Internal deformation of salt bodies with large mechanical contrast: a case study of the Veendam salt Pillow, the Netherlands

Raith, Alexander Sascha Frank; Jackson, Christopher A.-L.; Urai, Janos; Spiers, Christopher J.

doi:10.18154/RWTH-2018-223888

Internal deformation of salt bodies with large mechanical contrast: a case study of the Veendam salt Pillow, the Netherlands

Raith, Alexander Sascha Frank^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Alexander Sascha Frank Raith

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (IV, 204 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Urai, Janos (Thesis advisor)^RWTH* ; Spiers, Christopher J. (Thesis advisor) ; Jackson, Christopher A.-L. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223888
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722978/files/722978.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Salt tectonics (frei) ; K-Mg Salt (frei) ; Sqeezing Salt (frei) ; Veendam (frei) ; Salztektonik (frei) ; Bischofit (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel dieser Arbeit ist das Verständnis über die internen Strukturen und Prozesse in mechanisch geschichteten Evaporitkörpern während der Deformation zu erweitern. Ein besseres Verständnis wird für die Verfeinerung von Salzlagerstättenmodellen, der Reduzierung von Bohrrisiken und für die Vorhersage des Langzeitverhaltens komplexer Salzstrukturen benötigt. Genauer gesagt stellen sich die Fragen: welchen Einfluss haben sehr harte oder weiche Lagen auf die Salzdeformation? Was passiert in Kalium-Magnesium (K-Mg) Salz dominierten Schichten während der Deformation und welche Strukturen werden gebildet? Unter welchen Bedingungen (Rheologien, Viskositätskontraste, Verformungsgeschwindigkeiten, Spannungen, Schichtung oder Deformationphasen) konnten sich die beobachteten Strukturen bilden? Durch die Synthese von Informationen vom Beckenmaßstab bis zur Mikrostruktur wurde die Entwicklung des Salzkörpers, der lokale Salzfluss, Materialvermengungen, Spannungsindikatoren und Verformungsakkumulation analysiert, auf der Basis existierender rheologischer Modelle und Konzepte der Salztektonik. Hierdurch ergab sich ein Model der Salzdeformation im Veendam Salzkissen unter Betrachtung der lokalen tektonischen Entwicklung sowie ein Model zur Entstehung der außerordentlich mächtigen Bischofit Ansammlungen. Zusätzlich wurde eine feinstratigrafische Analyse der bischofitreichen Zechstein III-1b Schicht mit einer detaillierten Betrachtung der vorhandenen Deformationsstrukturen an einem Bohrkern durchgeführt. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde die Deformation der ZIII Anhydrit/Karbonat (AC) Schicht und der weicheren K-Mg Salzschichten numerisch modelliert. Die produzierten Ergebnisse zeigen den dominierenden Einfluss der verschiedenen Rheologien auf die interne Deformation in dem Salzkissen und die Randbedingungen unter denen die beobachteten Strukturen geformt werden konnten. Im ersten Abschnitt der Dissertation wird die Entstehung der Veendam und Slochteren Salzkissen am Südrand des Groningen Hochs, in den nördlichen Niederlanden, auf der Grundlage von hochauflösender 3D Seismik und Bohrlochdaten untersucht. Der interne Aufbau der Salzkissen zeigt starke Mächtigkeitsschwankungen der K-Mg salzreichen Zechstein III 1b Schicht, sowie komplexe Bruchmuster und Faltung der ZIII AC Lage. Die interpretierten Mächtigkeitsverteilungen der dem Salz aufliegenden Sedimentschichten wurden herangezogen um den anfänglichen Aufbau des Salzkörpers und die Deformationsgeschichte zu rekonstruieren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die lokale Akkumulation hoch konzentrierter Salzsole und die Ablagerung von K-Mg Salzen durch die Existenz einer lokalen Depression in der Zechsteinoberfläche, verursacht durch einen aktiven Graben im Rotliegend, zustande kam. Während der ersten Salzdeformationsphase, ausgelöst durch ungleichmäßige Auflast von Buntsandstein Sedimenten, wurde die ZIII AC Lage boudiniert während die Linse aus Mg-Salz vergleichsweise undeformiert blieb. Es folgte eine konvergente Phase, in der die K-Mg Salzschichten stark in dem sich entwickelnden Salzkissen deformiert wurden. Diese sehr disharmonische Deformation wurde hauptsächlich durch die Faltung der untergelagerten und fragmentierten ZIII AC Lage beeinflusst und führte zur lokalen Verdickung und internen Deformation der ZIII 1b K-Mg Salzschichten. Um weitere Informationen über die Zusammensetzung des K-Mg reichen ZIII-1b Schicht zu erlangen wurde aus dem Seismikdatensatz durch Inversion die akustische Impedanz (AI) berechnet. Die ZIII-1b Schicht konnte gut als Körper niedriger akustischer Impedanz identifiziert und interpretiert werden mit einer gesteigerten Auflösung im Vergleich zum originalen Reflektionsdatensatz. Dies führte zur Identifikation von zusammenhängenden Bereichen besonders niedriger AI Werte die auf das Vorhandensein von Bischofit hinweisen. Die Ergebnisse ergaben eine verbesserte Interpretation der ZIII-1b Geometrie, insbesondere in den Bereichen in den der Reflektionsdatensatz von geringer Qualität war. Es ergibt sich, dass Bereiche mit geringen AI Werten in Kombination mit einer lokalen Deformationsanalyse, zur Identifikation von Gebieten mit hohem Magnesium Potential genutzt werden können. Im zweiten Teil wurde ein Bohrkern von einmaliger Qualität aus der Carnallit und Bischofit reichen ZIII 1b Schicht aus dem Veendam Kissen analysiert. Der in Scheiben geschnittene Kern wurde hochauflösend fotografiert und unter Zuhilfenahme von chemischer Analyse, XRD und optischer Mikroskopie, feinstratigrafisch und strukturell analysiert. Die Ergebnisse zeigten eine starke Verformungskonzentration in den weicheren Bischofit und Carnallit reichen Lagen, assoziiert mit dynamischer Rekristallisation unter geringeren Differenzialspannungen die zur vollständigen Überprägung der Ausganstextur führte. Mechanisch stärkere Schichten die durch Wechsellagerung von Halit und Carnallit geformt wurden, zeigen komplexe und häufig liegende Faltung auf allen sichtbaren Maßstäben. Diese wird oft durch sub-horizontale Scherzonen unterbrochen, welche spröde Deformation mit Kluftfüllungen und Boudinage zeigen. Wir erwarten, dass diese tektonische Fragmentierung mit einer mechanischen Schwächung der gesamten ZIII- 1b Lage einhergeht. Das Ergebnis ist eine tektonische Melange aus Zentimeter bis zehner Meter großen Fragmenten die gefaltet und boudiniert sind. Wir gehen davon aus, dass diese Strukturen und Prozesse häufig in deformierten mit starken rheologischen Kontrast geschichteten Evaporiten anzutreffen sind. Im letzten Abschnitt wurden auf die grundlegenden Komponenten des Venndam Salzkissen vereinfachte nummerische 2D Modelle berechnet um den Einfluss und das Verhalten von härteren und weicheren Schichten während der Salzdeformation zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgebrochene härtere Anhydrit Schicht während der Entwicklung des Veendamkissens im Zentrum der Struktur gefaltet wird und sich die einzelnen Fragmente übereinander schieben. Abhängig von der Viskosität der härteren Lage wird die Verkürzungen eher durch Faltung oder durch das Übereinanderschieben kompensiert. Es ist anzunehmen, dass die Spannungsexponenten von Halit und Anhydrit voneinander abweichen. Aus diesem Grund können wir erwarten, dass ihr effektiver Viskositätskontrast von der Deformationsgeschwindigkeit abhängt. Unter diesen Bedingungen können starke Abweichungen in der Verformungsgeschwindigkeit des Salzkissens zu unterschiedlich dominanten Wellenlängen der Anhydrit Faltung führen. Die Modelle ergeben den Rückschluss, dass die Faltung der ZIII-AC Schicht wie sie im Veendamkissen sichtbar ist, unter einem Viskositätskontrast von ca. 100 zwischen Halit und Anhydrit erfolgte. Sowohl die weichen K-Mg Salz Schichten als auch der viel härtere Anhydrit beeinflussen die Deformation und den Salzfluss in dem Kissen. Ein Großteil der Deformation wird in den weichen Schichten akkumuliert, was zu stärkeren Deformation der Umgebung und zu beträchtlichen Deformationen in den Schichten selber führt. Während es durch die Konzentration der Verformung in den weichen Schichten in manchen Bereichen des Salzkörpers zu erhöhter Deformation kommt, können andere Bereiche von der Deformation durch die weichen Gleitschichten abgeschirmt werden. Dies bedeutet, dass eine kompetente Schicht wie der ZIII Anhydrit stärker deformiert wird, wenn er sich in der Nähe einer sehr weichen Schicht und auf der Seite der Hauptdeformation befindet. Andererseits ist die Deformation und Struktur der weichen K-Mg Salzlagen stark von der Faltung der härteren Schicht geprägt. Dies führt zur Auspressung von K-Mg Salzen über Anhydrit Erhöhungen in Gebiete über Anhydrit Vertiefungen.

The aim of this work is to improve our understanding of the internal structures and dynamics inside mechanically layered evaporite bodies during deformation. A better understanding is needed to improve salt reservoir models, reduce drilling risks and to understand the long-term behavior of complex salt structures. In detail, we address the questions: What is the influence of extreme soft or much harder layers during deformation? What happens during this deformation inside K-Mg salt dominated layers and which structures are formed? Under which conditions (rheology, viscosity contrast, strain rates, stresses, layering, multiphase deformation) can the observed structures be formed? With the synthesis of data from basin to micro scale structures, the salt body evolution, local salt flow, material mixing, stress indicators, strain concentration was analyzed based on existing rheology models and concepts of salt body deformation. Thus, a model of salt deformation inside the Veendam salt pillow in the framework of local tectonics was developed together with a concept of conditions leading to the local extreme accumulation of bischofite. A fine stratigraphic analysis of the bischofite rich ZIII-1b layer was performed with a detailed examination of the existing deformational structures. Based on these results, the deformation of the ZIII-AC stringer was modeled revealing the influence on the internal deformation and the boundary conditions to produce the observed structures. In the first part, the evolution of the Veendam and Slochteren salt pillows at the southern boundary of the Groningen High, northern Netherlands is studied with high-resolution 3D seismic and well data. The internal structure of the two salt pillows shows areas in which the K-Mg salt-rich ZIII 1b layer is much thicker than elsewhere, in combination with a complexly ruptured and folded ZIII Anhydrite - Carbonate stringer. Thickness maps of supra-salt sediments and well data are used to infer the initial depositional architecture of the K-Mg salts and their deformation history. Results suggest that faulting and the generation of depressions on the top Zechstein surface above a Rotliegend graben caused the local accumulation of bittern brines and precipitation of thick K-Mg salts. During the first phase of salt flow and withdrawal from the Veendam area, under the influence of differential loading by Buntsandstein sediments, the ZIII stringer was boudinaged while the lens of Mg salts remained relatively undeformed. This was followed by a convergence stage, when the K-Mg salt-rich layers were deformed within the inflating salt pillows. This deformation was strongly disharmonic and strongly influenced by folding of the underlying, ruptured ZIII stringer, leading to thickening and internal deformation of the K-Mg salt layers. To gain further information about the composition of the K-Mg salt rich ZIII-1b a seismic inversion was performed in order to obtain calibrated acoustic impedance values whilst at the same time improving the temporal resolution compared to the reflectivity dataset. After seismic inversion, the structure of the Zechstein III- 1b subunit could be identified as a low acoustic impedance body. This led to the definition of bodies within the ZIII – 1 b subunit that exhibit low and connected AI values, a strong indicator for the presence of bischofite. Results show that the interpretation of AI data refined the geometric model of the salt body’s structure especially in areas where the original reflection data quality was weak. Layer thicknesses conducted from the interpretation correlate reasonably with thicknesses measured in wells. We suggest that areas of low AI values, in combination with an analysis of local deformation structures can be used, to identify the most prospective areas of high magnesium content In the second part, we analyzed a unique Tr-9 carnallite- and bischofite- rich drill core from the Zechstein III-1b subunit in the Veendam Pillow in the Netherlands. The slabbed core was analyzed by macroscale photography, bulk chemical methods, XRD and optical microscopy. Results show high strain in the weaker bischofite- and carnallite- rich layers, with associated dynamic recrystallization at very low differential stress, completely overprinting the original texture. Stronger layers formed by alternating beds of halite and carnallite show complex recumbent folding on different scales commonly interrupted by sub-horizontal shear zones with brittle deformation, veins and boudinage. We attribute this tectonic fragmentation to be associated with a softening of the complete ZIII-1b subunit during its deformation. The result is a tectonic mélange with cm - to 10m size blocks with internal folds and boudinage. We infer that these structures and processes are common in deformed, rheologically strongly stratified evaporites. In the last part simplified 2D plain strain models containing the key components of the Veendam Pillow were performed to analyze the influence and behavior of hard and soft layers on the internal deformation. The results show that the pre-fractured stringer is folded and thrusted in the pillow center during the development of the pillow. Depending on the viscosity of the stringer, the shortening is either compensated by folding or thrusting. We supposed that the stress exponent of halite and stringer deformation are most likely not the same and we could therefore expect a strain dependency of the effective viscosity contrast. Under this conditions, strong strain-rate changes during the pillow evolution could produce different dominant wavelengths. Fold analysis can therefore be used to estimate the in-situ rheology of stringers or if the in situ rheology of anhydrite and salt is well known, might be used to estimate the in situ strain rates. We concluded from the models that the folding of the ZIII-AC observed in the Veendam pillow indicates an effective velocity contrast of about 100 between the stringer and the halite. Nevertheless, a much larger wavelength folding could have been produced by early slow deformation forming the large syncline in the NE of the Veendam Pillow. Both soft K-Mg salt layers and strong stringers influence the deformation and salt flow inside the salt pillow. Strain is accumulated in the soft layers leading to stronger salt flow near these layers and extensive deformation inside of them. Thus, if a soft layer is present near a stringer, it will experience more deformation. On the other hand, the structure of the soft K-Mg salt layers and the salt flow inside of them is strongly influenced by folding of a harder stringer. Thus, the soft K-Mg salts are withdrawn from areas above stringer anticlines to areas above stringer synclines.

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