Low-flux, tectonically-induced squeegee fluid flow (“hot flash”) into the Rocky Mountain Foreland Basin

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.

Cette étude examine l’écoulement des paléo-fluides à travers les aquifères de carbonate du Dévonien dans la partie profonde du Bassin de l’ouest de l’Alberta, en utilisant la distribution et la composition géochimique des ciments de calcite et de dolomite d’enfouissement profond, de diagenèse tardive et drusique, aussi bien que les métasédiments du Précambrien qui constituent le socle sous-jacent et une grande partie des Main Ranges adjacents dans les montagnes Rocheuses. L’objectif de cette étude est de caractériser l’écoulement des fluides induits régionalement par tectonisme (de type éponge pressée- ‘squeegee-type’) dans ces aquifères du Dévonien, les flux et anomalies thermales, la chronologie et la durée, de même que leur influence possible sur la migration et le piégeage des hydrocarbures.

Des données nouvelles provenant du complexe de Southesk-Cairn et des shales environnants montrent des patrons intriguants. Premièrement, les données définissent une valeur régionale (arrière-fond) du rapport maximum d’isotope de Sr de shale de bassin (‘MASIRBAS’) de 0,7120. Une comparaison avec les données de la littérature montre que le MASIRBAS est valide pour la colonne stratigraphique entière, du till glaciaire du Pleistocène jusqu’au moins au Dévonien moyen, probablement aussi jusqu’à la base du Cambrien. Conséquemment, tout ciment de carbonate (ou de sulfate) avec un rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr >0,7120 s’est probablement formé à partir d’eaux de formation, avec une composante métamorphique externe au bassin, qui est dérivée des roches du Précambrien.

Plusieurs carbonates proches de la ceinture de déformation sont les hôtes de réservoirs de gaz sulfuré qui sont relativement isolés du point de vue hydrogéologique au temps présent. Toutefois, des rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr très élevés (jusqu’à 0,7370) indiquent une injection sous-latérale de fluides à partir d’une source métamorphique externe au bassin durant la diagenèse d’enfouissement profond dans certains réservoirs situés près de la ceinture de déformation comme à Obed. Dans d’autres localités, comme à Simonette ou à Kaybob-South, les fluides externes au bassin semblent avoir été injectés par la voie de failles sub-verticales par en dessous, avec du Sr hautement radiogénique dérivé d’un socle métasédimentaire ou sous-latéralement par la voie des clastiques intervenants. Les possibles flux et anomalies géothermiques durant l’injection de ces fluides externes semblent avoir été bas, tel qu’estimé par les volumes de calcites tardives avec des rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr élevés et à partir des températures d’homogénéisation 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 aquifères du Dévonien, faisant penser à un boyau de jardin avec une connexion mal ajustée. Les écoulements de fluides induits tectoniquement semblent avoir été plutôt limités latéralement, s’étendant peut-être seulement de 100 à 200 km jusque dans les bassins d’avant-pays, où le signal radiogénique de Sr `disparaît’. Une autre découverte importante est que les ciments diagénétiques de carbonate dans les affleurements d’écailles de chevauchement des Main Ranges des montagnes Rocheuses ne montrent pas le rapport élevé en ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr trouvé en profondeur.

Ces découvertes ont plusieurs implications importantes. Premièrement, une dolomitisation hydrothermale importante, qui requiert de grands flux et pour laquelle on a récemment plaidé en faveur pour la partie profonde du bassin de l’Alberta et dans des environnements géologiques similaires ailleurs, n’est pas possible par écoulement d’expulsion d’effet d’éponge, à moins que les fluides se soient concentrés à l’intérieur et engouffrés à travers des aquifères confinés relativement étroits. Deuxièmement, la remagnétisation pénétrante d’âge Laramide d’une grande partie de la séquence sédimentaire près de la limite de la ceinture de déformation en Alberta n’est pas possible avec ce type d’écoulement. En dernier lieu, la reconnaissance que le Sr métamorphique, même présent dans le bassin profond, est absent au moins dans certaines des écailles de chevauchement des Main Ranges, indique un type différent de régime hydrologique durant leur formation.

Traduit par Lynn Gagnon