10-4 3.90×10-4 2.70×10-4 3.00×10-4 5.10×10-4

ρg

2.68 2.65 2.68 2.65 2.65 2.72

Las lutitas marinas de la unidad 1 (Fm Imperial = Tim) se depositaron aproximadamente a profundidades de 0.200 m en ambientes del prodelta (somera). Los depósitos lacustres (unidades 4 y 6) tienen profundidades menores a 10 m y Wd se puede despreciar.

Se realizó la corrección por compactación debido a que el espesor actual no es el mismo al espesor original, lo anterior a consecuencia de la carga litostática la cual da lugar a la compactación de las diversas capas y/o formaciones de rocas. Por lo tanto, en el presente trabajo se desea retroceder en el tiempo y fue necesario descompactar unidad por unidad de la columna mostrada (Figura 2). Para obtener los espesores formacionales en cada unidad se aplico la siguiente ecuación:

(1) donde: T0= Espesor inicial T N= Espesor actual  N= Porosidad actual = Porosidad inicial al inicio de la depositación

Luego se procedió a calcular la porosidad de las seis unidades, las cuales están en función de la litología, utilizando la siguiente fórmula:

(2) donde: = Porosidad actual = Porosidad inicial C= Modulo de compresibilidad Z= Profundidad actual de enterramiento

Con los valores de porosidad se calcularon los valores de descompactación y se construyó la curva de subsidencia por carga litostática (Figura 3). Finalmente, se llevo a cabo el cálculo de la subsidencia tectónica haciendo uso un modelo isostático local simple donde el sedimento que rellena la cuenca emplaza una columna de agua, de acuerdo a la siguiente ecuación:


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(3) donde: Z = profundidad de subsidencia tectónica ρa = densidad de la astenósfera ρs = densidad del sedimento ρw = densidad del agua S = espesor de la unidad correspondiente una vez ya efectuada la corrección Wd = variación del nivel mar

SUBSIDENCIA TECTÓNICA La Figura 3 presenta el resultado del cálculo de subsidencia tectónica (Z) realizado para las unidades correspondientes a las unidades del pozo ELS-1. Se muestra la curva con la corrección de espesores por compactación suponiendo la porosidad teórica idealizada y la curva de la subsidencia tectónica.

Figura 3. Grafica que muestra las tres curvas correspondientes a la curva sin corrección (subsidencia inicial), la curva corregida (subsidencia litostática) y la curva de subsidencia tectónica (Z) calculada para el pozo ELS-1.

En la Figura 3, se reconoce y aprecia para el tiempo de 12 a 3 Ma correspondiente a lutitas de amiente marino-deltaico (Unidad 1) y areniscas de ambiente fluvial deltaico (Unidad 2) una tasa de subsidencia constante con valores de 0.19 a 0.28 mm/año (Tabla 2). A partir de los 3 Ma la tasa de


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subsidencia tectónica aumenta tajantemente lo cual se distingue en una pendiente más horizontal (Unidad 3 y 4; Figura 3), con tasas de 0.72 a 0.85 mm/año. Para la edad de 1 Ma (Unidad 5 y 6, areniscas y lodolitas respectivamente), la tasa de subsidencia incremento aún mas ( ca. 1.08; Tabla 2), siendo la mayor registrada hasta la actualidad. Con lo anterior se tiene la evidencia contundente para sugerir que la subsidencia tectónica de la cuenca Laguna Salada sigue una tendencia de aumento en la tasa. De los resultados anteriores, considerando la litología y profundidad se interpreta que la subsidencia estuvo asociada a la actividad de las fallas circundantes a la cuenca, posiblemente a la falla de bajo ángulo de Cañada David y a la Falla Laguna Salada, así como el cese y/o cambio en los episodios de la actividad de estas fallas, los cuales también debieron influenciar las variaciones e incremento de la tasa de subsidencia. La tasa de depositación estuvo controlada por la subsidencia tectónica. Si no hay subsidencia no se genera carga litostática (espacio) para acumulación de sedimentos. Actualmente la depositación está regida por la carga litostática.

Figura 4. Grafica que muestra el cálculo de la subsidencia total y tectónica para las unidades del pozo ELS-1.

A continuación se muestran las tablas con las tasas de subsidencia en mm/año para las unidades del pozo ELS-1. En estas se puede observar que el aumento en la tasa de subsidencia es cada vez mayor, siguiendo una tendencia. Tabla 2. Tasa de subsidencia total Tiempo Unidad T* (mm) (años)

Subsidencia (mm/año)

Tabla 3. Tasa de subsidencia tectónica Tiempo Subsidencia Unidad Z (mm) (años) (mm/año)

6

545000

500000

1.09

6

149000

500000

0.30

5

536000

500000

1.07

5

126000

500000

0.25

4

847000

1000000

0.85

4

300000

1000000

0.30

3

720000

1000000

0.72

3

211000

1000000

0.21

2

827000

3000000

0.28

2

207000

3000000

0.07

1

1151000

6000000

0.19

1

726000

6000000

0.12


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Este trabajo de análisis de geohistoria se complementa con información de moda detrítica, litología y la composición de areniscas y minerales arcillosos en diferentes profundidades, para desarrollar un análisis de los cambios diagenéticos de areniscas, lodolitas y materia orgánica del pozo ELS-1. Se consideró un gradiente geotérmico alto/fuerte en el pozo ELS-1 estimado en ~50 °C/km.

MODA DETRÍTICA

Figura 5. Moda detrítica de muestras del pozo ELS-1, A) Moda detrítica de areniscas de la Unidad 2, con profundidad entre 2350 y 2600 m. B) Moda detrítica, Unidad 3 correspondiente a profundidad de 1700 a 2250 m.

Para el diagrama QFL, las muestras correspondientes a las areniscas de la Unidad 2 se sitúan en el campo de proveniencia de una fuente de composición granitica, en contraste con las areniscas de la Unidad 3 las cuales se discriminan en dos campos aislados (Figura 5B) con enriquecimiento hacia el ápice de los feldespatos. Para el diagrama QmPFk las muestras correspondientes a la Unidad 2 se sitúan en un campo que las clasifica como areniscas de mayor madurez (Figura 5A) y proveniencia de bloque continental; para las areniscas de la Unidad 3 plotean en un campo de menor madurez. La clasificación de acuerdo al diagrama ternario QpLvmLvs para la Unidad 3 (Figura 5A) clasifica a estas areniscas como empobrecidas en líticos volcánicos como aportaciones de fuente proximales; comparado a las areniscas de la Unidad 2 (Figura 5B) que presentan mayor aporte de líticos sedimentarios.


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MINERALES ARCILLOSOS A continuación se presentan las figuras con los resultados de análisis de Difracción con Rayos X (muestra normal y muestra calcinada a 550 ºC) para muestras pertenecientes al pozo ELS-1 tomadas a profundidades de 60m, 1310m y 2700m. Para cada muestra en su respectiva figura se presentan los minerales arcillosos identificados con sus respectivas reflexiones de acuerdo a Moore & Reynolds (1989).

Figura 6. Espectro de análisis por Difracción de Rayos X correspondiente a la muestra normal y calcinada (550 ºC) de profundidad 60 m de la cuenca Laguna Salada. Se muestran las reflexiones en Å y su respectivo mineral o mineral arcilloso identificado.


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En la Figura 6, se presenta el espectro de la muestra con profundidad de 60 m. Los minerales arcillosos presentes en esta muestra son esmectita, ilita, caolinita, además del cuarzo (Figura 6). De acuerdo a dicha profundidad de enterramiento se sitúa en el Estadio I de acuerdo a la clasificación de diagénesis en Petijohn et al ., 1987. No se aprecian fuertes modificaciones en los minerales arcillosos identificados.



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En el espectro de la muestra a profundidad de 1310 m (Figura 7) se identificaron los minerales arcillosos: esméctica, ilita, clorita, y nuevamente presencia de cuarzo con las reflexiones características ( ca. 3.34 y 4.25Å). A esta profundidad de tendrían temperaturas alrededor de 130°C, el procesos diagenético a este gradiente sería la ilitización, necesitando de una fuente de potasio, obtenido de la alteración química de feldespatos y/o micas.



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La Figura 8 presenta el espectro de análisis por DRX en una muestra a profundidad de 2700 m con sus respectivos minerales arcillosos identificados: clorita e ilita. A esta profundidad, el proceso de ilitización ya ha concentrado gran parte de este mineral (ilita); asi mismo, la abundancia de clorita aumenta al ser este el mineral final de la reacciones de alteración producto del aumento de la profundidad de enterramiento y del gradiente geotérmico. En resumen, las figuras 6, 7 y 8 muestran el cambio progresivo en la mineralogía arcillosa con respecto a la profundidad ( e.g. la ausencia de caolinita a profundidades mayores a ca. 1000 m).

ANÁLISIS DIAGÉNETICO De acuerdo al gradiente geotérmico, a la profundidad de enterramiento, al incremento de presión y temperatura existen varios procesos que forman parte de la diagénesis y que a continuación se describen las interpretaciones para las muestras correspondientes del pozo en estudio. Las unidades litológicas 6 (lodolita lacustre) y 5 (arenisca aluvial), ambas situadas a profundidades de 0 a ~1000 m, a estos rangos de temperatura de acuerdo al gradiente producen degradación bacteriana de la materia orgánica. Este proceso genera expulsión e agua por compactación, así como iones en solución que afectan al pH lo que repercute en los iones H + disueltos los cuales disuelven aluminosilicatos. Así mismo, las primeras etapas de maduración de materia orgánica generan ácidos (CO2). La maduración orgánica y la presencia de minerales arcillosos son los responsables de la disolución de granos lo que da lugar a una porosidad secundaria. Las unidades 4 y 3, lodolitas lacustres y areniscas aluviales respectivamente, tienen en la columna del pozo ELS-1 un rango de profundidad ~1000 a 2250 m con temperaturas que rebasan los 70ºC. Estas unidades comprenden procesos de degradación orgánica y descomposición de materia orgánica dando lugar a ambientes pobres en oxígeno, esta biodegradación genera CH 4 (metano) e iones HCO3- e H+, estos iones aumentan la acidez del agua, produciendo corrosión y disolución de carbonatos. Las unidades 2 y 1, corresponden a lutita marino-deltaico y arenisca de ambiente fluvial-deltaico y están a profundidades de 2250 hasta 3500 m con las temperaturas mayores a 140ºC de acuerdo al gradiente. En esta zona, se genera la ventana de hidrocarburos.

La profundidad del pozo ELS-1 no asciende de los 3500 m y no rebasa los 200ºC, se interpreta que puede existir una ventana de hidrocarburos (aceite y gas). Es decir, existe un intervalo de temperatura que podría contener la ventana de petróleo. El gradiente geotérmico ha permitido alcanzar temperaturas óptimas para la generación de estos y la lutita de la unidad 2 podría considerarse como la roca con gran potencial para dicha generación.


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Enseguida se presentan figuras que contienen imágenes de petrografía con información útil sobre composición y diagénesis de areniscas en diferentes intervalos del pozo. Se hace uso de esta información para desarrollar la interpretación de la fuente y de posibles cambios diagenéticos en areniscas y lodolitas.

Figura 9. Arenisca cuarzo-feldespática en la cima de la Unidad 5 del pozo ELS-1 (profundidad 550 m). Notar el cementante de calcita espática (ca), Qp, F, y pedernal (p).

La unidad 5, correspondiente a una arenisca (Figura 9) situada en los primeros estadios (I y II) de acuerdo a profundidad de enterramiento de la clasificación de Pettijohn et al . 1987 donde la porosidad primaria es reducida principalmente por compactación mecánica, esta compactación produce expulsión de agua de los poros, y esta expulsión de agua activa la disolución de algunos precipitados químicos.

Figura 10. Muestra correspondiente a la Unidad 3, (profundidad ~1700 m). Cuarzo con crecimiento secundario: A) luz polarizada, B) luz paralela.

La Unidad 3 (Figura 10), que comprende areniscas aluviales, se ubica a una profundidad de ~1000 m. Es decir, de acuerdo a la clasificación de Pettijohn et al ., 1987 se encuentran en el Estadio II, en donde el cementante químico y la compactación reducen la porosidad para las Unidades 3 y 4,


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areniscas y lodolitas respectivamente. En la Figura 10A, se observan esas estructuras en el cuarzo de disolución de grano por presión, producto de la compactación.

Figura 11. A) Lítico sedimentario (Ls) en la base de la arenisca de la Unidad 2. La matriz son arcillas diagenéticas (correspondiente a la muestra analizada con DRX a profundidad ~2700 m). Los componentes de arena son una mezcla de fuente local y distal. B) Detalle de un lítico volcánico con textura microlítica de flujo y microfenocristales de plagioclasa. La matriz esta recristalizada a clorita (color verdoso).

La Figura 11A muestra a la Unidades 2 (arenisca). Esta unidad litológica esta a una profundidad de ~2700 y las máximas temperaturas ~200°C. Esta Unidad 2, de acuerdo a la clasificación de estadios de diagénesis realizada por Pettijohn et al . 1987, a la profundidad mencionada, esta unidad se ubicaría en el Estadio III. En esta etapa de diagénesis, la profundidad de enterramiento con el aumento del gradiente y los procesos de compactación dan lugar a plegamiento. Cabe destacar que en esta etapa de diagénesis, para las unidades 2 y 1, la porosidad es demasiada por la presencia de cementante. Además, la existencia de porosidad secundaria es común a estas profundidades de enterramiento por presión y temperatura.


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CONCLUSIONES El análisis del cálculo de subsidencia tectónica nos permite concluir que la cuenca Laguna Salada está asociada a la carga litostática. Esta subsidencia vinculada desde luego con la actividad de las fallas circundante a la zona, ( e.g . Falla Laguna Salada y Falla Cañada David). La subsidencia tectónica calculada para la cuenca Laguna Salada presento tasas de subsidencia que muestran una tendencia en aumento. Con esto se concluye que la tasa de depositación estuvo controlada por la subsidencia tectónica, y actualmente la depositación está regida por la carga litostática. El análisis de diagénesis hecho para las unidades litológicas, manifiestan las transformaciones que estas litologías/unidades sufrieron conforme el aumento de profundidad y temperatura. En resumen, los procesos diagenéticos que se generan son disolución, compactación con expulsión de agua y reducción de porosidad. La interpretación realizada a la identificación de minerales arcillosos en espectros de DRX nos hace concluir que los minerales arcillosos son susceptibles a cambios en sus estructuras además de reaccionar a otros minerales. La acumulación de sedimentos agregan carga y esta carga hipostática da lugar a una mayor subsidencia tectónica. El aporte de estos sedimentos a la cuenca Laguna Salada está influenciado por el relieve y el clima. Si no existiera subsidencia no se generaría espacio para la acumulación de sedimentos. La clasificación de estadios de diagénesis en relación a la profundidad de enterramiento, incremento de presión y temperatura elaborada por Pettijohn et al ., 1987, permite conocer los procesos diagenéticos que actúan a la profundidad conocida de cierta unidad litológica. Al tener una columna estratigráfica de un área, esto permite ubicar y situar la ventana de hidrocarburos, mediante el gradiente para estimar o no la existencia de petróleo. Lo anterior, auxiliado por observaciones petrográficas.

“ Las interpretaciones cambian mientras las descripciones prevalecen.”


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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Angevine, C.L., Heller, P.L., Paola, C., 1988. Quantitative sedimentary basin modeling: Short course notes prepared for the 1988 Geological Society of America National Meeting, Denver, Colorado, 8-16 p.

Contreras, J., Martín-Barajas, A., Herguera J. C., 2005. Subsidence of the Laguna Salada basin, Northeastern Baja California, Mexico, inferred from Milankovitch climatic changes: Geofísica Internacional 44, 103-111 p.

Dorsey, R., Martín-Barajas, A., 1999. Sedimentation and deformation in a Pliocene-Pleistocene transtensional supredetachment basin, Laguna Salada, north-west Mexico. Basin Research 11, 205-221 p.

Martín-Barajas, A., Vásquez-Hernández, S., Carreno A., Helenes, J., Suarez-Vidal, F., y Álvarez-Rosales, J., 2001. Late Neogene stratigraphy and tectonic control on facies evolution in the Laguna Salada Basin, northern Baja California, Mexico: Sedimentary Geology 144, 5-35 p.

Moore D.M., Reynolds, R.C. 1989. X-Ray Difracction and the Identification and Analysis of Clay Minerals. Oxford University Press, 332 p.

Pettijohn, F. J., Potter, P. E., Siever, R., 1987. Sand and sandstone (2nd ed.): New York, Springer-Verlag, 553 p.


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