ABSTRACT

This study investigates paleofluid flow through the Devonian carbonate aquifers in the deep part of the western Alberta Basin, using the distribution and geochemical composition of deep burial, late diagenetic, sparry calcite and dolomite cements, as well as the Precambrian metasediments that make up the underlying basement and much of the adjacent Rocky Mountain Main Ranges. The objective of this study is to characterize regional, tectonically-induced (squeegee-type) fluid flow in these Devonian aquifers, the fluxes and thermal anomalies, their timing and duration, as well as their possible influence on hydrocarbon migration and trapping.

New data from the Southesk-Cairn complex and the surrounding shales show intriguing patterns. Firstly, the data define the regional (background) value of the MAximum Sr Isotope Ratio of BAsinal Shale (MASIRBAS) at 0.7120. Comparison with literature data shows that MASIRBAS is valid for the entire stratigraphic section from the Pleistocene glacial till down to at least the Middle Devonian, probably also to the base of the Cambrian. Consequently, any carbonate (or sulphate) cement with a ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-ratio of >0.7120 is likely to have formed from formation waters with a basin-external (extra-basinal), metamorphic component that is derived from Precambrian rocks.

Many carbonates close to the deformed belt host sour gas pools that are hydrologically relatively isolated at present. However, highly elevated ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-ratios (up to 0.7370) indicate sublateral injection of fluids from a basin-external, probably metamorphic source during deep burial diagenesis in some pools close to the deformed belt, such as at Obed. At other locations, such as Simonette or Kaybob-South, basin-external fluids appear to have been injected via subvertical faults from below, with highly radiogenic Sr derived from the metasedimentary basement or sublaterally via the intervening Cambrian clastics. The fluxes and possible geothermal anomalies during injection of these external fluids appear to have been low, as estimated from the volumes of late calcites with elevated ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-ratios and from their fluid inclusion homogenization temperatures. Reasons for the low fluxes include low volumes of expelled fluids and a relatively poor hydraulic connection between the source of these fluids and the Devonian aquifers, reminiscent of an ill-fitting garden hose connection. Tectonically-induced fluid flow appears to have been laterally rather limited, extending perhaps only 100 to 200 km into the foreland basins, where the radiogenic Sr signal "disappears". Another important finding is that late diagenetic carbonate cements from outcrops in thrust sheets of the Rocky Mountain Main Ranges do not exhibit the highly elevated ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-ratios found in the subsurface.

These findings have several important implications. Firstly, large-scale hydrothermal dolomitization, which requires large fluxes and has been advocated recently for the deep part of the Alberta Basin and similar geologic settings elsewhere, is not possible by squeegee-type flow, unless the fluids are focused into and funnelled through relatively narrow confined aquifers. Secondly, the pervasive Laramide-aged remagnetization of much of the sedimentary sequence close to the limit of the disturbed belt in Alberta is not possible by this type of flow. Lastly, the recognition that metamorphic Sr, albeit present in the deep basin, is absent from at least some of the thrust sheets in the Main Ranges, indicates a different type of hydrologic regime during their formation.

RESUME

Cette etude examine l'ecoulement des paleo-fluides a travers les aquifares de carbonate du Devonien dans la partie profonde du Bassin de l'ouest de l'Alberta, en utilisant la distribution et la composition geochimique des ciments de calcite et de dolomite d'enfouissement profond, de diagenese tardive et drusique, aussi bien que les metasediments du Precambrien qui constituent le socle sous-jacent et une grande partie des Main Ranges adjacents dans les montagnes Rocheuses. L'objectif de cette etude est de caracteriser l'ecoulement des fluides induits regionalement par tectonisme (de type eponge pressee- 'squeegee-type') dans ces aquiferes du Devonien, les flux et anomalies thermales,

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la chronologie et la duree, de meme que leur influence possible sur la migration et le piegeage des hydrocarbures.

Des donnees nouvelles provenant du complexe de Southesk-Cairn et des shales environnants montrent des patrons intriguants. Premierement, les donnees definissent une valeur regionale (arriere-fond) du rapport maximum d'isotope de Sr de shale de bassin ('MASIRBAS') de 0,7120. Une comparaison avec les donnees de la litterature montre que le MASIRBAS est valide pour la colonne stratigraphique entiere, du till glaciaire du Pleistocene jusqu'au moins au Devonien moyen, probablement aussi jusqu'a la base du Cambrien. Consequemment, tout ciment de carbonate (ou de sulfate) avec un rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr>0,7120 s'est probablement forme a partir d'eaux de formation, avec une composante metamorphique externe au bassin, qui est derivee des roches du Precambrien.

Plusieurs carbonates proches de la ceinture de deformation sont les hotes de reservoirs de gaz sulfure qui sont relativement isoles du point de vue hydrogeologique au temps present. Toutefois, des rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr tres eleves (jusqu'a 0,7370) indiquent une injection sous-laterale de fluides a partir d'une source metamorphique externe au bassin durant la diagenese d'enfouissement profond dans certains reservoirs situes pres de la ceinture de deformation comme a Obed. Dans d'autres localites, comme a Simonette ou a Kaybob-South, les fluides externes au bassin semblent avoir ete injectes par la voie de failles sub-verticales par en dessous, avec du Sr hautement radiogenique derive d'un socle metasedimentaire ou sous-lateralement par la voie des clastiques intervenants. Les possibles flux et anomalies geothermiques durant l'injection de ces fluides externes semblent avoir ete bas, tel qu'estime par les volumes de calcites tardives avec des rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr eleves et a partir des temperatures d'homogeneisation des inclusions fluides. Les raisons qui expliquent ces basses valeurs de flux comprennent des volumes faibles d'expulsion de fluides et une connexion hydraulique relativement pauvre entre la source de ces fluides et les aquiferes du Devonien, faisant penser a un boyau de jardin avec une connexion mal ajustee. Les ecoulements de fluides induits tectoniquement semblent avoir ete plutot limites lateralement, s'etendant peut-etre seulement de 100 a 200 km jusque dans les bassins d'avant-pays, ou le signal radiogenique de Sr 'disparait'. Une autre decouverte importante est que les ciments diagenetiques de carbonate dans les affleurements d'ecailles de chevauchement des Main Ranges des montagnes Rocheuses ne montrent pas le rapport eleve en ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr trouve en profondeur.

Ces decouvertes ont plusieurs implications importantes. Premierement, une dolomitisation hydrothermale importante, qui requiert de grands flux et pour laquelle on a recemment plaide en faveur pour la partie profonde du bassin de l'Alberta et dans des environnements geologiques similaires ailleurs, n'est pas possible par ecoulement d'expulsion d'effet d'eponge, a moins que les fluides se soient concentres a l'interieur et engouffres a travers des aquiferes confines relativement etroits. Deuxiemement, la remagnetisation penetrante d'age Laramide d'une grande partie de la sequence sedimentaire pres de la limite de la ceinture de deformation en Alberta n'est pas possible avec ce type d'ecoulement. En dernier lieu, la reconnaissance que le Sr metamorphique, meme present dans le bassin profond, est absent au moins dans certaines des ecailles de chevauchement des Main Ranges, indique un type different de regime hydrologique durant leur formation.

Traduit pay Lynn Gagnon