ABSTRACT
Dolostones in the deeply buried (3000-5000 m) Swan Hills Formation in the Wild River and contiguous area in westcentral 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 δ13C (0.00 to 2.9‰ PDB), widely variable δ18O (-9.0 to -4.3‰. PDB) and slightly to moderately radiogenic strontium isotopes (87Sr/86 Sr 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 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.
RÉSUMÉ
Les dolomies de la Formation de Swan Hills, enfouies profondément (3000-5000 m) dans les régions de Wind River, et les dolomies adjacentes du centre-ouest de l’Alberta, se présentent le long de la marge de bancs comme des corps allant jusqu’à des dizaines de mètres d’épaisseur à l’arrière de la marge. Ces dolomites de remplacement ont des textures non-planaires, enrichies en δ13C (0,00 to 2,9 0/00, PDB), un δ’3C largement variable (-9,0 to -4,30/00, PDB) et des isotopes de strontium légèrement à modérément radiogéniques (taux δ7Sr/86Sr de 0,7086 à 0,7111).
La clé pour distinguer l’origine de ces dolomies a été l’utilisation de la pétrographie à fluorescence qui a permis d’identifer deux phases majeures de formation de dolomite. Ces deux phases sont des plus évidentes le long de la bordure de moules et de druses dans les dolomies de l’intérieur du banc. La première phase consiste en un continuum allant de matrices à fluorescence brillante jusqu’à des dolomites à selle ou automorphes, et se poursuit après un hiatus marqué à la fois par la corrosion et la fracturation, par des ciments de dolomite à selle à fluorescence matte ou éteinte.
Cette stratigraphie, basée sur “l’épi-fluorescence”, fournit un cadre pour analyser les données géochimiques de façon non-équivoque. Les températures d’homogénéisation mesurées pour les deux phases se chevauchent mais sont généralement plus hautes pour les ciments de dolomite à selle de seconde phase. Ces dolomites de seconde phase montrent de larges gammes de températures élevées d’homogénéisation et de signatures isotopiques, qui concordent avec les températures et chimies des fluides prévues pour l’enfouissement à des profondeurs approximatives de 1,2 à 7 km. Ces relations impliquent que ces dolomites ont précipité entre le Crétacé et l’Éocène, durant l’évolution de la succession du bassin d’avant-pays de la Cordillère.
Significativement, la gamme haute des températures d’homogénéisation de la première phase, à dominance de dolomite de remplacement, est plus élevée que la gamme basse des températures d’homogénéisation des dolomites à selle de seconde phase. Ceci implique que les dolomites de remplacement de la première phase correspondent à une phase de réchauffement, suivie par un refroidissement avant l’enfouissement cordillérien et furent formées à des profondeurs d’enfouissement plus faible que 1,7 km approximativement, la profondeur maximale estimée d’enfouissement, antérieurement au chargement cordillérien. D’autres relations pétrographiques et des mesures d’inclusions fluides contraignent encore plus la dolomitisation à des profondeurs d’au moins quelques centaines de mètres et à partir de saumures évaporitiques résiduelles par des températures élevées allant jusqu’à 140°C. Ces conditions sont aussi supportées par des mesures d’inclusions fluides de ciments de calcite d’enfouissement, qui sont partiellement remplacés par la dolomite, dans la zone de transition entre le calcaire et la dolomie.
Ces mêmes ciments de calcite, et les ciments de dolomites à selle associés, se retrouvent aussi dans les calcaires de Swan Hills et de Leduc, à l’écart des dolomies. Ces ciments ont aussi des températures d’homogénéisation élevées, indiquant un réchauffement par conduction thermique, loin des dolomies, avant l’enfouissemnent cordillérien.
Notre modèle de dolomitisation a été construit en contraignant à la fois l’âge et la profondeur d’enfouissement de la dolomitisation, aussi bien que la température et la composition des fluides dolomitisants. Ce modèle de dolomitisation (thermoflux) invoque à la fois le reflux par suintement et la convection thermique des saumures évaporitiques résiduelles. Des considérations liées à la balance de masse du Mg et à l’entreposage des fluides restreignent la dolomitisation à un système d’écoulement ouvert, suggérant que la plupart des dolomites se sont formées au même moment que la formation des évaporites au Dévonien supérieur (Frasnien tardif). La convection thermique correspond à un réchauffement associé à l’orogénèse Antler, le long de la marge continentale de l’ouest de l’Amérique du Nord. Toutefois, la convection thermique a probablement continué au-delà du moment de la formation des évaporites, pour la durée de la phase thermique. Ceci eut pour résultat la formation additionnelle d’une quantité faible mais non-négligeable de dolomite.
Traduit par Lynn Gagnon.
