Facies development of the Coniacian-Santonian sediments along the Gulf of Suez, Egypt

Entlang beider Grabenflanken des Golf von Suez wurden die aufgeschlossenen Sedimente der Matulla Formation geochemisch und faziesanalytisch untersucht und mit zeitgleichen Ablagerungen, die von Erdölbohrungen durchteuft wurden, korreliert. Die Geländebeobachtungen und Faziesuntersuchungen der "Matulla" Sedimente ergaben, daß der Matulla Formation der stratigraphische Rang einer Formation mit drei Schichtgliedem zukommt. Der Fauneninhalt belegt für diese Formation ein coniac/santones Alter. Der die Matulla Formation am St.-Antonius-Kloster überlagernde St. Antony Chalk wird wegen des Auftretens der großwüchsigen Auster Ostrea (Pycnodonte) vesiculare LAMARCK dem Campan zugeordnet. Auf der Basis detaillierter Untersuchungen zur Lithofaziesverteilungen, Tonmineralogie und Geochemie der untersenonen Sedimente wird für die Matulla Formation ein Ablagerungsmodell vorgeschlagen. Das Sedimentationszentrum des Beckens liegt im Bereich des Wadi Matulla und wird durch flachmarine karbonatische und klastische Ablagerungen charakterisiert. Flachere Ablagerungsräume mit stärkerem fluviatilen Einfluß befinden sich in nordwestlicher Richtung im Bereich des südlichen Galala-Plateaus. Offen marine Schelfsedimentation mit zunehmend karbonatischer Fazies herrscht weiter von der Küstenlinie entfernt, nördlich des Depotzentrums vor. In südlicher Richtung deuten die zunehmenden Schwarzschiefer- und Phosphoritablagerungen die terrigen beeinflußten Sedimente des flachen bis tiefen Schelfes an. Die Sedimentationsräume des unteren und mittleren Schichtgliedes der Matulla Formation wechseln zwischen Küstenbarren, offener Schelflagune und Gezeitenebenen mit eingeschränkter Wasserzirkulation. Die Ablagerung des oberen Schichtgliedes fand im Bereich des tieferen Schelfes statt, was durch einen relativen Meerspiegelanstieg hervorgerufen wurde. Die Beckenverlagerung geht auf tektonische Bewegungen im Bereich der Plattform zurück und steht im Zusammenhang mit dem Beginn der laramischen Phase. Aufgrund der Zunahme von Sandsteinen und Schwarzschiefem im südlichen Teil des Golf von Suez repräsentieren die untersenonen Ablagerungen vermutlich gute Speicher- und Muttergesteine. Detaillierte mineralogische, geochemische und statistische Untersuchungen wurden an circa 165 Proben durchgeführt. In der Matulla Formation sind die Verteilungsmuster der Haupt- und Spurenelemente sowohl der Tonfraktion als auch der Karbonate eng verknüpft mit den Verteilungsmustem des Mineralspektrums dieser Gesteine. Auf der Halbinsel Sinai zeigen die Verteilungen mit zunehmender Tendenz nach Süden eine relative Anreicherung der terrestrischen Leitelemente Al, Ti, Ga, Sr, Cr, V, Sc, Co, Ni, P und REE. Auf der westlichen Grabenschulter des Golfes bilden Ba und Sr die häufigsten Spurenelemente der Karbonate. Sie zeigen entsprechend der zunehmenden Dolomitisierung eine abnehmende Tendenz in südöstlicher Richtung. Anhand der tonmineralogischen Zusammensetzung lassen sich die untersenonen Sedimente in sechs Tonmineralvergesellschaftungen gliedern. In den unteren und mittleren Schichtgliedem der westlichen Aufschlüsse herrscht Kaolinit und Illit/Smectit vor, wohingegen auf der Halbinsel Sinai Glaukonit im unteren und mittleren Schichtglied vorherrscht und Smektit in dem oberen Member dominiert. Die Strukturformel der Smektite läßt erkennen, daß es sich vorwiegend um dioctahedrale Montmorillonite handelt, die aus einer Mischung des Cheto- und Wyoming-Types bestehen und eine tetrahedrale und octahedrale Substitution zeigen. Eine weitere stoffliche Veränderung in den Sedimenten vollzieht sich durch die diagenetisch bedingte Umwandlung von Smektit in Illit, die auf der Lösung von freien Si 4+-, Mg 2+ -, Ca 2+ - und Fe 2+ -Ionen basiert. Freie Kieselsäure bildet die Quelle für Verkieselungen, während gelöste Mg 2+- und Fe 2+ -Ionen für die Dolomitisierung der Karbonate der Matulla Formation verantwortlich sind. Die SO4 2- -Ionen, die bei der Oxydation von Pyrit durch die Aktivität von eisenoxidierenden Bakterien entstehen, reagieren mit Ca 2+ und bilden Gipsäderchen in den Tonen und Karbonaten. Für die weitere Gipsbildung liefert die Dolomitisierung der Karbonatpartikel Ca 2+ -Ionen. Die Oxydation und Hydrolyse von aus Pyrit und/oder Glaukonit gelösten Fe 2+ -Ionen führt zur Entstehung von Eisenoolith-Lagen.

The studied sediments were subjected to detailed field and laboratory studies. Six stratigraphic surface sections are sampled, described and measured in detail, representing the exposed Coniacian-Santonian sediments along the two sides of the Gulf of Suez. The studied sections are located at Wadi Matulla (170 m), Wadi Feiran (124.5 m), Gebel Ekma (105.7 m), Gebel Abu Durba (145 m), Gebel Thelmet (110 m) and east of St. Antony monastery (81.3 m). They are correlated with the subsurface Lower Senonian of oil fields in the Gulf. Field observation and facies studies of the Matulla sediments showed that the term "Nubia Sandstone" should be abolished and the "Matulla" maintain its stratigraphic rank as a "Formation" including 3 members. The age of the Matulla Formation is confirmed to be of Coniacian-Santonian according to seven oyster banks which have been observed in most studied outcrops. The St. Antony chalk overlying the Matulla Formation at St. Antony is proved to be of Campanian age confirmed by the presence of large-sized Ostrea (Pycnodonte) vesiculare LAMARCK. In this study, detailed mineralogical, geochemical and statistical analyses have been performed on about 165 samples. The distribution patterns of major and trace elements of the clay size fraction and of carbonate rocks of the Matulla Formation are closely related to the distribution patterns of the mineral constituents of these rocks. They show a relative enrichment in the terrestrial elements indicators Al, Ti, Ga, Sr, Cr, V, Sc, Co, Ni, P and REE on the Sinai side, increasing southeastwards. Ba and Sr are the most common trace elements in carbonate rocks on the western side of the Gulf and tend to be depleted to the southeast, as the dolomitization intensity increases. The clay mineralogy of the Lower Senonian shows the existence of 6 clay mineral associations. The kaolinite and illite/smectite facies dominate the lower and middle members of the studied sections on the western outcrops, whereas glauconite dominates the lower and middle members and the smectite facies dominates the upper member on the Sinai side. The structural formulae of studied smectites reveal that they are dominantly dioctahedral montmorillonites composed of mixtures of the Cheto- and Wyoming-type and exhibit some tetrahedral and octahedral substitutions. The studied sediments were subjected to further modifications in composition where the conversion of smectite to illite may be the main diagenetic process which affected these sediments. This resulted in the release of free Si 4+, Mg 2+ , Ca 2+ and Fe 2+ ions. The free silica might be the source of silicification, whereas the released Mg 2+ and Fe 2+ ions form a probable source for the dolomitization of Matulla carbonates. SO4 2- ions derived from pyrite oxidation by the iron oxidizing bacteria may react with Ca 2+ to form gypsum veinlets in shales and carbonate rocks. The dolomitization of carbonate particles releases Ca 2+ ions for farther gypsum precipitation. The oxidation and hydrolysis of released Fe 2+ ions from pyrite and/or glauconite resulted in the formation of the oolitic ironstone in the studied sections. On the basis of field observations, lithofacies distribution, clay mineralogy and geochemistry of the Lower Senonian (Matulla Formation), a depositional model has been proposed for the studied sediments in the Gulf of Suez, where the main basin of deposition (depocenter) was in Wadi Matulla (Abu Zenima area). It is characterized by a mixture of clastics and carbonate sedimentation in a shallow marine environment of deposition which became shallower on the northwestern part of the study area (Southern Galala), where fluviomarine sedimentation prevailed. A more open marine shelf prevailed to the north of the depocenter with increase of carbonate deposition distal from the shoreline. Southwards the percentage of black shales and phosphorites increases at Gebel Ekma and Gebel Abu Durba in off-shore to deep shelf environments, but they have received a high input of terrigenous material and plant remains. The sedimentary environment has oscillated between winnowed edge platform sands (shoals, tidal bars), shelf lagoon with open circulation to shelf and tidal flats with restricted circulation where the lower and middle members of the Matulla Formation were deposited. The basin changed to slightly deeper shelf during the deposition of the upper member. This oscillation may be attributed to tectonic instability within the platform related to the beginning of the Laramide phase. The increase of sandstone and black shale sediments southwards gives indications that the Lower Senonian may be a good reservoir and source rock for oil in the southern part of the Gulf of Suez.