Cartographie détaillée et étude structurale de la région de Moose Mountain, Foothills du Sud-Ouest de l'Alberta

(1)

JEAN-SEBASTIEN MARCIL

CARTOGRAPHIE DÉTAILLÉE ET ÉTUDE STRUCTURALE DE LA RÉGION

DE MOOSE MOUNTAIN, FOOTHILLS DU SUD-OUESTDEL’ALBERTA

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise interuniversitaire en sciences de la Terre pour l’obtention du gradedemaître ès sciences (M.Sc.)

FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL

QUÉBEC

Juin 2004

(2)

CARTOGRAPHIE DETAILLEE ET ÉTUDE STRUCTURALE DELA RÉGION

DE MOOSE MOUNTAIN, FOOTHILLS DU SUD-OUEST DE L’ALBERTA

Résumé

La région de Moose Mountain, située dans la cordillèrecanadienne au sudde l’Alberta à 50 km à l’ouest de Calgary, est étudiée depuis plusieurs années par les compagnies pétrolières et gazières. Deux champs d’hydrocarbures contenus dans la formation carbonifère de Turner Valley sont exploités dans la région. Les réservoirs se retrouvent dans des écailles de chevauchement, des plis de propagation et des plis de décollement. Le cœur de la structure étudiée, l'anticlinal de Moose Mountain est interprété comme étant un plide décollement (Newson et Sanderson, 2000). Ce travail de rechercheest l'un des seuls à faire l’étude d'un type de piège affleurant en surface.

Les travaux de terrain ont permis de réaliser une carte géologique en trois dimensions ainsi que huit nouvelles coupes structurales. Ces coupes ont ensuite servi pour l’élaboration d'un modèle structural 3D de la zone (Massé, 2003), qui a permis de mieux comprendre la géologie, la géométrie et l’évolution cinématique de la région en plus de permettre de valider les travaux de cartographie. La cartographie et l'analyse structurale de la région ont révélé que les rétrochevauchements ont joué un rôle majeur dans l'édification de la structure anticlinale de Moose Mountain. Les relations entre les plis, les chevauchements et les rétrochevauchements démontrent qu'ils sont contemporains.La zone de plis et de failles, située au centre de la région, est un bel exemple de réservoir subtil. Lesplis secondaires sont des plis de propagation associés au flanc ouest de la zone triangulaire résiduelle de Moose Mountain. Ces anticlinaux sont très fracturés et grandement affectés par les rétrochevauchements associés à une zone triangulaire. La présence de ces nombreux rétrochevauchements affecte également la migration des fluides et la géométriedes réservoirs subtils, principaux pièges de la région.

(3)

Directrice de maîtrise :

Donna Kirkwood, Ph.D.

Professeure au Département de géologie et génie géologique de l’Université Laval

Codirecteur de maîtrise :

Daniel Lebel, Ph.D.

Chercheur à la Commission géologique du Canada

Examinateur interne :

Michel Malo, Ph. D.

Professeur-chercheur àl’institut National de Recherche Scientifique - Eau-T erre-Environnement

(4)

Remerciements

L’auteur tient à remercier Donna Kirkwood et Daniel Lebel, respectivement directriceet co-directeur, pour leur appui tout au long de la réalisation de ce projet. Remerciements également au Réseau des Centres d’Excellence GEOIDE, qui a fourni les fonds nécessaires pour les travaux de terrain, au Département de Géologie et Génie Géologique qui a fourni le support informatique pour réaliser les travaux de cartographie numérique et à la Commission géologique du Canada qui a fourni l’équipement de terrain. Les compagnies pétrolières Husky Energy, Shell Canada et Talisman Energy qui ont contribué financièrement et scientifiquement à la réalisation de ce projet de maîtrise. Ainsi qu'à AndyNewsondeMoose OU Ltd.

L'auteur remercie également Christine Deblonde, Mathieu Lavoie, Félix-Antoine Comeau, Luc Massé, Richard Vuitton, Hugo Larocque, Stephan Séjourné,Derrys Girard, Michel Malo, Andy C. Newson, Deborah Sanderson, qui ont touscontribué, à un moment ouun autre, à la bonne réalisation de ceprojet.

L'auteur remercie chaleureusement sa famille et ses amis qui l’ontencouragé tout au long de ce projet de maîtrise. Merci à Yolande, Richard, Aurélie, Eugénie, Luc, Nicolas, Mélanie, Jean-Michel, Hugo, François, Joelle, Sophie et Francine. Et un merci spécial à Nicole Gauthier.

L’auteur remercie la Fondation Luc-Chauvin de F Université Laval pour l’octroi d’une bourse d’excellence en2000.

En terminant, l’auteur remercie son employeur actuel, JUNEX inc. pour le support lors de la rédaction finale de ce mémoire.

(5)

Avant-propos

There are several likely gas horizons in the district, any or ail of vvhich may be gas-producing atfavorable points.

Caimes, 1908

C’est en ces mots que l’histoire de l’exploration de Moose Mountain a débuté. Les premiers géologues et prospecteurs qui ce sont aventurés à l’ouest de Bragg Creek ont d’abord cherché des lits de charbon dans les roches du Crétacé et du Jurassique. Toutefois, les faibles quantités de charbon découvertes ont amené les explorateurs à s’intéresser à ces horizons riches en gaz et c’est après avoir étudié les quatre forages effectuésentre 1926 et 1929 que H. H. Beach écrit en 1943 :

Moose Dôme is the only structure other than Turner Valley now producing oil in the Alberta foothills. Despite the magnitude ofthe dôme and its apparently large vertical closure on the top of the Devonian the yield bas been very small in proportion to the amount undertaken. Favorable structuralconditions alone do not ensure a commercially productive structure, andimpervious stratacappingit are equallyvital requirements.

(...)

No reliable information has been obtained regarding the source of the petroleum in the Devonianof Moose Mountain dôme.

(...)

During field work the impression was gained that the great thickness of black, fine- grained limestone comprising much of the Fairholme formation mighthâve been a source of the petroleum noxv found inthe structure.

et finalement :

If as suggested, fracturing plays a dominantrôle in the création of réservoir space for the oil accumulation, the chances of new wells obtaining production are largely fortuitous and cannot be predicted from knowngeological conditions.

Beach, 1943

Déjà, grâce à ses travaux et à son flair, ce géologue venait de jeter les bases de ce qui allait faire travailler deux générations de géologues dans la région de Moose Mountain. Quelle est la source des hydrocarbures, quelle est la géométrie du «Moose Dôme Anticline»? Bien que beaucoup de travaux et beaucoup de forages aient été réalisés dans cette région ces questions sont encore difficiles à répondre. Toutefois, les structures similaires à Moose Mountain ont fourni environ 10 000 milliards de pieds cube (10 Tcf) de gaz naturel soit environ le quart de la production totale cumulative des Foothills (Newson, 2001). Cette grande production découle du contexte géologique favorable, d'une augmentation des connaissances et des investissements. Toutefois, les réserves déclinent rapidement et la demande augmente ; il faut donc trouver de nouveaux

(6)

prix élevés du gaz ont donné une valeur économique à plusieurs petits gisements marginaux.

Without a good technical understanding of Foothills, the exploration industry in Western Canada is in danger of missing an opportunity to develop these reserves in a cost effective and sustainable way.

Newson, 2001

Avant la réalisation de ce projet de maîtrise, les connaissances techniques détaillées de la géologie de Moose Mountain manquaient. Aujourd'hui, deux ans plustard, les géologues peuventcompter surune nouvelle carte détailléeet une étude structurale de larégionpour les aider àmieux comprendre la géométriedes réservoirs profonds.

(7)

Cartographie détaillée et etude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l'Alberta Mémoire de maîtrise de Jean-Sébastien Mardi

Table

des

matières

1. Introduction... 4 1.1. Problématique... 9 1.2. Objectifs... 10 2. Contexte géologique... 11 2.1. Localisation géographique... 11 2.2. Géologie régionale...13 2.3. Travaux antérieurs...15 3. Cartographie géologique...17 3.1. Stratigraphie utilisée...17

3.1.1. Description générale de la stratigraphie de la région de Moose Mountain, Alberta... 19

3.1.2. Observations stratigraphiques et structurales des unités affleurantes...22

3.2. Cartographie...29

3.3. Cartographie tridimensionnelle...29

3.4. Étude fracturation... 30

4. Article sur la géologie structurale de Moose Mountain...31

Geometry and kinematic évolution of Moose Mountain area, Southern Alberta Foothills: implication for the development of naturally fractured réservoirs... 32

Abstract... 32

Introduction...33

Exploration overview... 34

Stratigraphie framework and related structural observations...35

Structural analysis method...37

Moose Mountain Culmination: general geometry... 38

Macro- and mesoscale observations at Moose Mountain... 39

Folds...40

Faults...40

Foreland-verging structures...41

Hinterland-verging structures...42

Fracture networks...43

3D Geometry and along-strike variations... 44

Prairie Mountain section...44

Canyon Creek section...45

Transition to Lookout Peak Section... 45

Lookout Peak section...46

Transition to Pic Crochet section...46

Pic Crochet section... 47

Pad#l area... 47

Summary... 47

Discussion:... 48

Is Moose Mountain a relict triangle zone?... 50

Implications for hydrocarbon exploration... 51

Conclusion... 52

Acknowledgements...54

5. Conclusions... 67

6. Recommandations...68

7. Références... 69

Annexe 1 : Carte géologique de la région de Moose Mountain Annexe 2 : Données structurales (sur disque compact)

(8)

Cartographie détaillée et étude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l’Alberta Mémoire de maîtrise de Jean-Sébastien Mardi

Liste

des

figures

Chapitre 1 :

Figure 1.1: Localisation dusite d'étude, Moose Mountain, Alberta, Canada...5 Figure 1.2: Les types de cibles pour la recherche d’hydrocarbures dans les zones externe de type

Foothills de la Cordillère de l’Ouest (tiré de Newson, 2001)... 7

Chapitre2 :

Planche 1: Photographies typiques de larégionde Moose Mountain, Alberta, Canada...12 Figure 2.1: Coupe-type des Foothills de laCordillère de l'Ouest à la hauteur de Moose Mountain,

régionde Calgary, Alberta, Canada (modifiée de Newson, 2001)...14 Figure 2.2: Evolution des interprétations structurales pour la région de Moose Mountain, Alberta,

Canada (Source : Newson et Sanderson, 2000)...16

Chapitre 3:

Planche 2: Stratigraphie de la région de Moose Mountain (photographies des faciès types) ; a) Formation d’Exhaw dans Canyon Creek ; b) Formation de Banff dans Canyon Creek; c) Groupe de Rundle dans Moose Dôme Creek ; d) Formation de Mount Headle long de la route 62 ; e) Formation de Fernie dans Coxhill Creek et f) Groupe de Kootenay sur la Moose MountainRoad...18

Chapitre 4:

Figure 4.1 : Location of the Moose Mountainarea, Southern Alberta Foothills, Canada...56 Figure 4.2: Geological map of the Carboniferous rocks in the Moose Mountain area, Southern

Alberta Foothills, Canada...57 Figure 4.3: Stratigraphie chart of the Carboniferous rocks in the Moose Mountain area (modified

from Newson and Sanderson, 2000). Structural behavior of the formations is presented onthe right...58

(9)

Figure 4.4: A) The MooseMountain Upper DécollementZone (UDZ) located on the frontlimb of the structure near the Moose Mountain Trail. B) Zoom on deformed sandstone beds and highlyfoliated shales...59 Figure 4.5: Compilation of the régional structural data: the area was divided in seven transects.

Régionalfracture sets are show on thecompilation...60 Figure 4.6: Selected balanced cross-sections of the Moose Mountain area (see figure 4.2 for the

cross-sections location)...61 Figure 4.7: Structure of the Pic Crochet, northem area of Moose Mountain. The Moose Dôme

Anticlinal is eut on is backlimb by a low-angle out-of-sequence thrust. The sub horizontal fault is an other out-of-sequence thrust who cuttedthe top ofthe Shunda at a deeper level. A vertical backthrust is implied in the forelimb deformation. MH : Mount Head Fm; TV : Turner Valley Fm; SH: Shunda Formation; dash line représente the fault trace on thefield...62 Figure 4.8: Structure in the core of the Moose Dôme Anticline, central part of the Moose

Mountain area. The M-Shaped fold, located on the backlimb of the Moose Dôme structure is a highly deformed area. Numerous thrustsand backthrusts are found in the core of the fold, under the Shunda Bed A level. MH : Mount Head Fm; TV : Turner Valley Fm; SH: Shunda Fm; PK: Pekisko Fm; dash lines represent the fault trace on the field... 63 Figure 4.9: Structure in theCanyon Creek area...64 Figure 4.10: Proposed kinematicmodel for the emplacementof the Moose Mountain structure..65 Figure 4.11: Summarized geologyof the Moose Mountain area. New interprétation and fluid flow

are shown on the figure. The occurrence of backthrust in the core ofthe M-Shaped fold is related to the geometry at depth of the detachment fold. This late stage

(10)

1. Introduction

Ce mémoire s’intéresse aux relations entre la géologie structurale de surface et les réservoirs fracturés naturels dans la région de Moose Mountain. Cette région est située à 50 km à l'ouest de la ville de Calgary dans les Foothills du sud-ouest de l’Alberta (Figure 1.1). La structure affleurante est un grand dôme anticlinal de roches essentiellement du Carbonifère. La région est visitée régulièrement par les géologues participants à diversesexcursions de terrain. Sa proximité de la ville, la qualitédes affleurements et son accessibilité font de ce massif montagneux un lieu de prédilection pour les études structuralesetstratigraphiques.

Ce projet de maîtrise s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche plus vaste, le projet Moose Mountain - GEOIDE subventionné par les biais des Réseaux de Centresd’Excellence. Le but de ce projet était de fusionner les technologies offertes par la géomatique (imagerie satellitaire, spectrométrie, photogrammétrie) aux techniques conventionnelles de géologie de terrain pour améliorer les connaissances sur les zones externes des chaînes de montagnes. Ce projet était sous la direction de Daniel Lebel, de la Commission géologique du Canada à Québec et regroupait plusieurs partenaires universitaires (Université Laval, INRS-Géoressources, Université de Calgary, Université d’Alberta), industriels (Husky Energy, Talisman Energy, Shell Energy) et gouvernementaux (Commission géologique de l’Alberta, Commission géologique du Canada, Géomatique Canada). La province géologique étudiée par le projet est la Cordillère canadienne, en particulier les Foothills de l’Alberta. Cette zone offre un potentiel certain pour l’exploration des hydrocarbures en particulier le gaz naturel. Le site d'étude, l’anticlinal de Moose Mountain, est localiséau-dessus d'un important gisement d’hydrocarbures des Foothills.

Depuis plusieurs décennies, les compagnies pétrolières s’intéressent à cette structure anticlinale. La découverte d’émanations de gaz naturel dans Canyon Creek et Moose Dôme Creek a mis en branle une campagne de forage qui se poursuit encore aujourd’hui. Dès le début, les forages ont démontré le potentiel de la région autant pour le gaz naturel que pour le pétrole. La présence de pétrole dans les roches des Foothills est un phénomène rare, en fait, Turner Valley et Moose Mountain sont les seuls gisements producteurs depétrole dans les Foothills. Bien que les travaux d'exploration aient débuté dans les années trente, ce n’est qu’en 1983 que les premières

(11)

Moose Mountain 1 km

Alberta

(12)

Cartographie détaillée et étude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l’AJberta Mémoire de maîtrise de Jean-Sébastien Mardi

productions commerciales de gaz naturel commencèrent. Le premier réservoir est situé au sud de la région et il est la propriété de Shell Canada. Le réservoir septentrional, découvert par Husky Energy en 1994, estentré en production en 1996. Ce second gisement produitdu pétroleet du gaz naturel.

Ces deux champs exploitent également des types de réservoirs différents. Le réservoir septentrional est un excellent exempled'une cible de troisième génération (Newsonet Sanderson, 2000). En effet, les géologues classent les cibles des Foothills en trois générations (Figure 1.2). Les cibles de la première génération d’exploration dans les Foothills (1914-1960) sont de larges anticlinaux situés au-dessus d’un plan de chevauchement à faible pendage. L’exemple le plus célèbre des Foothills est le champ d’hydrocarbure de Turner Valley. Les cibles de la seconde génération (1945-1980) sont associées aux empilements de nappes de chevauchement comme les gisements de Jumping Pound West, PincherCreek etWaterton (Yorath etal., 1991). Les cibles de la troisième génération (1970-2000) sont des structures de plus petites envergures associées aux grands plis de décollement des Foothills. Malgré leur volume moindre que ceux des cibles de première et deuxième générations, les cibles de troisième génération sont de plus en plus attrayantes pour les compagnies pétrolières. Actuellement, les infrastructures comme les gazoducs, les oléoducs, les routes et les stations de pompage sont bien réparties sur le territoire des Foothills permettant ainsi aux compagnies de reconsidérer le potentiel économique de réservoirs pluspetits. Toutefois, les cibles de troisième génération sont plus difficiles àdécouvrir. Leur petite taille les rend difficile à détectersur les profils sismiques et leur découverte mise sur une bonne connaissance de la géologie structurale régionale. De plus, la perméabilité des réservoirs est souvent reliée à l’important taux de fracturation, un phénomène difficile à évaluer (Aguillera, 1999 et Newson, 2001) et pouvant rapidement compartimenter un réservoir de bonne taille en plusieurs petits sous-réservoirs (Bégin et al., 2000 ; Bégin et al., 2001 ; Johnston et al., 2000).

(13)

Cible de première génération :

Écailles de chevauchement

Cible explorée de 1914 à 1960 Exemple : Turner Valley

Cible de première génération :

Écailles de chevauchement imbriquées

Cible explorée de 1945 à 1980 Exemple : Moose Mountain

Cible de troisième génération :

Plis de décollement

Cible explorée depuis 1970 Exemple : Liard

-3000m -2000m

-1000m Leadlng edge detachment

Cible de quatrième génération :

Zone triangulaire

Cible explorée depuis 1995 Exemple : Cabin Creek

Oevonlan Nahanni Carbonates

Figure 1.2 : Les types de cibles pour la recherche d'hydrocarbures dans les zones externe de type Foothills de la Cordillère de l'Ouest (tiré de Newson, 2001 )

(14)

Au centre de la région de Moose Mountain, on retrouve en affleurement une vaste structure anticlinoriale montrant plusieurs plis fracturés pouvant s’apparenter aux cibles de troisième génération. Les différents travaux réalisés dans la zone révèlent la présence de plusieurs types de structures: des chevauchements, des plis d'entraînement, des rétrochevauchements, des failles de décrochement mineures ainsi que plusieurs familles de fractures. L’étude de cet ensemble structural est donc très intéressant autant pour comprendre les mécanismes impliqués dans la déformation de cette régiondes Foothills que pour mieux comprendre la géométrie et la structure desréservoirs fracturés de troisième génération dans lesceinture de plis et de chevauchements.

Plus spécifiquement, ce mémoire aborde des thèmes du domaine de la géologie structurale et de la cartographie géologique. Le premier chapitre présente le contexte géologique. Le lecteur y retrouvera une présentation de la géologie et de la géographie régionales ainsi qu’une courte description des travaux antérieurs effectués dans cette région. Le second chapitre porte sur les travaux de cartographie réalisés dans la région de Moose Mountain. Ce chapitre se divise en trois sections. La première s’intéresse à la stratigraphie de la région de Moose Mountain. Le but de cette section est de situer la stratigraphie utilisée pour compléter les travaux de cartographie géologique. Les deux sections suivantes présentent les travaux de cartographie. Lapremière carte produite est une carte régionale conventionnelle (2D) présentant la géologie complète de la région. La seconde carte s’appuie sur une approchetridimensionnelle couvrant le secteur central de la région. Le coeur du mémoire se retrouve au second chapitre sous la forme d’un article scientifique qui sera soumis pour évaluation au Bulletin of Canadian Petroleum Geology et qui s’intitule: « Geometry and kinematic évolution ofthe Moose Mountain area, Southern Alberta Foothills : implications for the development of naturally fractured réservoirs ». Cet article présente une analyse structuralerégionale, établit les relations entre les différentes structures de la région etpropose un modèle d’évolution cinématique pour l’anticlinal de Moose.

(15)

1.1. Problématique

L’élémentmoteurde ceprojet tourne autourd’unequestion assez complexe : quelle est larelation entre l’ensemble des structures observées en surface et les réservoirs fracturées situés en profondeur? Ce problème occupe une place de choix dans le travail quotidien des géologues d’exploration et les ingénieurs de réservoir. L’importance économique des fractures devient très importante lorsque les compagnies pétrolières exploitent des réservoirs fracturés naturellement (Aguillera, 1999).

Dans le cadre du projet Moose Mountain/GEOIDE, j’ai tenté de répondre à des questions relatives au domaine de la géologie structurale plus classique avant d'aborder les problèmes liés aux études de fracturation proprement dites. Lepremier volet à aborder est de déterminer quelles sont les structures présentes dans larégion de Moose Mountain.

Est-ce qu 'on retrouve des failles de chevauchements et des rétrochevauchements? Est-ce qu 'on retrouve des plissements? Quelles sont les familles de fractures?

Le second voletconcerne les caractéristiquesgéométriques de ces structures.

Quel est l’extension des failles? Quelle est l'étendue du rejet de ces failles? Quels sont les types de plis qu'on retrouve? Quelles sont les caractéristiques de chaque famille de fractures? Quelleest la géométrie de chacun de ces éléments? Letroisième volet est de déterminer l’évolution géodynamique deces éléments structuraux.

Quelle est la relation géométrique entre tous ces éléments? Quelle est la chronologie de mise en place de toutes ces failles, de tous ces plis? Quellessont les différentesgénérationsde fractures?

Le quatrième volet est de déterminer larelationentre la structure régionale et lafracturation. Avec quelle méthode peut-on réaliser une étude de fracturation fiable etrapide

dans une région montagneuse et très fracturée? Quelle est la relation entre la cinématique et la fracturation? Quelle est l’importance de lafracturation pour l'exploitation desréservoirs?

(16)

Enrépondant à toutes cesquestions, il sera possible d’émettre des hypothèses intéressantes surles relations entre les élémentsstructurauxsuperficiels etles réservoirs fracturés.

1.2. Objectifs

Pour répondre à laproblématique de ce projet, plusieurs objectifs ont étéprioriséset se présentent sous deux catégories. Les objectifs de la première catégorie ont pour but de répondre aux problématiques liées à la cartographiegéologique de la région.

1. Réaliser une carte géologique des unités d’âge Carbonifère de toute la région de Moose Mountain

2. Identifiertoutes les structuresgéologiquesvisibles surle terrain 3. Caractériser toutes les structuresgéologiques de façonsystématique

4. Réaliserune cartegéologique en trois dimensions dans la partiecentrale de Moose Mountain 5. Compléter des études de fracturation sur certains sites représentatifs

Les objectifs de la seconde catégorie ont pour but de répondre aux problématiques liées à l’analyse structurale :

1. Compléterune analysestatistiquedesdifférents éléments structuraux

2. Dessiner des profils structuraux balancés le long de transects perpendiculaires au grain tectonique

3. Proposer un modèle cinématique pour le développement des éléments structuraux de Moose Mountain

4. Évaluer l’importance des diverséléments structurauxpour les réservoirs fracturés

(17)

Cartographie détaillée et étude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l'Alberta Mémoire de maîtrise de Jean-Sébastien Mardi

2. Contexte géologique

2.1. Localisation géographique

La région de Moose Mountain est située dans les Foothills du Sud-Ouest de l’Alberta, dans la région de Calgary. Le sommet de cette montagne atteint 2450 mètres. Il s’agit du point culminant de cette partie des Foothills et c’est pourquoi on y retrouve une tour à feu au sommet. Ce haut topographique est localisé dans la partie nord-est de Kananaskis Country. La région de Kananaskis est un vaste territoire de rivières et forêts à vocation récréative sous laresponsabilité du gouvernement de l’Alberta. La gestion du territoire est assurée par Alberta Landand Forest. Cette réserve provinciale est très prisée du point de vue récréatif par les gens de la région de Calgary, la ville étant située 40 km à l’est deMoose Mountain et de Kananaskis County. La ville la plus proche de la zone d’étude est Bragg Creek, postée juste à l’entrée deKananaskis Country, le long de la route 22. La Planche 1 montre quelques photographies typiques de cette région.

Trois routes forestières permettent d’accéder au territoire. En partant en véhicule de Calgary, on peut accéder à lamontagne enmoins d’uneheure trente. Les accèsparle sud sontles plus rapides et se font en passant par Bragg Creek. Onutilise la route 8 à partir de Calgary et ensuite on prend la 22 en arrivant à Bragg Creek. En sortant de Bragg Creek, on prend la 66 jusqu’à Moose Mountain. Rendu au pied de la montagne, on peut soit accéder au sommet en utilisant la Moose Mountain Trail puis la Lookout Trail ou alors, pour accéder au coeur du massif, on emprunte la route de Canyon Creek et de Moose Dôme Creek. On peut également accéder à la partie nord de la montagne en passant par la route de Husky. En partant de Calgary, on doit suivre la Transcanadienne jusqu’à Sibbald Creek Trail, une route secondaire située à 40 kilomètres de Calgary en direction de Banff. On accède à la route de Husky par Sibbald Creek Trail. Le début de la route de Husky est à 5 kilomètres à l’est de l'ancienposte d’accueil de Kananaskis Country. Cette route a étéaménagée parHusky Energy et son ancienpartenaire Rigel Oil and Gas Ltd pour accéder aux sites de forage et de production. La route suit letracé d’un nouveau gazoduc. Pour se rendre à la montagne, on doit suivre les indications pour le Pad #2. Pour faciliter les travaux, des noms informels ont été donnés aux ruisseaux, crêtes et sommets secondaires de larégion qui se

(18)

MooseMountain vue de l'autoroute transcanadienne, vuevers l'ouest te plien "M" de MooseMountain. Lookout Peak. vue vers le nord

Vue sur le Prairie MountainThrustet tes Front Ranges en arriere-plan, West Peak, Falaise verticale dela base dela Formation de Pekisko, Canyon Creek,

vue vers le nord-ouest vue vers le nord de IcePeak

.4

Vuesurle Horse CreekàpartirdusommetdePrairie Mountain,vue versle nord Crête sommitale du Pic Crochet, vuevers lesud-ouest

Planche 1 : Photographies typiques de la région de Moose Mountain, Alberta, Canada

(19)

retrouventsur lacarte de localisation (figure 1.1). Pour faciliter les levés dans les secteurs les plus reculés, quelques accès en hélicoptère ont été effectués.

2.2. Géologie régionale

La région de Moose Mountain appartient à la sous-province géologique des Foothills de la Cordillère de l’Ouest (figure 2.1). Cette régionlinéaire de 3000 kilomètresde long est divisée en deux ensembles lithologiques majeurs dans laportion proche de Moose Mountain. Le premier est formé par les roches de la marge passive du proto-continent Laurentia. Il s’agit d'une plate-forme carbonatée d’âge paléozoïque est constituée de calcaire, dolomie, grès et shale, déposés en discordance sur le soclecristallin de l’Amérique du Nord. Dans larégionde MooseMountain, on ne retrouve en surface que les unités carbonifères et dévoniennes de cet ensemble. Le second ensemble s'est formé au Mésozoïque lors de l’orogénie de la Cordillère (Laramide) et est constitué essentiellement des roches terrigènes et des calcaires de bassin plus restreints déposés dans le bassin d’avant-pays de la Cordillère. A Moose Mountain, le bassin d’avant-pays a été déformé par diverses pulsions orogenéniques du Mésozoïque (Price, 1986). Il repose en discordance sur les carbonates de la marge passive paléozoïque.

Les Foothills forment la zone externe des Rocheuses (figure 2.1). La limite occidentale de cette zone est formée par les Front Ranges et le McConnell Thrust. La limite orientale est située à une quinzaine de kilomètres à l'est de Moose Mountain et elle est caractérisée par la disparition des déformations dans le bassin d'avant-pays. La zone externe de la Cordillère canadienne est affectée par une tectonique épidermique (thin-skinned tectonic) caractérisée par une série de plis cylindriques et des failles de chevauchement. La limite orientaleavec le bassin d'avant-pays non- déformé se situe à l’est de Bragg Creek. A cet endroit, on y retrouve une zone triangulaire caractérisée par des rétrochevauchements dans la succession Mésozoïque.

Beaucoup de gisements d’hydrocarbures se retrouvent dans les chaînes d’avant-pays (Boyer, 1999) ce qui en fait une zone intéressante à étudier particulièrement pour l'industrie pétrolière. Au cours des années, des travaux majeurs comprenant des forages profonds et des données géophysiques de haute définition sur les chaînes d’avant-pays ont permis de mieux définir les relationsentre lestyle structural et les gisements d’hydrocarbures.

(20)

M ém o ir e d e m a îtr is e d e Je a n -S éb a st ie n M a rd i

(21)

2.3. Travaux antérieurs

Les premiers travaux géoscientifiques substantiels dans la région de Moose Mountain remontent à 1943 lorsque H.H. Beach, géologue pour la Commission géologique du Canada, entreprit de cartographier le soclerocheux de cetterégion.A l’époque, lebut des cestravaux était d’évaluerle potentiel houillier des Foothills (Beach. 1943). Quelques mines de petites envergures furent exploitées: Ings Mine et Thom Mine sont les plus importantes. Les travaux de terrain dans la régionont permis de découvrirdes indices de pétrole. Dès 1929, des forages avaient été réalisés à Canyon Creek pour tenter d’exploiter du pétrole mais sans succès. Les quelques forages qui suivirent ne réussirentpas eux non plus à mettreà jour des réserves économiques. Bienque non- économiques, les découvertes faites dans les régions adjacentes et la proximité de Moose Mountain de la ville de Calgary continuèrent à attiser l’intérêt si bien que dans les années cinquante, Shell Canada et ses partenaires entreprirent une campagne d’exploration dans le but d’y découvrir des hydrocarbures. Leurs efforts permirent de définir trois réservoirs. Ils furent récompensés dans les années 80 lorsque les réservoirs Rundle A et B entrèrent en production. L’intérêt des compagnies pétrolières pour cette région prometteuse des Foothills a permis de maintenir un niveau d’activités géoscientifiques appréciable. Plusieurs modèles ont été proposés depuis pour expliquer la géométrie des plis et failles de la région et le développement de la structure anticlinoriale de Moose Mountain (figures 2.1 et 2.2). Jones (1971) proposa que ce dôme structural ait été créé parun empilement d’écailles de chevauchement ; l'écaille supérieure formant le pli majeur affleurant à la surface. Ower(1975) puis Fitzgerald (1985) proposèrent à leur tour que le pli de la zone supérieure était lié à un décollement localisé au sein des shales cambriens, àplus de 2 km de profondeur. Mais c’est le modèle de pli dedécollement proposé par Widdowson (1991) qui a guidé le partenariat Husky-Riegel pour découvrir un réservoir au nord de la région. Les travaux de Newson et Sanderson (2000) et de Soûle (2000) présentent de nouveaux détails intéressants sur cette structure : failles hors-séquence et failles tronquées. La figure 2.2 montre ces différents modèles.

(22)

2000 m

1000 m

0 m - 1000m

•2000 m

Failles imbriquées, écailles et failles de chevauchement plissées (Shell, 1983)

Duplex sous un décollement majeur avec pli de décollement associé (Fitzgerald, 1985)

Figure 2.2 : Évolution des interprétations structurales pour la région de Moose Mountain, Alberta, Canada (Source : Newson et Sanderson, 2000)

(23)

3. Cartographie géologique

Les travaux de cartographie sur le terrain se sont déroulés lors de deux campagnes de terrain d’une durée de cinq semaines chacune, soit au mois d’août 1999 et au mois de juin 2000. Une étape de reconnaissance d’une durée d'une semaine s’était auparavant tenue au mois de juin

1999. C’est lors de cette campagne de reconnaissance que nous avons évalué le travail à faire et déterminé les zones à travailler plus intensément.

3.1. Stratigraphie utilisée

Les travaux récents de stratigraphie du Carbonifère menés par Richards (2000) ont guidé nos travaux de cartographie. Plusieurs stratigraphes se sont intéressés aux roches de Moose Mountain plus particulièrement dans Canyon Creek (Bamber et al., 1981). La synthèse régionale des Foothills du Sud de l’Albertaest bien décritepar Gordey et al. (1991).

Dans le cadre de notre étude à Moose Mountain, j'ai fait une synthèse locale de la stratigraphie existanteen intégrant et corrélant tous les travaux antérieurs pertinents (Richards, 2000 ;Newson et Sanderson, 2000 ; Richards et Bergeron, 1992 ; Gordey et al., 1991 ; Bamber et al., 1981 ; Beach, 1943). Les paragraphes qui suivent présentent d’abord une description généraledes unités décrites dans les Foothills du Sud-Ouest de la Cordillère canadienne, suivid’une descriptionplus détaillée des unités qui affleurent à Moose Mountain, soient la Formation d’Exshaw, le Groupe de Rundle, laFormationde Femie et leGroupe de Kootenay.

Les références pour l’ensemble des données sur la stratigraphie proviennent de Gordey et al. (1991) et Richards (2000). La figure 4.3 montre une colonne stratigraphique de la région de Moose Mountain et différentes photographiesdes lithologies sont présentées surla planche 2.

(24)

Planche 2 : Stratigraphie de larégion de Moose Mountain (photographies desfaciès types) ; a)Formation d'Exhaw dans Canyon Creek ; b) Formation de BanffdansCanyon Creek; c) Groupe de Rundledans Moose Dôme

Creek; d) Formation de Mount Headle longde la route 62 ;e) Formation de Fernie dans Coxhill Creek et f) Groupe de Kootenay sur la MooseMountain Road.

(25)

3.1.1. Description généralede la stratigraphie de la région de MooseMountain, Alberta

Les unités suivantes ont été reconnues en surface ou en forage dans larégion de Moose Mountain.

Marge passive paléozoïque du proto-continent nord-américain

Cambrien à Silurien

Formations de Cathédral, Stephen, Eldon, Pikaet Arctomys(Cambrienmoyen)

Les roches cambriennes forment des séquences interlitées de calcaires, de dolomie et de sédiments terrigènes matures. Ces formations se sont déposées sur la marge d’un craton stable dans des conditions d’eau peu profonde. Le taux de subsidence était rapide. Certains horizons sont très riches en fossiles comme le Shale de Burgess contenu dans la Formation de Stephen, dans lecentre-est de la Colombie-Britannique.

Dévonien

Formationde Fairholme(Dévonien supérieur)

La Formation de Fairholme est constituée de faciès carbonatés et élastiques interdigités. La séquence est parsemée de biostromes et de récifs de plateforme ainsi qu’en moindre importance, des biohermes et monticules récifaux de bordure de rampe carbonatée. On retrouve également des grès etdes dolomies.

Formation de Palliser(Dévoniensupérieur)

La Formation de Palliser estconstituée de calcaires massifs déposés dans des eaux chaudes. Des dolomies à grains fins sont égalementretrouvéesdans laformation. La formation est très riche en fossiles. Cette formation est corrélative à la Formation de Wababum qui renferme plusieurs importants réservoirs des Foothills et des plaines de l’Alberta.

Formationd Exshaw (Dévonien supérieur à Carbonifère inférieur)

La Formation d’Exshaw est constituée de shalesnoirset de marnes dolomitiquesd’origine marine riches en matière organique. Cette formation est considérée comme une des principales sources d’hydrocarbures de l’Ouest canadien. La Formation d’Exshaw repose en discordance sur la

(26)

Formationde Palliser. Les zones de shales se situent dans le membre inférieur (12 md'épaisseur) alors que les zones plus silteuses et dolomitiques se retrouvent dans le membre supérieur (35 m d'épaisseur).

Carbonifère

Formationde Banff(Carbonifère)

De la base au sommet, cette formation montre une transition de marnes dolo-silteuses (membre A: 35 m d'épaisseur) vers des carbonates massifs (membre B et C : 50 m et 15 m d’épaisseurs respectives). La Formation de Banff repose en concordance sur celle d’Exshaw. La formation représente lepassage d’une rampevers la plate-forme.

Groupe deRundle(Carbonifère)

Les formations constituant ce groupe sont celles de Pekisko, Shunda, Tumer Valley et Mount Head. Ces unités affleurent dans la régionà l’étude et serontdécrites plus en détaildans la section qui suit. La séquence de 400 mètres d’épaisseurprésente de bas en haut des grainstones calcaires suivi d'unealternance de dolomie, mudstone et brèches de dissolution pour les unités de Pekisko et Shunda. La Formation de Pekisko est très uniforme, massive et résistante à l'érosion. Le Shunda est plus hétérogène et son altération le laisse paraître plus beige que les unités environnantes. Le membre F de la Formation de Shunda est très silteux et peu résistant à l’érosion. La Formation de Tumer Valley, qui constitue la roche-réservoir de Moose Mountain, est formée de grainstone avec des passages de dolostone. Des siltstones cherteux, des dolomies silteuses et des grainstone constituent l'essentiel du Mount Head, une formation très hétérogène. Le Groupe de Rundle représente une série de cycles detransgression et régressionsmineurs ayant affectées laplate-forme continentale proximale.

Transitionvers une marge active mésozoïque

Permienà Jurassique inférieur

Formations de RockyMountain(Permien), Spray River(Trias) et Femie (Jurassique)

Ces formations représentent une succession de roches élastiques de la fin du Paléozoïque au Mésozoïque inférieur allant de grès à shales, et reposant en discordance sur les roches

(27)

paléozoïques. Ces roches marquent le changement entre lamarge passiveproto-Laurentienne et la marge active et le bassin d’avant-pays liés à l'orogénie laramienne. La Formation de Fernie, qui présente des changements de lithofacies allant de plus proximauxjusqu'à des faciès karstiques, peut contenir plusieurs roches-mères intéressantes. Le Membre de Nordegg est formé de marnes phosphatiques et de mudstones calcaires foncés riches en matière organique. Les shales du Jurassique supérieur possèdent également un taux de carbone organique total élevé. Dans les réservoirs, la Formation de Fernie, par ses propriétés imperméables, agit également comme scellant pourcompléter le piégeage des hydrocarbures.

Marge active mésozoïquedu proto-continent nord- américain

Jurassique moyen-Tertiaire inférieur

Groupe de Kootenay(Crétacé inférieur)

Le Groupe de Kootenay est constituée de roches élastiques continentales, majoritairement des siltstones et des grès. On y retrouve également dans une plus faible proportion, des shales et les lits de charbon de 1 à 2 mètres d’épaisseur. Certains passages sont riches en bitume (Membre de Moose Mountain).

Groupe de Blairmore (Crétacé inférieur)

Le Groupe de Blairmore est très épais (jusqu’à 500 mètres) et constitué d’une alternance de shales et grès feldspatiques verts. Le conglomérat du Cadomin, qui se situe à la base de la séquence forme une unité repère facilement identifiable sur le terrain. La partie supérieure de cette formation est plus terrigène alors que la partie inférieure est plus calcareuse. Un shale calcareux riche en fossile et en matière organique dans la partie médiane de la formation connu sous le nom de zone à Ostracode est souvent considéré comme une excellente roche-mère. Cette unité s’est déposée dans un milieu lacustre ou de baie d'eau saumâtre lors d’une période de transgression.

Groupe de l’Alberta(Crétacé supérieur)

Le Groupe de l'Alberta est constitué de shales, siltstones et grès fins et se divise en trois formations, soient les Formations de Blackstone, de Cardium et de Wapiabi. La Formation de

(28)

Blackstone est constituée de shales noirs et de lits minces de grès, déposés en milieu marin. Elle contient plusieurs zones pouvant être des sources d'hydrocarbures. L’unité Second White Speckled Shale montre des valeurs élevées de carbone organique, de l’indice d’hydrogène et de radioactivité. Ce shale riche en matière organique est associé à un milieu de dépôt marin anoxique de la fin du Cénomanien (97 Ma). La Formation de Cardium, déposée dans un environnement de delta et de littoral, présente des roches plus grossières comme des quartzites, des conglomérats et des shales gréseux. L’altérationrouille est caractéristique de cette formation. La Formation de Wapiabi, déposée en milieu marin, marque un retour vers des granulométries plus fines, essentiellement desshales avec desnodules de grès.

Dépôts quaternaires

Les dépôts quaternaires sont essentiellement des tills et colluvions confinés aux vallées des cours d’eau majeurs. Certains dépôts plus sablonneux sont localement consolidés à cause de l’importanteconcentration en carbonate des eauxmétéoritiques.

Erosion

Depuis ledébut de l’orogénie laramienne, l’épaisseur de l’érosion est estimée àau moins 2 000m et il pourrait atteindre 4 000 mètres par endroit (Yorath et al., 1991).

3.1.2. Observations stratigraphiques etstructurales des unités affleurantes

Cette section résume les observations stratigraphiques faites lors de notre campagne de cartographie. Des observations structurales propres à ces unités y sont également présentées. La planche 2présente des photographies de ces formations.

Formation d’Exshaw

Cette formation est constituée de shales noirs (lits d’un à deux mètres d’épaisseur) en alternance avec des marnes dolomitiques de 25 cm à 1 m d’épaisseur. En cassure fraîche, le shale dégage une odeur bitumineuse et il est de couleur très foncé, presque noir ce qui indique une forte concentration de matière organique. Au sommet, on retrouve un banc de calcaire argileux plus

(29)

résistant d’environ un mètre d’épaisseur. L’unité estincompétente et il est possible qu’elle ait agi comme niveau dedécollement lors des épisodesde déformation.

Formationde Banff

Le meilleur endroit pour décrire la Formation de Banff est Canyon Creek puisqu’on y retrouve toute la séquence de labase au sommet. On retrouve aussi de très beaux affleurements de la partie supérieure du Banff (Upper Banff) àMoose Dôme Creek et à Moose Creek. La présence du Banff correspond toujours à des bas topographiques. À Moose Mountain, la Formation de Banff est presque uniquement constituée de marnes calcaires gris foncé. Les lits épaississent vers le sommet de la formation et leur couleur d'altération tourne vers le beige ce qui indique une augmentation de la proportion de dolomite dans la roche. Les lits de la partie inférieure du Banff ne dépassent pas 10 cm d’épaisseur alors que ceux du Banff supérieur peuvent atteindre jusqu’à 30 cm. La formation est très riche en fossiles, dont descoraux, des brachiopodes et des crinoïdes pourla plupart démembrés.

La présence abondante de marnes au sein de cette unité en fait une unité peu compétente. Dans la partie supérieure, près du contact avec la Formationde Pekisko, on y observe des stries orientées OSO-ENE sur des plans de glissement inter-couches. Le contact entre les formations de Banff et Pekisko est par endroits tectonisé et donc discordant et très irrégulier dû à l’intensité de la déformation qui affectent les strates de la partie sommitale du Banff. Le contact tectonisé se caractérise par le développementde plis serrés et d’un clivageobliqueà la stratification, ainsi que la précipitation deveines de calcite blanches parallèles au litage. Un tel contact est observable au mémorial de Canyon Creek où leclivage s’oriente à 140/70 etplusieurs petits plis d’entraînement d’axe N-S et de longueur d’onde variant de 2 mètres à 20 mètres affectent les strates du Banff. Finalement, de petites failles de chevauchement et de rétrochevauchement dissèquent le contact Banff-Pekisko, phénomène particulièrement notable au mémorial. Dans la partie centrale de Canyon Creek, les affleurements de Banff du talus d’éboulis montrent des plis en kinks. La présence de tous ces éléments structuraux dans la partie sommitale de la Formation de Banff rend très difficile la mesure d’une épaisseur exacte pour cette formation. Par contre, l'épaisseur moyenne mesuréedans les forages de Moose Mountainest de 130 mètres (Richards, 2000).

(30)

Groupe de Rundle

Formation de Pekisko

La caractéristique principale de la Formation de Pekisko est la présence de bancs de calcaire très massifs et compétents dont l’épaisseur peut atteindre 10 mètres. De couleur gris très pâle en altération, les grainstones et les packstones du Pekisko sont cependant gris moyen à très foncé en cassure fraîche. Les lits sommitaux sont d'ailleurs très foncés. Les fossiles qui forment ce grainstone sont des crinoïdes et des bryozoaires et la présence d’un niveau enrichi en fossiles tubulaires caractérise labase dela séquence prèsdu contact Pekisko-Shunda. Le contactsupérieur est marqué par un passage abrupt entre les falaises massives du Pekisko et les lits récessifs du Shunda. Le meilleur site pour étudier la Formation de Pekisko se situe dans la vallée de Moose Dôme Creek. La formation affleure également à Canyon Creek, dans les ruisseaux de Moose Creek et au sud de Moose Mountain Creek. Lapartie inférieuredu Pekisko est formée de litstrès épais de grainstone de 2 m d’épaisseur alors que la partie supérieure est formée de lits de grainstone moins massifs et plus friables de 25 cm d’épaisseur. Lesbancs très épais montrentdes chenaux et des laminations entrecroisées, permettant d’identifier le sommet stratigraphique de la séquence. A 3 mètres au-dessusdu contact Banff-Pekisko, on retrouve plusieurs nodules de chert calcareux noirtrès fracturés.

A Moose Dôme Creek et Canyon Creek, des petites failles verticales de décrochements mineurs à composantes normales ont été identifiées dans le Pekisko. À Canyon Creek, une faille de chevauchement mineure affecte le Pekisko. Cependant, l'élément structural majeur affectant cette formation est le rétrochevauchement de Moose Creek qui affecte la partie supérieure du Pekisko. La grande résistance à l’érosion du Pekisko inférieur en fait un élément important dans la géométrie et la structuration tectonique du secteur. En effet, cette formation agit comme un énorme bloc rigide entre deux unités incompétentes, le Banff et le Shunda ce qui a eu une influence surla localisation des plans de décollement majeurs.

L’estimation de l’épaisseur totale de la Formation de Pekisko est difficile à cause de la présence des nombreux rétrochevauchements, situéssouventà la base de la formation. Par contre,de toutes

(31)

Cartographie détaillée et étude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l'Alberta Mémoire de maîtrise de .Jean-Sébastien Mardi

les formations qui affleurent dans la région de Moose Mountain, la Formation de Pekisko est la moins déformée. L’épaisseur moyenne mesurée en forage à Moose Mountain est de 91 mètres (Richards, 2000). Kenny (comm. pers.) a mesuré une épaisseur de 65 mètres pour le Pekisko à Moose Dôme Creek à l’aide de méthodes photogrammétriques.

Formation de Shunda

La Formation de Shunda se divise en trois membres. Le membre inférieur, de 30 mètres d'épaisseur, est constitué de grainstone gris moyen en lits de 50 cm. Le membre médianestformé par une alternance de mudstones silteux très friables dont l’épaisseur totale fait 50 mètres. Le membre supérieur est constitué par un banc de mudstone siliceux très résistant et très compétent de 10 mètres. Ce banc, connu sous le nom de Bed A par Newson et Sanderson (2000), est très important pour la cartographie. Sa continuité et sa compétence font de lui un horizon repère remarquable. En cassure fraîche, le Bed A a une couleur brune moyenne caractéristique. Le mudstone est parsemé d’une multitude de petits éclats de calcite blanche à noire appelés bird eyes ou fenestral fabrics. Cette unité est très facile à reconnaître, autant sur le terrain que sur les photographies obliques. Le Shunda possède une couleur brune très caractéristique qui rend son identification à distanceou sur photographietrès facile.

La présence du membre médian très friable au sein du Shundacontrôle la localisation de plans de décollement au sein de cette unité. Presque toutes les failles inverses de la région de Moose Mountain passent entre les membres médian et supérieur du Shunda. De ce fait, le Bed A se retrouve fréquemment dans le toit des failles et dans les régions charnières des plis, comme par exemple au LookoutPeak où le Bed A s’observe au coeurdes grands plis d’entraînement (figure 4.8).

Dans le secteur à l’étude, il est très difficile d’évaluer l'épaisseur exacte de cette formation en raison de l’intensité de la déformation à certains niveaux. Richards (2000) évalue l’épaisseur du Shundaà91 mètresalors que Kenny (comm. pers.) l’évalue à 100 mètres.

(32)

Formation deTurner Valley

Économiquement, la Formation de Turner Valley est la plus intéressante de Moose Mountain puisque c’est elle qui agit comme réservoir en profondeur. En surface, le Turner Valley estdivisé en trois membres. Les membres inférieur et supérieur sont très similaires. Ils sont constitués de grainstones dolomitiques gris pâle à crinoïde, en lits de 25 à 50 centimètres d’épaisseur, caractérisés parune porosité intergranulaire, le membre supérieur étant toutefois plus poreux que l’inférieur. Le membre médian, connu sous le nom de Middle Dense Turner Valley à cause de sa très faible porosité, est constitué de dolostones gris pâle à moyen de 30 cm. Le sommet du Turner Valley s’identifie sur le terrain par la présence de plusieurs laminés de calcaire cherteux de couleurbeige. Ceslamines sontparallèles et souvent très déformées.

La Formation de Turner Valley se retrouve dans l'extrados de tous les anticlinaux de Moose Mountain. Au niveau de l'affleurement, on observe des plans de chevauchements et de rétrochevauchements mineurs dans les unités cherteuses. Les amas de chert sont étirés et segmentés. Dans les régions de la faille d’Husky etde la faille du Crochet,des petits plis parasites ont été identifiéssur les affleurements.

Il est très difficile d’évaluer l’épaisseur exacte de cette formation en raison de l'important degré de déformation qui affecte certains niveaux. Toutefois, selon Richards (2000), l’épaisseur de la Formation de Turner Valley varie entre 106 et 114 mètres ce qui est conforme avec les épaisseurs que nous avons estimées à Moose Mountain. L’épaisseur moyenne calculée par Kenny (comm. pers.) est de 125 mètres.

Formation de Mount Head

LaFormation de Mount Head regroupe plusieurs faciès sédimentaires. Cependant, dans la région de Moose Mountain, la séquence n’est pas complète et débute avec des lits de siltstones calcareux dolomitiques de 50 cm d'épaisseur suivi de grainstones, pour une épaisseur totale de la partie inférieure de 30 mètres. Les grainstones sont surmontés de brèches de dissolution à leur tour surmontées de dolostone en lits de 30 cm. Le meilleur endroit pour observer la séquence du Mount Head est dans la partie nord sur la route allant de lajonction du Pad #3 au Pad#2. A 500

(33)

mètres au nord du Pad #1, nous avons identifié la présence d’un horizon bitumineux au dessusde la brèche de dissolution. C’est le seul endroit de la région où l'on retrouve du bitume dans la séquence du Mount Head. L’ensemble de la formation est interdigité de passées plus marneuses constituées de mudstones souvent dolomitiques et de couleur brunâtre. Le contact Turner Valley- Mount Headest facilement identifiable surle terrain à cause du passage des lamines de chert dans la partie sommitale du Turner Valley aux grainstone gris pâleet siltstone gris moyende la base du Mount Head.

Malgré l’existence de bancs de dolostones massifs, la proportion importante de niveaux incompétents, telles les brèches de dissolution et les mudstones rendent la Formation de Mount Head facilement déformable et propice à la localisation de plans de chevauchements. Plusieurs chevauchements affectent cette formation autant en surface qu’en profondeur (Drover et Spratt, 2000). L’unité plus silteuse de la base de la séquence est très peu perméable et peut agir comme scellantau-dessus des unités poreuses duTurner Valley(Soûle, 2000).

La partie supérieure de la Formation de Mount Head n’est pas bien exposée dans la région de Moose Mountain en raison du couvert forestier. Il est donc difficile de connaître l'épaisseur du Mount Head dans la région. Cependant, à partir des coupes structurales présentés dans ce mémoire, son épaisseur est évaluée à 100 mètres pour larégion de Moose Mountain.

Formationde Fernie

La Formation de Fernie est constituée de grès, de shales et de siltstone, reposant en discordance sur la Formation de Turner Valley. Le Fernie est incomplet à Moose Mountain et est affecté par des failles dechevauchements et desplis semblables à ceux observés dans la Formation de Turner Valley.

(34)

Groupe de Kootenay

Dans la région de Moose Mountain le Groupe de Kootenay est formé de grès, de siltstone, de charbon et de conglomérat. Les lits de charbon sont observables à 100 mètres au nord du Pad #2. Plusieurs mines decharbons ont étéexploitéesdans cette unité.

Un important décollement a été identifié dans la partie inférieure du Groupe de Kootenay sur le flanc orientaldu dôme de Moose Mountain.

(35)

3.2. Cartographie

La carteproduite au cours de ce projet se retrouvent dans l’annexe 1.

Les premiers travaux de cartographie effectués dans la région de Moose Mountain remontent à ceux de Cairnes(1908) et Beach (1943) qui y ont produit des cartes au 1:63 346. Cependant, ces cartes ne présentaient aucune division au sein du Groupe de Rundle. La première carte détaillée de la région de Canyon Creek, aété produite parBamber et al. (1981). Un peu plus tard, Newson et Sanderson (2000) ontexécuté des travaux de cartographie détaillée et ont produit une carte au 1:20 000 de la partie nord de Moose Mountain. La géologie de toute la région de Kananaskis Countryaété compilée parMcMechan (1996) à l’échelle de 1:100 000. Les données detoutes ces cartes ont été compilées et intégrées aux données de terrain de ce projet pour produire une nouvelle carte à l’échelle de 1:10 000 de la région de Moose Mountain (annexe 1). La cartographie de la région à l’étude a été réalisée surle terrainen utilisant des orthophotographies du secteur de Moose Mountain comme carte de base. Ces orthophotographies aériennes ont été assemblées sous forme de mosaïque au bureau de la Commission géologique du Canada à Calgary. Ainsi, il était possible de tracer et suivre le contour des unités là où la définition de l’orthophoto était suffisamment bonne. Les données ont été mises en carte à l’aide du logiciel MicroStation.

3.3. Cartographie tridimensionnelle

Un des objectifs du projet Moose Mountain / GEOIDE était de produire une carte tridimensionnelle de la région centrale de Moose Mountain. Cette carte permet de mieux évaluer les relations spatiales entre les différentes unités lithologiques ainsi que les relations structurales en les différents éléments structuraux. La méthodologie utilisée pour construire la carte tridimensionnelle est présentée dans Lebel et al. (2001) et Massé (2003). Pour notre étude structurale, nous avons utilisé une mosaïque d’orthophotographies de la région de Moose Mountain appliquée (drapée) sur le modèle numérique de terrain comme carte de base, sur laquelle nous avons tracé les contacts lithologiques à l’aide du logiciel MicroStation. L'étape

(36)

suivante consistait en la construction de coupes structurales balancées dans un environnement 3D à l’aide du logiciel gOcad permettant ainsi d’obtenir une représentation tridimensionnelle de la montagne. De plus l’utilisation de la photogrammétrie numérique a été utile pour évaluer l’épaisseur de différentes unités (Vuitton, 2000), etpositionner de façon plus précise les contacts lithologiques et identifier les contacts discordants et structuraux. L'annexe 2 regroupe les publications sur les travaux de cartographie à Moose Mountain et comprend deux affiches (Marcil 2000 et 2001) présentées aux partenaires du projet et un article scientifique (Lebel et al., 2000).

3.4.Étude fracturation

Des études de fracturation régionale et locale ont été conduites dans le secteur de Moose Mountain. Les travaux détaillés sur trois sites spécifiques ontété réalisés par Lavoie (2001) dans le cadre d’un projet de fin d’étude. Les résultats de l’étude régionale sont présentés dans l’annexe 2. L'annexe 2 regroupe toutes les mesuresstructurales prises lors des travaux de terrain.

En résumé, l’analyse démontre que deux systèmes dejoints affectent les roches, un parallèle au plan axial (ôc) et l'autre perpendiculaire au plan axial (rzc). Ces deux systèmes sont verticaux et seul le système ac montre un déplacement. Les joints bc sont habituellement plus courts que les joints ac. Plusieurs stries de glissement(SO-NE) ont été mesurées surles joints ac.

(37)

(38)

Geometry and kinematic évolution of Moose Mountain area, Southern Alberta Foothills: implication for the development of naturally fractured réservoirs

Jean-Sébastien Marcil, Donna Kirkwood and Daniel Lebel

Résumé

L'analyse structurale de la région de Moose Mountain des cordillères canadiennes a été complétée dans le but de mieux définir la géométrie des réservoirs et les relations entre les joints, les plis et les failles. Les plis sont cylindriques ouverts à fermés et peu plongeants. Les plis fermés sont localisés au coeur de lazone, là où le plissement fut plus intense, sur le flanc SO d’un vaste anticlinal plus ouvert. Ce type de pli est très fracturé et il serait une cible de choix pour l’exploration d’hydrocarbures s’il était en sous-surface. Les plans axiaux sont orientés NO-SE pour les deuxfamilles de plis. En ce qui a trait aux failles, trois familles ont été identifiées : les chevauchements à vergence NE avec un pendagede 30 degrés, les rétrochevauchements de faible pendageà vergence ONO et les rétrochevauchements à fort pendage (50 degrés) avec une vergence SO. L’analyse démontre que deux systèmes dejoints affectent les roches, un parallèle au plan axial (bc) et l’autre perpendiculaire au plan axial (t/c). Ces deux systèmes sont verticaux et seul le système ac montre un déplacement. Lesjoints bc sont habituellement plus courts que les jointsac. Plusieurs stries de glissement (SO-NE)ont été mesurées sur les joints ac.

Les travaux de terrain réalisés dans le cadre de cette étude ont démontré qu’une composante rétrochevauchante importante a affecté la structure pour créer la géométrie actuelle du Dôme de Moose Mountain. La présence de ces nombreux rétrochevauchements affecte également la migration des fluides et la géométrie des réservoirs subtils,principaux pièges de la région.

(39)

Cartographie détaillée et étude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l’Alberta Mémoire de maîtrise de .Jean-Sébastien Mardi

Geometry and kinematic évolution of Moose Mountain area, Southern Alberta Foothills: implication for the development of

naturally fractured réservoirs

Jean-Sébastien Marcil and Donna Kirwood Université Laval, Québec City, Canada

jean Sebastien marcil@junex.ca

donna,kirkwood@qql.ulaval.ca

and

Daniel Lebel

Geological Survey of Canada, Quebec City, Canada

dlebel@nrcan.qc.ca

Abstract

The Moose Mountain Culmination, located 50 km west of Calgary in the Southern Alberta Foothills, has been a productive oil and gas area for the last twenty years. In

order to gain more insight on structurally complex hydrocarbon réservoirs situated at depth and to better understand the complex geometry ofthis hydrocarbon pool we used an integrated method combining photogrammetric mapping with various classical geological methods such as field mapping, balanced cross-sections and surface contouring techniques. The rugged surface exposures offer topographie relief of up to 800 m that enabled the création of a 2.5D model with which we were able to extrapolate geological éléments laterally and explore the 3D continuity of folds, faults and fractures throughout the study area.

(40)

Cartographie détaillée et étude structurale de Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l’Alberta Mémoire de maîtrise de .Jean-Sébastien Mardi

The study reveals the importance of backthrusts in the Moose Mountain area. These faults hâve eut through detachment folds at ail scales and played a significant rôle in the compartmentalization of the structures. Highly fractured zones are mainly located along the front limbs of detachment folds and are genetically related to folding and backthrusting. These structures likely represent good analogues to actual productive réservoirs at depth. Regionally, large-scale backthrusts accommodate displacement along a hinterland-directed upper detachment of a triangle zone that may hâve marked the frontal edge of the deformed belt at one point.

Introduction

The Moose Mountain Culmination, located 50 km west of Calgary in the Southern Alberta Foothills (figure 4.1), has been a productive oil and gas area for the last twenty years. This domal structure exposes a core of rugged carbonate cliffs, part of a repeated thrust stack that correspond to the uppermost thrust sheet of Paleozoic rocks in the area. The carbonate rocks exposed at surface belong to the Devonian Exshaw-Banff assemblage and the Carboniferous Rundle Group and hâve been studied and mapped regionally before (Beach, 1943; Newson and Sanderson, 2000). We présent here the resuit of a detailed mapping and structural analysis that we conducted from the Elbow River in the south to Coxhill Creek in the north (figure 4.2). The rugged surface exposures offer topographie relief of up to 800 m that enabled the création of a 2.5D model within which we were able to follow geological éléments laterally and explore the 3D continuity of a complex of folds, faults and fractures that extend across much of the study area. Régional cross-sections of fault-related folds, i.e. detachment, fault-bend and fault-propagation folds, do not portray well the 3D complexity of such structures. Over the last 50 years, numerous studies of the Foothills surface structures hâve been conducted and hâve proven to be very effective in providing new insights and exploration models as analog to subsurface hydrocarbon réservoirs. However, traditional régional mapping and studies of individual outerops hâve limitations, especially as it relates to the analysis of geometry and continuity of macroscale (10

(41)

1000 meters) structural features. To gain new insights into structures of that scale, that are possible analog to subtle gas réservoirs now being explored in Canada, we used new technologies, to enhance geological data thatwe collected through more traditional field surveys. To create a 3D model, we used an integrated method combining 2.5-D photogrammetric mapping with various classical geological methods such as field mapping, balanced cross-sections and surface contouring techniques (Lebel et al., 2001; Vuitton, 2000). This provided us with greater physical and geometrical control and a better conception of the spatial and chronological relationships between the different structural features. This in turn helped us propose a kinematic model for the development of complex fold/fault structures in the Moose Mountain culmination providing insight for the development of similar structures in fold and thrust belts around the world.

Exploration overview

The Moose Mountain structure has attracted exploration geologists since the beginning of the century. Over the years, 21 exploration wells hâve been spud on the structure and three separate pools are presently producing. The first geological surveys in the area were undertaken for coal exploration. Although a few coal seams were discovered, the focus shifted to oil exploration with the discovery the Turner Valley field in 1926. Many gas seepages were identified along Canyon Creek and Moose Dôme Creek, and in 1935, the first significant oil discovery was made. The most important economical hydrocarbon discovery was turned into production by Shell Canada at the beginning of 1980. The gas réservoirs are set in multiple thrust sheets (Newson, 2001) at 2500 meters depth. Ten years later, following a new interprétation of the anticlinorial structure, new targets were proposed and successfully tested for both oil and gas. This interprétation grew from the hypothesis of large-scale detachment folding over a large detachment zone seated in the Cambrian shales (Ower, 1975; Fitzgerald, 1985), assumed to be responsible forthe dôme surface morphology (Newson and Sanderson, 2000). Presently, Husky Energy produces from a new field located in the northern part of the area.