Properties and Diagenesis of Upper Palaeozoic Sandstones, Bjørnøya

Abstract

Lagrekka på Bjørnøya, den lille øya midt mellom Fastlands-Norge og Spitsbergen, strekker seg fra prekambrium til trias, og er en god analog til Barentssokkelen. Sandsteinsprøver fra senpaleozoikum ble samlet på feltarbeid på Bjørnøya i løpet av august 2020. Denne oppgaven beskriver og diskuterer egenskaper, dannelse og diagenese til sandsteiner fra sendevon til perm. Egenskaper som detritale komponenter, tekstur, diagenetiske mineraler og porøsitet har blitt analysert ved bruk av optisk og elektronmikroskop. Alle sandsteinene er kvartsrike, og egenskapene er svært påvirket av diagenese slik at porøsiteten er redusert til 2-12%.

Flom- og elvesandsteiner fra fuktig klima i øvredevonske Røedvikaformasjonen og lavkarbonske Nordkappformasjonen har medium kornstørrelse, er kvartssementerte og modne kvartsarenitter og sublitiske arenitter med chert. Midt- og senkaronske sandsteiner fra Landnørdingsvika- og Kapp Hannaformasjonen, avsatt da det var økt tektonisk aktivitet og et tørt og varmt klima, er noe grusig og mediumkornet submodne sublitiske arenitter. Marine, permiske sandsteiner tilhørende Hambergfjellet- og Miseryfjelletformasjonen er fin- til mediumkornet, kalsitt- og kvartssementerte, samt modne eller supermodne kvartsarenitter.

Tre paragenetiske sekvenser er foreslått med utgangspunkt i tre ulike avsetningsmiljøer med tilhørende eogenese: (1) oppløsning av feltspat, og utfelling av kaolinitt og pyritt fra kull i fuktig klima, (2) jernoksidering og dolomitisering i tørt og varmt klima, og (3) marin utfelling av kalsitt og ansamling grønne leirmineraler. Mesogenese var hovedsakelig preget av omfattende kvartssementering for alle formasjonene (14-41%), i tillegg til dannelse av illitt og porøsitet fra videre oppløsning av feltspatkorn. Illitt- og hemaittsement på detritale kvartkorn har bevart noe av porøsiteten ved å hindre kvartssementering. I forbindelse med telogenese har oppløsning av kalsittsement i permiske Hambergfjellet- og Miseryfjelletformasjonen ført til uvanlig høy porøsitet (21-25%).

Det er foreslått at de senpaleozoiske sandsteinene har opprinnelse fra resirkulerte, kvartsrike sandsteiner på bakgrunn av et høyt kvartsinnhold (92-96%), chert og kvartsittfragmenter. Dette til tross for ulik alder, tektonisk og sedimentært avsetningsmiljø på tvers av formasjonene. Provenansanalyser av teksturer tilhørende ulike kvartstyper, ved bruk av katodeluminisens kombinert med optisk mikroskopi, indikerer en metamorf og resirkulert kilde for flertallet av detritale kvartskorn. En sekundær, mindre viktig, plutonsk kilde er mest fremtreden i øvredevonske Røedvikaformasjonen og lav- og midtkarbonske Nordkapp- og Landnørdingsvikaformasjonen. Permiske sandsteiner fra Hambergfjellet- og Miseryfjelletformasjoner består hovedsakelig av lav-grad metamorfe og resirkulerte kvartskorn.

Resultatene fra denne oppgaven kan forhåpentligvis bidra til forståelsen rundt senpaleozoiske sandsteiner på Stapphøgda og regionale ekvivalenter som er begravd like dypt.

Bjørnøya, located halfway between mainland Norway and Spitsbergen, hosts rocks from Precambrian to Triassic and provides a window into the Barents Shelf. This study documents and discusses sandstone properties, diagenesis and provenance of the Upper Palaeozoic sandstones on the island based on laboratory analyses following sampling as part of the fieldwork done on Bjørnøya August 2020. Detrital components, texture, authigenic minerals and porosity have been analysed on samples from Late Devonian to Permian age by optical microscopy, SEM and SEM-CL. All the sandstones are quartz-rich, and the properties are strongly modified by diagenesis in all the studied formations to limit the porosity to 2-12 %.

Sandstones of the Upper Devonian Røedvika Fm. and Lower Carboniferous Nordkapp Fm. from humid floodplain and fluvial facies are medium-grained: siliceous mature chert-bearing quartz- and sublitharenites. Tectonically controlled, arid, coastal sandstones of the Middle and Upper Carboniferous Landnørdingsvika Fm. and Kapp Hanna Fm. are slightly granular, medium sandstones: siliceous submature sublitharenites. Permian shallow marine sandstones of the Miseryfjellet Fm. and Hambergfjellet Fm. are fine to medium: calcitic, siliceous mature to supermature quartzarenites.

Three paragenetic sequences are proposed for the three respective depositional settings during eogenesis: (1) kaolinite precipitation, feldspar dissolution and lesser pyritisation from coal during humid, subaeril conditions; (2) iron oxidation and dolomitisation during subaeril, arid eogenesis; and (3) shallow marine eogenesis dominated by influx of parautochtonous glaucony and calcite precipitation. Mesogenesis was dominated by extensive quartz cementation (14-41%), illitization and dissolution of feldspar to form secondary, moldic pores. Grain-coating illite and hematite preserved some porosity at depth. Telogenetic dissolution of calcite cement in the Permian Miseryfjellet Fm. and Hambergfjellet Fm. resulted in anomalously high porosity (21-24%).

A multicycle origin is suggested for the Upper Paleozoic sandstones to explain the overall high textural maturities and detrital quartz content (92-96%) with only subordinate chert and quartzites -- in spite of differences in tectonic settings, facies and age. Provenance-analyses from quartz characterisation and CL-fabric by integrated SEM-CL and optical microscopy indicate a metamorphic and recycled source for the superiority of detrital grains. An inferior, volumetrically less important plutonic source is most prominent in the Devonian Røedvika Fm., and the Lower to Middle Carboniferous Nordkapp Fm. and Landnørdingsvika Fm. Permian sandstones of Hambergfjellet Fm. and Miseryfjellet Fm. are chiefly of low-grade metamorphic or recycled quartz.

The findings of this thesis may contribute to understanding the properties of sandstones on the Stappen High, and similarly buried, regional correlatives.