Late Paleogene - Early Neogene Abandoned Rift along the River Nile, Egypt

by Ali Abdelkhalek
Doctoral thesis
Date of Examination:2021-02-23
Date of issue:2021-04-30
Advisor:Prof. Dr. Jonas Kley
Referee:Prof. Dr. Jonas Kley
Referee:Prof. Dr. Mohamed Saleh Hammed
Referee:Dr. Reinhard, Gast
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8576

 

 

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Abstract

English

The River Nile is one of the major fluvial systems in the world. The Egyptian Nile has been the most studied part of the river. However, the origin, tectonic style and geodynamic evolution of the Nile are still widely questionable. Several studies have interpreted the river as an erosional feature, while few others believe that its origin might be connected or related with intracontinental rifting processes. It was also suggested that the Nile and its drainage systems were originated by gradual uplift, volcanism and dynamic topography. These processes were, in turn, rolled by the geodynamics of deep mantle plumes. This study suggests a new rift model for the River Nile in Egypt, in which the results of multiple surface and subsurface datasets were used. The results of interpretation and analysis of gravity, magnetic, and recently acquired high-resolution 2D and 3D seismic reflection datasets were integrated with fieldwork studies and processing algorithm techniques of multispectral satellite images and radar data (e.g. Landsat-8, Sentinel-2, ASTER and ALOS-PALSAR) as well as interpretation of Digital Elevation and Terrain Models (DEMs & DTMs) of different spatial resolutions (~225, 90, 30, 12.5 m) (e.g. SRTM, AW3D30 and TanDEM-X). The onset of the main rifting phase that controlled the evolution of the Nile Valley and its drainage was contemporaneous with the initiation of the Red Sea-Gulf of Suez and East African rift systems during the Oligocene ~30-28 Ma, and the concomitant regional uplifting processes, terrain exhumation and volcanism of the eastern Red Sea-Gulf of Suez hills. Both the ancestral and present-day drainage systems of the River Nile in Egypt have probably evolved along the Late Paleogene-Early Neogene rift system of NW to NNW orientation. The proposed rift segments and their bounding faults might have been aborted at a very early “embryonic” stage. Interpretation of gravity and magnetic anomaly models combined with reflection seismic data revealed structures and crustal thickness variations suggesting that several rift basins occur beneath and around the modern Nile Valley. Three main Late Paleogene-Early Neogene rift segments-trending NW and NNW can be characterized along the eastern and western shoulders of the river. These rift segments and their bounding faults were rejuvenated along NW- to NNW-oriented intracontinental half-graben basins that formed earlier during the Early Cretaceous rifting. The rift segments are separated and terminated by oblique/orthogonal E-ENE to NE-trending transfer/accommodation zones. The central and northern segments are geometrically well defined and semi-parallel to the Late Oligocene Red Sea- Gulf of Suez rift system with a dominant NNW trend, while the southern segment has a prevalent NW orientation with an oblique complex-pattern as a result of the interference between pre-existing structures of E-W, NE, N-S and NW trends. An extensive network of widespread normal faults, related folds, fractures, linear narrow grabens and volcanism accommodated the deformation along the Nile Valley. The NW- to NNW-oriented drainage systems of the ancestral Nile in Egypt have probably originally evolved along these intracontinental rift segments. Evidences were found of the “reactivated-rift” along numerous grabens within the eastern and western Eocene limestone plateaux of the modern Nile Valley; among them are the early syn-rift gravels, fluvial clastics and red beds of Oligocene age, hundreds of NW and NNW-striking extensional faults, fractures, extensional fault-related folding, and Oligo-Miocene age rift-related basalt dikes and flows at ~25-23 Ma. In addition, NW elongated “forced anticlinal folding” could be mapped within the faulted shoulders of the rift segments. These are made up of steeply dipping and rotated pre-rift Eocene and Cretaceous rocks, and were formed by local uplift, which in turn was driven by vertical uprising of the volcanic intrusions. Furthermore, analysis of high-resolution DEMs revealed a network of km-scale inverted Oligocene gravel-filled channels within the Eocene carbonates of the Nile Valley. Several channel outcrops are covered with a thick layer of dust and other debris where it is quite hard to characterize them, even on high-resolution Google Earth imagery. However, the results of applying spectral reflectance analysis, bands rationing and principal components on satellite data were utilized to distinguish the Oligocene gravel and red sandstone bodies from the hosting carbonate rocks. Present- day inverted channels are useful to reconstruct the fluvial depositional system and possible flow direction(s) of the paleo-rivers that filled the Nile grabens and fault blocks during the very early phase of Oligocene intracontinental rifting. The control of pre-existing structures on the evolution of the proposed Nile rift and the related volcanism is shown by the inherited Precambrian basement structures and morphotectonic features The RN in Egypt offers a good opportunity to study this approach. Analysis of gravity, magnetic, seismic and field data shows a prominent impact of the structural inheritance and morphology of former rifts on the development and geometry of the abandoned Oligocene rift along the RN. It is proposed that the initiation of the river and its drainage was controlled by intracontinental rifting during the Oligocene, whereas its evolution, segmentation and termination were influenced by basement structures and pre- existing rift-related faults/folds of the former Cretaceous basins. The locations of both rift segments and transfer/accommodation zones were strongly influenced by older Mesozoic rift basins. The Late Oligocene Nile rift segments were rejuvenated along intracontinental rift basins and their bounding faults that formed originally during the Early-Late Cretaceous rifting (from south to north; Kharit, Nuqra, KomOmbo, Assiut and Beni Suef basins). Reactivation of NW-trending Precambrian basement shears (Najd-Kharit Trend) controlled the regional geometry of the southern rift segment. Highly oblique E-W to ENE-trending dextral shear zones along Wadi Assiuty and Qena dome represent two main transfer zones; across them the rift segments and their marginal faults show flipping of their positions and polarities. Further to the north, NE-ENE- oriented uplifted ridges, folds, dextral shears, and thickening of the pre-rift Mesozoic sediments terminated the northward propagation of the rift. Most of these features were nucleated during the Early- Late Cretaceous extension phases in addition to the control of the successive convergence, basin inversion and Syrian Arc wrench tectonics in the Late Cretaceous. The Neogene Nile in Egypt consequently evolved along a NW to NNW-trending short-lived, intracontinental rift that was initiated by NE-SW extension during the Oligocene ~25-23 Ma, and was abandoned at an early stage. Possible reasons for the rift abandonment are: (1) Progressive concentration of the extension and strain/stress localization onto the Red Sea-Gulf of Suez rift in the east. The transfer of movement on the latter rift system resulted in abortion of the evolving structures in central Egypt, and consequently led to the abandonment of an embryonic rift. (2) Strain/stress dissipation over wide rift shoulders >300 km. (3) Obliquity of many reactivated pre-existing faults to the ~23 Ma regional (N60˚E) extension, and subsequent termination of newly developed rift-parallel faults. (4) Rifting confined to thicker (more brittle?) crust along the central part of the Nile. (5) Further structural control is that the northern rift termination and abortion coincide with oblique ENE to NE-trending “Syrian Arc” structures of the Bahariya-Fayium fold-fault bet, major basalt flows, and northward thickening of the Mesozoic pre-rift sediments of the ENE and NE half-graben basins of the north Western Desert along the Tethyan shelf. Moreover, an increase in the strength of the lithosphere across the Tethyan continental margin could have acted as a barrier to the northward propagation of the rift.
Keywords: River Nile; Continental Rifts; Structural Modelling; Extensional Tectonics; Abandoned Rifts; Tectonic Evolution; Gulf of Suez; Red Sea; East African Rift; Dynamic Topography

German

Der Nil ist eines der wichtigsten Flusssysteme der Welt. Der ägyptische Teil des Nils war lange Zeit der bekannteste und am besten untersuchte Abschnitt des Flusses. Die Entwicklung, Tektonik und geodynamische Entwicklung des Nils sind jedoch noch weitgehend ungeklärt. Mehrere Studien haben den Fluss als Erosionsrinne interpretiert, während nur wenige andere Studien ergeben haben, dass sein Ursprung mit intrakontinentalen Rifting-Prozessen verbunden sein könnte. Es wurde auch vorgeschlagen, dass der Nil und seine Entwässerungssysteme durch allmähliche Anhebung und Vulkanismus entstanden sein könnte, ausgelöst von Entwicklungen im Mantel (“mantle-plumes“). Diese Studie schlägt eine neues Rift-Modell für das Niltal in Ägypten vor, in das die Ergebnisse mehrerer Oberflächen- und “Subsurface“ Datensätze integriert worden sind. Diese Arbeit präsentiert die Analyse der Gravimetrie, Magnetik und der in jüngerer Zeit gemessenen hochauflösenden seismischen 2D- und 3D-Reflexionsdatensätze. Diese wurden mit Feldkartierungen, multispektralen Satellitenbildern und digitalen Höhen- und Geländemodellen (DEMs & DTMs) integriert. Als Resultat wird vorgeschlagen, dass sowohl die angestammten als auch die heutigen Entwässerungssysteme des Nils in Ägypten sich wahrscheinlich entlang des Spätpaläogen-Frühneogen- Rift-Systems mit NW- bis NNW-Orientierung entwickelt haben. Diese Rift-Segmente und ihre Begrenzungsstörungen wurden wahrscheinlich schon sehr früh in einem "Embryonalen" Stadium abgebrochen. Der Beginn der Hauptriftphase, die die Entwicklung des Niltals und seine Entwässerung kontrollierte war zeitgleich mit dem Beginn des Rifting vom Roten Meer und dem Golf von Suez sowie den ostafrikanische Rift-Systemen während des Oligozäns (~ 30-28 Ma) und den damit einhergehenden regionalen Hebungen, Geländeexhumierung und Vulkanismus des östlichen Golfs von Suez am Roten Meer. Interpretation von Gravimetrie- und Magnetik kombiniert mit 2D-Seismik offenbarte Strukturen und Variationen der Kruste, was darauf hindeutet, dass im Bereich des modernen Niltales in Ägypten mehrere Riftbecken existieren. Drei Spät-Paläogen-Frühneogen-Rift-Segmente von NW- und NNW- Trends (südlich, zentral und nördlich) lassen sich definieren. Diese Riftsegmente und ihre Grenzstörungen wurden entlang des NW- bis NNW-orientierten intrakontinentalen Halbgraben-Becken neu angelegt, die sich schon früher während der frühen Kreidezeit gebildet haben. Diese Riftsegmente werden durch schräge-orthogonale E-ENE zu NE-Transferstörungszonen getrennt. Das zentrale und das nördliche Segment sind geometrisch gut definiert und verlaufen mit einem dominanten NNW-Trend +- parallel zum spätoligozänen Riftystem des Roten Meer-Golf von Suez, während das südliche Segment eine vorherrschende NW-Ausrichtung aufweist, das mit einem schrägen komplexen Muster auf der Interferenz zwischen bereits vorhandenen Strukturen von E-W-, NE-, N-S- und NW-Trends einhergeht. Damit einhergehend bildete sich ein umfangreiches Netzwerk von normalen Störungen, Falten, Brüchen, linearen schmalen Gräben. Der Vulkanismus nahm die Verformung entlang des Niltals auf. Wahrscheinlich hat sich das NW bis NNW orientierte Entwässerungsnetz des Ur-Nils in Ägypten ursprünglich entlang dieser intrakontinentalen Rift-Segmente entwickelt. Diese Studie dokumentiert auch Hinweise auf das „reaktivierte Rift“ entlang zahlreicher Gräben im Bereich des östlichen und westlichen eozänen Kalksteinplateaus des modernen Niltals; darunter finden sich frühe Syn-Rift-oligozäne Kiesgesteine, fluviatile Klastika und „Red-beds“. Außerdem treten hunderte NW bis NNW streichende Dehnungsstörungen, -brüche, dehnungsstörungsbedingte Faltung und Oligo-Miozän-zeitliche (~ 25-23 Ma) „Basaltspaltenfüllungen“ und -decken auf. Auch NW- streichende Falten, die aus steil abfallenden und gedrehten Eozän- und Kreidefelsen vor dem Rift bestehen, wurden kartiert. Diese wurden bei lokaler Hebung durch vulkanisches Eindringen verursacht. Zusätzlich ergab die Analyse der hochauflösenden DEMs ein Netzwerk von invertierten fluviatilen Channels aus dem Oligozän im km-Maßstab innerhalb der östlichen und westlichen Eozän-zeitlichen Karbonatschultern des Niltales. Obwohl einige Aufschlüsse mit einer dicken Schuttschicht bedeckt sind, lassen sich die Ergebnisse auch auf hochauflösenden Google Earth-Bildern beobachten. Eine Spektralreflexionsanalyse, Bandrationierung und Hauptkomponentenanalyse von Satellitendaten waren hilfreich, um die oligozänen Kiesvorkommen- und roten Sandsteinkörper vom Karbonat zu unterscheiden. Die Kartierung der invertierten fluviatilen Channels ermöglichte die Rekonstruktion des Paläoflusssystems inklusive der Fließrichtung in der sehr frühen Phase des intrakontinentalen Rifts im Oligozän. Die ererbten präkambrischen Grundstrukturen und morphotektonischen Merkmale der Region beeinflussten die Entwicklung und Architektur nachfolgender Rift-Phasen und die Verteilung des damit verbundenen Vulkanismus. Der Nil in Ägypten bietet eine gute Gelegenheit, diesen methodischen Ansatz zu untersuchen. Unsere Analyse von Gravimetrie-, Magnet-, Erdbeben- und Felddaten zeigt einen deutlichen Einfluss der strukturellen Vererbung und Morphologie ehemaliger Riftphasen auf die Entwicklung und Geometrie des ehemaligen Oligozän-Rifts entlang des Nils. Wahrscheinlich ist die Entwicklung des Flusses und seines Entwässerungsnetzes während des Oligozäns durch intrakontinentale Rifting kontrolliert wurden, während seine Entwicklung, Segmentierung und Beendigung durch Basementstrukturen und bereits vorhandene riftbedingte Verwerfungen / Falten der Kreidebecken beeinflusst wurden. Die Orte sowohl der Rift-Segmente als auch der Transfer- / Akkommodationszonen wurden stark von älteren mesozoischen Rift-Becken beeinflusst. Die Segmente des späten Oligozän-Nils wurden entlang der intrakontinentalen Riftbecken und ihrer Begrenzungsstörungen verjüngt, die ursprünglich während der frühen späten Kreidezeit entstanden waren (von Süden nach Norden; Becken von Kharit Nuqra- KomOmbo, Assiut und Beni Suef). Die Reaktivierung von NW-streichenden (Najd Trend) präkambrischen Basement- Blattverschiebungsstörungen kontrollierte die regionale Geometrie des südlichen Rift-Segments. Stark geneigte dextrale Scherzonen von E-W nach ENE entlang der Dome von Wadi El Assiuty und Qena stellen zwei Transfer-Störungszonen dar; über denen die Riftsegmente und ihre Randstörungen ein Umdrehen ihrer Positionen und Polaritäten zeigen. Weiter im Norden beendeten NE-ENE-orientierte Hebungen, Falten, dextrale Blattverschiebungen und die Verdickung von prä-rift-mesozoischen Sedimenten beendete die Ausbreitung der Störung nach Norden. Die meisten dieser Merkmale entwickelten sich während der frühen späteren Kreidezeit zusätzlich zur Kontrolle der sukzessiven Konvergenz, der Beckeninversion und der „Wrench“-Tektonik des syrischen Bogens in der späten Kreidezeit. Daraus folgt, dass sich der neogene Nil in Ägypten entlang eines von NW nach NNW verlaufenden, kurzlebigen intrakontinentalen Störung entwickelt hat, die durch die NE-SW-Erweiterung während des Oligozäns ~ 24-25 Ma ausgelöst wurde und frühzeitig aufgegeben wurde. Mögliche Gründe für die Aufgabe der Störung sind: (1) Fortschreitende Konzentration der Ausdehnung und der Lokalisierung von Belastungen / Spannungen im Rotes Meer-Golf von Suez-Rift, wo die Transferstörungstrends dieses Rift-Systems die Ausdehnung in Zentralägypten und damit eine embryonale Störung beendete. (2) Dehnungs- / Spannungsabbau über breite Riftschultern > 300 km. (3) Neigung vieler reaktivierter, schon vorher bestehender Störungen zur regionalen ~ 23 Ma (N60˚E) Extension mit sich neu entwickelnden riftparallelen Störungen. (4) Riftbildung in einer dickeren (spröderen?) Kruste entlang des zentralen Teils des Nilbeckens. (5) Eine weitere strukturelle Kontrolle besteht darin, dass das Ende des nördlichen Riftbeckens von den ENE-NE-streichenden Strukturen des „Syrian Arc“ der „Bahariya-Fayium-Fold-Fault“-Netzes, den großen Basaltergüssen und der Verdickung der Sedimente vor der Störung nach Norden und der ENE - NE streichenden Halbgrabenbecken der nordwestlichen Wüste entlang des ehemaligen Tethys-Schelfs zusammenfällt. Darüber wird wahrscheinlich eine Zunahme der Lithosphärenmächtigkeit über dem Kontinentalrand der Tethys ein Hindernis für die Ausbreitung der Störung nach Norden gewesen sein.
 
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