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Petrography, geochemistry and provenance of Saudi Arabian Palaeozoic sandstones

Bassis, Alexander :
Petrography, geochemistry and provenance of Saudi Arabian Palaeozoic sandstones.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Petrography, geochemistry and provenance of Saudi Arabian Palaeozoic sandstones
Language: English
Abstract:

The Arabian Peninsula hosts a thick Palaeozoic succession, ranging from the Cambrian through the Permian. It not only contains deposits of the two major Palaeozoic glaciations, but also holds both the major Palaeozoic hydrocarbon source and reservoir rocks. In addition, Palaeozoic sandstones serve as important aquifers. The succession is dominated by highly mature quartz arenites, as seen in thin sections. It is starved of fossils and very uniform in lithology. This creates unique problems for the interpretation of provenance and tectonic setting as well as for stratigraphic correlations. In order to better understand provenance, tectonic setting and stratigraphic relationships, the petrography, major and trace element geochemistry, heavy mineral assemblages and single-grain geochemistry of sandstones were studied. Samples were taken in several field campaigns from two study areas in southern (Wajid area) as well as central and northern (Tabuk area) Saudi Arabia. The data set presented here is the first comprehensive study to cover the entire Palaeozoic succession in both the southern and northern part of the Arabian Peninsula. Tectonic discrimination diagrams suggest that deposition of sandstones took place in an intracratonic setting, which is in accordance with the established model for the evolution of the Arabian Plate. The collisional signal from some samples is a relic from the last stages of the amalgamation of Gondwana, carried into the basin by glaciogenic sediments. Major and trace element geochemistry indicate the Neoproterozoic basement of the nearby Arabian Shield as the most likely source for the detritus. An influx of fresh material, probably sourced from the Shield, did occur in the upper Palaeozoic units of southern Saudi Arabia but did not reach the northern study area. Petrographic and geochemical observations have proven to be unsuitable to assess the influence of sedimentary recycling versus strong weathering and reworking during deposition in highly mature quartz arenites. A (meta-) sedimentary source for the Palaeozoic sandstones could therefore neither be proven nor refuted. Multivariate cluster and principal component analysis of geochemical data revealed significant differences between the two study areas. They further allowed differentiating between the lower and upper parts of the southern Saudi Arabian Palaeozoic succession. The heavy mineral assemblages reflect the mineralogical maturity of the Saudi Arabian Palaeozoic siliciclastics. They are dominated by the ultra-stable phases zircon, tourmaline and rutile. Less stable accessories are apatite, staurolite and garnet. Standard heavy mineral analysis of samples from both study areas reveals distinct changes in provenance. Cambrian–Ordovician sandstones are first-cycle sediments, probably sourced from the Arabian-Nubian Shield. The overlying, Hirnantian glaciogenic deposits consist of recycled Cambrian–Ordovician material. Devonian–Permian sandstones show a significant influx of fresh basement material, as attested by an increase of meta-stable heavy minerals. Single-grain geochemical analysis of rutile and garnet has proven to be a powerful supplementary technique. Rutile varietal studies reveal distinct differences in host rock lithologies between the two study areas. Zr-in-rutile thermometry identified granulite-facies detritus in the lower Palaeozoic of the Tabuk area and has the potential to further define source areas. The distribution patterns of garnet host rock lithologies are remarkably similar in both study areas. They are dominated by amphibolite-facies metasediments and intermediate to felsic igneous rocks. Garnets derived from granulite-facies metasediments, which are scarce in the Arabian-Nubian Shield, also occur. Possible source rocks for high-grade garnets can be found in Yemen or further south in the Mozambique Belt. A closer look was taken at the Khida Terrane – a block of old continental crust situated at the southeastern margin of the Arabian Shield. The Khida Terrane contains various Palaeo- to Neoproterozoic igneous suites as well as metasedimentary successions and is a potential source area for Palaeozoic sediments. Geochemical analyses revealed a collisional setting of most igneous samples. Petrographical observations showed the presence of primary igneous garnet and zinnwaldite mica in one igneous sample and significant amounts of Cr-spinel in a metasediment.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Arabische Halbinsel beherbergt eine mächtige paläozoische Abfolge, die vom Kambrium bis zum Ende des Perms reicht. Diese Abfolge beinhaltet nicht nur Spuren der zwei großen paläozoischen Vereisungen, sondern enthält auch die wichtigsten paläozoischen Mutter- und Speichergesteine für Kohlenwasserstoffe. Paläozoische Sandsteine dienen weiterhin als wichtige Grundwasserleiter. Die Abfolge wird beherrscht von hochmaturen Quarzareniten, wie Dünnschliffe zeigen. Sie ist sehr arm an Fossilien und von einer sehr uniformen Lithologie. Dies schafft einzigartige Probleme für die Interpre-tation von Provenienz und tektonischem Regime sowie stratigraphischen Korrelationen. Um die Sedi-mentprovenienz, das tektonische Regime und stratigraphische Zusammenhänge besser zu verstehen wurden die Petrographie, Haupt- und Spurenelementgeochemie, Schwermineralogie und Einzelmine-ralgeochemie untersucht. Die Proben wurden während mehrerer Geländekampagnen in zwei Arbeits-gebieten im südlichen (Wajid Gebiet) sowie zentralen bis nördlichen (Tabuk Gebiet) Saudi-Arabien genommen. Der hier präsentierte Datensatz ist der erste, der die gesamte paläozoische Abfolge so-wohl im Süden wie auch im Norden der Arabischen Halbinsel abdeckt. Diagramme zur Unterscheidung des tektonischen Regimes zeigen, dass die Ablagerung der Sandsteine auf einem passiven Kontinentalrand stattfand. Dies ist in Übereinstimmung mit dem etablierten Modell der Evolution des Arabischen Platte. Das Kollisionsorogen-Signal, welches in einigen Proben sichtbar ist, ist ein Relikt der Endphase der Amalgamation von Gondwana. Dieses Signal wurde durch glazigene Sedimente ins Becken getragen. Haupt- und Spurenelementgeochemie deuten auf das neoproterozoische Grundge-birge des nahegelegenen Arabischen Schildes als die wahrscheinlichste Sedimentquelle hin. Ein Zu-strom frischen Materials, welches wahrscheinlich vom Schild abgetragen wurde, fand im späten Paläozoikum im südlichen Arbeitsgebiet statt. Dieser Zustrom erreichte nicht das nördliche Arbeitsge-biet. Es zeigte sich, dass petrographische und geochemische Untersuchungen alleine nicht ausrei-chen, um den Einfluss von Wiederaufarbeitung des Sediments gegen starke Verwitterung sowie Auf-arbeitung während der Ablagerung in hochmaturen Quarzareniten abzugrenzen. Für die paläozoischen Sandsteine konnte daher eine (meta-) sedimentäre Quelle weder bestätigt noch widerlegt werden. Multivariate Cluster- sowie Hauptkomponentenanalyse geochemischer Daten deckten signifikante Unterschiede zwischen beiden Arbeitsgebieten auf. Sie erlaubten es weiterhin, zwischen dem unteren und oberen Teil der Abfolge im Süden Saudi-Arabiens zu unterscheiden. Die Schwermineralsuites spiegeln die hohe mineralogische Reife der saudi-arabischen paläozoischen Siliziklastika wider. Sie werden von den hochstabilen Phasen Zirkon, Turmalin und Rutil dominiert. Weniger stabile Akzesso-rien sind Apatit, Staurolith und Granat. Standardschwermineralanalysen von Proben aus beiden Ar-beitsgebieten enthüllen eindeutige Änderungen in der Provenienz. Sandsteine des Kambro-Ordoviz sind 'first-cycle' Sedimente, welche wahrscheinlich vom Arabisch-Nubischen Schild stammen. Die hangenden, hirnantischen glazigenen Ablagerungen bestehen aus wiederaufgearbeitetem kambro-ordovizischem Material. Devonisch-permische Sandsteine zeigen einen signifikanten Eintrag von fri-schem Grundgebirgsmaterial, wie durch den Anstieg an metastabilen Schermineralen belegt wird. Einzelmineralgeochemische Analysen von Rutilen und Granaten hat sich als vielversprechende, er-gänzende Methode entpuppt. Einzelmineraluntersuchungen an Rutilen enthüllten distinkte Unterschiede in den Liefergesteinslithologien der beiden Arbeitsgebiete. Durch Zr-in-Rutil Thermometrie konnte granulitfazieller Detritus im unteren Paläozoikum des Tabuk Gebietes identifiziert werden. Diese Methode hat das Potenzial, Liefergebiete noch genauer zu definieren. Die Verteilungsmuster der Liefergebietslithologien von Granaten beider Arbeitsgebiete sind sich bemerkenswert ähnlich. Sie werden beide von amphibolitfaziellen Metasedimenten und intermediären bis felsischen Magmatiten beherrscht. Granate aus granulitfaziellen Metasedimenten, welche im Arabisch-Nubischen Schild selten sind, kommen ebenfalls vor. Mögliche Liefergesteine für hochmetamorphe Granate befinden sich im Jemen oder weiter südlich im Mosambik-Gürtel. Das Khida Terrane, ein Block alter kontinentaler Kruste am südöstlichen Rand des Arabischen Schildes, wurde näher beleuchtet. Das Khida Terrane beherbergt verschiedene paläo- und neoproterozoische magmatische und metasedimentäre Gesteine und ist ein potenzielles Liefergebiet paläozoischer Sedimente. Geochemische Analysen offenbarten ein Kollisionssetting für die meisten magmatischen Proben. Petrographische Beobachtungen zeigten die Präsenz von primärem magmatischem Granat und Zinnwaldit Glimmer in einer magmatischen Probe sowie signifikante Mengen von Cr-Spinell in einem Metasediment.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Applied Sedimentary Geology
Date Deposited: 01 Jun 2017 08:39
Last Modified: 01 Jun 2017 08:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62467
Referees: Hinderer, Prof. Dr. Matthias and Schüth, Prof. Dr. Christoph and Henk, Prof. Dr. Andreas and Becker, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 18 April 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6246
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