Petrology and chemistry of the Chalten Plutonic Complex and implications on the magmatic and tectonic evolution of the Southernmost Andes (Patagonia) during the Miocene

Résumé Scientific:Pétrologie et Géochimie du Complexe Plutonique de Chaltén et les conséquences pour l'évolution magmatique et tectonique du Andes du Sud (Patagonia) pendant le MiocèneLe sujet de cette thèse est le Complexe Plutonique de Chaltén (CHPC), situé à la frontière entre le Chili et l'Argentine, en Patagonie (49°15'S). Ce complexe s'est mis en place au début du Miocène, dans un contexte de changements tectoniques importants. La géométrie et la vitesse de migration des plaques en Patagonie a été modifiée suite l'ouverture de la plaque Farallon il y a 25Ma (Pardo-Casas and Molnar 1987) et la subduction de la ride active du Chili sous la plaque sud-américaine il y a 14Ma (Cande and Leslie 1986). Les effets de cette reconfiguration tectonique sur la morphologie et le magmatisme de la plaque supérieure sont encore sujets à discussion. Dans ce contexte, un groupe d'intrusions miocènes - telle que le CHPC - est particulièrement intriguant, car en position transitionnelle entre le batholithe patagonien et l'arc volcanique cénozoïque et récent à l'ouest, et les laves de plateau de Patagonie à l'est (Fig. 1). A cause de leur position tectonique transitoire, ces plutons isolés hors du batholithe représentent un endroit clé pour comprendre les interactions entre la tectonique à large échelle et le magmatisme en Patagonie. Ici, je présente de nouvelles données de terrain, petrologiques, géochimiques et géochronologiques dans le but de caractériser la nature du CHPC, qui était largement inconnu avant cette étude, dans le but de tester l'hypothèse de migration de l'arc et erosion par subduction.Les résultats de l'investigation géochimique (chapitre 2) montrent que le CHPC n'est qu'un exemple parmi les plutons isolés d'arrière arc ave une composition calco-alcaline caractéristique, c-à-d une signature d'arc. La plupart de ces plutons isolés ont une composition alcaline. Le CHPC, contrairement, a une signature calco-alcaline avec Κ intermédiaire, tel que le batholithe patagonien et la plupart des roches volcaniques quaternaires liées à l'arc le long des Andes.De nouvelles données géochronologiques U-Pb de haute précision sur des zircons, acquis par TIMS, sur le CHPC donnent des âges entre 17.0 et 16.4Ma. Les âges absolus sont en accord avec la séquence intrusive déduite des relations de terrain (chapitre 1). Ces données sont les premières contraintes d'âge U-Pb sur le CHPC. Elles montrent clairement que l'histoire magmatique du CHPC n'a pas de lien direct avec la subduction de la ride à cette latitude (Cande and Leslie 1986), car le complexe est au moins 6Ma plus ancien.Une comparaison en profondeur avec les autres intrusions d'âge Miocène en Patagonie révèlent - pour la première fois - une évolution temporelle intéressante. Il y a une tendance E-W distincte au magmatisme calco-alcalin entre 20-16Ma avec une diminution de l'âge vers l'est - le CHPC est l'expression la plus orientale de cette tendance. Je suggère que la relation espace-temps reflète une migration vers l'est (vers le continent) de l'arc magmatique. Je propose que le facteur principal contrôlant cette migration est la subduction rapide suite à la reconfiguration de la vitesse des plaques tectoniques après l'ouverture la plaque Farallon (à ~26Ma) qui résulterait en une déformation importante ainsi qu'à des taux élevés d'érosion dans la fosse de subduction.Les rapports d'isotopes radiogéniques (Pb, Sr, Nd) élevés, une signature 6018 basse et un rapport Th/La élevé sont des paramètres distinctifs pour les roches mafiques du CHPC. Le modèle isotopique présenté (chapitre 2) suggère que cette signature reflète une contamination de la source, dans le coin de manteau, plutôt qu'une contamination crustale. La signature des éléments en trace du CHPC indiquent que le coin de manteau a été contaminé par des composés terrigènes, le plus vraisemblablement par des sédiments paléozoïques.Les travaux de terrain, la pétrographie et la géothermobarométrie ont été utilisés dans le but de comprendre l'histoire interne du CHPC (chapitre 3). Ces données suggèrent deux niveaux distincts de cristallisation : l'un dans la croûte moyenne (6 à 4.5kbar) et l'autre à un niveau peu profond (3.5 à 2kbar). La modélisation isotopique AFC de la contamination crustale indique des taux variables d'assimilation, qui ne sont pas corrélés avec le degré de différenciation. Cela suggère que différents volumes de magma se sont différenciés en profondeur, de façon indépendante. Cela implique que le CHPC se serait formés en plusieurs puises de magmas provenant d'au moins trois sources différentes. Les textures des granodiorites et des granites indiquent des teneurs élevées en cristaux avant la mise en place et, par conséquent, des températures d'emplacement faibles. Les observations de terrain montrent que les roches mafiques sont déformées, alors que ce n'est pas le cas pour les granodiorites et granites (plus jeunes). La déformation des roches mafiques est encore sujet de recherche, afin de savoir si elle est liée à la déformation régionale en régime compressif ou à l'emplacement lui-même. Cependant, la mise en place de grand volume de magma felsique riche en cristaux suggère un régime d'extension.Scientific Abstract:Petrology and chemistry of the Chaltén Plutonic Complex and implications on the magmatic and tectonic evolution of the Southernmost Andes (Patagonia) during the MioceneThe subject of this thesis is the Chaltén Plutonic Complex (CHPC) located at the frontier between Chile and Argentina in Patagonia (at 49° 15 'Southern latitude). This complex intruded during early Miocene in a context of major tectonics changes. The plate geometry of Patagonia has been modified by changes in the plate motions after the break up of the Farallôn plate at 25Ma (Pardo-Casas and Molnar 1987) and by the subduction of the Chile spreading Ridge beneath South-America at 14 Ma (Cande and Leslie 1986). The effects of this tectonic setting on the morphology and the magmatism of the overriding plate are a matter of on-going discussion. Particularly intriguing in this context is a group of isolated Miocene intrusions - like the CHPC - which are located in a transitional position between the Patagonian Batholith and the Cenozoic and Recent volcanic arc in the West, and the Patagonian plateau lavas in the East (Fig. 1). Due to their transient tectonic position these isolated plutons outside the batholith represent a key to understanding the interaction between global-scale tectonics and magmatism in Patagonia. Here, I present new field, penological, geochemical and geochronological data to characterize the nature of the CHPC, which was largely unknown before this study, in order to test the hypothesis of time- transgressive magmatism.The results of the geochemical investigation (Chapter 2) show that the CHPC is only one among these isolated back-arc plutons with a characteristic calc-alkaline composition, i.e. arc signature. Most of these isolated intrusives have an alkaline character. The CHPC, in contrast, has a medium Κ calc-alkaline signature, like the Patagonian batholith and most of the Quaternary arc-related volcanic rocks along the Andes.New high precision TIMS U-Pb zircon dating of the CHPC yield ages between 17.0 to 16.4 Ma. The absolute ages support the sequence of intrusion relations established in the field (Chapter 1). These data are the first U-Pb age constraints on the CHPC, and clearly show that the magmatic history of CHPC has no direct link to the subduction of the ridge, since this complex is at least 6 Ma older than the time of collision of the Chile ridge at this latitude (Cande and Leslie 1986).An in-depth comparison with other intrusion of Miocene age in Patagonia reveals - for the first time - an interesting temporal pattern. There is a distinct E-W trend of calc-alkaline magmatism between 20-16 Ma with the younging of ages in the East - the CHPC is the easternmost expression of this trend. I suggest that this time-space relation reflects an eastward (landward) migration of the magmatic arc. I propose that main factor controlling this migration is the fast rates of subduction after the major reconfigurations of the plate tectonic motions after the break up of the Farallôn Plate (at -26 ) resulting in strong deformation and high rates of subduction erosion.High radiogenic isotope ratios (Pb, Sr, Nd) ratios, low 5018 signature and high Th/La ratios in mafic rocks are distinctive features of the CHPC. The presented isotopic models (Chapter 2) suggest that this signature reflects source contamination of the mantle wedge rather than crustal contamination. The trace element signature of the CHPC indicates that the mantle wedge was contaminated with a terrigenous component, most likely from Paleozoic sediments.Fieldwork, petrography and geothermobarometry were used to further unravel the internal history of the CHPC (Chapter 3). These data suggest two main levels of crystallization: one a mid crustal levels (6 to 4.5 kbar) and other a shallow level (3.5 to 2 kbar). Isotopic AFC modeling of crustal contamination indicate variable rates of assimilation, which are not correlated with the degree of differentiation. This suggests that different batches of magma differentiate independently at depths. This implies that the CHPC would have formed by several pulses of magmas from at least 3 different sources. Textures of granodiorites and granites indicate a high content of crystals previous to the emplacement and consequently low emplacement temperatures. Field observations show that the mafic rocks are deformed, whereas the (younger) granodiorites and granites are not. It is still subject of investigation whether the deformation of the mafic rocks is related to regional deformation during a compressional regime or to the emplacement it self. However, the emplacement of huge amount of crystal rich felsic magmas suggests an extensional regime.Résumé Grand PublicPétrologie et Géochimie du Complexe Plutonique de Chaltén et les conséquences pour l'évolution magmatique et tectonique du Andes du Sud (Patagonia) pendant le MiocèneLe Complexe Plutonique de Chaltén (CHPC) est un massif montagneux situé à 49°S à la frontière entre le Chili et l'Argentine, en Patagonie (région la plus au sud de l'Amérique du Sud). Il est composé de montagnes qui peuvent atteindre plus de 3000 mètres d'altitude, telles que le Cerro Fitz Roy (3400m) et le Cerro Torre (3100m). Ces montagnes sont composées de roches plutoniques, c.-à-d. des magmas qui se sont refroidis et ont cristallisés sous la surface terrestre.La composition chimique de ces roches montre que les magmas, qui ont formé ce complexe plutonique, font partie d'un volcanisme d'arc. Celui-ci se forme lorsqu'une plaque océanique plonge sous une plaque continentale. Les géologues appellent ce processus « subduction ». Dans un tel scénario, le manteau terrestre, qui se fait prendre entre ces deux plaques, fond pour former ainsi du magma. Ce magma remonte à travers la plaque continentale vers la surface. Si celui-ci atteint la surface, il forme les roches volcaniques, comme par exemple des laves. S'il n'atteint pas la surface, le magma se refroidit pour former finalement les roches plutoniques.Le long de la marge ouest d'Amérique du Sud, la plaque Nazca - qui se situe au sud-est de la plaque océanique pacifique - passe en dessous de la plaque d'Amérique du Sud. La bordure ouest du sud de la plaque sud-américaine a également été affectée par d'autres processus tectoniques, tels que des changements dramatiques dans les déplacements de plaques (il y a 25Ma) et la collision de la ride du Chili (depuis 15 Ma jusqu'à aujourd'hui). Ces caractéristiques tectoniques et magmatiques font de cette région un haut lieu pour les géologues. La plaque Nazca, s'est formée suite à l'ouverture d'une plaque océanique plus ancienne, il y a 25Ma. Cette ouverture est liée aux vitesses de subduction les plus rapides jamais connues. La ride du Chili est l'endroit où le sol de l'Océan Pacifique s'ouvre, formant deux plaques océaniques : les plaques Nazca et Antarctique. La ride du Chili subducte sous la plaque sud-américaine depuis 15Ma, en association avec la formation de grands volumes de magma ainsi que des changements morphologiques importants. La question de savoir lequel de ces changements tectoniques globaux affecte la géologie et la géographie de Patagonie a été, et est encore, discutée pendant de nombreuses années. De nombreux chercheurs suggèrent que la plupart des caractéristiques morphologiques et magmatiques en Patagonie sont liés à la subduction de la ride du Chili, mais cette suggestion est encore débattue comme le montre notre étude.Le batholithe de Patagonie du sud (SPB) est un énorme massif composé de roches plutoniques et il s'étend tout au long de la côte ouest de Patagonie (au sud de 47°S). Ces roches correspondent certainement aux racines d'un ancien arc volcanique, qui a été soulevé et érodé. Le CHPC, ainsi que d'autres petites intrusions dans la région, se situe dans une position exotique, à 100km à l'est du SPB. Certains chercheurs suggèrent que ces intrusions pourraient être liées à la subduction de la ride du Chili.Afin de débattre de cette problématique, nous avons utilisé différentes méthodes géochronologiques pour déterminer l'âge du CHPC et le comparer (a) à l'âge des roches intrusives similaires du SPB et (b) à l'âge de la collision de la ride du Chili. Dans ce travail, nous prouvons que le CHPC s'est formé au moins 7Ma avant la collision avec la ride du Chili. Sur la base des âges du CHPC et de la composition chimique de ses roches et minéraux, nous proposons que le CHPC fait partie d'un arc volcanique ancien. La migration de l'arc volcanique plus profondément dans le continent résulte de la grande vitesse de subduction entre 25 et lOMa. Des caractéristiques évidentes pour un tel processus - telles qu'une déformation importante et une vitesse d'érosion élevée - peuvent être rencontrées tout au long de la bordure ouest de l'Amérique du sud.

High precision U/Pb zircon dating of the Chalten Plutonic Complex (Cerro Fitz Roy, Patagonia) and its relationship to arc migration in the southernmost Andes

We report new high-precision U/Pb ages and geochemical data from the Chalten Plutonic Complex to better understand the link between magmatism and tectonics in Southern Patagonia. This small intrusion located in the back-arc region east of the Patagonian Batholith provides important insights on the role of arc migration and subduction erosion. The Chalten Plutonic Complex consists of a suite of calc-alkaline gabbroic to granitic rocks, which were emplaced over 530 kyr between 16.90 +/- 0.05 Ma and 16.37 +/- 0.02 Ma. A synthesis of age and geochemical data from other intrusions in Patagonia reveals (a) striking similarities between the Chalten Plutonic Complex and the Neogene intrusions of the batholith and differences to other back-arc intrusions such as Torres del Paine (b) a distinct E-W trend of calc-alkaline magmatic activity between 20 and 17 Ma. We propose that this trend reflects the eastward migration of the magmatic arc, and the consistent age pattern between the subduction segments north and south of the Chile triple junction suggests a causal relation with a period of fast subduction of the Farallon-Nazca plate during the Early Miocene. Previously proposed flat slab models are not consistent with the present location and morphology of the Southern Patagonian Batholith. We advocate, alternatively, that migration of the magmatic arc is caused by subduction erosion due to the increasing subduction velocities during the Early Miocene.

The Exotic Palaeo-Thethys Terrane in Central Iran: New geological data from Anarak, Jandaq and Posht-e-Badam areas

Résumé Le « terrane » d'Anarak-Jandak occupe une position géologique clé au nord-ouest du Microcontinent Centre-East Iranien (CE1M), connecté avec le Bloc du Grand Kavir et la ceinture métamorphique de Sanandaj-Sirjan. Nous discutons ici l'origine de ces différentes unités, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, pour conclure finalement de leur affinité paléotéthysienne. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur-Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des blocs Cimmériens dérivé du Gondwana avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique (événement Eocimmérien). La plus importante unité métamorphique affleurant au sud-ouest de la région de Jandak-Anarak-Kaboudan est une épaisse séquence silicoclastique à grains fins contenant des blocs ophiolitiques (marginal-sea-type), et des associations basalte-gabbro à signatures géochimiques de type supra-subduction. Dans la région de Nakhlak, nous avons daté ces gabbros par la méthode U-Pb à 387f0.11 Ma ; les roches métamorphiques pélitiques ont donné des âges de refroidissement Ar-Ar pour la muscovite de 320 à 333 Ma. Ce complexe d'accrétion "varisque" a été métamorphisé dans le faciès schiste vert-amphibolite au cours de l'accrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma par la méthode U/Pb), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du terrane d'Anarak-Jandak . La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléazoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de guyots (Anarak, Kaboudan, et Meraji Seamounts) et de hauts sous-marins, entrés en collision oblique avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries {âges Ar-Ar de 280 à 230 Ma). De plus, le magmatisme bimodal de Chah Gorbeh est caractérisé d'une part par des roches de type trondjémite-gabbros (262 Ma), d'autre part par des laves en coussin de type basaltes alcalins-rhyolites; ces roches magmatiques ont recoupé l'ophiolite d'Anarak lors de la mise en place de cette dernière dans la fosse interne de subduction. Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, i1 a été accrété le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge probable Triasique. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé dans les dépôts infra-arc Dévonien supérieur-Carbonifère de Godar-e-Siah, ainsi que dans la succession d'avant-arc de Nakhlak. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région de Jandak a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, elle-même comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites d'arc à collisionnel datés à 215±15 Ma. Dans la région de Yazd, témoin de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur; il en a été de même pour les dépôts de plate-forme Paléozoïque supérieur. L'érosion, qui dans ce dernier cas a atteint le Permien, pourrait être liée au bombement flexural de la marge passive. La collision finale n'a pas induit de déformations trop importantes, et se caractérise par la mise en place de nappes sur la marge passive. Cet événement est scellé par des dépôts molassique du Lias. D'un point de vue régional, la zone s'étendant actuellement de la Mer Noire au Pamir a été soumise à six épisodes d'extension-compression du Jurassique inférieur (début du l'ouverture en position arrière-arc de la Néotéthys) à l'Eocène moyen. Par exemple, le terrane d'AnarakJandak, probablement situé entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de sa patrie d'origine au début du Crétacé supérieur. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries de plate-forme de Khur (préservation de séries syn-rift puis de marge passive). Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont de plus interprétée comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation par la plaque indienne de l'Eurasie a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent Iranien et de la formation du CEIM. Cette rotation est responsable du transport du terrane d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle en Iran Central, et de la dislocation de Terranes de moindre importance, comme le bloc de Posht-e Badam. Depuis le Miocène supérieur, et à la suite de la collision entre l'Arabie et l'Iran, le ternane d'Anarak-Jandak a subi des déformations liées à l'activité d'une zone de cisaillement dextre parallèle à la suture du Zagros, à l'arrière de l'arc magmatique d'Uromieh-Dokhtar. Résumé large public Le Microcontinent Centre-Est Iranien occupe une position géologique clé au centre de l'Iran. Les différentes unités qui le composent, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, sont maintenant rajeunies et liés à la fermeture de l'océean Paléotéthys. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur à Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des- blocs Cimmériens, dérivés du Gondwana, avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique. Dans la marge active asiatique de la Paléotéthys, nous avons daté les restes d'un océan marginal à 387±0.11 Ma. Ce complexe d'accrétion a été métamorphisé au cours de la réaccrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du « terrane » d'Anarak-Jandak correspondant à la plus grande partie de la région étudiée. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé et daté du Dévonien supérieur-Carbonifère. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites datés à 215±15 Ma. La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléozoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de volcans sous-marins, entrés en collision avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries (280 à 230 Ma). Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, il a été mis en place le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge Triasique. Dans la région de Yazd, on trouve les témoins de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur, marqué par la flexuration de la marge passive lorsqu'elle rentra en collision avec la marge active asiatique. Cet événement est scellé par des dépôts molassique à charbon du Lias. Le «terrane» d'Anarak-Jandak, probablement situé à l'origine entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de cette région au début du Crétacé supérieur lors de l'ouverture d'un bassin d'arrière-arc, engendré, cette fois, par la subduction de l'océan Néotéthys situé au sud des blocs cimmériens. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries syn-rift, puis de marge passive de Khour. Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont interprétées comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation de l'Eurasie par la plaque indienne a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent centre-Iranien. Cette rotation de près de 90° est responsable du transport du « terrane » d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle. Abstract The Anarak-Jandaq terrane occupies a strategic geological situation at the north-western part of the Central-East Iranian Microcontinent (CEIM) and in connection with the Great Kavir Block and Sanandaj-Sirjan metamorphic belt. Our recent findings redefine the origin of these mentioned areas so far attributed to the Precambrian-Early Palaeozoic orogenic episodes, to be now directly related to the tectonic evolution of the Palaeo-Tethys Ocean, commenced by Late Ordovician-Early Devonian rifting events and terminated in the Triassic by the Eocimmerian tectonic event due to the collision of the Cimmerian blocks with the Asiatic Turan block. The most distributed metamorphic unit that is exposed from the south-west of Jandaq to the Anarak and Kaboudan areas is a thick and fine grain siliciclastic sequence accompanied by marginal-sea-basin ophiolitic blocks including basalt-gabbro association with supra-subduction-geochemical signature. These gabbros in the Nakhlak area were dated by U/Pb method at 387.6 ± 0.11 Ma and the metamorphic pelitic rocks yielded a range of 320 to 333 Ma muscovite-cooling ages based on 40Ar/39 Ar method. This "Variscan" accretionary complex was metamorphosed in greenschist-amphibolite facies during accretion to the Lower Cambrian Airekan granitic belt (549 ± 15 Ma by U/Pb method) that crops out at the northwestern edge of the Anarak-Jandaq terrane. Continued northward subduction of the Palaeo-Tethys Ocean during the entire Late Palaeozoic-Middle Triassic brought huge amount of oceanic material to the subduction zone. One chain of Carboniferous-Triassic oceanic rises and seamounts (the Anarak, Kaboudan, and Meraji Seamounts) obliquely collided with the accretionary wedge and created a mild HP metamorphic event (280-230 Ma based on 40Ar/39Ar results). Bimodal magmatism of the Chah Gorbeh area is characterized by a 262 Ma trondjemite-gabbro as well as pillow alkalibasalts-rhyolites which intruded the Anarak ophiolite when it was being emplaced within the inner-wall trench. The mainly Late Permian-Triassic Doshakh wedge was accreted along the continent and metamorphosed under lower greenschist facies and the probable Triassic Bayazeh flysch filled the foreland basin during the final closure. The Palaeo-Tethys magmatic arc products have been well preserved in the Late Devonian-Carboniferous Godar-e-Siah intra-arc deposits and the Triassic Nakhlak fore-arc succession. During the Late Palaeozoic-Triassic times, the Jandaq area has been affected by back-arc extension and probably the Arusan ophiolitic belt is the remnant of this narrow basin comparable to the Aqdarband ophiolitic remnant in north-east Iran. This metamorphic belt was intruded by 215 ± 15 Ma arc to collisional granites. In the passive margin of the Cimmerian block, on the Yazd region, the Silurian-Early Devonian syn-rift succession as well as the nearly continuous Upper Palaeozoic platform-type deposition was interrupted during the Middle to Late Triassic time, local erosion down to Devonian levels may be related to flexural bulge erosion. The collision event was not so strong to generate intensive deformation but was accompanied by some nappe thrusting onto the passive margin. It is finally unconformably covered by Liassic continental molassic deposits. Related to the onset of Neo-Tethyan back-arc opening in Early Jurassic to Mid-Eocene times, six periods of extensional-compressional events have differently influenced an elongated area, extending from the West Black Sea to Pamir. The Anarak-Jandaq terrane which was situated somewhere in this affected area, probably between the Kopeh Dagh and North Afghan platform, was completely detached from its source at the beginning of the Late Cretaceous

Structure et évolution thermique de la croûte supérieure des chaînes de subduction : approches thermologique et modélisation numérique, dans les North Cascades (U.S.A) et de la zone de faille Motagua (Guatemala)

Cette thèse cible l'étude de la structure thermique de la croûte supérieure (<10km) dans les arcs magmatiques continentaux, et son influence sur l'enregistrement thermochronologique de leur exhumation et de leur évolution topographique. Nous portons notre regard sur deux chaînes de montagne appartenant aux Cordillères Américaines : Les Cascades Nord (USA) et la zone de faille Motagua (Guatemala). L'approche utilisée est axée sur la thermochronologie (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, couplée avec la modélisation numérique de la structure thermique de la croûte. Nous mettons en évidence la variabilité à la fois spatiale et temporelle du gradient géothermique, et attirons l'attention du lecteur sur l'importance de prendre en compte la multitude des processus géologiques perturbant la structure thermique dans les chaînes de type cordillère, c'est à dire formées lors de la subduction océanique sous un continent.Une nouvelle approche est ainsi développée pour étudier et contraindre la perturbation thermique autour des chambres magmatiques. Deux profiles âge-elevation (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, ont été collectées 7 km au sud du batholithe de Chilliwack, Cascades Nord. Les résultats montrent une variabilité spatiale et temporelle du gradient géothermique lors de l'emplacement magmatique qui peut être contrainte et séparé de l'exhumation. Durant l'emplacement de l'intrusion, la perturbation thermique y atteint un état d'équilibre (-80-100 °C/km) qui est fonction du flux de magma et de ia distance à la source du magma, puis rejoint 40 °C/km à la fin du processus d'emplacement magmatique.Quelques nouvelles données (U-Th)/He, replacées dans une compilation des données existantes dans les Cascades Nord, indiquent une vitesse d'exhumation constante (-100 m/Ma) dans le temps et l'espace entre 35 Ma et 2 Ma, associée à un soulèvement uniforme de la chaîne contrôlé par l'emplacement de magma dans la croûte durant toute l'activité de l'arc. Par contre, après ~2 Ma, le versant humide de la chaîne est affecté par une accélération des taux d'exhumation, jusqu'à 3 km de croûte y sont érodés. Les glaciations ont un triple effet sur l'érosion de cette chaîne: (1) augmentation des vitesses d'érosion, d'exhumation et de soulèvement la où les précipitations sont suffisantes, (2) limitation de l'altitude contrôlé par la position de Γ Ε LA, (3) élargissement du versant humide et contraction du versant aride de la chaîne.Les modifications des réseaux de drainage sont des processus de surface souvent sous-estimés au profil d'événements climatiques ou tectoniques. Nous proposons une nouvelle approche couplant une analyse géomorphologique, des données thermochronologiques de basse température ((U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon), et l'utilisation de modélisation numérique thermo-cinématique pour les mettre en évidence et les dater; nous testons cette approche sur la gorge de la Skagit river dans les North Cascades.De nouvelles données (U-Th)/He sur zircons, complétant les données existantes, montrent que le déplacement horizontal le long de la faille transformante continentale Motagua, la limite des plaques Caraïbe/Amérique du Nord, a juxtaposé un bloc froid, le bloc Maya (s.s.), contre un bloque chaud, le bloc Chortis (s.s.) originellement en position d'arc. En plus de donner des gammes d'âges thermochronologiques très différents des deux côtés de la faille, le déplacement horizontal rapide (~2 cm/a) a produit un fort échange thermique latéral, résultant en un réchauffement du côté froid et un refroidissement du côté chaud de la zone de faille de Motagua.Enfin des données (U-Th-Sm)/He sur apatite témoignent d'un refroidissement Oligocène enregistré uniquement dans la croûte supérieure de la bordure nord de la zone de faille Motagua. Nous tenterons ultérieurement de reproduire ce découplage vertical de la structure thermique par la modélisation de la formation d'un bassin transtensif et de circulation de fluides le long de la faille de Motagua. - This thesis focuses on the influence of the dynamic thermal structure of the upper crust (<10km) on the thermochronologic record of the exhumational and topographic history of magmatic continental arcs. Two mountain belts from the American Cordillera are studied: the North Cascades (USA) and the Motagua fault zone (Guatemala). I use a combined approach coupling apatite and zircon (U-Th-Sm}/He thermochronology and thermo- kinematic numerical modelling. This study highlights the temporal and spatial variability of the geothermal gradient and the importance to take into account the different geological processes that perturb the thermal structure of Cordilleran-type mountain belts (i.e. mountain belts related to oceanic subduction underneath a continent}.We integrate apatite and zircon (U-Th)/He data with numerical thermo-kinematic models to study the relative effects of magmatic and surface processes on the thermal evolution of the crust and cooling patterns in the Cenozoic North Cascades arc (Washington State, USA). Two age-elevation profiles that are located 7 km south of the well-studied Chiliiwack intrusions shows that spatial and temporal variability in geothermal gradients linked to magma emplacement can be contrained and separated from exhumation processes. During Chiliiwack batholith emplacement at -35-20 Ma, the geothermal gradient of the country rocks increased to a very high steady-state value (80-100°C/km), which is likely a function of magma flux and the distance from the magma source area. Including temporally varying geothermal gradients in the analysis allows quantifying the thermal perturbation around magmatic intrusions and retrieving a relatively simple denudation history from the data.The synthesis of new and previously published (U-Th)/He data reveals that denudation of the Northern Cascades is spatially and temporally constant at -100 m/Ma between ~32 and ~2 Ma, which likely reflects uplift due to magmatic crustal thickening since the initiation of the Cenozoic stage of the continental magmatic arc. In contrast, the humid flank of the North Cascades is affected by a ten-fold acceleration in exhumation rate at ~2 Ma, which we interpret as forced by the initiation of glaciations; around 3 km of crust have been eroded since that time. Glaciations have three distinct effects on the dynamics of this mountain range: (1) they increase erosion, exhumation and uplift rates where precipitation rates are sufficient to drive efficient glacial erosion; (2) they efficiently limit the elevation of the range; (3) they lead to widening of the humid flank and contraction of the arid flank of the belt.Drainage reorganizations constitute an important agent of landscape evolution that is often underestimated to the benefit of tectonic or climatic events. We propose a new method that integrates geomorphology, low-temperature thermochronometry (apatite and zircon {U-Th-Sm)/He), and 3D numerical thermal-kinematic modelling to detect and date drainage instability producing recent gorge incision, and apply this approach to the Skagit River Gorge, North Cascades.Two zircon (U-Th)/He age-elevation profiles sampled on both sides of the Motagua Fault Zone (MFZ), the boundary between the North American and the Caribbean plates, combined with published thermochronological data show that strike-slip displacement has juxtaposed the cold Maya block (s.s.) against the hot, arc derived, Chortis block (s.s ), producing different age patterns on both sides of the fault and short-wavelength lateral thermal exchange, resulting in recent heating of the cool side and cooling of the hot side of the MFZ.Finally, an apatite (U-Th-Sm)/He age-elevation profile records rapid cooling at -35 Ma localized only in the upper crust along the northern side of the Motagua fault zone. We will try to reproduce these data by modeling the thermal perturbation resulting from the formation of a transtensional basin and of fluid flow activity along a crustal- scale strike-slip fault.

The Anarak, Jandaq and Posht-e-Badam metamorphic complexes in central Iran: New geological data, relationships and tectonic implications

The Anarak, Jandaq and Posht-e-Badam metamorphic complexes occupy the NW part of the Central-East Iranian Microcontinent and are juxtaposed with the Great Kavir block and Sanandaj-Sirjan zone. Our recent findings redefine the origin of these complexes, so far attributed to the Precambrian-Early Paleozoic orogenic episodes, and now directly related to the tectonic evolution of the Paleo-Tethys Ocean. This tectonic evolution was initiated by Late Ordovician-Early Devonian rifting events and terminated in the Triassic by the Eocimmerian collision event due to the docking of the Cimmerian blocks with the Asiatic Turan block. The ``Variscan accretionary complex'' is a new name we proposed for the most widely distributed metamorphic rocks connected to the Anarak and Jandaq complexes. This accretionary complex exposed from SW of Jandaq to the Anarak and Kabudan areas is a thick and fine grain siliciclastic sequence accompanied by marginal-sea ophiolitic remnants, including gabbro-basalts with a supra-subduction-geochemical signature. New Ar-40/Ar-39 ages are obtained as 333-320 Ma for the metamorphism of this sequence under greenschist to amphibolite facies. Moreover, the limy intercalations in the volcano-sedimentary part of this complex in Godar-e-Siah yielded Upper Devonian-Tournaisian conodonts. The northeastern part of this complex in the Jandaq area was intruded by 215 +/- 15 Ma arc to collisional granite and pegmatites dated by ID-TIMS and its metamorphic rocks are characterized by Some Ar-40/Ar-39 radiometric ages of 163-156 Ma. The ``Variscan'' accretionary complex was northwardly accreted to the Airekan granitic terrane dated at 549 +/- 15 Ma. Later, from the Late Carboniferous to Triassic, huge amounts of oceanic material were accreted to its southern side and penetrated by several seamounts such as the Anarak and Kabudan. This new period of accretion is supported by the 280-230 Ma Ar-40/Ar-39 ages for the Anarak mild high-pressure metamorphic rocks and a 262 Ma U-Pb age for the trondhjemite-rhyolite association of that area. The Triassic Bayazeh flysch filled the foreland basin during the final closure of the Paleo-Tethys Ocean and was partly deposited and/or thrusted onto the Cimmerian Yazd block. The Paleo-Tethys magmatic arc products have been well-preserved in the Late Devonian-Carboniferous Godar-e-Siah intra-arc deposits and the Triassic Nakhlak fore-arc succession. On the passive margin of the Cimmerian block, in the Yazd region, the nearly continuous Upper Paleozoic platform-type deposition was totally interrupted during the Middle to Late Triassic. Local erosion, down to Lower Paleozoic levels, may be related to flexural bulge erosion. The platform was finally unconformably covered by Liassic continental molassic deposits of the Shemshak. One of the extensional periods related to Neo-Tethyan back-arc rifting in Late Cretaceous time finally separated parts of the Eocimmerian collisional domain from the Eurasian Turan domain. The opening and closing of this new ocean, characterized by the Nain and Sabzevar ophiolitic melanges, finally transported the Anarak-Jandaq composite terrane to Central Iran, accompanied by large scale rotation of the Central-East Iranian Microcontinent (CEIM). Due to many similarities between the Posht-e-Badam metamorphic complex and the Anarak-Jandaq composite terrane, the former could be part of the latter, if it was transported further south during Tertiary time. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Contribution to the geology of Southern Turkey: new insights from the Mersin mélanges and from the Lycian and Antalya nappes

Abstract The study of fossil Tethyan continental margins implies the consideration of the oceanic domains to which they were connected. The advent of plate tectonics confirmed the importance of the detection of accretion-related mélanges. Ophiolitic mélanges are derived from both an upper ophiolitic obducting plate and a lower oceanic plate. Besides ophiolitic elements, the mélanges may incorporate parts of a magmatic arc and dismembered fragments of a passive continental margin. As the lower plate usually totally disappears during the obduction process, it can only be reconstructed from its elements found in the mélanges. Because of their key location at active margin boundaries, preserved accretion-related mélanges provide strong constraints on the geological evolution of former oceanic domains and their adjacent margins. The identification of Palaeotethyan remnants as accretionary series or reworked during the Late Triassic Eo-Cimmerian event, as well as the recognition of HugluPindos marginal sequences in southern Turkey and in the external Hellenides represent the main achievements of this work, making possible to establish new palaeogeographical correlations. The Mersin mélanges (Turkey), together with the Antalya and Mamonia (Cyprus) domains, are characterized by a series of exotic units found now south of the main Taurus range and compose the South-Taurides Exotic Units. The Mersin mélanges are subdivided in a Triassic and a Late Cretaceous unit. These units consist of the remnants of three major Tethyan oceans, the Palaeotethys, the Neotethys and the Huglu-Pindos. The definition and inventory of the Upper Antalya Nappes (Turkey) are still a matter of controversies and often conflicting interpretations. The recognition of Campanian radiolarians on top of the Kerner Gorge unit directly overlain by the Ordovician Seydi§ehir Fm. of the Tahtah Dag Nappe outlines a tectonic contact and demonstrates that the Upper Antalya Nappes system is composed of three different nappes, the Kerner Gorge, Bakirli and the Tahtah Dag nappes. Additionally, a limestone block in a doubtful tectonic position at the base of the Upper Antalya Nappes yielded for the first time two middle Viséan associations of foraminifers and problematic algae. The Tavas Nappe in the Lycian Nappes (Turkey) is classically divided into the Karadag, Teke Dere, Köycegiz and Haticeana units. As for the Mersin mélanges, the Tavas Nappe is highly composite and includes dismembered units belonging to the Palaeotethyan, Neotethyan and HugluPindos realms. The Karadag unit consists of a Gondwana-type platform succession ranging from the Late Devonian to the Late Triassic. It belongs to the Cimmerian Taurus terrane and was part of the northern passive margin of the Neotethys. The Teke Dere unit is composed of different parts of the Palaeotethyan succession including Late Carboniferous OIB-type basalts, Carboniferous MORB-type basalts, an Early Carboniferous siliciclastic series and a Middle Permian arc sequence. The microfauna and microflora identified in different horizons within the Teke Dere unit share strong biogeographical affinities with the northern Palaeotethyan borders. Kubergandian limestones in primary contact above the Early Carboniferous siliciclastics yielded a rich and diverse microfauna and microflora also identified in reworked cobbles within the Late Triassic Gevne Fm. of the Aladag unit (Turkey). The sedimentological evolution of the Köycegiz and Haticeana series is in many points similar to classical Pindos sequences. These series originated in the Huglu-Pindos Ocean along the northern passive margin of the Anatolian (Turkish transect) and Sitia-Pindos (Greek transect) terranes. Conglomerates at the base of the Lentas Unit in southern Crete (Greece) yielded a microfauna and microflora presenting also strong affinities with the northern borders of the Palaeotethys. This type of reworked sediments at the base of Pindos-like series would suggest a derivation from the Palaeotethyan active margin. -Résumé (French abstract) L'étude des marges continentales fossiles de l'espace téthysien implique d'étudier les domaines océaniques qui y étaient rattachés. Les progrès de la tectonique des plaques ont confirmé l'importance de la reconnaissance des mélanges d'accrétion. Les mélanges ophiolitiques dérivent d'une plaque supérieure ophiolitique qui obducte, et d'une plaque inférieure océanique. En plus d'éléments ophiolitiques, les mélanges peuvent aussi incorporer des parties d'un arc magmatique, ou des fragments d'une marge continentale passive. Comme la plaque inférieure disparaît généralement complètement durant le processus d'obduction, elle ne peut être reconstruite qu'au travers de ses éléments trouvés dans les mélanges. A cause de leur situation aux limites de marges actives, les mélanges d'accrétion bien préservés permettent de contraindre l'évolution géologique d'anciens océans et de leurs marges. L'identification de vestiges de la Paléotéthys en série d'accrétion ou remaniés lors de l'orogenèse éo-cimmérienne au Trias supérieur, ainsi que l'observation de séquences marginales de Huglu-Pinde en Turquie du sud et dans les Hellénides externes représentent les principaux résultats de ce travail, permettant d'établir de nouvelles corrélations paléogéographiques. Les mélanges de Mersin (Turquie), avec les domaines d'Antalya et de Mamonia (Chypre), sont caractérisés par des unités exotiques se trouvant au sud de la chaîne taurique, et forment les Unités Exotiques Sud-Tauriques. Les mélanges de Mersin sont subdivisés en une unité triasique, et une autre du Crétacé supérieur. Ces unités comprennent les reliques de trois principaux océans téthysiens, la Paléotéthys, la Néotéthys et Huglu-Pinde. L'inventaire et la définition des nappes supérieures d'Antalya (Turquie) sont encore matière à controverse et donne lieu à des interprétations conflictuelles. La découverte de radiolaires campaniens au sommet de l'unité de la Gorge de Kemer, directement recouverts par la formation ordovicienne de Seydisehir de la nappe du Tahtali Dag met en évidence un contact tectonique et démontre que les nappes supérieures sont composées de trois différentes nappes, celle de la Gorge de Kemer, celle du Bakirli et celle Tahtali Dag. De plus, un bloc de calcaire dont la position tectonique demeure incertaine à la base des nappes supérieures a fourni pour la première fois deux associations viséennes de foraminifères et d'algues problématiques. La nappe de Tavas dans les nappes lyciennes (Turquie) est séparée en unités du Karadag, du Teke Dere, de Köycegiz et d'Haticeana. Comme pour les mélanges de Mersin, la nappe de Tavas est composite et inclut des unités appartenant à la Paléotéthys, à la Néotéthys et à Huglu-Pinde. L'unité du Karadag est une plateforme carbonatée de type Gondwana se développant du Dévonien supérieur au Trias supérieur. Elle appartient au domaine cimmérien du Taurus et formait la marge nord de la Néotéthys. L'unité du Teke Dere est composée de différentes écailles paléotéthysiennes et inclut des basaltes d'île océanique du Carbonifère supérieur, des basaltes de ride océanique du Carbonifère, une série siliciclastique du Carbonifère supérieur et un arc du Permien moyen. Les microfaunes et -flores trouvées à différents niveaux de la série du Teke Dere partagent de fortes affinités paléogéographiques avec les marges nord de la Paléotéthys. Des calcaires du Kubergandien en contact primaire au-dessus de la série siliciclastique a donné de riches microfaunes et -flores, également identifiées dans des galets remaniés dans la formation de Gevne du Trias supérieur de l'Aladag. L'évolution sédimentologique des séries de Köycegiz et d'Haticeana sont très similaires aux séries classiques du Pinde. Ces séquences prennent leur racine dans l'océan de Huglu-Pinde, le long de la marge passive nord anatolienne (profil turc) et de la marge de Sitia-Pinde (profil grec). Des conglomérats à la base de l'unité de Lentas au sud de la Crète (Grèce) ont donné des microfaunes et flores partageant également de fortes similitudes avec les bordures nord de la Paléotéthys. Le type de sédiments remaniés à la base d'unités de type Pinde suggère une dérivation depuis la marge active de la Paléotéthys. -Résumé grand public (non-specialized abstract) Au début du 20ème siècle, Alfred Wegener bouleverse les croyances géologiques de l'époque et publie plusieurs articles sur la dérive ou la translation des continents. En utilisant des arguments géographiques (similarités des lignes de côte), paléontologiques (faunes et flores similaires) et climatiques (dépôts tropicaux et glaciaires), Wegener explique qu'il y a plusieurs millions d'années, les terres émergées actuelles ne devaient former qu'un seul et grand continent. La fin du 20ème siècle verra l'avènement de la théorie de la tectonique des plaques suite à la reconnaissance du cycle de Wilson, des rides médio-océaniques, des anomalies magnétiques dans les océans et des sutures océaniques qui représentent les reliques d'océans disparus. Le Cycle de Wilson se caractérise par une suite d'évènements géologiques majeurs pouvant se résumer de la manière suivante : (1) séparation d'un craton continental en deux parties, créant une limite de plaque divergente. C'est ce que l'on appelle un rift; (2) développement et croissance d'un océan entre ces deux blocs. Des roches magmatiques remontent à la surface de la terre et forment une chaîne de montagne sous-marine que l'on appelle ride médio-océanique ou dorsale. L'océan continue de se développer, et des sédiments se déposent à sa surface formant la suite ophiolitique ou trinité de Steinmann; (3) après une phase d'expansion plus ou moins longue, les conditions imposées aux limites des plaques à la surface de la terre changent, et l'océan se met à se refermer par disparition progressive (subduction) de sa croûte océanique sous une croûte continentale par exemple. Ceci crée une nouvelle limite de plaque, convergente cette fois; (4) la subduction de la plaque océanique sous la plaque continentale provoque une remontée de magma formant des chaînes volcaniques à la surface de la Terre ; (5) une fois que la plaque océanique a complètement disparu, les deux blocs préalablement séparés par l'océan font collision, formant ainsi une chaîne de montagne. Les chaînes de montagnes sont de manière générale formées par un empilement plus ou moins complexe de nappes. C'est au coeur de certaines de ces nappes que se trouvent les vestiges de l'océan disparu. Un des objectifs de ce travail était la recherche de ces vestiges dans le domaine téthysien de la Méditerranée orientale. Pour ce faire, nous avons parcourus une grande partie du sud de la Turquie, nous sommes allés à Chypre, dans le Sultanat d'Oman, en Iran, en Crète, et nous avons visités quelques îles grecques du Dodécanèse. La région de la Méditerranée orientale est une zone qui a été tectoniquement très active, et qui continue de l'être de nos jours par des phénomènes de subduction (ex. les volcans de Santorin), et par des mouvements coulissants entre des plaques continentales (ex. la faille nord-anatolienne) qui donnent régulièrement lieu à des tremblements de terre. Pour le géologue, la complexité de ces zones d'étude réside dans le fait que les chaînes de montagne actuelles ne contiennent en général pas seulement les restes d'un océan, mais bien de plusieurs bassins océaniques qui se sont succédés dans l'espace et dans le temps. Les nappes qui se trouvent au sud de la Turquie et dans le Dodécanèse forment un important jalon dans la chaîne alpine qui s'étend depuis les Alpes jusque dans l'Himalaya. L'idée d'un continuum au coeur de ce système se basait principalement sur l'âge des océans et sur la reconnaissance de similarités dans l'évolution des séries sédimentaires. La localisation des vestiges de la Paléotéthys ainsi que l'identification des séries sédimentaires ayant appartenu à l'océan de HugluPinde repris sous forme de nappes en Turquie et en Grèce sont cruciales pour permettre de bonnes corrélations locales et régionales. La reconnaissance, la compréhension et l'interprétation de ces séries sédimentaires permettront d'élaborer un modèle d'évolution géodynamique régional, s'appuyant sur des faits de terrains indiscutables, et prenant en compte les contraintes globales que ce genre d'exercice implique.

Geodynamic reconstructions of the Australides-2: Mesozoic-Cainozoic

The present work, derived from a full global geodynamic reconstruction model over 600 Ma and based on a large database, focuses herein on the interaction between the Pacific, Australian and Antarctic plates since 200 Ma, and proposes integrated solutions for a coherent, physically consistent scenario. The evolution of the Australia-Antarctica-West Pacific plate system is dependent on the Gondwana fit chosen for the reconstruction. Our fit, as defined for the latest Triassic, implies an original scenario for the evolution of the region, in particular for the "early" opening history of the Tasman Sea. The interaction with the Pacific, moreover, is characterised by many magmatic arc migrations and ocean openings, which are stopped by arc-arc collision, arc-spreading axis collision, or arc-oceanic plateau collision, and subduction reversals. Mid-Pacific oceanic plateaus created in the model are much wider than they are on present-day maps, and although they were subducted to a large extent, they were able to stop subduction. We also suggest that adduction processes (i.e., re-emergence of subducted material) may have played an important role, in particular along the plate limit now represented by the Alpine Fault in New Zealand.

Palaeozoic deformation and magmatism in the northern area of the Anatolide block (Konya), witness of the Palaeotethys active margin

The study area. located north of Konva (Central Turkey), is composed of Silurian to Cretaceous metamorphosed rocks. The lower unit of the oldest formation (Silurian-Early Permian) is mostly made up of Silurian-Early Carboniferous metacarbonates. These rocks pass laterally and vertically to Devonian-Early Permian series having continental margin, shallow water and pelagic characteristics. They are intruded or juxtaposed to different kinds of metamagmatic rocks. which show MORB. continental arc and within plate characteristics. The Palaeozoic units are covered unconformably by Triassic-Cretaceous metasedimentary units. All these rocks are overthrusted by Mesozoic ophiolites. The Palaeozoic sequence can be seen as a northern Palaeotethys passive, then active margin. The northward subduction of the Palaeotethys ocean during the Carboniferous-Triassic times, induced the development of a magmatic arc and fore-arc sequence (Carboniferous-Permian). Before the Early Triassic (?Late Permian) time. the fore-arc sequence was uplifted above sea level and eroded. The Triassic sequences are regarded as marking the onset of back-arc opening and detachment of the Anatolian Konya block from the active Eurasian margin. Finally. a suture zone formed during the Carman between the Konya region and the Menderes-Tauride Cimmerian block due to the closing of Palaeotethvs. This geodynamic evolution can be correlated with the evolution of the Karaburun sequence in western Turkey.

Characterization of magmatic sulfur in the Aegean island arc by means of the δ34S values of fumarolic H2S, elemental S, and hydrothermal gypsum from Nisyros and Milos islands

A delta(34)S value of +6.3 +/- 1.5% was estimated for the rhyodacitic degassing magma present underneath the hydrothermal system of Nisyros, based on the S isotope ratios of H2S in fumarolic vapors. This value was estimated by modeling the irreversible water-rock mass transfers occurring during the generation of the hydrothermal liquid which separates these fumarolic vapors. The S isotope ratio of the rhyodacitic degassing magma of Nisyros is consistent with fractional crystallization of a parent basaltic magma with an initial delta(34)S value of +4% (+/-at least 1.5%). This positive value could be explained by mantle contamination due to by either transference of fluids derived from subducted materials or involvement of altered oceanic crust, whereas contribution of biogenic sulfides from sediments seems to be negligible or nil. This conclusion agrees with the lack of N-2 and CO2 from thermal decomposition of organic matter contained in subducted sediments, which is a characteristic of the whole Aegean arc system. Since hydrothermal S at Milos and Santorini has isotope ratios similar to those determined at Nisyros, it seems likely that common controlling processes are active throughout the Aegean island arc. (C) 2002 Elsevier, Science B.V. All rights reserved.

Chemical and isotopic equilibrium between CO2 and CH4 in fumarolic gas discharges: Generation of CH4 in arc magmatic-hydrothermal systems

The chemical and isotopic composition of fumarolic gases emitted from Nisyros Volcano, Greece, and of a single gas sample from Vesuvio, Italy, was investigated in order to determine the origin of methane (CH,) within two subduction-related magmatic-hydrothermal environments. Apparent temperatures derived from carbon isotope partitioning between CH4 and CO2 of around 340degreesC for Nisyros and 470degreesC for Vesuvio correlate well with aquifer temperatures as measured directly and/or inferred from compositional data using the H2O-H-2-CO2-CO-CH4 geothermometer. Thermodynamic modeling reveals chemical equilibrium between CH4, CO2 and H2O implying that carbon isotope partitioning between CO2 and CH, in both systems is controlled by aquifer temperature. N-2/(3) He and CH4/(3) He ratios of Nisyros fumarolic gases are unusually low for subduction zone gases and correspond to those of midoceanic ridge environments. Accordingly, CH4 may have been primarily generated through the reduction of CO, by H, in the absence of any organic matter following a Fischer-Tropsch-type reaction. However, primary occurrence of minor amounts of thermogenic CH4 and subsequent re-equilibration with co-existing CO2 cannot be ruled out entirely- CO2/He-3 ratios and delta(13)C(CO2) values imply that the evolved CO2 either derives from a metasomatized mantle or is a mixture between two components, one outgassing from an unaltered mantle and the other released by thermal breakdown of marine carbonates. The latter may contain traces of organic matter possibly decomposing to CH4 during thermometamorphism. Copyright (C) 2004 Elsevier Ltd.

Geochemical evidence for mixing of magmatic fluids with seawater, Nisyros hydrothermal system, Greece

The chemical and isotopic compositions (deltaD(H2O), delta(18)O(H2O), delta(18)O(CO2), delta(13)C(CO2), delta(34)S, and He/N-2 and He/Ar ratios) of fumarolic gases from Nisyros, Greece, indicate that both arc-type magmatic water and local seawater feed the hydrothermal system. Isotopic composition of the deep fluid is estimated to be +4.9+/-0.5parts per thousand for delta(18)O and -11+/-5parts per thousand for deltaD corresponding to a magmatic water fraction of 0.7. Interpretation of the stable water isotopes was based on liquid-vapor separation conditions obtained through gas geothermometry. The H-2-Ar, H-2-N-2, and H-2-H2O geothermometers suggest reservoir temperatures of 345+/-15 degreesC, in agreement with temperatures measured in deep geothermal wells, whereas a vapor/liquid separation temperature of 260+/-30 degreesC is indicated by gas equilibria in the H2O-H-2-CO2-CO-CH4 system. The largest magmatic inputs seem to occur below the Stephanos-Polybotes Micros crater, whereas the marginal fumarolic areas of Phlegeton-Polybotes Megalos craters receive a smaller contribution of magmatic gases.

The roles of flux- and decompression melting and their respective fractionation lines for continental crust formation: Evidence from the Kohistan arc

Delamination and foundering of the lower continental crust (LCC) into the mantle is part of the crust-forming mechanism. However, knowledge of the composition and mineralogy of the preserved or delaminated LCC over geological timescales remains scarce. We provide a synopsis of recent research within the Kohistan arc (Pakistan) and demonstrate that hydrous and less hydrous liquid lines of descent related to flux assisted and decompression mantle melting, respectively, produce compositionally different lower crustal rocks. The argument refers to two lower crustal sections exposed in Kohistan, the older Southern Plutonic Complex (SPC) and the younger Chilas Complex. The SPC typifies a hydrous, high-pressure fractionation sequence of olivine-pyroxenes-garnet-Fe/Ti-oxide-amphibole-plagioclase. The Chilas Complex illustrates a less hydrous fractionation sequence of olivine-clinopyroxene-orthopyroxene-plagioclase-amphibole. Despite the similarity of the Chilas Complex rocks to proposed lower crust compositions, the less hydrous fractionation results in unrealistically small volumes of silica-rich rocks, precluding the Chilas Complex gabbros to represent the magmatic complement to the upper crust. The composition of the SPC lower crust differs markedly from bulk lower crust estimates, but is complementary to silica-rich rocks exposed along this section and in the Kohistan batholith. These observations inspire a composite model for the formation of continental crust (CC) where the negatively buoyant delaminated and the buoyant preserved lower continental crusts (LCC) differ in genesis, mineralogy, and composition. We propose that the upper, non-sedimentary subsequent removal of the complementary, negatively buoyant garnet-pyroxene-amphibole-plagioclase-rich cumulates. In contrast, the LCC, which is buoyant and preserved over geological timescales, is formed by less hydrous parental mantle melts. We suggest that the bulk continental crust composition is related to mixing of these petrologically not directly related end members. Published by Elsevier B.V.

Mesozoic arc magmatism along the southern Peruvian margin during Gondwana breakup and dispersal

A high-resolution U-Pb zircon geochronological study of plutonic units along the south Peruvian margin between 17 degrees and 18 degrees S allows the integration of the geochemical, geodynamic and tectonic evolution of this part of the Andean margin. This study focuses on the composite Jurassic-early Cretaceous Ilo Batholith that was emplaced along the southern Peruvian coast during two episodes of intrusive magmatism; a first period between 173 and 152 Ma (with a peak in magmatic activity between roughly 168 and 162 Ma) and a second period between 110 and 106 Ma. Emplacement of the Jurassic part of the composite Ilo Batholith shortly post-dated the accumulation of the volcanosedimentary succession it intruded (Chocolate formation), which allows to estimate a subsidence rate for this unit of similar to 3.5 km/Ma. The emplacement of the main peak of Jurassic plutonism of the Ilo Batholith was also closely coeval with widespread and repeated slumping (during deposition of the Cachios Formation) in the back-arc region, suggesting a common causal link between these phenomena, which is discussed in the context of an observed 100 km trenchward arc migration at similar to 175 Ma, and the relation with extensional tectonics that prevailed along the Central Andean margin during Pangaea break-up. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Petrology, geochemistry and geodynamic implications of Jurassic island arc magmatism as revealed by mafic volcanic rocks in the Mesozoic low-grade sequence, eastern Rhodope, Bulgaria

In the eastern Bulgarian Rhodope, mafic extrusive rocks and underlying greenschists are found in the Mesozoic low-grade unit, which represents the northern extension of similar sequences including the Evros ophiolites in Thrace (Greece). Both rock types define a suite of low-Ti tholeiitic basalts to transitional boninitic basaltic andesites and andesites and associated metapyroclastites (greenschists), intruded at its base by diorite dikes of a boninitic affinity. Mafic lavas and greenschists display large ion lithophile element (LILE) enrichment relative to high-field strength elements (HFSE), flat REE patterns of a slight light REE depletion, a strong island arc tholeiite (IAT) and weak MORB-like signature. All these rocks are characterized by negative Nb anomalies ascribed to arc lavas. They have positive epsilon Nd(i) values in the range of +4.87 to +6.09, approaching the lower limit of MORB-like source, and relatively high ((207)Pb/(204)Pb)(i) (15.57-15.663) at low ((206)Pb/(204)Pb)(i) (18.13-18.54) ratios. The Nd isotopic compositions coupled with trace element data imply a dominantly depleted MORB-like mantle source and a contribution of subduction modified LILE-enriched component derived from the mantle wedge. The diorite dike has a low eNdi value of -2.61 and is slightly more Pb radiogenic ((207)Pb/(204)Pb)(i) (15.64) and ((206)Pb/(204)Pb)(i) (18.56), respectively, reflecting crustal contamination. Petrologic and geochemical data indicate that the greenschists and mafic extrusive rocks represent a magmatic assemblage formed in an island arc setting. The magmatic suite is interpreted as representing an island arc-accretionary complex related to the southward subduction of the Meliata-Maliac ocean under the supra-subduction back-arc Vardar ocean/island arc system. Magmatic activity appears to have initiated in the north during the inception of the island arc system by the Early-Middle Jurassic time in the eastern Rhodope that most likely graded to back-arc spreading southwards as represented by the Late Jurassic MORB-type Samothraki Island ophiolites. This tectonic scenario is further constrained by paleotectonic reconstructions. The arc-trench system collided with the Rhodope in the Late Jurassic times. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

A case for hornblende dominated fractionation of arc magmas: the Chelan Complex (Washington Cascades)

Amphibole fractionation in the deep roots of subduction-related magmatic arcs is a fundamental process for the generation of the continental crust. Field relations and geochemical data of exposed lower crustal igneous rocks can be used to better constrain these processes. The Chelan Complex in the western U. S. forms the lowest level of a 40-km thick exposed crustal section of the North Cascades and is composed of olivine websterite, pyroxenite, hornblendite, and dominantly by hornblende gabbro and tonalite. Magmatic breccias, comb layers and intrusive contacts suggest that the Chelan Complex was build by igneous processes. Phase equilibria, textural observations and mineral chemistry yield emplacement pressures of similar to 1.0 GPa followed by isobaric cooling to 700 degrees C. The widespread occurrence of idiomorphic hornblende and interstitial plagioclase together with the lack of Eu anomalies in bulk rock compositions indicate that the differentiation is largely dominated by amphibole. Major and trace element modeling constrained by field observations and bulk chemistry demonstrate that peraluminous tonalite could be derived by removing successively 3% of olivine websterite, 12% of pyroxene hornblendite, 33% of pyroxene hornblendite, 19% of gabbros, 15% of diorite and 2% tonalite. Peraluminous tonalite with high Sr/Y that are worldwide associated with active margin settings can be derived from a parental basaltic melt by crystal fractionation at high pressure provided that amphibole dominates the fractionation process. Crustal assimilation during fractionation is thus not required to generate peraluminous tonalite.