background image

GEOLOGICA CARPATHICA

, APRIL 2017, 68, 2, 97 – 108

doi: 10.1515/geoca-2017-0008

www.geologicacarpathica.com

 

WISSEM DHRAIEF

1

, FERID DHAHRI

1,2,

,

 

IMEN CHALWATI

1

 and NOUREDDINE BOUKADI

1

1

 University of Tunis El Manar, Faculty of Sciences of Tunis, UR11ES15 Sedimentary Environments, Petroleum systems  

and reservoirs characterization, Tunis 2092, Tunisia; 

feriddhahri@yahoo.fr

 

2

 University of Gafsa, Faculty of Sciences of Gafsa, Gafsa 2112, Tunisia

 (Manuscript received February 28, 2016; accepted in revised form November 30, 2016)

Abstract: The objective and the main contribution of this issue are dedicated to using subsurface data to delineate a basin 

beneath the Gulf of Tunis and its neighbouring areas, and to investigate the potential of this area in terms of hydrocarbon 

resources. Available well data provided information about the subsurface geology beneath the Gulf of Tunis. 2D seismic 

data allowed delineation of the basin shape, strata geometries, and some potential promising subsurface structures in 

terms  of  hydrocarbon  accumulation.  Together  with  lithostratigraphic  data  obtained  from  drilled  wells,  seismic  data 

 permitted  the  construction  of  isochron  and  isobath  maps  of  Upper  Cretaceous–Neogene  strata.  Structural  and  litho­

stratigraphic interpretations indicate that the area is tectonically complex, and they highlight the tectonic control of strata 

deposition during the Cretaceous and Neogene. Tectonic activity related to the geodynamic evolution of the northern 

African margin appears to have been responsible for several thickness and facies variations, and to have played a significant 

role  in  the  establishment  and  evolution  of  petroleum  systems  in  northeastern  Tunisia. As  for  petroleum  systems  in 

the basin, the Cretaceous series of the Bahloul, Mouelha and Fahdene formations are acknowledged to be the main source 

rocks. In addition, potential reservoirs (Fractured Abiod and Bou Dabbous carbonated formations) sealed by shaly and 

marly formations (Haria and Souar formations respectively) show favourable geometries of trap structures (anticlines, 

tilted blocks, unconformities, etc.) which make this area adequate for hydrocarbon accumulations.

Keywords: Gulf of Tunis, seismic, well data, isochron, isobath, petroleum system.

Introduction

The Gulf of Tunis is located in northeastern Tunisia (Fig.1), 

west  of  the  Sicilian  segment  of  the Apenninic–Maghrebian 

Orogen.  The strata beneath the Gulf of Tunis constitute an off­

shore basin that developed during the Neogene Africa–Europe 

collision (Dart et al. 1993; Lentini et al. 1996; Catalano et al. 

2011).  The  geological  history  of  this  area  is  linked  to  the 

 evolution  of  the  North  African  margin  guided  by  transten­

sional plate movements between Africa and Eurasia during the 

Mesozoic,  followed  by  plate  collision  during  the  Neogene 

(Stampfli & Borel 2002; Brunet & Cloetingh 2003; Patriat et 

al. 2003; Laville et al. 2004; Abrajevitch et al. 2005; Dhahri & 

Boukadi  2010;  Melki  et  al.  2010;  Catalano  et  al.  2011;  

Roure et al. 2012; Masrouhi et al. 2014; Dhahri et al. 2015). 

The architecture of the Gulf of Tunis basin developed mainly 

during the Mesozoic, and then was greatly deformed during 

the Neogene leading to the inversion of extensional structures 

and to the redistribution of subsidence locations. As a part of 

Northern Tunisia, this area recorded the Early Mesozoic  rifting 

resulting  in  the  Tethys  opening  and  created  extensional 

 structures  such  as  horsts  and  grabens.  Subsequent  to  the 

 Neogene closure of the Tethyan Ocean, folding and thrusting 

occurred  together  within  strike­slip  movement  and  

pull­apart  basins  to  make  complex  structural  configurations 

within  the  Neogene  basins  (Patriat  et  al.  2003;  Roure  et  

al. 2012).

After the first hydrocarbon discovery was made in the Jebel 

Abderrahman  structure  of  the  Cap  Bon  peninsula  in  1948, 

northeastern Tunisia  was  an  attractive  area  for  hydrocarbon 

exploration  and  several  international  companies  conducted 

several  onshore  and  offshore  exploration  activities  with  the 

partnership  of  the  ETAP  (Entreprise  Tunisienne  d’Activités 

Pétrolières). On the basis of several seismic surveys and dril­

lings, this exploration led to several offshore and onshore oil 

and gas discoveries in the Gulf of Hammamet and Cap Bon 

peninsula (Birsa, Yasmin, Tazerka, Belli). These discoveries 

were certainly a motivating reason for petroleum companies  

to  enhance  exploration  activities  in  northeastern  Tunisia.  

The  recognized  petroleum  systems  range  from  Mid­Upper 

Cretaceous to Tertiary series (Mejri et al. 2006; Craig 2009). 

The  Albian–Turonian  petroleum  system  is  well­known  in 

North and West Africa (Macgregor 1996; Luning et al. 2004). 

In Tunisia, this system comprises the Bahloul, Mouelha and 

Fahdene  source  rocks  (Fig. 2).  The  Abiod  Formation 

 Campanian–Maastrichtian in age is documented as a chalky 

limestone  fractured  reservoir  in  northeastern  and  offshore 

Tunisia (Bishop 1988; El Euchi et al. 2002). It shows several 

accumulations within the Gulf of Hammamet (i.e. Dougga and 

Tazerka)  (Craig  2009).  The  Eocene  petroleum  systems 

Tectonosedimentary framework of Upper Cretaceous –Neogene 

series in the Gulf of Tunis inferred from subsurface data: 

implications for petroleum exploration

background image

98

DHRAIEF, DHAHRI, CHALWATI and BOUKADI

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

comprises  two  reservoirs:  the  Halk  el  Menzel  Formation 

 Middle to Late Eocene in age and the Fractured limestone of 

the  Bou  Dabbous  Formation  Ypresian  in  age  (i.e.  Belli, Al 

Manzah and Beni Khalled fields onshore around Cap Bon).  

In the Gulf of Hammamet, the sandy Birsa Formation Miocene 

in age exhibits excellent reservoir quality and yields several 

oil  fields  (i.e.  Dougga, Tazerka,  Oudna,  Birsa,  Cosmos  and 

Yasmin).

In  the  Gulf  of  Tunis,  the  presence  of  Cretaceous  source 

rocks (Bahloul, Mouelha and Fahdene formations) and potential 

reservoirs  (Fractured  Abiod  and  Bou  Dabbous  carbonated 

 formations) sealed by shaly and marly formations (Haria and 

Souar  formations  respectively  and  Late  Eocene  in  age)   

(Fig.  2)  with  favourable  geometries  of  trap  structures  (anti­

clines, tilted blocks, unconformities, etc.) make this area ade­

quate for hydrocarbon accumulations. However, the fact that 

the structure of this area is complex and consistent regional 

structural  and  stratigraphic  evaluations  are  lacking  make  its 

petroleum geology poorly understood. In this paper, we use 

offshore and onshore wells and seismic data to bring out new 

precisions  on  the  tectonosedimentary  evolution  and  basin 

 configuration of the Gulf of Tunis with emphasis on its hydro­

carbon potential.

Geological setting

The  Gulf  of  Tunis  and  its  onshore  restrictions  (areas  of 

 Bizerte,  Tunis  and  the  Cap  Bon  Peninsula)  are  located  in 

northeastern  Tunisia  (Fig.  3),  southeastward  of  the  Tellian­ 

Sicilian imbricate zone (Fig. 1). This domain represents the 

northeastern extension of the Atlas fold belt of Tunisia. It is 

tectonically  complex  and  shows  various  structures  which 

largely influenced the deposition since Mesozoic times (Ben 

Ayed 1993; Bédir et al. 1996; Melki et al. 2010). In this area, 

two  main  fault  directions  were  highlighted;  NE–SW  thrust 

faults and NW–SE normal faults that delimit several subsiding 

grabens. In fact, these structures are comparable to these of the 

Atlas fold belt of Tunisia, and several structural features high­

lighted within the Gulf of Tunis can be clearly interpreted as 

offshore extensions of these known at its onshore restrictions 

as much as the Zaghouan thrust and the Grombalia graben. 

Fig. 1. Tectonic map of the central Mediterranean with main offshore structural features (modified after Ben Avraham et al. 1990; Sartori  

et al. 2001; Pepe et al. 2005; Mejri et al. 2006 and Melki et al. 2010).

background image

99

TECTONOSEDIMENTARY OF THE GULF OF TUNIS — IMPLICATION FOR OIL EXPLORATION

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

Further to the northeast, this structural pattern seems charac­

terizing regionally the Pelagian Sea with the remarkable  NW–

SE­oriented  grabens  of  Pantelleria­Malta area  (Boccaletti  et 

al. 1990; Catalano et al. 1995; Accaino et al. 2011).

The Gulf of Tunis belong to the African continental margin 

between  Sicily  Island  and  northeastern  Tunisia  where  the 

Meso–Cenozoic  series  consist  of  deep  and  shallow  water 

carbo natic and terrigenous rocks designated as the Sicilian–

Maghrebian  units  (Catalano  et  al.  1995;  Pepe  et  al.  2005; 

Accaino  et  al.  2011).  In  this  location,  the  analyses  of  the 

 sedi  mentary  sequence  driven  from  well  data,  shows  many 

tectono sedimentary  events  as  well  as  stratigraphic  gaps, 

unconformities,  reworked  rocks  and  fauna  and  thickness 

varia tions. The  oldest  crossed  series  are  these  of  Middle  to 

Late Triassic (Norian–Landinian) with carbonates and gypsum 

facies reached at the depth of 1080 m in the well 2 (Fig. 3) 

where  they  are  unconformably  overlaid  by  a  Palaeocene 

series.  The  well  5  crosses  more  than  900  m  of  Cretaceous 

series (from 1400 m to 2361 m depth) (Figs. 4 and 5). These 

series  are  assigned  to  Hauterivian–Maastrichtian  times  and 

comprise  four  lithostratigraphic  formations  of  open  marine 

environment: the M’Cherga Formation (Valanginian–Aptian) 

made of marls, shales and limestones, the Fahdene Formation 

(Albian–Cenomanian) comprising shales, limestones and marls 

including the terminal horizon of the Bahloul facies made up 

of about 15 m of thin laminated organic rich limestone for­

ming the top of the Cenomanian stage and acknowledged as 

an  excellent  source  rock  in  north­central  Tunisia,  the  Aleg 

 Formation  (Turonian–Santonian)  made  of  marls  and  shales 

alternating  with  thin  limestones  layers,  and  the  Abiod 

 Formation  (Campanian–Maastrichtian)  dominantly  made  up 

of limestones with argillaceous basinal level.

The Abiod Formation is sealed by the open marine marls 

and  shales  of  Haria  Formation  of  Maastrichtian–Palaeocene 

age. The Lower Eocene series (Bou Dabbous Formation) con­

sists of deep water dark micritic carbonates which is overlain 

by the Middle to Upper Eocene series made up of shales and 

marls (Souar Formation). This latter evolves eastward, to rich 

shelf carbonate facies with nummulitic limestones and dolo­

mites  (Halk  El  Menzel  Formation)  in  the  Pelagian  Shelf 

 (Bonnefous & Bismuth 1982). The Oligocene series overlay 

unconformably the Miocene ones. They display considerable 

thickness reduction and are absent in several localities (i.e. in 

wells 2 and 5) (Fig. 4). They are made of silstones, mudstone 

and sandstones forming a siliciclastic sequence acknowledged 

as Fortuna Formation assigned to Oligocene–Early Miocene 

age.  Near  the  Cap  Bon  peninsula,  the  Oligocene  series  are 

made of rich fauna sandstone acknowledged as the Korbous 

Formation.  The  complete  Neogene  series  begins  with  the 

 Fortuna  Formation  succeeded  by  the  siliciclastic  Messiouta 

(Burdigalian),  then  the  transgressive  conglomeratic  luma­

chellic Aïn Grab Formation (Burdigalian) (Ben Ismail­Lattrache 

& Bobier 1984) and Oum Douil group (Langhian‒Messinian) 

(Biely et al. 1972). This latter is made of a mixture of sands, 

clays,  gypsum  and  carbonates.  It  is  commonly  divided  into 

several formations that fluctuate laterally to respective partial 

lithostratigraphic  equivalents  (Fig.  2).  In  the  Gulf  of  Tunis 

Oum Douil group comprise an evaporitic sequence topped by 

carbonate strata Serravalian in age (Mellaha Formation) and 

a sequence of clays with carbonates (Kechabta Formation). To 

the  north  of  the  study  area,  petroleum  wells  cross  a  rich 

coquina  sequence  of  grey  shale  with  some  sandy  beds  and 

gypsum acknowledged as Souaf Formation Serravallian–Early 

Tortonian  in  age  (Burollet  1956).  According  to  Burollet 

(1951), Pliocene series are mainly made of sands and sand­

stones with few intercalations of clays and carbonates. Near 

the  Gulf  of  Tunis  and  the  Bizerte  coast  they  begin  with 

an evaporitic unit called Oued Bel Khedim Formation followed 

Fig. 2. Synthetic scheme of the Gulf of Tunis lithostratigraphy (from Late Cretaceous to Neogene) showing several Neogene hiatus and  lateral 

facies variations.

background image

100

DHRAIEF, DHAHRI, CHALWATI and BOUKADI

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

by  a  transgressive  rich  planktonic  microfauna  unit  of  grey 

shale Zanclean‒Early Piacenzian in age (Raf Raf Formation). 

This latter contains locally a conglomeratic basinal level and 

some  interbedded  sandy  lenses.  It  is  overlaid  by  a  shallow 

marine facies made of bioclastic calcareous sand with some 

clay intercalations (Porto Farina Formation) (Burollet 1951).

Data set and methodology

In the Gulf of Tunis several seismic sections and petroleum 

wells  (Fig.  3)  were  carried  out  after  geophysical  surveys 

 performed  by  petroleum  companies.  Seismic  surveys  have 

delineated several subsurface features and seismically mapped 

anomalies  that  deserve  more  recognition.  It  is  why  several 

wells were drilled in selected zones to explore some promising 

structures and reservoir targets and to calibrate seismic sec­

tions. For most of the drilled wells in the Gulf of Tunis, the 

fractured formations of the Campanian–Maastrichtian (Abiod) 

and the Eocene (Bou Dabbous) were the primary objectives of 

exploration.  After  the  consultation  of  available  subsurface 

data in the ETAP, petroleum wells allowed us to draw litho­

stratigraphic columns used to correlate the lateral variations of 

facies and thickness and to calibrate seismic section. Seismic 

data are used to examine the structure of the study area and to 

draw isochron and isobath maps. Structural mapping has been 

the most important application of seismic data. Nevertheless, 

stratigraphic  and  structural  interpretation  of  seismic  lines 

 consists in the selection of sets of seismic horizons on different 

wells to extract subsurface geological information. The struc­

tural interpretation of a complete seismic survey allows us to 

draw isochron maps commonly used for interpreting changes 

in thickness between interpreted horizons and to furnish 3D 

representation  (X,  Y,  time)  of  the  geological  setting  of  the 

study area. Throughout the structural interpretation of seismic 

lines,  the  information  on  sediment  velocities  allows  us  to 

Fig. 3. Simplified geological map of northeastern Tunisia with location of used data: W1–W9: petroleum wells, SL1–SL3: seismic lines.

background image

101

TECTONOSEDIMENTARY OF THE GULF OF TUNIS — IMPLICATION FOR OIL EXPLORATION

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

 convert  the  isochron  maps  into  isobath  maps  (X, Y,  depth) 

(Rey & Galeotti 2008). These latter were produced by con­

verting isochron maps using the velocity information derived 

from checkshot data. In this work, the compilation and treat­

ment  of  data  have  been  performed  using  the  KINGDOM 

 Software marketed by the software company Seismic Micro­ 

Technology  Inc.  This  tool  let  us  to  delineate  and  interpret 

 several  horizons  in  order  to  define  and  describe  better  the 

structural development of the study area. Formation tops from 

well data have been used for guidance in the seismic interpre­

tation and isochron and isobath maps have been created for the 

top of the Bou Dabbous and Abiod formations by plotting the 

horizons corresponding to respective reflecting levels on the 

available seismic sections. These maps are used to give an idea 

of the structural configuration at depth (Majithia 1997). Four 

onshore petroleum wells (W1, W7, W8 and W9), five offshore 

ones (W2, W3, W4, W5 and W6) are used for calibration of 

2D seismic sections (Fig. 3). W3 and W6 wells do not reach 

the Cretaceous series it is why they are not illustrated within 

the correlations. W3 reached the Upper­Middle Miocene series 

at a total depth of 2328 m. however W6 reached the Upper 

Eocene series at a total depth of 1418 m. Depth measurements 

are  commonly  referenced  for  all  wells  to  the  Rotary  Kelly 

Bushing (RKB) which coincide with the depth origin “0 m” 

(Figs. 4 and 5). 

Results and discussions

Lithostratigraphy and deposition

To understand the stratigraphy and the spatial variation of 

deposition of Late Cretaceous–Neogene series in the Gulf of 

Tunis, two correlation lines (Figs. 4 and 5) were drawn using 

both onshore and offshore petroleum wells along the N‒S and 

WNW‒ESE directions.

The N–S oriented correlation line (Fig. 4) starts from the 

offshore well 2 to the north, to the onshore well 7 to the south. 

However the WNW‒ESE one (Fig. 5)  starts from the onshore 

well 1 to the WNW to the onshore well 8 to the ESE near the 

northern coast line of the Cap Bon peninsula and passing by 

the offshore wells 4 and 6 (Fig. 2). These correlations show 

that to the north, ~1080 m thick of Palaeocene–Pliocene series 

overlay  unconformably  a  thick  Triassic  salt  body  (from 

1080 m depth to the final depth of 3705 m). In this locality, the 

Eocene series are absent and a hiatus is highlighted between 

the conglomeratic lumachellic carbonates of Aïn Grab and the 

clays of Haria Formation.  Both 5 and 7 wells cross the Upper 

Cretaceous and Neogene series. They are (and so well 4) used 

for the description and the correlation of the Upper Cretaceous 

series.  Based  on  the  thickness  and  facies  description,  the 

Upper Cretaceous series seem to be less impacted by the tec­

tonic  and  eustatic  factors  compared  to  the  Neogene  series. 

However  three  complete  Upper  Cretaceous  formations  are 

recognized within wells 5 and 7 (Fig. 5). The correlation of 

these formations shows that their amount of thickness increases 

from north (370 m in well 5) to south (520 m in well 7). This 

thickness variation can be interpreted as a result of tectonic 

activity during the Late Cretaceous. According to Melki et al. 

(2010)  the  thickness  of  Cretaceous  series  near  the  Gulf  of 

Tunis shows considerable variation from 2341 to 477 m indi­

cating  high  and  low  zones  structures  guided  by  faults.  The 

thickness  of  the Abiod  Formation  increase  from  ~120  m  in 

well 5 to ~256 m in well 7. This is indeed due to the tectonic 

activity but the fact that this formation ends with an erosion 

surface in well 5 make ambiguous the precision of the faults 

offset value. In fact, the eastern margin of the Tunisian domain 

was  subjected  to  an  extensional  tectonic  regime  during  the 

Cretaceous. The Early Cretaceous extension is a continuance 

of the Triassic–Early Cretaceous rifting known at Tethys scale 

and resulted in the occurrence of normal and strike­slip faulting, 

graben, subsidence, halokinesis and volcanism (Guiraud et al. 

1987; Boccaletti et al. 1990; Laaridhi­Ouazza 1994; Laaridhi­

Ouazza & Bédir 2005; Gabtni et al. 2011). However the Late 

Cretaceous  extension  is  related  to  another  rifting  oriented   

NE–SW related to a tectonic motion between the African and 

Eurasian plates and responsible for NE–SW crustal extension 

and  magmatism  along  NW–SE  basement  faults  (Fairhead 

1988; Guiraud & Maurin 1992; Guiraud et al. 2005). In eastern 

Tunisia, NW–SE extensional structures have been highlighted 

and are associated with a high geothermal gradient and nume­

rous  oil  and  gas  fields  (Laaridhi­Ouazza  1994;  Laaridhi­

Ouazza & Bédir 2005; Gabtni et al. 2011; Mattoussi­Kort et 

al.  2015).  Given  that  the  crustal  extension  of  the  eastern 

 margin of Tunisia prevailed until the Late Cretaceous, it led to 

a  basin  configuration  that  was  controlled  the  deposition  of 

post­Cretaceous series as much as Ypresian ones.

The  transgressive  Haria  Formation  seems  to  be  spread 

throughout the Gulf of Tunis despite a nearby uplifted area, 

where  the  Triassic  bodies  like  as  in  well  1  where  probably 

totally eroded. Based on well data that crosses this formation, 

its thickness ranges from 73 m in well 2 (partially eroded) to 

245 m in well 5. This thickness variation is due to local total or 

partial erosion and to the inherited basin floor configuration 

characterized by high and low zones during the Late Creta­

ceous (Melki et al. 2010). Unfortunately, few wells crossed the 

total thickness of the Eocene series. The Lower Eocene series 

recognized  in  the  offshore  petroleum  wells  of  the  Gulf  of 

Tunis show some similarity to the globigerina facies acknow­

ledged  for  the  Ypresian  shaly  limestones  of  north­central 

 Tunisia. However, based on planktonic microfauna content the 

facies encountered within the offshore wells near the Gulf of 

Tunis  seems  to  come  from  deeper  water  conditions  with 

an open marine connection. The Souar Formation is crossed 

by three offshore wells (4, 5 and 6) in the central part of the 

Gulf  of  Tunis  where  its  thickness  does  not  exceed  152  m. 

However, in the onshore well 7 it reaches a thickness of 323 m 

(Fig. 5). In fact this Formation shows considerable thickness 

variations and it is topped by an erosion surface. It is missed in 

several localities (i.e. wells 1, 2 and 5), nevertheless, it can 

reach 800 m in the onshore Cap Bon area (Ben Ismail­Lattrache 

& Bobier 1984). The Oligocene series are generally missing in 

background image

102

DHRAIEF, DHAHRI, CHALWATI and BOUKADI

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

the offshore wells of the Gulf of Tunis except in well 6 where 

they  reach  shallow  marine  facies  600  m  thick  (Korbous 

 Formation). In fact, the gap of the Oligocene series is corre­

lated to a regional hiatus highlighted for a large part of Tunisia 

(Burollet 1956; Yaich et al. 2000). Toward the Cap Bon, these 

series evolve into their siliciclastic equivalent of the Fortuna 

Formation (Fig. 2). The Oligocene deposition seems to be con­

trolled by coeval tectonic activity responsible for a high zone 

to the northwest of the study area. The Miocene series also 

shows  considerable  thickness  and  facies  variation  from  the 

northwest to the southeast of the study area with erosion at 

both basinal and top surfaces. The thickest series were crossed 

in wells 1, 3 and 8 with thicknesses of 1019 m, 1175 m and 

711  m  respectively.  To  the  northwest,  these  series  show 

a  facies  of  marine  marginal  setting  with  fluvial  sediments 

input. They are made up of four distinctive formations super­

imposed downwards as follow: Oued Bel Khedim, Kechabta, 

Oued El Melah and Mellaha (Fig. 5, W1). To the southeast and 

near the Cap Bon area, these formations evolve progressively 

into  siliciclastic  and  shallow  marine  facies  of  Fortuna  and 

Oum Dhouil formations. Farther, in the Gulf of Hammamet, 

the Miocene series comprises the so­called Birsa Formation 

Serravalian in age and made of a sequence of sands deposited 

within a shoreface to lower shoreface environment acknow­

ledged as the dominant reservoir within this area (Portolano et 

al. 2000). In the central part of the Gulf of Tunis (well 3), the 

Late  Miocene  series  are  made  of  claystone  and  exceeds 

a thickness of 1170 m making it the thickest sequence known 

in this part of the Mediterranean and it seems to be tectonically 

controlled.

Based on wells data, the Pliocene deposition seems to be 

widespread in the Gulf of Tunis (Figs. 4 and 5). They occur 

with the two discernible facies of Raf Raf and Porto Farina 

formations  described  above.  The  Raf  Raf  Formation  was 

deposited in privileged area extending from the northwestern 

part of the study area (near well 1) to the central part of the 

Gulf of Tunis near wells 3, 4 and 5 (Figs. 2, 4 and 5). In this 

area, the Raf Raf Formation maintains an average thickness 

near 300 m but it is absent to the southeast. However the Porto 

Farina  Formation  which  overlays  the  Raf  Raf  Formation  in 

Fig. 4. N–S oriented correlation line showing that deposition is affected by halokinesis to the north of the Gulf of Tunis. However Upper 

 Cretaceous to Eocene series correlates well in its central and southern parts.

background image

103

TECTONOSEDIMENTARY OF THE GULF OF TUNIS — IMPLICATION FOR OIL EXPLORATION

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

wells 4 and 5 occupies the northern and the central part of the 

study area and it exhibit considerable thickness variations (i.e. 

669 m in well 2 versus 296 m in well 6). The crossed litho­

stratigraphic  section  in  well  3  shows  an  abrupt  lithological 

change and disappearance of fossils at the base of the Pliocene 

series which is interpreted as a stratigraphic hiatus.

Based  upon  thickness  variations  and  facies  analyses,  the 

lithostratigraphic sequences of the Gulf of Tunis (at least from 

the Late Cretaceous) exhibit several local gaps, erosion sur­

faces, hiatus and subsiding zones. This configuration confirms 

the coeval eustatic and tectonic control on the sedimentation. 

This latter seems to have occurred on horst and graben struc­

tured basins where deposition and tectonics are coeval. This 

configuration  is  also  documented  by  Melki  et  al.  (2010)  in 

northeastern Tunisia.

Structural background and hydrocarbon potential

The analysis of well data provided interesting information 

about  deposition,  facies  and  thickness  variations  along  the 

study area. Based on that, some interpretations are attempted 

above. However wells give detailed control on borehole. This 

control is nevertheless local when we consider the lateral evo­

lution of deposition specially in wide well spacing condition. 

This is why we attempt a mapping effort using seismic data to 

draw isochron and isobath maps. Isochron and isobath maps 

(Figs. 6 and 7) drawn for both tops of the Bou Dabbous and 

Abiod formations together with seismic lines (Fig. 8) are used 

to determine the structural configuration of the Gulf of Tunis 

area  and  to  highlight  the  tectonic  control  of  the  deposition 

from  Late  Cretaceous  to  Neogene.  These  maps  show  that  

both  Abiod  and  Bou  Dabbous  formations  were  deposited 

within a fault­assisted basin with horst and graben structures 

delineated  by  three  main  fault  directions  NE–SW,  NW–SE 

and E–W. This structural configuration in horsts and grabens 

explains the remarkable variations in thickness of the depo­

sition described above.  

Concerning the top of the Abiod Formation (Fig. 6), a zone 

of maximum depth is defined approximately by the 1.7 second 

isochron (Fig. 6a) matching with a depth exceeding 2250 m 

Fig. 5. WNW‒ESE oriented correlation line showing significant facies and thickness variations from the northwest to the southeast borders of 

the Gulf of Tunis. Several hiatus and gaps are recorded especially within Tertiary series.

background image

104

DHRAIEF, DHAHRI, CHALWATI and BOUKADI

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

below sea level. In the middle and southern parts of the Gulf 

of Tunis,  this  zone  is  made  up  of  several  graben  structures 

enclosed  by  NE‒SW  and  NW‒SE  abrupt  foredeep  wedges. 

However, it seems to be limited by gentle sea floor slope to the 

northeast of the study area (Fig. 6a). Out of this zone (less than 

0.8 second), the Abiod Formation is overlain by a relatively 

thin post­Cretaceous deposition (less than 1500 m) (Fig. 6b). 

This  occurs  along  the  offshore  part  of  the  study  area  and 

Fig. 6. Isochron and isobath maps of the Abiod Formation top showing the structural configuration of the Gulf of Tunis with the main subsiding 

area during the Late Cretaceous.

background image

105

TECTONOSEDIMENTARY OF THE GULF OF TUNIS — IMPLICATION FOR OIL EXPLORATION

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

 Cainozoic palaeohighs mainly made of horst, tilted blocks and 

Triassic  bodies  (Melki  et  al.  2010).  Concerning  the  Bou 

 Dabbous Formation (Fig. 7), the subsiding zone and palaeo­

highs  match  almost  with  these  highlighted  for  the  Abiod 

 Formation (Fig. 6). However, slopes and wedges between dis­

tinct blocks seem to be gently amortized compared to these 

observed for the top of the Abiod Formation. In addition, the 

NE‒SW fault system is less expressed. The zone of maximum 

Fig. 7. Isochron and isobath maps of the Bou Dabbous top showing the structural configuration of the Gulf of Tunis with the main subsiding 

area during the Early Eocene.

background image

106

DHRAIEF, DHAHRI, CHALWATI and BOUKADI

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

depth  is  defined  approximately  by  the  1.5  second  isochron 

matching with a depth exceeding 2000 m below the sea level. 

This  zone  delimits  several  depocentres  that  coincide  with 

 graben structures. This implies a continuous tectonic control 

guided by the same fault system responsible for the structural 

configuration of the Gulf of Tunis as described by Melki et  

al. (2010).

Several seismic lines were considered to map the tops of the 

Abiod  and  Bou  Dabbous  formations.  Three  seismic  lines 

(SL1, SL2 and SL3) are presented in Figure 8. Given that the 

main significant faults controlling the structural configuration 

of the Gulf of Tunis are arranged within two main perpendi­

cular directions NE‒SW and NW‒SE, we choose to present 

respectively  interpreted  NW‒SE  and  NE‒SW­oriented  seis­

mic lines that crosses near the centre of the Gulf of Tunis, to 

intersect the maximum of structural features (Fig. 8). 

The  NW‒SE­oriented  seismic  line  (SL1)  (Fig.  8a)  shows 

that the thickness of post­Cretaceous deposition increases to 

the east toward a deep depocentre delineated by several sub­

vertical  normal  faults.  This  depocentre  coincides  with  the 

 eastern  graben  structure  shown  on  the  isochron  and  isobath 

maps of Figures 6 and 7. The western and eastern sides of this 

graben  can  be  considered  as  palaeohighs  with  thin  Upper 

 Cretaceous‒Lower Eocene deposition. This thickness decrease 

is due to the tectonic control amplified by halokinesis and ero­

sion as highlighted for the Abiod Formation to the northwest 

of the study area within the offshore well 1. The post­Ypresian 

deposition  records  some  compressional  events  especially 

above  main  normal  faults  in  testimony  of  their  Neogene  

inversion  as  occurred  in  the  Northeastern  Tunisia  and  the 

 Pelagian  province  after  the  Africa–Europe  convergence 

 (Morgan et al. 1992; Guiraud 1998; Piqué et al. 1998; Brunet 

& Cloetingh 2003; Melki et al. 2010; Dhahri & Boukadi 2010; 

Dhahri et al. 2015). However, these deformations are sealed 

by an uppermost horizontal level Pliocene–Quaternary in age 

suggesting  a  low  angle  unconformity  above  the  deformed 

zone (Fig. 8).

The  first  SW‒NE­oriented  seismic  line  (SL2)  (Fig.  8b) 

shows an asymmetrical graben structure to the north, limited 

by a steeper slope on its northern side affected by subvertical 

NE‒SW  faults,  whereas  the  southern  side  shows  gentler 

scarps. This graben constitutes a depocentre in which Maas­

trichtian–Ypresian deposition is relatively thicker than on both 

sides regarded as Upper Cretaceous palaeohighs. The middle 

part of this seismic line also has a prograding­slope toward the 

north  on  which  the  post­Ypresian  series  are  deposited. This 

slope is associated with erosion surfaces.

The second SW‒NE­oriented seismic line (SL3) (Fig. 8c) is 

parallel to SL2 (Fig. 3). This line ends toward the north  without 

crossing the illustrated graben structure northern SL2 (Fig. 8b). 

However, it illustrates well the progradation and erosion high­

lighted  on  the  southern  side  of  the  graben  structure  within 

SL2. In fact, along the prograding­slope a significant angular 

unconformity is well illustrated: the shales of Souar Formation 

overlays unconformably the Eocene to Upper Cretaceous series 

respectively  from  south  to  north.  This  configuration  is 

favou rable  for  the  occurrence  of  unconformity  traps  within 

dipping strata of the Bou Dabbous and Abiod fractured lime­

stones when they are truncated by overlying bedded sealing 

lithology as much as the Souar Formation. In such condition, 

these  unconformities  have  good  prospects  for  hydrocarbon 

accumulation.

Conclusions

Seismic interpretation, isochron and isobath maps together 

with well data show that the Gulf of Tunis is affected by three 

main fault systems with NE–SW, E–W and NW–SE directions 

(Figs.  6  and  7).  These  fault  systems  acts  together  to  create 

an  irregular  network  of  juxtaposed  tectonic  blocks  with 

 markedly  different  lithostratigraphic  sequences. The  deposi­

tion rates depend largely on the amount and the sense of the 

fault  offset  bordering  each  block.  The  Cretaceous  tensional 

tectonic regime is responsible for the establishment of horst 

and graben structures which controlled later deposition within 

the  Gulf  of  Tunis  until Ypresian  times. At  least  four  depo­

centres  limited  by  uplifted  areas  are  prefigured  since  the 

 Cretaceous and prevailed until the Ypresian (Fig. 7). It is why 

the  Upper   Cretaceous–  Ypresian  deposition  records  remar­

kable thickness and facies variations with several unconfor­

mities, gaps and erosion along palaeohighs and uplifted blocks 

versus thick sequences near the graben structures. The seismic 

lines show moderate  Neogene shortening events responsible 

for gentle folds and inversion of some previous normal faults 

especially near the depocentres borders (Fig. 8). 

Indeed, the principal targets of the drilled wells in the Gulf 

of  Tunis  were  the  Eocene  Bou  Dabbous  and  the  Upper 

 Cretaceous Abiod formations. Unfortunately no significant oil 

reserves  were  encountered  within  these  formations  in  all 

 studied wells. But there are certainly promising hydrocarbon 

reservoirs in northeastern Tunisia. This area comprises several 

petroleum systems within Mid­Upper Cretaceous to Tertiary 

series (source rocks of Bahloul, Mouelha and Fahdene forma­

tions, fractured reservoir of Abiod, Bou Dabbous and Halk el 

Menzel formations, siliciclastic reservoir of Birsa Formation). 

The real challenge is to understand the structure and the litho­

stratigraphy of Cretaceous–Neogene series within this area to 

reveal adequate zones for hydrocarbon accumulations. Based 

on the interpretations highlighted within this paper, it seems that 

the tectonic control widely conditioned the petroleum geology 

in northeastern Tunisia. It is why structural surveys should be 

done  with  more  care  and  with  emphasis  on  halo kinesis  to 

enhance our knowledge of petroleum systems in this area.

Acknowledgements: We would like to thank the Entreprise 

Tunisienne d’Activités Pétrolières (ETAP) for providing the 

seismic  and  wells  data  used  in  this  paper.  Igor  Broska,  

Ján  Soták  and  Milan  Kohút  from  the  editorial  board  are 

thanked for their time and valuable remarks. We also thank the 

anonymous reviewers for their helpful reviews that improved 

the manuscript.

background image

107

TECTONOSEDIMENTARY OF THE GULF OF TUNIS — IMPLICATION FOR OIL EXPLORATION

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

References

Abrajevitch  A.V.,  Ali  J.R.,  Aitchison  J.C.,  Davis  A.M.,  Liu  J.  & 

Ziabrev  S.V.  2005:  Neotethys  and  the  India–Asia  collision: 

Insights from a palaeomagnetic study of the Dazhuqu ophiolite, 

southern Tibet. Earth Planet. Sci. Lett. 233, 1, 87–102.

Accaino F., Catalano R., Di Marzo L., Giustiniani M., Tinivella U., 

Nicolich  R.,  Sulli A., Valenti V.  &  Manetti  P.  2011: A  crustal 

seismic profile across Sicily. Tectonophysics 508, 52–61.

Bedir M., Tlig S., Bobier C. & Aissaoui N. 1996: Sequence strati­

graphy, basin dynamics, and petroleum geology of the Miocene 

from eastern Tunisia. AAPG bulletin 80, 1, 63–80.

Ben Ayed N. 1993: Evolution tectonique de l’avant­pays de la chaîne 

alpine  de  Tunisie  du  début  du  Mésozoïque  à  l’Actuel. Ann. 

Mines Geol., Editions du Service géologique de Tunisie 32, 

1–286.

Ben  Ismail­Lattrache  K.  &  Bobier  C.  1984:  Sur  l’évolution  des 

paléoenvironnements marins paléogènes des bordures occiden­

tales du détroit Siculo­Tunisien et leurs rapports avec les fluc­

tuations du paléo­océan mondial. Mar. Geol. 55, 195–217.

Biely A., Rakús M., Robinson P. & Salaj J. 1972: Essai de corrélation 

des formations miocènes au sud de la Dorsale tunisienne. Not. 

Serv. Géol. Tunisie, Tunis, 38, 73–93.

Fig. 8. Seismic lines showing the main structures of the Gulf of Tunis with the tectonic controls of deposition and thickness variations since 

the Late Cretaceous. 1 — Top Porto Farina Formation, 2 — Top Raf Raf Formation, 3 — Top Upper Eocene series, 4 — Top Ypresian series, 

5 — Top Cretaceous series, black lines — faults.

background image

108

DHRAIEF, DHAHRI, CHALWATI and BOUKADI

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 2, 97 – 108

Bishop  W.F.  1988:  Petroleum  geology  of  East­Central  Tunisia. 

 American Association of Petroleum Geologists Bulletin  72,  9, 

1033–1058.

Boccaletti M., Cello G. & Tortorici L. 1990: First order kinematic 

elements in Tunisia and the Pelagian block. Tectonophysics 176, 

215–228.

Bonnefous J. & Bismuth H. 1982: The shelf carbonate facies of the 

Middle and Upper Eocene offshore northeastern Tunisia and in 

the  Pelagian  sea:  Paleogeographical  consequences  and  micro­

paleontological analysis. Bull. Centres Rech. Explor.-Prod. Elf 

Aquitaine 6, 2, 337–403

Brunet  M­F.  &  Cloetingh  S.  2003:  Integrated  Peri­tethyan  Basins 

studies (Peri­Tethys Programme). Sediment. Geol. 156, 1–10.

Burollet P.F. 1951: Etude géologique des bassins mio­pliocenes du 

Nord­Est de la Tunisie (région entre Mateur, Ferryville et Porto­ 

Farina). Annales des Mines et de la géologie 7, Tunisia, 1–91.

Burollet P.F. 1956: Contribution à l’étude stratigraphique de la Tunisie 

centrale. Annales des Mines et de la géologie 18, Tunisia, 1–345.

Catalano R., lnfuso S. & Sulli A. 1995: Tectonic history of the sub­

merged Maghrebian Chain from the Southern Tyrrhenian Sea to 

the Pelagian Foreland. Terra Nova 7,179–188.

Catalano  S., Torrisi  S., Tortorici  G.  &  Romagnoli  G.  2011: Active 

folding along a rift­flank: the Catania region case history (SE 

Sicily). J. Geodyn. 51, 1, 53–63.

Craig A.N. 2009: Petroleum Systems and Prospectivity of the Gulf of 

Hammamet, Tunisia. 8

th

 PESGB/HGS Conference on African E 

& P, 9–10 September 2009. Queen Elizabeth II Conference Cen-

tre, London, 1–14. 

Dart C.J., Bosence D.W.J. & McClay K.R. 1993: Stratigraphy and 

structure  of  the  Maltese  Islands.  J. Geol. Soc., London  150, 

1153–1166.

Dhahri F. & Boukadi N. 2010: The evolution of pre­existing struc­

tures during the tectonic inversion process of the Atlas chain of 

Tunisia. J. African Earth Scie. 56, 139–149.

Dhahri F., Tanfous D., Gabtni H. & Boukadi N. 2015: Structural and 

geodynamic study in central Tunisia using field and geophysical 

data: new structural interpretation of the N–S axis and associated 

Atlassic  structures.  Int. J. Earth. Sci. (Geol Rundsch), DOI 

10.1007/s00531­015­1159­1.

El Euchi H., Saidi M., Fourati L., Ghenima R., Friha J., Hamouda F. 

& Messaoudi F. 2002: Northern Tunisia thrust belt: Deformation 

models and hydrocarbon systems. Memoires ETAP, Tunisia, 19, 

143–189.

Fairhead  J.D.  1988:  Mesozoic  plate  tectonic  reconstructions  of  the 

central South Atlantic Ocean: the role of the West and Central 

African rift system. Tectonophysics 155, 1–4, 181–191.

Gabtni H., Zenatti B.C., Jallouli C., Mickus K.L., & Bedir M. 2011: 

The crustal structure of the Sahel Basin (eastern Tunisia) deter­

mined from gravity and geothermal gradients: implications for 

petroleum exploration. Arabian J. Geosci. 4, 3–4, 507–516.

Guiraud  R.  1998:  Mesozoic  rifting  and  basin  inversion  along  the 

northern African Tethyan margin: an overview. In: MacGregor 

D.S.,  MoodyR.T.J.  &  Clark­Lowes  D.D.  (Eds.):  Petroleum 

Geology of North Africa. Geol. Soc., London, Spec. Publ. 133, 

217–229.

Guiraud R. & Maurin J.C. 1992: Early Cretaceous rifts of Western and 

Central Africa: an overview. Tectonophysics 213, 1–2, 153–168.

Guiraud  R.,  Bellion  Y.,  Benkhelil  J.  &  Moreau  C.  1987:  Post­ 

Hercynian tectonics in Northern and Western Africa. Geol. J. 22, 

S2, 433–466.

Guiraud R., Bosworth W., Thierry J. & Delplanque A. 2005: Phanero­

zoic  geological  evolution  of  Northern  and  Central  Africa:  

an overview. J. African Earth Sci. 43, 1, 83–143.

Haq B.U., Hardenbol J. & Vail P.R. 1987: Chronology of fluctuating 

sea levels since the Triassic (250 million years ago to present). 

Science 235, 1156–1167.

Laville E., Pique A., Amrhar M. & Charroud M. 2004: A restatement 

of the Mesozoic Atlasic rifting (Morocco). J. African Earth Sci. 

38, 2, 145–153.

Laridhi­Ouazaa  N.  1994:  Etude  minéralogique  et  géochimique  des 

épisodes magmatiques mésozoïques et miocènes de la Tunisie. 

Thesis Es–Sciences. Université de Tunis II, 1–426.

Laaridhi­Ouazza  N.  &  Bédir  M.  2005:  Les  migrations  tectono­ 

magmatiques du Trias au Néogène sur la marge orientale de la 

Tunisie. Africa Geosci. Rev 2004, 11, 3, 179–196,.

Lentini  F.,  Catalano  S.  &  Carbone  S.  1996:  The  External  Thrust 

 System  in  southern  Italy:  a  target  for  petroleum  exploration. 

 Petrol. Geosci. l. 2, 333–342.

Majithia M. 1997: Main Types of Geological Maps: Purpose, Use and 

Preparation. Editions TECHNIP, 1–348.

Lüning S., Kolonic S., Belhadj E. M., Belhadj Z., Cota L., Barić G. & 

Wagner  T.  2004:  Integrated  depositional  model  for  the 

 Cenomanian–Turonian  organic­rich  strata  in  North  Africa. 

Earth-Sci. Rev. 64, 1, 51–117.

Macgregor  D.S.  1996:  The  hydrocarbon  systems  of  North  Africa. 

Mar. Petrol. Geol. 13, 3, 329–340.

Masrouhi A., Bellier O. & Koyi H. 2014: Geometry and structural 

evolution  of  Lorbeus  diapir,  northwestern  Tunisia:  polyphase 

diapirism of the North African inverted passive margin. Int. J. 

Earth Sci. 103, 3, 881–900.

Mattoussi­Kort H., El Asmi A.M., Laaridhi­Ouazaa N., Gasquet D. & 

Saidi M. 2015: Hydrothermal history in the eastern margin of 

Tunisia:  inferred  magmatic  rocks  alterations,  new  paragenesis 

and  associated  gas  occurrences.  Arab. J. Geosci.  8,  10, 

8927–8942.

Melki F., Zouaghi T., Ben Chelbi M., Bédir M. & Zargouni F. 2010: 

Tectono­sedimentary  events  and  geodynamic  evolution  of  the 

Mesozoic  and  Cenozoic  basins  of  the Alpine  Margin,  Gulf  of 

Tunis,  north­eastern  Tunisia  offshore.  C.R. Geosci.  342, 

741–753.

Mejri F., Burollet P.F. & Ben Ferjani A. 2006: Petroleum geology of 

Tunisia,  a  renewed  synthesis.  Memoires ETAP,  Tunisia,  22, 

1–233.

Morgan M., Grocott J. & Moody RTJ. 1992: The structural setting 

and  evolution  of  the  Zaghouan­Ressas  structural  belt  in  the 

 Zaghouan  area.  Tunisian  Atlas,  Northern  Tunisia.  Memoires 

ETAP, Tunisia, 5, 193–209.

Patriat M., Ellouz N., Dey Z., Gaulier J.M. & Kilani H.B. 2003: The 

Hammamet, Gabes and Chotts basins (Tunisia): a review of the 

subsidence history. Sediment. Geol. 156, 1, 241–262.

Pepe F., Sullia A., Bertottic G. & Catalano R. 2005: Structural highs 

formation  and  their  relationship  to  sedimentary  basins  in  the 

north  Sicily  continental  margin  (southern  Tyrrhenian  Sea): 

Implication for the Drepano Thrust Front. Tectonophysics 409, 

1–18.

Portolano P., Schein L. & Simonnot A. 2000: 3D Geological  Modeling 

of the Birsa Oil Field. 7

th

 ETAP EPC Proceedings, 365–379.

Pique  A.,  Brahim  L.A.,  Ouali  R.A.,  Amrhar  M.,  Charroud  M., 

 Gourmelen C., Laville E., Rekhiss F. & Tricart P. 1998:  Evolution 

structurale des domaines atlasiques du Maghreb au  Méso­Cénozo; 

le rôle des structures héritées dans la déformation du domaine 

atlasique de l’Afrique du Nord. Bulletin de la Société Géologique 

de France 6, 169, 797–810.

Rey  J.  &  Galeott  S.  2008:  Stratigraphy:  terminology  and  practice. 

Editions TECHNIP, 1–165.

Roure F., Casero P. & Addoum B. 2012: Alpine inversion of the North 

African margin and delamination of its continental lithosphere. 

Tectonics 31, 3, TC3006.

Yaich  C.,  Hooyberghs  H.J.F.,  Durlet  C.  &  Renard  M.  2000: 

 Corrélation stratigraphiques entre les unités oligo­miocènes de 

Tunisie  centrale  et  le  Numidien.  Earth Planet. Sci. Lett.  331, 

499–506.