Isotopic composition of rocks from the Lau/Tonga back-arc basin, data of DSDP Leg 21 and ODP Legs 91 an 135

New trace element, Sr-, Nd-, Pb- and Hf isotope data provide insights into the evolution of the Tonga-Lau Basin subduction system. The involvement of two separate mantle domains, namely Pacific MORB mantle in the pre-rift and early stages of back-arc basin formation, and Indian MORB mantle in the later stages, is confirmed by these results. Contrary to models proposed in recent studies on the basis of Pb isotope and other compositional data, this change in mantle wedge character best explains the shift in the isotopic composition, particularly 143Nd/144Nd ratios, of modern Tofua Arc magmas relative to all other arc products from this region. Nevertheless, significant changes in the slab-derived flux during the evolution of the arc system are also required to explain second order variations in magma chemistry. In this region, the slab-derived flux is dominated by fluid; however, these fluids carry Pb with sediment-influenced isotopic signatures, indicating that their source is not restricted to the subducting altered mafic oceanic crust. This has been the case from the earliest magmatic activity in the arc (Eocene) until the present time, with the exception of two periods of magmatic activity recorded in samples from the Lau Islands. Both the Lau Volcanic Group, and Korobasaga Volcanic Group lavas preserve trace element and isotope evidence for a contribution from subducted sediment that was not transported as a fluid, but possibly in the form of a melt. This component shares similarities with that influencing the chemistry of the northern Tofua Arc magmas, suggesting some caution may be required in the adoption of constraints for the latter dependent upon the involvement of sediments from the Louisville Ridge. A key outcome of this study is to demonstrate that the models proposed to explain subduction zone magmatism cannot afford to ignore the small but important contributions made by the mantle wedge to the incompatible trace element inventory of arc magmas.

Geochemistry of lavas from the Lau-Tonga arc and back-arc system

Detailed comparison of mineralogy, and major and trace geochemistry are presented for the modern Lau Basin spreading centers, the Sites 834-839 lavas, the modern Tonga-Kermadec arc volcanics, the northern Tongan boninites, and the Lau Ridge volcanics. The data clearly confirm the variations from near normal mid-ocean-ridge basalt (N-MORB) chemistries (e.g., Site 834, Central Lau Spreading Center) to strongly arc-like (e.g., Site 839, Valu Fa), the latter closely comparable to the modern arc volcanoes. Sites 835 and 836 and the East Lau Spreading Center represent transitional chemistries. Bulk compositions range from andesitic to basaltic, but lavas from Sites 834 and 836 and the Central Lau Spreading Center extend toward more silica-undersaturated compositions. The Valu Fa and modern Tonga-Kermadec arc lavas, in contrast, are dominated by basaltic andesites. The phenocryst and groundmass mineralogies show the strong arc-like affinities of the Site 839 lavas, which are also characterized by the existence of very magnesian olivines (up to Fo90-92) and Cr-rich spinels in Units 3 and 6, and highly anorthitic plagioclases in Units 2 and 9. The regional patterns of mineralogical and geochemical variations are interpreted in terms of two competing processes affecting the inferred magma sources: (1) mantle depletion processes, caused by previous melt extractions linked to backarc magmatism, and (2) enrichment in large-ion-lithophile elements, caused by a subduction contribution. A general trend of increasing depletion is inferred both eastward across the Lau Basin toward the modern arc, and northward along the Tongan (and Kermadec) Arc. Numerical modeling suggests that multistage magma extraction can explain the low abundances (relative to N-MORB) of elements such as Nb, Ta, and Ti, known to be characteristic of island arc magmas. It is further suggested that a subduction jump following prolonged slab rollback could account for the initiation of the Lau Basin opening, plausibly allowing a later influx of new mantle, as required by the recognition of a two-stage opening of the Lau Basin.

Depleted arc volcanism in the Alboran Sea and shoshonitic volcanism in Morocco: geochemical and isotopic constraints on Neogene tectonic processes

Samples of volcanic rocks from Alboran Island, the Alboran Sea floor and from the Gourougou volcanic centre in northern Morocco have been analyzed for major and trace elements and Sr-Nd isotopes to test current theories on the tectonic geodynamic evolution of the Alboran Sea. The Alboran Island samples are low-K tholeiitic basaltic andesites whose depleted contents of HFS elements (similar to0.5xN-MORB), especially Nb (similar to0.2xN-MORB), show marked geochemical parallels with volcanics from immature intra-oceanic arcs and back-arc basins. Several of the submarine samples have similar compositions, one showing low-Ca boninite affinity. Nd-143/Nd-144 ratios fall in the same range as many island-arc and back-arc basin samples, whereas Sr-87/Sr-86 ratios (on leached samples) are somewhat more radiogenic. Our data point to active subduction taking place beneath the Alboran region in Miocene times, and imply the presence of an associated back-arc spreading centre. Our sea floor suite includes a few more evolved dacite and rhyolite samples with (Sr-87/Sr-86)(0) up to 0.717 that probably represent varying degrees of crustal melting. The shoshonite and high-K basaltic andesite lavas from Gourougou have comparable normalized incompatible-element enrichment diagrams and Ce/Y ratios to shoshonitic volcanics from oceanic island arcs, though they have less pronounced Nb deficits. They are much less LIL- and LREE-enriched than continental arc analogues and post-collisional shoshonites from Tibet. The magmas probably originated by melting in subcontinental lithospheric mantle that had experienced negligible subduction input. Sr-Nd isotope compositions point to significant crustal contamination which appears to account for the small Nb anomalies. The unmistakable supra-subduction zone (SSZ) signature shown by our Alboran basalts and basaltic andesite samples refutes geodynamic models that attribute all Neogene volcanism in the Alboran domain to decompression melting of upwelling asthenosphere arising from convective thinning of over-thickened lithosphere. Our data support recent models in which subsidence is caused by westward rollback of an eastward-dipping subduction zone beneath the westemmost Mediterranean. Moreover, severance of the lithosphere at the edges of the rolling-back slab provides opportunities for locally melting lithospheric mantle, providing a possible explanation for the shoshonitic volcanism seen in northern Morocco and more sporadically in SE Spain. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Oceanic crust and island arc formation in Central Asia during late Neoproterozoic times - evidence from petrological and geochemical studies

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung des 570 Ma alten, neoproterozoischen Agardagh - Tes-Chem Ophioliths (ATCO) in Zentralasien. Dieser Ophiolith liegt südwestlich des Baikalsees (50.5° N, 95° E) und wurde im frühen Stadium der Akkretion des Zentralasiatischen Mobilgürtels auf den nordwestlichen Rand des Tuvinisch-Mongolischen Mikrokontinentes aufgeschoben. Bei dem Zentralasiatische Mobilgürtel handelt es sich um einen riesigen Akkretions-Subduktionskomplex, der heute das größte zusammenhängende Orogen der Erde darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine Reihe plutonischer und vulkanischer Gesteine, sowie verschiedene Mantelgesteine des ATCO mittels mikroanalytischer und geochemischer Verfahren untersucht (Elektronenstrahlmikrosonde, Ionenstrahlmikrosonde, Spurenelement- und Isotopengeochemie). Die Auswertung dieser Daten ermöglichte die Entwicklung eines geodynamisch-petrologischen Modells zur Entstehung des ATCO. Die vulkanischen Gesteine lassen sich aufgrund ihrer Spurenelement- und Isotopenzusammensetzung in inselbogenbezogene und back-arc Becken bezogene Gesteine (IA-Gesteine und BAB-Gesteine) unterscheiden. Darüber hinaus gibt es eine weitere, nicht eindeutig zuzuordnende Gruppe, die hauptsächlich mafische Gänge umfasst. Der grösste Teil der untersuchen Vulkanite gehört zur Gruppe der IA-Gesteine. Es handelt sich um Al-reiche Basalte und basaltische Andesite, welche aus einem evolvierten Stammmagma mit Mg# 0.60, Cr ~ 180 µg/g und Ni ~ 95 µg/g hauptsächlich durch Klinopyroxenfraktionierung entstanden sind. Das Stammmagma selbst entstand durch Fraktionierung von ca. 12 % Olivin und geringen Anteilen von Cr-Spinell aus einer primären, aus dem Mantel abgeleiteten Schmelze. Die IA-Gesteine haben hohe Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen (leichte-(L)- Seltenerdelement-(SEE)-Konzentrationen etwa 100-fach chondritisch, chondrit-normierte (La/Yb)c von 14.6 - 5.1), negative Nb-Anomalien (Nb/La = 0.37 - 0.62) und niedrige Zr/Nb Verhältnisse (7 - 14) relativ zu den BAB-Gesteinen. Initiale eNd Werte liegen bei etwa +5.5, initiale Bleiisotopenverhältnisse sind: 206Pb/204Pb = 17.39 - 18.45, 207Pb/204Pb = 15.49 - 15.61, 208Pb/204Pb = 37.06 - 38.05. Die Anreicherung lithophiler inkompatibler Spurenelemente (LILE) in dieser Gruppe ist signifikant (Ba/La = 11 - 130) und zeigt den Einfluss subduzierter Komponenten an. Die BAB-Gesteine repräsentieren Schmelzen, die sehr wahrscheinlich aus der gleichen Mantelquelle wie die IA-Gesteine stammen, aber durch höhere Aufschmelzgrade (8 - 15 %) und ohne den Einfluss subduzierter Komponenten entstanden sind. Sie haben niedrigere Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen, flache SEE-Muster ((La/Yb)c = 0.6 - 2.4) und höhere initiale eNd Werte zwischen +7.8 und +8.5. Nb Anomalien existieren nicht und Zr/Nb Verhältnisse sind hoch (21 - 48). Um die geochemische Entwicklung der vulkanischen Gesteine des ATCO zu erklären, sind mindestens drei Komponenten erforderlich: (1) eine angereicherte, ozeaninselbasalt-ähnliche Komponente mit hoher Nb Konzentration über ~ 30 µg/g, einem niedrigen Zr/Nb Verhältnis (ca. 6.5), einem niedrigen initialen eNd Wert (um 0), aber mit radiogenen 206Pb/204Pb-, 207Pb/204Pb- und 208Pb/204Pb-Verhältnissen; (2) eine N-MORB ähnliche back-arc Becken Komponente mit flachem SEE-Muster und einem hohen initialen eNd Wert von mindestens +8.5, und (3) eine Inselbogen-Komponente aus einer verarmten Mantelquelle, welche durch die abtauchende Platte geochemisch modifiziert wurde. Die geochemische Entstehung der ATCO Vulkanite lässt sich dann am besten durch eine Kombination aus Quellenkontamination, fraktionierte Kristallisation und Magmenmischung erklären. Geodynamisch gesehen entstand der ATCO sehr wahrscheinlich in einem intraozeanischen Inselbogen - back-arc System. Bei den untersuchten Plutoniten handelt es sich um ultramafische Kumulate (Wehrlite und Pyroxenite) sowie um gabbroische Plutonite (Olivin-Gabbros bis Diorite). Die geochemischen Charakteristika der mafischen Plutonite sind deutlich unterschiedlich zu denen der vulkanischen Gesteine, weshalb sie sehr wahrscheinlich ein späteres Entwicklungsstadium des ATCO repräsentieren. Die Spurenelement-Konzentrationen in den Klinopyroxenen der ultramafischen Kumulate sind extrem niedrig, mit etwa 0.1- bis 1-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit deutlich LSEE-verarmten Mustern ((La/Yb)c = 0.27 - 0.52). Berechnete Gleichgewichtsschmelzen der ultramafischen Kumulate zeigen grosse Ähnlichkeit zu primären boninitischen Schmelzen. Die primären Magmen waren daher boninitischer Zusammensetzung und entstanden in dem durch vorausgegangene Schmelzprozesse stark verarmten Mantelkeil über einer Subduktionszone. Niedrige Spurenelement-Konzentrationen zeigen einen geringen Einfluss der abtauchenden Platte an. Die Spurenelement-Konzentrationen der Gabbros sind ebenfalls niedrig, mit etwa 0.5 - 10-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit variablen SEE-Mustern ((La/Yb)c = 0.25 - 2.6). Analog zu den Vulkaniten der IA-Gruppe haben alle Gabbros eine negative Nb-Anomalie mit Nb/La = 0.01 - 0.31. Die initialen eNd Werte der Gabbros variieren zwischen +4.8 und +7.1, mit einem Mittelwert von +5.9, und sind damit identisch mit denen der IA-Vulkanite. Bei den untersuchten Mantelgesteinen handelt es sich um teilweise serpentinisierte Dunite und Harzburgite, die alle durch hohe Mg/Si- und niedrige Al/Si-Verhältnisse gekennzeichnet sind. Dies zeigt einen refraktären Charakter an und steht in guter Übereinstimmung mit den hohen Cr-Zahlen (Cr#) der Spinelle (bis zu Cr# = 0.83), auf deren Basis der Aufschmelzgrad der residuellen Mantelgesteine berechnet wurde. Dieser beträgt etwa 25 %. Die geochemische Zusammensetzung und die petrologischen Daten der Ultramafite und Gabbros lassen sich am besten erklären, wenn man für die Entstehung dieser Gesteine einen zweistufigen Prozess annimmt. In einer ersten Stufe entstanden die ultramafischen Kumulate unter hohem Druck in einer Magmenkammer an der Krustenbasis, hauptsächlich durch Klinopyroxen-Fraktionierung. Bei dieser Magmenkammer handelte es sich um ein offenes System, dem von unten laufend neue Schmelze zugeführt wurde, und aus dem im oberen Bereich evolviertere Schmelzen geringerer Dichte entwichen. Diese evolvierten Schmelzen stiegen in flachere krustale Bereiche auf und bildeten dort meist isolierte Intrusionskörper. Diese Intrusionskörper erstarrten ohne Magmen-Nachschub, weshalb petrographisch sehr unterschiedliche Gesteine entstehen konnten. Eine geochemische Modifikation der abkühlenden Schmelzen erfolgte allerdings durch die Assimilation von Nebengestein. Da innerhalb der Gabbros keine signifikante Variation der initalen eNd Werte existiert, handelte es sich bei dem assimilierten Material hauptsächlich um vulkanische Gesteine des ATCO und nicht um ältere, möglicherweise kontinentale Kruste.

Potential fields study of Marsili basin and Palinuro volcanic complex

In this thesis Marsili back-arc basin and Palinuro Volcanic Complex (Southern Tyrrhenian Sea) have been investigated by using magnetic, bathymetric and gravimetric data. A new velocity model of opening of the Marsili basin has been proposed, highlighting the transition from the horizontal spreading of the back-arc to the vertical accretion of the Marsili seamount. Introducing gravity data, Marsili's internal structure has been modeled and a huge portion of the volcano with low density and vanishing magnetization has been detected. Forward modeling of Palinuro Volcanic Complex showed as Palinuro represents the shallowest evidence of a deep tectonic discontinuity and the possible transition domain between the oceanic crust of Marsili Basin and the continental crust related to the Appenninic chain.

Chemical and mineral composition of rocks and sediments from the Amirante Arc

New geological and geophysical data on the Amirante Arc, which locates to the south of the Seychelles Islands, are presented. These data were obtained by Pacific Oceanological Institute during the 33-rd cruise of R/V Professor Bogorov in 1990. The Amirante Arc represents a seamount chain, which has submeridional strike and total length about 400 km. To the west of the Amirante Arc there are a deep sea trench and a back-arc basin, i.e. this area is characterized by structural elements associated with the subduction zone of Western Pacific type. According to our data the Amirante Arc is composed by tholeiites of ocean plateau type. This facts are evidences that the Amirante Arc differs from typical Pacific island arcs. This gives an opportunity to distinguish a special type of oceanic structures, i.e. non-volcanic (amagmatic) ridges. The Amirante Ridge has been probably formed as a result of oceanic crust heaping due to horizontal displacements of its blocks in the process of spreding ridge formation in the Indian Ocean during Cretaceous-Paleogene.

Chemical compositions of rocks and minerals from an underwater volcano of the Kuril deep-sea basin

Mineralogy and geochemistry of low-temperature hydrothermal manifestations occurring on the surface of basalts and in their cracks within a submarine volcano in the north-eastern part of the Kuril deep-sea basin have been studied. The following order of isolation of mineral phases has been found out: Fe-rich sulphides (pyrite) - Fe-rich layered silicates (hydromica of celadonite-nontronite type) - amorphous silica (opal) - Fe-oxyhydroxides (goethite) - Mn-oxyhydroxides (vernadite). Sulphide mineralization is of the phenocryst-stockwork type. Finding of pure barite fragments does not exclude presence of hydrothermal exhalations (smokers) on this volcanic structure.

(Table S1) Trace element and isotopic compositions of anhydrites sampled in the Manus Basin, Papua New Guinea

Microchemical analyses of rare earth element (REE) concentrations and Sr and S isotope ratios of anhydrite are used to identify sub-seafloor processes governing the formation of hydrothermal fluids in the convergent margin Manus Basin, Papua New Guinea. Samples comprise drill-core vein anhydrite and seafloor massive anhydrite from the PACMANUS (Roman Ruins, Snowcap and Fenway) and SuSu Knolls (North Su) active hydrothermal fields. Chondrite-normalized REE patterns in anhydrite show remarkable heterogeneity on the scale of individual grains, different from the near uniform REEN patterns measured in anhydrite from mid-ocean ridge deposits. The REEN patterns in anhydrite are correlated with REE distributions measured in hydrothermal fluids venting at the seafloor at these vent fields and are interpreted to record episodes of hydrothermal fluid formation affected by magmatic volatile degassing. 87Sr/86Sr ratios vary dramatically within individual grains between that of contemporary seawater and that of endmember hydrothermal fluid. Anhydrite was precipitated from a highly variable mixture of the two. The intra-grain heterogeneity implies that anhydrite preserves periods of contrasting hydrothermal versus seawater dominant near-seafloor fluid circulation. Most sulfate d34S values of anhydrite cluster around that of contemporary seawater, consistent with anhydrite precipitating from hydrothermal fluid mixed with locally entrained seawater. Sulfate d34S isotope ratios in some anhydrites are, however, lighter than that of seawater, which are interpreted as recording a source of sulfate derived from magmatic SO2 degassed from underlying felsic magmas in the Manus Basin. The range of elemental and isotopic signatures observed in anhydrite records a range of sub-seafloor processes including high-temperature hydrothermal fluid circulation, varying extents of magmatic volatile degassing, seawater entrainment and fluid mixing. The chemical and isotopic heterogeneity recorded in anhydrite at the inter- and intra-grain scale captures the dynamics of hydrothermal fluid formation and sub-seafloor circulation that is highly variable both spatially and temporally on timescales over which hydrothermal deposits are formed. Microchemical analysis of hydrothermal minerals can provide information about the temporal history of submarine hydrothermal systems that are variable over time and cannot necessarily be inferred only from the study of vent fluids.

Subsidence history, thermal maturity, and structural inversion of the Greater Caucasus-Kura-Adjara-Trialeti basin system of central-eastern Georgia

This study aims at defining the tectonic evolution of a portion of the Caucasian region, in Georgia, which experienced a complex pattern of deformation events throughout Mesozoic and Cenozoic times. An integrated approach was applied to unravel the thermo-tectonic history of three inverted sedimentary basins from burial to exhumation. Additionally, this dissertation provides examples of structural inversion of sedimentary basins in response to far-field transmission of compressional stresses away from collision zones, contributing to elucidate the dynamics of stress partitioning during continental collisions. The Adjara-Trialeti fold-and-thrust belt in south-western Georgia results from the structural inversion of a Middle Eocene continental back-arc rift basin opened as a consequence of the Northern Neotethys slab rollback. This study quantitatively defines the subsidence and exhumation history of the Adjara-Trialeti basin, constraining its Middle Miocene inception of structural inversion. The western Kura Basin is a flexural foreland basin trapped between the Lesser Caucasus to the south and the Greater Caucasus to the north. This study constrains successive and competing episodes of flexural subsidence during Oligocene-Miocene times, followed by partial inversion through thick- and thin-skinned tectonics in response to continued convergence between the adjacent, oppositely verging orogenic belts. The Greater Caucasus results from the structural inversion of a Jurassic continental back-arc basin, but the timing of its growth is still debated. An across-strike transect in its southern central domain was studied, indicating that this sector of the Greater Caucasus experienced two phases of structural inversion during Late Cretaceous-Paleocene and Late Miocene times. Overall, the dataset presented in this dissertation points to a complex and episodic history of incremental deformation, characterised by successive phases of extensional and compressional tectonics which developed in response to sequential terrane accretion at the southwestern margin of Eurasia since Late Cretaceous times, eventually determining the current configuration of the Arabia-Eurasia collision zone.

Plate tectonics of the Altaids

Abstract: The Altaids consist in a huge accretionary-type belt extending from Siberia through Mon-golia, northern China, Kyrgyzstan and Kazakhstan. They were formed from the Vendian through the Jurassic by the accretion of numerous displaced and exotic terranes (e.g. island arc, ribbon microcontinent, seamount, basaltic plateau, back-arc basin). The number, nature and origin of the terranes differ according to the palaeotectonic models of the different authors. Thanks to a geo- dynamic study (i.e. definition of tectonic settings and elaboration of geodynamic scenarios) and plate tectonics modelling, this work aims to present an alternative model explaining the Palaeozoic palaeotectonic evolution of the Altaids. Based on a large set of compiled geological data related to palaeogeography and geodyna¬mic (e.g. sedimentology, stratigraphy, palaeobiogeography, palaeomagnetism, magmatism, me- tamorphism, tectonic...), a partly new classification of the terranes and sutures implicated in the formation of the Altaids is proposed. In the aim to elaborate plate tectonics reconstructions, it is necessary to fragment the present arrangement of continents into consistent geological units. To avoid confusion with existing terminology (e.g. tectonic units, tectono-stratigraphic units, micro- continents, terranes, blocks...), the new concept of "Geodynamic Units (GDU)" was introduced. A terrane may be formed by a set of GDUs. It consists of a continental and/or oceanic fragment which has its own kinematic and geodynamic evolution for a given period. With the same ap-proach, the life span and type of the disappeared oceans is inferred thanks to the study of the mate-rial contained in suture zones. The interpretation of the tectonic settings within the GDUs comple-ted by the restoration of oceans leads to the elaboration of geodynamic scenarios. Since the Wilson cycle was presented in 1967, numerous works demonstrated that the continental growth is more complex and results from diverse geodynamic scenarios. The identification of these scenarios and their exploitation enable to elaborate plate tectonics models. The models are self-constraining (i.e. space and time constraints) and contest or confirm in turn the geodynamic scenarios which were initially proposed. The Altaids can be divided into three domains: (1) the Peri-Siberian, (2) the Kazakhstan, and (3) the Tarim-North China domains. The Peri-Siberian Domain consists of displaced (i.e. Sayan Terrane Tuva-Mongolian, Lake-Khamsara Terrane) and exotic terranes (i.e. Altai-Mongolian and Khangai-Argunsky Terrane) accreted to Siberia from the Vendian through the Ordovician. Fol-lowing the accretion of these terranes, the newly formed Siberia active margin remained active un-til its part collision with the Kazakhstan Superterrane in the Carboniferous. The eastern part of the active margin (i.e. East Mongolia) continued to act until the Permian when the North-China Tarim Superterrane collided with it. The geodynamic evolution of the eastern part of the Peri-Siberian Domain (i.e. Eastern Mongolia and Siberia) is complicated by the opening of the Mongol-Okhotsk Ocean in the Silurian. The Kazakhstan Domain is composed of several continental terranes of East Gondwana origin amalgamated together during the Ordovician-Silurian time. After these different orogenic events, the Kazakhstan Superterrane evolved as a single superterrane until its collision with a Tarim-North China related-terrane (i.e. Tianshan-Hanshan Terrane) and Siberian Continent during the Devonian. This new organisation of the continents imply a continued active margin from Siberia, to North China through the Kazakhstan Superterrane and the closure of the Junggar- Balkash Ocean which implied the oroclinal bending of the Kazakhstan Superterrane during the entire Carboniferous. The formation history of the Tarim-North China Domain is less complex. The Cambrian northern passive margin became active in the Ordovician. In the Silurian, the South Tianshan back-arc Ocean was open and led to the formation of the Tianshan-Hanshan Terrane which collided with the Kazakhstan Superterrane during the Devonian. The collision between Siberia and the eastern part of the Tarim-North China continents (i.e. Inner Mongolia), implied by the closure of the Solonker Ocean, took place in the Permian. Since this time, the major part of the Altaids was formed, the Mongol-Okhotsk Ocean only was still open and closed during the Jurassic. Résumé: La chaîne des Altaïdes est une importante chaîne d'accrétion qui s'étend en Sibérie, Mon-golie, Chine du Nord, Kirghizstan et Kazakhstan. Elle s'est formée durant la période du Vendian au Jurassique par l'accrétion de nombreux terranes déplacés ou exotiques (par exemple arc océa-nique, microcontinent, guyot, plateau basaltique, basin d'arrière-arc...). Le nombre, la nature ou encore l'origine diffèrent selon les modèles paléo-tectoniques proposés par les différents auteurs. Grâce à une étude géodynamique (c'est-à-dire définition des environnements tectoniques et éla-boration de scénarios géodynamiques) et à la modélisation de la tectonique des plaques, ce travail propose un modèle alternatif expliquant l'évolution paléo-tectonique des Altaïdes. Basé sur une large compilation de données géologiques pertinentes en termes de paléo-géographie et de géodynamique (par exemple sédimentologie, stratigraphie, paléo-biogéographie, paléomagnétisme, magmatisme, métamorphisme, tectonique...), une nouvelle classification des terranes et des sutures impliqués dans la formation des Altaïdes est proposée. Dans le but d'élabo¬rer des reconstructions de plaques tectoniques, il est nécessaire de fragmenter l'arrangement actuel des continents en unités tectoniques cohérentes. Afin d'éviter les confusions avec la terminolo¬gie existante (par exemple unité tectonique, unité tectono-stratigraphique, microcontinent, block, terrane...), le nouveau concept d' "Unité Géodynamique (UGD)" a été introduit. Un terrane est formé d'une ou plusieurs UGD et représente un fragment océanique ou continental défini pas sa propre cinétique et évolution géodynamique pour une période donnée. Parallèlement, la durée de vie et le type des océans disparus (c'est-à-dire principal ou secondaire) est déduite grâce à l'étude du matériel contenu dans les zones de sutures. L'interprétation des environnements tectoniques des UGD associés à la restauration des océans mène à l'élaboration de scénarios géodynamiques. Depuis que le Cycle de Wilson a été présenté en 1967, de nombreux travaux ont démontré que la croissance continentale peut résulter de divers scénarios géodynamiques. L'identification et l'ex-ploitation de ces scénarios permet finalement l'élaboration de modèles de tectonique des plaques. Les modèles sont auto-contraignants (c'est-à-dire contraintes spatiales et temporelles) et peuvent soit contester ou confirmer les scénarios géodynamiques initialement proposés. Les Altaïdes peuvent être divisées en trois domaines : (1) le Domaine Péri-Sibérien, (2) le Domaine Kazakh, et (3) le Domaine Tarim-Nord Chinois. Le Domaine Péri-Sibérien est composé de terranes déplacés (c'est-à-dire Terrane du Sayan, Tuva-Mongol et Lake-Khamsara) et exotiques (c'est-à-dire Terrane Altai-Mongol et Khangai-Argunsky) qui ont été accrétés au craton Sibérien durant la période du Vendien à l'Ordovicien. Suite à l'accrétion de ces terranes, la marge sud-est de la Sibérie nouvellement formée reste active jusqu'à sa collision partielle avec le Superterrane Ka-zakh au Carbonifère. La partie est de la marge active (c'est-à-dire Mongolie de l'est) continue son activité jusqu'au Permien lors de sa collision avec le Superterrane Tarim-Nord Chinois. L'évolu¬tion géodynamique de la partie est du Domaine Sibérien est compliquée par l'ouverture Silurienne de l'Océan Mongol-Okhotsk qui disparaîtra seulement au Jurassique. Le Domaine Kazakh est composé de plusieurs terranes d'origine est-Gondwanienne accrétés les uns avec les autres avant ou pendant le Silurien inférieur et leurs evolution successive sous la forme d'un seul superterrane. Le Superterrane Kazakh collisione avec un terrane Tarim-Nord Chinois (c'est-à-dire Terrane du Tianshan-Hanshan) durant le Dévonien et le continent Sibérien au Dévonien supérieur. Ce nouvel agencement des plaques induit une marge active continue le long des continents Sibérien, Kazakh et Nord Chinois et la fermeture de l'Océan Junggar-Balkash qui provoque le plissement oroclinal du Superterrane Kazakh durant le Carbonifère. L'histoire de la formation du Domaine Tarim-Nord Chinois est moins complexe. La marge passive nord Cambrienne devient active à l'Ordovicien et l'ouverture Silurienne du bassin d'arrière-arc du Tianshan sud mène à la formation du terrane du Tianshan-Hanshan. La collision Dévonienne entre ce dernier et le Superterrane Kazakh provoque la fermerture de l'Océan Tianshan sud. Finalement, la collision entre la Sibérie et la partie est du continent Tarim-Nord Chinois (c'est-à-dire Mongolie Intérieure) prend place durant le Permien suite à la fermeture de l'Océan Solonker. La majeure partie des Altaïdes est alors formée, seul l'Océan Mongol-Okhotsk est encore ouvert. Ce dernier se fermera seulement au Jurassique.

Mesozoic oceanic terranes of southern Central America : geology, geochemistry and gedynamics

Abstract The Northwestern edge of the modern Caribbean Plate, located in central Middle America (S-Guatemala to N-Costa Rica), is characterized by a puzzle of oceanic and continental terranes that belonged originally to the Pacific façade of North America. South of the Motagua Fault Zone, the actual northern strike slip boundary of the Caribbean Plate, three continental slivers (Copán, Chortis s. str. and Patuca) are sandwiched between two complex suture zones that contain HP/LT mafic and ultramafic oceanic rocks: The Motagua Mélanges to the North, extensively studied in the last ten years and the' newly defined Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT) to the South. No modem geological data were available for the oceanic terrane located in the southern part of the so called continental "Chortis Block". Classically, the southern limit of this block with the Caribbean Large Igneous Province (CLIP) was placed at a hypothetical fault line connecting the main E-W fault in the Santa Elena Peninsula (N-Costa Rica) with the Hess Escarpment. However, our study in eastern Nicaragua and northwestern Costa Rica evidences an extensive assemblage of oceanic upper mantle and crustal rocks outcropping between the Chortis/Patuca continental blocks and the CLIP. They comprise collided and accreted exotic terranes of Pacific origin recording a polyphased tectonic history. We distinguish: 1- The MCOT that comprises a Late Triassic to Early Cretaceous puzzle of oceanic crust and arc-derived rocks set in a serpentinite matrix, and 2- The Manzanillo and Nicoya Terranes that are made of Cretaceous plateau-like rocks associated with oceanic sediments older than the CLIP. This study has been focused on the rocks of the MCOT. The MCOT comprises the southern half of the former "Chortis Block" and is defined by 4 comer localities characterized by ultramafic and mafic oceanic rocks of Late Triassic, Jurassic and Early Cretaceous age: 1- The Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- The El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- DSDP Legs 67 and 84 (Guatemala fore-arc basin), and 4- The Santa Elena Peridiotite (NW-Costa Rica). The Siuna Serpentinite Mélange (SSM) is a HP/LT subduction zone mélange set in a serpentinite matrix that contains oceanic crust and arc-related greenschist to blueschist/eclogite facies metamafic and metasedimentary blocks. Middle Jurassic (Bajocian-Bathonian) radiolarites are found in original sedimentary contact with arc-derived greenstones. Late Jurassic black detrital chert possibly formed in a marginal (fore-arc?) basin shortly before subduction. A phengite 40Ar/39Ar -cooling age dates the exhumation of the high pressure rocks as 139 Ma. The El Castillo Mélange (ECM) is composed of serpentinite matrix with OIB metabasalts and Late Triassic (Rhaetian) red and green radiolarite blocks. Recent studies of the DSDP Legs 67/84 show that the Guatemala/Nicaragua fore-arc basin is composed of a pile of ultramafic, mafic (OIB-like) and arc related rocks with ages ranging from Late Triassic to Campanian. Finally, the Santa Elena peridiotites that mark the limit of the MCOT with the Manzanillo/Nicoya Terranes and correspond to an association of ultramafic rocks that comprise peridiotites, dunites and chromites of abyssal and fore-arc origin. The SSM is the result of a collision between a Middle Jurassic island arc and the Patuca Terrane, a fragment of the Western N-American active continental margin. The Siuna Mélange (SSM) and the South Montagna Mélange share common characteristics with the Pacific N-American suture zone (E-Franciscan and Vizcaino mélanges), in particular, the Mesozoic ages of HP/LT metamorphic and the arc-derived blocks. For us, these mélanges imply an originally continuous, but slightly diachronous suture that affected the entire W-American active margin. It may imply the arrival and collision of an exotic intraoceanic arc (Guerrero-Phoenix) related to the origin of the Pacific Plate that initiated as a back arc basin of this arc. The present disposition of the fragments of this suture zone is the result of a northward shift of the active left-lateral strike slip motion between the N-American and the Caribbean Plates. Résumé Le coin nord-ouest de la Plaque Caraïbe moderne se trouve en Amérique Centrale, entre le sud du Guatemala et le nord du Costa Rica. Cette région est composée d'un puzzle de terrains océaniques et continentaux dont les origines se situent sur la façade pacifique de l'Amérique du Nord. Au sud de la faille de Motagua, la limite septentrionale actuelle, décrochante, de la Plaque Caraïbe, se trouvent 3 copeaux continentaux (Copàn, Chortis s. str. et Patuca) coincés entre deux zones de suture complexes à roches mafiques et ultramafiques qui ont subi un métamorphisme de haute pression/basse température (HP/LT). Il s'agit des Mélanges de Motagua au nord, largement étudiés ces dernières années, et du Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT), récemment défini par nous, au sud. En vue de l'absence de données géologiques modernes concernant les terrains océaniques qui se trouvent dans la partie sud du "Chortis Block" considérée comme continentale, nous avons dédié cette étude à cette région. Classiquement, la limite méridionale entre le "Chortis Block" et la "Caribbean Large Igneous Province" (CLIP) a été associée à une faille hypothétique reliant la faille E-W de Santa Elena (nord du Costa Rica) à l'Escarpement de Hess. Notre étude au Nicaragua oriental et au Costa Rica nord-occidental a révélé l'existence de larges terrains composés d'assemblages de roches mantéliques et océaniques qui se placent entre les blocs continentaux Chortis/Patuca et le CLIP. Ces assemblages révèlent des terrains collisionnés et accrétés d'origine pacifique enregistrant une histoire tectonique polyphasée. Nous distinguons: 1- Le MCOT, un puzzle de roches océaniques d'arc d'âge Triassique supérieur au Crétacée inférieur, 2- Les terrains de Manzanillo et de Nicoya, des morceaux de plateaux océaniques associés à des sédiments océaniques plus âgés que le CLIP. Cette étude se focalisera sur les roches du MCOT. Le MCOT occupe la moitié sud de l'ancien "Chortis Block" et peut se définir par 4 localités de référence qui montrent des roches mafiques et ultramafiques océaniques d'âges compris entre le Trias supérieur et le Crétacée inférieur. 1- Le Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- Le El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- Le DSDP Legs 67/84 (Guatemala fore-arc basin) et 4- La Santa Elena Peridiotite (nord-ouest du Costa Rica). Le Siuna Serpentinite Mélange (SSM) est un mélange de subduction HP/BT dans une matrice de serpentinite. On y trouve des éléments de croûte océanique et d'arc insulaire en faciès de schistes verts et schistes bleus. Des radiolarites du Jurassique moyen se trouvent en contact sédimentaire sur des roches vertes d'arc. En revanche, des cherts noirs détritiques datent du Jurassique supérieur et sont probablement issus d'un bassin marginal (fore-arc ?) peu avant leur subduction, car un âge 40Ar/39Ar de refroidissement des phengites date l'exhumation des roches de haute pression à 139 Ma. Le Mélange d'El Castillo (ECM) est constitué d'une matrice serpentinitique et contient des blocs de metabasaltes OIB et des blocs de radiolarites du Trias terminal. Des études récentes ont repris les roches forées lors des DSDP Legs 67 et 84 et montrent que le soubassement du bassin d'avant-arc du Guatemala-Nicaragua est composé de roches ultramafiques et mafiques (OIB et arc), dont les âges isotopiques vont du Trias au Crétacé supérieur. Finalement, les péridiotites de Santa Elena forment la limite sud du MCOT par rapport aux terrains de Manzanillo et Nicoya. Elles contiennent des serpentinites et localement des dunites et chromites à affinité abyssale et de fore-arc. Le SSM témoigne d'une collision entre un arc insulaire d'âge Jurassique moyen et le Patuca Terrane, un fragment de la marge active nord-américaine. Le SSM et le South Motagua Mélange ont des caractéristiques en commun avec les zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord (E-Franciscan et Vizcaino mélanges), notamment les âges Mésozoïques du métamorphisme HP/BT et les blocs de roches d'arc. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine, mais légèrement diachrone. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc intraocéanique exotique (Guerrero-Phoenix) qui est à l'origine de la Plaque Pacifique qui s'ouvrait en back arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe. K. Flores, 2009 Mesozoic oceanic terranes of southern central America Résumé Grand Public La présente thèse est le résultat de travaux de terrain effectués de 2005 à 2008 au nord-est et au sud du Nicaragua et au nord du Costa Rica, en Amérique Centrale, des analyses pétrologiques et géochimiques en laboratoire ainsi que de la modélisation de l'évolution géodynamique. La région étudiée se situe en bordure nord - ouest de la Plaque Caraïbe moderne. Dans la majorité des publications récentes cette région est représentée comme un vaste bloc continental (le "Bloc Chortis") qui serait limité, (i) au nord, par la faille décrochante de Motagua, la limite actuelle entre la Plaque Nord-Américaine et la Plaque Caraïbe, et (ii) au sud, par une suture hypothétique qui se trouverait aux confins entre le Nicaragua et le Costa Rica. La région du Costa Rica a été considérée presque entièrement comme une partie du Plateau Caraïbe ("Caribbean Large Igneous Province" (CLIP)). L'étude détaillée des affleurements nous a permis de mettre en évidence : - Au nord-est du Nicaragua (Siuna) : Des roches océaniques datées du Jurassique moyen, grâce aux faunes à radiolaires qui ont été extraites des radiolarites rouges. Ces roches ont subi un métamorphisme de haute pression typique des zones de collision. L'étude radio-isotopique Ar/Ar a permis de dater la collision du Crétacé basal (139 Ma). - Au sud du Nicaragua : Des roches océaniques d'âge Trias terminal (200 millions d'années), également datées à l'aide de faunes à radiolaires. Il s'agit actuellement des roches océaniques les plus anciennes connues de l'Amérique Centrale. - L'étude géochimique et les âges des fossiles démontrent que le tiers septentrional du Costa Rica possède un soubassement construit d'au moins deux terrains (Nicoya et Manzanillo), qui ont des caractéristiques de Plateau océanique (Nicoya) et d'arc volcanique du Crétacé moyen (Manzanillo). Ces deux terrains sont plus anciens que le CLIP. En conclusion, nous constatons que la région étudiée est constituée d'un puzzle de 3 blocs continentaux et d'un vaste terrain océanique composite que nous appelons Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT). En plus, nous définissons les terrains de Nicoya et de Manzanillo comme plus âgés et distincts du CLIP. Le MCOT est caractérisé par la présence de roches du manteau supérieur (les serpentinites) et de la croûte océanique, ainsi que des morceaux d'arcs, d'âge allant du Trias supérieur au Crétacé. Ce terrain est comparable à d'autres zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord, notamment en ce qui concerne les âges Mésozoïques, le métamorphisme de haute pression et l'association de roches mantéliques et crustales océaniques. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc infra-océanique exotique qui serait à l'origine de la Plaque Pacifique qui se serait ouverte en bassin d'arrière arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe.