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Thermal History and Diagenesis of the Wilrich Member Shale, Spirit River Formation, Northwest Alberta

ABSTRACT The diagenesis and thermal history of the Wilrich Member, Spirit River Formation, in the Deep Basin of Alberta is modelled in the context of tectonic and stratigraphic histories. During the Laramide Orogeny (Late Cretaceous to mid-Tertiary), the Wilrich was buried to maximum depths under a significant sediment load, with the depth of burial increasing westward toward the synclinal axis of the Deep Basin. A well defined trend of increasing maximum paleotemperatures from 100° to 107°C from east to west is determined using 3 independent methods: clay mineral determinations, vitrinite reflectance, and geothermal gradient-maximum depth. Within clay mineral assemblages, the conversion of smectite to illite establishes the maximum temperatures to which the Wilrich Member was exposed at the time of maximum burial, accounting for the chemical composition of the rock and pore fluid and the detrital mineralogy. Mean vitrinite reflectance (RM) measurements are generally consistent with the temperatures determined by clay mineralogy; however, where there is a variation, the temperatures determined by vitrinite reflectance are lower (up to 10°C). The amount of erosion that occurred in the Deep Basin during the epeirogenic uplift subsequent to the Laramide Orogeny is approximately 2000 m. This value is based on the least squares regression equation for the semi-logarithmic plot of RM versus depth to a known surface RM value of 0.20 per cent. More exact, though minimal, values of erosion are determined at individual well locations by examining shale transit times from sonic logs. These values define a smooth increase in the amount of erosion in the study area toward the Rocky Mountains, ranging from 800 to 2400 m. Combining the erosional values with the present-day depths and applying an established paleogeothermal gradient of approximately 30°C/km, maximum temperatures ranging from 90° to 170°C, east to west, are determined. These temperatures are similar but generally less than those obtained from clay mineralogy and vitrinite reflectance geothermometers. This may be due to underestimation of either the erosional values or the paleogeothermal gradient, or both. The range of temperatures obtained for the Wilrich Member in the study area (100°-170°C) indicates that all of the samples passed the onset of oil generation and were within the oil generation window during maximum burial, with the deepest wells being in the region of peak generation. RESUME Un modele de la diagenese et l'histoire thermale du membre Wilrich, formation Spirit River dans le bassin profond ("Deep Basin") de l'Alberta, est contruit dans le contexte des histoires tectonique et stratigraphique. Durant l'orogenese laramienne (Cretace superieur au milieu du Tertiaire), le Wilrich fut enseveli a des profondeurs maximales sous une charge sedimentaire considerable, la profondeur de l'enfouissement augmentant en direction ouest vers l'axe synclinal du bassin profond. Une direction bien definie de l'augmentation des paleotemperatures maximales, de 100 degres a 170 degres d'est en ouest, est etablie a l'aide de 3 methodes independantes: l'identification des mineraux argileux, la reflectance de la vitrinite, et le gradient geothermique - profondeur maximale. Dans le contexte des mineraux argileux, la transformation de la smectite en illite etablit les temperatures maximales auxquelles le membre Wilrich fut expose lors de l'enfouissement maximum, expliquant la composition chimique de la roche, des fluides dans les pores et des mineraux detritiques. Les mesures de la reflectance moyenne de la vitrinite (RM) sont en accord general avec les temperatures determinees par les mineraux argileux; par contre, lorsqu'il y a variation, les temperatures determinees par la reflectance de la vitrinite sont plus basses (jusqu'a 10 degres C). La quantite d'erosion qui eut lieu dans le bassin profond durant le soulevement epirogenique qui suivit l'orogenese laramienne est d'a peu pres 2000 m. Ce nombre est base sur l'equation de la regression des moindres carres pour le graphique semi-logarithmique de RM contre la profondeur a une valeur RM de surface connue de 0,20 %. Des valeurs plus precises, quoique minimales, pour la quantite d'erosion sont determinees pour chaque forage en examinant les donnees de vitesse des ondes acoustiques des shales. Ces valeurs revelent un accroissement graduel de la quantite End_Page 182- d'erosion dans la region etudiee vers les montagnes Rocheuses, allant de 800 m a 2400 m. En combinant ces valeurs avec les profondeurs presentes et en appliquant un gradient paleogeothermique etabli d'a peu pres 30 degres C par km, des temperatures maximales allant de 90 degres a 170 degres C, d'est en ouest, sont calculees. Ces temperatures sont semblables mais en general inferieures a celles obtenues des geothermometres derives des mineraux argileux et de la reflectance de la vitrinite. Ceci pourrait etre cause par la sous-estimation des quantites d'erosion ou du gradient geothermique, ou des deux. L'eventail des temperatures obtenu du membre Wilrich dans la region etudiee (100 degres - 170 degres C) indique que tous les echantillons ont depasse le debut de la generation d'huile et etaient a l'interieur de la fenetre de generation d'huile durant l'enfouissement maximum, les forages les plus profonds etant situes dans la region de generation maximale. Traduit par Marc Charest