DIAGÊNESE (Apostila) Professor: Artur Corval

1 - DIAGÊNESE:

Diagênese: São todas as modificações, físicas, químicas ou biológicas que alteram os sedimentos, logo após de sua deposição até o limite de 200°C. A partir de então, sob temperaturas e pressões mais elevadas, começa a zona de atuação do metamorfismo. A DIAGÊNESE ocorre quando os minerais se tornam instáveis (devido às mudanças das condições físicas e/ou químicas) em busca de novas condições de equilíbrio. Para muitos autores, os principais processos diagenéticos são: 1. compactação 2. recristalização 3. dissolução 4. cimentação 5. autigênese 6. substituição 7. bioturbação 1.1 - COMPACTAÇÃO: A compactação é o processo que possibilita a redução da espessura ou volume das camadas de sedimentos devido ao aumento da pressão litostática (overburden) durante o soterramento das camadas sedimentares. Vale ressaltar que o aumento progressivo e a conseqüente redução da espessura das camadas permitem uma reorganização dos grãos do arcabouço e a expulsão dos fluidos presentes nos espaços intergranulares. Portanto, tal fato acarretará redução da porosidade. Existem vários mecanismos de compactação, porém os mais importantes são os mecânicos (físicos) e os químicos. Eis a razão do processo de compactação ser dividido em dois tipos: Compactação Mecânica e Química (Figura 1). A compactação mecânica se processa, predominantemente, no arcabouço devido às mudanças físicas dos grãos, como: a) deslizamento e rotação; b) deformação plástica e elástica;

c) fraturamento e quebra dos grãos. A compactação química, por sua vez, compreende: a) dissolução por pressão (pressure solution); A cimentação e a dissolução dos grãos são processos resultantes da compactação química.

Figura 1: Esquema do processo de compactação física e química. A dissolução por pressão é o processo que ocorre entre os grãos durante o soterramento (em presença de água). Com o soterramento de um pacote sedimentar, há o aumento de pressão sobre os grãos das rochas. Esta é transmitida ao sedimento e, no nível dos contatos entre os referidos grãos, tal pressão se concentra. As concentrações pontuais da pressão em conjunto aos fluidos percolantes promovem a dissolução, permitindo a geração de contatos côncavo-convexos, ou mesmo, suturados. A dissolução, em geral, libera íons de SiO2 que se precipitam nas laterais dos grãos, promovendo crescimentos secundários e contatos suturados (microestilolíticos) (Figura 2). Obviamente que outros íons (K+, Fe2+, entre outros)

podem ser liberados. Isto depende dos minerais presentes no depósito sedimentar que está sob a ação dos processos diagenéticos.

Figura 2: Efeito da compactação química, dissolução por pressão (pressure solution). Controle da presença de minerais de argila na dissolução por pressão. Existem várias teorias sobre este processo. O Princípio de Riecke postula que a solubilidade aumenta nos contatos entre grãos devido ao aumento da pressão e, que a recristalização do material, assim liberado, ocorre nas zonas de menor pressão (Bates & Jackson, 1980). Outra teoria (Wilson, 1984) diz que entre os grãos podem ser encontrados finos filmes argilosos que, sob pressão, liberam K+ no nível dos contatos entre os grãos. Este cátion cria um micro ambiente alcalino, no nível dos contatos entre os grãos, promovendo a dissolução do quartzo (rico em SiO2). A sílica liberada nesta dissolução, normalmente, é precipitada nas zonas de menor pressão dos grãos (Figura 2). Portanto, devido ao processo de compactação química (dissolução por pressão), uma grande variedade de precipitação de novos minerais pode ser formada

preenchendo, parcial ou totalmente, os espaços porosos e endurecendo os sedimentos. Este processo é o conhecido como um dos principais fatores de litificação, ou seja, a transformação de sedimento em rocha.Neste contexto, é que se observa a dissolução dos grãos que dá a origem a porosidade secundária. De igual modo, é neste contexto, que pode ocorrer o processo de cimentação, o qual promove a precipitação de minerais nos espaços entre os grãos do arcabouço e matriz e posterior dissolução dos grãos (devido a presença do meio aquoso). Vale lembrar que a definição de cimento é: material dissolvido que envolve os sedimentos. Na verdade, dentro do cimento pode haver minerais bem cristalizados. Todavia, em geral, o cimento é um material dissolvido (inconsolidado) que pode conter grãos minerais cristalizados. 1.2 – RECRISTALIZAÇÃO DIAGENÉTICA: A recristalização diagenética é o processo que promove a modificação da mineralogia e textura do pacote sedimentar durante a litificação. Quando os processos atuantes conferem ao mineral uma nova forma sem haver mudança de composição química, o mineral assim resultante é denominado Neomórfico. Este processo é comum em carbonatos. Então, quando a recristalização ocorre com o aumento de tamanho dos cristais diz-se que ela é agradante. Se o procedimento for inverso, a recristalização é denominada degradante. Ela ocorre como resposta às mudanças de pressão, temperatura e fase dos fluidos circulantes. Este tipo de alteração é um dos processos que promovem a litificação dos sedimentos. Por outro lado, ela pode ocorrer também nas precipitações de compostos em solução e por mudanças das fases minerais presentes na rocha. Os fluidos ao passarem através dos sedimentos dissolvem os constituintes instáveis (minerais), até atingirem o equilíbrio químico. Então, os íons em solução são transportados e precipitam nos poros visinhos, introduzindo novos minerais à rocha. Outro tipo de recristalização diagenética é o processo de substituição. As substituições ocorrem quando um novo mineral substitui outro, preexistente, in situ. Abaixo, são definidos três processos associados às substituições: a) Albitização: é o processo de substituição de um plagioclásio (rico em Ca) por um outro plagioclásio (rico em Na). b) Pseudomórfico: quando um mineral é substituído por outro mantendo a forma antiga. c) Alomórfico: Refere-se ao um antigo mineral substituído por um novo. OBS: Em todos os casos de substituição, há mudança na composição química.

Embora existam inúmeros minerais formados por substituições, os mais importantes são: quartzo, feldspatos, calcita, dolomita e opala. Vale ressaltar a existência de autores que consideram as substituições um processo diagenético a parte e, não, um subcaso da recristalização diagenética. 1.3 – CIMENTAÇÃO É o processo de formação de novos minerais, em condições diagenéticas, pela precipitação química nos poros existentes entre os grãos dos sedimentos. Assim, este processo promove, freqüentemente, o preenchimento, parcial ou total dos poros dos sedimentos reduzindo a porosidade, dando a consistência ao conjunto arcabouço-matriz, viabilizando, assim, a formação da rocha sedimentar (litificação). Os minerais mais comuns formados por este processo são: quartzo, calcita e hematita. De igual modo, é grande a variedade de minerais assim formados, tais como: aragonita, gipsita, dolomita, entre outros. 1.4 - AUTIGÊNESE (neocristalização): É o processo no qual um novo mineral é formado nos sedimentos após a deposição. Este conceito se aplica à cimentação Esta nova fase mineral pode ser formada por: a) Reações envolvendo fases presentes nos sedimentos; b) Por precipitação de sais introduzidos por uma fase fluida. Ou pela combinação de dois ou mais processos, ou mesmo, pela interação de outras fases, Inclusive o intemperismo, a cimentação e as substituições. Os minerais autigênicos, formados por precipitação direta podem ser silicatos (quartzo, feldspatos potássicos minerais de argila e zeolitos), carbonatos (calcita, anquerita dolomitas), minerais evaporíticos (sulfatos, cloretos e outros), além de muitos outros. 1.5-BIOTURBAÇÃO Ao se depositarem, os sedimentos são empilhados em frações granulométricas (argila, silte, areia e cascalho, por exemplo) dando, portanto, origem à camadas com litologias distintas e bem caracterizadas. As litologias são normalmente folhelhos e siltitos (impermeáveis) e arenitos (porosos) como respostas à energia do ambiente de deposição. A bioturbação é a alteração, pós-deposicional da organização original dos sedimentos devido à atividade biológica. Em condições subaquáticas, existem organismos que perfuram, outros revolvem e misturam os

sedimentos, enquanto há outros, ainda, que deixam rastos de pegadas e outras marcas devidas à atividade biológica. Em planícies deltáicas e continentais, por exemplo, tem-se a formação de solos, formação de caliches e silcretes que, igualmente, modificam as condições permoporosas das camadas e, conseqüentemente, os reservatórios de hidrocarbonetos e de água. Sob o ponto de vista prático, no caso de uma camada arenosa, potencialmente reservatório, a bioturbação pode comprometer uma fácies originalmente permoporosa. Além de tudo, a bioturbação pode destruir laminações ou acamamentos. Normalmente, a atividade biológica altera as características permoporosas para pior. Entretanto, em carbonatos e em crostas subaquáticas, existem organismos bentônicos, que ao perfurarem o substrato sedimentar, dão a origem a camadas permoporosas, que são preservadas durante o soterramento, dando a origem a possíveis reservatórios. Existem na literatura, mesmo nacionais vários trabalhos que tratam de bioturbação, icnofácies, trace fósseis e outros estudos que podem orientar a pesquisa neste item. 2- FATORES QUE CONTROLAM A DIAGÊNESE Os Principais fatores que controlam a diagênese são: Textura: - tamanho de grãos (granulometria): A área específica (specific surface area), se refere à área superficial dos grãos e é a relação entre o tamanho do grão em uma unidade de peso. Assim sendo, quanto maior é a área em contato com os fluidos maior é a reatividade dos minerais. A tabela abaixo (Tabela 1) ilustra alguns exemplos:

Tabela 1: Tabela das áreas específicas de alguns minerais. Assim, os dados da tabela, obtidos em laboratórios, mostram claramente a reatividade dos grãos minerais em condições diagenéticas.

Composição Mineralógica: A composição mineralógica também é um fator importante na evolução diagenética, uma vez que os minerais constantes nos depósitos constituem a fonte dos elementos que compõem os fluidos circulantes. A composição mineralógica, por sua vez, está intimamente ligada ao tectonismo e composição mineralógica das áreas fontes. Temperatura: Ao aumentar a profundidade, assim como ocorre com as pressões, observa-se o incremento de temperatura à medida que os aproximamos no manto. Este incremento de temperatura é denominado Gradiente Geotérmico. A temperatura é um agente importante nas reações minerais durante a diagênese. Ela atua como um acelerador das reações e também vibiabiliza certas reações diagenéticas. A evolução das esmectitas é um exemplo. Com o soterramento, elas evoluem para as ilitas, caso haja na solução aquosa circulante liberação de K+ . Por outro lado, se houver liberação Fe2+ , as esmectitas serão transformadas em clorita (Figura 3).

Figura 3: Evolução das esmectitas em função do soterramento.

Fluidos circulantes: A água é o principal agente da diagênese, pois ela atua como veículo das reações e, também, freqüentemente entra na composição dos minerais resultantes. Mesmo nos depósitos de sedimentos subaéreos, após atingir o lençol freático, por subsidência, ocorre a saturação de água e, assim, permanece em quase toda evolução da bacia. Por influência da pressão, temperatura e propriedades petrofísicas (porosidade e permeabilidade) das rochas, as águas circulam pela bacia nas zonas de maior para a de menor pressão. Por outro lado, a distribuição espacial dos pacotes rochosos, bem como a composição mineral e as propriedades permoporosas das diferentes camadas, exercem uma influência muito grande no padrão de circulação dos fluidos dentro da bacia. A composição e atividade química (pH, potencial REDOX) dos fluidos, principalmente a água, dependem, basicamente das rochas por onde os fluidos percolam, da temperatura e do regime de fluxo. Numa bacia, são reconhecidos diferentes regimes de circulação e, de igual modo, são reconhecidos os seguintes tipos de águas: a) Águas meteóricas são as águas, alimentadas na superfície e que são influenciadas pelos agentes superficiais (atmosféricos). As águas que ficam retidas nos sedimentos, após sua deposição são conhecidas por conatas. O fluxo, nesta etapa, é condicionado à ação da gravidade. Assim, as águas se movimentam, preferencialmente, da superfície para o interior da bacia. Porém, em certos casos ela ascende, como é o caso das águas artesianas. As águas meteóricas podem atingir profundidades superiores a 1.000 m, dependendo das condições permoporosas devendo, porém, serem influenciadas pelas águas superficiais. b) Águas de compactação são as águas que estão associadas ao processo de compactação das camadas e que perderam o vínculo com as condições superficiais. Grande parte destas águas provém da compactação das camadas sedimentares durante o soterramento. c) Águas termobáricas são as águas que circulam nas partes mais profundas das bacias sedimentares, onde as pressões e temperaturas são maiores. As zonas diagenéticas, por sua vez, são delineadas com base nas regiões de fluxo. Assim sendo, no regime hidráulico das águas meteóricas é o local onde se localizam as zonas eogenética e telogenética. Por outro lado, nos setores onde

circulam as águas de compactação e termobárica tem-se a zona mesogenética (Figura 4).

Figura 4: Tipos de águas que circulam numa bacia. a) Zona eogenética (eodiagênese): é caracterizada pelos processos diagenéticos que ocorrem desde a deposição dos sedimentos até a profundidade em que parte da bacia fica fora da influência dos agentes superficiais. Ela é também conhecida por diagênese precoce (early diagenesis). Nesta etapa, são formados muitos depósitos e alguns cimentos minerais como: camadas vermelhas (red beds), evaporitos, caolinitas, calcita presente em beach rocks, silcretes, calcretes (clichês), entre outros. b) Zona mesogenética (mesodiagênese): é a zona onde cessa a influência da superfície e passam a dominar os agentes endógenos da bacia, como a pressão e temperatura. É nesta zona em que se processam a migração e acumulação do petróleo. Adicionalmente, é nesta zona que ocorrem grande parte das maiores transformações diagenéticas, como: cimentações, substituições, neomorfismos, compactações, enfim as grandes modificações da rocha. É extremamente relevante ressaltar que nesta zona ocorre a compactação e conseqüente redução da porosidade e, também, a geração da porosidade secundária. O limite inferior da mesogênese marca o início da zona metamórfica.

c) Zona telogenética (telodiagênese): é a porção afetada pelos agentes superficiais, sendo exposta ao intemperismo quando houver o soerguimento das camadas. Em essência, os processos são os mesmos que os eodiagenéticos. Entretanto, se há o predomínio da erosão, isto possibilitará a formação de discordâncias. É nesta porção em que há a formação de solos e da modelagem geomórfica. Na análise petrográfica, por vezes, é difícil distinguir a ação da eodiagênse ou telodiagênese sobre a rocha em análise. Pressão: A pressão é um fator que determina a movimentação dos fluidos circulantes de uma bacia. Conseqüentemente, a pressão é um dos principais fatores controladores dos processos diagenéticos. O aumento de profundidade acarreta, progressivamente, incrementos na pressão. Desta forma, a forma há o desenvolvimento de um gradiente de pressão. A pressão é um fator básico nos processos de compactação física e química que ocorrem justamente por efeito da pressão litostática. As bacias sedimentares são submetidas a três tipos de pressões (Figura 5):

Figura 5: Diagrama esquemático mostrando os gradientes de pressões litostática e hidrostática. a) Litostática, também conhecida por geostática ou overburden: é a pressão devido ao peso das camadas de rocha; b) Hidrostática é a pressão devido à coluna de fluido (água);

c) Neutra ou de Poro é a pressão exercida pela coluna de água no interior dos poros da rocha. Em situações normais, a pressão interna dos poros é a transmitida pela coluna hidrostática. Entretanto, em corpos arenosos isolados, a pressão do poro fica impedida de equalizar com a pressão da coluna hidrostática se isolando do sistema hidráulico da bacia. A compactação progressiva faz aumentar a pressão interna dos poros promovendo pressões anormais. A figura 5 ilustra o incremento da pressão hidrostática no interior de corpos porosos confinados gerando pressões anormais. Este fato é observado, com freqüência, em seções marinhas Terciárias e Cretáceas. Salinidade:

A salinidade é extremamente importante no controle das propriedades das águas circulantes.

A salinidade exerce influência direta nas propriedades químicas das águas circulantes.

Águas muito salgadas alteram o pH das soluções, e, conseqüentemente também a solubilidade da sílica, da calcita e de certos tipos de cimentos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Esta apostila sobre diagênese foi elaborada com base nos seguintes livros: FOLK, R. L. Petrology of Sedimentary Rocks. Texas, Hemphill's Publish. Co., 1980. Pettijohn, E.J. (1975) - Sedimentary Rocks. Ed. Harper & Row, N.York. OBS: Adicionalmente, as notas de aula de Sedimentologia do Professor Pedro de Cesero (abril de 2003) da FGEL/UERJ foi usada na montagem desta apostila.