Original paper

Influence of depositional environment and diagenesis on petrophysical properties of clastic sediments (Buntsandstein of the Thuringian Syncline, Central Germany)

Beyer, Daniel; Kunkel, Cindy; Aehnelt, Michaela; Pudlo, Dieter; Voigt, Thomas; Nover, Georg; Gaupp, Reinhard

Kurzfassung

Sandsteine des Buntsandsteins (Trias) in Thüringen wurden untersucht, um den Einfluss von Ablagerungsmilieu und Diagenese auf die Entwicklung des Porenraums und der Permeabilität im Gestein zu bestimmen. Die folgenden Ablagerungstypen wurden für die Sandsteine des Buntsandsteins in Thüringen unterschieden: lakustrin, fluviatil, äolisch und Sandebene. Petrophysikalische Ergebnisse zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen dem damaligen Ablagerungsraum und den heutigen petrophysikalischen Eigenschaften. Sandsteinproben aus Bohrungen und von Aufschlüssen zeigen einen Zusammenhang zwischen dem Ablagerungstyp und dessen Permeabilität. Petrographische Analysen zeigen, dass Karbonat- und Sulfatzemente die Porosität erheblich verringern und die Menge an vorkommendem Zement mit dessen Faziestyp korreliert: ein hoher Gehalt an Karbonatzement (6 %) und ein niedriger Gehalt an Sulfatzement (1 %) in den lakustrinen Sandsteinen; mittlere Gehalte an Karbonat- und Sulfatzement (2 % bis 5 %) in den Sandsteinen der Sandebene und in den fluviatilen Sandsteinen; ein geringer Karbonat- (3 %) und ein hoher Sulfatgehalt (7 %) in den äolischen Sandsteinen. Kommen Ooide im Gestein vor, so sind diese der Hauptgrund für eine karbonatische Zementierung, wohingegen die Menge an Sulfatzement an die Größe detritischer Körner gebunden ist. Die Sandsteine haben 8 % bis 12 % ihrer Porosität durch Zementation verloren, aber die Hauptursache für den Porositätsverlust (ca. 26 %) in den Sandsteinen ist die mechanische Kompaktion. Diese wird besonders intensiv durch den Gehalt an Ton und an gefügestützendem Quarzzement beeinflusst, was wiederum vom ursprünglichen Ablagerungsmilieu abhängig ist. Auch die Permeabilität in den Formationen des Buntsandsteins im Zentrum der Thüringer Senke ist abhängig vom vorherrschenden Lithofaziestyp: Feinsandige lakustrine Sandsteine des Unteren Buntsandsteins zeigen eine geringe Permeabilität (ca. 4 mD), während die Sandsteine des Mittleren Buntsandsteins (vom Faziestyp Sandebene, fluviatil und äolisch) moderate bis hohe Permeabilitäten (27 mD bis 108 mD) zeigen.

Abstract

Sandstones of the Triassic Buntsandstein in central Germany were analysed to reveal the influence of facies and diagenesis on pore space evolution and petrophysical properties. The Thuringian Buntsandstein records fluvial, sandflat, lacustrine and aeolian environments. Petrophysical data imply a strong control of facies on porosity and permeability. Petrographic analysis has been used to calculate the mineralogical influence on the diagenesis and petrophysical aquifer evolution. The study reveals the importance of carbonate and sulphate cements for cementational porosity loss in the sandstones. The amount of cement is related to the original depositional environment: high carbonate (6 %) and low sulphate (1 %) cement content in the lacustrine sandstones; medium carbonate and sulphate cement (2 % to 5 %) in the sandflat and fluvial sandstones; low carbonate (3 %) and high sulphate (7 %) cement content in the aeolian sandstones. The presence of ooids is crucial for carbonate cementation whereas sulphate cementation is largely controlled by the size of detrital grains. The sandstones lost 8 % to 12 % porosity by cementation, but the dominant reason for porosity loss is with ca. 26 % the mechanical compaction, which is controlled by facies-dependent clay and mud availability and the amount of framework-stabilising quartz cement. The permeabilities of the potential aquifers/reservoirs in the Buntsandstein in the centre of the Thuringian Syncline depend on their predominant depositional facies: fine-grained lacustrine sandstones in the Lower Buntsandstein have low permeabilities (about 4 mD); conversely, Middle Buntsandstein sandflat, fluvial and aeolian sandstones are moderately to highly permeable (27 mD to 108 mD).

Keywords

aquifer propertiesbuntsandsteincementationdepositional environmentdiagenesispermeabilitypetrophysical propertiespore space evolutionporosityreservoir qualitythuringian basinthuringian synclinetriassic