Sedimentology and sequence stratigraphy of the Early Cretaceous Centenario Formation (upper member) in the north-eastern border of the Neuquén Basin, Argentina
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Las clinoformas son superficies depositacionales cronoestratigráficas inclinadas que representan el perfil batimétrico de un medio de acumulación marino, así como el gradiente depositacional del mismo. Se caracterizan por tener una expresión geométrica de tres segmentos constitutivos, que en una transecta proximal-distal, se denominan topset, foreset y bottomset. Existen tres escalas de clinoformas en función de la altura del foreset el cual puede tener decenas de metros, 100-500 m o hasta miles de metros de altura siendo clinoformas de escala deltaica, de margen de plataforma o de margen continental, respectivamente. En la actualidad existe cada vez más interés en las clinoformas ya que su desarrollo y evolución se encuentran íntimamente relacionados con la distribución de sedimentos a lo largo de una transecta proximal-distal, desde la línea de costa hasta el fondo de cuenca. Si bien, en el último tiempo se ha avanzado en el estudio de las clinoformas, todavía quedan vacíos en el conocimiento. Por ejemplo, cuando se trata de reconocer estas expresiones geométricas en sistemas marinos de mares epicontinentales, los cuales generalmente son considerados como mares someros que no superan los 200m de (paleo)profundidad. Los mares epicontinentales son masas de agua que se extienden sobre extensas regiones cuando cratones estables son inundados. En la actualidad no existen buenos ejemplos de mares epicontinentales para su estudio como análogos y mucho de lo que se sabe hoy es a través de extraer información del registro sedimentario. Uno de los problemas para realizar estimaciones batimétricas es que no existen metodologías que permitan extraer información paleobatimétrica directamente del registro facial y, por lo tanto, es muy común que se realicen inferencias a partir de información indirecta para conocer en forma aproximada la paleobatimetría de dichos sistemas marinos. En el margen Suroccidental de Gondwana, durante el Jurásico Tardío a Cretácico Temprano, se desarrolló el Mar Neuquino, el cual se emplazó a través de una conexión restringida con el Océano Proto-Pacífico en una posición de tras arco. La sucesión sedimentaria que permite reconstruir la existencia y evolución de este medio marino se encuentra preservada en lo que se conoce actualmente como Cuenca Neuquina. En distintos momentos de la evolución de dicho mar, se han documentado clinoformas. Sin embargo, en ningún caso se ha realizado un análisis morfométrico de sus foresets que es el segmento que permite discriminar qué tipo de clinoformas son, y qué (paleo)batimetría podría haber tenido el Mar Neuquino durante el Jurásico Tardío a Cretácico Temprano. La hipótesis inicial de trabajo es que el Mar Neuquino podría haber tenido una paleobatimetría más profunda de lo que usualmente se considera para estos mares y que tanto las configuraciones depositacionales como las profundidades podrían haber variado significativamente en el tiempo. En este marco las clinoformas y facies asociadas constituyen un excelente archivo para reconstruir las configuraciones marinas y su evolución en el tiempo. Así, la presente tesis doctoral tiene como objetivo general caracterizar clinoformas presentes en las sucesiones del Mar Neuquino, a través de un análisis morfométrico detallado y sistemático, pero utilizando distintos conjuntos de datos y metodologías según las escalas y tipos de clinoformas a investigar. Esto permitirá refinar los sistemas de acumulación asociados a cada tipo de clinoformas, así como contribuir a reconstrucciones marinas más ajustadas del Mar Neuquino a través del tiempo y sus (paleo)batimetrías asociadas. En un contexto más amplio se espera que los resultados obtenidos puedan contribuir al conocimiento de los mares epicontinentales como repositorios de sedimento de largo término. Además, debido a las crecientes demandas energéticas de la sociedad actual, se plantea como objetivo secundario evaluar la eficiencia de diseños de explotación en reservorios de hidrocarburos en subsuelo con clinoformas a través de metodologías de modelado geocelular estático. La porción costera del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Temprano posee registros de sistemas deltaicos y lateralmente expresiones de shoreface. En la porción costera de un sistema marino es posible reconocer clinoformas de línea de costa cuya altura de foreset es de pocas decenas de metros. Dentro de este grupo se puede reconocer a las clinoformas deltaicas y a las clinoformas de shoreface. A diferencia de las clinoformas deltaicas, las cuales son fácilmente identificables en afloramiento o subsuelo debido a su fuerte gradiente depositacional (2° y hasta 10-15° en sistemas de grano grueso), las clinoformas de shoreface han sido poco estudiadas debido a que éstas tienen un muy sutil gradiente depositacional que generalmente alcanza valores cercanos a 1°. Por lo tanto, visualizar la expresión geométrica en afloramiento, o en subsuelo, de las clinoformas de shoreface siempre fue un problema particular. Para resolverlo, poder visualizar y luego caracterizar a estas clinoformas, se desarrolló una metodología de reconstrucción de clinoformas de shoreface. Esta metodología utilizó 26 anchos de fajas de facies de afloramiento de sistemas de shoreface del Mar Neuquino en el Hauteriviano Temprano (Miembro Pilmatué) y 66 datos de ancho, alto y gradiente de fajas de facies de sistemas de shoreface recopilados de la literatura, entre sistemas fósiles y modernos. Se diseñaron tres estrategias de reconstrucción de clinoformas que permitieron: a) caracterizar un espectro posible de expresiones geométricas; b) parametrizar cuantitativamente el ancho, el alto y el gradiente de cada segmento de las clinoformas; c) identificar variaciones litológicas en función de la expresión geométrica de foresets; d) discutir la paleobatimetría en una configuración costera del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Temprano la cual no habría superado los 60 m en el área de estudio. La configuración del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Tardío se estudió en el sector Nororiental de dicho mar, en el Miembro Agua de la Mula (Formación Agrio) en el subsuelo del NO de la Provincia de Neuquén y SE de la Provincia de Mendoza. Para entender la configuración marina en el Hauteriviano Tardío se realizó un análisis morfométrico del foreset de clinoformas en dos secciones sísmicas (S1 y S2) con información de cutting de pozos. El análisis morfométrico se basó en la identificación de rollovers los cuales delimitan el segmento de foreset. Una vez identificados los foresets se parametrizaron sus atributos de la siguiente manera: se midió el alto (distancia vertical entre el rollover superior e inferior) el ancho (distancia horizontal entre los dos rollovers) y el gradiente (por trigonometría). Además, se obtuvieron parámetros estadísticos básicos (media, mediana, desvío, máximo, mínimo, cuartiles). Este análisis permitió caracterizar 29 foresets que en promedio tienen 78 m de altura y 0,38° de inclinación en facies fangosas de grano fino de offshore/prodelta en las proximidades de sistemas costeros. Del análisis conjunto de toda la información se arribó a la conclusión de que estos foresets corresponden a clinoformas subácueas. Con toda esta información se refinaron los sistemas depositacionales (coexistencia de acumulación deltaica somera y distal) y se reconstruyó el perfil marino tridimensionalmente. En síntesis, la configuración del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Tardío podría haber tenido una expresión geométrica de clinoformas subácueas en sectores alejados de la línea de costa, generando profundidades de hasta 160 m en los sectores más distales (bottomsets). Por otra parte, la configuración del Mar Neuquino durante el Titoniano-Valanginiano ha sido analizada en una sección sísmica de extensión regional (aprox. 280 km), la cual se extiende desde la ciudad de Neuquén hasta la localidad de el Trapial. Allí trabajos previos han reconocido clinoformas en sistemas marinos mixtos de grano fino en facies de offshore-cuenca (bottomset), talud (foreset) y plataforma (topset) en el sistema Vaca Muerta-Quintuco. Para entender esta configuración marina, se aplicó la misma metodología de análisis morfométrico que la utilizada en la configuración Hauteriviano Tardío y se obtuvieron también parámetros estadísticos básicos de cada uno de los atributos de foreset. Así se identificaron un total de 82 foresets de clinoformas. Del análisis estadístico resultó que los foresets poseen 157 m de altura promedio y 0,78° de gradiente promedio en una sucesión marina conformada por depósitos de plataforma, margen de plataforma y fondo de cuenca. De todo el análisis combinado se llegó a la conclusión de que estos foresets corresponden a clinoformas de margen de plataforma. Las reconstrucciones generadas para el área de estudio a partir del análisis morfométrico sugieren que el Mar Neuquino durante el Titoniano-Valanginiano podría haber tenido una paleobatimetría de aprox. 400 m. Por su parte, en función de la combinación de atributos de foreset se pudieron definir dos tipos principales que estarían vinculados con (y ser construidos por) un predominio de distintos procesos sedimentarios operando en sentido trasversal (flujos gravitatorios de sedimentos, movimientos en masa) o paralelo (corrientes de fondo semipermanentes) al rumbo de las clinoformas. Así, cada uno de estos tipos de foresets se asociaría con un conjunto de facies dominantes, lo que a su vez tendría implicancias en la calidad de los foresets y parte proximal de los bottomsets como reservorios no convencionales de hidrocarburos. El volumen de sedimento delimitado por clinoformas es un clinotema. Los clinotemas de shoreface están considerados como importantes reservorios de hidrocarburos. Las clinoformas de shoreface pueden ser de bajo o alto gradiente en función de los procesos sedimentarios. Las clinoformas de shoreface de bajo gradiente pueden desarrollar clinotemas sin una heterogeneidad interna que disminuya la conectividad del reservorio. A su vez, las clinoformas de shoreface de alto gradiente pueden desarrollar clinotemas con una heterogeneidad interna que disminuya fuertemente el grado de conectividad interna del reservorio. Por lo tanto, se evaluaron conceptualmente las diferencias en el grado de conectividad de un clinotema producto de un shoreface de bajo gradiente y otro producto de alto gradiente. Para evaluar esa diferencia se construyeron modelos geocelulares estáticos que constataron el menor grado de conectividad en un clinotema de shoreface de bajo gradiente. Posteriormente se evaluó la eficiencia en el diseño de explotación realizando análisis volumétricos considerando el uso de pozos verticales y horizontales para distintas áreas de drenaje. El diseño de explotación con pozos horizontales demostró ser el diseño más eficiente ya que demostró contactar un 30% más de petróleo in situ con aproximadamente un tercio de los pozos que en el diseño vertical. En síntesis, esta tesis doctoral ha podido caracterizar los atributos morfométricos de clinoformas de distinta escala para entender mejor la configuración marina de un mar epicontinental. El Mar Neuquino a través del Titoniano-Hauteriviano Tardío ha tenido distintas configuraciones del perfil depositacional pudiendo tener diferencias significativas en la paleobatimetría desde 10’ m a pocos 100’ m de paleoprofundidad. Además, la caracterización de clinoformas marinas en dicho mar, permitió construir herramientas predictivas de sistemas de acumulación para asistir en escenarios de exploración y desarrollo a través del estudio de clinoformas a distintas escalas cuyos resultados pueden ser utilizados en otras cuencas marinas del mundo.
Las clinoformas son superficies depositacionales cronoestratigráficas inclinadas que representan el perfil batimétrico de un medio de acumulación marino, así como el gradiente depositacional del mismo. Se caracterizan por tener una expresión geométrica de tres segmentos constitutivos, que en una transecta proximal-distal, se denominan topset, foreset y bottomset. Existen tres escalas de clinoformas en función de la altura del foreset el cual puede tener decenas de metros, 100-500 m o hasta miles de metros de altura siendo clinoformas de escala deltaica, de margen de plataforma o de margen continental, respectivamente. En la actualidad existe cada vez más interés en las clinoformas ya que su desarrollo y evolución se encuentran íntimamente relacionados con la distribución de sedimentos a lo largo de una transecta proximal-distal, desde la línea de costa hasta el fondo de cuenca. Si bien, en el último tiempo se ha avanzado en el estudio de las clinoformas, todavía quedan vacíos en el conocimiento. Por ejemplo, cuando se trata de reconocer estas expresiones geométricas en sistemas marinos de mares epicontinentales, los cuales generalmente son considerados como mares someros que no superan los 200m de (paleo)profundidad. Los mares epicontinentales son masas de agua que se extienden sobre extensas regiones cuando cratones estables son inundados. En la actualidad no existen buenos ejemplos de mares epicontinentales para su estudio como análogos y mucho de lo que se sabe hoy es a través de extraer información del registro sedimentario. Uno de los problemas para realizar estimaciones batimétricas es que no existen metodologías que permitan extraer información paleobatimétrica directamente del registro facial y, por lo tanto, es muy común que se realicen inferencias a partir de información indirecta para conocer en forma aproximada la paleobatimetría de dichos sistemas marinos. En el margen Suroccidental de Gondwana, durante el Jurásico Tardío a Cretácico Temprano, se desarrolló el Mar Neuquino, el cual se emplazó a través de una conexión restringida con el Océano Proto-Pacífico en una posición de tras arco. La sucesión sedimentaria que permite reconstruir la existencia y evolución de este medio marino se encuentra preservada en lo que se conoce actualmente como Cuenca Neuquina. En distintos momentos de la evolución de dicho mar, se han documentado clinoformas. Sin embargo, en ningún caso se ha realizado un análisis morfométrico de sus foresets que es el segmento que permite discriminar qué tipo de clinoformas son, y qué (paleo)batimetría podría haber tenido el Mar Neuquino durante el Jurásico Tardío a Cretácico Temprano. La hipótesis inicial de trabajo es que el Mar Neuquino podría haber tenido una paleobatimetría más profunda de lo que usualmente se considera para estos mares y que tanto las configuraciones depositacionales como las profundidades podrían haber variado significativamente en el tiempo. En este marco las clinoformas y facies asociadas constituyen un excelente archivo para reconstruir las configuraciones marinas y su evolución en el tiempo. Así, la presente tesis doctoral tiene como objetivo general caracterizar clinoformas presentes en las sucesiones del Mar Neuquino, a través de un análisis morfométrico detallado y sistemático, pero utilizando distintos conjuntos de datos y metodologías según las escalas y tipos de clinoformas a investigar. Esto permitirá refinar los sistemas de acumulación asociados a cada tipo de clinoformas, así como contribuir a reconstrucciones marinas más ajustadas del Mar Neuquino a través del tiempo y sus (paleo)batimetrías asociadas. En un contexto más amplio se espera que los resultados obtenidos puedan contribuir al conocimiento de los mares epicontinentales como repositorios de sedimento de largo término. Además, debido a las crecientes demandas energéticas de la sociedad actual, se plantea como objetivo secundario evaluar la eficiencia de diseños de explotación en reservorios de hidrocarburos en subsuelo con clinoformas a través de metodologías de modelado geocelular estático. La porción costera del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Temprano posee registros de sistemas deltaicos y lateralmente expresiones de shoreface. En la porción costera de un sistema marino es posible reconocer clinoformas de línea de costa cuya altura de foreset es de pocas decenas de metros. Dentro de este grupo se puede reconocer a las clinoformas deltaicas y a las clinoformas de shoreface. A diferencia de las clinoformas deltaicas, las cuales son fácilmente identificables en afloramiento o subsuelo debido a su fuerte gradiente depositacional (2° y hasta 10-15° en sistemas de grano grueso), las clinoformas de shoreface han sido poco estudiadas debido a que éstas tienen un muy sutil gradiente depositacional que generalmente alcanza valores cercanos a 1°. Por lo tanto, visualizar la expresión geométrica en afloramiento, o en subsuelo, de las clinoformas de shoreface siempre fue un problema particular. Para resolverlo, poder visualizar y luego caracterizar a estas clinoformas, se desarrolló una metodología de reconstrucción de clinoformas de shoreface. Esta metodología utilizó 26 anchos de fajas de facies de afloramiento de sistemas de shoreface del Mar Neuquino en el Hauteriviano Temprano (Miembro Pilmatué) y 66 datos de ancho, alto y gradiente de fajas de facies de sistemas de shoreface recopilados de la literatura, entre sistemas fósiles y modernos. Se diseñaron tres estrategias de reconstrucción de clinoformas que permitieron: a) caracterizar un espectro posible de expresiones geométricas; b) parametrizar cuantitativamente el ancho, el alto y el gradiente de cada segmento de las clinoformas; c) identificar variaciones litológicas en función de la expresión geométrica de foresets; d) discutir la paleobatimetría en una configuración costera del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Temprano la cual no habría superado los 60 m en el área de estudio. La configuración del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Tardío se estudió en el sector Nororiental de dicho mar, en el Miembro Agua de la Mula (Formación Agrio) en el subsuelo del NO de la Provincia de Neuquén y SE de la Provincia de Mendoza. Para entender la configuración marina en el Hauteriviano Tardío se realizó un análisis morfométrico del foreset de clinoformas en dos secciones sísmicas (S1 y S2) con información de cutting de pozos. El análisis morfométrico se basó en la identificación de rollovers los cuales delimitan el segmento de foreset. Una vez identificados los foresets se parametrizaron sus atributos de la siguiente manera: se midió el alto (distancia vertical entre el rollover superior e inferior) el ancho (distancia horizontal entre los dos rollovers) y el gradiente (por trigonometría). Además, se obtuvieron parámetros estadísticos básicos (media, mediana, desvío, máximo, mínimo, cuartiles). Este análisis permitió caracterizar 29 foresets que en promedio tienen 78 m de altura y 0,38° de inclinación en facies fangosas de grano fino de offshore/prodelta en las proximidades de sistemas costeros. Del análisis conjunto de toda la información se arribó a la conclusión de que estos foresets corresponden a clinoformas subácueas. Con toda esta información se refinaron los sistemas depositacionales (coexistencia de acumulación deltaica somera y distal) y se reconstruyó el perfil marino tridimensionalmente. En síntesis, la configuración del Mar Neuquino durante el Hauteriviano Tardío podría haber tenido una expresión geométrica de clinoformas subácueas en sectores alejados de la línea de costa, generando profundidades de hasta 160 m en los sectores más distales (bottomsets). Por otra parte, la configuración del Mar Neuquino durante el Titoniano-Valanginiano ha sido analizada en una sección sísmica de extensión regional (aprox. 280 km), la cual se extiende desde la ciudad de Neuquén hasta la localidad de el Trapial. Allí trabajos previos han reconocido clinoformas en sistemas marinos mixtos de grano fino en facies de offshore-cuenca (bottomset), talud (foreset) y plataforma (topset) en el sistema Vaca Muerta-Quintuco. Para entender esta configuración marina, se aplicó la misma metodología de análisis morfométrico que la utilizada en la configuración Hauteriviano Tardío y se obtuvieron también parámetros estadísticos básicos de cada uno de los atributos de foreset. Así se identificaron un total de 82 foresets de clinoformas. Del análisis estadístico resultó que los foresets poseen 157 m de altura promedio y 0,78° de gradiente promedio en una sucesión marina conformada por depósitos de plataforma, margen de plataforma y fondo de cuenca. De todo el análisis combinado se llegó a la conclusión de que estos foresets corresponden a clinoformas de margen de plataforma. Las reconstrucciones generadas para el área de estudio a partir del análisis morfométrico sugieren que el Mar Neuquino durante el Titoniano-Valanginiano podría haber tenido una paleobatimetría de aprox. 400 m. Por su parte, en función de la combinación de atributos de foreset se pudieron definir dos tipos principales que estarían vinculados con (y ser construidos por) un predominio de distintos procesos sedimentarios operando en sentido trasversal (flujos gravitatorios de sedimentos, movimientos en masa) o paralelo (corrientes de fondo semipermanentes) al rumbo de las clinoformas. Así, cada uno de estos tipos de foresets se asociaría con un conjunto de facies dominantes, lo que a su vez tendría implicancias en la calidad de los foresets y parte proximal de los bottomsets como reservorios no convencionales de hidrocarburos. El volumen de sedimento delimitado por clinoformas es un clinotema. Los clinotemas de shoreface están considerados como importantes reservorios de hidrocarburos. Las clinoformas de shoreface pueden ser de bajo o alto gradiente en función de los procesos sedimentarios. Las clinoformas de shoreface de bajo gradiente pueden desarrollar clinotemas sin una heterogeneidad interna que disminuya la conectividad del reservorio. A su vez, las clinoformas de shoreface de alto gradiente pueden desarrollar clinotemas con una heterogeneidad interna que disminuya fuertemente el grado de conectividad interna del reservorio. Por lo tanto, se evaluaron conceptualmente las diferencias en el grado de conectividad de un clinotema producto de un shoreface de bajo gradiente y otro producto de alto gradiente. Para evaluar esa diferencia se construyeron modelos geocelulares estáticos que constataron el menor grado de conectividad en un clinotema de shoreface de bajo gradiente. Posteriormente se evaluó la eficiencia en el diseño de explotación realizando análisis volumétricos considerando el uso de pozos verticales y horizontales para distintas áreas de drenaje. El diseño de explotación con pozos horizontales demostró ser el diseño más eficiente ya que demostró contactar un 30% más de petróleo in situ con aproximadamente un tercio de los pozos que en el diseño vertical. En síntesis, esta tesis doctoral ha podido caracterizar los atributos morfométricos de clinoformas de distinta escala para entender mejor la configuración marina de un mar epicontinental. El Mar Neuquino a través del Titoniano-Hauteriviano Tardío ha tenido distintas configuraciones del perfil depositacional pudiendo tener diferencias significativas en la paleobatimetría desde 10’ m a pocos 100’ m de paleoprofundidad. Además, la caracterización de clinoformas marinas en dicho mar, permitió construir herramientas predictivas de sistemas de acumulación para asistir en escenarios de exploración y desarrollo a través del estudio de clinoformas a distintas escalas cuyos resultados pueden ser utilizados en otras cuencas marinas del mundo.
The Cretaceous of the Neuquén Basin in the Central Andes
The Neuquén Basin, located at the foothills of the Central Andes of Argentina, with superb and extended exposures is a natural laboratory. It is important not only for its continuous sedimentary record and superb palaeontological biota but also for its significant economic hydrocarbon resources. This synthesis is intended to provide an update only on the Cretaceous timespan in the basin development. It is characterized by a succession of sedimentary rocks that were deposited in different environments over time, interspersed with volcanic rocks associated with an active volcanic arc. High-precision geochronology dating on the tuffs establishes robust chronological ages to constrain the different stages. As this brief review only shows a fragment of the information presently available, an effort has been made to compile a comprehensive and up-to-date bibliography to compensate for the brevity of the text.
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