ABSTRACT

The origin of replacement dolomites in the Western Canada Sedimentary Basin (WCSB) remains controversial and problematic. In order to meet the considerable magnesium mass-balance requirements, a wide range of groundwater-flow systems, encompassing all diagenetic settings, has been invoked to explain their formation. One of the previously proposed dolomitizing flow systems is reflux circulation.

Reflux circulation occurs in response to differences in fluid density controlled by variations in salinity. The restriction and evaporation of seawater can result in the generation of dense platform-top brines. These brines are potential dolomitizing fluids that can descend into underlying pore networks under the influence of gravity.

We used a numerical groundwater flow model to investigate the fluid-flow constraints of reflux dolomitization in carbonate platforms. Specifically, we investigated the sensitivity of the pattern and magnitude of fluid flux to the platform-top (seawater) boundary condition, the concentration of platform-top brines and critical hydraulic parameters (permeability and permeability anisotropy).

The pre-existing model of reflux employed in the WCSB has an unrealistic uniform distribution of fluid flux, which we have termed the "constant flux" model, or CFM. In contrast to the CFM, our simulations of reflux circulation incorporate a more realistic platform-top seawater boundary condition, which is open, rather than closed, to flow. Opentopped models generate spatially dependent fluid-flux distributions and are termed here "variable-flux" models, or VFM. Results with the VFM, for an optimal parameter configuration designed to maximize lateral flow, indicate that almost all refluxing brines discharge within 30 km of the brine's source. The spatial distribution of dolomitization times calculated using the VFM demonstrate that the CFM grossly underestimates dolomitization times for most of the platform, but overestimates dolomitization times close to the brine source where fluid flux is greatest. Calculated dolomitization times with our optimal parameter configuration indicate that a region within 15 km of the brine source could be dolomitized in the 16 Ma maximum time constraint available in the WCSB during the Devonian. Regions beyond 15 km from the brine source remain undolomitized. With our VFM it is difficult to reconcile how reflux circulation could pervasively dolomitze Devonian WCSB carbonate platforms with length scales of tens to hundreds of kilometres.

The differences in the flow fields and corresponding calculated dolomitization times between the VFM and CFM models clearly demonstrate the inadequacy of the pre-existing CFM. Thus, the proposal that regional-scale reflux dolomitization accounts for most of the Devonian dolostones in the WCSB is unsubstantiated. Furthermore dolomitization times calculated using the CFM cannot be applied to other dolomites of reflux origin in the geological record.

RESUME

L'origine des dolomites de remplacement dans le bassin sedimentaire de l'ouest canadien demeure controverse et problematique. Pour satisfaire les exigences considerables en Mg dans l'equilibre de masse, une grande variete de systemes d'ecoulement d'eau souterraine, comprenant tous les environnements diagenetiques, ont ete invoques pour expliquer leur formation. Un des systecoulement deja propose pour la dolomitisation est la circulation par reflux. La circulation par reflux a lieu lorsqu'il y a des differences de densite des fluides controlees par des variations de salinite. La restriction et l'evaporation de mer peut donner lieu a la generation de saumures denses de sommet de plateforme. Ces saumures sont des fluides potentiellement dolomitisants pouvant descendre dans les reseaux de pores sousjacents sous l'influence de la gravite. Nous avons utilise un modele numerique d'coulement souterrain pour etudier les

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contraintes d'ecoulement de fluides de la dolomitisation de reflux dans les plate-formes de carbonates. Nous avons etudie plus specifiquement la sensibilite du patron et la grandeur du flux d'ecoulement dans la condition de limite d'un sommet de de plateforme (eau salee), la concentration des saumures de sommet de plate-forme et les parametres hydrauliques critiques (permeabilite et anisotropie de permeabilite).

Le modele de reflux preexistant utilise pour le bassin de l'ouest du Canada a une distribution uniforme non realiste du flux d'ecoulement du fluide, que nous avons nomme "modele de flux constant" ou MFC. En contraste avec le MFC, nos simulations de circulation de reflux comprennent une condition de limite plus realiste d'eau marine de sommet de plate-forme, qui est ouverte plutot que ferme a l'ecoulement. Les modeles a sommets ouverts produisent des distributions de flux de fluides qui sont dependants spatialement et qui sont nommes ici les modeles de "flux variable" ou MFV. Les resultats avec le MFV, pour une configuration optimale des parametres etablie pour maximiser le courant lateral, indiquent que presque toutes les saumures de reflux sont deversees a moins de 30 km de la source des saumures. La distribution spatiale des temps de dolomitisation calcules en utilisant le MFV demontre que le MFC sous-estime grossierement les temps de dolomitisation pour la majorite de la plate-forme, mais sur-estime les temps de dolomitisation pres de la source de saumure ou le flux des fluides est le plus grand. Les temps de dolomitisation calcules avec notre configuration a parametre optimal indiquent qu'une region a l'interieur de 15 km de la source de saumure pourrait etre dolomitisee a l'interieur de la contrainte de temps maximum de 16 Ma disponible pour le bassin de l'ouest du Canada, pendant le Devonien. Les regions situees au-dela de 15 km de la source de saumure demeurent non dolomitisees. Avec notre MFV, il est difficile de reconcilier comment une circulation de reflux a pu dolomitiser partout les carbonates de plateforme du Devonien du bassin sedimentaire de l'ouest du Canada dans des echelles de longueur allant de >>10 a >>100 de km. Les differences dans les champs d'ecoulement et les temps de dolomitisation correspondants entre le MFV et le MFC demontrent clairement l'imperfection du MFC preexistant. Des lors, la proposition que la dolomitisation par reflux a l'echelle regionale est responsable de la majorite des roches sedimentaires du Devonien formees de dolomie dans le bassin sedimentaire de l'ouest du Canada est sans fondement. De plus, les temps de dolomitisation calcules en utilisant le MFC ne s'appliquent pas aux autres dolomites d'origine de reflux dans les annales geologiques.

Traduit par Lynn Gagnon