Characterization of Major Unconformities by Paleothermometric and Paleobarometric Methods: Application to the Mackenzie Plain, Northwest Territories, Canada (1996)

ABSTRACT Phanerozoic strata of the Mackenzie Plain region, Northwest Territories, record a complex, multi-phase history of burial, exhumation and deformation which resulted in the development of several major unconformities. In this study, we combine two methods, organic maturity and sonic porosity, to characterize two major unconformities within sediments of the Brackett Basin: (1) the Devonian-Cretaceous unconformity which separates Middle Devonian strata of the Paleozoic Keele Arch and Root Basin from overlying Cretaceous-Tertiary strata of the Brackett Basin (an approximately 270 m.y. hiatus); and, (2) the near-surface post-Cretaceous unconformity, a regionally extensive Cenozoic erosion surface. The magnitude of erosion at these unconformities and the prevailing geothermal gradient at maximum burial were estimated using shale sonic porosity (s) and vitrinite reflectance data for wells in the southern part of the Brackett Basin. These data were also used to constrain preliminary thermal and burial history models for the study region. Shale compaction profile (CP) and maturity profile (MP) data indicate that maximum burial occurred during the Cenozoic (culmination of Laramide Orogeny) followed by erosion of between 1 to perhaps 3.5 km of Cretaceous-Tertiary strata. CP estimates, which we believe to be more sensitive to paleoburial depth, restrict Cenozoic erosion to between 1.5 to 2.5 km in the study wells (Tate J-65, Cloverleaf I-46 and the Keele South wells). This implies that the maximum pre-erosion thickness of Cretaceous-Tertiary strata was about 3 km. A major maturity discontinuity exists between Cretaceous and Devonian strata in the Paleozoic Root Basin portion of the study area, indicating about 0.5 to 2 km of erosion at this unconformity and high geothermal gradients (about 55-65°C/km) sometime prior to mid-Cretaceous time. The absence of a corresponding discontinuity in shale compaction implies deeper Cenozoic burial at lower temperatures, and that shale compaction is more sensitive to overburden pressure than to temperature. There is no maturity discontinuity evident to the north, suggesting lower pre-mid Cretaceous geothermal gradients and thermal overprinting by Cenozoic burial in this part of the basin. Results indicate that s-based erosion estimates and present geothermal gradients can be used to reconstruct the Cenozoic thermal history of the Brackett Basin. This is advantageous because well logs and temperatures are readily available from existing exploratory wells, whereas organic maturation data are sparse. Furthermore, except for the Paleozoic Root Basin, Cenozoic temperatures during maximum burial probably controlled hydrocarbon generation from potential Lower Cretaceous and Paleozoic hydrocarbon source rocks. Within the Root Basin, Paleozoic rocks appear to be overmature with respect to liquid hydrocarbon generation, and MP data are needed to reconstruct the pre-mid Cretaceous burial and thermal history. Although potential Cretaceous source rocks appear to be low to moderately mature with respect to the oil window (0.5-0.6 %Ro), significant differences in Cenozoic geothermal gradient among the study wells (28 to 37°C/km) suggest that prospects for oil generation are good in regions of higher geothermal gradient (>30°C/km). RESUME Les strates phanerozoiques de la region de la plaine du Mackenzie, Territoire du Nord-Ouest, renferment une histoire complexe comprenant plusieurs phases, d'enfouissement, d'exhumation et de deformation, ce qui eut pour resultat le developpement de plusieurs discordances importantes. Dans la presente etude, nous combinons deux methodes, la End_Page 55------------------------- maturite organique et la porosite acoustique, afin de caracteriser deux discordances importantes au sein des sediments du bassin de Brackett: (1) la discordance entre le Devonien et le Cretace qui separe les strates du Devonien moyen de l'arche paleozoique de Keele et du bassin de Root des couches sus-jacentes du Cretace et du Tertiaire du bassin de Brackett (hiatus d'environ 27 Ma); et, (2) la discordance post-Cretace situee pres de la surface, une vaste surface d'erosion cenozoique. L'ampleur de l'erosion representee par ces discordances et le gradient geothermique dominant au point d'enfouissement maximum furent estimes en utilisant la porosite des schistes argileux (s) et les donnees de reflectance de la vitrinite dans les puits de la partie sud du bassin de Brackett. Ces donnees furent utilisees afin de contraindre les modeles preliminaires d'histoire thermique et d'enfouissement pour la region etudiee. Les profils de compaction des schistes argileux (PC) et les donnees de profil de maturite (PM) indiquent que l'enfouissement maximum eut lieu durant le Cenozoique (point culminant de l'orogenese laramienne) et fut suivi par l'erosion d'entre 1 a peut-etre 3,5 km de couches Cretace-Tertiaire. Les calculs de PC lesquels, nous croyons, sont plus sensibles a la paleoprofondeur d'enfouissement, imposent des restrictions sur l'erosion, soit entre 1,5 et 2,5 km dans les puits etudies (Tate J-65, Cloverleaf I-46 et les puits de Keele sud). Ceci signifie que l'erosion, maximale des couches Cretace-Tertiaire etait d'approximativement 3 km. Une discontinuite importante dans le degre de maturite existe entre les couches du Cretace et du Devonien dans le bassin paleozoique de Root de la region etudiee, demontrant approximativement 0,5 a 2 km d'erosion a cette discordance et des gradients geothermiques eleves (a peu pres 55-65°C/km) quelques temps avant le Cretace moyen. L'absence d'une discontinuite correspondante dans la compaction des schistes argileux signifie un enfouissement cenozoique plus profond a temperatures plus basses, et que de discontinuitinuite evidente dans la maturite vers le nord, suggerant ainsi des gradients gethermiques pre-Cretace moyen moins eleves et une surimpression thermique par l'enfouissement cenozoique dans cette partie du bassin. Les resultats indiquent que des estimations s de l'erosion basees sur les calculs de la porosite acoustique et des calculs de gradients geothermiques presents peuvent etre utilises afin de reconstruire l'histoire thermique cenozoique du bassin de Brackett. Ceci presente un avantage puisque des diagraphies et des donnees de temperatures sont aisement disponibles dans les puits d'exploration existants tandis que les donnees de maturation organique sont rares. En plus, a l'exception du bassin paleozoique de Root, les temperatures du Cenozoique durant l'enfouissement maximum exercerent probablement un controle sur la production des hydrocarbures de roches meres potentielles du Cretace inferieur et du Paleozoique. A l'interieur du bassin de Root, les roches paleozoiques semblent etre surmatures par rapport a la production des hydrocarbures liquides, et des donnees de PM sont necessaires afin de reconstruire l'histoire thermique et d'enfouissement du pre-Cretace moyen. Quoique les roches meres potentielles du Cretace paraissent etre peu a moderement matures par rapport a la fenetre de production de petrole (0,5-0,6 %Ro), des diffarences importantes dans le gradient geothermique du Ceothermique entre les puits etudies (28 a 37°C/km) suggerent que les possibilites de production de patrole sont bonnes dans les regions de gradient geothermique plus eleve (>30°C/km). Traduit par Marc Charest