Controlling factors on source rock development: implications from 3D stratigraphic modeling of Triassic deposits in the Western Canada Sedimentary Basin

Facteurs de contrôles sur la formation des roches mères : apport d'une modélisation stratigraphique 3D des formations du Trias du bassin ouest canadien

¹ IFP Énergies nouvelles 1 et 4, avenue de Bois-Préau, 92500 Rueil-Malmaison, France
² Sorbonne Universités, UPMC université Paris 06, CNRS, ISTeP, 4, place Jussieu, 75005 Paris, France
³ IFP Technologies (Canada) Inc., Suite 810, 744, 4th Avenue S.W., Calgary, AB, Canada

^* Corresponding author: crombez.v@gmail.com

Abstract

The recent development of unconventional resources has triggered a regain of interest for source-rocks. The presence of hydrocarbons in these unconventional systems is generally associated with organic-rich sediments. This study aims at better understanding the factors controlling the accumulation of marine organic matter at basin scale, using a process-based approach. This work focuses on the Montney, Doig and Halfway Formations (Lower and Middle Triassic, Alberta and British Columbia, Canada). Recent studies show that the Triassic strata of the Western Canada sedimentary basin can be considered as a transitional period between the Paleozoic passive margin and the Jurassic foreland basin. Based on a 3D regional stratigraphic architecture and on a description of the organic rich interval distribution, a process-based numerical model (DionisosFlow and DORS) has been used to simulate the stratigraphic evolution of the Montney, Doig and Halfway Formations and reproduce the organic distribution in these formations. This modeling approach allowed us to test different scenarios of primary productivity and basin restriction and discuss the regional controls on organic matter accumulation such as dynamic of anoxia or dilution of organic matter by detrital sediments. The reconstruction of the stratigraphic architecture emphasizes a major drop of the water discharge in the basin. In the absence of any evidence supporting a link with a climate change, the drop in water discharge suggests a major modification of the drainage area of the basin, potentially associated with the early stage of the cordilleran orogeny and foreland basin evolution. The numerical simulation also shows that the primary productivity rates in the Montney and Doig Formations are characteristic of a coastal area and that a basin restriction is required to account for the level of anoxia observed in the studied Formations. Lastly, this study investigates the regional controls on organic matter accumulation and emphasizes the impact of regional paleogeographic and geodynamic evolution on the dynamic of anoxia and on the dilution.

Résumé

Le développement récent des hydrocarbures non conventionnels a suscité un regain d'intérêt pour les roches mères. La présence d'hydrocarbures dans ces systèmes non conventionnels est souvent associée à des dépôts riches en matière organique primaire. Cette étude vise à mieux comprendre les facteurs contrôlant l'accumulation de la matière organique en domaine marin à grande échelle, en utilisant une approche basée sur les processus. Ce travail se focalise sur les Formations de Montney, Doig et Halfway (Trias inférieur et moyen, Alberta et Colombie Britannique, Canada). Des études récentes montrent que le Trias du bassin ouest canadien peut être considéré comme une période de transition entre une marge passive au Paléozoïque et un bassin d'avant pays au Jurassique. En s'appuyant sur l'architecture stratigraphique régionale de cet intervalle et sur la description de ses niveaux riches en matière organique, une modélisation numérique des processus sédimentaires (DionisosFlow et DORS) a été réalisée afin de simuler l'évolution stratigraphique des formations de Montney, Doig et Halfway et de reproduire la distribution de la matière organique dans les formations étudiées. Cette modélisation a permis de tester différents scénarios de productivité primaire et de restriction de bassin et discuter l'influence relative sur l'accumulation de matière organique des facteurs de contrôle régionaux tels que la dynamique de l'anoxie et la dilution de la fraction organique par du matériel détritique. Afin de respecter les observations, il a été nécessaire d'introduire une chute majeure des flux d'eau dans le bassin entre le Trias inférieur et moyen. En l'absence d'évidences d'un changement climatique dans cette zone pendant cette période, cette chute des flux d'eau suggère une modification majeure des aires de drainage du bassin, potentiellement liée aux premiers stades de l'orogenèse de la cordillère canadienne et aux prémices de la formation du bassin d'avant pays. La simulation numérique permet aussi de montrer que les taux de production organique dans les formations de Montney et Doig sont caractéristiques de zone côtière et qu'une restriction du bassin est nécessaire pour induire des niveaux anoxiques dans les formations étudiées. Enfin, cette étude permet de souligner les contrôles régionaux sur l'accumulation de la matière organique et met en avant l'impact de la paléogéographie et de l'évolution géodynamique sur la dilution et l'évolution de l'anoxie.