ABSTRACT

Subsurface Leduc Formation buildups (Woodbend Group, Frasnian) of the Rimbey-Meadowbrook reef trend in central Alberta extend along a linear trend for a distance of about 320 km. Available data indicate that Leduc Formation buildups are extensively dolomitized only where they are located above the dolomitized margin of the underlying Cooking Lake platform, suggesting that dolomitization of the platform and the buildups are related. The extent of dolomitization in the Cooking Lake platform ranges from scarce to complete, whereas the overlying buildups are completely dolomitized.

Two major stages of dolomitization are recognized within the Cooking Lake platform and the overlying Leduc Formation buildups, based on petrographic and geochemical analyses: 1) replacement dolomitization, that formed 90 vol-% of the dolomite, and 2) later dolomite cementation. Each stage formed several dolomite types. Replacement dolomites comprise medium- and coarse-crystalline, subhedral to euhedral planar mosaic dolomite, and coarse-crystalline nonplanar anhedral dolomite. Coarse-crystalline mosaic dolomite is the most abundant replacive type (comprising up to 90 vol-% of some buildups) and shows a relatively uniform petrography including a homogeneous red-mottled cathodoluminescence. Dolomite cements are characterized by two textural types: coarse-crystalline planar and nonplanar cements. Both types are white in hand specimen and line voids and fractures. They are generally rare and only form about 5 vol-% of any one buildup. Both cement types postdate all replacement dolomites.

Stable isotope analyses of replacement dolomites from widely separated buildups range from 13C = 1.5‰ to 6.0‰ PDB and ¹⁸O =-7.5‰ to -5.0‰ PDB. No covariant, regional or stratigraphic trends are apparent. Microprobe analyses indicate that coarse-crystalline replacement dolomites are nearly stoichiometric, with low Mn ( = 409 ppm) and Fe concentrations ( = 1182 ppm). Microprobe traverses across individual crystals of all replacement dolomites show no systematic variations in Ca, Mg, Fe and Mn contents. The planar and nonplanar dolomite cements are geochemically distinct from replacement dolomites, having the most negative ¹⁸O values ( = -7.0‰ and -8.2‰, respectively). Coarse-crystalline planar dolomite cements show higher CaCO₃ and lower MgCO₃ concentrations relative to replacement dolomites, Fe ( = 615 ppm) and Mn ( = 196 ppm) contents are also lower, and no systematic variations were observed within individual crystals.

The massive replacement dolomites postdate limestone deposition and early-diagenetic features such as micritization, submarine cementation and low-amplitude wispy stylolites. They crosscut depositional facies boundaries and extend into overlying rocks, suggesting that pervasive replacement dolomitization postdates deposition of the Duvernay limestones and shales. These features are compatible only with subsurface dolomitization. Paragenesis, petrographic and geochemical data suggest that replacement dolomites formed in a shallow-burial environment (50° - 60°C or about 600 to 1200 m) during Late Devonian to Early Mississippian, and the later stage dolomite cements formed at higher temperatures and greater depth, probably from pressure-solution and/or late, warm basin fluids.

Recrystallization of an earlier dolomite may not have occurred, because 1) evidence for early seawater-related dolomitization has not been found in limestones, incompletely and completely dolomitized buildups, 2) reworked clasts in debris-flow deposits of buildup-slope facies are limestone indicating a lack of early dolomitization, 3) coarse-crystalline replacement dolomites grade directly into limestones and crosscut facies and members of the Cooking Lake platform, 4) there is no evidence for regional meteoric recharge in the Leduc Formation buildups and underlying Cooking Lake platform, which could have resulted in meteoric alteration, and 5) the diagenetic paragenesis indicates that dolomitization took place after submarine cementation and overlaps with low-amplitude wispy stylolites.

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Our mass-balance calculations indicate that burial compaction, which has been invoked to explain some Leduc Formation and other Devonian dolomites, cannot provide sufficient fluids for complete dolomitization of this part of the reef trend. Additional fluid sources and fluid-flow mechanisms other than burial compaction are required to explain: 1) the amount of dolomite present, 2) the geometry of dolomites in completely and partially dolomitized buildups, and 3) the lack of dolomite in adjacent limestone buildups. These considerations suggest that an extensive regional fluid-flow system was necessary for complete dolomitization during early burial of the Rimbey-Meadowbrook reef trend. However, the sources of these fluids, the extent of the regional fluid-flow system, as well as a suitable driving mechanism are still uncertain.

RESUME

Les massifs enfouis de la formation Leduc (groupe Woodbend, Frasnien) de l'alignement de recifs Rimbey-Meadowbrook dans l'Alberta central sont disposes de facon lineaire sur une distance d'environ 320 km. Les donnees disponibles indiquent que les massifs de la formation Leduc ne sont intensement dolomitises que la ou ils recouvrent la marge dolomitisee de la plate-forme sous-jacente de Cooking Lake, suggerant que la dolomitisation de la plate-forme et celle des massifs sont liees. L'intensite de la dolomitisation de la plate-forme de Cooking Lake varie de faible a complete, alors que les massifs sus-jacents sont completement dolomitises.

Deux episodes majeurs de dolomitisation sont differencies au sein de la plate-forme de Cooking Lake et des massifs de la formation Leduc sus-jacente, sur base d'arguments petrographiques et geochimiques: 1) dolomitisation de remplacement, responsable de 90 % vol. de la dolomite, et 2) cimentation ulterieure par dolomite. Chacun des episode donna lieu a divers types de dolomite. La dolomite de remplacement est soit une mosaique plane, moyennement a grossierement grenue, hypidiomorphe a automorphe, soit grossierement grenue, non-plane et xenomorphe. La dolomite grossierement grenue en mosaique est le type de dolomite de remplacement le plus abondant (jusqu'a 90 % vol. de certain massifs), et exhibe des caracteres petrographiques relativement uniformes, y compris une cathodoluminescence rouge bigaree homogene. Les ciments dolomitiques sont caracterises par deux types de textures: ils sont soit plans et grossierement grenus soit non-plans. Ces deux types apparaissent blancs en echantillon et bordent des vides et des fractures. Ils sont rares en general, et ne representent qu'environ 5 % vol. des massifs. Les deux types de ciments sont posterieurs a la dolomite de remplacement.

Des analyses d'isotopes stables des dolomites de remplacement provenant de massifs distants les uns des autres varient comme suit: ¹³C = 1.5 ‰ a 6.0 ‰ PDB et ¹⁸O = -7.5 ‰ a -5.0 ‰ PDB. Aucune tendance de covariance, regionale ou stratigraphique n'est apparente. Des analyses a la microsonde indiquent que les dolomites grossierement grenues de remplacement sont presque stoechiometriques, avec de faibles concentrations en Mn ( = 409 ppm) et en Fe ( = 1182 ppm). Des traversees a la microsonde a travers des cristaux individuels de dolomite de remplacement ne montrent pas de variation systematique dans le contenu en Ca, Mg, Fe et Mn. Les ciments dolomitiques plans et non-plans sont geochimiquement distincts des dolomites de remplacement, ayant des valeurs de ¹⁸O les plus negatives ( = -7.0 ‰ a -8.2 ‰, respectivement). Les ciments dolomitiques grossierement grenus plans ont des teneurs plus elevees en CaCO₃ et plus faibles en MgCO₃ par rapport aux dolomites de remplacement, ainsi que des teneurs plus basses en Fe ( = 615 ppm) et en Mn ( = 196 ppm), et n'exhibent pas de variation systematique au sein de cristaux individuels.

Les dolomites de remplacement massif sont posterieures au depot du calcaire et aux effets diagenetiques precoces tels que micritisation, cimentation sous-marine, et developpement de stylolites de faible amplitude en faisceau. Elles recoupent les limites de facies sedimentaires et se propagent dans les roches sus-jacentes, suggerant que la dolomitisation penetrante par remplacement postdate le depot des calcaires et schistes Duvernay. Ces caracteristiques ne sont compatibles qu'avec une dolomitisation en profondeur. Les donnees paragenetiques, petrographiques et geochimiques suggerent que les dolomites de remplacement se formerent dans un milieu d'enfouissement faible (50°-60°C soit 600 a 1200 m) durant le Devonien superieur au Mississippien inferieur, et que les ciments de dolomite ulterieurs se formerent a des temperatures plus elevees et a des profondeurs plus grandes, probablement par pression-dissolution et/ou par des fluides de bassin tardifs et chauds.

La recristallisation de la dolomite anterieure a pu ne pas se produire parce que 1) aucune evidence d'une dolomitisation precoce liee a de l'eau de mer n'a ete trouvee ni dans les calcaires, ni dans les massifs partiellement ou completement dolomitises, 2) les debris recifaux retravailles des facies de talus des massifs sont constitues de calcaire, indiquant l'absence de dolomitisation precoce, 3) les dolomites grossierement grenues de remplacement sont en transition directe avec les calcaires et recoupent les facies et les membres de la plate-forme Cooking Lake, 4) il n'y a pas d'evidence d'infiltration meteorique regionale dans les massifs de la formation Leduc et dans la plate-forme Cooking Lake sous-jacente, qui aurait pu donner lieu a une alteration meteorique, et 5) la paragenese diagenetique indique que la dolomitisation eut lieu apres la cimentation sous-marine et coincide avec la formation des stylolites de faible amplitude en faisceau.

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Nos calculs de conservation de masse indiquent que la compaction causee par l'enfouissement, qui a ete invoquee pour expliquer certaines dolomies dans la formation Leduc et autres formations devoniennes, ne peut pas produire suffisamment de fluides pour dolomitiser completement cette partie de l'alignement de recifs. D'autres sources de fluides et d'autres mecanismes de flux de fluides sont requis pour expliquer: 1) la quantite de dolomite presente, 2) la geometrie de la dolomite dans les massifs completement a partiellement dolomitises, et 3) l'absence de dolomite dans les massifs calcaires adjacents. Ces considerations suggerent qu'un systeme regional de flux de fluides fut necessaire pour dolomitiser entierement l'alignement de recifs de Rimbey-Meadowbrook pendant l'enfouissement precoce. Les sources de tels fluides, l'etendue du systeme regional de flux de fluides, ainsi qu'un mecanisme moteur adequat, restent jusqu'a present indetermines.

Traduit par Patrice de Caritat