Abstract
Reconstructing the tectonic and kinematic history of orogens and their major fault systems requires a quantitative understanding of the timing and duration over which these fault systems were active. This study aims at understanding the often complex 40Ar/39Ar geochronological data obtained from deformed mylonitic rocks and examines the relationship between defonnation, recrystallization, and argon, oxygen, and hydrogen isotope exchange in muscovite and to some extent amphibole. Textures, as well as compositions and in situ UV-laser ablation and furnace step heating 40Ar/39Ar data from different extensional shear zones demonstrate that when combined with adequate sample characterization, cooling ages can be distinguished from neo- or recrystallization ages. Deformed muscovite porphyroclasts and recrystallized muscovite from the Pogallo Shear Zone (Ivrea Zone, southern Alps) reveal variable intra-grain 40Ar/39Ar ages with internal age variations of more than 60 m.y. The wide age range within compositionally homogeneous grains is consistent with diffusion-dominated argon loss controlled by observable intra-grain microstructures. In contrast, intra-grain 40Ar/39Ar ages of muscovite fish from Proterozoic mylonite of the Porsgrunn-Kristiansand Shear Zone (Southern Norway) and Eocene detachment mylonite of the Shuswap metamorphic core complex (British Columbia, Canada) display only minor age dispersion. Infra- grain recrystallization microstructures of compositionally-zoned, early syntectonic muscovite fish from extensional detachment mylonite at the Porsgrunn-Kristiansand Shear Zone record 40Ar/39Ar ages of deformation increments that bracket the duration of greenschist facies mylonitization. Texturally controlled in situ UV-laser 40Ar/39Ar dating of muscovite cores (891.9 ±2.9 Ma) and recrystallized rims (881.0 ±3.0 Ma) successfully resolves age variations between intra-grain deformation microstructures in muscovite fish and constrains the time scales of extensional detachment faulting to 10.9 ±5.9 m.y. Extensional detachment faulting and exhumation of lower crustal basement rocks along the Porsgrunn-Kristiansand Shear Zone hence occurred well after the main phase of Sveconorwegian high temperature thrusting and crustal shortening at -4 120-1100 Ma as determined by 40Ar/39Ar geochronology of amphibole.
Spatially resolved sampling in mylonitic detachment quartzite of the Shuswap metamorphic core complex indicates that muscovite recrystallized between 49.0 - 47.9 Ma in the presence of meteoric water strongly depleted in deuterium. In situ 40Ar/39Ar geochronology reveals very homogeneous intra-grain 40Ar/39Ar distributions consistent with grain-scale recrystallization and synkinematic argon and hydrogen exchange. Several lines of evidence suggest that for at least 1-2 m.y. during the Early Eocene meteoric waters precipitated onto elevations of 4060 ± 250 m to 4320 ± 250 m some 1000 m higher than today's highest peaks in the area.
The approach of combining X-ray element mapping and careful microstructural characterization with high-spatial resolution in situ UV-laser 40Ar/39Ar geochronology and hydrogen and oxygen isotope geochemistry represents a significant advance in understanding 40Ar/39Ar data from shear zone minerals. The results of this thesis underline that this approach provides a widely applicable tool to establish the rates and time scales of tectonically controlled exhumation in eroding mountain belts and bears potential for determining the paleoelevation of eroded mountain ranges.
Résumé
La reconstitution de l'histoire tectonique et cinématique des orogènes et de leurs principaux systèmes de failles nécessite d'avoir une approche quantitative de leur chronologie et de leur durée de fonctionnement. Le but de cette étude est de déchiffrer les données géochronologiques 40Ar/39Ar, souvent complexes, obtenues sur des roches mylonitiques intensément déformées; il s'agit aussi d'examiner dans la muscovite, et dans une certaine mesure l'amphibole, les relations entre la déformation, la recristallisation, et les échanges isotopiques en argon, oxygène, et hydrogène. Les textures, compositions et données 40Ar/39Ar obtenues par ablation laser ultraviolet (UV) in situ et par chauffage par paliers, montrent que les âges de refroidissement peuvent être distingués des âges de néo- ou recristallisation, quand ils sont couplés avec un échantillonnage adéquat à l'échelle du minéral. Des porphyroclastes déformés de muscovite et des muscovites recristallisées en provenance de la zone de cisaillement de Pogallo (Zone d'Ivrée, Alpes du Sud) donnent des âges 40Ar/39Ar variables pour un même grain, avec des variations internes de plus de 65 Ma. Cet intervalle d'âge dans des minéraux de composition homogène est cohérent avec une perte d'argon contrôlée par des microstructures à l'intérieur même des grains, principalement par diffusion. Par opposition, les âges intra grains 40Ar/39Ar de "mica fish" en provenance des mylonites Protérozoïques de la zone de cisaillement de Porsgrurm-Kristiansand (sud de la Norvège), ainsi que des mylonites du détachement Eocène du dôme métamorphique de Shuswap (Colombie-Britannique, Canada), montrent seulement de très faibles dispersions. Les microstructures de recristallisations intra-grains de "mica fish" zonés et précocement syntectoniques, en provenance de mylonites du détachement en extension de la zone de cisaillement de Porsgrunn-Kristiansand, «enregistrent des âges de déformation qui encadrent dans le temps la durée de la mylonitisation en faciès schiste vert. La datation 40Ar/39Ar par ablation laser UV in situ, contrôlée par la texture minéralogique, de coeurs de muscovites (891.2 ±2.9 Ma) et de bordures de recristallisation (880.2 ±2.8 Ma), résolvent le problème des variations d'âge entre les microstructures de déformation intra-grain des "mica fish" ; la durée de l'épisode de détachement en extension est ainsi de 11.0 Ma. L'activité du détachement en extension et l'exhumation des roches du bloc inférieure le long de la zone de cisaillement de Porsgrunn-Kristiansand se sont donc produites bien après la phase de chevauchement haute température et de raccourcissement crustal de l'orogène Svéconorvégienne vers environ 1120-1100 Ma (âge 40Ar/39Ar sur amphibole).
L'échantillonnage haute résolution à l'échelle du minéral de quartzites mylonitiques dans le détachement du dôme métamorphique de Shuswap montre que la muscovite a recristallisé entre 49.0 et 47.9 Ma, en présence d'eau météorique extrêmement appauvrie en Deutérium. La géochronologie 40Ar/39Ar in situ révèle des distributions 40Ar/39Ar très homogènes, cohérentes avec les phénomènes de recristallisation à l'échelle du grain, et les échanges syn-cinématiques d'argon et d'hydrogène. Plusieurs indices concordants suggèrent que cette eau météorique a précipité à des altitudes de 3900 à 4500 m pendant au moins 1-2 Ma, ce qui implique que cette partie de la cordillère nord-américaine était à des altitudes considérablement plus élevées pendant l'Eocène Inférieur qu'à l’actuel.
La combinaison de la cartographie des éléments par rayon X et de la caractérisation microstructurale précise des minéraux, associée à la haute résolution spatiale de la géochronologie 40Ar/39Ar par ablation laser UV in situ, et à la géochimie des isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène, représente une avancée significative dans la compréhension des données 40Ar/39Ar des minéraux issus de zones de cisaillement. Les résultats de cette thèse démontrent que cette approche procure un outil valable dans la détermination des taux d'exhumation tectonique lors de l'érosion des chaînes de montagne, des échelles de temps associées, ainsi que dans l'estimation de leur paléoaltitudes.
Résumé large public
La topographie du globe terrestre dépend largement des processus de formation des chaînes de montagne. Ces reliefs, ou orogènes, exercent de plus une influence importante sur l'évolution climatique globale, à la base de vives discussions en sciences de la terre et en sciences sociales. La compréhension de ces processus nécessite un effort multidisciplinaire, de manière à saisir les relations entre la dynamique interne du globe (croûte et manteau terrestre) et ses manifestations à la surface (chaînes de montagne). Dans la plupart des cas, de précieuses informations relatives aux conditions de formation de ces chaînes sont conservées dans ce qu'on appelle des zones de cisaillement d'échelle orogénique. Ces zones de cisaillement concentrent les déformations liées aux déplacements continus observés dans la croûte et le manteau terrestre en relation directe avec les déformations à la surface; elles peuvent ainsi accommoder des déplacements de plusieurs centaines de kilomètres. Etudier des chaînes de montagnes anciennes et les utiliser comme modèles pour les chaînes actuelles oblige à connaître avec précision la chronologie de leur formation et de leur démantèlement. Cette thèse présente des données géochimiques et géochronologiques obtenues par la cartographie haute résolution des minéraux, et montre les difficultés rencontrées lors des tentatives de datation de ces zones de cisaillement. L'analyse in situ de micas blancs par ablation laser ultraviolet est à la base d'une nouvelle variante de la méthode de datation 40Ar/39Ar; elle permet en effet de mettre en relation des informations de type structural, d'échelle plurikilométrique, et microstructural, à l'échelle micrométrique des grains, avec les informations géochronologiques contenues dans le minéral. Par conséquent, la géochronologie 40Ar/39Ar in situ donne un nouvel aperçu, auparavant inconnu, de l'histoire des orogènes et de leurs déformations complexes. Les données géochronologiques 40Ar/39Ar provenant de plusieurs zones de cisaillement montrent que cette déformation se fait sur des échelles de temps pouvant atteindre 10 millions d'années. Par opposition, les résultats de la géochronologie 40Ar/39Ar sur la chaîne Shuswap, située dans la cordillère nord- américaine, montrent que le soulèvement des roches fortement métamorphisées au coeur de l'orogène se fait en moins de 1.1 millions d'années, temps extrêmement rapide à l'échelle des temps géologiques. Ces divergences dans les données géochronologiques sont dues en partie au défaut de résolution spatiale de l'échantillonnage à l'échelle du minéral, mais également peuvent être liées à différentes histoires orogéniques. Des progrès importants dans la détermination de ces évolutions peuvent être réalisés par l'analyse couplée de systèmes isotopiques différents. En raison des ses caractères structuraux et isotopiques uniques, le couplage des résultats obtenus par la méthode 40Ar/39Ar avec ceux issus de l'étude des isotopes de l'hydrogène est à la base d'une nouvelle méthode qui a permis de retrouver la paléotopographie de la chaîne Shuswap. Les analyses des isotopes stables dans les zones de cisaillement d'âge Eocène Inférieur indiquent que les altitudes dans la cordillère nord-américaine étaient au moins 1000 mètres plus importantes qu'aujourd'hui, et que ces zones de cisaillement enregistrent des variations climatiques et topographiques depuis l'Eocène Inférieur.