Selected features of carbonate rocks based on the X-ray computed tomography method (CT)

• Autorzy: Urbaniec A. , Drabik K. , Dohnalik M.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2018.03.01

Warianty tytułu

PL

Wybrane cechy skał węglanowych w odwzorowaniu rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents possibilities of X-ray computed tomography (CT) application in view of representing selected features of carbonate rocks in a CT image. 72 sections of drill cores, approx. 1 m long each, were selected for tomographic examinations to obtain as reliable as possible results. The selected core material represents carbonate formations of various ages (from Palaeozoic to Upper Cretaceous), originating from boreholes situated in the Carpathian Foreland area. The interpretation of tomographic examinations was connected with a detailed sedimentological analysis of selected core sections, allowing to carry out direct comparisons, which of studied features and to what extent have disclosed in the CT images, and also whether this image can supplement or make the prepared descriptions more detailed. The presented information has a qualitative nature, i.e. referring mainly to descriptive features of the analysed carbonate rocks. Because of a limited size of the paper we have focused only on a few from numerous analysed features of carbonate rocks. The method of X-ray computed tomography (CT) can be very helpful at the analysis of various carbonate rocks features, such as structural and textural features, biogenic structures, porosity, and fracturing. It should be emphasised that this is a non-invasive method, providing a possibility to reproduce the CT image in various directions, without the necessity of mechanical interference in the rock material, resulting in the core destruction. Mummified siliceous sponges were examples of biogenic structures, which were best reflected in formations, which have been subjected to processes of selective dolomitization. In such type of carbonate rocks the sponge mummies were not dolomitized, while the basic material of the background was dolomitized. A very good representation of the structure in CT images was obtained for colonial hexacorals from the Scleractinia group, because many details of their skeleton structure are noticeable. Contrary to siliceous sponges the structure of corals is preserved much worse in the case, when the studied deposits were subject to diagenetic processes (such as dissolution, recrystallisation, or dolomitization). In addition, the analysis of various bioclasts, preserved in carbonate rocks, has shown a significant role both of the original mineral component building the skeletal elements of organisms (aragonite, high-magnesium calcite, lowmagnesium calcite), and of diagenetic processes history, directly affecting the condition of those components preservation. Based on the analysed materials it was found that porosity and fracturing are among best reflected features of carbonate rocks in the CT image. Open fractures, fractures filled with anhydrite and fractures filled with clay-marly material are generally well reflected in the CT image. Instead, fractures filled with calcite are variously recognisable, depending on the mineral composition of the rock background.

PL

W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) pod kątem odzwierciedlenia wybranych cech skał węglanowych w obrazie CT. Do badań tomograficznych wytypowano 72 odcinki rdzeni wiertniczych o długości ok. 1 m każdy w celu uzyskania możliwie najbardziej wiarygodnych wyników. Wytypowany materiał rdzeniowy reprezentuje utwory węglanowe różnego wieku (od paleozoiku po górną kredę), pochodzące z otworów wiertniczych, zlokalizowanych na obszarze przedgórza i w podłożu Karpat. Interpretację badań tomograficznych powiązano ze szczegółową analizą sedymentologiczną wybranych odcinków rdzeni, co pozwoliło na bezpośrednie porównanie, które z badanych cech i w jakim stopniu ujawniły się w obrazie tomograficznym, a także czy obraz ten jest w stanie uzupełnić lub uszczegółowić wykonane opisy. Przedstawione informacje mają charakter jakościowy, tj. odnoszący się głównie do cech opisowych analizowanych skał węglanowych. W związku z ograniczoną objętością artykułu skoncentrowano się jedynie na kilku spośród wielu przeanalizowanych cech skał węglanowych. Metoda rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) może być bardzo pomocna przy analizie różnego typu ich cech, takich jak: cechy strukturalne i teksturalne, struktury biogeniczne, porowatość, szczelinowatość. Należy podkreślić, że jest to metoda nieinwazyjna, dająca możliwość odtwarzania obrazu tomograficznego w różnych kierunkach, bez konieczności mechanicznej ingerencji w materiał skalny, prowadzącej do niszczenia rdzenia. Spośród przeanalizowanych struktur biogenicznych uwagę zwrócono na zmumifikowane gąbki krzemionkowe, które w najlepszym stopniu odwzorowane zostały w zapisie CT w utworach, które w trakcie diagenezy poddane zostały procesom selektywnej dolomityzacji. W tego typu utworach mumie gąbek nie uległy dolomityzacji, podczas gdy masa podstawowa otaczającego osadu została zdolomityzowana. Bardzo dobre odzwierciedlenie struktury w zapisie CT uzyskano dla kolonijnych koralowców sześciopromiennych z grupy Scleractinia, gdyż w obrazie tomograficznym dostrzegalnych jest wiele detali budowy ich szkieletu. W przeciwieństwie do gąbek krzemionkowych, struktura koralowców zachowana jest znacznie gorzej w przypadku, gdy badane utwory poddane zostały w większym stopniu procesom diagenetycznym (takim jak rozpuszczanie, rekrystalizacja czy też dolomityzacja). Ponadto analiza różnego typu bioklastów, zachowanych w skałach węglanowych, wykazała istotną rolę, zarówno pierwotnego składnika mineralnego budującego elementy szkieletowe organizmów (aragonit, kalcyt wysokomagnezowy, kalcyt niskomagnezowy), jak również historii procesów diagenetycznych, mających bezpośredni wpływ na stan zachowania tych elementów. Na podstawie przeanalizowanych materiałów stwierdzono, że porowatość i szczelinowatość są jednymi z najlepiej odwzorowanych w zapisie tomograficznym cech skał węglanowych. W obrazie CT na ogół w bardzo dobrym stopniu czytelne są szczeliny otwarte, szczeliny wypełnione anhydrytem oraz szczeliny wypełnione materiałem ilasto-marglistym. Natomiast szczeliny zabliźnione kalcytem rozpoznawalne są w różnym stopniu, w zależności od składu mineralnego tła skalnego.

Słowa kluczowe

EN

X-ray computed tomography; carbonate rocks; texture features; biogenic structures; porosity; fractures

PL

rentgenowska tomografia komputerowa; skały węglanowe; cechy teksturalne; struktury biogeniczne; porowatość; szczeliny

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 74, nr 3
• Strony: 183--192
• Opis fizyczny: Bibliogr. 49 poz., rys.

Twórcy

autor

Urbaniec A.

• Oil and Gas Institute - National Research Institute, ul. Lubicz 25 A, 31-503 Kraków

autor

Drabik K.

• Oil and Gas Institute - National Research Institute, ul. Lubicz 25 A, 31-503 Kraków

autor

Dohnalik M.

• Oil and Gas Institute - National Research Institute, ul. Lubicz 25 A, 31-503 Kraków

Bibliografia

• [1] Bobrek L., Świetlik B., Urbaniec A.: Zespoły faunistyczne bioherm późnojurajskich środkowej części przedgórza polskich Karpat. XVII Konferencja Paleontologów „Historia basenów sedymentacyjnych a zapis paleontologiczny", Kraków 2000. Materiały Konferencyjne, pp. 18-20.
• [2] Bodzioch A.: Biogeochemiczna diageneza dolnego wapienia muszlowego Opolszczyzny. Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu, Seria Geologia 2005, no. 17, 130 p., ISBN 83-232-1572-3.
• [3] Cebulski D., Urbaniec A., Kasprzyk K.: Obrazowanie wybranych własności utworów solnych za pomocą różnych metod badawczych. Nafta-Gaz 2017, no. 4, pp. 227-235, DOI: 10.18668/NG.2017.04.02.
• [4] Chilingarian G.V., Mazzullo S.J., Rieke H.H. (eds): Developments in Petroleum Science 44, Carbonate reservoir characterization: a geologic-engineering analysis, part II. Elsevier 1996, pp. 135-142.
• [5] Christe R, Turberg R, Labiouse V., Meuli R., Parriaux A.: Ań X-ray computed tomography-based index to characterize the ąuality of cataclastic carbonate rock samples. Engineering Geology2011,vol. 117, issues 3-4, pp. 180-188, DOI: 10.10161 j.enggeo.2010.10.016.
• [6] Cuif J.P.: The Rugosa-Scleractinia gap re-examined through microstructural and biochemical evidence: A tribute to H. C. Wang. Palaeoworld 2014, vol. 23, issue l, pp. 1-14, DOI: 10.1016/j.palwor.2013.11.005.
• [7] Dohnalik M., Zalewska J.: Pomiary porowatości skał metodą rentgenowskiej mikmtomografii komputerowej (Micro-CT). Geologia (Kwartalnik AGH) 2009, vol. 35, no. 2/1, pp. 617-624.
• [8] Ezaki Y.: The Permian coral Numidiaphyllum: new insights into Anthozoan phylogeny and Triassic Scleractinian origins. Palaeontology 1997, vol. 40, no. l, pp. 1-14.
• [9] Fedorowski J.: Extinction of Rugosa and Tabulata near the Permian-Triassic boundary. Acta Palaeontologica Polonica 1989, vol. 34, issue l, pp. 47-70.
• [10] Fedorowski J.: Serpukhovian (Early Carboniferous) Rugosa (Anthozoa) from the Lublin Basin, eastern Poland. Annales Societatis Geologorum Poloniae 2015, vol. 85, no. l, pp. 221-270.
• [11] Garland J., Neilson J.E., Laubach S.E., Whidden K.J. (eds): Advances in carbonate exploration and reservoir analysis. Geological Society, London, Special Publications 2012, no. 370, pp. 1-15, DOI: 10.1144/SP370.15.
• [12] Gliniak P., Gutowski J., Urbaniec A.: Budowle organiczne w utworach górnej jury przedgórza Karpat - aktualny stan rozpoznania na podstawie interpretacji materiałów sejsmicznych i wiertniczych w kontekście poszukiwań złóż węglowodorów. Tomy Jurajskie 2005, vol. 3, pp. 29-43.
• [13] Gliniak P., Laskowicz R., Urbaniec A., Such P., Leśniak G.: Skały zbiornikowe w górnojurajskich utworach węglanowych w rejonie Zawada-Łękawica. Konferencja Naukowo-Techniczna „Ropa i gaz a skały węglanowe południowej Polski", Czarna 16-18.04.2008, 12 p.
• [14] Gudmundsson A.: Rock Fractures in Geological Processes. Cambridge University Press, Cambridge 2011, 578 p.
• [15] Hicks P.J., Narayanan K., Deans H.A.: Ań experimentalstudy ofmiscible displacement in heterogeneous carbonate cores usingX-ray CT. SPE Formation Evaluation 1994, vol. 9, no. l, pp. 55-60.
• [16] Hidajat L, Mohanty K.K., Flaum M., Hirasaki G.: Study of vuggy carbonates using NMR and X-ray CT Scanning. SPE Reservoir Evaluation and Engineers, 88995 SPE Journal Paper 2004, vol. 7, no. 5, pp. 365-377.
• [17] Hurcewicz H.: Typ Porifera. [W:] Malinowska L. (red.): Budowa geologiczna Polski, Atlas skamieniałości przewodnich i charakterystycznych, tom III, cz. 2b, Mezozoik, Jura. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa 1980, pp. 338-351.
• [18] James N.P., Jones B.: Origin of carbonate sedimentary rocks. Wiley2015,446p.
• [19] Laskowicz R., Syrek-Moryc C., Urbaniec A.: Perspektywiczność utworów górnej jury przedgórza Karpat w świetle wyników prac poszukiwawczych w ostatnich latach. Konferencja Naukowo-Techniczna „Ropa i gaz a skały węglanowe południowej Polski", Czarna 16-18.04.2008, 19 p.
• [20] Laskowicz R., Syrek-Moryc C., Urbaniec A.: Rola stref dyslokacyjnych w procesie kształtowania i napełniania pułapek złożowych w utworach górnej jury przedgórza Karpat w świetle najnowszych odkryć akumulacji węglowodorów. Prace Instytutu Nafty i Gazu 2008, no. 150, pp. 263-268.
• [21] Leinfelder R.R., Krautter M., Nose M., Ramalho M.M., Werner W.: Siliceous sponge facies from the Upper Jurassic of Portugal. Neues Jahrbuch fur Geologie und Palaontologie Abh. 1993, no. 189, pp. 199-254.
• [22] Leinfelder R.R., Werner W, Nose M., Schmid D.U., Krautter M., LaternserR., Takacs M., Hartmann D.: Pałeoecology, growth parameters anddynamics of coral, sponge and microbolite reefs
• from the Łatę Jurassic. [W:] Reitner J., Neuweiler F., Gunkel F. (red): Global and regional controls on biogenic sedimentation. 1. Reef Evolution. Res. Reports. Gottinger Arb. Geol. Palaont. 1996, Sb. 2, pp. 227-248.
• [23] Małecki J.: Gąbki krzemionkowe i wapienne oksfordu z Zalasu pod Krakowem. Kwartalnik AGH, Geologia 2002, vol. 28, no. 1-3, pp. 5-120.
• [24] Matyszkiewicz J.: Wybrane problemy diagenezy osadów węglanowych. Przegląd Geologiczny 1996, vol. 44, no. 6, pp. 596-603.
• [25] Meibom A., Cuif J.P., Hillion F., Constantz B.R., Juillet-Leclerc A., Dauphin Y., Watanabe T., Dunbar R.B.: Distribution oj'magnesium in coral skeleton. Geophysical Research Letters 2004, no. 31(L23306),pp. 1-4, DOI: 10.1029/2004GL021313.
• [26] Morycowa E.: Corals from the Tithonian carbonate complex in the Dąbrowa Tarnowska - Szczucin area (Polish Carpathian Foreland). Annales Societatis Geologorum Poloniae 2012, vol. 82, no. l,pp. 1-38.
• [27] Okabe H., Tsuchiya Y., Pentland C.H., Iglauer S., Blunt M.J.: Residual CO2 Saturation Distributions in Rock Samples Measured byX-ray CT. [W:] Alshibli K.A., Reed A.H. (eds.): Advances in Computed Tomography for Geomaterials: GeoX 2010. Wiley 2010, pp. 381-388, DOI: 10.1002/9781118557723.ch45.
• [28] Pisera A.: What can we learn about siliceous sponges from palaeontology. Boli. Mus. Ist. Biol. Univ. Genova2004, vol. 68, pp. 55-69.
• [29] Reijers T.J.A.: Sedimentology anddiagenesis as 'hydrocarbon exploration tools 'in the Łatę Permian Zechstein-2 Carbonate Member (NE Netherlands). Geologos 2012, vol. 18, no. 3, pp. 163-195,001: 10.2478/vl0118-012-0009-x.
• [30] Reitner J.: Modern cryptic microbialite/metazoan facies from Łizard Islands (Great barrier Reef, Australia) formation and concepts. Facies 1993, vol. 29, pp. 2-40.
• [31] Reitner J., Neuweiler F., Gautret P.: Modern andfossil automicrites: Implications for mud mound genesis. [W:] Reitner J., Neuweiler F. (coordination) Mud Mounds: A polygenic spectrum of fine-grained carbonate buildups. Facies 1995, vol. 32, pp. 4-17.
• [32] Roniewicz E.: Jurajskie korale w Polsce. Tomy Jurajskie 2004, vol. 2, pp. 83-97.
• [33] Roniewicz E.: Kimmeridgian-Yalanginian reef coralsfrom the Moesian Platform from Bulgaria. Annales Societatis Geologorum Poloniae 2008, vol. 78, no. 2, pp. 91-134.
• [34] Sandberg P. A.: Ań oscillating trend in Phanerozoic non-skeletal carbonate mineralogy. Naturę 1983, no. 305, pp. 19-22.
• [35] Singhal B.B.S., Gupta R.P.: AppliedHydrogeology ofFractured Rocks (second edition). Wyd. Springer Dordrecht Heidelberg London New York 2010, 408 p., DOI: 10.1007/978-90-481-8799-7.
• [36] Stolarski J.: Three-dimensional micro- and nanostructural characteristics of the seleractinian coral skeleton: A biocalcificationproxy. Acta Palaeontologica Polonica 2003, vol. 48, issue 4, pp. 497-530.
• [37] Strzetelski W.: Rozwój procesów stylolityzacji i deformacji epigenetycznych w aspekcie roponośności piaskowców kwarcytowych kambru środkowego w rejonie Żarnowca. Rocznik Polskiego Towarzystwa Geologicznego 1977, vol. 47, no. 4, pp. 559-584.
• [38] Świerczewska-Gładysz E.: Gąbki z górnego turonu i dolnego koniaku niecki opolskiej - aktualny stan badań. [W:] Kędzierski M. i Kołodziej B. (red.), XXII Konferencja Naukowa Sekcji Paleontologicznej Polskiego Towarzystwa Geologicznego, „Aktualizm i antyaktualizm w paleontologii", Tyniec 27-30.09.2013, Materiały Konferencyjne, pp. 61-62.
• [39] Trammer J.: Middle to Upper Oxfordian sponges ofthe Polish Jura. Acta Geologica Polonica 1989, vol. 39, no. 1-4, pp. 49-91.
• [40] Uriz M.J.: Mineral skeletogenesis in sponges. Canadian Journal Zoology 2006, vol. 84, no. 2, pp. 322-356, DOI: 10.1139/z06-032.
• [41] Yierek A.: Przejawy procesów metasomatycznych w wapieniach górnej jury z okolic Krakowa. Przegląd Geologiczny 2003, vol. 51, no. 6, pp. 507-516.
• [42] Watanabe Y., Lenoir N., Hali S.A., Otani J.: Strainfield measurements in sand under triaxial compression using X-ray CT data and digital image correlation. [W:] Alshibli K.A., Reed A.H. (eds.): Advances in Computed Tomography for Geomaterials: GeoX 2010. Wiley 2010, pp. 76-83. DOI: 10.1002/9781118557723.ch9.
• [43] Wendt J.: Thefirst aragonitic rugose coral. Journal of Paleontology 1990, vol. 64, no. 3, pp. 335-340.
• [44] Withjack E.M., Devier C., Michael G.: The role ofX-ray Computed Tomography in córę analysis. 83467 SPE Journal Paper 2003, pp. 1-12.
• [45] Yun T.S., Jeong Y.J., Kim K.Y., Min K.-B.: Evaluation ofrock anisotropy using 3D X-ray computed tomography. Engineering Geology 2013, vol. 163, pp. 11-19, DOI: 10.1016/j.enggeo.2013.05.017.
• [46] Wilkinson B.H.: Biomineralization, paleoceanography and the evolution ofcalcareous marinę organisms. Geology 1979, vol. 7, pp. 524-527.
• [47] Wolański K., Zarudzki W., Kiersnowski H., Dohnalik M, Drabik K.: Wykorzystanie tomografii komputerowej w badaniu rdzeni skał. Nafta-Gaz 2016, no. 12, pp. 1035-1042, DOI: 10.18668/NG.2016.12.04.
• [48] Zalewska J. (red.): Rentgenowska mikrotomografia komputerowa w badaniu skał węglanowych. Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu 2010, no. 171, 263 p.
• [49] Zalewska J., Kaczmarczyk J., Dohnalik M., Cebulski D., Poszytek A.: Analiza własności zbiornikowych skał węglanowych z wykorzystaniem mikrotomografii rentgenowskiej. Nafta - Gaz; 2010, no. 8, pp. 653-662.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).