Thermal history of the Phanerozoic sedimentary succession of Skåne, southern Sweden, and implications for applied geology

Abstract

Post-depositional thermal conditions have been investigated throughout the Phanerozoic sedimentary succession in Skåne. Clay mineralogy and illite crystallinity have been the main tools for the Lower Palaeozoic strata. Within the Mesozoic sequence thermal influence was examined using RockEval pyrolysis and vitrinite reflectance analysis.



Clay mineralogy of the Lower Palaeozoic shales and mudstones is generally very uniform with illite and chlorite present. Illite crystallinity values (Kübler index) for these rocks range between 0.41–1.2 (delta degrees two theta) (air-dried), indicating diagenetic to high-diagenetic/anchimetamorphic conditions. In SW Skåne a trend with improved illite crystallinity in the more deeply buried and older strata is observed. This is to be expected in a sedimentary basin subjected to burial controlled diagenetic/thermal impact only. However, in the Sorgenfrei-Tornquist Zone (STZ), where illite crystallinity data show no obvious relationship with stratigraphical position, a more complex thermal history is implied. Most striking in the illite crystallinity data from the STZ is perhaps the improved illite crystallinity recorded for the Upper Silurian Colonus Shale and Öved-Ramsåsa Group, i.e., the youngest Palaeozoic strata in Skåne. High-grade illites there indicate a Post-Silurian thermal event, probably caused by the intrusion of numerous dolerite dykes during the Permian and Carboniferous. Besides thermal effects close to intersecting dykes, the subsequent superficial effusives have constituted more extensive thermal impact on the uppermost part of the sedimentary column.



In the proximity of intruding dykes anomalous clay mineralogy has been observed, in contact-metamorphosed shale. For example kaolinite has been found at Åkarpsmölla, where a 40 m wide dolerite dyke intrudes Upper Cambrian Alum Shale. Swelling clay minerals, exotic to the Colonus Shale in Skåne, has been identified in the dolerite quarry at Rönnarp. Here a mixed-layer chlorite/smectite mineral was present in the innermost contact-zone, whereas illite was lacking.



Mesozoic thermal conditions generally indicate low to moderate palaeotemperatures in the range of c. 40–90 degrees (C). These data are in agreement with burial estimates and suggest that burial imposed the main diagenetic impact. A deviation from this picture of limited thermal influence has been observed from the Höör Sandstone in Central Skåne and is also indicated in SW Skåne close to the Svedala Fault. Hot fluids derived from tectonic and volcanic activity are believed to have affected these strata causing their anomalous thermal maturity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Sedimentära bergarter såsom t.ex. sandstenar och lerskiffrar, bildas genom att lösa sediment (t.ex. sand och lera) ”bakas” hårda när de sjunker ned i jordskorpan. Anledningen till att många lagerföljder rör sig nedåt i jordskorpan beror till viss del på de ovanliggande sedimentens tyngd, men är i huvudsak ett resultat av de platt-tektoniska rörelser som hela tiden påverkar jorden. Mekanismerna bakom dessa ständiga rörelser av jordens plattor är också ansvariga för t.ex. jordbävningar och vulkanutbrott. I Skåne vittnar de många uppstickande urbergshorstarna (t.ex. Hallandsåsen, Söderåsen och Romeleåsen) om omvälvande tektoniska händelser som påverkade Skåne för många miljoner år sedan. När ett bergartsblock begravs i jordskorpan ökar tryck och temperatur, vilket leder till en rad olika förändringar hos sedimentet. Generellt ökar temperaturen med ca 30 grader (Celcius) och trycket med ca 10–20 MPa för varje kilometers begravning i s.k. sedimentära bassänger (områden där tjocka lagerföljder bildats). De processer som bidrar till bergartsbildningen innefattar bl.a. kompaktion, bildande av cement (mineral som kittar ihop sedimentkornen) och utfällning av olika lermineral. Även andra partiklar som förkommer i sedimentet påverkas av de ändrade fysikaliska och kemiska förhållandena. Rester från döda djur och växter kan t.ex. förekomma i sedimentet och bli omvandlade i mindre eller större grad när tryck och temperatur ökar. Denna omvandling av det organiska materialet kan i gynnsamma fall ge upphov till förekomster av olja, kol eller gas.



Min avhandling har sökt svaret på hur och i vilken grad den skånska sedimentära berggrunden hettats upp. Genom att studera vilka lermineral som förkommer i skiffrarna och hur dessa mineral ”ser ut” i sin kristallstruktur, så kan man få ett relativt mått på den temperatur som bergarterna utsatts för. Även det icke-mineralogiska materialet, dvs. de i sedimentet inlagrade djur- och växtresterna, kan studeras med metoder som ger ett mått på den temperatur som påverkat dem. Våra lagerföljder döljer alltså forntidstermometrar! De erhållna temperaturuppskattningarna kan i sin tur användas för att ge en indikation på vilket djup i jordskorpan bergarten en gång befunnit sig. Nu är det inte så enkelt i Skåne, eftersom vi haft andra värmekällor än den nedsjunkningsrelaterade. Lagerföljden i Skåne är nämligen också uppvärmd av den uppträngande magman som bildade de skånska diabaserna. Omkring Höör i centrala Skåne förkommer även rester av ett hundratal gamla vulkaner som lokalt upphettat sandsten i området och gjort den så hård och motståndskraftig att den senare kom att användas för att bygga Lunds domkyrka.



I Skåne har den tidigpaleozoiska (ca 545–400 miljoner år gamla) sedimentära berggrunden varit kraftigt upphettad (temperaturer runt 150–200 grader C) medan de yngre mesozoiska (ca 245–65 miljoner år gamla) bergarterna endast varit påverkade av temperaturer runt 40–90 grader C. Denna skillnad i temperaturpåverkan beror till största del på att de paleozoiska bergarterna varit djupare begravda, men också p.g.a. att de äldre bergarterna upphettats när magma trängde upp för cirka 290 miljoner år sedan. Av all den magma som trängde upp bildades också ett täckande basaltlager uppe på markytan. Detta heta magmaskikt verkade som en gigantisk värmefilt och upphettade även den övre delen av den skånska lagerföljden. Spår av denna värmehändelse kan utläsas från mina undersökningar av kristallstrukturen hos lermineralet illit, som visar ökad ordning i sitt kristallgitter i de lager som utsatts för påverkan från detta basalttäcke. Denna ökade ordning visar sig i att flera av kristallernas basplansavstånd har det ideala värdet på 10Å (Ångström=1*10-10 m). I mindre ordnade gitter, som utsatts för mindre värmepåverkan, så är några av basplansavstånden större medan andra är mindre än 10Å. Genom att studera lermineralet illit med hjälp av röntgendiffraktion (XRD) så har jag kunnat mäta hur stor gitterordning som råder i de olika proverna, och på så sätt har jag också fått ett relativt mått på hur kraftig värmepåverkan varit.



Förutom den rena värmepåverkan som de talrika diabaserna genererat så har även andra avvikelser noterats i de bergarter som står i direkt kontakt med diabaserna. De bergarter som hettats upp av diabasgångarna innehåller lermineral som normalt saknas i lagerföljden.



I de mesozoiska bergarterna som studerats i min undersökning är den generella värmepåverkan låg och i stort sett enhetlig, främst beroende på blygsamma begravningsdjup. Avvikelser från detta härrör från lokala och kortlivade värmepulser i samband med mesozoisk vulkanism.



Temperaturförhållanden och grad av nedsjunkning i jordskorpan är av största vikt för en lagerföljds olje- och gaspotential. Den ”tragiska” utgången för Skåne som petroleumproducent beror till stor del på för hög värmepåverkan hos de äldre sedimentära bergarterna och för låg hos de yngre. Den kambro-ordoviciska alunskiffern innehöll rätt sorts organiskt material för att kunna generera olja, men eftersom temperaturen varit för hög har den olja som troligen en gång bildades senare kokat bort. För den yngre berggrunden finns fortfarande vissa förutsättningar för petroleumförekomster, i alla fall om man ser det i ett geologiskt tidsperspektiv. Här finns organiskt material som i huvudsak härrör från landväxter som kan genera gas om det utsätts för temperaturer runt 150–200 grader (C). Så om framtida tektoniska rörelser resulterar i ett lämpligt begravningsdjup, kan kanske även den skånska berggrunden komma att producera petroleum?

• author: Olsson, Ingela
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Nielsen, Ole Björslev, University of Århus, Denmark
• organization: Lithosphere and Biosphere Science
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: mineralogy, geochemistry, Petrologi, mineralogi, geokemi, Petrology, organic matter reflectance, organic geochemistry, illite crystallinity, clay mineralogy, thermal history, Phanerozoicum, Skåne, Sweden
• in: Litholund theses
• issue: 3
• pages: 23 pages
• defense location: Geocentrum II, Pangea (room 229)
• defense date: 2003-10-03 10:15:00
• ISSN: 1651-6648
• ISSN: 1651-6648
• ISBN: 91-86746-50-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Olsson, I., 1999: Regional burial heating vs. local magmatic heat influence of the Röstånga area, Scania, southern Sweden. GFF 121, 209-214. Article: Ahlberg, A. & Olsson, I., 2001: Petroleum assessment of the Mesozoic sedimentary succession in the Höllviken Graben and on the Skurup Platform, southern Sweden. GFF 123, 85-95. Article: Olsson-Borell, I. & Ahlberg, A., 2003: Contact metamorphism of Palaeozoic shale in southern Sweden: influences on clay mineralogy and railway construction material properties. GFF 125, 63-68. Article: Olsson-Borell, I., submitted: Lower Palaeozoic thermal history of Skåne, southernmost Sweden: implications from clay mineralogy and illite crystallinity. Clay Minerals. Article: Olsson-Borell, I. & Ahlberg, A., in manuscript: Thermal history of the Mesozoic sedimentary successions of Skåne, southern Sweden.
• id: 58fcd619-deeb-46d7-8bc1-929812e5f5dc (old id 466164)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:56:51
• date last changed: 2019-05-21 15:04:58