Mineralogical, Geochemical Properties and Origin of Phosphate Formations in the Upper Cretaceous Karababa Formation (Mardin-Mazıdağı)

Abstract

The study investigated phosphate-rich sedimentary rocks in the Late Cretaceous Karababa Formation in the Mardin-Mazıdağ region, which represents the northern part of the Arabian Plate. The stratigraphic succession is divided into three members as i) Karataş: ellipsoidal gray-colored, largely weathered, fossiliferous shelly micritic limestone, ii) Ekinciler: dolomitic cherty limestone interbedded with marls, and iii) Evciler: argillaceous limestone with common phosphatic horizons. Large numbers of hand samples, collected from the outcrop successions, were carefully studied with optic microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). They indicate the presence of optical isotropic pelletic apatite minerals (37% P₂O₅), bone fragments, fish teeth, and invertebrate fossil fragments like brachiopod shells in phosphorite rocks and micritic limestone. The phosphorites in the Karababa Formation are interpreted to have been deposited in a very shallow, near-shore or low energy environment. The X-ray diffraction (XRD) method confirmed the presence of apatite (carbonate fluorapatite: CFA), calcite, quartz, rare feldspar, dolomite, and clay (smectite, palygorskite, illite, kaolinite, chlorite, sepiolite, mixed layered illite-vermiculite, and chlorite-vermiculite) in phosphatic, silicic and other carbonate rocks. Total trace element concentrations in apatite minerals range from 2436 ppm to 2456 ppm, with total concentrations normalized to chondrite (ppm) higher than North America Shale Composite (NASC) at 664.98 ppm for P, 208.33 ppm for Sr and 33.66 ppm for Y. Common occurences of apatite, palygorskite/sepiolite, and smectite clay minerals in various sections of the Karababa Formation were interpreted as authigenic minerals in the marine environment. However, occurrences of mixed layered clay minerals were interpreted as a result of neoformation and/or transformation processes. The phosphate occurences in the Karababa Formation are considered to form due to mineral formation processes occurring via biogenic and biogeochemical activities that developed with the changes in sea level linked to tectonic movements associated with the evolution of the Neotethyan ocean during the Upper Cretaceous period.

Keywords

• Arabian Plate
• Phospate
• Carbonatefluorapatite (CFA)
• Authigenic
• Palygorskite
• REE

Üst Kretase Yaşlı Karababa Formasyonu Fosfat Oluşumlarının Mineralojik, Jeokimyasal Özellikleri ve Kökeni (Mardin-Mazıdağı)

Abstract

Bu çalışmada Arap Plakası’nın kuzeyini temsil eden Mardin-Mazıdağı yöresinde fosfatlı sedimanter kayaçlar içeren Üst Kretase yaşlı Karababa Formasyonu incelenmiştir. Stratigrafik istif sırasıyla; i) nodüler çört yumruları ve fosil kavkıları içeren gri bej renkli ince-orta taneli fosforit seviyeleri içeren Karataş üyesi, ii) kireçtaşı-marn ardalanmasından oluşan Ekinciler üyesi ve iii) killi kireçtaşı ile temsil edilen Evciler üyesi olmak üzere üç üyeye ayrılmıştır. Yüzeysel istiflerden toplanan çok sayıdaki el örnekleri Optik Mikroskopi (OM) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) altında ayrıntılı olarak incelenmiştir. Fosforit kayaçları ve mikritik kireçtaşları içerisinde optik izotrop pelletik apatit mineralleri (%37 P₂O₅), kemik parçaları, balık dişleri ve brakiyopod kabukları gibi omurgasız fosil parçaları içermektedir. Karababa Formasyonu fosforitleri çok sığ, kıyıya yakın veya düşük enerjili bir ortamda çökeldiği yorumuna gidilmiştir. X-ışınları kırınımı (XRD) incelemelerine göre; fosfat, silis ve karbonat kayaçları apatit (karbonat florapatit: CFA), kalsit, kuvars, ender feldispat, dolomit ve kil (simektit, paligorskit, illit, kaolinit, klorit, sepiyolit, karışık tababakalı illit-vermikülit ve klorit-vermikülit) mineralleri içermektedir. Apatit minerallerinin toplam eser element konsantrasyonları 2436-2456 ppm arasında değişmekte olup, kondrit normalize toplam derişimleri sırasıyla P için 664,98 ppm, Sr için 208,33 ppm ve Y için 33,66 ppm olarak Kuzey Amerika Şeyl Bileşimi (NASC) den daha yüksek miktarlara sahiptir. Apatit, paligorskit/sepiyolit ve simektit türü kil mineralleri denizel ortamda otijenik, karışık tabakalı mineralleri ise neoformasyon ve/veya transformasyon süreçleriyle oluşmuştur. Karababa Formasyonu fosfat oluşumları Üst Kretase döneminde Neotetis okyanusunun evrimi ile ilişkili tektonik hareketlere bağlı deniz seviyesindeki değişimlerle birlikte gelişen biyojenik ve biyojeokimyasal faaliyetlere bağlı olarak mineral oluşum süreçlerinin gerçekleştiği biçiminde değerlendirilmiştir.

Keywords

• Arap Plakası
• Fosfat
• Karbonatflorapatit
• Otijenik
• Paligorskit
• REE

Thanks

Bu çalışma Yüksek Lisans tez kapsamında elde edilen verilerden itibaren düzenlenmiştir (Yıldırım, 2019). Bu çalışmada bilimsel katkı ve desteklerinden dolayı Cumhuriyet Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Dr. Hüseyin YALÇIN’a ve Saudi Aramco’dan emekli Dr. Muhittin ŞENALP’e teşekkür ederiz. Makaledeki bilimsel katkı ve desteklerinden dolayı değerli hakemlere teşekkürü bir borç biliriz.

References

1. Abou, El-Anwar, E. A., Mekky, H. S., Abd El Rahim, S. H. & Aita, S. K. (2017). Mineralogical, geochemical characteristics and origin of Late Cretaceous phosphorite in Duwi Formation (Geble Duwi Mine), Red Sea region, Egypt. Egyptian Journal of Petroleum, 26, 157-169.
2. Alvarez, L.W., Alvarez, W. & Asaro, F. (1980). Extraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction. Science, 208, 1095-1110.
3. Arda, O., Saltoğlu, T., Alparslan, E. ve Akyüz, T. (1976). Uranyum, Vanadyum, Flüor ve diğer tali elementleri içeren Mazıdağı fosfatlarında jeosismik ve mineralojik tetkikler ile uranyumun kazanılması olasılığı hakkında görüşler. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü Dergisi, 87, 39-54.
4. Arthur, M.A. & Jenkyns, H. C. (1981). Phosphorites and paleooceanography. Oceanologica Acta, Proceedings 26th International Geological Congress, Paris, 83-96.
5. Ayışkan, Ö. (1970). Akras fosfat yatağının çeşitli seviyelerinden alınan numunelerin zenginleştrime etüdü. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü Raporu.
6. Bardet, N., Cappetta, H., Pereda Suberbıola X., Mouty, M., Al Maleh A. K., Ahmad, A. M. Khrata, O. & Gannoum., N. (2000). The marine vertebrate faunas from the Late Cretaceousphosphates of Syria. Geological Magazine, 137(3), 269-290.
7. Beer, H. (1966). Mardin-Derik-Mazıdağı çevresindeki fosfatlı tabakaların jeolojisi. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü Dergisi, 66, 104-120.
8. Beer, H. (1967). Güneydoğu Türkiye Üst Kretase Fosfat Bölgesinin Paleocoğrafyası ve Fasiesi. Maden Tetkik ve Arama Enstitüsü Dergisi, 68, 84-88.

9. Benni, T. (2013). Phosphate Deposits of Iraq. Geological Survey of Iraq UNFC Workshop, Santiago, Chile.
10. Berker, E. (1972). Türkiye Fosfat Yatakları. Madencilik, Maden Mühendisleri Odası Dergisi, 11(4), 77-82.
11. Brindley, G. W. (1980). Quantitative X-Ray Mineral Analysis Of Clays. In: G.W. Brindley & G. Brown (Eds.), Crystal Structures Of Clay Minerals And Their X-Ray Identification (p.: 411-438). Mineralogical Society, London.
12. Choquette, P. W. & James, N. P. (1990). Limestone-the burial diagenetic environment. In: I.A Mcllreath, & D.W. Morrow, (Eds.), Diagenesis. Geoscience Canada Reprint Series, 4.
13. Cobb, R. E. (1957). Columnar Section Bedinan-Kanisorik Paleozoic (Rapor No.576). TPAO Arama Grubu.
14. Condie, K. C. (1993). Chemical composition and evolution of the upper continental crust: Contrasting results from surface samples and shales. Chemical Geology, 104, 1-37.
15. Cook, P. J. & McElhinny, M. W. (1979). A re-evaluation of the spatial and temporal distribution of sedimentary phosphate deposits in the light of plate tectonic. Economic Geology, 74, 315-330.
16. Cook, P. J. & Cook, J. R. (1985). Marine biological change and phosphogenesis around the Cretaceous-Tertiary boundry. Science Geologiques Memoire, 77, 105-108.
17. Çoban, H. (1987). Derik Mazıdağı (Mardin) Fosfat yataklarının Sedimantolojisi [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi]. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
18. Çoruh, T. (1991). Adıyaman civarında (XI. Bölge kuzeybatısı ve XII. Bölge) yüzeyleyen Kampaniyen-Tanesiyen istifinin biyostratigrafisi ve paleocoğrafik evrimi (Rapor no. 1656). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı, Araştırma Grubu.
19. Çoruh, T., Yakar, H. ve Ediger, V. Ş. (1997). Güneydoğu Anadolu Bölgesi otokton istifinin biyostratigrafi atlası. Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı, Araştırma Merkezi Grubu Başkanlığı Eğitim Yayınları, No: 30.
20. Duran, O. (1991). Beşikli, Tokaris ve Bakacak sahalarının stratigrafisi, sedimantolojisi ve rezervuar özellikleri (Rapor No.1586). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı Arama Grubu.
21. Erenler, M. (1989). XI-XII. Bölge güney alanlarındaki kuyularda Mesozoyik çökel istifinin mikropaleontolojik incelenmesi (Rapor No:1364). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
22. Folk, R. L. (1962). Spectral subdivision of limestone types. The American Association of Petroleum Geologists, 1, 62–84.
23. Gossage, D. W. (1956). Compiled progress report on the geology of part of Petroleum District VI, Southeast Turkey (Report no. GRT. 2). N. V. Turkse Shell.
24. Göncüoğlu, M. C., Dirik, K. & Kozlu, H., 1997. General chracteristics of pre-Alpine and Alpine Terranes in Turkey: Explanatory notes to the terrane map of Turkey. Annales Geologique de Pays Hellenique, 37, 515-536.
25. Göncüoğlu, M.C. ve Turhan, N., 1984. Geology of the Bitlis Metamorphic Belt. Conference: Geology of the Taurus Belt 1, (237-244). Ankara.
26. Gromet, L. P., Dymek, R. F., Haskin, L .A. & Korotev, R. L. (1984). The "North American shale composite": its compilation, major and trace element characteristics. Geochimica et Cosmochimica Acta, 48, 2469-2482.
27. Güven, A., Dinçer, A., Tuna, M. E. ve Çoruh, T. (1991a). Güneydoğu Anadolu Kampaniyen-Paleosen otokton istifinin stratigrafisi (Rapor no. 2828). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
28. Güven, A., Dinçer, A., Tuna, M. E. & Çoruh, T. (1991b). Sratigraphic evolution of the Campanian-Paleocene authouctonous succesion of the Southeast Anatolia. Ozan Sungurlu Sympossium Proceedings, 238-261.
29. Handfield, R. W., Bryant, G.F. & Keskin, C. (1959). Measured section, Korudağ (American Overseas Petroleum) (Rapor No:523). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
30. Haskin, L. A., Haskin, M. A., Frey, F. A. & Wildeman, T. R. (1968). Relative and absolute terrestrial abundances of the rare earths. In L.H. Ahrens (Ed.), Origin and Distribution of the Elements. Pergamon Press, 889-912.
31. İmamoğlu, Ş., Nathan, Y., Çoban, H., Soudry, D. & Glenn, C. (2009). Geochemical, mineralogical and isotopic signatures of the Semikan. West Kasrık Turkish phosphorites from the Derik–Mazıdağı–Mardin area, SE Anatolia. International Journal of Earth Sciences, 98, 1679-1690.
32. J.C.P.D.S. (1990). Powder Diffraction File. Alphabetical Indexes Inorganic Phases. Swarthamore, U.S.A.
33. Kellogg, H. E. (1960). Stratigraphic report, Derik-Mardin area Petroleum District V, Southeast Turkey (Rapor no: 1367). Türkiye Petrolleri Anonim OrtaklığıArama Raporu.
34. Ketin, İ. (1964). Güneydoğu Anadolu Paleozoyik teşekküllerinin jeolojik etüdü hakkında rapor (I. Kısım: Derik-Bedinan, Penbeğli-Tut ve Hazro bölgesi), (Rapor no. 287). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
35. Lucas, J. & Prevot-Lucas, L. (1996). Tethyan phosphatesand bioproductites. In A.E.M. Nairn, L.E. Ricou, B. Vrielynck, J. Dercourt J. (Eds.), The Ocean Basins and Margins, Volume 8, The Tethys Ocean, (pp.367–391). Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1558-0_12
36. Meissner, C. R. & Ankary, A. (1970). Geology of phosphate deposits in the Sirhan-Turayf Basin, Kingdom of Saudi Arabia. United States Department of the Interior U.S. Geological Survey Special report.
37. Monod, O., Kozlu, H., Ghienne, J.-F., Dean, W. T., Günay, Y., Le Hérissé, A., Paris, F. & Robardet, M. (2003). Late Ordovician glaciation in southern Turkey. Terra Nova, 15, 249–257.
38. Moses, H. F. (1934). Geological report on the Mardin-Cizre region. Southeastern Turkey. Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Derleme No:212.
39. Mülayim, O., Mancini, E., Çemen, İ. 6 Yılmaz, İ. Ö. (2016). Upper Cenomanian-Lower Campanian Derdere and Karababa formations in the Çemberlitaş oil field, southeastern Turkey: their microfacies analyses, depositional environments, and sequence stratigraphy. Turkish Journal of Earth Sciences, 25, 46-63.
40. Orris, G. & Chernoff, C.B. (2004). Review of world sedimentary phosphate deposits and occurrences, Chapter 20. In J. R. Hein (Ed.), Life cycle of the Phosphoria Formation, Handbook of Exploration and Environmental Geochemistry. Elsevier Science B.V. https://doi.org/10.1016/S1874-2734(04)80022-6
41. Schmidt, K. (1935). First report over geological and paleontological (Derleme No: 1532). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü.
42. Simandl, G. J., Fajber, R. & Paradis, S. (2012). Sedimentary Phosphate Deposits Mineral Deposit Profile F07. British Columbia Geological Survey, 217-222.
43. Soudry, D., Glenn, C. R., Nathan, Y., Segal, I. & Vonder Haar, D. L. (2006). Evolution of Tethyan phosphogenesis along the northern edges of the Arabian-African shield during the Cretaceous-Eocene as deduced from temporal variations of Ca and Nd isotopes and rates of P accumulation. Earth-Science Reviews, 78, 27-57.
44. Sun, S. S. & McDonough W. F. (1989). Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implications for mantle composition and processes. In: A.D. Saunders, & M. J. Norry, (Eds.), Magmatism in the Ocean Basins, Special Publication, v. 42 (313-345). Geological Society of London.
45. Sungurlu, O. (1973). VI. Bölge Gölbaşı-Gerger arasındaki sahanın jeolojisi (Rapor no. 802). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
46. Şengündüz, N. ve Aras, M. (1986). XI ve XII bölgelerde Mardin grubu karbonatlarının ve Karaboğaz Formasyonunun fasiyes dağılımları, diyajenez özellikleri ve çökelme modeli (Rapor no. 1005). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
47. Taylor, P. B. (1955). Stratigraphie studies Bozova (Urfa) area (Mobil Exploration Mediterranean Inc. Report). Petrol İşleri Genel Müdürlüğü Teknik Arşivi Kutu no. 332, Rapor no. 1).
48. Tuna, D. (1973). VI. Bölge litostratigrafi birimleri adlamasının açıklayıcı raporu (Rapor no. 813). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
49. Umut, M. (2011). 1/100.000 ölçekli Türkiye Jeoloji Haritası, Diyarbakır N 44 paftası. Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü Yayınları, Ankara.
50. Uygur, K. ve Aydemir, V. (1988). Bölükyayla-Çukurtaş sahalarında (XII.Bölge) Derdere, Karababa, Karaboğaz ve Sayındere formasyonlarının yer altı jeolojisi (Rapor no. 2454). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
51. Varol, B. (1989). Mazıdağ-Derik (Mardin) fosfat pelloidlerinin sedimanter petrografisi ve kökeni. Maden Tetkik ve Arama Dergisi, 109, 119-126.
52. Wagner, C. & Tuna, E. (1988). Campanian cycle IV carbonates in Southeast Turkey depositional environments and paleogeography (Rapor no. 252). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
53. Weaver, C.E. & Pollard, L. D. (1973). The Chemistry of Clay Minerals. In Developments in Sedimentology 15, Elsevier.
54. Wilson, H. H. & Krummenacher, R. (1959). Geology and oil prospects of the Gaziantep Region, Southeast Turkey (N. V. Turkse Shell Report) (Rapor no: 839). Petrol İşleri Genel Müdürlüğü Teknik Arşivi, Kutu no. 351, Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı.
55. Yalçın, H. ve Bozkaya, Ö. (2002). Hekimhan (Malatya) çevresindeki Üst Kretase yaşlı volkaniklerin alterasyon mineralojisi ve jeokimyası: deniz suyu-kayaç etkileşimine bir örnek. Cumhuriyet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi Seri A-Yerbilimleri, 19, 81-98.
56. Yıldırım, M. (2019). Güneydoğu Anadolu Otoktonu (Mardin-Mazıdağı) Apsiyen-Alt Kampaniyen Yaşlı Karababa Formasyonunun Litolojik, Mineralojik ve Jeokimyasal Özelliklerinin İncelenmesi [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi]. Batman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Batman.
57. Yılmaz, Y. (1993). New evidence and model on the evolution of the southeast Anatolian orogen. Geological Society of American Bulletin, 105, 251-271.
58. Yılmaz, E. ve Duran, O. (1997). Güneydoğu Anadolu bölgesi otokton ve allokton birimler stratigrafi adlama sözlüğü (Lexicon). Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı Genel Müdürlüğü, Eğitim Yayınları, No:31.