Petrographic characterization and isotopic signature of the aptian travertines of the Santos Basin, southeastern Brazil

Abstract

O estudo de carbonatos travertínicos ganhou nova importância geológica e econômica quando gigantescas reservas de hidrocarbonetos foram descobertas na seção Aptiana da Bacia de Santos, na costa sudeste do Brasil. Estes reservatórios carbonáticos não convencionais da Formação Barra Velha foram batizados de Seção Pré-Sal e são atualmente responsáveis por metade da produção brasileira de petróleo. Desde os primeiros poços perfurados e descritos, muitos modelos geológicos e classificações de fácies foram propostos. Em comum, quase todas enfatizam o caráter peculiar dessas rochas precipitadas em um ambiente lacustre alcalino, semelhantes aos encontrados no Rift do Leste Africano. Este estudo concentrou-se em um poço perfurado no Alto Externo da Bacia de Santos, do qual amostras de rocha foram coletadas, analisadas e forneceram, num primeiro momento, indicativos de tratar-se de um depósito travertínico. Dados de petrografia, microscopia eletrônica de varredura e análises de isótopos estáveis foram integrados para desvendar a origem e o ambiente de deposição dessas rochas. Descrições macroscópicas e petrografia revelaram características tipicamente encontradas em travertinos, como carbonatos fortemente bandados com ângulos de inclinação elevados, crostas de calcita, rafts, e feições de micro-carste. Ao mesmo tempo, valores muito negativos de Delta13C e a presença de fases minerais comumente precipitadas em sistemas hidrotermais carbonáticos como pirita, barita, fluorita, anidrita, Sr-barita e betume sólido apontam uma história diagenética complexa e heterogênea, associada a fluidos hidrotermais transportados pelos sistemas de falhas e fraturas que atuaram na Bacia de Santos durante a abertura do Oceano Atlântico, mas em tempos geológicos distintos. O conjunto de dados analisados fornece evidências claras da presença de travertinos no Pré-Sal e também sobre as alterações hidrotermais pós-deposicionais. Estas últimas, provavelmente associadas à atividade magmática do Cretáceo Superior ou Paleógeno que influenciou a criação, dissolução e obliteração da porosidade nos reservatórios do Pré-Sal.

Abstract: The study of travertine carbonates gained both geological and economic significancewhen gigantic hydrocarbon reserves were discovered in the Aptian section of theSantos Basin. Known as the Pre-Salt, located in the southeastern Brazilian coast,the unconventional carbonate reservoirs of the Barra Velha Formation are currently responsible for half of the Brazilian oil production. Since the first drilled and described wells, many geological models and facies classifications have been proposed. Incommon, almost all emphasize the unusual character of these rocks precipitated inan alkaline lacustrine environment, similar to those found in the East African Rift.This study highlights one specific well drilled in Santos Basin Outer High, in whichrock samples were collected, analyzed, and suggested the occurrence of travertinefacies. Thin section petrography, scanning electron microscopy, and stable isotopesanalyses were integrated to unravel these peculiar rocks' origin and depositionalenvironment. Macroscopic descriptions and detailed petrography revealed featurestypically found in travertine systems, such as strongly banded carbonates with highinclinations angles, calcite crusts, rafts, and micro-karst features. At the same time, Delta13C negative values and some mineral phases commonly precipitated byhydrothermal systems in carbonate deposits such as pyrite, anhydrite, fluorite, barite,Sr-barite, and bitumen point out to a complex and heterogeneous diagenetic historyof these rocks, associated with hydrothermal fluids carried through the fault andfracture systems that act in the Santos during the opening of the Atlantic Ocean butin different geological times. The combined data set provides clear evidence oftravertines' presence in Pre-Salt and also about post-depositional hydrothermalalterations. The latter one, likely associated with Late Cretaceous or Paleogenemagmatic activity that controlled creation, dissolution, and obliteration of the porosityin Pre-Salt reservoirs.