Mud diapirs and folds in the south Caspian basingeometry and syn-sedimentary evolution of structures with petroleum interest

Supervised by:
  1. Juan Ignacio Soto Hermoso Director

Defence university: Universidad de Granada

Fecha de defensa: 20 November 2015

  1. José Fernando Simancas Cabrera Chair
  2. Antonio Azor Pérez Secretary
  3. Tomas Ramon Zapata Committee member
  4. Maricel Ford Committee member
  5. Josep Poblet Esplugas Committee member

Type: Thesis


ABSTRACT The South Caspian Sea is floored by a presumable oceanic crust and it was generated during the Arabia-Eurasia collision in Mesozoic times. Plate convergence has triggered deformation and subsidence forming a hydrocarbon-rich province with active oil and gas production. From the Late Miocene to Present, the western margin of the basin has been strongly controlled by uplift and deformation of the Caucasus Mountains, which has promoted flexure of the crust, fast subsidence and an enormous rate of sedimentation towards the Kura deltaic system. Depocenters in the basin reach up to 20 km depth, which represents one of the major sedimentary accumulations in the World. The Productive Series (PS; Late Miocene-Late Pliocene, 5.9 to ~3.4-3.1 Ma) were deposited as a 6 km-thick marine-to-deltaic sequence, overlaid by the here referred as the Post-Productive Series sequence (Post-PS; Late Pliocene to Present, <3.4-3.1). Mud accumulations are widespread in the South Caspian Basin (SCB) shaping innumerable shale diapirs and mud volcanoes. Diapir geometry depicts well-delineated bodies usually connected with depleted feeder channels. The regional source rock for mud structures is the Maykop Formation (Late Eocene to Early Miocene, ~36-16.5 Ma). This shale-rich unit is also the major source rock for hydrocarbons in the area. Hydrocarbons are majorly stored in the PS reservoirs and are trapped by a Late Pliocene regional unconformity that represents a stratigraphic seal in the top of the PS (~3.4-3.1 Ma). This thesis has studied the Kirgan-Araz Deniz anticline (abbreviated as KAD) within the Kurdashi structure, which involves the folded PS and the Post-PS packages. Our work is based on the interpretation of over 700 km2 of seismic data from a post-stack 3D seismic dataset migrated in depth, which has been correlated with drill and logging information from the Araz Deniz IX exploration well. This valuable information has been provided by REPSOL. The fold is a NW-SE anticline located in the western margin of the SCB, in offshore Azerbaijan, to the South of the Kura River mouth. Our research is focused on the reconstruction of the three-dimensional geometry of the structure, and the shape of the overpressured-mud bodies that pierce the anticline. Deformation and sedimentation rates are also estimated to reconstruct the accurate growth history of this anticline. Fold profile evolves along strike from symmetrical, gentle anticlines with a box-like shape that can host double-vergent reverse faults, to a marked asymmetrical structure pierced by mud. The axial trace shows a sigmoidal structure with two culmination domains and predominant eastward vergence. Noticeable differences are registered in fold flanks that are consistent with a detachment fold; the eastern limb leads the deformation as the forelimb, whereas the western flank is dragged as the backlimb. The decoupling layer is presumably single and low-dipping, rooted within the Maykop Formation, estimated at >9 km depth out of seismic image. Dissymmetrical flanks depth and thickness are also explained by a progressive eastwards tilting of the anticline to the inner SCB. Folding-type in the KAD structure differs from classical detachment types since progressive tilting, simultaneous sedimentation, and differential subsidence between fold flanks is registered. The overall geometry of the PS reflects low-dipping sequences (<10º towards the SE) that correspond to different delta systems prograding basinwards. In detail, the study of the uppermost PS shows a subtle thinning due to simultaneous deposit and folding of the Surakhany Unit (Early Pliocene-Late Pliocene, 3.7 to ~3.4-3.1 Ma). According to accentuated syn-sedimentary wedges in the Post-PS package, a new folding stage took place with major relevance in the Akchagyl Unit (Late Pliocene-Early Pleistocene, ~3.4-3.1 to ~1.7-1.6 Ma), and extends to the Present-day seafloor surface. Marked shapes of the latter evidences folding intensity surpassed sedimentation rates in the last 3.1 my, whereas the incipient KAD fold was buried by high sediment loading in the Surakhany period. Our results suggest a propagation of the deformation along fold strike, with noticeable variations in timing and with maximum shortening rates detected in both culminated domains. Mud diapirism pierces the KAD fold along both culminations. Teardrop forms are constrained within the PS and partially the Post-PS rocks, and terminate downwards with sub-vertical welds at depth. We assume the second folding event is the main responsible for mud intrusion after the PS (PS-top), and stopped in the Apsheron times (Early Pleistocene to Late Pleistocene, ~1.7-1.6 Ma to ~0.8-0.7 Ma). Mud ejecta and logs state that overpressured shales are squeezed from the Maykop Unit. Numerous faults document fracturing history, with a variable regime and position. Fold crest is crosscut by curved and normal structures with a N-S trend, whereas reverse and mostly planar faults control the fold core parallel to the fold axis (NW-SE). Core faulting reflects a complex history of deformation with strike- and dip-slip motions through time as reactivated faults. Fractures in both flanks are characterized by two systems of large and planar structures with perpendicular orientations and opposite regimes; two pairs of NW-SE-directed and reverse structures accompany the kink-like fold, and NE-SW structures act conjugately and develop grabens. Structural levels are separated by a neutral surface positioned in the Sabunchi (Early Pliocene, 4.0 Ma to 3.7 Ma) to Surakhany units (Early Pliocene-Late Pliocene, 3.7 Ma to 3.1 Ma), due to buckling mechanisms. Deformation pattern, sigmoidal axial trace and asymmetric limbs may be a result of the strong variations in the displacement of underlying structures and eventually changes in the kinematics of the associated faults . Active tectonics and delta progradation in the Post-PS period were accompanied by numerous slope instability processes. Mobilized sediments embedded within the Akchagyl Unit correspond to large slides, which changed to small slided deposits in the Apsheron times. The Gelasian Formation (<0.8-0.7 Ma) registers numerous debris flows, especially along the eastern domain of the KAD fold. We state mass-transport deposits in the last 3.1 my are majorly controlled by folding but also reinforced by the migration of the Kura shelf-edge margin. A detailed understanding of mass-wasting processes and products, and their stratigraphical occurrence, are vital because they can play a significant role in hydrocarbon exploration, in as much as they can constitute unconventional types of traps and potential geohazards. The analysed KAD fold is a non-economically profitable anticline due to low hydrocarbons storage. We propose several factors acted conjointly to trigger low oil and gas generation and later escape out of the structure since the Surakhany folding (<3.7 Ma). RESUMEN La Cuenca Sur del Mar Caspio (SCB) es una depresión de corteza oceánica originada durante la colisión de los Alpes e Himalaya en el Mesozoico. Dicha convergencia ha generado una gran deformación y subsidencia, formando una provincia rica en hidrocarburos con producción activa de gas y petróleo. Desde el Mioceno Superior, la parte más occidental se ha visto afectada por el plegamiento de las Montañas del Cáucaso, que ha provocado una intensa flexura de la corteza, rápida subsidencia, así como una gran tasa de sedimentación en el sistema del Río Kura. Los depocentros de la cuenca contienen hasta 20 km de espesor de rocas, una de las mayores acumulaciones sedimentarias del mundo. Las Series Productivas (PS; Mioceno Superior-Plioceno Superior, 5.9 a ~3.4-3.1 Ma) representan unos ~6 km de una secuencia fluvio-deltaica, y yacen bajo las aquí citadas unidades Post-Series Productivas (Post-PS; Plioceno Superior a Presente, <3.4-3.1 Ma). En el SCB existen acumulaciones de barro distribuidas por toda la cuenca las cuales dibujan geometrías variables, tales como diapiros y volcanes de lodo. Los cuerpos diapíricos se definen usualmente conectados con antiguos canales de alimentación en profundidad ya agotados. La roca madre de los diapiros y volcanes de barro se encuentra en la Formación Maykop (Eoceno Superior-Mioceno Inferior, ~36 Ma a 16.5 Ma). Esta unidad es también la roca madre de hidrocarburos del área. Petróleo y gas se encuentran principalmente en los reservorios de las PS, atrapados bajo una disconformidad regional del Plioceno Superior que representa un sello estratigráfico a techo de la secuencia (~3.4-3.1 Ma). Esta tesis estudia el anticlinal Kirgan-Araz Deniz (abreviado como KAD), en la estructura Kurdashi, representado por las unidades PS y Post-PS. Nuestro trabajo se ha basado en el análisis de unos 700 km2 de datos sísmicos que proceden de un cubo post-stack en 3D, migrado en profundidad, conjuntamente con datos de sondeo del pozo Araz Deniz IX. Esta valiosa información ha sido suministrada por REPSOL. El pliegue tiene dirección NO-SE, y está localizado en el margen occidental del SCB en aguas de Azerbaiyán, al Sur de la desembocadura del Río Kura. La investigación se centra en la reconstrucción de la geometría tridimensional del pliegue, y de los diapiros de lodo que lo nuclean. Las tasas de deformación y de sedimentación también han sido estimadas para reconstruir la historia de crecimiento de la estructura de forma precisa. El perfil del pliegue varía a lo largo de la dirección del mismo, desde estructuras suaves con geometría en caja y que albergan fallas inversas con doble vergencia, a pliegues asimétricos comúnmente nucleados por diapiros de barro. La traza axial muestra una estructura sigmoidal compuesta por dos culminaciones y una vergencia predominantemente hacia el Este. Diferencias notables se registran en los flancos consistentes con un plegamiento de tipo detachment; el flanco oriental es el flanco líder o forelimb, mientras que el occidental es arrastrado como backlimb. La superficie de despegue es presumiblemente simple y de bajo buzamiento, enraizada en la Unidad Maykop, a una profundidad estimada que supera los 9 km y que queda fuera de los límites del volumen sísmico. Las características de disimetría y diferencia de espesores entre ambos flancos también se pueden explicar por un progresivo basculamiento del anticlinal en dirección al interior de la cuenca. La estructura KAD difiere de los pliegues de despegue clásicos debido al progresivo basculamiento, simultánea sedimentación, y subsidencia diferencial registrada entre flancos. La geometría de las unidades PS muestra secuencias de bajo buzamiento (<10º hacia el SE) que corresponden con diferentes sistemas deltaicos que progradan hacia la cuenca. En detalle, el estudio de las capas estratigráficas más altas de las PS, la Unidad Surakhany (Plioceno Inferior-Plioceno Superior, 3.7 Ma a ~3.4-3.1 Ma), muestra un adelgazamiento débil debido al depósito y plegamiento simultáneos. La acentuada geometría en cuña del paquete Post-PS evidencia una nueva etapa de plegamiento, que tuvo lugar con mayor relevancia en la Unidad Akchagyl (Plioceno Superior-Pleistoceno Inferior, ~3.4-3.1 a ~1.7-1.6 Ma), y que se extiende hasta el fondo marino actual. Esta forma marcada de los sedimentos más recientes evidencian que la intensidad del plegamiento superó las tasas de sedimentación en los últimos 3.1 ma, mientras que el plegamiento incipiente del KAD quedó enmascarado por el enterramiento de una gran carga sedimentaria en el período Surakhany. Nuestros resultados sugieren la propagación de la deformación a lo largo de la dirección del pliegue, con variaciones notables en el tiempo, y con mayores tasas de acortamiento detectadas en los dominios de culminación del pliegue. El diapirismo de lodo perfora ambas culminaciones del pliegue. Las formas teardrop están constreñidas en las secuencias PS y parcialmente en las Post-PS, y terminan en forma de welds subverticales en profundidad. El segundo evento de plegamiento es el principal responsable de la intrusión de barro después del techo de las PS (PS-top), y se detiene durante el depósito de la Unidad Apsheron (Pleistoceno Inferior- Pleistoceno Superior, ~1.7-1.6 Ma a ~0.8-0.7 Ma). Muestras de lodo tomadas en superficie y a través de testigos confirman que las arcillas sobrepresurizadas proceden de la Unidad Maykop. Numerosas fallas documentan la historia de fracturación, con un régimen y posición variables a lo largo del pliegue. La cresta del pliegue está intensamente afectada por fallas normales con geometría curva y dirección N-S, mientras que las estructuras inversas son principalmente planas y se disponen en el núcleo del pliegue de forma paralela al eje (NO-SE). La deformación de régimen inverso en profundidad refleja una historia de deformación compleja en el tiempo, con componentes de salto en dirección así como de salto en buzamiento reactivadas. Los flancos de la estructura KAD están fracturados por dos sistemas de fallas largas y planas que muestran orientaciones perpendiculares y regímenes opuestos; dos pares de fallas inversas siguen una dirección NO-SE y acompaña la estructura tipo kink, y un sistema de fallas normales NE-SO actúan conjuntamente y desarrollan grabens. Los niveles estructurales están separados por una superficie neutra posicionada entre las unidades Sabunchi (Plioceno Inferior, 4.0 Ma a 3.7 Ma) y Surakhany (Plioceno Inferior-Plioceno Superior, 3.7 Ma a 3.1 Ma), debido a mecanismos de tipo buckling. El patrón de la deformación, la traza sigmoidal del pliegue y los flancos asimétricos pueden ser resultado de fuertes cambios en el desplazamiento de estructuras en profundidad que eventualmente pueden variar su cinemática. La tectónica activa y la progradación deltaica en el período Post-PS estuvo acompañado por numerosos procesos de inestabilidad de talud que desarrollaron variados complejos deposicionales en masa (MTCs). Los sedimentos movilizados constreñidos en la Unidad Akchagyl se originaron debido a grandes deslizamientos, que adquirieron menor tamaño durante la época Apsheron. La Formación Gelasian (<0.8-0.7 Ma) registra numerosos flujos de derrubios, especialmente observados en los dominios orientales del KAD. En esta tesis se asume la ocurrencia de estos MTCs en los últimos 3.1 my controlados por el plegamiento y el avance de la plataforma marina hacia el Este. Una interpretación detallada de estos procesos y sus depósitos, así como la localización estratigráfica, es vital puesto que pueden jugar un papel primordial en la exploración petrolera, pues pueden suponer trampas no convencionales de hidrocarburos y riesgo potencial durante los procesos exploratorios. El pliegue analizado no es económicamente rentable pues posee una baja acumulación de hidrocarburos. En este trabajo se propone la combinación de varios factores para explicar tal escasez, producidos por la actuación conjunta bajos niveles petróleo y gas y su posterior escape debido al plegamiento estructural desde el Surakhany (<3.7 Ma).