Volume 52, Number 3-4, 2025

EN:

Geological Carbon Sequestration (GCS) is viable within the Cambrian sandstone reservoir of southwestern Ontario but GCS will likely be limited in sequestration capacity and CO2 injectivity. Capacity and injectivity limitations will arise during CO2 injection because of the fluid-pressure responses induced within the Cambrian reservoir and the subsequent geomechanical-hydrogeological responses in the Precambrian basement. Any coupling between a pressurized reservoir overlying a critically stressed Precambrian basement can be expected to cause local microseismicity. In this context, the challenge is to optimize CO2 injection while minimizing microseismic responses.

The principal risks and responses to the development of the Cambrian sandstone that must be resolved beforehand are (i) the robust estimation of accessible pore space for the injected super-critical CO2; (ii) the limitation of the potential for fracturing or shear damage to the caprock that might allow leakage; (iii) the induced failure of seals in active, suspended or legacy oil and gas wells penetrating the reservoir allowing upward brine or CO2 migration; (iv) the buoyant transmission of CO2 along permeable or unclamped faults penetrating the reservoir; and, (v) any microseismicity induced by pressure increases penetrating critically-stressed basement rocks. Notwithstanding these risks, we believe the Cambrian sandstone is a viable CO2 reservoir for at least 10 megatonnes of CO2 sequestration annually.

The Ontario Government’s 2018 goal of 30% CO2 emissions reduction by 2030 must partly occur though industrial sequestration of CO2 within the Cambrian reservoir. However, to provide information critical for regulatory management of GCS, research is needed immediately to pave the way for CO2 injection operations if they are to have any role in industrial decarbonization. This article summarizes our weak understanding of these critical issues and proposes the development of a research borehole to provide much of the necessary information for regulatory management of CO2 injection. It will also aid the design and operation of CO2 injection hubs along the north shore of Lake Erie. In short, a site similar to the Aquistore site is needed for development of the Cambrian GCS reservoir in southwestern Ontario.

FR:

La séquestration géologique du carbone (SGC) est envisageable dans le réservoir de grès cambrien du sud-ouest de l’Ontario, mais sa capacité de séquestration et son injectivité seront probablement limitées. Ces limitations de capacité et d’injectivité surviendront lors de l’injection de CO2 en raison des changements de pression des fluides induites dans le réservoir cambrien, ainsi que des réponses géomécaniques et hydrogéologiques subséquentes dans le socle précambrien. Tout couplage entre un réservoir pressurisé surmontant un socle précambrien en condition de contrainte critique peut entraîner une micro-sismicité locale. Dans ce contexte, le défi consiste à optimiser l’injection de CO2 tout en minimisant les réponses micro-sismiques.

Les principaux risques et les réponses associés au développement du grès cambrien qui doivent être résolus au préalable incluent : (i) l'estimation fiable de l'espace poreux accessible pour le CO2 supercritique injecté; (ii) la limitation du risque de fracturation ou de cisaillement de la roche-couvercle, pouvant entraîner des fuites; (iii) la défaillance induite des scellés des puits de pétrole et de gaz actifs, suspendus ou hérités, qui traversent le réservoir et permettant la migration ascendante de la saumure ou du CO2; (iv) la migration ascendante du CO2 le long de failles perméables ou non bloquée traversant le réservoir; et (v) toute micro-sismicité induite par l’augmentation de pression dans les roches du socle en condition de contrainte critique. Malgré ces risques, nous estimons que le grès cambrien constitue un réservoir de CO2 viable pour la séquestration d’au moins 10 mégatonnes de CO2 par an.

L’objectif fixé par le gouvernement ontarien en 2018 d’une réduction de 30 % des émissions de CO2 d’ici 2030, doit en partie impliquer la séquestration industrielle de CO2 dans le réservoir cambrien. Toutefois, afin de fournir les informations essentielles à la gestion réglementaire du stockage géologique du CO2, des recherches doivent être entreprises rapidement pour préparer le terrain aux opérations d’injection de CO2 et faciliter leur rôle dans la décarbonisation industrielle. Cet article résume nos connaissances encore lacunaires sur ces enjeux critiques et propose le forage d’un « puit de recherche » afin de recueillir une grande partie des informations nécessaires à la gestion réglementaire des injections de CO2. Cette approche facilitera également la conception et à l’exploitation de pôles d’injection de CO2 le long de la rive nord du lac Érié. En bref, un site similaire à celui d’Aquistore est indispensable au développement du réservoir de stockage géologique du Cambrien dans le sud-ouest de l’Ontario.

EN:

The Grande Ronde Basalt (GRB) is the main volcanic phase of the Columbia River Basalt Group. It erupted in less than half a million years yet makes up more than 72% (150,000 km3) of this famous Cenozoic flood-basalt sequence. The Teepee Butte Member is one of the most representative components of the Grande Ronde Basalt. It includes extensive lava flows, a well-preserved ~100 km-long system of dykes and a vent complex. The vent complex consists of tephra, “Pele’s tears” (frozen lava droplets), bombs, shelly pāhoehoe flows, a lava lake and a feeder dyke. The Teepee Butte Member includes two high-MgO basalt flows with two intercalated low-MgO flows, collectively representing two cycles of high-MgO to low-MgO eruptions. The first high-MgO flow (Joseph Creek flow) was followed by a hiatus during which the magma chamber fractionated olivine, plagioclase and clinopyroxene (i.e. gabbroic fractionation) and later erupted a low-MgO flow and remnant lava lake. The first low-MgO flow, the Joseph Creek Lava Lake flow, advanced over 350 km nearly reaching the Columbia River Gorge. The magma chamber was subsequently recharged with a high-MgO magma which then erupted as the Pruitt Draw flow, which advanced nearly 500 km to the Portland Basin in Oregon. After the Pruitt Draw eruption waned, the remaining magma again fractionated and then erupted as a separate low-MgO flow termed the Dog Mountain flow. This also reached the Columbia River Gorge. The flows of the Teepee Butte Member exemplify multiple cycles of high-MgO - low-MgO lava flows that persisted throughout the eruption of the Grande Ronde Basalt. Field relationships and geochemical data suggest that the composition of the Grande Ronde Basalt magma chamber was relatively consistent over time, remaining close to the composition of the highest-MgO GRB flow, but periodically fractionated to produce low-MgO flows. We document at least ten such cycles of high-MgO to low-MgO flows within the GRB. Each cycle is characterized by recharge of high-MgO magma into the magma chamber and eruption followed by fractionation in the chamber, producing a low-MgO magma that subsequently erupted, prior to the next recharge event. Poor correlations between pairs of compatible and incompatible elements support a model of periodic recharge, tapping and fractionation. The low-MgO magma compositions that mark the end of each fractionation and recharge cycle are tightly clustered, suggesting that the low-MgO magmas represent the steady-state composition of the GRB magma system. Variations in Zr/Nb and Zr/Y through the 10 cycles are broadly consistent with gabbroic fractionation; however, they also suggest the presence of subtle heterogeneities within the mantle source region supplying the recharging magma. The end of the Grande Ronde Basalt eruptions is marked by a hiatus and compositional change of the magma source, the latter resulted in the eruption of the younger Fe- and Ti-rich flows of the Wanapum Basalt.

FR:

Le basalte de Grande Ronde (GRB, Grande Ronde Basalt en anglais) est la principale phase volcanique du groupe des basaltes du fleuve Columbia. Il a fait éruption en moins d’un demi-million d’années et représente pourtant plus de 72% (150 000 km3) de cette célèbre séquence de basaltes de plateau du Cénozoïque. Le membre de Teepee Butte est l’un des éléments les plus représentatifs du basalte de Grande Ronde. Il comprend d’importantes coulées de lave, un système de dykes bien préservé d’environ 100 km de long et un complexe de cheminées éruptives. Ce dernier est constitué de téphras, de “larmes de Pélé” (gouttelettes de lave solidifiées), de bombes volcaniques, de coulées pāhoehoe “en coquille”, d’un lac de lave et d’un dyke d'alimentation. Le membre de Teepee Butte comprend deux coulées de basalte riches en MgO avec deux coulées pauvres en MgO intercalaires, représentant collectivement deux cycles d’éruptions alternant entre des éruptions riches en MgO à pauvres en MgO. La première coulée riche en MgO (coulée de Joseph Creek) a été suivie d’un hiatus durant lequel la chambre magmatique a subi le fractionnement de l’olivine, du plagioclase et du clinopyroxène (c.-à.-d. un fractionnement gabbroïque), puis a donné naissance à une coulée pauvre en MgO et à un lac de lave résiduel. La première coulée pauvre en MgO, la coulée du lac de lave de Joseph Creek, a progressé sur plus de 350 km, atteignant presque les gorges du fleuve Columbia. La chambre magmatique a ensuite été rechargée par un magma riche en MgO, qui donna lieu à la coulée de Pruitt Draw, progressant sur près de 500 km jusqu’au basin de Portland en Oregon. Après l’extinction de l’éruption de Pruitt Draw, le magma restant a subi un nouveau fractionnement, puis a jailli sous la forme d’une coulée distincte pauvre en MgO, appelée coulée de Dog Mountain. Celle-ci a aussi atteint les gorges du fleuve Columbia. Les coulées du membre de Teepee Butte illustrent les multiples cycles de coulées de lave de haute à faible teneur en MgO qui ont persisté tout au long de l’éruption du basalte de Grande Ronde. Les relations observées sur le terrain et les données géochimiques suggèrent que la composition de la chambre magmatique du basalte de Grande Ronde est restée relativement constante au cours du temps, restant proche de la composition de la coulée la plus riche en MgO du GRB, mais périodiquement fractionnée pour produire des écoulements pauvre en MgO. Nous documentons au moins dix de ces cycles d’écoulements riches en MgO à pauvres en MgO au sein du GRB. Chaque cycle est caractérisé par la recharge de la chambre magmatique en magma riche en MgO et une éruption, suivies du fractionnement dans la chambre, produisant un magma pauvre en MgO qui est ensuite entré en éruption, avant la recharge suivante. De faible corrélations entre les paires d’éléments compatibles et incompatibles soutiennent un modèle de recharge, d’écoulement et de fractionnement périodiques. Les compositions magmatiques pauvres en MgO qui marquent la fin du cycle de recharge et de fractionnement sont très similaires, ce qui suggère que ces magmas pauvres en MgO représentent la composition stable du système magmatique du GRB. Les variations des rapports Zr/Nb et Zr/Y au cours des dix cycles sont globalement cohérentes avec un fractionnement gabbroïque ; cependant, elles suggèrent également la présence d'hétérogénéités subtiles dans la région source du manteau alimentant le magma de recharge. La fin des éruptions du basalte de Grande Ronde est marquée par un hiatus et un changement de composition de la source magmatique, ce dernier ayant entraîné l’éruption des coulées plus récentes, riches en Fe et Ti, du basalte de Wanapum.