Sedimentology and Sequence Stratigraphy of Devonian-Carboniferous Strata, Southern Alberta

ABSTRACT A one-to-fifty metre thick mixed carbonate-clastic interval in the subsurface of central and southern Alberta was investigated to determine the stratigraphic framework of Devonian-Carboniferous strata of the Alberta cratonic platform of western Canada. The platform experienced widely fluctuating subsidence rates superimposed on slowly varying eustatic sea-level, and paleoceanographic changes which altered depositional environments and caused large variability of strata. Intertidal evaporites of the Upper Famennian Stettler Formation are separated from the overlying open marine bioclastic packstones of the Big Valley Formation by a long-ranging hiatus. The hiatus, manifest as a reworked phosphatized hardground, is interpreted as a type 2 sequence boundary. The overlying Big Valley carbonates are part of a shelf margin wedge systems tract which onlapped paleobathymetric highs in Alberta and Saskatchewan during an Upper Devonian relative sea-level rise. The deepening-upward succession of Big Valley carbonates above the sequence boundary reflects an interval of rapid increase in accommodation space. Mudstone, glauconite, phosphate content increase upward and omission surfaces become more frequent toward the Big Valley-Exshaw contact. Big Valley carbonates pass into the overlying organic-rich, laminated distal shelf mudrocks of the Exshaw Formation which form a transgressive systems tract. Transition from Big Valley carbonates to Exshaw black mudrocks was the result of changing paleoceanographic circulation, leading to eutrophication of surface waters and reduced carbonate accumulation rates culminating with demise of the carbonate ramp. A phosphatic, pyritiferous lithic arkose, representing a hiatus event between the two formations, is interpreted as a condensed deposit formed by dissolution of the carbonate ramp during its final accumulating phase. The organic-rich mudrocks are abruptly to gradationally overlain by bioturbated shelf siltstones and cross-stratified nearshore marine sandstones of the upper Exshaw Formation. These deposits record an abrupt relative sea-level fall and are interpreted as a lowstand systems tract. The lack of evidence for development of a highstand systems tract in the Exshaw mudrocks suggests that any relative sea-level drop prior to development of the sequence boundary could not match rates of subsidence. The base of the bioturbated siltstones in Alberta is the conformable correlative to a type 1 sequence boundary that is well expressed in the Williston Basin to the east. The distal position of the sequence boundary in southern and western Alberta is reflected by minimal submarine erosion and the development of a conformable contact. The stratigraphic nature of this lowstand shoreface varied from an initial regressive to an aggradational phase. As subsidence rates gradually outpaced sedimentation rate and relative sea-level fall, the shoreface finally became retrogradational and formed a transgressive systems tract. The transgressive systems tract was overlain by black mudrocks of the Banff Formation, forming the base of a prograding carbonate succession, interpreted as part of a highstand systems tract. RESUME Un intervalle de 1 a 50 m d'epaisseur de carbonates-clastiques dans la subsurface du Centre et du Sud de l'Alberta a ete analyse pour determiner le cadre stratigraphique des strates du Devonien-Carbonifere de la plate-forme cratonique de l'Ouest du Canada. Cette plate-forme a eprouve l'effet de taux de subsidence fluctuants, superposes a des variations lentes du niveau eustatique marin, et des changements paleo-oceanographiques qui ont altere les environnements de depot et cause une grande variabilite des strates. Les evaporites intertidales du Fammenien superieur de la Formation de Stettler sont separees des packstones bioclastiques de mer ouverte sus-jacents de la Formation de Big Valley par un hiatus de grande portee. Ce hiatus se manifeste End_Page 487------------------------ par un sol indure phosphatise, qui est interprete comme une limite de sequence de type 2. Les carbonates susjacents de Big Valley font partie d'une cohorte de depots en biseau de marge de plate-forme qui ont transgresse sur des culminations paleo-bathymetrique en Alberta et en Saskatchewan durant une elevation du niveau marin relatif au Devonien superieur. La succession, des carbonates de Big Valley, deposee en profondeur croissante vers le haut, situee au-dessus d'une limite de sequence, reflete un intervalle d'accroissement rapide de l'espace d'accommodation. Le contenu en mudstone, glauconite et ciment de phosphate s'accroit vers le haut et les surfaces d'omission deviennent plus frequentes vers le contact de Big Valley-Exshaw. Les carbonates de Big Valley passent aux mudrocks lamines de plateforme distale, riches en matiere organique de la Formation de Exshaw, qui forment une cohorte de depots transgressifs. La transition entre les carbonates de Big Valley et les mudrocks noirs de Exshaw a ete le resultat de changements dans la circulation paleo-oceanographique, qui a mene a l'eutrophisation des eaux de surface et la reduction des taux d'accumulation des carbonates qui a culmine avec la fin de la rampe de carbonates. Une arkose lithique pyriteuse et phosphatique, representant l'evenement hiatus entre les deux formations, est interpretee comme un depot condense forme par la dissolution de la rampe de carbonates durant sa phase finale d'accumulation. Ces mudrocks riches en matiere organique sont recouvert abruptement ou en contact gradationnel avec des siltstones bioturbes de plate-forme et des gres marins de bord de rivage a stratifications obliques de la partie superieure de la Formation de Exshaw. Ces depots enregistrent un abaissement rapide du niveau marin relatif et ont ete interpretes comme une cohorte de depots de bas niveau marin. Le manque d'evidence indiquant le developpement d'une cohorte de depots de haut niveau marin dans les mudrocks de Exshaw, suggere que tout abaissement du niveau marin relatif, avant le developpement d'une limite de sequence, ne pourrait equivaloir aux taux de subsidence. La base des siltstones bioturbes en Alberta est en conformite et se correle avec la limite de sequence de type 1 qui est bien exprimee dans le bassin de Williston a l'est. La position distale de la limite de sequence dans le Sud et l'Ouest de l'Alberta est refletee par une erosion sous-marine minimale et le developpement d'un contact conforme. La nature stratigraphique de ce rivage de bas niveau marin est passee d'une phase regressive initiale a une phase d'aggradation. Quand les taux de subsidence ont graduellement depasse le taux de sedimentation et d'abaissement du niveau marin, le rivage est passe a un mode retrogradationnel et une cohorte de depots transgressifs s'est formee. Cette cohorte de depots transgressifs a ete recouverte par les mudrocks noirs de la Formation de Banff, formant la base d'une succession progradante de carbonates, interpretee comme faisant partie d'une cohorte de depots de haut niveau marin. Traduit par Lynn Gagnon.