Holocene post-volcanic spring deposits in the Jebel Uweinat (SW-Egypt) ?

Norbert Brügge, Germany
Dipl.-Geol.

Update: 09.09.2016


Holocene freshwater carbonate structures in the hyper-arid Gebel Uweinat region of the Sahara Desert (Southwestern Egypt)

by Margarita M. Marinova, A. Nele Meckler, Christopher P. McKay, in Journal of African Earth Sciences 89 (2014) 50–55
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1464343X13001763

"During our preliminary exploration (in 2005) of the Gebel Uweinat region, two valleys ("Karkur Talh") were discovered that contain morphologically distinct carbonate structures and at one of the sites form a bench along the valley wall. Both of these valleys are located in likely ancient valley network channels. At Site 1, the carbonate structures form a distinct bench along the sandstone valley wall; the bench is continuous for over 50 m and is about 1 m thick vertically (Site 1, N21°58' / E25°06' , elevation 715 m SL)
The carbonate bench is ‘‘pasted’’ onto the valley wall and is not part of, or aligned with, the stratigraphic sequence. At this location the valley is about 20 m deep. No apparent shorelines were observed.
Site 2 is located about 5 km away in a neighboring valley, and at a slightly higher elevation than the first site (Site 2, N21°56' / E25°04' , elevation 775 m SL). The height of the surrounding, broader valley is about 10 m. The carbonates structures had a similar, distinct morphology, but did not form a bench along the valley walls: they were distributed both along the valley walls and along the valley floor.
Bulk XRD mineralogical analysis of the samples showed carbonates and quartz as the main minerals, with other minor constituents (less than a few percent total weight fraction). The carbonate is in the form of calcite, with less than 5 mol% magnesium. The average total carbonate weight fraction (as determined by acid digestion) is 46% for Site 1, with the three subsamples giving 42.5%, 49.0%, and 46.8% by weight. For Site 2, the average total calcite content was 28% by weight, with the three subsamples giving 29.2%, 28.2%, and 26.0% by weight. The quartz component was likely contributed by the ubiquitous sand sheets and dunes in the region.
Energy dispersive spectrometer (EDS) analyses showed some of the minor mineralogical components to be calcium sulphate, magnetite, ilmenite, (Na, Al) pyroxenes, and orthoclase. The composition at both sites is similar, consistent with their close proximity. The organic carbon content of the samples is below the detection limit of the measurement: less than 0.3 weight percent.
Microscopic examination of the samples from both sites shows a calcite matrix primarily embedded with quartz, with other mineral grains as a minor component. The quartz grains are angular with little rounding, similar to the angular nature of the quartz grains in the surrounding sandstone rocks. The persistent angular grains suggest short transport distances. No fossils or pollen grains were observed.
The calcite structures were dated using radiocarbon dating of the bulk sample. Two subsamples from Site 1 were dated, giving similar dates: 8190 calibrated years BP and 7970 cal. years BP. For Site 2, the carbonate age is 9440 calibrated years BP." (BETA Analytic Inc., Miami)

Fig. 3. Calcite matrix and composition. SEM image of a thin-section of the calcite structures at Site 1.
The matrix is calcite (1), the most ubiquitous incorporated mineral is quartz (2); iron oxides/ilmenite (3, bottom left), pyroxenes (Na, Al pyroxenes in this image; 4), and orthoclase (5) are also present. The lack of significant rounding of the grains suggests short transport distances.
The morphology and composition at Site 2 are similar.

"Carbonate-bearing rocks are not present upstream of the study sites. .... No active springs were found upstream, although one spring is known on the other side of the mountain and carbon input from groundwater cannot be fully ruled out. .... The level of the deposits reported here is uniform across the valley wall consistent with formation from lake water. ... The chemical and morphological similarity of these formations to carbonate structures from modern lakes suggests that these lakes contained fresh, standing water. ... Microbial carbonate structures are reported from a diversity of environments."

 

The results of the investigations, however, must to be interpreted quite differently:

Die Altersbestimmung der Sinter-artigen Ablagerungen, die im Karkur Talh gefunden wurden, ist eine große Überraschung. Es sind offenbar im frühen Holozän entstandene Ablagerungen, die aber wie vermutet wird, nicht mikrobiell entstanden sind und auch nicht in einem See. Das sind Ablagerungen, die vermutlich an lokalen Quellen entstanden sind, durch die mit gelöstem Eisen befrachtetes vulkanisches Wasser aufgestiegen ist. Dieses vulkanische Wasser hat offensichtlich auch Bruchstücke von metamorphem Basement mitgeführt. Das bedeutet, dass bis vor kurzem der Oligozäne Vulkanismus eine Nachwirkung in der Region hatte.

Die dort dokumentierte mineralogische Zusammensetzung entspricht mit hoher Wahrscheinlichkeit einem metamorphen Karbonat-Silikat aus der UM-Formation (Ultramafic-Mafic and Calc-Silicate Rocks) des Präkambrischen Basement. Dieses metamorphe Karbonat-Silikat mit dolomitischer Matrix reagiert nicht mit Salzsäure. Es enthält Pyroxene, Orthoklase und Magnetite und ungerundete Quarze. Die Anteile dieser dunklen Karbonat-Silikate waren in den untersuchten Proben in beiden Vorkommen sehr hoch (55% bzw. 75%).

Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Feststellung, dass im Karkur Talh oberirdisch kein metamorphes Basement der UM-Formation ausstreicht, das hätte erodiert werden können. Sollte die Theorie von post-vulkanischen Quellen richtig sein, haben sich diese möglicherweise am Rand des gehobenen Hassanein-Plateaus befunden. Dort sind im Oligozän zusammen mit der Intrusion von Granit vermutlich Teile das Basement mit angehoben worden. Das mutmaßliche Quellgebiet könnte sich in einer intensiv gestörten Zone am Rand des Plateaus befinden (right).

Gegen die annoncierte mikrobielle Entstehung der Ablagerungen in diesen lokal begrenzten schmalen Stau-Rinnen mit einem möglichen Überlauf sprechen folgende Fakten:

  • Überwiegend sandige Ablagerungen

• Bruchstücke von metamorphen Kalk-Silikaten des Basement mit hohem Anteil ungerundeter Quarze, Pyroxene, Orthoklase und Magnetite

• Sehr geringe organische Präsenz in den Ablagerungen (nur Kontaminanten)

• Keine Planzenreste und Pollen oder Algen-Kissen sowie bakterielle Strukturen (Stromatolithe).

• Struktur ist nicht vergleichbar mit den Stromatolithen im Kanadischen Pavilion Lake. Die scheinbar strukturierte Oberfläche ist das Ergebnis von Erosion bei unterschiedlicher Härte des Gesteins.


Die Altersbestimmung dokumentiert nicht zwingend das tatsächliche Alter der vorgefundenen sandigen Sinter-artigen Ablagerungen. Die für die C14 Analyse erforderliche organische Substanz beträgt weniger als 0.3% und ist deshalb nur als eine Kontaminante zu bewerten. Organisch entstandene Karbonate sollten im Karkur Talh also keine Rolle spielen, da es bisher auch keine Nachweise von Pflanzenresten und Algen-Kissen oder bakterielle Strukturen gibt.

Die Stücke aus dem Basement können keine organische Substanz enthalten. Diese (metamorphen) Karbonate in der Matrix sind mindestens 1000 Millionen Jahre alt und niemand weiß bisher genau, wie diese entstanden sind. Jedenfalls nicht mit Beteiligung von kalkschaligen Organismen.

Im übrigen muss man davon ausgehen, dass die Quellen nur relativ kurze Zeit aktiv waren, weil die Ablagerungen ursprünglich geschätzt nur 2-3 m mächtig waren. So konnte auch theoretisch kein längerer organischer Eintrag während der Sedimentation erfolgen.

Zwischen den beiden Quellen im Karkur Talh wurde eine Differenz von ca. 1400 Jahren ermittelt. Das kann nur bedeuten, dass die Quellen zu verschiedenen Zeiten aktiv waren, was unwahrscheinlich ist, oder die organischen Kontaminanten zu unterschiedlichen Zeiten beigefügt wurden.
Im Wadi Wahesh, unterhalb des Hassanein Plateaus, soll es ein weiteres, noch nicht untersuchtes Quellgebiet mit solchen Sinter-artigen Ablagerungen geben (Andras Zboray).

Heute sind noch Reste der Sinter-artigen Ablagerungen im Karkur Talh unmittelbar an den Rändern der Sandsteinfelsen zu finden. Die ursprünglich auf einer Länge von ungefähr 600 m wohl 2-3 m mächtigen Ablagerungen (Site 1) wurden von starken Regenfällen wieder erodiert.

 

New:

Andras Zboray hat mir eine Probe geschickt. Meine visuelle Analyse hat ein überraschendes Ergebnis. Die Probe besteht aus einer Akkumulation von eisen-haltigem Sand. Das ist durch Farbe, Gewicht und Härte der Probe dokumentiert. Darin eingelagert sind häufig dunkle und sandfreie harte Partien aus zweifellos nicht-sedimentär aufbereitetem Material. Diese Partien sollten den von MARINOVA et al. untersuchten Proben entsprechen. Eine Prüfung der Probe mit konzentrierter Salzsäure ergab eine kurzzeitige schwache Reaktion in einigen Porenräumen.

Vor kurzem wurde ein Teil dieser Probe von A. Zboray für eine neue C14-Datierung in die USA (C. McKay) verschickt. Die Analyse ergab ein wesentlich jüngerer Alter als die zuvor veröffentlichten. Die Bedeutung dieser neuen Erkenntnisse muss aber evaluiert werden.

Ich denke aber, aufgrund der resultierenen enormen Zeitspanne können die Datierungen nicht zur Bestimmung des wahren Alters der Ablagerungen verwendet werden. Es kann nur bedeuten, dass die untersuchten organischen Karbonate über eine lange Zeit als Verunreinigungen in die porösen Sedimente eingetragen wurden (Regenfälle). Die Frage ist nun, was ist das wahre Alter der Sedimente. Sie könnten wesentlich älter sein als die C14-Datierungen der suggerieren.


 

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Andras Zboray präsentiert nun auf der Webseite von FJexpeditions von der Tour 2016 ein  interessantes Foto. Abgesehen von der exakten GPS-Angabe ("The deposits follow the +696m contour; at least the GPS readings hovered around this average"), sind auf der Terasse viele Bruchstücke von überwiegend Basalt zu sehen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit waren diese Basalte nicht Bestandteil der sandigen "Lake" Ablagerungen und haben sich hier am Ende der Rinne angesammelt. Interessanter sind die hellen eckigen Bruchstücke (a), die aus den Sanden der " Lake"-Ablagerungen stammen könnten.

 

Author, 2006: Sinter-like remnants at site 1 Andras Zboray, 2005: Sinter-like remnants at site 1
Andras Zboray, 2016: Site 1   Site 1