Illitization in siliciclastic Rocks Under Hydrothermal Conditions: Experimental Insight into Transformation Pathways. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MashaerAlfaraj_Master Thesis_Final.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

يُعد معدن الإلِّيت أحد أهم معادن الطين في الخزانات الرسوبية الفتاتية، لما له من تأثير مباشر على الخصائص البتروفيزيائية والمؤشرات المعدنية المستخدمة في إعادة بناء تاريخ الدفن الحراري. يهدف هذا البحث إلى دراسة عمليات الإلِّتة في الصخور الرملية تحت ظروف حرارية‑مائية، من أجل فهم تأثير كل من درجة الحرارة، وكيمياء السوائل، ونوع المعادن الأولية على تكوّن الإلِّيت. تم اختبار ثلاثة أنظمة سائلة مختلفة، وهي: المحلول الاول يتكون من ٠.٥ مولاريتي من كلوريد البوتاسيوم + ٠.٢ مولاريتي من كلوريد المغنيسوم مذاب في ماء منزوع الأيونات. المحلول الثاني يتكون من مياه طبيعية من البحر الأحمر. المحلول الثالث يتكون من ٠.٥ مولاريتي من كلوريد البوتاسيوم ٠.٢ مولاريتي من كلوريد المغنيسوم مذاب في مياه طبيعية من البحر الأحمر. استُخدمت صخور رملية من عضو رمال القوارة العائد للعصر الأوردوفيشي الأعلى (تكوين القصيم)، إضافة إلى الحجر الرملي لتكوين الوجه من العصر الميوسيني، كمواد أولية للتجارب الحرارية‑المائية. كما أُدرج حجر رملي بحري ضحل غني بالفلسبار البوتاسيوم من تكوين مسير (العصر الميوسيني المبكر إلى الأوسط) في منطقة مقنا شمال غرب المملكة العربية السعودية، لتقييم آلية إلِّتة الفلسبار البوتاسيوم تحت كيمياءات سائلة مختلفة. تمت متابعة التغيرات المعدنية والتركيبية باستخدام عدة تقنيات تحليلية، تم استخدام طرق تحليلية متعددة، شملت دراسة الشرائح الرقيقة، والمجهر الإلكتروني الماسح مع التحليل الطاقي وحيود الأشعة السينية. ظهرت النتائج الأولية أن كلًّا من الكاولينيت والفلسبار يبدأان بالذوبان والتحول إلى إيلايت عند درجات حرارة متوسطة (٨٠-١٥٠ درجة مئوية), كما يتشكل الإيلايت عبر مسارات مباشرة وغير مباشرة عند درجات حرارة مرتفعة (٢٠٠-٢٥٠ درجة مئوية) باستخدام سوائل غنية بالبوتاسيوم. أوضحت التجارب مدى التفاعلية النسبية لكل من الكاولينيت، وفلسبار البوتاسيوم، والبلاجيوكلاز في عملية تكوّن الإيلايت. بيّنت الدراسة كيف تؤدي ظروف التحول إلى الإيلايت إلى تكوّن معادن طينية أخرى ومعادن وسيطة ذات طبقات مختلطة، تمثل مراحل انتقالية نحو الإيلايت، والأنواع المختلفة من الصخور الرملية المستخدمة. توفّر نتائج هذا البحث التجريبي رؤىً مهمة للتنبؤ بتطور جودة المكامن، وتسهم في توسيع فهم العمليات التحويرية وربطها بمراحل الدفن والتاريخ الحراري في الأنظمة السيليكاتية الفتاتية

English Abstract

Illite is an important clay mineral in siliciclastic reservoirs, which influences petrophysical properties and mineral indicators used to reconstruct burial histories. This research investigates the illitization processes under hydrothermal conditions in sandstones. The objective was to understand how temperature, fluid chemistry, and precursor mineralogy influence illite formation. Three fluid systems were tested: (i) synthetic solution composed of 0.5M KCl and 0.2M MgCl₂, (ii) natural Red Sea water and (iii) a modified Red Sea solution composed of a mixture of natural Red Sea water with 0.5M KCl and 0.2M MgCl₂. The upper Ordovician Quwarah Sandstone Member (Qasim Formation) (QF) and the Miocene Al Wajh Formation (AW) were used as the starting materials for hydrothermal experiments. Additionally, a K-feldspar rich, shallow marine sandstone of the Early to Middle Miocene Musayr Formation (MU) in the Maqna Area, Northwestern Saudi Arabia was also used in the experiments to evaluate the mechanism of illitization of K-feldspar under varying fluid chemistries. Analytical methods such as thin-section petrography, SEM-EDS, and XRD were utilized to observe mineralogical and compositional changes. Initial findings showed that both kaolinite and feldspar start dissolving and transforming into illite at moderate temperatures (80-150 °C) and form illite in direct and indirect pathways at high-temperature (200-250 °C) conditions using potassium-rich fluids. The experiments clarified the comparative reactivity of kaolinite, K-feldspar, and plagioclase in the formation of illite. The study showed how illitization conditions lead to the formation of other clay minerals and mixed-layer intermediate minerals to illite of various sandstones that were utilized. The findings of this experimental research provide insights for predicting reservoir quality evolution and expand understanding of diagenetic processes and bridge with burial stages and thermal histories in siliciclastic systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Khalid Al-ramadan,
Thesis Committee Members:	Abdulwahab Bello, Stephen Franks,
Depositing User:	MASHAER ALFARAJ (g202401300)
Date Deposited:	19 May 2026 05:14
Last Modified:	19 May 2026 05:14
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144350