Characterization of the texture, composition and porosity of the Aymamón Limestone formation and laboratory derivation of elastic properties and seismic wave velocities

Abstract

The study area of this project lies in the central portion of northern coastal plain of Puerto Rico, which is characterized by mogote karst terrains that form on the Tertiary Aymamón Limestone Formation. Lowlands between the mogote hills and ridges are covered by Quaternary blanket deposits that obscure and fill underlying sinkholes in the Aymamón Limestone. Subsurface investigations of these features and their potential for collapse rely heavily on seismic surveys. The purpose of this thesis was to investigate the physical properties of the Aymamón Limestone Formation that control its seismic wave velocity to enhance interpretation of subsurface seismic analyses. A test boring (B-1) was drilled at the Monte Verde Urbanization’s basketball court at Manatí, in order to correlate the derived MASW seismic velocity profile with the subsurface geology of the site and collect core samples for testing. The boring encountered cavernous porosity at depths between 21.5-27.4 m that precluded core sampling at the target depths. Only two indurated recrystallized limestone fragments with densities of 2,084 kg/m3 and 1,602 kg/m3, respectively, were recovered from a depth of 25 meters. As an alternative Aymamón Limestone core samples from four (4) different core holes (NC-4, NC-5, NC-9, and NC-10) drilled by the USGS were collected in order to characterize their composition, texture and porosity and select sample for testing. Much of the Aymamón Limestone cores from this mogote karst zone are comprised of well-indurated, recrystallized and well-cemented limestones. Samples were mostly packstone and less commonly wackestone and grainstone textures. Most of the porosity is vuggy and mouldic with much less intra-particle porosity. The fossils in the core samples included calcareous algae, benthic foraminifers, and echinoderms that have a calcite skeletal composition and corals, mollusks, and other fragments that have an aragonite skeletal composition. The micro-porosity percentages for cores NC-4, NC5, NC-9, and NC-10 were 1.49%, 1.72%, 3.31%, and 2.54%, respectively. The mineralogy of the carbonate samples is dominantly composed of calcite with some samples consisting of high Mg calcite and dolomite. Four core samples from the original target depths where chosen from the closest NC-5 and subjected to unconfined compression tests to determine their elastic properties and derivative seismic velocities. The samples from 20m and 27.5m consisted of wackestones and those from 21.5m and 23m were packstones. All four samples were composed of calcite or high Mg calcite. Vug porosity dominated the four samples with some inter-particle porosity in the 21.5m sample and both intra-particle and fracture porosity in the 23m sample. The estimated macro-porosity percentages for samples from 20, 21.5, 23, and 27.5 meters deep were 19.33%, 1%, 3.5%, and 39.67%; and the micro-porosity values were 1.69%, 0.88%, 2.15%, and 0.39%, respectively. The density values of the samples from core NC-5 range from 2,295 to 2,510 kg/m3. The results of the tested samples showed that Young’s modulus ranged from 1.02-3.04 GPa, Poisson’s ratio from 0.27-0.37, the shear modulus from 0.5-1.3 GPa, and the bulk modulus from 1.06-2.6 GPa. The Young’s modulus and the shear modulus consistently increased with sample depth. The resultant calculated P-wave velocities ranged from 859-1,360 m/sec and S-wave velocity ranged from 446-740 m/sec. Calculated S-wave velocities increased consistently with depth of sample and reached a maximum at the sample with the highest mega-porosity and least density. The test results are consistent with field observations at Monte Verde where cavernous porosity was encountered at depths where seismic profiles increasingly higher shear wave velocities. The association of higher calculated P-wave velocities with lower micro-porosity suggests that recrystallization of the limestone between mega-pores to a denser mass may be controlling seismic wave velocity in limestones in advanced stages of dissolution.

El área de estudio de este proyecto se encuentra localizada en la parte central de la costa norte de Puerto Rico, la cual está caracterizada por terrenos cársicos de mogotes, los cuales se forman en la Formación Aymamón (Terciario). Las tierras bajas entre los mogotes y las cuestas están cubiertas por depósitos de mantos de arena de edad Cuaternaria, los cuales ocultan y llenan los sumideros en la Formación Aymamón. Investigaciones superficiales de estos sumideros y su potencial para colapsar dependen de las mediciones sísmicas. El propósito de esta tesis fue investigar las propiedades físicas de la Formación Aymamón que controlan las velocidades de ondas sísmicas para intensificar la interpretación de análisis sísmicos en la superficie. Un barreno (B-1) fue realizado en la cancha de baloncesto de la Urbanización Monte Verde en Manatí, para correlacionar el perfil de las velocidades símicas obtenido de la técnica de MASW con la geología superficial del área y recolectar muestras de roca para realizar pruebas. Durante el barreno se encontró porosidad de caverna a una profundidad de 21.5 a 27.4 metros que impidió el muestreo hacia las profundidades deseadas. Solamente dos fragmentos de roca caliza con densidades de 2,084 kg/m3 y 1,602 kg/m3 , respectivamente, endurecidos y recristalizados fueron recolectados a una profundidad de 25 metros. Como una alternativa, muestras de núcleos de roca caliza de cuatro (4) barrenos diferentes (NC-4, NC-5, NC-9, y NC-10) de la Formación Aymamón, realizados por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS, por sus siglas en inglés) fueron recolectadas para caracterizar su composición, textura y porosidad y seleccionar las muestras para realizar las pruebas. La mayoría de los núcleos de roca caliza de esta zona cársica de mogotes, están bien endurecidos, recristalizados y bien cementados. La textura presente en las muestras de roca es mayormente “packstones” y menos común “wackestones” y “grainstones”. La porosidad es mayormente “vuggy” y de molde, siendo menos común la porosidad dentro de las partículas. Los fósiles presentes en las muestras de roca incluyen, algas calcáreas, foraminiferos bénticos y equinodermos, los cuales están compuestos de calcita; y corales, moluscos, y otros fragmentos compuestos de aragonita. Los porcientos de micro-porosidad para los núcleos NC-4, NC-5, NC9, y NC-10 fueron 1.49%, 1.72%, 3.31%, y 2.54%, respectivamente. La mineralogía de las rocas es mayormente de calcita con algunas muestras compuestas de calcita magnesiana y dolomita. Cuatro muestras de roca de las profundidades deseadas fueron escogidas del núcleo NC-5 y fueron sometidas a pruebas de compresión uniaxial para determinar las constantes elásticas las velocidades sísmicas derivadas. Las muestras de 20 m y 27.5 m tienen una textura “wackestones” y las de 21.5 m y 23 m son “packstones”. Las cuatro muestras están compuestas de calcita y calcita magnesiana. La porosidad “vug” es la más común en las cuatro muestras, la muestra de 21.5 m mostró porosidad entre las partículas y la muestra de 23 m mostró porosidad dentro de las partículas y de fractura. Los porcientos estimados de macro-porosidad para las muestras de 20, 21.5, 23, y 27.5 metros de profundidad fueron 19.33%, 1%, 3.5%, y 39.67%; y los valores de la micro-porosidad fueron 1.69%, 0.88%, 2.15%, y 0.39%, respectivamente. Los valores de la densidad de las muestras del núcleo de roca NC-5 varían de 2,295 a 2,510 kg/m3 . Los resultados de las muestras de roca muestran que el módulo de Young varía de 1.02-3.04 GPa, la razón de Poisson varía de 0.27-0.37, el módulo cortante varía de 0.5-1.3 GPa, y el módulo de compresión varía de 1.06-2.6 GPa. El módulo de Young y el módulo cortante aumentaron consistentemente con la profundidad de las muestras. Las velocidades calculadas resultantes de la onda P varían de 859-1,360 m/seg y las de la onda S varían de 446-740 m/seg. Las velocidades calculadas de la onda S aumentaron consistentemente con la profundidad de las muestras y alcanzaron un máximo en la muestra que tenía el valor de macro-porosidad más alto y la densidad menor. Los resultados de las pruebas son consistentes con las observaciones de campo obtenidas en la Urbanización Monte, donde la porosidad de caverna fue encontrada a profundidades donde las velocidades de la onda cortante aumentaron. La asociación de las velocidades altas de la onda P con la baja micro-porosidad sugiere que la recristalización de la roca caliza entre los mega-poros a una masa más densa puede estar controlando las velocidades de ondas sísmicas en la roca caliza en avanzados estados de disolución.