ABSTRACT

Dolostones in the deeply buried (3000-5000 m) Swan Hills Formation in the Wild River and contiguous area in west-central Alberta occur along bank margins and as bodies up to tens of metres thick behind the margin. These replacive dolomites have mainly nonplanar textures, enriched ¹³C (0.00 to 2.9‰, PDB), widely variable ¹⁸O (-9.0 to -4.3‰, PDB) and slightly to moderately radiogenic strontium isotopes (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios of 0.7086 to 0.7111).

The key in discerning the origin of these dolostones was the use of fluorescence petrography in identifying two major phases of dolomite formation. These two phases are most evident along the margins of stromatoporoid molds and vugs in dolostones from the bank interior. The first phase consists of a continuum of brightly fluorescing matrix to saddle or euhedral dolomites and is followed, after a hiatus marked by both corrosion and fracturing, by dull to dead fluorescing second-phase saddle dolomite cements.

This epifluorescence-defined stratigraphy provided a framework in which geochemical data could be analyzed in an unambiguous manner. Homogenization temperatures measured from both phases overlap, but are generally higher for second-phase saddle dolomite cements. These second-phase dolomites exhibit a wide range of elevated homogenization temperatures and isotopic signatures which match temperatures and fluid chemistries forecasted for burial from depths of approximately 1.2 to 7 km. These relationships imply that these dolomites precipitated from Cretaceous to Eocene time during the evolution of the Cordilleran foreland basin succession.

Significantly, the higher range of homogenization temperatures for first-phase, dominantly replacement dolomites are more elevated than the lower range of homogenization temperatures for second-phase saddle dolomites. This implies that first-phase replacement dolomites correspond to a phase of heating, followed by cooling prior to Cordilleran burial, and formed at burial depths shallower than approximately 1.7 km, the estimated maximum depth of burial before Cordilleran loading. Other petrographic relationships and fluid inclusion measurements further constrain dolomitization to burial depths of at least a few hundred metres and from residual evaporitic brines with elevated temperatures up to 140°C. These conditions are also substantiated by fluid inclusion measurements from burial calcite cements, which are partly replaced by dolomite in the zone of transition from limestone to dolostone.

These same calcite cements, and associated saddle dolomite cements, also occur in Swan Hills and Leduc limestones away from the dolostones. These cements also have elevated homogenization temperatures, indicating heating by thermal conduction away from the dolostones, prior to Cordilleran burial.

Our dolomitization model has been built by constraining both the age and burial depth of dolomitization, as well as the temperature and composition of the dolomitizing fluids. This model of dolomitization (Thermoflux) invokes both

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seepage reflux and thermal convection of residual evaporitic brines. Mg mass balance and fluid storage considerations confine dolomitization to an open flow system, suggesting most dolomites formed concurrent with Late Devonian (latest Frasnian) evaporite formation. Thermal convection corresponds to heating associated with the Antler Orogeny along the continental margin of western North America. However, thermal convection probably continued on after evaporite formation for the duration of this thermal phase. This resulted in the additional formation of a small but significant amount of dolomite.

RESUME

Les dolomies de la Formation de Swan Hills, enfouies profondement (3000-5000 m) dans les regions de Wind River, et les dolomies adjacentes du centre-ouest de l'Alberta, se presentent le long de la marge de bancs comme des corps allant jusqu'a des dizaines de metres d'epaisseur a l'arriere de la marge. Ces dolomites de remplacement ont des textures non-planaires, enrichies en ¹³C (0,00 to 2,9‰, PDB), un ¹³C largement variable (-9,0 to -4,3‰, PDB) et des isotopes de strontium legerement a moderement radiogeniques (taux ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr de 0,7086 a 0,7111).

La cle pour distinguer l'origine de ces dolomies a ete l'utilisation de la petrographie a fluorescence qui a permis d'identifer deux phases majeures de formation de dolomite. Ces deux phases sont des plus evidentes le long de la bordure de moules et de druses dans les dolomies de l'interieur du banc. La premiere phase consiste en un continuum allant de matrices a fluorescence brillante jusqu'a des dolomites a selle ou automorphes, et se poursuit apres un hiatus marque a la fois par la corrosion et la fracturation, par des ciments de dolomite a selle a fluorescence matte ou eteinte.

Cette stratigraphie, basee sur "l'epi-fluorescence", fournit un cadre pour analyser les donnees geochimiques de facon non-equivoque. Les temperatures d'homogeneisation mesurees pour les deux phases se chevauchent mais sont generalement plus hautes pour les ciments de dolomite a selle de seconde phase. Ces dolomites de seconde phase montrent de larges gammes de temperatures elevees d'homogeneisation et de signatures isotopiques, qui concordent avec les temperatures et chimies des fluides prevues pour l'enfouissement a des profondeurs approximatives de 1,2 a 7 km. Ces relations impliquent que ces dolomites ont precipite entre le Cretace et l'Eocene, durant l'evolution de la succession du bassin d'avant-pays de la Cordillere.

Significativement, la gamme haute des temperatures d'homogeneisation de la premiere phase, a dominance de dolomite de remplacement, est plus elevee que la gamme basse des temperatures d'homogeneisation des dolomites a selle de seconde phase. Ceci implique que les dolomites de remplacement de la premiere phase correspondent a une phase de rechauffement, suivie par un refroidissement avant l'enfouissement cordillerien et furent formees a des profondeurs d'enfouissement plus faible que 1,7 km approximativement, la profondeur maximale estimee d'enfouissement, anterieurement au chargement cordillerien. D'autres relations petrographiques et des mesures d'inclusions fluides contraignent encore plus la dolomitisation a des profondeurs d'au moins quelques centaines de metres et a partir de saumures evaporitiques residuelles par des temperatures elevees allant jusqu'a 140°C. Ces conditions sont aussi supportees par des mesures d'inclusions fluides de ciments de calcite d'enfouissement, qui sont partiellement remplaces par la dolomite, dans la zone de transition entre le calcaire et la dolomie.

Ces memes ciments de calcite, et les ciments de dolomites a selle associes, se retrouvent aussi dans les calcaires de Swan Hills et de Leduc, a l'ecart des dolomies. Ces ciments ont aussi des temperatures d'homogeneisation elevees, indiquant un rechauffement par conduction thermique, loin des dolomies, avant l'enfouissemnent cordillerien.

Notre modele de dolomitisation a ete construit en contraignant a la fois l'age et la profondeur d'enfouissement de la dolomitisation, aussi bien que la temperature et la composition des fluides dolomitisants. Ce modele de dolomitisation (thermoflux) invoque a la fois le reflux par suintement et la convection thermique des saumures evaporitiques residuelles. Des considerations liees a la balance de masse du Mg et a l'entreposage des fluides restreignent la dolomitisation a un systeme d'ecoulement ouvert, suggerant que la plupart des dolomites se sont formees au meme moment que la formation des evaporites au Devonien superieur (Frasnien tardif). La convection thermique correspond a un rechauffement associe a l'orogenese Antler, le long de la marge continentale de l'ouest de l'Amerique du Nord. Toutefois, la convection thermique a probablement continue au-dela du moment de la formation des evaporites, pour la duree de la phase thermique. Ceci eut pour resultat la formation additionnelle d'une quantite faible mais non-neligeable de dolomite.

Traduit par Lynn Gagnon.