Fluvio-aeolan interaction and early diagenetic processes, Sossus sand formation, Namibia

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-04-26
Issue Year
2021
Authors
Feder, Amelie
Editor
Abstract

Aeolian sandstones have ideal initial conditions to provide good reservoirs, but their reservoir properties are strongly depended on the evolution of the sandstone through time. Diagenesis can either foster or destroy porosity and permeability and therefore rules over the reservoir quality. Early and burial diagenetic processes in aeolian sandstones have been studied extensively, however the drivers of early diagenesis - spatial facies distribution and initial sediment composition - have been neglected. The depositional environment determines the facies distribution, which in turn influences the initial sediment composition. This controls the location of early diagenetic features in the sediments, which defines the pathways for fluid movement during burial diagenesis. The interaction with rivers introduces a heterogeneity into dune fields and changes the depositional facies and sediment compositions. This thesis illuminates the fluvial aeolian interaction, the spatial distribution of the resulting sedimentary facies, sediment composition and their influence on early diagenesis. The study has been conducted in the Namib Desert with its aeolian Sossus Sand Formation as it is a prime example for fluvial aeolian interaction. The ephemeral Tsauchab River enters the dune field, is dammed between the dunes and disembogues in an inter-dune mud pool called ‘vlei’. The various aeolian and fluvial processes generate a complex interplay of sedimentary deposits. In a first step a workflow was developed to classify satellite images into sedimentary facies. The map was created by combining remote sensing with observations and samples from the field. A WorldView3 image of four visible to near-infrared and eight short wave infra-red with a resolution of 7.5 m was used to generate the map. The best classification results have been achieved by combining a principal component analysis, band ratios, as well as geomorphological and texture indices. After the preprocessing a principal component analysis was applied to reduce dimensionality and filter noise. Band ratios for clays and iron oxide were calculated to highlight spectral differences based on the mineralogy. Additionally the Topographic Position Index and slope were applied to include the spatial features of the facies and texture statistics are derived from a Gray Level Co-Occurrence Matrix to include the textural features of the facies. The supervised classification algorithm “random forest” used these calculations together with field data for validation to propose the facies distribution. Based on the remote sensed map, the Sossus area was subdivided into six facies: modern aeolian sand, deflation surface, mud pool/mud drapes, heavy mineral lag, aeolian reworked fluvial sediment, and fossil dune remnant. The facies distribution is a result of various mixing processes between the fluvial and aeolian derived components and finally selective mineral and detrital component concentrations. In the second part of this thesis these facies and the processes creating them were analysed. By combining petrography, heavy mineral, grain size, bulk mineralogy, and bulk geochemistry analyses the properties of each facies and the origin of its mineralogical components were determined. The endmember compositions for the aeolian and fluvial derived sediments were established. The dune sand is characterized by high quartz, volcanic rock fragments, and pyroxene. Contrary to that, the fluvial sediments contain high limestone and siltstone rock fragments, illite, epidote and amphibole. From its entry point into the dune field to its endpoint the river sediments get slowly mixed with aeolian sediments, which are being blown into the riverbed. There is a significant increase of aeolian derived pyroxenes in the river samples as they come closer to Sossusvlei. After the initial deposition, the fluvial sediments are reactivated by aeolian activity and redistributed into the dune field according to sorting effects. The fines accumulate in the mud pool, sand sized material in aeolian reworked fluvial sediment and the coarse fraction in deflation surface. Overall, the facies adjacent to a river bed or mud pools carry a significant portion of fluvial material. However, on dune tops only 2 % fluvial derived material is present. With this understanding of the facies and compositional distribution the early diagenetic features of the Sossus Sand Formation were analysed. The fossil dune remnants around the mud pools are slightly lithified by clay coatings and bridges. The clay minerals are oriented tangential to the framework grains, which points to a mechanically infiltrated origin. The size and mineralogy of the clay platelets corresponds with those from the fine fraction of the river, which means that during floods, the river suspension seeped into the aeolian deposits and built the early diagenetic clay bridges and coatings. Directly below the contact with the mud pool the infiltrated clay was most abundant with around 30 %. After this initial high values the clay content decreased drastically, however in a depth of 2 m there were still continuous clay coatings around the framework grain and a clay content of 3 %. Additionally to these early diagenetic features, diagenetic precursors have been found in the modern and the fossil Sossus Sand. Limestone fragments, inherited iron oxide coatings and mud chips are common in all facies and can potentially play important roles during further diagenesis. The Tsondab Sandstone lies under the current Namib Sand Sea and was deposited during similar conditions in the Miocene. The sediment routing systems are presumably the same as today, which makes it perfect to study how the Sossus Sand will evolve through time. The Tsondab Sandstone also contains Fe rich clay coatings, but is additionally cemented with heulandite and patchy carbonate. Furthermore, its volcanic rock fragments and feldspars are partially dissolved, which provided the material to form the heulandite cement. Neither the fossil Sossus Sand nor the Tsondab Sandstone have undergone compaction and they both show similar porosities around 30 to 40 %. However, the permeability of the Tsondab Sandstone is considerably lower, as its pore throats are affected by the heulandite and carbonate cements. Since the sediment compositions of the Sossus Sand and the Tsondab Sandstone, as well as the environmental conditions are similar, it can be expected that the early diagenesis of the Sossus Sand proceeds similar to the Tsondab Sandstone. Considering all of the exposed older mud pools and fluvial deposits in the Namib Desert, an area of at least 400 km² is affected by the fluvial aeolian interactions with the Tsauchab River. In this area the Sossus Sand formation will possibly preserve a good porosity and a medium permeability.

Abstract

Äolische Sandsteine verfügen über ideale Ausgangsbedingungen, um gute Reservoire zu bilden, aber ihre petrophysikalischen Eigenschaften hängen stark von der Entwicklung des Sandsteins im Laufe der Zeit ab. Die Diagenese kann die Porosität und Permeabilität entweder fördern oder zerstören und entscheidet daher über die Qualität des Reservoirs. Frühe und späte diagenetische Prozesse in äolischen Sandsteinen wurden ausgiebig untersucht, jedoch wurden die Triebkräfte der frühen Diagenese - die räumliche Verteilung der Fazies und die anfängliche Sedimentzusammensetzung - vernachlässigt. Die Ablagerungsbedingungen beeinflussen die räumliche Faziesverteilung, welche wiederum die initiale Sedimentzusammensetzung definiert. Dadurch wird die Verteilung der frühdiagenetischen Zementen in den Sedimenten gesteuert, was die Wegsamkeiten für die Fluide während der Spätdiagenese beeinflusst. Durch die Interaktion mit Flüssen werden die Ablagerungen in den Dünen deutlich heterogener und die Ablagerungsfazies und die Sedimentzusammensetzung werden deutlich verändert. Diese Doktorarbeit beleuchtet die fluvioäolische Interaktion, die räumliche Verteilung der resultierenden Sedimentfazies, die Sedimentzusammensetzung und deren Einfluss auf die frühe Diagenese. Die Studie wurde in der Namib-Wüste mit der äolischen Sossus-Sand Formation durchgeführt, da sie ein Paradebeispiel für die fluvioäolische Wechselwirkung ist. Der ephemere Tsauchab-Fluss fließt in das Dünenfeld, wird zwischen den Dünen aufgestaut und mündet in einem, zwischen den Dünen gelegenen, Schlammpool der Vlei genannt wird. Die verschiedenen äolischen und fluvialen Prozesse erzeugen ein komplexes Zusammenspiel der Sedimentablagerungen. In einem ersten Schritt wurde ein Arbeitsablauf entwickelt, um aus Satellitenbildern Sedimentfazies zu klassifizieren. Die Karte wurde durch eine Kombination aus Fernerkundung mit Beobachtungen und Proben aus dem Gelände erstellt. Zur Erstellung der Karte wurde ein WorldView3-Bild von vier sichtbaren bis nah Infrarot und acht kurzwelligen Infrarotkanälen mit einer Auflösung von 7,5 m verwendet. Die besten Klassifikationsergebnisse wurden durch die Kombination aus einer Hauptkomponentenanalyse, den Bandratios, sowie geomorphologischen und texturellen Indizes erzielt. Nach der Vorverarbeitung wurde die Hauptkomponentenanalyse angewandt um die Dimensionalität und das Filterrauschen zu reduzieren. Die Bandratios für Tonminerale und Eisenoxid wurden berechnet, um spektrale Unterschiede auf der Grundlage der Mineralogie hervorzuheben. Zusätzlich wurden der topographische Positionsindex und die Steigung berechnet, um die räumlichen Merkmale der Fazies einzubeziehen. Texturstatistiken wurden aus einer Graustufen-Koexkursionsmatrix abgeleitet, um die Texturmerkmale der Fazies zu berücksichtigen. Der überwachte Klassifizierungsalgorithmus random forest verwendete diese Berechnungen, zusammen mit Felddaten zur Validierung, um die Faziesverteilung vorherzusagen. Auf der Grundlage der fernerkundeten Karte wurde das Sossus-Gebiet in sechs Fazies unterteilt: moderner äolischer Sand, Deflationsfläche, Schlammtümpel, Schwermineral-Rückstand, äolisches umgearbeitetes Flusssediment und fossile Dünenreste. Die Verteilung der Fazies ist das Resultat verschiedener Mischungsprozesse zwischen den fluvialen und äolischen Komponenten und selektiver Mineralkonzentration. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Fazies und die Prozesse analysiert. Durch die Kombination von Petrographie, Schwermineralien-, Korngrößen-, Mineralogie- und Geochemieanalysen wurden die Eigenschaften jeder Fazies und der Ursprung ihrer mineralogischen Komponenten bestimmt. Die Endgliederzusammensetzungen für die äolischen und fluvialen Sedimente wurden definiert. Der Dünensand ist durch einen hohen Anteil an Quarz, vulkanische Gesteinsfragmente und Pyroxen gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu enthalten die fluvialen Sedimente vermehrt Kalkstein- und Siltsteinfragmente, Illit, Epidot und Amphibol. Von ihrem Eintrittspunkt in das Dünenfeld bis zu ihrem Endpunkt vermischen sich die Flusssedimente langsam mit äolischen Sedimenten, die in das Flussbett geblasen werden. In den Flussproben gibt es eine signifikante Zunahme von äolischen Pyroxenen, je näher man an Sossusvlei kommt. Nach der initialen Ablagerung werden die Flusssedimente durch die äolische Aktivität reaktiviert und basierend auf der Sortierung in das Dünenfeld umverteilt. Die Feinsedimente sammeln sich im Schlammpool, sandiges Material in äolischen überarbeiteten Flusssedimenten und die grobe Fraktion in der Deflationsoberfläche. Insgesamt enthalten die Fazies, die an das Flussbett oder an einen Schlammpool angrenzen, einen erhöhten Anteil an Flussmaterial. In den Dünenkämmen sind jedoch nur 2 % fluviales Material vorhanden. Mit den neuen Erkenntnissen über für die Faziesverteilung und deren mineralogische Zusammensetzung, wurden die frühdiagenetischen Merkmale der Sossus-Sand Formation analysiert. Die fossilen Dünenreste in der Nähe der Schlammpools sind durch Toncoatings und Tonbrücken leicht lithifiziert. Die Tonminerale sind tangential zu den detritischen Komponenten orientiert, was auf einen mechanisch infiltrierten Ursprung hinweist. Die Größe und die Mineralogie der Tonplättchen entspricht der des Feinanteils des Flusses, was bedeutet, dass bei Überschwemmungen die Flusssuspension in die äolischen Ablagerungen versickert und die frühdiagenetischen Tonbrücken und Coatings bildet. Direkt unterhalb des Kontaktes mit dem Schlammpool war der infiltrierte Ton mit etwa 30 % am stärksten vorhanden. Nach diesen anfänglich hohen Werten nahm der Tongehalt drastisch ab, jedoch gab es in einer Tiefe von 2 m noch durchgehende Toncoatings um die detritischen Körner und einen Tongehalt von 3 %. Zusätzlich zu diesen frühen diagenetischen Merkmalen wurden im modernen und fossilen Sossus-Sand diagenetische Vorstufen gefunden. Kalksteinfragmente, vererbte Eisenoxidcoatings und Tonchips sind in allen Fazies verbreitet und können möglicherweise bei der weiteren Diagenese eine wichtige Rolle spielen. Der Tsondab-Sandstein liegt unter dem heutigen Namib Wüste und wurde unter ähnlichen Bedingungen im Miozän abgelagert. Die Liefergebiete und Sedimentsysteme sind vermutlich die gleichen wie heute, weshalb sich der Tsondab-Sandstein gut anbietet für die Untersuchung der Entwicklung der Sossus-Sand im Laufe der Zeit. Der Sandstein enthält ebenfalls Fe-reiche Tonschichten, ist aber zusätzlich mit Heulandit und ungleich verteiltem Karbonat zementiert. Darüber hinaus sind die Vulkangesteinsfragmente und Feldspate teilweise weggelöst und liefern das Material für die Bildung des Heulandit-Zements. Weder der fossile Sossus-Sand noch der Tsondab-Sandstein ist verdichtet und beide verfügen über ähnliche Porositäten zwischen 30 und 40 %. Die Permeabilität des Tsondab-Sandsteins ist jedoch wesentlich geringer, da seine Porenhälse durch die Heulandit- und Karbonatzemente verschmälert werden. Da die Sedimentzusammensetzungen des Sossus- und des Tsondab-Sandsteins sowie deren Bildungsbedingungen ähnlich sind, ist zu erwarten, dass die Frühdiagenese des Sossus-Sandes ähnlich wie die des Tsondab-Sandsteins verläuft. Unter Berücksichtigung aller exponierten älteren Schlammpools und fluviatilen Ablagerungen in der Namib-Wüste, ist ein Gebiet von mindestens 400 km² von den fluvioäolischen Wechselwirkungen mit dem Tsauchab-Fluss betroffen. In diesem Gebiet wird die Sossus-Sandformation möglicherweise eine gute Porosität und eine mittlere Permeabilität bewahren.

DOI
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