Original paper
Experimental approaches to the formation of early-diagenetic grain coats on quartz surfaces
Fischer, Cornelius; Aurin, Philipp; Darbha, Gopala K.; Arp, Gernot
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 164 Heft 2 (2013), p. 225 - 236
published: Jun 1, 2013
DOI: 10.1127/1860-1804/2013/0030
ArtNo. ESP171016402004, Price: 29.00 €
Abstract
Grain coats can inhibit quartz cementation, thus preserving porosity in deeply buried sandstones. We focus here on the early-diagenetic formation of grain coats, such as illite coats, through adsorption of mineral colloids under electrostatically unfavourable conditions. Our experiments utilising quartz surfaces having variations in surface roughness indicate that submicron-sized surface structures enhance the efficiency of colloidal retention and thus the initial formation of grain coats. Negatively-charged latex spheres (d = 0.5 μm, 1 μm, 2 μm) served as a simple analogue for natural colloidal particles. The range in surface roughness of our quartz collector surfaces is large (RMS roughness Rq from 100 nm to 10 μm), making them appropriate analogues of natural quartz grains in sandy sediments. Our results show no direct correlation between colloidal adsorption and absolute surface roughness. Instead, the retention of colloids on rough quartz surfaces is governed by small variations in roughness. These variations reflect the distribution of submicron-sized surface features. Furthermore, results of long-term adsorption experiments reveal the lateral growth of grain coats on surfaces, following linear deposition kinetics. These results permit quantitative prediction of the size and distribution of grain coats in sandstones, as well as an evaluation of their potential impact on inhibition of quartz cementation. These variations thus offer a possible means of understanding variation in sandstone reservoir properties.
Kurzfassung
Kornüberzüge sind oft effektive Inhibitoren der Quarzzementation und damit ein wichtiger Steuerfaktor für die Porosität in tief versenkten Sandsteinen. In diesem Beitrag fokussieren wir auf die frühdiagenetische Entstehung von Kornüberzügen (z. B. Illit-Kutane) durch die Adsorption von Mineralen in kolloidaler Form. Diese Adsorption verläuft oft unter elektrostatisch ungünstigen Bedingungen im Sinne der DLVO-Theorie. In dieser Studie verwendeten wir Quarzoberflächen mit variabler Rauheit. Negativ geladene Kunststoffkolloide (d = 0,5 μm, 1 μm, 2 μm) wurden als Analogmaterial in den Experimenten verwendet. Der Bereich der Rauheit der verwendeten Quarzoberflächen ist sehr breit (RMS-Rauheit Rq: 100 nm - 10 μm). Damit sind diese Oberflächen ein gutes Analogon zu Quarzkornoberflächen in sandigen Sedimenten. Die Ergebnisse zeigen, dass bei diesen Kollektoroberflächen keine direkte Korrelation zwischen der Menge an adsorbierten Kolloiden und der Oberflächenrauheit besteht. Stattdessen wird der Kolloidrückhalt durch das Vorhandensein von Rauheitsunterschieden, die durch submikrometergroße Oberflächenbausteine verursacht sind, gesteuert. Diese sind deshalb als Auslöser für die Bildung von kolloidalen Kornüberzügen anzusehen. Darüber hinaus zeigen Langzeitexperimente mit synthetischen Kollektoroberflächen das beginnende laterale Wachstum von Kornüberzügen, welches einer linearen Kinetik folgt. Die hier vorgestellten Ergebnisse helfen bei der quantitativen Vorhersage von initialer Größe und Verteilung der Kornüberzüge in Sandsteinen. Sie führen deshalb auch zu einer Verbesserung der Bewertung des Inhibierungs-Potenzials bei der Quarzzementation. Damit wird auch das Verständnis der Variabilität der Reservoireigenschaften von Sandsteinen verbessert.
Keywords
diagenesis • grain coats • colloidal adsorption • reservoir quality