Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Inleiding De exploratie van aardolie- en aardgasvelden wordt steeds moeilijker. De gemakkelijkst te ontginnen gebieden zijn reeds ontgonnen, wat ons tot het onderzoek van complexere gebieden dwingt. Voorland breuk- en plooigordels behoren tot deze groep die een verhoogd risico inhouden voor exploratie. Toch werden in deze gebieden koolwaterstofreservoirs gevonden in zogenaamde "subthrust settings" zoals bijvoorbeeld Mexico, Venezuela, ... In deze doctoraatsverhandeling wordt de voorland breuk- en plooigordel in het zuidwesten van Canada bestudeerd. Deze gordel wordt vertegenwoordigd 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 opmerkelijke secundaire porositeit in de Cairn Formatie. Daarnaast wordt ook een structureel-diagenetisch thema aangekaart met een studie op adersystemen. Al deze fenomenen zijn het resultaat van fluïdafenomenen, die geplaatst zullen worden in een geodynamische context. Geologisch kader Bij het aanvatten van een geologische studie is het noodzakelijk de geologische achtergrond betreffende structuur, stratigrafie, ... van het gebied 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 westrand van Noord-Amerika gevormd heeft ten gevolge van subductie van een oceanische plaat onder de continentale plaat van Noord-Amerika door convergerende plaatbewegingen. De Canadese Cordillera is opgedeeld in vijf gordels, waarvan de voorland gordel de meest landinwaartse vormt. Deze laatste 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 bestudeerde 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 overschuivingsbreuk, de overgang van de Front Ranges naar de Foothills komt overeen met de McConnell overschuivingsbreuk en de grens van de Foothills met de aanliggende landinwaartse zone, de Interior Plains genoemd, correspondeert 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 platensysteem tijdens de riftfase van Rodinia. In het laat devoon werd deze continentale rand een convergerende plaatrand tijdens de vorming van Pangea. 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, Yoho Valley, Wapta Mountain, Mistaya Canyon en Beauty Creek genoemd. De eerste drie liggen dichtbij de 'Kicking Horse Rim' die een paleogeografische eenheid voorstelt waar diep-water siliciklastische gesteentes (in het westen) overgaan in ondiep-water platform carbonaatgesteentes (in het oosten). De resterende twee plaatsen bevinden zich meer noordwaarts en 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 een tiental meter in diameter groot zijn en die omgeven kunnen zijn door een halo van beige dolomiet. De eerstgenoemde worden gekenmerkt door alternerende donkere en bleke dolomietbanden. Een variant van de zebradolomieten zijn de zogenaamde gevlekte zebradolomieten die het gevolg zijn van dolomitisatie van een reeds gedeeltelijk gedolomitiseerde kalksteen. Daarnaast werden op Wapta Mountain nog enkele andere types dolomiet onderscheiden. Een belangrijke terreinwaarneming is de gebandheid van de zebradolomieten in twee richtingen, waarvan één parallel loopt met de gelaagdheid. Microscopisch onderzoek heeft aangetoond dat de donkere banden opgebouwd zijn uit fijnkristallijne (< 300µm) onzuivere dolomiet. In de witte banden kunnen twee zones onderscheiden worden. Terwijl het grootste gedeelte uit grofkristallijne (tot enkele millimeters) melkwitte zuivere zadeldolomiet bestaat, wordt de rand, die vaak poriën begrenst, opgebouwd uit transparante zadeldolomiet die een zonatiepatroon vertoont bij kathodeluminescentie. X-stralen diffractie patronen tonen een stoichiometrisch karakter van de dolomieten aan. Chemische analyses van deze dolomietfasen wijzen op een hoog Na en laag Sr gehalte. De Fe en Mn concentraties verschillen echter per staalnameplaats. In vloeibare insluitsels zijn homogenisatie temperaturen gemeten van 130 tot 200°C. Temperaturen van het eerste smelt ligt tussen -48 en –41°C, terwijl het laatste smelt van ijs optreedt tussen -25 en –19°C. Crush-leach analyses tonen molaire Cl/Br ratios 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 –14‰ VPDB, terwijl d13C tussen -3 en 0‰ VPDB ligt. 87Sr/86Sr heeft een waarde van 0.7091 tot 0.7123, waarbij de hoogste ratios vertegenwoordigd worden door de witte banden van de Kicking Horse Rim zebradolomieten. In tegenstelling tot de vervangingsoorsprong van de donkere zebradolomietbanden, worden de transparante centra van de witte banden als cement geïnterpreteerd. Het grootste gedeelte van de witte banden (de zones aanleunend tegen de donkere banden) worden verklaard door aggradationele rekristallisatie met diagenetische uitloging van niet-carbonaat bestanddelen. De chemische en vloeibare insluitselanalyses geven aan dat de zebradolomieten gevormd werden door relatief warme saliene (H2O-NaCl-CaCl2) fluïda die geïnterageerd hebben met siliciklastische sequenties. De zebradolomietbanding parallel aan de gelaagdheid en volgens een tweede richting zou preferentiële spleetontwikkeling en vloeistofinjectie langs deze vlakken kunnen weerspiegelen. Zebradolomietontwikkeling wordt uitgelegd door gefocusseerde fluïdastromen die voornamelijk circuleerden langsheen structureel zwakke gebieden. De beweging en uitdrijving van warme bekkenpekels in een begraven omgeving werd aangedreven door een tektonisch actief regime (waarschijnlijk tijdens de Antler orogenese) waarbij overdruk gegenereerd 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 dichtbij de Kicking Horse Rim, die hierboven reeds beschreven werd. Ze worden ook gekenmerkt door hun ligging tussen en parallel aan twee normaalbreuken, namelijk de Fossil Gully (ook Stephen-Field genoemd) en de Stephen-Cathedral breuk. De ertsen komen voor in de Cathedral Formatie van midden devoon ouderdom. Alhoewel geen in situ stalen konden verzameld worden, werd een paragenese opgesteld aan de hand van een microscopische studie van stalen van de afvalhoop aan de ingang van de mijnen. Daarbij werden verschillende fasen herkend van pyriet, sfaleriet, galeniet en dolomiet en ook sericiet, kwarts, chloriet en calciet werden onderscheiden. X-stralen diffractie analyses 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 Dp fasen. Carbonaat d18O waardes variëren van -21 tot –14‰ VPDB en d13C waardes liggen tussen -3 en 0‰ VPDB. In de Kicking Horse Mine stalen kan hierbij een duidelijk onderscheid herkend worden tussen de d13C signatuur van Dsg fasen (-1 tot 0‰ VPDB) en Dp fasen (-3 tot –1‰ VPDB). Ook de d18O 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 functie van d18O in de Kicking Horse Mine stalen. Metingen op vloeibare insluitsels werden zowel uitgevoerd op sfaleriet, kwarts als dolomiet. In al deze fasen werd de eerste smelttemperatuur waargenomen rond –52°C in primaire insluitsels. Het laatste smelt van ijs werd opgemeten tussen -32 en -19°C in alle fasen uitgezonderd calciet, waar dit tussen -19 en –14°C ligt. De opgemeten homogenisatietemperaturen zijn het laagst in calciet (50 tot 72°C), sfaleriet (73 tot 109°C) en kwarts (62 tot 111°C). Iets hogere gemiddelde temperaturen werden waargenomen in de dolomietfasen, wat resulteert in een totaal bereik van 93 tot 193°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 bekomen in de dolomietfasen en een Na/Br molaire ratio tussen 105 en 591. Li/Na molaire ratios variëren tussen 0.0006 en 0.0045, waarbij de hoogste ratios vertegenwoordigd worden door Dsg fasen. Daarnaast werd de concentratie van ondermeer Al (0.9-1.1), Fe (0.2-0.4) en Mg (4.0-4.4) in pseudomorfe chloriet bepaald. De Kicking Horse en Monarch Mine ertsafzettingen staan gekend als Mississippi Valley-type (MVT) mineralisaties gezien ze in dolomiet (carbonaat) gastgesteentes voorkomen, ze stratigrafisch gecontrolleerd zijn (beperkt tot de Cathedral Formatie) en ruimtelijk geconcentreerd in een anticlinale structuur en ze niet geassocieerd zijn met magmatische gesteentes. Bovendien valt de saliniteit (19-26 wt% CaCl2 eq.) en temperatuur (homogenisatietemperatuur van 62 tot 193°C) van de verantwoordelijke fluïda in het bereik van deze van MVT fluïda (15-30 wt% en 50-200°C). Daarnaast bevestigen de goeie stoichiometrie en de lage d18O waardes van de dolomieten de begravingsvormingscondities en relatief hoge vormingstemperaturen (homogenisatietemperatuur hoger dan 93°C voor dolomiet). Gebaseerd op de crush-leach resultaten werd voorgesteld dat galeniet en sfaleriet gevormd zijn uit een mengsel van een fluïdum dat afgeleid is van de oplossing van haliet, een fluïdum dat afkomstig is van uitdamping van zeewater en waarschijnlijk ook een verdund fluïdum. Pyriet, kwarts, dolomiet en calciet zijn gevormd uit een uitgedampt zeewater fluïdum dat voor 20% gemengd is met een verdund fluïdum. De fluïda blijken geïnterageerd te hebben met siliciklastische sequenties, wat af te leiden is uit de verhoogde 87Sr/86Sr ratios en de hoge Li concentraties in de vloeibare insluitsels. Er wordt een hypothese voorgesteld waarbij de ertsen gevormd werden door menging van een zwavelrijk halietoplossingsfluïdum met een metaalrijk uitgedampt zeewaterfluïdum die waarschijnlijk voor 20% gemengd was met een verdund fluïdum. Het feit dat bepaalde geochemische parameters een ruwe lineaire trend vertonen 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 normaalbreukactiviteit. 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, waarin telkens de grote macroporositeit (~13%) opvallend is. De bestudeerde lagen behoren tot de Cairn Formatie die voornamelijk bestaat uit bioklastrijke dolomiet die grote stromatoporoiden bevat. Deze lagen zijn gekend als oliereservoirs in meer oostelijke zones waar ze dieper in de ondergrond voorkomen. De gesteentes hebben een matrix van zwarte dolomiet, terwijl fossielrelicten uit iets lichtergekleurde dolomiet bestaan en de kernen van de grote fossielen holtes zijn die gedeeltelijk kunnen opgevuld zijn met voornamelijk dolomiet- en calcietcementen maar ook met kwarts, zwavel en sulfides. Daarnaast komen in de Bow Valley ontsluiting ook diagenetische evaporietstructuren voor. Microscopisch werden vijf dolomiet- en vier calcietfasen onderscheiden. Dolomietfasen D1 (matrix) en D2 (fossielrelicten) hebben een vervangingsoorsprong, terwijl D3 (subhedrale kathodeluminescentie gezoneerd cement), D4 (subhedraal niet-gezoneerd cement) en D5 (zadeldolomiet) cementen zijn. Alle calcietfasen zijn cement, waarbij C1 (wit) en C2 (groen) zwak gelig luminescerend zijn en C3 (transparant) en C4 (bruin) kathodeluminescentiezonaties vertonen. Alle dolomietfasen worden gekenmerkt door een goeie stoichiometrie (51 tot 52 mol% CaCO3). Carbonaat geochemische analyses tonen aan dat de dolomietfasen een laag gehalte 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 hebben 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 concentratie aan Fe is zeer laag in de calcieten en ligt vaak onder de detectielimiet, enkel in de bruine calcietfase (C4) haalt het een concentratie van 301 tot 506 ppm. d18O waardes van dolomiet matrix (D1) liggen tussen -8 en -4‰ VPDB, terwijl d13C varieert van -1 tot +4‰ VPDB. Dolomiet- en calcietcementen hebben een d18O waarde tussen -24 en –8‰ VPDB en d13C kan tot –26‰ VPDB laag zijn in C1-C2 calcieten. 87Sr/86Sr ratios zijn lager in D1 en D2 dan in dolomiet en calcietcementen. Zowel drie-fasige en twee-fasige waterige vloeibare insluitsels die een vluchtige stof bevatten, twee-fasige waterige vloeibare insluitsels, enkelfasige waterige vloeibare insluitsels als vaste zwavel insluitsels komen voor in de carbonaat en kwartsstalen. De smelttemperatuur van de fase die rijk is aan de vluchtige stof ligt tussen -95 en –57°C. De meeste bestudeerde vloeibare insluitsels vertonen een eerste smelttemperatuur rond -24°C, terwijl het laatste smelt van ijs optreedt tussen -24 en –17°C. Clathraatdissociatie gebeurt tussen +1 en +12°C en de temperatuur van homogenisatie van de gasbel in de vloeibare fase die rijk is aan de vluchtige stof in de drie-fasige insluitsels ligt tussen +19 en +53°C. Totale homogenisatie werd opgemeten tussen 115 en 197°C. Voor de insluitsels die geen vluchtige stof bevatten, ligt de laatste smelttemperatuur van ijs in C1 en C2 calciet ofwel tussen -19 en –17°C ofwel tussen -7 en -6°C, terwijl dat voor C4 calciet tussen -0.1 en 0.0°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 onder de detectielimiet. Cl/Br en Na/Br molaire ratios zijn daarmee vaak hoger 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 van grote stromatoporoiden werd aangetast door dolomitisatie, terwijl hun bijna impermeabele calcietgecementeerde kern van dolomitisatie gespaard bleef. Bovendien werden er anhydrietnodules gevormd, die een typisch product zijn van reflux dolomitisatie. De dolomitiserende fluïda waren pekels afgeleid van laat devoon zeewater, die zorgden voor reflux activiteit. De d18O waardes werden geïnterpreteerd als herzet door rekristallisatie. 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 in vloeibare insluitsels, hoge homogenisatietemperaturen en lage d13C waardes getuigen van thermogene sulfaat reductie. Bovendien wijzen radiogene Sr waardes en hoge molaire K/Na en Li/Na ratios in de vloeibare insluitsels op interactie met siliciklastische sequenties. De secundaire porositeit is voor een deel gerelateerd aan oplossing van anhydrietnodules. Het grootste percentage aan secundaire porositeit, echter, is ontwikkeld door oplossing van niet-gedolomitiseerde calcietfossielkernen. Menging van 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 plooigordel Om de oorsprong en evolutie van fluïda die cementen geprecipiteerd hebben 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 onderworpen aan een structurele en geochemische analyse. Daarbij werden ook nog geochemische analyses uitgevoerd op drie bijkomende ontsluitingen