Diagenesis, porosity and reservoir potential of the Karchowice and Diplopora Beds (Muschelkalk) in Upper Silesia

Praca rekonstruuje historię diagenetyczną i oszacowuje potencjał zbiornikowy warstw karchowickich i diploporowych wapienia muszlowego na Śląsku Opolskim oraz ewolucję sytemu porowego obu formacji w wyniku procesów diagenetycznych. Badania obejmowały prace terenowe (profilowanie i pobór 160 próbek), obserwacje zgładów, obserwacje mikroskopowe 49 płytek cienkich w świetle przechodzącym spolaryzowanym oraz katodoluminescencji, analizę składu izotopów stabilnych węgla i tlenu metodą proszkową, badania porowatości metodą porozymetrii helowej i przepuszczalności przy użyciu azotu orazkomputerową analizę obrazu.Badane utwory stanowią facje okołorafowe, rafowe i lagunowe płytkiej platformy węglanowej strefy subtropikalnej. Charakteryzują się one wysokimzróżnicowaniem litofacjalnym i asymetrycznym rozkładem facji, przez co część zachodnia obszaru badań (kamieniołomy Kamień Śląski i Tarnów Opolski) reprezentuje facje płytsze z rafami i wysokoenergetycznymi piaskami węglanowymi, a część wschodnia (kamieniołomy Szymiszów i Strzelce Opolskie) odpowiada głębszej części zbiornika z facjami przedrafia i zdominowana jest przez firmgroundy i tempestyty. Pionowa i pozioma zmienność facjalna badanych formacji zadecydowała o zróżnicowanej diagenezie oraz o kompleksowym systemie porowym i występowaniu skrajnie odmiennych właściwości zbiornikowych.Utwory te przeszły złożoną diagenezę obejmującą szereg procesów związanych z różnymi fluidami (normalnomorskie, solanki i meteoryczne) i warunkami diagenetycznymi (wczesnomorskie, pogrzebania oraz ekshumacji). Rozpoznano następujące procesy (w kolejności od najstarszych): 1) wczesną cementację; 2) dolomityzację z refluksu wody ewaporatowej; 3) sylifikację przez uruchamianie krzemionki z gąbek krzemionkowych; 4) rozpuszczanie (pierwszy epizod) o nieznanej przyczynie; 5) spękanie (pierwszy epizod); 6) cementację kalcytem w pogrzebaniu; 7) kompakcję chemiczną; 8) spękanie (drugi epizod) związany z inwersją rzeźby i ekshumacją sukcesji pod koniec kredy; oraz 9) rekrystalizację, rozpuszczanie (drugi epizod), dedolomityzację i cementację kalcytem, precypitację tlenków Fe i powstanie pierścieni Lieseganga w warunkachtelogenezy i działalności wody meteorycznej. Skały wykazują zróżnicowaną porowatość wahającą się od zera do 39,7 %. System porowy jest zróżnicowany i obejmuje makro-, mezo- i mikropory, które bardzo często występują obok siebie. Jednak niezależnie od wielkości większość porów pochodzi z późnego rozpuszczania różnych elementów skały, głównie wypełnień nor Balanoglossites, osadu międzygąbkowego czy kryształów dolomitów. Najlepszymi właściwościami zbiornikowymi charakteryzują się kompleksy kawerniste (obejmujące silnie zbioturbowane przez Balanoglossites mudstone’y i wackestone’y, przeławicane packstone’ami peloidowymi i krynoidowo-bioklastycznymi) oraz biohermy gąbkowe, które charakteryzują się wysoką porowatością oraz dobrą połączonością i korzystną przepuszczalnością, co wynika z obecności makroporów rozpuszczeniowych. Gorsze właściwości zbiornikowe mają kompleksy firmgroundowo-bioklastyczne oraz kompleks przejściowy.

The thesis reconstructs the diagenetic history and reservoir potential of theKarchowice and Diplopora Beds in the Muschelkalk of the Opole region, southern Poland, as well as the evolution of their pore system due to diagenetic processes. The study included field work (logging bed by bed and collecting 160 samples), observations of rock slabs, microscopic observations of 49 thin sections in polarized transmitted light and cathodoluminescence, bulk analysis of carbon and oxygen stable isotope composition, porosity studies with helium porosimetry and nitrogen permeability, and computer image analysis. The strata represent circumreefal, reefal and lagoonal facies of a shallow carbonate platform in the subtropical climate. Both formations are characterised by high lithofacies variability, with an asymmetric facies distribution, so that the western part of the study area (Kamień Śląski and Tarnów Opolski quarries) represents a shallower, proximal zone with reefs and high-energy carbonate sands, whereas the eastern part (Szymiszów and Strzelce Opolskie quarries) corresponds to the deeper part of the basin with forereef sediments dominated by firmgrounds and tempestites. The vertical andhorizontal lithofacies variability determines the complex pore system and theoccurrence of remarkably different reservoir properties throughout the succession.The formations have undergone complex diagenesis comprising a suite ofevents related to various fluids (marine, saline and meteoric) and variousdiagenetic environments (shallow substratal, burial and telogenic). Theseprocesses include (from the earliest): 1) early cementation; 2) dolomitization by refluxing evaporite brines; 3) silicification due to mobilisation of silica fromsiliceous sponges; 4) dissolution (first episode) of uknown origin; 5) fracturing (first episode); 6) burial calcite cementation; 7) chemical compaction; 8) fracturing (second episode) associated with uplift and exhumation since the Late Cretaceous; and 9) recrystallization, dissolution (second episode), dedolomitization, calcite cementation, precipitation of iron oxides and formation of Liesegang rings in the telogenetic stage and under the influence of meteoric water. The strata display variable porosity between zero and 39,7%. The pore system is highly complex and comprises macro-, meso- and micropores that very often co-occur together. However, much of the porosity was created by late dissolution of different features, mainly infill of Balanoglossites burrows, sediment between sponge automicrite or dolomite crystals. The best reservoir properties occur in cavernous limestones (formed of Balanoglossites mudstones and wackestones, alternated with peloidal and crinoidal-bioclastic packstones) and sponge bioherms, which overall exhibit high porosity values with good pore connectivity and adequate permeability. Poorer reservoir properties typify firmground-bioclastic complexes and transitional complex.