Diagenese

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Diagenese is binnen de geologie elke chemische, fysische of biologische verandering die een sediment ondergaat nadat het afgezet is. Verwering wordt niet onder diagenese gerekend. De processen die onder diagenese vallen vinden plaats bij relatief lage temperatuur en druk en zorgen ervoor dat de mineralogie en textuur van het gesteente verandert.

In feite kan diagenese worden gezien als de laagste graad van metamorfose. Bij hogere drukken en temperaturen komt het gesteente in het regime van de zeoliet-facies, de laagste metamorfe facies. Diagenese wordt soms onderverdeeld in eogenese, alle processen aan het oppervlak en op geringe diepte, en mesogenese, de diepere processen.

Diagenetische processen[bewerken]

Cementatie en consolidatie[bewerken]

Cementatie kan plaatsvinden als een sediment geïnfiltreerd is met water. Dat kan meteorisch water zijn maar ook zeewater als het een marien sediment is. Cementatie houdt in dat in het door het sediment stromende water opgeloste stoffen neerslaan tussen de sedimentkorrels (de klasten). Daarbij worden mineralen gevormd, die uitkristalliseren in de poriënruimtes. Cementatie zorgt er daarom voor dat de porositeit van het gesteente afneemt en de dichtheid toeneemt. Door het dichtgroeien van de poriën worden de klasten aan elkaar "gelijmd" zodat het gesteente een vast geheel gaat vormen.

Hoe snel cementatie verloopt is afhankelijk van de oplosbaarheid van het betreffende mineraal in het water. Een onderverzadigd mineraal zal niet neerslaan en als het in het gesteente aanwezig is zal het oplossen. Oververzadigde mineralen kunnen neerslaan. Doordat de temperatuur, druk en chemische samenstelling van het water in de loop der tijd kan veranderen kunnen eerder neergeslagen mineralen later weer oplossen, of na verloop van tijd nieuwe en andere mineralen beginnen neer te slaan. Een bepaald gesteente kan zodoende meerdere fasen van cementatie doormaken.

Compactie[bewerken]

Als een sediment begraven raakt en bedekt wordt door een steeds dikker pakket jongere sedimentlagen, stijgt de lithostatische druk in het sediment. Als gevolg hiervan zal compactie plaatsvinden. Dit gebeurt eerst door het herschikken van de klasten op een zodanige manier dat de poriënruimte afneemt en de dichtheid toeneemt. Ten tweede kan drukoplossing (Engels: pressure solution) plaatsvinden: de plekken in het gesteente die onder een hoge mechanische spanning staan lossen op, in gebieden waar een lagere mechanische spanning heerst slaat materiaal neer. In zand zal materiaal oplossen op plekken waar de korrels elkaar raken en materiaal neerslaan in de poriën. Ook drukoplossing kan tot gevolg hebben dat de dichtheid van het gesteente toeneemt.

Uitlogen[bewerken]

Door organische processen als rotting kan de pH van het water in het gesteente toe- of afnemen met de diepte. Daardoor kunnen bepaalde mineralen instabiel worden en oplossen. Dit proces wordt uitlogen genoemd en zorgt ervoor dat de porositeit toeneemt (men spreekt van secundaire porositeit omdat deze na sedimentatie is ontstaan). De gevormde poriën worden vaak weer opgevuld door neerslaande andere mineralen.

Omstandigheden[bewerken]

Welke diagenetische processen plaatsvinden hangt in de eerste plaats af van de in het sediment aanwezige mineralen en de in het grondwater opgeloste mineralen. Deze mineralen bepalen welk cement gevormd kan worden, maar ook hoe snel de diagenetische processen plaatsvinden. Evaporiet en kalksteen bevatten hoofdzakelijk mineralen waarvan oplossings- en neerslagreacties bij veel lagere temperaturen plaatsvinden dan de belangrijkste mineralen in zandsteen of klei. De diagenese zal daarom op relatief kleinere diepte plaatsvinden.

Welke processen plaatsvinden is verder afhankelijk van de temperatuur en het temperatuursverloop met de diepte in de ondergrond (de geotherm). Bij ondiepe processen is de temperatuur sterk afhankelijk van het klimaat. Een sediment dat op hogere breedtegraden wordt afgezet kan andere processen doorlopen dan eenzelfde sediment dat op lagere breedtegraden werd gevormd. Op dezelfde manier kan een sediment dat tijdens een ijstijd werd afgezet andere processen doorlopen dan eenzelfde sediment dat tijdens een warmer tijdperk op dezelfde plek werd gevormd.

Tektonische spanningen in het gesteente kunnen de diagenese versnellen. Onder de extra spanning ontstaan stylolieten, vlakken waar materiaal oplost. Op andere plekken kan dit materiaal weer neerslaan. Dit proces van drukoplossing leidt behalve tot versnelde compactie ook tot deformeren.

Verschillen per gesteentetype[bewerken]

Diagenese in carbonaatgesteente[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie kalksteen voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Carbonaatgesteente (kalksteen) sedimenteert als kalkmodder, een zeer fijnkorrelig sediment bestaand uit de kalkskeletjes van microben, eventueel aangevuld met een fractie klei of siliciclastica. Het kan echter ook grotere fragmenten bevatten van bijvoorbeeld schelpen of koralen. Mariene organismen bouwen skeletjes die bestaan uit mineralen die onder oppervlakte-omstandigheden metastabiel zijn (aragoniet of magnesiumrijke calciet), zodat een aantal belangrijke diagenetische processen in kalksteen te maken hebben met het omzetten van deze mineralen.

Bepaalde microben zetten de mineralen in kalkskeletjes om naar meer stabielere vormen. Ze boren zich in de kalkfragmenten of vreten deze aan aan de randen, een proces dat micritisatie genoemd wordt. Hierbij wordt micriet gevormd, fijne kalkmodder. Een andere manier waarop de instabielere mineralen vernietigd worden is door rekristallisatie naar stabielere vormen (vooral magnesium-arme calciet), dit wordt neomorfose genoemd. Terwijl micritisatie zorgt voor verkleining van de kristalgrootte zorgt neomorfose juist voor grotere korrelgroottes.

Soms wordt de calciet in kalksteen omgezet naar dolomiet, een proces dat dolomitisatie wordt genoemd. Er zijn verschillende theorieën hoe dolosteen (een gesteente dat voornamelijk uit dolomiet bestaat) ontstaat, duidelijk is in ieder geval dat ook hierbij de rol van micro-organismen belangrijk is.

Diagenese van organisch materiaal[bewerken]

Sedimenten bevatten vaak organisch materiaal, afkomstig van planten, algen of andere organismen. Omdat bij de diagenese van organisch materiaal steenkool, aardolie en aardgas kunnen ontstaan, zijn deze processen interessant voor de exploratie-industrie.

Organisch materiaal bestaat uit metastabiele organische moleculen, meestal zijn dit ingewikkelde ketens die grofweg in vier groepen te verdelen zijn: koolhydraten (suikers), lipiden (vetten), proteïnen (eiwitten) en ligninen ("houtige" moleculen met fenylringen). De precieze samenstelling van het organische materiaal hangt af van welk type organisme het van afkomstig is. Plantenresten bevatten lignine, terwijl fytoplankton relatief veel koolhydraten bevat en zoöplankton relatief veel proteïne. Wanneer organisch materiaal begraven wordt en de temperatuur en druk stijgen, breken de organische moleculen in stappen uiteen. Dit proces wordt kraken genoemd. Bij dit proces komen vluchtige bestanddelen (vooral water en kooldioxide) vrij, maar later ontstaan ook olie en gas. Wat overblijft zijn kerogenen en bitumen.

Omdat niet alle organische moleculen dezelfde hoeveelheid koolstof-, zuurstof- en waterstofatomen hebben, hangt het van het soort organisch materiaal af welke stoffen er bij het kraken vrijkomen. Sommige soorten organische moleculen breken ook minder gemakkelijk af bij stijgende temperatuur of druk, de fenylringen maken lignine bijvoorbeeld moeilijk afbreekbaar. Als het organisch materiaal relatief veel proteïnen of koolhydraten bevat, zullen tijdens diagenese vanwege de hogere concentratie waterstof veel meer koolwaterstoffen (olie en gas) gevormd worden.

De latere fasen in het begravingsproces van organisch materiaal worden wel catagenese en metagenese genoemd. Uiteindelijk zullen de waterstof- en zuurstofatomen vrijwel geheel uit het materiaal verdwijnen zodat pure koolstof overblijft, in de vorm van grafiet. Op dit punt spreekt men niet meer van diagenese maar van metamorfose.