Preliminary results of the microstructural and textural characterization of compaction bands affecting four porous carbonate formations

Based upon the nature and organization/shape of the constituting elements (grains, pores, cement, minerals etc.), which are strongly related to the depositional setting, and in relation to their diagenetic evolution, carbonate rocks are characterised by a wide range of porosity (f). The progressive burial of calcium-rich sediments, subsequently to deposition, is responsible for the progressive change of the boundary conditions (i.e. stress field, pressure and temperature, fluid composition) controlling the diagenetic processes. The interplay among the different boundary conditions and the resulting rock rheology is responsible for the development of tectonic structures within the lithified sediments. These structures may be sub-horizontal in origin, parallel to bedding and orthogonal to the loading vertical axis. In this case, the bed-parallel loading-related tectonic structures are, mechanically speaking, anti-cracks consisting in pressure solution seams, in low-f[U+F020]carbonates, and/or compaction bands in high-f carbonates. Concerning bed-parallel compaction bands, a few papers recently documented these elements in carbonate rocks. By integrating field observations and laboratory analysis, this study aims to identify and characterize the microstructure and texture of bed-parallel compaction bands present in four different porous carbonates formations, Orfento, Bolognano, Ragusa and Favignana’s carbonate grainstones, respectively. These carbonates are characterized by different ages, depositional settings, diagenetic and tectonic histories. The Orfento Formation, late Cretaceous in age, crops out in the Majella Mountain of central Italy. This formation consists of a carbonate grainstone with a porosity of about 30% and a maximum overburden comprised between 700 and 1200 m. The Bolognano Formation, Miocenic in age, also crops out in the Majella Mountain. The lower member of this formation is made up of a carbonate grainstone with a porosity ranging between 20 and 30% and maximum overburden of about 1000 m. The Ragusa Formation, Miocenic in age, crops out in the Hyblean Plateau of Sicily. This formation is comprised of a carbonate packstone with around 14% of clay content and a porosity comprised between 10 and 35%. The maximum overburden of the Ragusa Formation is comprised between 200 and 450 m. The Lower Pleistocene carbonate grainstones of Favignana, offshore Sicily, are characterized by a porosity comprised between 30 and 50% and almost no overburden (up to 30 m). Notwithstanding the compositional, textural and petrophysical differences among the studied carbonate host rocks, we document bed-parallel compaction bands that display, in the field, similar morphological and geometrical characteristics. These characteristics, previously identified as typical for deformation bands, are the positive relief, a lighter color with respect to the host rock, both “bridge” and “eye” structure, and a zonal occurrence. In this work we present the preliminary results of microstructural and textural analyses carried out on thin sections obtained from representative samples of compaction bands collected from each carbonate formation. Based upon the results of our detailed textural analysis, we document both grain and pore size variations within the compaction bands with respect to the parental rock. All the analyzed bed-parallel structures are characterized by lower values of porosity relative to their surrounding host rock, with values down to about 0% (2D observations). The grain size reduction is mainly due to inter-granular pressure solutions, which is predominant in the Orfento Formation. Due to their petrophysical properties, bed-parallel compaction bands should determine a significant heterogeneity and vertical anisotropy in both seismic velocities and hydraulic properties of granular carbonate rocks. On this regard, by mean of detailed density analysis at thin-section scales, we are currently investigating the amount and distribution of stylolites within bed-parallel bands. Preliminary results show that stylolites postdate the bands, which is therefore consistent with a localization of pressure solution controlled by the compactive mechanism due to overburden

The Brittle-Ductile Transition in Porous Limestone Imaged by X-Ray Computed Tomography and Digital Image Correlation

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Preliminary results of fault-related permeability structures associated to the Scicli-Ragusa fault segments, Hyblean Plateau, Sicily

Nella zona di Ragusa (Plateau Ibleo, Sicilia sud-orientale) la presenza di bitume all’interno di rocce carbonatiche di età oligo-miocenica, caratterizzate da una porosità primaria oggi compresa tra 0 e 10% (Formazione Ragusa, permette di osservare il ruolo esercitato da faglie e fratture nella circolazione degli idrocarburi. Con l’obiettivo quindi di effettuare studi mirati alla caratterizzazione petrofisica delle diverse tipologie di faglie e fratture affioranti, è stato condotto uno studio di terreno preliminare, che ha permesso la definizione dell’assetto geologico-strutturale della porzione occidentale del Plateau Ibleo, lungo il sistema di faglie denominato Scicli-Ragusa. Inoltre, sulla base dei dati acquisiti lungo le faglie viene effettuata una preliminare valutazione delle loro permeabilità strutturale. Mediante il rilevamento di terreno è stata realizzata una carta geologica a scala 1:25.000 lungo il sistema di faglie denominato Scicli-Ragusa. Inoltre, un analisi stratigrafica di dettaglio ha consentito di definire lo spessore e la distribuzione dei diversi membri e sotto-membri appartenenti alla Formazione Ragusa. Sulla base dei dati acquisiti è stato possibile identificare i diversi set di faglie affioranti e di valutare i rigetti dei singoli segmenti di faglia. Le faglie appartenenti al sistema di Scicli-Ragusa, sono orientate (i) NNE-SSO, con una cinematica prevalente di tipo trascorrente destro, (ii) NE-SO con una cinematica di tipo normale e (iii) ENE-OSO con un cinematica trascorrente di tipo sinistro. Indipendentemente dalla loro cinematica, sulla base dei loro rigetti le faglie affioranti sono state raggruppate in quattro diverse categorie: (a) “incipienti” (con rigetti di pochi cm), (b) “piccole” (con rigetti fino al m),(c) “medie” (con rigetti di decine di m) e (d) “grandi” (con rigetti di centinaia di m). Le faglie “incipienti”, presenti negli strati poco porosi (Ф5%) si rinvengono principalmente single shear band o shear band zone. Nelle faglie “piccole” le superfici di taglio si presentano discontinue con fault core isolati, costituiti principalmente da breccia di faglia e damage zone per lo più assente; le faglie “medie” presentano sempre fault core sottili e discontinui (breccia e/o cataclasite) ma damage zone spesse e ben sviluppate. Le faglie “grandi” sono costituite da fault core (breccia cementata o cataclasite) di spessore metrico e superfici di taglio ben sviluppate circondate da damage zone spesse decine di metri. Poiché la permeabilità delle faglie, come ampiamente dimostrato in letteratura, è fortemente influenzata dalla loro archittura interna, possiamo interpretare i dati ottenuti in termini di permeabilità strutturale. Le faglie “grandi” si comportano verosimilmente da sistemi condotto-barriera, in cui la circolazione dei fluidi avviene principalmente all’interno delle damage zone (in direzione parallela alla faglia), ma al contempo è inibita dai fault core impermeabili (in direzione perpendicolare alla faglia). Nelle faglie “medie” e “piccole” i core, anche se impermeabili, sono comunque discontinui; quindi queste faglie possono rappresentare nel complesso dei condotti idraulici localizzati. Per quanto riguarda invece le faglie “incipienti”, e le strutture deformative di background presenti all’interno dell’host rock, esse possono agire sia da barriera (compactive shear band, compactive shear band zone, compaction band e stiloliti) che da condotto (joint, joint e stiloliti andati in taglio) al flusso dei fluidi