ITEM METADATA RECORD
Title: Reconstruction of fluid flow evolution in the Canadian Rocky Mountains foreland fold-and-thrust belt: relation to ore formation and petroleum system.
Other Titles: Reconstructie van fluïdabewegingen doorheen de tijd in de Canadese Rocky Mountains voorland plooi- en breukgordel: relatie tot ertsvorming en petroleumsysteem.
Authors: Vandeginste, Veerle; M9710689
Issue Date: 30-Jan-2006
Abstract: Inleiding De exploratie van aardolie- en aardgasvelden wordt steeds moeilijker. De gemakkelijkst te ontginnen gebieden zijn reeds ontgonnen, wat ons tot h et onderzoek van complexere gebieden dwingt. Voorland breuk- en plooigor dels behoren tot deze groep die een verhoogd risico inhouden voor explor atie. Toch werden in deze gebieden koolwaterstofreservoirs gevonden in z ogenaamde "subthrust settings" zoals bijvoorbeeld Mexico, Venezuela, ... In deze doctoraatsverhandeling wordt de voorland breuk- en plooigordel i n het zuidwesten van Canada bestudeerd. Deze gordel wordt vertegenwoordi gd door de fysiografische eenheid die de Rocky Mountains wordt genoemd. Er wordt voornamelijk aandacht besteed aan drie diagenetische fenomenen, namelijk zebradolomieten, Mississippi Valley-type ertsafzettingen en op merkelijke secundaire porositeit in de Cairn Formatie. Daarnaast wordt o ok een structureel-diagenetisch thema aangekaart met een studie op aders ystemen. Al deze fenomenen zijn het resultaat van fluïdafenomenen, die g eplaatst zullen worden in een geodynamische context. Geologisch kader Bij het aanvatten van een geologische studie is het noodzakelijk de geol ogische achtergrond betreffende structuur, stratigrafie, ... van het geb ied kritisch te bestuderen en (al dan niet) als vertrekpunt voor verder onderzoek te aanvaarden. De bestudeerde zone maakt deel uit van de Cordillera die zich aan de wes trand van Noord-Amerika gevormd heeft ten gevolge van subductie van een oceanische plaat onder de continentale plaat van Noord-Amerika door conv ergerende plaatbewegingen. De Canadese Cordillera is opgedeeld in vijf g ordels, waarvan de voorland gordel de meest landinwaartse vormt. Deze la atste is voornamelijk opgebouwd uit sedimentaire gesteentes die geplooid , opgebroken en naar het oosten verschoven werden tijdens het laat jura tot het tertiair. De voorland breuk- en plooigordel kan in het bestudeer de gebied in vier zones opgedeeld worden, namelijk (van west naar oost) de Western Ranges, Main Ranges, Front Ranges en Foothills. Elk van deze zones verschillen van elkaar in ondermeer ouderdom en lithologie van de lagen en deformatiestijl. De grens tussen de Main en Front Ranges wordt gevormd door de Castle Mountain - Simpson Pass - Bourgeau overschuivings breuk, de overgang van de Front Ranges naar de Foothills komt overeen me t de McConnell overschuivingsbreuk en de grens van de Foothills met de a anliggende landinwaartse zone, de Interior Plains genoemd, correspondeer t met de Brazeau overschuivingsbreuk. In de tektonische geschiedenis van het gebied wordt de westrand van het huidige Noord-Amerika van het midden proterozoïcum tot het midden devoon gekenmerkt door een passief continentale rand in een divergerend platen systeem tijdens de riftfase van Rodinia. In het laat devoon werd deze co ntinentale rand een convergerende plaatrand tijdens de vorming van Pange a. Vervolgens trad de accretie van terranes op en werd de gebergteketen gevormd tijdens laat jura tot vroeg krijt. Zebradolomitisatie Voor de studie van zebradolomieten werden vijf ontsluitingen bemonsterd in en aan de rand van de Main Ranges, namelijk de Kicking Horse Rim, Yoh o Valley, Wapta Mountain, Mistaya Canyon en Beauty Creek genoemd. De eer ste drie liggen dichtbij de 'Kicking Horse Rim' die een paleogeogra fische eenheid voorstelt waar diep-water siliciklastische gesteentes (in het westen) overgaan in ondiep-water platform carbonaatgesteentes (in h et oosten). De resterende twee plaatsen bevinden zich meer noordwaarts e n liggen tussen Lake Louise en Jasper. Daarbij komen de zebradolomieten voor in de Cathedral of Eldon Formaties van midden cambrium ouderdom. De bestudeerde zebradolomieten komen voor in discordante lichamen die ee n tiental meter in diameter groot zijn en die omgeven kunnen zijn door e en halo van beige dolomiet. De eerstgenoemde worden gekenmerkt door alte rnerende donkere en bleke dolomietbanden. Een variant van de zebradolomi eten zijn de zogenaamde gevlekte zebradolomieten die het gevo lg zijn van dolomitisatie van een reeds gedeeltelijk gedolomitiseerde ka lksteen. Daarnaast werden op Wapta Mountain nog enkele andere types dolo miet onderscheiden. Een belangrijke terreinwaarneming is de gebandheid van de zebradolomiete n in twee richtingen, waarvan één parallel loopt met de gelaagdheid . Microscopisch onderzoek heeft aangetoond dat de donkere banden opgebou wd zijn uit fijnkristallijne (< 300µm) onzuivere dolomiet. In de witte b anden kunnen twee zones onderscheiden worden. Terwijl het grootste gedee lte uit grofkristallijne (tot enkele millimeters) melkwitte zuivere zade ldolomiet bestaat, wordt de rand, die vaak poriën begrenst, opgebouwd ui t transparante zadeldolomiet die een zonatiepatroon vertoont bij kathode luminescentie. X-stralen diffractie patronen tonen een stoichiometrisch karakter van de dolomieten aan. Chemische analyses van deze dolomietfase n wijzen op een hoog Na en laag Sr gehalte. De Fe en Mn concentraties ve rschillen echter per staalnameplaats. In vloeibare insluitsels zijn homo genisatie temperaturen gemeten van 130 tot 200&#176;C. Temperaturen van het e erste smelt ligt tussen -48 en –41&#176;C, terwijl het laatste smelt van ijs optreedt tussen -25 en –19&#176;C. Crush-leach analyses tonen molaire Cl/Br r atios van 271 tot 511 en Na/Br van 62 tot 466, die beide lager zijn dan deze van zeewater. Voor de stabiele isotopen varieert d18O van -20 to –1 4‰ VPDB, terwijl d13C tussen -3 en 0‰ VPDB ligt. 87Sr/86Sr heeft een waa rde van 0.7091 tot 0.7123, waarbij de hoogste ratios vertegenwoordigd wo rden door de witte banden van de Kicking Horse Rim zebradolomieten. In tegenstelling tot de vervangingsoorsprong van de donkere zebradolomie tbanden, worden de transparante centra van de witte banden als cement ge ïnterpreteerd. Het grootste gedeelte van de witte banden (de zones aanle unend tegen de donkere banden) worden verklaard door aggradationele rekr istallisatie met diagenetische uitloging van niet-carbonaat bestanddelen . De chemische en vloeibare insluitselanalyses geven aan dat de zebradolom ieten gevormd werden door relatief warme saliene (H2O-NaCl-CaCl2) fluïda die geïnterageerd hebben met siliciklastische sequenties. De zebradolom ietbanding parallel aan de gelaagdheid en volgens een tweede richting zo u preferentiële spleetontwikkeling en vloeistofinjectie langs deze vlakk en kunnen weerspiegelen. Zebradolomietontwikkeling wordt uitgelegd door gefocusseerde fluïdastromen die voornamelijk circuleerden langsheen stru ctureel zwakke gebieden. De beweging en uitdrijving van warme bekkenpeke ls in een begraven omgeving werd aangedreven door een tektonisch actief regime (waarschijnlijk tijdens de Antler orogenese) waarbij overdruk geg enereerd werd, die de vorming van secundaire porositeitsontwikkeling en de intra-zebradolomietbreukjes kan verklaren. Mississippi Valley-type ertsafzettingen De Pb-Zn ertslichamen van de Kicking Horse en Monarch Mines liggen dicht bij de Kicking Horse Rim, die hierboven reeds beschreven werd. Ze worden ook gekenmerkt door hun ligging tussen en parallel aan twee normaalbreu ken, namelijk de Fossil Gully (ook Stephen-Field genoemd) en de Stephen- Cathedral breuk. De ertsen komen voor in de Cathedral Formatie van midde n devoon ouderdom. Alhoewel geen in situ stalen konden verzameld worden, werd een paragenes e opgesteld aan de hand van een microscopische studie van stalen van de afvalhoop aan de ingang van de mijnen. Daarbij werden verschillende fase n herkend van pyriet, sfaleriet, galeniet en dolomiet en ook sericiet, k warts, chloriet en calciet werden onderscheiden. X-stralen diffractie an alyses tonen aan dat de dolomieten die karakteristiek geassocieerd zijn met de ertslichamen relatief goed stoichiometrisch zijn (50 tot 53 mol% CaCO3) en dat dolomietfasen in contact met sfaleriet en/of galeniet (Dsg fasen) minder stoichiometrisch zijn dan deze in contact met pyriet (Dp fasen). Dolomiet geochemie resulteert in een ruw lineaire curve voor Fe versus Mn concentraties waarbij Dsg fasen hogere gehaltes bevatten dan D p fasen. Carbonaat d18O waardes variëren van -21 tot –14‰ VPDB en d13C w aardes liggen tussen -3 en 0‰ VPDB. In de Kicking Horse Mine stalen kan hierbij een duidelijk onderscheid herkend worden tussen de d13C signatuu r van Dsg fasen (-1 tot 0‰ VPDB) en Dp fasen (-3 tot –1‰ VPDB). Ook de d 18O waardes zijn gewoonlijk minder negatief bij de Dsg fasen. 87Sr/86Sr waardes liggen voornamelijk tussen 0.7087 en 0.7123 (twee waardes van 0. 7147 en 0.7162 uitgesloten) en vertonen een ruwe lineaire trend in funct ie van d18O in de Kicking Horse Mine stalen. Metingen op vloeibare inslu itsels werden zowel uitgevoerd op sfaleriet, kwarts als dolomiet. In al deze fasen werd de eerste smelttemperatuur waargenomen rond –52&#176;C in pri maire insluitsels. Het laatste smelt van ijs werd opgemeten tussen -32 e n -19&#176;C in alle fasen uitgezonderd calciet, waar dit tussen -19 en –14&#176;C ligt. De opgemeten homogenisatietemperaturen zijn het laagst in calciet (50 tot 72&#176;C), sfaleriet (73 tot 109&#176;C) en kwarts (62 tot 111&#176;C). Iets hogere gemiddelde temperaturen werden waargenomen in de dolomietfasen, w at resulteert in een totaal bereik van 93 tot 193&#176;C. Bij de crush-leach analyses lag de Br concentratie onder de detectielimiet in sfaleriet en galeniet, terwijl hogere concentraties bekomen werden in pyriet, kwarts en carbonaatfasen. Een Cl/Br molaire ratio tussen 302 en 697 werd bekome n in de dolomietfasen en een Na/Br molaire ratio tussen 105 en 591. Li/N a molaire ratios variëren tussen 0.0006 en 0.0045, waarbij de hoogste ra tios vertegenwoordigd worden door Dsg fasen. Daarnaast werd de concentra tie van ondermeer Al (0.9-1.1), Fe (0.2-0.4) en Mg (4.0-4.4) in pseudomo rfe chloriet bepaald. De Kicking Horse en Monarch Mine ertsafzettingen staan gekend als Missis sippi Valley-type (MVT) mineralisaties gezien ze in dolomiet (carbonaat) gastgesteentes voorkomen, ze stratigrafisch gecontrolleerd zijn (beperk t tot de Cathedral Formatie) en ruimtelijk geconcentreerd in een anticli nale structuur en ze niet geassocieerd zijn met magmatische gesteentes. Bovendien valt de salinite it (19-26 wt% CaCl2 eq.) en temperatuur (homogenisatietemperatuur van 62 tot 193&#176;C) van de verantwoordelijke fluïda in het bereik van deze van M VT fluïda (15-30 wt% en 50-200&#176;C). Daarnaast bevestigen de goeie stoichi ometrie en de lage d18O waardes van de dolomieten de begravingsvormingsc ondities en relatief hoge vormingstemperaturen (homogenisatietemperatuur hoger dan 93&#176;C voor dolomiet). Gebaseerd op de crush-leach resultaten w erd voorgesteld dat galeniet en sfaleriet gevormd zijn uit een mengsel v an een fluïdum dat afgeleid is van de oplossing van haliet, een fluïdum dat afkomstig is van uitdamping van zeewater en waarschijnlijk ook een v erdund fluïdum. Pyriet, kwarts, dolomiet en calciet zijn gevormd uit een uitgedampt zeewater fluïdum dat voor 20% gemengd is met een verdund flu ïdum. De fluïda blijken geïnterageerd te hebben met siliciklastische seq uenties, wat af te leiden is uit de verhoogde 87Sr/86Sr ratios en de hog e Li concentraties in de vloeibare insluitsels. Er wordt een hypothese v oorgesteld waarbij de ertsen gevormd werden door menging van een zwavelr ijk halietoplossingsfluïdum met een metaalrijk uitgedampt zeewaterfluïdu m die waarschijnlijk voor 20% gemengd was met een verdund fluïdum. Het f eit dat bepaalde geochemische parameters een ruwe lineaire trend vertone n in de Kicking Horse Mine dolomieten zou kunnen te maken hebben met een afnemende toevoer van sterk geïnterageerde fluïda. In de vooropgestelde hypothese wordt de fluïda migratie in relatie gebracht met normaalbreuk activiteit. Secundaire porositeitsontwikkeling in de boven devoon Cairn Formatie van het Fairholme carbonaat complex Voor dit gedeelte van het onderzoek werden vier ontsluitingen bemonsterd , namelijk Grassi Lakes, Bow Valley, Quaite Valley en Lac des Arcs, waar in telkens de grote macroporositeit (~13%) opvallend is. De bestudeerde lagen behoren tot de Cairn Formatie die voornamelijk bestaat uit bioklas trijke dolomiet die grote stromatoporoiden bevat. Deze lagen zijn gekend als oliereservoirs in meer oostelijke zones waar ze dieper in de onderg rond voorkomen. De gesteentes hebben een matrix van zwarte dolomiet, terwijl fossielreli cten uit iets lichtergekleurde dolomiet bestaan en de kernen van de grot e fossielen holtes zijn die gedeeltelijk kunnen opgevuld zijn met voorna melijk dolomiet- en calcietcementen maar ook met kwarts, zwavel en sulfi des. Daarnaast komen in de Bow Valley ontsluiting ook diagenetische evap orietstructuren voor. Microscopisch werden vijf dolomiet- en vier calcie tfasen onderscheiden. Dolomietfasen D1 (matrix) en D2 (fossielrelicten) hebben een vervangingsoorsprong, terwijl D3 (subhedrale kathodeluminesce ntie gezoneerd cement), D4 (subhedraal niet-gezoneerd cement) en D5 (zad eldolomiet) cementen zijn. Alle calcietfasen zijn cement, waarbij C1 (wi t) en C2 (groen) zwak gelig luminescerend zijn en C3 (transparant) en C4 (bruin) kathodeluminescentiezonaties vertonen. Alle dolomietfasen worde n gekenmerkt door een goeie stoichiometrie (51 tot 52 mol% CaCO3). Carbo naat geochemische analyses tonen aan dat de dolomietfasen een laag gehal te aan Sr (24-102 ppm) bevatten en een relatief hoge concentratie aan Na (139-391 ppm) in tegenstelling tot de calcieten die een Sr gehalte hebb en van 139 tot 880 ppm en een Na gehalte van 50 tot 212 ppm. Ijzer heeft de hoogste concentratie in matrix dolomiet (D1; 619-2646 ppm) buiten de D3-D4-D5 dolomiet van de Lac des Arcs ontsluiting (2528-2785 ppm). De c oncentratie aan Fe is zeer laag in de calcieten en ligt vaak onder de de tectielimiet, enkel in de bruine calcietfase (C4) haalt het een concentr atie van 301 tot 506 ppm. d18O waardes van dolomiet matrix (D1) liggen t ussen -8 en -4‰ VPDB, terwijl d13C varieert van -1 tot +4‰ VPDB. Dolomie t- en calcietcementen hebben een d18O waarde tussen -24 en –8‰ VPDB en d 13C kan tot –26‰ VPDB laag zijn in C1-C2 calcieten. 87Sr/86Sr ratios zij n lager in D1 en D2 dan in dolomiet en calcietcementen. Zowel drie-fasig e en twee-fasige waterige vloeibare insluitsels die een vluchtige stof b evatten, twee-fasige waterige vloeibare insluitsels, enkelfasige waterig e vloeibare insluitsels als vaste zwavel insluitsels komen voor in de ca rbonaat en kwartsstalen. De smelttemperatuur van de fase die rijk is aan de vluchtige stof ligt tussen -95 en –57&#176;C. De meeste bestudeerde vloei bare insluitsels vertonen een eerste smelttemperatuur rond -24&#176;C, terwij l het laatste smelt van ijs optreedt tussen -24 en –17&#176;C. Clathraatdisso ciatie gebeurt tussen +1 en +12&#176;C en de temperatuur van homogenisatie va n de gasbel in de vloeibare fase die rijk is aan de vluchtige stof in de drie-fasige insluitsels ligt tussen +19 en +53&#176;C. Totale homogenisatie werd opgemeten tussen 115 en 197&#176;C. Voor de insluitsels die geen vluchti ge stof bevatten, ligt de laatste smelttemperatuur van ijs in C1 en C2 c alciet ofwel tussen -19 en –17&#176;C ofwel tussen -7 en -6&#176;C, terwijl dat vo or C4 calciet tussen -0.1 en 0.0&#176;C ligt. Raman microspectrometrie heeft grote hoeveelheden aan CO2 en H2S aangetoond in de insluitsels. Dolomiet -, kwarts- en calcietcementen hebben zeer lage Br concentraties, vaak on der de detectielimiet. Cl/Br en Na/Br molaire ratios zijn daarmee vaak h oger dan deze van zeewater. Molaire K/Na en Li/Na ratios zijn ook hoger dan deze voor zeewater. De doordringende dolomitisatie was enigszins selectief. Enkel de rand va n grote stromatoporoiden werd aangetast door dolomitisatie, terwijl hun bijna impermeabele calcietgecementeerde kern van dolomitisatie gespaard bleef. Bovendien werden er anhydrietnodules gevormd, die een typisch pro duct zijn van reflux dolomitisatie. De dolomitiserende fluïda waren peke ls afgeleid van laat devoon zeewater, die zorgden voor reflux activiteit . De d18O waardes werden geïnterpreteerd als herzet door rekristallisati e. Dolomiet-, kwarts- en calcietcementen precipiteerden uit een mengsel van uitgedampt zeewater en haliet oplossing afgeleide fluïda die warm en salien zijn. Vaste zwavel insluitsels, de aanwezigheid van CO2 en H2S i n vloeibare insluitsels, hoge homogenisatietemperaturen en lage d13C waa rdes getuigen van thermogene sulfaat reductie. Bovendien wijzen radiogen e Sr waardes en hoge molaire K/Na en Li/Na ratios in de vloeibare inslui tsels op interactie met siliciklastische sequenties. De secundaire poros iteit is voor een deel gerelateerd aan oplossing van anhydrietnodules. H et grootste percentage aan secundaire porositeit, echter, is ontwikkeld door oplossing van niet-gedolomitiseerde calcietfossielkernen. Menging v an formatiewater met een tectonisch en topografisch-gedreven fluïdum is de meest aannemelijke hypothese om de calcietoplossing te verklaren. Paleofluïdabewegingen in de Canadese Cordillera voorland breuk- en plooi gordel Om de oorsprong en evolutie van fluïda die cementen geprecipiteerd hebbe n langs breuken en in aders na te gaan, werden twee ontsluitingen in de Foothills, tien in de Front Ranges en één in de Main Ranges onderwo rpen aan een structurele en geochemische analyse. Daarbij werden ook nog geochemische analyses uitgevoerd op drie bijkomende ontsluitingen in de Main Ranges. Breukvlakken met striaties werden gebruikt voor het afleiden van paleosp anningstoestanden. Daarvoor werden de methodes van Etchecopar et al. (19 81) en Delvaux (1993) gebruikt. De berekende paleospanningstoestanden ko nden gegroepeerd worden in zes paleospanningstoestandsgroepen: 1) NE-SW tot ENE-WSW compressie tot strike-slip 2) NW-SE tot WNW-ESE extensie 3) NE-SW tot ENE-WSW extensie 4) strike-slip met NS tot NNE-SSW compressie richting 5) NE-SW tot ENE-WSW compressie 6) strike-slip met NE-SW tot ENE-WSW compressie richting In tegenstelling tot de paleospanningstoestandsgroepen 3 t.e.m. 6, waren de groepen 1 en 2 actief toen de lagen nog (bijna) horizontaal lagen. I n deze groepen overweegt de NE-SW tot ENE-WSW compressie, zoals in groep 5, die de laat krijt tot paleoceen compressie van de Laramide Orogenese weerspiegelt. In de aders werden eerst drie groepen afgezonderd, namelijk open gedeelt elijk gecementeerde rekspleten, aders met een breccies textuur en aders gerelateerd aan schuifvervorming. Daarnaast werden nog drie bijkomende g roepen onderscheiden, namelijk aders die parallel zijn aan de gelaagdhei d en aders die vroeger en later dan deze gevormd zijn. De geochemische s ignatuur van de aders is vaak gebufferd door het gastgesteente. Enkel de cementen in de open rekspleten en soms precipitaties langs schuifvervor mingsvlakken hebben d18O waardes die veel negatiever zijn dan het gastge steente. Ze bezitten ook 87Sr/86Sr ratios die afwijken van het gastgeste ente. Gebaseerd op deze signaturen, werd voorgesteld dat fluïdabeweginge n tijdens de Laramide Orogenese beperkt waren, terwijl betekenisvolle fl uïdabeweging kan opgetreden zijn tijdens opheffing en exhumatie van de b estudeerde ontsluitingen. Deze laatste is verantwoordelijk voor de ontwi kkeling van de rekspleten en werd gerelateerd met het opgemeten strike-s lip veld met een NE-SW tot ENE-WSW compressie richting. De data van de v loeibare insluitsels in cementen in de rekspleten wijzen op invloed van meteorisch water. Conclusie Met betrekking tot de algemene fluïdabewegingsgeschiedenis van de westel ijke Canadese voorland plooi- en breukgordel kan het besloten worden dat de belangrijkste fluïdabeweging waarschijnlijk optrad aan de westelijke rand van de Front Ranges en in de Main Ranges eerder dan in het centraa l en oostelijk gebied van de Front Ranges. Terwijl de zebradolomieten en Mississippi Valley-type ertsafzettingen producten zijn van betekenisvol le fluïdabewegingen, zijn ze waarschijnlijk het resultaat van lokale gef ocusseerde fluïdabewegingsprocessen en kunnen ze lokatiegebonden zijn do or de Kicking Horse Rim omgeving. Het werd gesuggereerd dat tijdens laat devoon - vroeg karboon de zebradolomieten gevormd werden door Antler co mpressieve tektonische krachten, terwijl de Cairn Formatie dolomieten do or reflux processen gevormd zijn. Géénéén van de waargenomen uitgebreide diagenetische producten werd direct gerelateerd aan de laat krijt tot p aleoceen Laramide compressionele episode; enkel meestal gastgesteentegeb ufferde schuifvervormingsaders en gestrieerde breuken werden toegeschrev en aan deze tektonische periode. Gedurende de transtensionele periode va n vroeg tot midden eoceen ontwikkelden normaalbreuken, die een rol kunne n gespeeld hebben in de vorming van de Mississippi Valley-type ertsafzet tingen. Bovendien wordt dit regime verantwoordelijk beschouwd voor de ge neratie van rekspleten en circulatie van meteorische (afgeleide) fluïda, die cementen hebben geprecipiteerd in deze spleten.
Description: Reconstruction of fluid flow evolution in the Canadian Rocky Mountains foreland fold-and-thrust belt : relation to ore formation and petroleum system
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Division of Geology

Files in This Item:
File Description Status SizeFormat
PhD_Veerle_Vandeginste.pdf Published 85052KbAdobe PDFView/Open Request a copy

These files are only available to some KU Leuven Association staff members

 




All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.