Lotsberg Formation: lithological and geochemical constraints for a prime H2 cavern target in Alberta, Canada

Abstract Homogenous and thick (approximately 40–170 m) halite intervals in the upper part of the Lotsberg Formation are most favored targets for hydrogen (H2) storage caverns in Alberta. However, repurposing cavern-making technologies for H2 storage must consider higher diffusivity and higher reactivity of H2, including its known dissolving effect on sulfate minerals and intense production of H2S through bacterial sulfate reduction. New core observations, geochemical and XRD data made on a continuous core through the upper informal member of the Lotsberg Formation and overlying red beds elucidate high content of anhydrite nodules and partings in these red beds, whereas the thick (42.9 m in our test well), exceptionally clean and homogeneous upper halite in this succession contains anhydrite only in trace amounts. A dolomarl-rich interval at 1894.0–1899.45 m, traced regionally as the L2 marker, represents a solution-collapse breccia, thus indicating an intraformational unconformity and an episode of meteoric salt removal prior to deposition of the upper-most halite of the Lotsberg Formation. If the cavern roof is made close to the overlying anhydritic dolostone of the Ernestina Lake Formation, reactivity of H2 may cause rapid dissolution of anhydrites leading to roof collapse, as well as accumulation of H2S through bacterial sulfate reduction. We infer that preserving a thick salt roof during cavern making may be a solution to prevent these damaging effects. Reactivity of H2 with carbonates in the caprock should also be considered. Anhydrite nodules also occur in the basal one-third of the upper Lotsberg, the interval containing more non-halite impurities than the upper salt unit of this member. In this part of the section, anhydrites do not seem to represent the same concern as they will be exposed to cavern-floor sump and cushion gas, whereas H2 reservoir can be operated within the limits of the clean and homogeneous upper halite of the upper Lotsberg Formation. Emplacement of horizontally elongated two-well caverns may represent an adequate way to overcome cavern size limitations, especially in overlying, thinner-bedded halites of the Prairie Evaporite Formation. Résumé Des intervalles homogènes et épais (d’environ 40 m à 170 m) d’halite dans la partie supérieure de la Formation de Lotsberg sont parmi les plus ciblés pour stocker l’hydrogène (H2) dans des cavités en Alberta. Cependant, adapter les technologies pour créer des cavernes de stockage de H2 doit considérer la diffusivité et la réactivité plus élevées de l’H2, y compris son effet dissolvant connu sur les minéraux sulfatés et son intense production de H2S par la sulfatoréduction bactérienne. De nouvelles observations sur les carottes avec données géochimiques et diffractions de rayon X faites sur une carotte continue à travers le membre supérieur officieux de la Formation de Lotsberg et des lits rouges sus-jacents élucident le contenu élevé de nodules et d’inclusions stériles dans ces lits rouges, tandis que le plan d’halite (de 42,9 m d’épaisseur de notre puits d’essai) de la partie supérieure de cette succession se révèle exceptionnellement propre et homogène et ne contient que des traces d’anhydrite. Un intervalle riche en marne dolomitique dans la partie comprise de 1894,0 m à 1899,45 m est l’horizon marqueur L2 au niveau régional. Celui-ci représente une brèche d’effondrement par dissolution, ce qui indique par conséquent une discordance intraformationnelle et un épisode d’élimination saline par météorisation avant le dépôt d’halite le plus élevé de la Formation de Lotsberg. Si le toit de la cavité est créé près de la dolomie anhydritique sus-jacente de la Formation d’Ernestina Lake, la réactivité de l’H2 pourrait causer une dissolution rapide des anhydrites et entraîner l’effondrement du toit, ainsi qu’à l’accumulation de H2S par la sulfatoréduction bactérienne. Nous supposons que la préservation d’un épais toit salin durant la création de cavités serait la solution pour prévenir ces effets dommageables. Nous devrions également considérer la réactivité de l’H2 avec les carbonates de la roche couverture. De plus, les nodules d’anhydrite se présentent également dans la tierce partie basale de la Formation de Lotsberg, l’intervalle contenant plus d’impuretés non liées à l’halite que l’halite de la partie supérieure de Lotsberg. Dans la partie de cette section, l’anhydrite ne semble pas représenter les mêmes préoccupations puisqu’elle sera exposée au puisard du fond de la cavité et au gaz-coussin, tandis que le réservoir H2 peut être exploité dans les limites de l’halite supérieure propre et homogène de la Formation de Lotsberg supérieure. L’emplacement de cavités à deux puits horizontaux allongés peut représenter un moyen adéquat pour résoudre les limites quant à la grandeur des cavités, en particulier lorsqu’il s’agit de minces lits d’halites sus-jacents de la Formation d’halite des Prairies. Michel Ory ACRONYMY AB Alberta AIHA Alberta’s Industrial Heartland Association CRM Critical Raw Minerals EPG Elk Point Group LNG Liquefied Natural Gas LPG Liquefied Petroleum Gas R&D Research and Development SK Saskatchewan UHS Underground Hydrogen Storage XRD X-ray diffraction WCSB Western Canada Sedimentary Basin

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