Evaluation of the compositional changes during flooding of reactive fluids using scanning electron microscopy, nano-secondary ion mass spectrometry, x-ray diffraction, and whole-rock geochemistry

Outcrop chalk of late Campanian age (Gulpen Formation) from Liège (Belgium) was flooded with MgCl2 in a triaxial cell for 516 days under reservoir conditions to understand how the non-equilibrium nature of the fluids altered the chalks. The study is motivated by enhanced oil recovery (EOR) processes because dissolution and precipitation change the way in which oils are trapped in chalk reservoirs. Relative to initial composition, the first centimeter of the flooded chalk sample shows an increase in MgO by approximately 100, from a weight percent of 0.33% to 33.03% and a corresponding depletion of CaO by more than 70% from 52.22 to 14.43 wt.%. Except for Sr, other major or trace elements do not show a significant change in concentration. Magnesite was identified as the major newly grown mineral phase. At the same time, porosity was reduced by approximately 20%. The amount of Cl− in the effluent brine remained unchanged, whereas Mg2+ was depleted and Ca2+ enriched. The loss of Ca2+ and gain in Mg2+ are attributed to precipitation of new minerals and leaching the tested core by approximately 20%, respectively. Dramatic mineralogical and geochemical changes are observed with scanning electron microscopy–energy-dispersive x-ray spectroscopy, nano secondary ion mass spectrometry, x-ray diffraction, and whole-rock geochemistry techniques. The understanding of how fluids interact with rocks is important to, for example, EOR, because textural changes in the pore space affect how water will imbibe and expel oil from the rock. The mechanisms of dissolution and mineralization of fine-grained chalk can be described and quantified and, when understood, offer numerous possibilities in the engineering of carbonate reservoirs.acceptedVersio

Contribution du flanc ouest des Andes du Nord du Chili aux stades précoces de l'orogenèse Andine : une étude de géologie structurale, thermochronologie et modélisation analogique

Orogenic growth results from long-lasting plate convergence engendering tectonic shortening in association with crustal thickening. This process is, as such, well understood in collisional settings, where two continental plates collide. On the contrary, subduction zones most often do not produce any topographic building, except for volcanism, even if the general tectonic configuration is comparable: the convergence of two plates. However, there exist exceptions with mountain-building in the context of oceanic plate subduction. Along the western margin of South America, the Andes stand as one of the most active convergent plate boundaries and are a modern active caseexample of such subduction- (or Cordilleran-) type orogen. Here, the oceanic Nazca plate plunges beneath the South American continent. The major part of the convergence is absorbed by the subduction megathrust in the form of large earthquakes (magnitude Mw ≥ 8), but a small fraction of this convergence contributes to the deformation of the upper continental plate over millions of years and to the formation of one of the largest reliefs at the Earth’s surface: the Andean Cordilleras and the Altiplano-Puna plateau in between. Andean mountain-building initiated by Late Cretaceous to Early Cenozoic times along the western Andes at the level the Bolivian Orocline (between ~16–22°S), and proceeded since then with the progressive eastward propagation of deformation onto the South American continent. Most of the previous studies have essentially focused on the structures of the Altiplano-Puna plateau and on those of the various cordilleras to the east, whereas the structures of the western Andean flank remain under-studied and their contribution to the significant topographic relief and crustal thickness of this part of the orogen poorly understood. From these points emerge some major unresolved questions, which are addressed in this thesis work: Why did Andean orogeny initiate? Can we more precisely document where and when it initiated along the western flank of the Andes? Can we better resolve how deformation proceeded, in particular in the early stages? To solve these questions, the first part of this work aims at describing the geological structures forming the western Central Andes, quantifying their contribution to crustal shortening and better constraining their timing and kinematics. For that, a structural geology approach is first followed to build new cross-sections, based on field and satellite observations, combined with geomorphology and existing data on seismic profiles, along the West Andean flank in Northern Chili at ~20–22°S. The acquisition and modeling of new low-temperature thermochronological data from the same region in Northern Chile allows to better assess the timing of basement exhumation and from there the timing of initiation and ending of deformation. This work highlight that multikilometric shortening was accommodated by two major structural features within the West Andean flank at ~20–22°S, which are the Andean Basement Thrust (ABT) bringing Paleozoic basement over folded Mesozoic series, and the west-vergent West Andean Fold-and-Thrust-Belt (WAFTB) deforming Mesozoic and Cenozoic sediments. The period of main activity of the WAFTB has been determined between ~68–29 Ma (possibly ~68–44 Ma). The low-thermochronological study allowed for constraining the timing of the exhumation through the ABT, with its main activity between ~100–45 Ma, documenting as such the early stages of Andean orogeny along the West Andean flank at ~20–22°S, and brings new elements of answer to the questions of where, when and how the Andes arised. The second and last part of this thesis investigated the possible conditions that lead to compression and subsequent crustal shortening in the upper plate of a subduction zone. A short series of analog experiments, based on a novel experimental set-up, allowed to explore these questions. (…)Les chaînes de montagnes se forment le long des limites de plaques convergentes par raccourcissement et épaississement de la croûte, en particulier lorsque deux plaques continentales entrent en collision. A l'inverse, les zones de subduction ne sont généralement pas associées à des reliefs (hormis les volcans) et à de la déformation de la plaque supérieure. Il existe cependant des exceptions : le long de la marge ouest de l'Amérique du Sud, les Andes constituent en effet un exemple moderne et actif de telles chaînes, dites de subduction. La majeure partie de la convergence est dans ce cas absorbée le long de l'interplaque de subduction sous la forme de grands séismes, mais une petite fraction de cette convergence contribue à la déformation de la plaque continentale supérieure et à la formation de l'un des plus grands reliefs actuels : la Cordillère des Andes et le plateau de l'Altiplano-Puna. La formation de l'orogène andin a probablement débuté vers la fin du Crétacé - début du Cénozoïque le long du flanc ouest de la chaîne, à ~16'22ºS, et s'est poursuivie depuis par la propagation de la déformation vers l'est, donc vers l'intérieur du continent sud-américain. Si les structures du plateau de l'Altiplano-Puna et des chaînes Est-andins sont maintenant bien connues, celles du flanc ouest restent mal documentées et leur contribution à l'épaississement crustal mal comprise. De ces points émergent plusieurs questions majeures non résolues : Pourquoi les Andes, dans un contexte de subduction ? Où et quand l'orogenèse andine s'est-elle initiée, plus précisément ? Comment la déformation a-t-elle été accommodée le long du flanc ouest, en particulier lors des premiers stades ? Pour répondre à ces questions, la première partie de ce travail documente les structures géologiques formant le flanc ouest des Andes à ~20'22ºS, quantifie leur contribution au raccourcissement andin et apporte des contraintes temporelles sur leur déformation. Pour cela, de nouvelles coupes géologiques sont proposées à partir d'observations de terrain, d'images satellites, de données topographiques et de profils sismiques existants, au Nord du Chili. L'acquisition et la modélisation de nouvelles données thermochronologiques complètent le tableau en documentant l'âge et la durée de l'exhumation du socle. Les résultats indiquent que le raccourcissement multi-kilométrique a été accommodé par deux structures majeures à vergence ouest : l'Andean Basement Thrust (ABT) et le West Andean Fold-Thrust-belt (WAFTB). Le WAFTB a été actif principalement entre ~68'29 Ma (voire ~68'44 Ma), tandis que l'activité de l'ABT a été datée à ~100'45 Ma grâce aux données thermochronologiques. Ces résultats fournissent de nouveaux indicateurs sur les premiers stades andins à ~20'22ºS, et apportent de nouveaux éléments pour répondre à "où", "quand" et "comment" les Andes sont apparues. La deuxième partie de cette thèse étudie les conditions qui amènent au raccourcissement de la plaque continentale au-dessus d'une zone de subduction. Des modèles analogiques, basés sur un dispositif expérimental original, permettent d'explorer ces questions. Ils montrent que la déformation de la plaque chevauchante se produit lorsqu'un flux mantellique sous-jacent pousse la plaque océanique subductante contre le continent, lui-même fixé à une paroi. Pour la première fois à notre connaissance, un modèle analogique ressemblant aux Andes Centrales est proposé, dans lequel la localisation de la déformation est favorisée par une lithosphère continentale pré-structurée et faible. Ces expériences contribuent donc à comprendre "pourquoi" les Andes se sont formées dans un contexte de subduction, et ouvrent des perspectives prometteuses pour de futures études

Contribution du flanc ouest des Andes du Nord du Chili aux stades précoces de l'orogenèse Andine : une étude de géologie structurale, thermochronologie et modélisation analogique

Orogenic growth results from long-lasting plate convergence engendering tectonic shortening in association with crustal thickening. This process is, as such, well understood in collisional settings, where two continental plates collide. On the contrary, subduction zones most often do not produce any topographic building, except for volcanism, even if the general tectonic configuration is comparable: the convergence of two plates. However, there exist exceptions with mountain-building in the context of oceanic plate subduction. Along the western margin of South America, the Andes stand as one of the most active convergent plate boundaries and are a modern active caseexample of such subduction- (or Cordilleran-) type orogen. Here, the oceanic Nazca plate plunges beneath the South American continent. The major part of the convergence is absorbed by the subduction megathrust in the form of large earthquakes (magnitude Mw ≥ 8), but a small fraction of this convergence contributes to the deformation of the upper continental plate over millions of years and to the formation of one of the largest reliefs at the Earth’s surface: the Andean Cordilleras and the Altiplano-Puna plateau in between. Andean mountain-building initiated by Late Cretaceous to Early Cenozoic times along the western Andes at the level the Bolivian Orocline (between ~16–22°S), and proceeded since then with the progressive eastward propagation of deformation onto the South American continent. Most of the previous studies have essentially focused on the structures of the Altiplano-Puna plateau and on those of the various cordilleras to the east, whereas the structures of the western Andean flank remain under-studied and their contribution to the significant topographic relief and crustal thickness of this part of the orogen poorly understood. From these points emerge some major unresolved questions, which are addressed in this thesis work: Why did Andean orogeny initiate? Can we more precisely document where and when it initiated along the western flank of the Andes? Can we better resolve how deformation proceeded, in particular in the early stages? To solve these questions, the first part of this work aims at describing the geological structures forming the western Central Andes, quantifying their contribution to crustal shortening and better constraining their timing and kinematics. For that, a structural geology approach is first followed to build new cross-sections, based on field and satellite observations, combined with geomorphology and existing data on seismic profiles, along the West Andean flank in Northern Chili at ~20–22°S. The acquisition and modeling of new low-temperature thermochronological data from the same region in Northern Chile allows to better assess the timing of basement exhumation and from there the timing of initiation and ending of deformation. This work highlight that multikilometric shortening was accommodated by two major structural features within the West Andean flank at ~20–22°S, which are the Andean Basement Thrust (ABT) bringing Paleozoic basement over folded Mesozoic series, and the west-vergent West Andean Fold-and-Thrust-Belt (WAFTB) deforming Mesozoic and Cenozoic sediments. The period of main activity of the WAFTB has been determined between ~68–29 Ma (possibly ~68–44 Ma). The low-thermochronological study allowed for constraining the timing of the exhumation through the ABT, with its main activity between ~100–45 Ma, documenting as such the early stages of Andean orogeny along the West Andean flank at ~20–22°S, and brings new elements of answer to the questions of where, when and how the Andes arised. The second and last part of this thesis investigated the possible conditions that lead to compression and subsequent crustal shortening in the upper plate of a subduction zone. A short series of analog experiments, based on a novel experimental set-up, allowed to explore these questions. (…)Les chaînes de montagnes se forment le long des limites de plaques convergentes par raccourcissement et épaississement de la croûte, en particulier lorsque deux plaques continentales entrent en collision. A l'inverse, les zones de subduction ne sont généralement pas associées à des reliefs (hormis les volcans) et à de la déformation de la plaque supérieure. Il existe cependant des exceptions : le long de la marge ouest de l'Amérique du Sud, les Andes constituent en effet un exemple moderne et actif de telles chaînes, dites de subduction. La majeure partie de la convergence est dans ce cas absorbée le long de l'interplaque de subduction sous la forme de grands séismes, mais une petite fraction de cette convergence contribue à la déformation de la plaque continentale supérieure et à la formation de l'un des plus grands reliefs actuels : la Cordillère des Andes et le plateau de l'Altiplano-Puna. La formation de l'orogène andin a probablement débuté vers la fin du Crétacé - début du Cénozoïque le long du flanc ouest de la chaîne, à ~16'22ºS, et s'est poursuivie depuis par la propagation de la déformation vers l'est, donc vers l'intérieur du continent sud-américain. Si les structures du plateau de l'Altiplano-Puna et des chaînes Est-andins sont maintenant bien connues, celles du flanc ouest restent mal documentées et leur contribution à l'épaississement crustal mal comprise. De ces points émergent plusieurs questions majeures non résolues : Pourquoi les Andes, dans un contexte de subduction ? Où et quand l'orogenèse andine s'est-elle initiée, plus précisément ? Comment la déformation a-t-elle été accommodée le long du flanc ouest, en particulier lors des premiers stades ? Pour répondre à ces questions, la première partie de ce travail documente les structures géologiques formant le flanc ouest des Andes à ~20'22ºS, quantifie leur contribution au raccourcissement andin et apporte des contraintes temporelles sur leur déformation. Pour cela, de nouvelles coupes géologiques sont proposées à partir d'observations de terrain, d'images satellites, de données topographiques et de profils sismiques existants, au Nord du Chili. L'acquisition et la modélisation de nouvelles données thermochronologiques complètent le tableau en documentant l'âge et la durée de l'exhumation du socle. Les résultats indiquent que le raccourcissement multi-kilométrique a été accommodé par deux structures majeures à vergence ouest : l'Andean Basement Thrust (ABT) et le West Andean Fold-Thrust-belt (WAFTB). Le WAFTB a été actif principalement entre ~68'29 Ma (voire ~68'44 Ma), tandis que l'activité de l'ABT a été datée à ~100'45 Ma grâce aux données thermochronologiques. Ces résultats fournissent de nouveaux indicateurs sur les premiers stades andins à ~20'22ºS, et apportent de nouveaux éléments pour répondre à "où", "quand" et "comment" les Andes sont apparues. La deuxième partie de cette thèse étudie les conditions qui amènent au raccourcissement de la plaque continentale au-dessus d'une zone de subduction. Des modèles analogiques, basés sur un dispositif expérimental original, permettent d'explorer ces questions. Ils montrent que la déformation de la plaque chevauchante se produit lorsqu'un flux mantellique sous-jacent pousse la plaque océanique subductante contre le continent, lui-même fixé à une paroi. Pour la première fois à notre connaissance, un modèle analogique ressemblant aux Andes Centrales est proposé, dans lequel la localisation de la déformation est favorisée par une lithosphère continentale pré-structurée et faible. Ces expériences contribuent donc à comprendre "pourquoi" les Andes se sont formées dans un contexte de subduction, et ouvrent des perspectives prometteuses pour de futures études

Contribution du flanc ouest des Andes du Nord du Chili aux stades précoces de l'orogenèse Andine : une étude de géologie structurale, thermochronologie et modélisation analogique

Les chaînes de montagnes se forment le long des limites de plaques convergentes par raccourcissement et épaississement de la croûte, en particulier lorsque deux plaques continentales entrent en collision. A l'inverse, les zones de subduction ne sont généralement pas associées à des reliefs (hormis les volcans) et à de la déformation de la plaque supérieure. Il existe cependant des exceptions : le long de la marge ouest de l'Amérique du Sud, les Andes constituent en effet un exemple moderne et actif de telles chaînes, dites de subduction. La majeure partie de la convergence est dans ce cas absorbée le long de l'interplaque de subduction sous la forme de grands séismes, mais une petite fraction de cette convergence contribue à la déformation de la plaque continentale supérieure et à la formation de l'un des plus grands reliefs actuels : la Cordillère des Andes et le plateau de l'Altiplano-Puna. La formation de l'orogène andin a probablement débuté vers la fin du Crétacé - début du Cénozoïque le long du flanc ouest de la chaîne, à ~16'22ºS, et s'est poursuivie depuis par la propagation de la déformation vers l'est, donc vers l'intérieur du continent sud-américain. Si les structures du plateau de l'Altiplano-Puna et des chaînes Est-andins sont maintenant bien connues, celles du flanc ouest restent mal documentées et leur contribution à l'épaississement crustal mal comprise. De ces points émergent plusieurs questions majeures non résolues : Pourquoi les Andes, dans un contexte de subduction ? Où et quand l'orogenèse andine s'est-elle initiée, plus précisément ? Comment la déformation a-t-elle été accommodée le long du flanc ouest, en particulier lors des premiers stades ? Pour répondre à ces questions, la première partie de ce travail documente les structures géologiques formant le flanc ouest des Andes à ~20'22ºS, quantifie leur contribution au raccourcissement andin et apporte des contraintes temporelles sur leur déformation. Pour cela, de nouvelles coupes géologiques sont proposées à partir d'observations de terrain, d'images satellites, de données topographiques et de profils sismiques existants, au Nord du Chili. L'acquisition et la modélisation de nouvelles données thermochronologiques complètent le tableau en documentant l'âge et la durée de l'exhumation du socle. Les résultats indiquent que le raccourcissement multi-kilométrique a été accommodé par deux structures majeures à vergence ouest : l'Andean Basement Thrust (ABT) et le West Andean Fold-Thrust-belt (WAFTB). Le WAFTB a été actif principalement entre ~68'29 Ma (voire ~68'44 Ma), tandis que l'activité de l'ABT a été datée à ~100'45 Ma grâce aux données thermochronologiques. Ces résultats fournissent de nouveaux indicateurs sur les premiers stades andins à ~20'22ºS, et apportent de nouveaux éléments pour répondre à "où", "quand" et "comment" les Andes sont apparues. La deuxième partie de cette thèse étudie les conditions qui amènent au raccourcissement de la plaque continentale au-dessus d'une zone de subduction. Des modèles analogiques, basés sur un dispositif expérimental original, permettent d'explorer ces questions. Ils montrent que la déformation de la plaque chevauchante se produit lorsqu'un flux mantellique sous-jacent pousse la plaque océanique subductante contre le continent, lui-même fixé à une paroi. Pour la première fois à notre connaissance, un modèle analogique ressemblant aux Andes Centrales est proposé, dans lequel la localisation de la déformation est favorisée par une lithosphère continentale pré-structurée et faible. Ces expériences contribuent donc à comprendre "pourquoi" les Andes se sont formées dans un contexte de subduction, et ouvrent des perspectives prometteuses pour de futures études.Orogenic growth results from long-lasting plate convergence engendering tectonic shortening in association with crustal thickening. This process is, as such, well understood in collisional settings, where two continental plates collide. On the contrary, subduction zones most often do not produce any topographic building, except for volcanism, even if the general tectonic configuration is comparable: the convergence of two plates. However, there exist exceptions with mountain-building in the context of oceanic plate subduction. Along the western margin of South America, the Andes stand as one of the most active convergent plate boundaries and are a modern active caseexample of such subduction- (or Cordilleran-) type orogen. Here, the oceanic Nazca plate plunges beneath the South American continent. The major part of the convergence is absorbed by the subduction megathrust in the form of large earthquakes (magnitude Mw ≥ 8), but a small fraction of this convergence contributes to the deformation of the upper continental plate over millions of years and to the formation of one of the largest reliefs at the Earth’s surface: the Andean Cordilleras and the Altiplano-Puna plateau in between. Andean mountain-building initiated by Late Cretaceous to Early Cenozoic times along the western Andes at the level the Bolivian Orocline (between ~16–22°S), and proceeded since then with the progressive eastward propagation of deformation onto the South American continent. Most of the previous studies have essentially focused on the structures of the Altiplano-Puna plateau and on those of the various cordilleras to the east, whereas the structures of the western Andean flank remain under-studied and their contribution to the significant topographic relief and crustal thickness of this part of the orogen poorly understood. From these points emerge some major unresolved questions, which are addressed in this thesis work: Why did Andean orogeny initiate? Can we more precisely document where and when it initiated along the western flank of the Andes? Can we better resolve how deformation proceeded, in particular in the early stages? To solve these questions, the first part of this work aims at describing the geological structures forming the western Central Andes, quantifying their contribution to crustal shortening and better constraining their timing and kinematics. For that, a structural geology approach is first followed to build new cross-sections, based on field and satellite observations, combined with geomorphology and existing data on seismic profiles, along the West Andean flank in Northern Chili at ~20–22°S. The acquisition and modeling of new low-temperature thermochronological data from the same region in Northern Chile allows to better assess the timing of basement exhumation and from there the timing of initiation and ending of deformation. This work highlight that multikilometric shortening was accommodated by two major structural features within the West Andean flank at ~20–22°S, which are the Andean Basement Thrust (ABT) bringing Paleozoic basement over folded Mesozoic series, and the west-vergent West Andean Fold-and-Thrust-Belt (WAFTB) deforming Mesozoic and Cenozoic sediments. The period of main activity of the WAFTB has been determined between ~68–29 Ma (possibly ~68–44 Ma). The low-thermochronological study allowed for constraining the timing of the exhumation through the ABT, with its main activity between ~100–45 Ma, documenting as such the early stages of Andean orogeny along the West Andean flank at ~20–22°S, and brings new elements of answer to the questions of where, when and how the Andes arised. The second and last part of this thesis investigated the possible conditions that lead to compression and subsequent crustal shortening in the upper plate of a subduction zone. A short series of analog experiments, based on a novel experimental set-up, allowed to explore these questions. (…

Calcareous dinoflagellates in Maastrichtian to early Miocene sediments of DSDP Hole 39-357

The evolution of calcareous dinoflagellate communities has been investigated for the latest Cretaceous to earliest Neogene interval of the mid-latitude South Atlantic. In doing so, the response of calcareous dinoflagellates to Cenozoic climatic change has been addressed for the first time. Trends in species composition and distribution patterns of wall types indicate significant changes which correlate with major palaeoenvironmental modifications. A first major shift concerning the relative abundance of species and wall types occurred across the Cretaceous-Tertiary boundary. The associations remained stable during the entire Paleocene and Eocene. Only in the late Eocene did a dramatic decrease in temperature cause a slight diversification. A second major shift in the abundance patterns occurred across the Eocene-Oligocene boundary. The early Miocene warming is possibly reflected in the distinct increase in relative abundance of one species. The assemblages of calcareous dinoflagellates evidently react to major climatic changes during the Cenozoic. These poorly investigated organisms may thus provide an important contribution to the understanding of earth's palaeoclimatic evolution

Calcareous dinoflagellates in Maastrichtian-Tertiary sediments of ODP Hole 113-689B

The distribution of calcareous dinoflagellates has been analysed for the Maastrichtian-Miocene interval of Ocean Drilling Project Hole 689B (Maud Rise, Weddell Sea). The investigation thus represents a primary evaluation of the long-term evolution in high-latitude calcareous dinoflagellate assemblages during the transition from a relatively warm Late Cretaceous to a cold Neogene climate. Major assemblage changes during this interval occurred in characteristic steps: (1) an increase in relative abundance of tangentially structured species - particularly Operculodinella operculata - at the Cretaceous/Tertiary boundary; (2) a diversity decrease and several first and last appearances across the Middle-Late Eocene boundary, possibly attributed to increased climate cooling; (3) a diversity decrease associated with the dominance of Calciodinellum levantinum in the late Early Oligocene; (4) the reappearance and dominance of Pirumella edgarii in the Early Miocene, probably reflecting a warming trend; (5) monogeneric assemblages dominated by Caracomia spp. denoting strong Middle Miocene cooling. The results not only extend the biogeographic ranges of many taxa into the Antarctic region, but also indicate that the evolution of high-latitude calcareous dinoflagellate assemblages parallels the changing environmental conditions in the course of the Cenozoic climate transition. Therefore, calcareous dinoflagellates contribute to our understanding of the biotic effects associated with palaeoenvironmental changes and might possess the potential for reconstructing past conditions. The flora in the core includes one new taxon: Caracomia arctica forma spinosa Hildebrand-Habel and Streng, forma nov. Additionally, two new combinations are proposed: Fuettererella deflandrei (Kamptner, 1956) Hildebrand-Habel and Streng, comb. nov. and Fuettererella flora (Fuetterer, 1990) Hildebrand-Habel and Streng, comb. nov