A thesis submitted to the Department of Geology of the University of the Witwatersrand in partial fulfillment of requirements for the degree of Doctor of Philosophy. / This report describes the results of a comprehensive investigation into the classification, distribution, composition, origin, age, and engineering properties of calcretes in South West Africa and the Republic of South Africa. Methods of prospecting for calcretes and tests and specifications for their use in road construction in these countries are also considered. All previously published information on Southern African calcretes and much of the world literature is reviewed, the results of the author's own research reported, conclusions drawn on the basis of both, and aspects worthy of further investigation indicated. 1,070 pages, 75 plates, 106 figures, 172 tables, 13 maps. / Andrew Chakane 2018

Clair Groups and underlying basement contain cataclastic faults, cement-sealed faults/veins and open fractures. The dominant fracture cements are calcite and pyrite, although fluorite (with sulphides and native silver) occurs in minor amounts in some Clair Group fractures, marcasite is often associated with Clair Group fracture-hosted pyrite, and some basement fractures contain epidote/chlorite and quartz/feldspar/hematite. Calcite cements in many Clair Group fractures may have crystallised from porewaters whose calcium and bicarbonate were mostly remobilised from Clair Group calcretes. Many of these cements may predate Late Cretaceous/Early Tertiary oil charge. Some may have crystallised from Early Tertiary meteoric porewaters, the fluorite with which they are associated perhaps having crystallised from porewaters hydrothermally affected by local igneous activity. Calcite cements within some basement fracture may have crystallised from porewaters whose calcium and bicarbonate came from Clair Group calcretes, as may most non-ferroan calcite cement within Clair Group sandstones. Calcite cements in some Clair Group fractures contain a high proportion of non-calcrete carbonate. These cements may have crystallised after oil charge began, from Early Tertiary meteoric porewaters or meteoric/basinal-derived brine mixtures. Non-calcrete bicarbonate may have been generated via bacterial activity (organic matter oxidation and methanogenesis) within the Clair Group. Bacteria could have utilised hydrocarbons, substrates generated via aerobic hydrocarbon oxidation, or externally-sourced substrates such as acetate. Authigenic iron sulphides often predate the calcite cements. The sulphur within these was probably externally-sourced, H2S either having come direct from external sources, or having been generated in situ via bacterial sulphate reduction. Sulphur may have undergone redox cycling through contact with oxygenated meteoric water in some fractures and marcasite genesis may have resulted from this. Calcite cements within some basement fractures may have crystallised from Early Tertiary porewaters containing bicarbonate generated in situ via the oxidation of hydrocarbons, and these cements are often predated by authigenic pyrite.

Os carbonatos continentais vêm sendo bastante estudados nos últimos anos, devido ao seu potencial como arquivo paleoclimáticoe, mais recentemente, como rocha reservatório de hidrocarbonetos. Carbonatos continentais quaternários são registrados na serra da Bodoquena e no platô Corumbá/Ladário, adjacências da Bacia do Pantanal, no Estado de Mato Grosso do Sul,bem como na serra das Araras, Mato Grosso. O estudo desses depósitos é deinteresse científico, uma vez que eles podem contribuir como análogos para ocorrências de carbonatos continentais mais antigos, bem como servir como objeto de análises específicas relacionadas com os fatores que teriam contribuído para sua formação. O objetivo deste trabalho foi investigar carbonatos continentais quaternários expostos nas adjacências do Pantanal Matogrossense, analisando ograu de influência do clima e de atividades tectônicas em sua gênese e evolução. Para isso procedeu-se com seu mapeamento, bem como com seu estudo sedimentológico, petrográfico, isotópico e cronológico. Os depósitos estudados foram depositados nos últimos 525 mil anos, sendo a deposição ainda ativa em algumas áreas. Suagênese ocorreu em ambientes deposicionais lacustres, localmente sujeito à entrada significativa de fluxos de detritos, além de ambientes de canal fluvial, e de nascentes. Os depósitos produzidos por fluxos de detritos são representadospor conglomerados com matriz de lama carbonática, sendo restritos às escarpas doplatô Corumbá/Ladário. Depósitos lacustres consistem em carbonatos finos e/ou fossilíferos, que estão presentes em todas as áreas estudadas; Canais fluviais, caracterizados por tufas maciças e laminadas, presentes nas serras das Araras e Bodoquena; e carbonatos de nascente, que consistem em tufas laminadas em forma de pendentes, presentes na serra das Araras. Os carbonatos das áreas de estudo formam duas sucessões sedimentares, sendo a sucessão 1, basal, caracterizada por depósitos lacustres, inclusive com fluxos de detritos, e em parte, fluviais. Seu topo é uma superfície erosiva marcada por horizonte profundo de calcrete.A sucessão 2 apresenta depósitos lacustres, fluviais e de nascentes, que são pouco alterados em relação à sucessão 1. A presença de calcretes sobre depósitospleistocênicos sugere que após este período pode ter havido incidência de clima semi-árido/árido, que foi seguido por climas relativamente mais úmidos a partir do Holoceno médio. Apesar da possível influência climática, as estruturas pré-cambrianas e a neotectônica regional, condicionaram diretamente a formação desses carbonatos, quanto a localização de lagos alongados paralelamente a planos de falha, e na formação de carbonatos pendentes de nascentes favorecidos por desníveis topográficos e escarpas produzidas por falhamento. / Continental carbonates has been highly studied in the last years due its potential as climatic archive and, recently, as hydrocarbons reservoir. Quaternary continental carbonates are registered at sierra of Bodoquena, Corumbá/Ladário plateau, Pantanal basin surroundings, at Mato Grosso do Sul State, as well at sierra of Araras, Mato Grosso do Sul State. The study of these deposits has scientific interest, because they can be analogues to ancient continental carbonates, as well to be studied in specific ways to understand the factors that contributed to its genesis. The objective of this study was to investigate quaternary continental carbonates exposed at Pantanal Matogrossense surroundings, analyzing the climatic influence and tectonics related to its genesis. To achieve this goal, mapping, sedimentological, petrographical, isotopical and chronological studies were carried out. The studied deposits were formed in the last 525 thousand years, and it\'s still active in some areas. Their genesis occurred in lacustrine depositional systems, locally mixed with debris flows, as well in fluvial channels and spring settings. The debris flows were represented by conglomerates with carbonatic mud matrix, restricted to the borders of Corumbá/Ladário plateau. The lacustrine depositsare composed by fine and/or fossiliferous carbonates, outcropping in all studied regions; Fluvial channels, characterized by massive and laminated tufas, occurring in sierra of Araras and Bodoquena; and spring carbonates, represented by pendant laminated tufas, occurring mainly in sierra of Araras. The carbonates described in the studied area were divided into two sedimentar successions. The succession 1, basal, is characterized by lacustrine deposits, includind presence of debris flows sediments, and in some places, fluvial deposits. Its top is a erosion surface marked by a deep calcrete horizon. The succession 2 presents lacustrine, fluvial and spring deposits, not so changed as succession 1. The occurrence of calcretes over pleistocenic deposits suggests a period of aridity, followed by more humid climates from middle Holocene. Despite the climatic influence, the Precambrian structures and regional tectonics, influenced directly the genesis of thesecarbonates, with lakes elongated according faults and pendants tufas, favored by topographic discontinuity and fault scarps.

Aflorando abundantemente nas drenagens da Serra da Bodoquena, região sudoeste do Estado de Mato Grosso do Sul, os depósitos de tufas calcárias, descritos como a porção superior da Formação Xaraiés, representam o mais notável depósito do tipo no Brasil, devido à variedade de formas. Sendo a maior atração do pólo eco-turístico de Bonito, MS, as tufas calcárias apresentam-se sob formas de barragens, cachoeiras e depósitos de micritos inconsolidados, que por sua vez geram as piscinas naturais e quedas dágua tão procuradas pelos turistas. Mesmo com tamanha importância, tal rocha não havia recebido um estudo aprofundando, que contemplasse sedimentologia, estratigrafia e geomorfologia. Através de criteriosa revisão bibliográfica, trabalhos em campo e análises laboratoriais, pôde-se obter um panorama da Formação Xaraiés na Serra da Bodoquena. Nesta região, observa-se que a formação, assentada diretamente sobre os calcários e dolomitos do Grupo Corumbá, sendo composta por um nível basal de calcretes, de tipo pedogenético e freático, sobreposto por um pacote de tufas micríticas (micrito inconsolidado), com grande quantidade de gastrópodes, distribuídos amplamente e aflorando em todas as planícies da região. Por fim temos os afloramentos de tufas calcárias do tipo fitohermal, compondo barragens e cachoeiras nas drenagens locais. Acredita-se que a deposição dos micritos ocorreu em ambiente lacustre, o que permitiu um depósito amplo e homogêneo, que posteriormente, em clima úmido, serviu de área fonte, juntamente com os carbonatos do Grupo Corumbá, para a geração das tufas fitohermais. A correlação estratigráfica dos depósitos de tufas calcárias estudados apontam para dois períodos de clima semi-árido a árido no Holoceno, que permitiram a formação e a alteração (calcretização) de depósitos, refletido na base da Formação Xaraiés, e o período climático recente, úmido, a formação das tufas fitohermais, no topo da formação. A ocorrência de lentes micríticas no sul do Pantanal pode significar que esta região também esteve exposta às dinâmicas climáticas vistas na Serra da Bodoquena. Estas constatações demonstram a alta variação climática da região, representada por depósitos que são pequenos e frágeis, mas dotados de significados genéticos indubitáveis. / Crop out abundantly in the Bodoquena Ridge drainages, southwest of Mato Grosso do Sul (MS) state, deposits of calcareous tufa were described as the top portion of Xaraiés Formation, representing the most notable deposit of this type in Brazil, due to the variety of forms. As the greatest attractiveness of Bonito, MS, an eco-tourism center, the calcareous tufa were presented in form of dams, waterfalls and deposits of micritic sediments, which generate natural pools and waterfalls so looked by tourists. Even with such importance, this region had not received a deep study, with sedimentology, stratigraphy and geomorphology approach. An accurate bibliographic review was done, and with field work and laboratory analyzes this work could obtain a panorama of the Xaraiés Formation in Bodoquena Ridge. In this region, can be noted that Xaraiés Formation goes directly over the limestone and dolomite of the Corumbá Group, and were composed by a basal layer of pedogenetic/groundwater calcrete, superimposed by a package of micritic sediments (micritic tufa), with a large amount of gastropods, which were widely distributed, cropping out in all plains of the region. Finally, we have the occurrences of calcareous tufa, fitohermal type, drawing dams and waterfalls in the regional drainages. It has believed that the deposition of lacustrine micritic sediments have occurred in an environment which were enabled a broad and homogeneous deposits. Subsequently, in a moister climate these sediments served as a source area, together with the limestone of the Corumbá Group, for the generation of fitohermal tufa. The stratigraphic correlation of the studied calcareous tufa deposits point to two periods of semi-arid/arid climate in Holocene, which allowed the calcretization. Those were reflected on the bottom of the Xaraiés Formation, and a recent wet climatic period, represented by the fitohermal tufa at the top of the formation. The occurrence of micritic lens in the southern Pantanal may mean that this region has also been exposed to the weather dynamics viewed in the Bodoquena Ridge. These findings show the high variation of climate in this region, represented by deposits, which are small and fragile, but gifted with unquestionable genetic meanings.

Aflorando abundantemente nas drenagens da Serra da Bodoquena, região sudoeste do Estado de Mato Grosso do Sul, os depósitos de tufas calcárias, descritos como a porção superior da Formação Xaraiés, representam o mais notável depósito do tipo no Brasil, devido à variedade de formas. Sendo a maior atração do pólo eco-turístico de Bonito, MS, as tufas calcárias apresentam-se sob formas de barragens, cachoeiras e depósitos de micritos inconsolidados, que por sua vez geram as piscinas naturais e quedas dágua tão procuradas pelos turistas. Mesmo com tamanha importância, tal rocha não havia recebido um estudo aprofundando, que contemplasse sedimentologia, estratigrafia e geomorfologia. Através de criteriosa revisão bibliográfica, trabalhos em campo e análises laboratoriais, pôde-se obter um panorama da Formação Xaraiés na Serra da Bodoquena. Nesta região, observa-se que a formação, assentada diretamente sobre os calcários e dolomitos do Grupo Corumbá, sendo composta por um nível basal de calcretes, de tipo pedogenético e freático, sobreposto por um pacote de tufas micríticas (micrito inconsolidado), com grande quantidade de gastrópodes, distribuídos amplamente e aflorando em todas as planícies da região. Por fim temos os afloramentos de tufas calcárias do tipo fitohermal, compondo barragens e cachoeiras nas drenagens locais. Acredita-se que a deposição dos micritos ocorreu em ambiente lacustre, o que permitiu um depósito amplo e homogêneo, que posteriormente, em clima úmido, serviu de área fonte, juntamente com os carbonatos do Grupo Corumbá, para a geração das tufas fitohermais. A correlação estratigráfica dos depósitos de tufas calcárias estudados apontam para dois períodos de clima semi-árido a árido no Holoceno, que permitiram a formação e a alteração (calcretização) de depósitos, refletido na base da Formação Xaraiés, e o período climático recente, úmido, a formação das tufas fitohermais, no topo da formação. A ocorrência de lentes micríticas no sul do Pantanal pode significar que esta região também esteve exposta às dinâmicas climáticas vistas na Serra da Bodoquena. Estas constatações demonstram a alta variação climática da região, representada por depósitos que são pequenos e frágeis, mas dotados de significados genéticos indubitáveis. / Crop out abundantly in the Bodoquena Ridge drainages, southwest of Mato Grosso do Sul (MS) state, deposits of calcareous tufa were described as the top portion of Xaraiés Formation, representing the most notable deposit of this type in Brazil, due to the variety of forms. As the greatest attractiveness of Bonito, MS, an eco-tourism center, the calcareous tufa were presented in form of dams, waterfalls and deposits of micritic sediments, which generate natural pools and waterfalls so looked by tourists. Even with such importance, this region had not received a deep study, with sedimentology, stratigraphy and geomorphology approach. An accurate bibliographic review was done, and with field work and laboratory analyzes this work could obtain a panorama of the Xaraiés Formation in Bodoquena Ridge. In this region, can be noted that Xaraiés Formation goes directly over the limestone and dolomite of the Corumbá Group, and were composed by a basal layer of pedogenetic/groundwater calcrete, superimposed by a package of micritic sediments (micritic tufa), with a large amount of gastropods, which were widely distributed, cropping out in all plains of the region. Finally, we have the occurrences of calcareous tufa, fitohermal type, drawing dams and waterfalls in the regional drainages. It has believed that the deposition of lacustrine micritic sediments have occurred in an environment which were enabled a broad and homogeneous deposits. Subsequently, in a moister climate these sediments served as a source area, together with the limestone of the Corumbá Group, for the generation of fitohermal tufa. The stratigraphic correlation of the studied calcareous tufa deposits point to two periods of semi-arid/arid climate in Holocene, which allowed the calcretization. Those were reflected on the bottom of the Xaraiés Formation, and a recent wet climatic period, represented by the fitohermal tufa at the top of the formation. The occurrence of micritic lens in the southern Pantanal may mean that this region has also been exposed to the weather dynamics viewed in the Bodoquena Ridge. These findings show the high variation of climate in this region, represented by deposits, which are small and fragile, but gifted with unquestionable genetic meanings.

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Os carbonatos continentais vêm sendo bastante estudados nos últimos anos, devido ao seu potencial como arquivo paleoclimáticoe, mais recentemente, como rocha reservatório de hidrocarbonetos. Carbonatos continentais quaternários são registrados na serra da Bodoquena e no platô Corumbá/Ladário, adjacências da Bacia do Pantanal, no Estado de Mato Grosso do Sul,bem como na serra das Araras, Mato Grosso. O estudo desses depósitos é deinteresse científico, uma vez que eles podem contribuir como análogos para ocorrências de carbonatos continentais mais antigos, bem como servir como objeto de análises específicas relacionadas com os fatores que teriam contribuído para sua formação. O objetivo deste trabalho foi investigar carbonatos continentais quaternários expostos nas adjacências do Pantanal Matogrossense, analisando ograu de influência do clima e de atividades tectônicas em sua gênese e evolução. Para isso procedeu-se com seu mapeamento, bem como com seu estudo sedimentológico, petrográfico, isotópico e cronológico. Os depósitos estudados foram depositados nos últimos 525 mil anos, sendo a deposição ainda ativa em algumas áreas. Suagênese ocorreu em ambientes deposicionais lacustres, localmente sujeito à entrada significativa de fluxos de detritos, além de ambientes de canal fluvial, e de nascentes. Os depósitos produzidos por fluxos de detritos são representadospor conglomerados com matriz de lama carbonática, sendo restritos às escarpas doplatô Corumbá/Ladário. Depósitos lacustres consistem em carbonatos finos e/ou fossilíferos, que estão presentes em todas as áreas estudadas; Canais fluviais, caracterizados por tufas maciças e laminadas, presentes nas serras das Araras e Bodoquena; e carbonatos de nascente, que consistem em tufas laminadas em forma de pendentes, presentes na serra das Araras. Os carbonatos das áreas de estudo formam duas sucessões sedimentares, sendo a sucessão 1, basal, caracterizada por depósitos lacustres, inclusive com fluxos de detritos, e em parte, fluviais. Seu topo é uma superfície erosiva marcada por horizonte profundo de calcrete.A sucessão 2 apresenta depósitos lacustres, fluviais e de nascentes, que são pouco alterados em relação à sucessão 1. A presença de calcretes sobre depósitospleistocênicos sugere que após este período pode ter havido incidência de clima semi-árido/árido, que foi seguido por climas relativamente mais úmidos a partir do Holoceno médio. Apesar da possível influência climática, as estruturas pré-cambrianas e a neotectônica regional, condicionaram diretamente a formação desses carbonatos, quanto a localização de lagos alongados paralelamente a planos de falha, e na formação de carbonatos pendentes de nascentes favorecidos por desníveis topográficos e escarpas produzidas por falhamento. / Continental carbonates has been highly studied in the last years due its potential as climatic archive and, recently, as hydrocarbons reservoir. Quaternary continental carbonates are registered at sierra of Bodoquena, Corumbá/Ladário plateau, Pantanal basin surroundings, at Mato Grosso do Sul State, as well at sierra of Araras, Mato Grosso do Sul State. The study of these deposits has scientific interest, because they can be analogues to ancient continental carbonates, as well to be studied in specific ways to understand the factors that contributed to its genesis. The objective of this study was to investigate quaternary continental carbonates exposed at Pantanal Matogrossense surroundings, analyzing the climatic influence and tectonics related to its genesis. To achieve this goal, mapping, sedimentological, petrographical, isotopical and chronological studies were carried out. The studied deposits were formed in the last 525 thousand years, and it\'s still active in some areas. Their genesis occurred in lacustrine depositional systems, locally mixed with debris flows, as well in fluvial channels and spring settings. The debris flows were represented by conglomerates with carbonatic mud matrix, restricted to the borders of Corumbá/Ladário plateau. The lacustrine depositsare composed by fine and/or fossiliferous carbonates, outcropping in all studied regions; Fluvial channels, characterized by massive and laminated tufas, occurring in sierra of Araras and Bodoquena; and spring carbonates, represented by pendant laminated tufas, occurring mainly in sierra of Araras. The carbonates described in the studied area were divided into two sedimentar successions. The succession 1, basal, is characterized by lacustrine deposits, includind presence of debris flows sediments, and in some places, fluvial deposits. Its top is a erosion surface marked by a deep calcrete horizon. The succession 2 presents lacustrine, fluvial and spring deposits, not so changed as succession 1. The occurrence of calcretes over pleistocenic deposits suggests a period of aridity, followed by more humid climates from middle Holocene. Despite the climatic influence, the Precambrian structures and regional tectonics, influenced directly the genesis of thesecarbonates, with lakes elongated according faults and pendants tufas, favored by topographic discontinuity and fault scarps.

Chemical sediments in a variety of geomorphic environments (pedogenic, fluvial, palustrine, lacustrine and pan) were investigated from seven regions (SW Kalahari, Kgalagadi, Kalkweissrand, Etosha, Linyanti, Okavango and Ngami) in the Kalahari of southern Africa. These primary and multi-phase sediments were characterised by a range of pure and intergrade silcrete, calcrete and dolocrete fabrics which contained an array of structures indicative of the crystalline and biogenic processes responsible for their precipitation, epigenesis and paragenesis. Petrography, mineralogy and isotope geochemistry provided significant insight regarding the environmental and geochemical conditions at the time of precipitation. Petrography indicated that the majority of chemical sediments were undergoing epigenetic modification as a consequence of the desiccation induced transition from phreatic to vadose diagenetic and geochemical conditions. The role of rapidly infiltrating meteoric water, associated with unstable wetting fronts, is believed to be instrumental in vadose diagenesis and the precipitation of crystalline/alpha fabric carbonate. Salinisation within the capillary fringe and deeper vadose zone is believed to be responsible for the sequence dolomitisation of crystalline calcite within mature sequences. Highly saline pan conditions instigate the precipitation of authigenic dolomite, calcite and K-feldspar within the surface sediments and authigenic silica at depth. Phreatic water beneath the islands, floodplains and fluvial systems of the Okavango, which undergoes evapotranspirational and transmission salinisation and ultimately terminal desiccation, are similarly precipitating silcrete. Pedogenic processes principally associated with C₄ vegetation are responsible for the gratification of carbonate mud within desiccating lacustrine, palustrine and pan sediments. Within the thin sandy Kalahari soils, pedogenesis is limited, but biogenic/beta fabric precipitation linked to mycorrihizae and tree/shrub savanna vegetation is instrumental in the formation of hardpans and the modification of upper calcrete horizons. The dominance of a distinct assemblage (smectite/kaolinite or sepiolite/palygorskite) of authigenic clay minerals present within all the environments provides evidence of semi-arid precipitation within Mg and Ca enriched saline/rapidly evaporating water or brackish/reduced permeability environments.

Thesis (Ph.D.)--University of Wollongong, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references: p. 129-148.

Ancient Cataclysmic Floods were the Ice Age Floods that left erosional and depositional features and preceded the Missoula Floods (15-18,000 ka) in the Pacific Northwest of the United States (Allen et al., 2009). All previously studied ancient sites were visited (14) and new sites (11) were found; four Missoula Flood quarries were also visited; a total of 29 sites were studied in this thesis. The use of calcrete paleosols to provide relative age dates for flood deposits was analyzed in this thesis. Missoula Flood gravel pits were sampled in order to examine the degree of calcrete development in flood deposits of known ages. All of the Missoula Flood deposits tested contain Stage 1 calcrete soil development. Calcrete paleosols at sites with evidence for older floods were all analyzed. Eight sites have paleosols with Stage II development (3-12% CaCO3): Rulo Outcrop, Potholes Coulee, Leslie Road, Benge, E. Callaway Road, Collier Coulee, Palouse, and Connell. Five sites have paleosols with Stage II+ development (12-17% CaCO3): Brown Road, Leslie Road, Benge, Reese Coulee, and Connell. Fourteen sites have paleosols with Stage III development (17-35% CaCO3): The Dalles, Rulo Outcrop, Winans Road 1, Poplar Heights, Yakima Bluffs, Canal Outcrop, Othello Canal, Reese Coulee, Potholes Coulee, E. Callaway Road, Frenchmen Coulee, Macall, Ritzville, and East Connell. One site has a paleosol with Stage III+ development (35-50% CaCO3): Othello Canal. Ancient Cataclysmic flooding initiated in the Early Pleistocene, at least 1.5 Ma. Sixteen field sites show evidence for Early Pleistocene flooding, preserved in all six provinces: Othello Channels, Columbia River Gorge, Cheney-Palouse Scabland, Quincy Basin, Pasco Basin, and the Walla Walla Valley. There are 26 field sites with evidence for Middle Pleistocene flooding, present in all regions except Othello Channels. Eleven of those 26 sites also show evidence for Early Pleistocene floods. Evidence for Early and Middle Pleistocene floods is present over a wide distribution of elevations from 117 to 524 meters.