Tectônica, controle estratigráfico e circulação de fluidos na formação do carste hipogênico - Bacia de Irecê, Cráton São Francisco

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Geologia, 2021.O estudo dos sistemas cársticos e dos fluidos que geram porosidade nas rochas carbonáticas são de fundamental importância para reservatórios de petróleo e aquíferos. Os objetivos da presente tese são investigar (1) o papel da fácies sedimentares e da estratigrafia de zonas de alta permeabilidade e cavernas originadas por fluidos ascendentes; e (2) a distribuição, mineralogia e composição isotópica de depósitos hidrotermais ao longo de um sistema de falha strike-slip e suas rochas hospedeiras. Realizamos ambos os estudos na Formação Salitre, Neoproterozóico (700-560 Ma), Cráton São Francisco, Brasil. O primeiro estudo foi realizado nas cavernas Toca da Boa Vista (~ 107 km de extensão) e Toca da Barriguda (~ 34 km), sistema TBV-TBR, na Bacia de Irecê (Campo Formoso, BA) e formam o maior sistema de cavernas da América do Sul. O segundo estudo foi realizado no sistema de falhas Cafarnaum, que separa a Formação Salitre (bloco oeste na Bacia do Irecê) e o Grupo Chapada Diamantina (bloco leste, área do Morro do Chapéu). A presente tese usa uma combinação de análise de fácies sedimentares, análise estrutural, petrografia, microscopia eletrônica de varredura, petrofísica, isótopos e inclusões fluidas. Os principais resultados indicam que o sistema cárstico TBV-TBR é composto por cinco unidades estratigráficas principais, da base para o topo: (a) grainstone oolítico com estratificação cruzada, (b) grainstone fino com nódulos de chert, (c) carbonato microbial, (d) siliciclásticos finos e margas; e (e) grainstone cristalino intercalado com camadas de chert. Essas cavernas foram desenvolvidas pelo fluxo de fluido ascendente (hipogênese) ao longo de fraturas, que eram seladas pelas unidades (d) e (e). O fluido então se espalhou lateralmente ao longo das unidades (a), (b), (c), onde a carstificação ocorreu e onde os principais condutos da caverna foram formados. A falha de Cafarnaum é uma estrutura transcorrente, com direção N-S, vertical e extensão de ~ 170 km de comprimento. A zona de influência da falha de Cafarnaum tem aproximadamente 20 km de largura à partir da falha principal. Veios de calcita nas rochas carbonáticas apresentam fluidos meteóricos com δD próximo a -45 ‰ e δ18O próximo a -6,5 ‰ e temperaturas de 40-70°C. Em contraste, brechas hidráulicas na zona de falha apresentam valores de δ18O muito mais baixos, indicando temperaturas de cristalização mais altas e fontes mais profundas. Estes resultados são essenciais para a compreensão do comportamento da porosidade-permeabilidade em sistemas cársticos e da origem, mineralogia e composição isotópica de fluidos no sistema strike-slip. Esses resultados podem ser aplicados a reservatórios e aqüíferos carbonáticos carstificados e fraturados.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The study of karst systems and the fluids that generate porosity in carbonate rocks are of primary importance for oil reservoirs and aquifers. The objectives of the present thesis are to investigate (1) the role of sedimentary facies and stratigraphy of high-permeability zones and caves originated by deep-seated fluids; and (2) the distribution, mineralogy, and isotope composition of hydrothermal deposits along a strike-slip fault system and its host rocks. We performed both studies in the Neoproterozoic Salitre Formation (700-560 Ma), São Francisco Craton, Brazil. The first study was carried in the Toca da Boa Vista (~107 km long) and Toca da Barriguda (~34 km) caves (TBV-TBR system) in the Irecê Basin (Campo Formoso, BA) and form the longest cave system in South America. The second study was accomplished in the Cafarnaum fault system, which marked the boundary between the Salitre Formation (west block in the Irecê Basin) and the Chapada Diamantina Group (east block, Morro do Chapéu area). The present thesis uses a combination of sedimentary facies analysis, structural analysis, petrography, scanning electron microscopy, petrophysics, isotopes, and fluid inclusions. The main results indicate that the TBV- TBR karst system is composed of five main stratigraphic units, from bottom to top: (a) cross- bedded oolitic grainstone, (b) fine grainstone with chert nodules, (c) microbial carbonate, (d) interbedded fine siliciclastics and marls, and (e) crystalline grainstone interfingered with chert layers. These caves were developed by ascending fluid flow (hypogenesis) along fractures, which were sealed by units (d) and (e). The fluid then spread laterally along units (a), (b), (c), where karstification took place and where the main cave conduits were formed. The strike-slip Cafarnaum fault is a N-S-striking vertical, ~170 km long fault zone. The zone of the influence of the Cafarnaum fault is ~20 km wide from the main fault. Calcite veins in carbonate rocks exhibit meteoric fluids with δD near -45‰ and δ18O near -6.5‰ and temperatures at 40-70°C. In contrast, hydraulic breccias in the fault zone present much lower δ18O values indicating higher crystallization temperatures and deeper sources. These results are essential for understanding porosity-permeability behavior in karst systems and the origin, mineralogy, and isotope composition of fluids in the strike-slip system. These results could be applied to carbonate karstified and fractured oil reservoirs and aquifers

CONTROLE ESTRUTURAL DO SISTEMA CÁRSTICO EPIGENÉTICO NA FORMAÇÃO JANDAÍRA, BACIA POTIGUAR

Este trabalho focou sobre os efeitos das fraturas na morfogênese do carste epigênico na Formação Jandaíra, Bacia Potiguar. A Formação Jandaíra é uma plataforma carbonática Turoniana-Campaniana que se desenvolveu durante a fase pós-rifte da margem Equatorial, durante a separação entre as placas Africana e Sul-americana. Esta unidade é a principal exposição de rochas carbonáticas Cretáceas em bacias sedimentares brasileiras e abriga um grande número de cavernas e outras feições cársticas. O carste epigênico ocorre em carbonatos fraturados submetidos à dissolução química. A metodologia deste estudo compreendeu o uso de imagens de veículo aéreo não tripulado (VANT) e o mapeamento de campo de um amplo afloramento e de cavernas. A área de estudo é o Lajedo Rosário, um afloramento com 1,5km x 0,5km de dimensões, localizado na parte sul da bacia. Os resultados indicam quatro principais direções de fraturas onde ocorre carstificação: NS, EW, ENE-WSW e NW-SE. As estruturas cársticas ocorrem ao longo de sete padrões estruturais: falhas step-over, fraturas en echelon, interconexão de fraturas, no centro de fraturas, ao término de fraturas, dendrítica e padrão misto. Esses padrões estruturais favorecem a concentração de fraturas e, portanto, a dissolução e o desenvolvimento cárstico. Estes resultados podem ser de grande valia para explicar os sistemas cársticos em outras unidades carbonáticas

Mixed carbonate-siliciclastic sedimentation in a mesoproterozoic storm-dominated ramp : depositional processes and stromatolite development

Records of shallow-marine ramps with the mixing of carbonate and siliciclastic sediments are common throughout the geological time. All these records have pure carbonate and pure siliciclastic deposits as end members, occurring contemporaneously in distinct depositional regions along the ramp, and transitional hybrid facies between them. The two end member can mix in different scales and can alternate in time due to climatic changes and regressions and transgressions. This work presents a detailed reconstruction of a Mesoproterozoic storm-dominated mixed carbonate-siliciclastic ramp composed of hybrid sediments and whithout the presence of pure siliciclastic or carbonate deposits, a rare example in the geological record. Based on a high resolution logged section (in 1:20 scale) and qualitative thin sections, eleven lithofacies were identified and grouped into three lithofacies associations (offshore, offshore transition and shoreface), which are stacked vertically forming a transgressive–regressive cycle. This faciological distribution indicates a low relief ramp with wide microbial colonization from shallow to relatively deep waters (below storm-wave base level). In offshore low-energy distal areas, microbial mats spread laterally over large distances with little or no interference from currents, while in the offshore transition the morphology of the bioherms is shaped by currents induced by waves. In turn, the high wave energy in the shoreface inhibits the formation of stromatolites, restricting their occurrence to thin layers of microbial carpets or intraclastic lags. The mixing occurs in compositional scale and is relatively homogeneous along the whole logged interval, independent of the shifts in lithofacies or lithofacies associations. This compositional homogeneity is linked to the wide distribution and regularity in the input of siliciclastic sediments during the sedimentary accumulation. Strong currents induced by storms allow the transport and mixing of siliciclastic sediments with carbonate grains generated in the basin during fair-weather periods