Estudio de la mineralogía y geoquímica del Sistema Vaca Muerta-Quintuco (Tithoniano-Valanginiano) de la Cuenca Neuquina y su implicancia en las reconstrucciones paleoambientales, p...

• Autores: Capelli, Ignacio Andrés
• Año de publicación: 2021
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Scasso, Roberto Adrián; Cravero, María Fernanda
• Materia: MINERALES DE ARCILLA; INTERESTRATIFICADOS ILLITA/ESMECTITA; FORMACION VACA MUERTA; MATERIA ORGANICA; MADUREZ TERMAL; CONDICIONES PALEOREDOX; PALEOPRODUCTIVIDAD; CLAY MINERALS; MIXED-LAYER ILLITE/SMECTITE; VACA MUERTA FORMATION; ORGANIC MATTER; THERMAL MATURITY; PALEOREDOX; PALEOPRODUCTIVITY
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El sistema Vaca Muerta-Quintuco (Tithoniano-Valanginiano) de la Cuenca Neuquina es una secuencia marina, constituida principalmente por fangolitas y margas con alto contenido de carbono orgánico total (COT). El sistema representa la transición paleoambiental desde un ambiente de rampa carbonática (Fm. Vaca Muerta) a un ambiente marino mixto siliciclástico-carbonático (Fm. Quintuco). La Fm. Vaca Muerta es objetivo de exploración de hidrocarburos no-convencionales y es considerada internacionalmente como uno de los plays más exitosos fuera de los Estados Unidos. Con el fin de mejorar el entendimiento de los procesos sedimentarios, paleoambientales y climáticos que regularon la mineralogía y geoquímica del sistema, se realizó un estudio detallado de las Fms. Vaca Muerta y Quintuco, y unidades temporalmente equivalentes (Fm. Picún Leufú) en cinco afloramientos ubicados en la Faja Plegada y Corrida, dispuestos en una transecta sur-norte de 360 km de longitud. La transecta abarca tres regiones geográficas de la cuenca, que difieren en su historia geológica: Zapala (sur de Neuquén), Chos Malal (norte de Neuquén) y Malargüe (sur de Mendoza). Los resultados incluyen observaciones petrográficas, mineralogía de roca total, mineralogía de arcillas (fracción <2 μm), geoquímica de los elementos mayoritarios y traza, contenido de COT, tipo, madurez y composición isotópica del carbono de la materia orgánica (δ^13Corg). La combinación de las técnicas utilizadas permitió inferir cambios en las condiciones paleoambientales y paleoclimáticas durante el Tithoniano-Valanginiano, como así también caracterizar los procesos diagenéticos. La distribución vertical de la mineralogía de arcillas en la Fm. Vaca Muerta presenta tres controles principales: el área fuente, la madurez térmica y el clima en el continente. En la región de Zapala la materia orgánica (MO) se encuentra inmadura y la mineralogía de arcillas se compone principalmente por esmectita, producto de procesos pedogenéticos en suelos volcánicos del Macizo Nordpatagónico. En la región de Chos Malal, la MO se encuentra sobremadura y la mineralogía de arcillas se constituye de interestratificados illita/esmectita (I/S) con ordenamiento R1 a R3 (80–90 % a >90 % de illita), generados a partir de la transformación de esmectita a illita durante el soterramiento. Por otro lado, en la región de Malargüe la MO se encuentra madura y la mineralogía de arcillas se constituye principalmente de illita, caolinita e I/S (R1). El predominio de illita y caolinita en la región de Malargüe sugiere un origen para los minerales de arcilla a partir de la meteorización de riolitas/dacitas del Gr. Choiyoi del Bloque de San Rafael, ubicado al este del área. El estudio de elementos traza redox sensitivos (e.g., Mo, U, V, Ni, Cu, Th/U) indican que durante la acumulación de la Fm. Vaca Muerta en el área de Chos Malal predominaron condiciones de anoxia/euxinia en el fondo marino, aunque se sugieren episodios de oxigenación de corta duración a partir del enriquecimiento en fósforo de las fangolitas y de la presencia ocasional de bioturbación. Se observa una tendencia de disminución vertical en el COT de la Fm. Vaca Muerta, y se destacan dos intervalos estratigráficos de alto COT: uno del Tithoniano inferior a superior y otro del Berriasiano inferior. La disminución progresiva en el COT se asocia a una disminución en la productividad de la columna de agua, que a su vez generó un incremento progresivo en la oxigenación del fondo marino. El principal tipo de querógeno de la Fm. Vaca Muerta es tipo II a II/III (fito y zoo-plancton marino), en concordancia con los valores obtenidos del δ^13Corg(~ -29 ‰ VPDB) que sugieren un predominio de MO marina. Una excepción a esta tendencia general se registra en la transgresión tithoniana basal (V. andesensis a A. proximus), donde los mayores valores del δ^13Corg (~ -25 ‰ VPDB) sugieren un incremento en el aporte de MO terrestre. La combinación de la mineralogía de arcillas, la geoquímica y la estratigrafía sugieren que durante el Tithoniano las condiciones climáticas en el continente alternaron entre condiciones de mayor y menor humedad, en donde los depósitos carbonáticos del Mb. Los Catutos de la Fm. Vaca Muerta (A. proximus a W. internispinosum) reflejarían las condiciones de mayor aridez, posiblemente en respuesta a un fenómeno climático global. Luego, el progresivo incremento de caolinita registrado en la región de Malargüe sugiere un cambio hacia condiciones climáticas de mayor humedad en el Berriasiano inferior (S. koeneni a A. noduliferum), propiciando la fertilización del mar y dando lugar a un incremento en la producción de MO. Finalmente, en el Valanginiano inferior del área de Chos Malal se observa el progresivo desarrollo de depósitos mixtos carbonáticos/siliciclásticos (Mb. Puesto Barros) a siliciclásticos (Mb. Cerro La Visera) de la Fm. Quintuco, donde el aporte progresivo de material clástico dio lugar al establecimiento de un sistema progradante. La progradación del sistema se da en un contexto de mayor humedad en el continente y en la base del Mb. Cerro La Visera (L. riveroi) se registra un cambio abrupto en el δ^13Corg (de hasta 4.2 ‰) que marca el inicio de la perturbación global del δ^13C conocida como “Evento Weissert”. Los resultados obtenidos en el presente trabajo de tesis permiten mejorar las correlaciones estratigráficas y mineralógicas del sistema Vaca Muerta-Quintuco y extrapolarlas al subsuelo, contribuyendo así a optimizar la explotación de la Fm. Vaca Muerta como reservorio de hidrocarburos tipo shale.
The Vaca Muerta-Quintuco system (Tithonian-Valanginian) is an organic-rich, marine succession deposited in the Neuquén Basin and mostly constituted by marls and mudstones. The system represents the paleoenvironmental transition from a carbonate ramp (Vaca Muerta Formation) to a mixed siliciclastic/carbonatic progradational system (Quintuco Formation). The Vaca Muerta Formation is an unconventional hydrocarbon shale reservoir and is regarded as one of the most successful unconventional plays outside the United States. In order to perform a paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction, the mineralogy and geochemistry of the Vaca Muerta and Quintuco Formations, and temporarily equivalent units (Picún Leufú Formation), were studied in five outcrops located in the Fold and Thrust Belt and placed in a 360 km-long transect. The transect encompasses three areas of the basin characterized by different geological histories: Zapala (southern Neuquén Province), Chos Malal (northern Neuquén Province) and Malargüe (southern Mendoza Province). The results obtained include petrographic observations, bulk mineralogy, clay mineralogy (<2 μm fraction), geochemistry of major and trace elements, total organic carbon (TOC), type, maturation and carbon isotope composition of the organic matter (δ^13Corg). The multi-proxy analysis allowed to infer changes in the paleoenvironmental and paleoclimatic conditions occurring during the Tithonian-Valanginian and also to unravel the diagenetic processes that occurred through overburden. The vertical distribution of the clay mineralogy in the Vaca Muerta Formation is mainly driven by three factors: the source area of the sediment, the thermal maturity and the paleoclimate in the hinterlands. In the Zapala area, the organic matter (OM) is immature and the clay mineralogy is mostly constituted by smectite, which was developed from volcanogenic soils in the North Patagonian Massif. In the Chos Malal area, the OM is overmatured, whereas the clay mineralogy is mostly constituted by mixed-layer illite/smectite (I/S). The I/S present an ordering type R1 to R3 (80–90 % to >90 % of illite) and they resulted from the illitization of former smectite layers through overburden. Conversely, in the Malargüe area the OM is matured and the clay mineralogy is constituted by illite, kaolinite and I/S (R1). The contribution of illite and kaolinite in the Malargüe area suggests that the clay minerals were generated through the weathering of rhyolites/dacites of the Choiyoi Group of the San Rafael Block, located to the east of the area. The study of the redox sensitive trace elements (e.g., Mo, U, V, Ni, Cu, Th/U) in the Chos Malal area indicates that during the accumulation of the Vaca Muerta Formation the sea bottom was mostly anoxic/eunixic, although short periods of enhanced oxygenation occurred, as inferred from the enrichment in phosphorus and the presence of bioturbation. An overall decreasing trend of the TOC is recorded throughout the Vaca Muerta Formation and two organic-rich intervals are highlighted: the first one is developed in the lower to late Tithonian whereas the second one in the lower Berriasian. The progressive decreasing trend recorded in the TOC is associated to the decrease of the productivity in the water column, which also triggered an increment of the oxygenation in the sea bottom. The main type of kerogen in the Vaca Muerta Formation is II to II/III (phyto-and marine zooplankton), in agreement with the values of δ^13Corg (~ -29 ‰ VPDB) that suggest marine OM. An exception to this is recorded in lower Tithonian transgression (V. andesensis to A. proximus) where the δ^13Corg values (~ -25 ‰ VPDB) suggest an increment in the contribution of terrestrial OM. The combination of the clay mineralogy, geochemistry and stratigraphy suggeststhat during the Tithonian the climate alternated between more arid and more humid conditions. Within this context, the development of the carbonate deposits of Los Catutos Member of the Vaca Muerta Formation (A. proximus to W. internispinosum) is associated to more arid conditions, probably linked to a global climatic change. Then, the progressive increment of the kaolinite contribution in the Malargüe area suggests a change towards more humid conditions during the early Berriasian (S. koeneni to A. noduliferum). This paleoclimatic change may have contributed to the fertilization of the ocean, enhancing then the production of marine OM. Then, during the early Valanginian, the increment of the siliciclastic input led to the development of a progradational system, first of mixed carbonatic/siliciclastic composition (Puesto Barros Member, Quintuco Formation) and afterwards of siliciclastic composition (Cerro La Visera Member, Quintuco Formation). At the base of the Cerro La Visera Member (later early Valanginian, L. riveroi) a change towards heavier values of the δ^13Corg (up to 4.2 ‰) marks the onset of the global carbon excursion, also known as the “Weissert Event”. The results obtained in this thesis will allow better stratigraphic and mineralogical correlations of the Vaca Muerta-Quintuco system in the subsurface, leading to a better characterization of the Vaca Muerta Formation as an unconventional oil and gas reservoir.
Fil: Capelli, Ignacio Andrés. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.