Sedimentology and sedimentary architecture of the Middle Ordovician Hawaz Formation in the subsurface of the Murzuq Basin (Libya)

Abstract

[eng] The Hawaz Formation is a Middle Ordovician siliciclastic succession which extends for hundreds of kilometres across North Africa. This thesis uses a subsurface-based approach, mainly utilizing well data, complemented by data from nearby outcrops, with the aim of gaining new insight into the oil-prone Hawaz Formation in the emergent hydrocarbon province of the Murzuq Basin (SW Libya). The limited lateral continuity of this formation, often truncated by the Late Ordovician glaciation unconformities, has always presented a challenge to the interpretation of this reservoir in terms of large-scale sedimentary architecture and facies connectivity. This investigation has required a high resolution description and interpretation of the sedimentology and sedimentary architecture of this succession in the subsurface of the north central part of the Murzuq Basin through two well-differentiated phases: 1) sedimentological description and interpretation of lithofacies and facies associations together with a sequence stratigraphic analysis of the succession; 2) basin-scale reservoir characterization in terms of vertical and lateral continuity of facies belts and paleogeographic reconstruction of this unit in the area of study. This research has resulted in the identification and characterisation of fifteen distinctive lithofacies, defined on the basis of lithology and internal fabric, mainly using core and microresistivity image log data, grouped into seven correlatable facies associations distributed in broad and laterally extensive facies belts deposited in a shallow marine, intertidal to subtidal environment. These facies associations are: 1) tidal flat; 2) subtidal complex; 3) abandoned subtidal complex; 4) middle to lower shoreface; 5) burrowed shelfal and lower shoreface; 6) burrowed inner shelf and; 7) shelfal storm sheets. Three main depositional sequences and their respective systems tracts have also been identified and interpreted as deposited mainly during transgressive and high relative sea level stages. On this basis, a genetic-based stratigraphic zonation scheme has been proposed as a tool to improve subsurface management of this reservoir unit. Facies analysis and sedimentological interpretation provided the basis for the reconstruction of the sedimentary architecture of the Hawaz Formation by means of eight correlation panels oriented along both sedimentological dip (NNW-SSE) and strike (WSW to ENE) and a series of Gross Depositional Environment (GDE) maps with the aim of

providing insight into the lateral distribution of facies association belts and hence, distribution of potential reservoir geobodies, within the framework of a sequence stratigraphic-based zonation. The results of this study suggest that the Hawaz Formation was deposited in a relatively protected or embayed shoreline with multiple bays or estuaries as the main entry points for sediment into the basin, most likely partially influenced by the effects of pre-existing north- northwest to south-southeast Pan-African extensive faults controlling local accommodation space and reactivated during Ordovician times. Finally, the principal factors controlling the deposition of this succession were significantly different from most actualistic depositional models for modern subtidal to intertidal paralic environments. At least four processes or factors were key for the deposition of the Hawaz Formation and permitted us to better understand the fabric, lateral extension and distribution of this succession across the North African Platform and, indeed, in our area of study. These factors were: 1) a generalised lack of land flora during the Middle Ordovician; 2) a different global eustatic sea level scenario, during much of the Middle Ordovician, differing substantially from present-day icehouse period in terms of relative sea level and erosive potential in coastal settings; 3) a likely higher variation in tidal ranges reflecting the shorter Earth-Moon distance associated with the Lower Paleozoic times and finally; 4) distinctive Skolithos/Cruziana ichnofabric present in the Hawaz Formation compared to broader and more diversified ichnofacies in equivalent depostional settings at present times, which are no longer preserved in modern coastal environments due to the extinction of most organisms causing these bioturbation traces.

[cat] La Formació Hawaz és una successió detrítica de composició majoritàriament silícica de l’Ordovicià Mitjà que s’estén centenars de quilòmetres a través del nord d’Àfrica. L’objectiu principal d’aquesta tesi és millorar el coneixement de la Formació Hawaz, important reservori de petroli a la província petrolera emergent de la Conca de Murzuq (Sud-Oest de Líbia), a partir de l’anàlisi de dades de subsol, principalment dades de pou, i complementades amb dades d’afloraments propers. La limitada continuïtat lateral d’aquesta formació, sovint truncada per les discordances glacials de l’Ordovicià Superior, ha presentat sempre un repte per a la interpretació d’aquest reservori en termes d’arquitectura sedimentària a gran escala i connectivitat lateral de fàcies. Aquesta investigació ha requerit d’una descripció d’alta resolució i una interpretació de la sedimentologia i l’arquitectura sedimentària d’aquesta successió al subsol de la part nord- central de la Conca de Murzuq, en dues fases de treball ben diferenciades: 1) descripció sedimentològica i interpretació de litofàcies i associacions de fàcies juntament amb una anàlisi d’estratigrafia seqüencial de la successió; 2) caracterització del reservori a escala de conca en termes de continuïtat lateral i vertical de cinturons de fàcies, i reconstrucció paleogeogràfica d’aquesta unitat a l’àrea d’estudi. Aquesta tesi ha permès la identificació i caracterització de quinze litofàcies característiques, definides en base a la seva litologia i fàbrica interna, principalment amb dades de testimoni i diagrafies d’imatge de microresistivitat, agrupades en set associacions de fàcies correlacionables i distribuïdes en amples i extensos cinturons, interpretats com a dipositats en un ambient costaner marí transicional a marí proximal. Aquestes associacions de fàcies són: 1) plana mareal; 2) complex submareal; 3) complex submareal abandonat; 4) shoreface mitjà a inferior; 5) shoreface inferior i transició a plataforma bioturbada; 6) plataforma interna bioturbada; 7) tempestites de plataforma. També s’han identificat tres seqüències deposicionals i els seus respectius tractes sedimentaris (systems tracts) que han estat interpretats com a representatius d’una sedimentació durant etapes de transgressió i nivell relatiu del mar alt. Aquesta subdivisió estratigràfica seqüencial ha permès proposar un esquema de zonació estratigràfica del reservori basat en processos genètics de formació. Per tant, aquesta zonació permet evitar

qualsevol tipus de correlació litostratigràfica que indueixi a possibles errors, i serveix com a eina de millora de la gestió dels recursos del subsol presents en aquest reservori. L'anàlisi de fàcies i la interpretació sedimentològica de la successió han servit com a base per a la reconstrucció de l’arquitectura sedimentària de la Formació Hawaz, mitjançant vuit panells de correlació orientats paral·lels (NNO-SSE) i transversals (OSO-ENE) a la direcció principal de deposició i una sèrie de mapes deposicionals amb l’objectiu d’aportar nou coneixement sobre la distribució lateral dels cinturons d’associacions de fàcies i, per tant, la distribució de cossos amb potencial per tenir bones propietats de reservori, dins d’un marc de zonació d’estratigrafia seqüencial. Els resultats d’aquest estudi suggereixen que la Formació Hawaz va ser dipositada en una línia de costa relativament protegida amb múltiples estuaris o badies que constituïen les principals entrades de sediment a la conca. La geomorfologia d’aquesta línia de costa estaria probablement parcialment influenciada pels efectes d’unes falles extensives preexistents, amb una orientació nord-nordoest a sud-sudest, d’edat Pan-Africana, que podrien haver controlat l’espai d’acomodació a l’àrea d’estudi, essent reactivades posteriorment durant l’Ordovicià. Finalment, els factors principals que controlaren la sedimentació d’aquesta successió foren significativament diferents als proposats per models deposicionals actualístics en ambients deposicionals submareals i paràlics intermareals. Al menys, quatre processos podrien haver estat clau en la deposició de la Formació Hawaz, i ens permeten entendre millor la fàbrica, l’extensió lateral i distribució d’aquesta successió al llarg de la Plataforma Nord-Africana i a la nostre àrea d’estudi. Aquests factors són: 1) la manca generalitzada de flora terrestre durant l’Ordovicià Mitjà; 2) un escenari eustàtic global molt diferent a l’actual, considerant el present període d’ ”icehouse” en front del període de “greenhouse” de l’Ordovicià Mitjà, i la relació d’aquest fet amb el potencial erosiu en zones costaneres; 3) una possible variació del rang mareal producte d’una distància més petita entre la Terra i la Lluna durant el Paleozoic inferior, i finalment; 4) una icnofàbrica de tipus Skolithos/Cruziana producte de l’activitat biològica d’organismes marins extints, molt característica i present a la Formació Hawaz, i que no pot ser comparada amb les icnofàcies actuals de caire molt més diversificat i que trobem avui dia en ambients deposicionals similars.