Styles métamorphique et tectonique au
Paléoprotérozoïque : Exemple du sud-est de la province
du Churchill, Québec, Canada
Thèse
Antoine Godet
Doctorat interuniversitaire en sciences de la Terre
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Styles métamorphique et tectonique au
Paléoprotérozoïque:
Exemple du sud-est de la province du Churchill,
Québec, Canada
Thèse de doctorat
Antoine Godet
Sous la direction de :
Carl Guilmette, directeur de recherche
Loic Labrousse, codirecteur de recherche
Résumé
L’évolution progressive des conditions thermiques enregistrées dans les roches métamorphiques suggère que la géodynamique globale est passée d’un régime archéen peu mobile à la tectonique des plaques moderne telle que nous la connaissons. La présence de styles tectonométamorphiques contrastés au Paléoprotérozoïque implique que cette période est clé et transitoire, mais le moment de l’initiation de la transition, sa durée et son expression géologique sont encore largement débattus. Un des éléments de réponse se trouve dans la croûte moyenne à inférieure qui joue un rôle primordial lors de la collision continentale en stabilisant la masse orogénique en réponse au raccourcissement. La quantification du métamorphisme des séquences supracrustales de cet âge sert alors de base à la compréhension des processus accrétionnaires qui s’opèrent au cœur des orogènes en particulier d’âge paléoprotérozoïque, et permet à la fois de discuter du comportement des géochronomètres lors d’épisodes d’anatexie prolongés et d’investiguer la nature des terranes granulitiques. Une approche pétrochronologique quantitative est appliquée sur des séquences supracrustales de l’Orogène Trans-Hudson (OTH), combinant des observations de terrain, de la pétrographie optique, de la microcartographie élémentaire SEM-MLA et microXRF, de la géochimie des éléments majeurs et traces EPMA et LA-ICP-MS, de la modélisation d’équilibres de phases, et de la géochronologie Lu-Hf sur grenat et U-Pb sur zircon, monazite et rutile. Les résultats permettent de définir des chemins Pression-Température-temps-Chimie-Déformation (P-T-t-X-D) et de quantifier le métamorphisme prograde et rétrograde, l’initiation, la durée et les conditions d’épisodes de fusion partielle, ainsi que les taux d’enfouissement et d’exhumation. Finalement, nos résultats permettent d’estimer l’initiation de la collision continentale par un enregistrement métamorphique direct et s’insèrent dans la .
Cette thèse s’intéresse au matériel de croûte moyenne provenant du sud-est de la Province du Churchill (SEPC), une branche de l’OTH coincée entre les cratons du Supérieur et Nord Atlantique qui affleure au Québec et au Labrador, Canada. Un échantillonnage ciblé le long d’un transect est-ouest permet de retracer l’histoire tectonométamorphique de la province, principalement affectée par l’épisode orogénique trans-husonien entre ~1900 et 1800 Ma. L’empreinte métamorphique de l’OTH est diachrone d’un bord à l’autre du SEPC, et principalement enregistrée dans les deux ceintures orogéniques du Nouveau Québec et des Torngat. On estime l’âge de la collision continentale à ~1885 Ma dans l’Orogène des
Torngat et argumente que la marge occidentale du craton Nord Atlantique n’a pas été remobilisée durant cet épisode. Le collage des domaines de Kuujjuaq et de George, deux blocs crustaux du centre de la province, est daté à ~1836 Ma. La collision continentale dans l’ONQ est estimée autour de 1800 Ma et associée au développement d’une discontinuité tectonométamorphique entre la plaque supérieure de l’Orogène du Nouveau Québec (Domaine de Kuujjuaq) et son propre bassin d’avant-pays (Zone Rachel-Laporte) en réponse au raccourcissement. Une exception métamorphique est enregistrée dans le Complexe de Mistinibi, un des blocs lithotectoniques paléoprotérozoïques du SEPC, où l’épisode granulitique est daté autour de ~2100 Ma. On avance des arguments pétrochronologiques datant le métamorphisme prograde à ~2150 Ma suivi d’une longue histoire suprasolidus (~55-70 Ma) entre 2140 et 2070 Ma. Nous interprétons que ce domaine a agi comme un bloc restitique rigide placé en position super-crustale lors de l’évènement majeur hudsonien, ce qui a permis de préserver son histoire métamorphique et empêché une remobilisation subséquente. Dans l’ensemble, ce modèle diachrone de collisions et collages crustaux successifs est en accord avec un régime accrétionnaire à collisionnel en contexte modérément chaud. Le SEPC expose alors des caractéristiques communes à des régimes tectoniques archéens et à la tectonique des plaques moderne.
Abstract
The secular changes of thermal conditions recorded by metamorphic rocks suggest that the Earth’s geodynamic regime transitioned from an Archean stagnant lid toward the modern global plate tectonic regime. The occurrence of contrasting tectonometamorphic styles during the Paleoproterozoic Era imply that this time period was a pivotal point but the timing, duration and geological expression of this geodynamic transition are still debated. Some of the answers occur in the middle-to-lower crustal rock record which plays a major role during collision as it accommodates the shortening and stabilizes the whole orogenic structure. Thus, the metamorphic record of supracrustal sequences constitutes a direct window on the accretionary processes that occur in the core of Paleoproterozoic orogens and the nature of granulitic terranes. We apply a systematic integrated petrochronology approach that combines field work; optical petrography; SEM-MLA and microXRF mapping; EPMA and LA-ICP-MS major and trace element chemistry; phase equilibria modeling; and Lu-Hf garnet and U-Pb zircon, monazite, rutile geochronology on supracrustal sequences from the Paleoproterozoic Trans-Hudson Orogen (THO). The results are integrated in term of quantitative PressureTemperature-time-chemistry-Deformation (P-T-t-X-D) paths that enable to asses prograde and retrograde metamorphic conditions, onset, duration and conditions of anatexis, burial and exhumation rates, and to discuss the behaviour of geochronometers during long-lived anatexis episodes. Our results also provide a robust framework to date the continental collision initiation by direct prograde metamorphic record. This thesis investigates mid-crustal material from the Southeastern Churchill Province (SECP), a branch of the THO squeezed between the Superior and North Atlantic cratons that outcrops in Québec and Labrador, Canada. A systematic sampling along a west-to-east transect of the SECP serves as the basis for deciphering its tectonometamorphic history, mainly related to the THO episode at ~1900-1800 Ma. The THO metamorphic imprint is diachronous from one side of the SECP to the other, and principally recorded in the New Quebec (NQO) and Torngat (TO) orogenic belts bounding the province. We argue that continental collision in the TO was initiated at c. 1885 Ma and that the occidental margin of the North Atlantic Craton was not remobilized during this event. We date the collage and amalgamation of the Kuujjuaq and George River domains, two lithotectonic blocks in the centre of the province, at 1836 Ma. We estimate the continental collision in the NQO at 1800 Ma and highlight the presence of a tectonometamorphic
discontinuity between the upper plate of the NQO (Kuujjuaq Domain) and its own foreland basin (Rachel-Laporte Zone) that developed as a response to the horizontal shortening. A metamorphic exception is recorded in one of the Paleoproterozoic lithotectonic blocks, the Mistinibi-Raude Domain, whose granulitic episode is estimated around ~2.1 Ga. We provide petrochronologic arguments for subsolidus prograde metamorphism at ~2150 Ma, and a long-lived mid-crustal partial melting history from 2140 to 2070 Ma (~55-70 Myr). We interpret that this domain has acted as a rigid restitic block in a superstructural position during the 1.9-1.8 Ga THO, which has prevented its remobilization and any loss of its early metamorphic record. This diachronic model of successive collisions and crustal amalgamations agrees with an accretionary to collisionnal tectonic regime in a moderate thermal environment. The SECP exposes metamorphic and architectural features from Archean and modern plate tectonic regimes.
Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iv
Table des matières ... vi
Liste des figures ... ix
Liste des tableaux ... xii
Liste des abréviations et acronymes ... xiii
Remerciements ... xvi
Avant-propos ... xx
Introduction... 1
I.
Contrasting P-T-t paths reveal a metamorphic discontinuity in the New
Quebec Orogen: Insights into Paleoproterozoic orogenic processes ... 14
I.1. Résumé ... 15
I.2. Abstract... 16
I.3. Introduction ... 17
I.4. Geological setting ... 18
I.4.1. New Quebec Orogen ... 19
I.4.2. Core zone ... 24
I.4.3. Metamorphic zonation of the NQO and the George River Block ... 24
I.5. Sample selection and analytical methods ... 25
I.6. Results ... 32
I.6.1. Petrography and mineral chemistry ... 32
I.6.1.1. Sample 2064A ... 32
I.6.1.2. Sample 3047A ... 35
I.6.1.3. Sample 6130B ... 38
I.6.1.4. Sample 6130C ... 41
I.6.2. Garnet trace element chemistry ... 42
I.6.3. Phase equilibria modelling ... 45
I.6.3.1. Sample 2064A ... 45
I.6.3.2. Sample 3047A ... 47
I.6.3.3. Sample 6130B ... 49
I.6.4. Lu-Hf garnet geochronology ... 51
I.6.5. U-Pb geochronology ... 53
I.6.5.1. Sample 2064A ... 53
I.6.5.2. Sample 3047A ... 53
I.6.5.3. Sample 6130B ... 55
I.7. Discussion ... 56
I.7.1. P-T-t paths ... 56
I.7.2. Garnet growth ... 57
I.7.3. U-Pb metamorphic ages ... 59
I.7.4. Detrital record ... 60
I.7.5. Evidence for a tectonometamorphic discontinuity ... 62
I.7.6. Implications for Paleoproterozoic accretionary tectonics ... 66
I.8. Conclusions ... 67
I.9. Acknowledgements ... 67
II.
Complete metamorphic cycle and long lived anatexis in the c. 2.1 Ga
Mistinibi Complex, Canada ... 85
II.1. Résumé ... 86
II.2. Abstract ... 87
II.3. Introduction ... 88
II.4. Geological context ... 89
II.5. Methods ... 93
II.6. Results ... 96
II.6.1. Petrography and mineral chemistry ... 96
II.6.1.1. Sample 2122A ... 96
II.6.1.2. Sample2122D ... 97
II.6.1.3. Sample 2049A ... 98
II.6.1.4. Sample 2049B ... 100
II.6.2. Phase equilibria modelling ... 103
II.6.2.1. Approach ... 103
II.6.2.2. Pseudosection topology... 104
II.6.2.3. Melt reintegration ... 107
II.6.3. Geochronology ... 110
II.6.4. Trace element chemistry ... 115
II.6.4.1. Zircon and monazite ... 115
II.6.4.2. Garnet ... 118
II.7. Discussion ... 119
II.7.1. Garnet growth ... 119
II.7.2. Trace element chemistry of chronometers ... 121
II.7.2.1. Zircon ... 121
II.7.2.2. Monazite ... 123
II.7.3. P-T-t-X path ... 124
II.7.4. Crystallization and preservation of prograde accessory phases ... 126
II.8. Geological implications ... 128
II.8.1. Detrital record and protolith ... 128
II.8.2. c. 2.1 Ga metamorphism ... 128
II.8.3. Behaviour of the Mistinibi-Raude Domain ... 129
II.9. Conclusion ... 131
II.10. Acknowledgments ... 131
II.11. References ... 131
III.
The metamorphic record of crustal assembly in the Paleoproterozoic
Southeastern Churchill Province, Trans-Hudson Orogen, Canada ... 147
III.1. Résumé ... 148
III.2. Abstract ... 149
III.3. Introduction ... 150
III.4. Geological settings ... 151
III.4.1. South Eastern Churchill Province ... 151
III.4.2. Tasiuyak Complex ... 156
III.4.3. Hutton Suite – North Atlantic Cratons ... 158
III.5. Sampling strategy ... 159
III.6. Analytical method... 159
III.7. Results ... 162
III.7.1. Petrography and mineral chemistry ... 162
III.7.2. Geochronology ... 168
III.7.3. Trace elements chemistry ... 174
III.8.1. Lu-Hf garnet dating constrains prograde metamorphism ... 179
III.8.2. Behaviour of accessory phases ... 181
III.9. Regional implication ... 184
III.9.1. Onset of the comtiental collision on the Torngat Orogen ... 184
III.9.2. The North Atlantic Craton: a rigid block? ... 185
III.9.3. Tectonometamorphic evolution of the SECP ... 185
III.10. Implication for Paleoproterozoic accretionary tectonics ... 189
III.11. Conclusion ... 190 III.12. Acknowlegments ... 191 III.13. References ... 191
Conclusion... 206
Bibliographie ... 215
Annexes ... 239
Annexe A – Matériel supplémentaire chapitre I ... 239
Annexe B – Matériel supplémentaire chapitre II ... 257
Annexe C – Matériel supplémentaire chapitre III ... 262
Annexe D – Chimie minérale ... 265
Annexe E – Cartes élémentaires EPMA ... 373
Annexe F – Cartes SEM-MLA ... 384
Annexe G – Cartes LA-ICP-MS ... 389
Annexe H – Pseudosections ... 392
Annexe I – Âges Lu-Hf sur grenat ... 394
Liste des figures
Figure 1: Modèle évolutif des styles tectoniques. ... 2
Figure 2: Phase finale collisionnelle de l’Orogène Trans-Hudson. Le rectangle noir localise le sud-est de la Province du Churchill (Figure 4). ... 6
Figure 3: Analogie architecturale entre les orogènes du Trans-Hudson et Himalaya-Tibet. 7 Figure 4: Carte géologique simplifiée du Sud-Est de la Province du Churchill. ... 9
Figure I:1: Simplified architecture of the paleoproterozoic Trans-Hudson Orogen ... 19
Figure I:2: Geological setting of the South Eastern Churchill Province ... 20
Figure I:3: Macrophotographs. ... 26
Figure I:4: Representative areas on SEM-MLA maps. ... 33
Figure I:5: Representative textural relationships observed on thin sections. ... 37
Figure I:6: Representative compositional profiles across garnet and their position on qualitative EPMA maps. ... 40
Figure I:7: Trace element zoning in garnet. ... 44
Figure I:8: Pseudosection for sample 2064A. ... 46
Figure I:9: Pseudosection for sample 3047A. ... 49
Figure I:10: Pseudosection for sample 6130B. ... 50
Figure I:11: Lu-Hf isochrons for samples 2064A, 6130B and 6130C. ... 52
Figure I:12: Concordia diagrams (206Pb/207Pb ages). ... 54
Figure I:13: Composite P-T-t paths of supracrustal sequences from the central segment of the NQO. ... 63
Figure I:14: Summary. ... 65
Figure II:1: Simplified geological map of the South Eastern Churchill Province. ... 91
Figure II:2: Field macrophotographs from weathered outcrops. ... 92
Figure II:3: SEM-MLA maps of thin sections in false color... 97
Figure II:4: Microphotographs of representative textural relationships in thin section. ... 98
Figure II:5: Representative EPMA compositional profiles across garnet porphyroblast and their position on qualitative maps. ... 100
Figure II:6: Calculated pseudosections for metasedimentary samples 2122A and 2049A. ... 107
Figure II:7: Melt-reintegrated pseudosections for samples 2122A and 2049A. ... 109
Figure II:8: Back-scattered electron imaging of dated zircon grains. ... 111
Figure II:9: U-Pb data for Sample 2122A. ... 113
Figure II:10: U-Pb data for Sample 2049A. ... 114
Figure II:11: Lu-Hf isochrones for garnet whole rock fractions. ... 115
Figure II:13: Chondrite normalized REE spectra for monazite and zircon. ... 117
Figure II:14: Garnet trace elements. ... 119
Figure II:15: Zircon-Garnet REE distribution patterns. ... 123
Figure II:16: Integrated P-T-t paths. ... 126
Figure III:1: Simplified geological architecture of the Southeastern Churchill Province ... 153
Figure III:2: Geological map of the northern Torngat Orogen. ... 157
Figure III:3: Composite images from Sample 3148A. ... 164
Figure III:4: Composite images from Sample 8034A. ... 166
Figure III:5: U-Pb zircon chronology. ... 169
Figure III:6: U-Pb monazite and rutile chronology. ... 170
Figure III:7: Lu-Hf garnet isochrones. A- Sample 3148A. B- Sample 8034A. ... 171
Figure III:8: Representative garnet chemistry of Sample 3148A. ... 175
Figure III:9: Representative garnet chemistry of Sample 8034A. ... 176
Figure III:10: Monazite trace element chemistry – Sample 3148A. ... 177
Figure III:11: Calculated partitioning coefficient between monazite and garnet. ... 179
Figure III:12: Composite P-T-t path. ... 183
Figure III:13 Time-space diagram outlining the metamorphic events in the different domains of the SECP. ... 186
Figure III:14: West-East 2D tectonometamorphic model through the SECP. ... 188
Figure 15 : Caractéristiques architecturales et thermo-mécaniques simplifiées des régimes tectoniques contrastés. ... 213
Figure A1: Cartes SEM-MLA. Les carrés sont présentés en figure I.3. ... 239
Figure A2: Carte EPMA de grenat ... 240
Figure A3: Carte LA-ICP-MS de grenat - Échantillon 2064A ... 241
Figure A4: Carte LA-ICP-MS de grenat – Échantillon 6130B ... 242
Figure A5 : Carte LA-ICP-MS de grenat - Échantillon 6130C ... 243
Figure A6: Résultats de la modélisation d’équilibres de phases avec l’eau structurale. La composition utilisée est présentée en Table X. ... 244
Figure A7 : Images BSE des monazites de l’échantillon 3047A. ... 245
Figure A8 : A) Images BSE et CL des zircons prismatiques de l’échantillon 6130B. B) Images BSE des zircons bruns du même échantillon. ... 245
Figure B1 : Pseudosections des échantillons mafiques 2049A et 2049B. ... 257
Figure B2: Images BSE des monazites. ... 258
Figure B3: Image BSE de la lame 2049A indiquant la position texturale des zircons et monazites. ... 258
Figure C1: Cartes LA-ICP-MS de grenat – Échantillon 3148A. ... 262
Figure C2: Cartes LA-ICP-MS de grenat – Échantillon 8034D. ... 263
Figure C3: Images BSE des zircons de l’échantillon 3148A. ... 264
Tableau D1: Grenat ... 265
Figure E : Cartes élémentaires Fe, Mg, Ca, Mn de porphyroblastes de grenat représentatifs. 373 Figure F1: Carte SEM-MLA – Échantillon 16-BC-1029-A ... 384
Figure F3: Carte SEM-MLA – Échantillon 16-AG-2050-B ... 386 Figure F4: Carte SEM-MLA - Échantillon IL-3047A2-15 ... 387 Figure F5: Carte SEM-MLA - Échantillon BC-6062-A-15. ... 388 Figure G1: Carte LA-ICP-MS d'un grenat représentatif de l'échantillon 15-IL-3047-A2 .. 389 Figure G2: Carte LA-ICP-MS d'un grenat représentatif de l'échantillon 16-AG-2122-D. . 390 Figure G3: Carte LA-ICP-MS d'un grenat représentatif de l'échantillon 16-AG-2049-B .. 391 Figure H1: Pseudosection modélisée pour l'échantillon 16-AG-2050-B ... 392 Figure H2: Pseudosection modélisée pour l'échantillon 16-AG-2034-D. ... 393 Figure I1: Résultats de la datation Lu-Hf sur deux échantillons mafiques du Complexe de Mistinibi... 394 Figure J1: Résultats de l'étude thermobarométrique AvgPT. ... 395
Liste des tableaux
Tableau 1: Liste des communications scientifiques. ... xxii
Tableau I-1: Crystallization and metamorphic ages of the study area from the literature. . 23
Tableau I-2: Representative mineral chemistry of sample 2064A. ... 27
Tableau I-2: Representative mineral chemistry of sample 2064A. ... 34
Tableau I-3: Representative mineral chemistry of sample 3047A. ... 36
Tableau I-4: Representative mineral chemistry of sample 6130B. ... 39
Tableau I-5: Representative mineral chemistry of sample 6130C... 42
Tableau I-6: Bulk compositions involved in phase equilibria modelling. ... 45
Tableau I-7: Lu-Hf isotopic data. ... 51
Tableau II-1: Representative mineral chemistry. ... 102
Tableau II-2: Bulk compositions involved in phase equilibria modelling. ... 104
Tableau II-3: Lu-Hf isotope data. ... 120
Tableau III-1: Compilation of Lu-Hf garnet dates from the SECP. ... 156
Tableau III-2: Representative mineral chemistry. ... 167
Tableau III-3: U-Pb data ... 173
Tableau III-4: Trace element monazite chemistry. ... 178
Tableau III-5: Lu-Hf isotopic data. ... 180
Tableau A1: Données U-Pb des zircons, monazite et rutile... 246
Tableau B1: Données U-Pb des zircons ... 259
Tableau B2: Données U-Pb des monazites ... 261
Tableau D2 : Biotite. ... 310 Tableau D3: Muscovite ... 329 Tableau D4: Chlorite ... 336 Tableau D5: Feldspaths ... 338 Tableau D6: Pyroxènes ... 357 Tableau D7 : Staurotide ... 362 Tableau D7 Ilménite ... 365
Liste des abréviations et acronymes
Géologie régionale
OTH/THO Orogène Trans-Hudson / Trans Hudson Orogen
SEPC/SECP Sud-Est de la Province du Churchill / South Eastern Churchill Province ZN/CZ Zone noyau / Core Zone
ONQ/NQO Orogène du Nouveau Québec / New Quebec Orogen OT/TO Orogène des Torngat / Torngat Orogen
CNA/NAC Craton Nord Atlantique / North Atlantic Craton DK/KD Domaine de Kuujjuaq / Kuujjuaq Domain RLZ/ZRL Zone Rachel Laporte / Rache Laporte Zone
DMR/MRD Domaine de Mistinibi-Raude / Mistinibi-Raude Domain CM/MC Complèxe de Mistinibi / Mistinibi Complex
CT/TC Complèxe de Tasiuyak / Tasiuyak Complex BDP/DPB Batholite de De Pas / De Pas batholih
DRG/GRD Domaine de la Rivière George / George River Domain DRF/FRD Domaine de la Rivière Falcoz / Falcoz River Domaine CS/SC Complèxe de Sukaliuk / Sukaliuk Complex
CLL/LLC Complèxe du Lac Lomier / Lac Lomier Complex
ZCLT/LTSZ Zone de cisaillement du Lac Tudor / Lac Tudor shear zone ZCRG/GRSZ Zone de cisaillement de la rivière George / George River shear zone ZCM/MSZ Zone de cisaillement de Moonbase / Moonbase shear zone ZCF/FSZ Zone de cisaillement de Facoz / Falcoz shear zone CDB/BDC Corridor de déformation de Blumath / Blumath deformation corridor ZCA/ASZ Zone de cisaillement d’Abloviak / Abloviak shear zone FLT/LTF Faille du Lac Turcotte / Lac Turcotte fault
FLH/LHF Faille du Lac Hérodier / Lac Hérodier fault
Méthodes analytiques
EPMA Electron Probe Micro-Analyser
LA-ICP-MS Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry MC-ICP-MS Multicollector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry ID-TIMS Isotope Dilution Thernal Ionization Mass Spectometry SEM-MLA Scanning Electron Microscopy Mineral Liberation Analysis XRF X-Ray Fluorescence
BSE Back Scatter Electrons Detector CL Cathodoluminescence
Chimie minérale
(L-H)REE (Light-Heavy) Rare Earth Elements HFSE High Field Strengh Elements Liq Anatectic melt
Grt/g Garnet Alm Almandine Sps Spessartine Grs Grossular Prp Pyrope Qz/Qtz/q Quartz Bt/Bi Biotite Ms/Mu Muscovite Chl/Cl Chlorite St/Su Staurolite Ilm Ilmenite Rt/Ru Rutile Pl Plagioclase An Anorthite Ab Albite Kfs K feldspar Sil/Sill Sillimanite Ky Kyanite Opx Orthopyroxene Cpx Clinopyroxene Hb/Hbl Hornblende Ts Tsermakite Ep Epidote Spl Spinel Crd Cordierite Spn/Ttn Sphene/Titanite Zrc Zircon Mnz Monazite Ap Apatite
Remerciements
Ce document représente le fruit de plus de quatre années de travail. Quatre ans, c’est long en cri**e! « Oui, mais tu savais dans quoi tu t’embarquais » me direz-vous. Certes, j’en avais pris conscience mais je n’avais pas réalisé l’ampleur d’un projet doctoral, du nombre de personnes impliquées de prêt ou de loin, des émossions intenses et variées que cela procure, de la charge «parentale» envers ce bébé qui ne peut grandir qu’avec l’amour qu’on lui porte. Alors c’est le moment de faire le bilan, de se remémorer les joies, les rires, les défis, les cheveux en moins ; de se remettre en question en se disant : « Et si c’était à refaire? » ; de prendre du recul sur cette tranche de vie qui se tourne ; de sourire en écrivant ces lignes ; mais surtout de se laisser guider par la plume et de remercier toutes les personnes qui m’ont entouré et sans qui, on ne va pas se le cacher, je n’en serais pas là! En premier lieu, je tiens à remercier celle qui partage ma vie depuis de nombreuses années. J’ai fait ce constat étrange en lisant des thèses, probablement une sorte de tradition ésotérique implicite qui se perpétue de générations en générations, par laquelle les conjoints sont remerciés à la toute fin. Ce sont pourtant eux qui partagent notre vie quotidienne. Ce sont eux qui servent de pilier dans les bons et les mauvais moments, de base à notre équibilibre mental. Alors, je disrupte. Anne-So, merci d’exister à mes côtés. Réentrons dans les cases conventionnelles. Ce projet n’aura pas vu le jour sans Carl Guilmette, mon directeur de recherche. Je ne cesse de le répéter : « la réussite d’un doctorat dépend en grande majorité de la relation que l’étudiant entretient avec son directeur ». C’est d’ailleurs cette relation si singulière et si difficile à décrire qui m’a amené au bout. Une sorte de mélange entre mentor, professeur, collègue, ami, philosophe, enseignant, brasseur, et probablement plus encore… Carl je te remercie de m’avoir transmis la fibre de la recherche académique et de l’enseignement universitaire, de m’avoir tansmis le savoir vivre québécois, ou encore de m’avoir transmis les ficelles d’un réseau professionnel et amical indispensable à l’équilibre d’un jeune chercheur. Je te remercie de m’avoir fait confiance, parce qu’après tout, on ne se connaissait pas avant, et de m’avoir laissé l’autonomie pour orienter et mener à bien ma thèse. Merci de m’avoir guidé tout au long de mon parcours doctoral, merci de m’avoir poussé dans mes retranchements à travers nos nombreuses discussions, merci de m’avoir fait évolué de padawan à maître jedi ++ dans l’utilisation de THERMOCALC, merci de m’avoir permis de présenter mes travaux dans des conférences
internationales, et enfin merci d’avoir pris soin de mon adolescence géologique, ma transition de bébé géologue à géologue adulte.
L’initiation, la supervision, et la maturation de mon projet se sont faites conjointement avec Loïc Labrousse, mon co-directeur de recherche. Loïc, je te cite : « Tu as été un étudiant facile à superviser pour la simple et bonne raison que tu étais loin ». Cependant, cette distance océanique de 5200 km n’a rien enlevé à notre relation. J’ai énormément appris à tes côtés grâce aux nombreuses discussions, aux nombreux Skype, aux débats qui m’ont poussé dans mes réflexions sur les grandes questions scientifiques, la tectonique, la géodynamique et les fondements de la géologie au sens large. Merci de m’avoir accompagné, relu et corrigé, sans quoi mon écriture scientifique serait aujourd’hui encore balbutiante. Merci d’être venu, et même revenu à Chiboug’, pour marteler, mesurer, enseigner, noter, caféiner, et écrire de la prose moderne. Je terminerai en te remerciant de m’avoir appris à dessiner les plis en fourreau avec un réalisme digne des plus grands de ce monde.
Continuons.
La géologie, ça commence par le terrain. Il y en a eu du chemin et de l’argent dépensé entre le moment, où moi alors jeune géologue prépubère laissé à lui-même dans les immensités du Québec septentrionnal, j’ai donné mon premier coup de masse (qui a rebondi comme pour tout le monde la première fois !) et le moment où mes articles ont été publiés. J’ai été extrêmement chanceux d’avoir pû découvrir, apprécier et vivre l’expérience de la géologie en région éloignée, d’avoir apprivoisé les roches du sud-est de la Province du Churchill, et d’avoir été malmené par les bibittes. Cela n’aurait pas été possible sans mon intégration au sein des équipes de cartographie du BCGQ, MERN. J’exprime alors toute ma gratitude envers les géologues, les amis, qui m’ont fait confiance et m’ont permis de mener à bien mon travail de terrain, à savoir Isabelle Lafrance, Benoit Charette, Marc-Antoine Vanier, Guillaume Mathieu. Finalement, ma zone d’étude est située au Nunavik. Ce document représente donc une opportunité unique de remercier les populations autochtones, car après tout : « Quand il s’agit de les ignorer, d’ignorer leur culture et leur territoire, là y’a du monde, mais quand il s’agit de les remercier, c’est silence radio ». Merci à eux.
Je ne peux poursuivre cette section sans remercier la Commission Géologique du Canada et le projet GEM II, les programmes Discovery du CRSNG, et le Ministère de l’Énergie et des Ressources Naturelles du Québec pour leur soutien financier.
La pétrochronologie métamorphique nécessitant de nombreuses données analytiques, des compétences diverses et variées, et une trans-disciplinarité du quotidien, je suis extrêmement reconnaissant envers tous les collaborateurs et les co-auteurs qui ont contribué à la réussite de ce travail. Je tiens à remercier Matthijs Smit qui a réalisé l’entièreté des datations sur grenat et participé à la rédaction de l’ensemble des articles présentés ici. Je lui suis reconnaissant de m’avoir accueilli dans son laboratoire et initié à la géochimie isotopique des grenats. Je remercie aussi Donald Davis pour son implication dans chacun des articles et ses conseils, ainsi que Tom Raimondo et Jamie Cutts pour les collaborations. Une pensée particulière va aussi aux personnes qui m’ont accueilli dans leur laboratoire. Bien sûr, merci à Marc Choquette, Dany Savard, et Dylan Goudies pour leur aide et leurs conseils lors des nombreuses acquisitions de données effectuées.
Une thèse, cela se vit, s’écrit et s’évalue. À ce titre je suis extrêmement reconnaissant envers les membres de mon jury qui ont gracieusement accepté de lire en intégralité, de juger, et de commenter mon travail. Merci à Chris Yakymchuck, Crystal Laflamme et Renaud Soucy La Roche.
Poursuivons avec les acteurs indispensables du département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval. Je commencerai par remercier Olivier Rabeau, où plutôt Oli, car « On s’est quand même bien marré! ». Ça avait bien commencé dès le début où nos approches pédagogiques si différentes ont muté en une forme de symbiose turgescente à « faire violence ». J’aurais appris à tes côtés que travailler avec des gens que l’on apprécie, c’est quand même facile! On en aura passé des heures à penser, créer, explorer, chercher des routes et des boulangeries, boire des cafés pour s’intégrer à la vie locale, pour enfin être fier du Camp de terrain. D’ailleurs, j’ai une pensée pour Guillaume Allard et Frank qui tous deux nous ont embarqués dans ce projet. Guillaume, notre relation aura été courte et intense mais n’en est qu’à ses débuts, et Frank merci de m’avoir épaulé lors de mon plongeon dans le grand bain de l’enseignement.
Ensuite, il y a mes semblables, mes partenaires de galère qui m’ont soutenu tout au long de ce projet. Je remercie mes co-bureau Roman et JD, ainsi que mes partenaires de modélisation d’équilibres de phases Myriam, Antoino, et Nico, sans oublier les membres du groupe de recherche pour les discussions passionnantes, merci à Renato, Nathan, et mention spéciale à Marcus. Se remémorer toutes ces années passées au bureau, c’est
aussi penser à tous les autres, tous ceux avec qui j’ai pû diner, échanger, jouer à la pétanque, à savoir PH, Tony, Fred, Rod, Micha, Alex, …
Finalement vient le temps de remercier les copains. Les copains, c’est important. Les copains se sont ceux sur qui tu peux compter pour aller boire des bières, aller faire du camping, te sortir d’un igloo effondré, aller faire du kayak sous la neige, partir le WE en chalet, et tant de choses qu’il m’est impossible de tout énumérer. Toutefois, si je n’avais à retenir que deux mots - pourquoi juste deux je n’en sais rien… après tout c’est moi qui fixe les règles – ce serait Rires et Déguisements. Alors pour être sûr de ne froisser personne avec un quelconque classement affectif, je remercie dans un ordre aléatoire : Fabrice, Marie, FX, Ad, Victor, Dimitri, Carole, Benoit, Kuz, JP, Val, Coco, Toto, GG, Laura, Sophie, Hugo, Pierre, La Rousse, Mathilde, Séb, Steffie, Lili, David, André, Saffy, Hélène, Rose, Carl et tant d’autres. Ainsi je conclus cette liste qui est formellement non exhaustive et s’agrandit de jour en jour au fil des rencontres.
Cette section touche à sa fin, et je finirai en remerciant mes parents et ma sœur, mais aussi ma famille au sens plus large, qui ont toujours cru en moi, qui m’ont toujours soutenu dans mes choix, qui m’ont laissé développer une autonomie qui m’est si précieuse aujourd’hui, et qui ont accepté que je m’expatrie à l’autre bout du monde. Merci à vous.
Avant-propos
Cette thèse relate les travaux réalisés lors de mes quatre années de doctorat. L’entièreté de son contenu dérive de ce projet, du travail de terrain jusqu’à la publication des résultats, en passant par l’acquisition, le traitement et l’interprétation des données. L’introduction vise à replacer ce travail dans les connaissances actuelles des conditions thermiques et métamorphiques orogéniques et présente la géologie du sud-est de la Province du Churchill. Elle comprend la problématique scientifique et les objectifs de cette thèse.
Les chapitres 1, 2 et 3 représentent les articles scientifiques et constituent le corps de cette thèse. Le premier chapitre intitulé Contrasting P-T-t paths reveal a metamorphic
discontinuity in the New Quebec Orogen : Insights into Paleoproterozoic orogenic processes
traite de l’architecture et de la quantification métamorphique dans les roches sédimentaires d’avant et d’arrière-pays de l’Orogène du Nouveau Québec. Cet article a été accepté dans le journal Precambrian Research et est actuellement sous presse.
Le deuxième chapitre intitulé Complete metamorphic cycle and long lived anatexis
in the c. 2.1 Ga Mistinibi Complex, Canada s’intéresse au métamorphisme granulitique des
métasédiments du Complexe de Mistinibi, un bloc lithotectonique paléoprotérozoïque au cœur du SEPC, et investigue le comportement des géochronomètres usuels lors d’épisodes anatectiques prolongés. Cet article est publié dans Journal of Metamorphic Geology (décembre 2019).
Le troisième chapitre nommé The metamorphic record of crustal assembly in the
Paleoproterozoic Southeastern Churchill Province, Trans-Hudson Orogen, Canada vise à
contraindre l’initiation de la collision dans l’orogène des Torngat à travers la géchronologie des métasédiments au cœur de l’orogène et à proposer des amalgamations / collisions successives des blocs lithotectoniques qui composent le SEPC. Cet article est à l’état de manuscrit.
Ce travail a bénéficié de la collaboration scientifique de nombreuses personnes qui sont par conséquent co-auteures des articles. Les implications individuelles sont décrites ci-dessous. Je suis l’auteur principal des trois articles scientifiques et par conséquent des chapitres composant cette thèse. J’ai collecté la majorité des échantillons présentés. J’ai réalisé l’acquisition des données analytiques et traité les résultats. Je suis à l’origine de leur
interprétation et de leur intégration. J’ai réalisé les travaux de modélisation d’équilibre de phase ainsi que l’entièreté des figures présentées dans ces articles. Carl Guilmette est l’initiateur du projet et à l’origine de la levée de fonds. Il a participé à établir les problématiques scientifiques et objectifs de chacun des articles. Il a contribué de manière significative à l’interprétation des résultats et à la rédaction des articles. Loic Labrousse a contribué à la collecte d’échantillons, à l’interprétation des résultats, ainsi qu’à l’élaboration et à la rédaction des trois articles. Matthijs Smit a réalisé les datations Lu-Hf des grenats, incluant la dissolution et séparation isotopique, et les mesures MC-ICP-MS. Il a contribué à la rédaction des trois articles. Jamie Cutts a participé à la datation des grenats et la rédaction de l’article présenté dans le chapitre 2. Donald Davis a réalisé la datation U-Pb des zircons, monazites et rutiles présentés dans l’ensemble des articles et a participé à la rédaction de chacun. Isabelle Lafrance et Benoit Charette ont rendu possibles les différentes campagnes de terrain en collaboration avec le Bureau de la Connaissance Géoscientifique du Québec, Ministère de l’Énergie et des Ressources Naturelles du Québec. Ils ont tous les deux participé à la collecte d’échantillons et à la rédaction des articles des chapitres 1 et 2. Marc-Antoine Vanier a participé aux travaux de terrain et à la rédaction des articles des chapitres 1, 2 et 3. Finalement, Tom Raimondo a contribué aux analyses LA-ICP-MS des éléments traces dans les grenats présentés dans l’article du chapitre 1, et contribué à la rédaction de ce dernier.
En plus des trois articles scientifiques dont je suis le premier auteur, j’ai publié mes résultats sous forme de rapports d’avancement auprès du Ministère de l’Énergie et des Ressources Naturelles. Je suis le premier auteur sur trois d’entre-eux (MB 2016-09, Godet et al., 2016; MB 2017-16, Godet et al., 2017; MB 2018-31, Godet et al., 2018) et co-auteur sur deux autres (MB 2018-12, Vanier et al., 2018; Charette et al., 2019).
Finalement, j’ai eu la chance de présenter mes travaux sous forme de présentations orales et d’affiches lors de congrès scientifiques nationaux et internationaux. Ils sont résumés dans les tableaux 1.
Conférence Année Mode de présentation
Titre
Geological – Mineralogical -Association of Canada - GAC-MAC, Québec
2019 Orale Deciphering prograde, peak and retrograde metamorphism in the ~2.1 Ga Mistinibi Complex, Canada
GAC-MAC, Québec 2019 Poster A cryptic metamorphic discontinuity in the Paleoproterozoic New Quebec Orogen: Overthrusting of the foreland basin revealed by Lu-Hf and U-Pb chronology
Granulites&Granulites
Ullapool, Écosse
2018 Orale P-T-t evolution of the ~2.1 Ga granulitic Mistinibi Complex, South Eastern Churchill Province, Canada
Resources for Future Generations, Vancouver, BC
2018 Orale P-T-t paths across the New Quebec Orogen and relationships to tectonics
European Geosciences Union,
Vienne, Autriche
2018 Orale P-T-t paths across the New Quebec Orogen and relationships to tectonics
Journée des Sciences de la Terre et de l’Environnement JSTE, Québec
2018 Orale P-T-t paths across the New Quebec Orogen and relationships to tectonics
Québec Mines, Québec 2017 Poster Enfouissement et pic métamorphique dans la croûte moyenne de l’orogène du Nouveau Québec, contraintes pétrochronologiques et évolution P-T-t
GAC-MAC, Kingston, ON 2017 Poster Characterization of the metamorphic gradient across the New Quebec Orogen and relationships to tectonics JSTE, Québec 2017 Orale Étude tectonométamorphique et implications
géodynamiques, Province du Churchill Sud Est, Québec, Canada
Québec Mines, Québec 2016 Poster Caractérisation du gradient métamorphique dans la croûte moyenne de l'Orogène du Nouveau-Québec : Discontinuités, Style et Implications tectoniques
Québec Mines, Québec 2015 Poster Transect du Churchill SE : évolution tectonométamorphique et implications géodynamiques
Introduction
État de l’art
La Terre est une planète en mouvement. Les gradients de température entre ses couches internes et externes engendrent les mouvements convectifs considérés comme l’un des moteurs de la tectonique des plaques globale. La lithosphère est définie sur la base d’études sismiques, pétrologiques, gravimétriques et de flux thermique, comme la couche externe rigide à la surface de la Terre (e.g. Barrell, 1914; White, 1988; Artemieva, 2009; Eaton et al., 2009). Elle comprend la croûte et la partie supérieure du manteau qui sont couplées mécaniquement et évoluent en plaques individuelles en rotation sur la sphère. Bien que son architecture actuelle soit acceptée, le couplage rhéologique de la croûte et de la partie supérieure du manteau, les conditions thermiques du Moho, la position de la limite lithosphère/asthénosphère et la composition de la lithosphère semblent avoir évolué au cours du temps (e.g. Djomani et al., 2001; Griffin et al., 2003; Griffin et al., 2008), impliquant des processus de cratonisation encore débattus (e.g. Lee, 2006; Aulbach, 2012). Les ceintures orogéniques sont le résultat direct de ces mouvements relatifs des lithosphères océaniques et continentales et sont les témoins de leur évolution actuelle et passée. Elles présentent des caractéristiques architecturales, structurales et thermiques propres, qui varient d’un orogène à l’autre. Ceci est particulièrement vrai entre des orogènes d’âges contrastés (e.g. Gapais et al., 2009; Cagnard et al., 2011; Gerya, 2014; Sizova et al., 2014). Les orogènes anciens archéens exposent un épaississement crustal et des grades métamorphiques distribués de façon homogène latéralement, une géométrie en « dômes et bassins » et des structures de fluage en réponse au raccourcissement horizontal (Chardon et al., 2009; Gapais et al., 2009). Les orogènes dits « modernes » sont quant à eux caractérisés par la présence de lambeaux exhumés de roches métamorphiques de (ultra) haute pression - basse température ((U)HP-BT), la juxtaposition d’unités métamorphiques contrastées, une forte localisation de la déformation le long de chevauchements d’échelle crustale à lithosphérique, le développement de bassins flexuraux et des détachements crustaux en réponse à de l’extension syn- à post-orogénique (Gapais et al., 2009). Une des questions qui anime le monde scientifique depuis plusieurs décennies porte sur l’initiation, la durée et l’expression de la transition entre ces deux styles orogéniques. Cette période transitoire est interprétée comme le reflet des changements continus des conditions
thermiques de la lithosphère et de la relaxation du gradient géothermique au fil du temps (e.g. Brun, 2002; Condie, 2007; Chardon et al., 2009; Cagnard et al., 2011).
Figure 1: Modèle évolutif des styles tectoniques.
Modifié d’après Dhuime et al. (2017). Les chemins P-T schématiques sont tirés de Cagnard et al.
(2011). Il est important de noter une diminution de l’amplitude des mouvements convectifs liés à une
baisse progressive de la température des couches internes. Tel que discuté dans le texte, les orogènes anciens sont caractérisés par conditions métamorphiques distribuées latéralement, une déformation non localisée et une structure en dômes en bassins ; alors que les orogènes modernes comportent des lambeaux exhumés de roches métamorphiques de HP/UHP-BT, une forte localisation de la déformation, le développement de bassin d’avant-pays et des détachements crustaux en réponse à de l’extension syn- à post-orogénique. On retrouve aussi bien des caractéristiques de tectonique archéenne et moderne au sein du modèle transitoire. Toutefois, l’initiation, la durée et l’expression géologique de la période transitoire reste sujette à débat. Une des clés réside dans l’étude métamorphique du matériel de croûte moyenne.
Plusieurs arguments géologiques tels qu’une diminution de la genèse de croûte continentale, l’émergence de complexes ophiolitiques et éclogitiques ou encore la reconnaissance du faciès des schistes bleus penchent en faveur d’un début de la transition autour de 3,0 Ga (e.g. Brown, 2006; Condie, 2007; Condie and Kröner, 2008; Cawood et al., 2009; Dhuime et al., 2012) et de sa fin au Néoprotérozoïque (e.g. Davies, 1992; Stern, 2005; Gerya, 2014; Sizova et al., 2014; Palin and White, 2016). De plus, plusieurs auteurs
introduisent l’existence d’un modèle paléoprotérozoïque transitoire pour expliquer des caractères géologiques observés dans les orogènes du même âge (Cagnard et al., 2011; Dhuime et al., 2012). Une partie importante de l’histoire métamorphique est enregistrée dans les unités de la croûte moyenne à inférieure qui apparaissent comme une cible de choix pour tester les prédictions thermo-mécaniques des modèles orogéniques.
Les terranes granulitiques jouent un rôle important dans l’accrétion et la stabilisation de nouvelle croûte (Harley, 1989). Décoder leur histoire métamorphique en terme d’évolution P-T-t-X-D est nécessaire pour comprendre le comportement du matériel de croûte moyenne à inférieure, mais aussi les mécanismes d’accrétion et leurs taux dans différents environnements orogéniques (Harley, 1989; Chardon et al., 2009; Harley, 2016). Pour accéder à l’enregistrement métamorphique des roches de croûte moyenne à inférieure, il est d’usage d’étudier les orogènes anciens fortement érodés dont les infrastructures orogéniques sont maintenant à l’affleurement et accessibles. Cette investigation pluridisciplinaire requiert une compréhension globale des processus tectoniques et métamorphiques.
La pétrochronologie vise à lier et à comprendre les interactions entre la pétrographie, les volumes d’équilibre, la chimie minérale des éléments majeurs et traces, les conditions de pression-température et la géochronologie. L’émergence de cette discipline a permis une meilleure compréhension des processus physiques et chimiques qui affectent les minéraux, et par définition les roches, lors d’un épisode métamorphique. Le lecteur est invité à se référer à l’ouvrage «Petrochronology : Methods and Applications » (Kohn et al., 2018) et aux publications associées (e.g. Engi, 2017; Engi et al., 2017; Kohn and Penniston-Dorland, 2017; Rubatto, 2017; Yakymchuk et al., 2017) pour comprendre les enjeux et développements de cette discipline hybride. Une des applications directes vise à investiguer les processus physico-chimiques lors de la fusion partielle et l’apparition de liquide anatectique en réponse au métamorphisme prograde, mais aussi lors de la cristallisation de ce liquide au cours du refroidissement de haute température. Par ailleurs, il est accepté qu’un long temps de résidence dans des conditions de croûte moyenne à inférieure influe fortement sur la préservation de l’information métamorphique prograde. Ceci est principalement gouverné par des propriétés chimiques et la rééquilibration à haute température (Kohn and Penniston-Dorland, 2017), par la croissance et la disparition des minéraux majeurs et accessoires (e.g. Yakymchuk et al., 2017), par l’apparition et l’extraction de liquide anatectique (e.g. Bea and Montero, 1999; Caddick et al., 2010; Yakymchuk and Brown, 2014a; Yakymchuk and Brown, 2014b), et par l’infiltration de fluide.
De ce fait, dater et comprendre le métamorphisme prograde et l’apparition du liquide anatectique dans un contexte granulitique apparaît être un défi. Le zircon (e.g. Kohn et al., 2015; Rubatto, 2017) et la monazite (e.g. Parrish, 1990; Engi, 2017; Warren et al., 2018) sont largement utilisés en géochronologie. Cependant, ils sont fortement affectés par la fusion partielle et les âges obtenus sont le plus souvent interprétés comme représentant la cristallisation du liquide anatectique et le métamorphisme rétrograde après la haute température (e.g. Rapp and Watson, 1986; Kelsey et al., 2008; Kelsey and Powell, 2011; Yakymchuk and Brown, 2014a; Yakymchuk et al., 2017; Yakymchuk et al., 2018). Il est à noter que des exceptions existent où des zircons et monazites péritectiques progrades sont identifiés (e.g. Vavra et al., 1996; Vavra et al., 1999; Hermann and Rubatto, 2003; Johnson et al., 2015; Gervais and Crowley, 2017; Yakymchuk, 2017). Une des clés réside dans l’analyse des phases progrades, dont le grenat est probablement le plus communément utilisé. Sa popularité est due à son ubiquité, à sa stabilité sur une grande plage de pressions-températures, à une bonne compréhension de son rôle dans les paragenèses, à sa robustesse, à sa capacité de préservation des zonations chimiques, et au fait qu’on puisse le dater (Baxter et al., 2013; Baxter and Scherer, 2013). Bien que les systèmes isotopiques Lu-Hf et Sm-Nd soient de plus en plus utilisés pour dater le grenat du fait de températures de fermeture élevées, même pour des taux de refroidissement très lents (>750 °C pour des refroidissements < 2°C.Myr-1, Smit et al., 2013), l’interprétation des âges et de leur implication en terme de chemins P-T-t-X requiert une approche pétrochronologique intégrée. Lorsque couplée à de la thermobarométrie et modélisation d’équilibres de phases, l’utilisation systématique de plusieurs chronomètres sur un même échantillon se révèle être une approche de choix pour contraindre le timing du métamorphisme prograde et rétrograde, et définir les gradients thermiques ainsi que les taux d’enfouissement et d’exhumation des unités orogéniques.
Ainsi, une étude intégrée à différentes échelles viserait les séquences supracrustales métamorphisées d’un orogène paléoprotérozoïque dont l’information métamorphique en base de croûte serait exhumée et accessible, et servirait à la compréhension de la genène de la tectonique des plaques moderne.
Contexte régional
L’Orogène paléoprotérozoïque Trans-Hudson expose largement du matériel de croûte moyenne à inférieure (e.g. Lewry and Collerson, 1990; Van der Leeden et al., 1990; Wardle et al., 2002b; St‐Onge et al., 2006; Skipton et al., 2016; LaFlamme et al., 2017). Le terme Orogène Trans-Hudson (OTH) fut introduit par Hoffman (1988) et définit une zone de collision paléoprotérozoïque (c. 2.1-1.8 Ga) entre la Province du Supérieur et les cratons archéens limitrophes Hearne, Rae, Nain, Slave et Wyoming. Partie intégrante du bouclier canadien, il s’étend du centre des États-Unis au Groenland et est considéré comme l’une des plus vastes ceintures orogéniques de la planète (Hoffman, 1990b; Zhao et al., 2002; St‐ Onge et al., 2006; Corrigan et al., 2009). Il est divisé en trois grandes unités lithotectoniques, à savoir (1) la marge du Churchill considérée comme l’arrière-pays tectonique, (2) la zone de Reindeer représentant des unités d’arc océanique, de bassins d’arrière-arc, de croûte océanique et de fragments de croûte archéenne, (3) la marge du Supérieur (Corrigan et al., 2009). Le Churchill (Hoffman, 1990b) comprend les cratons et blocs lithotectoniques archéens séparées par des zones de suture paléoprotérozoïques.
Figure 2: Phase finale collisionnelle de l’Orogène Trans-Hudson. Le rectangle noir localise le sud-est de la Province du Churchill (Figure 4).
Tiré de Corrigan et al. (2009). Cet épisode tectonométamorphique est marqué par la collision entre le craton du Supérieur et tous les cratons et blocs lithotectoniques, préalablement amalgamés ou non, impliqués dans l’OTH. Le craton du Supérieur est reconnu comme la plaque inférieure à l’échelle de l’OTH.
L’OTH se distingue des autres orogènes paléoprotérozoïques par la préservation d’arcs insulaires intra-océaniques au nord du Manitoba et de la Saskatchewan et l’obduction d’ophiolites au nord du Québec (Hoffman, 1988). Suivant la classification de Beaumont et al. (2006) — qui distingue différents types d’orogènes en fonction de leur magnitude et leur état thermique — l’OTH est considéré comme moyennement chaud et étendu. Il a été proposé que l’OTH partage de nombreuses similarités architecturales, thermiques, tectoniques et métamorphiques avec l’orogène Himalaya-Tibet (St‐Onge et al., 2006; Weller and St-Onge, 2017) et qu’il représente un prototype d’orogène accrétionaire moderne ayant enregistré un cycle de Wilson complet sur une période de ~120 Ma (se référer à Corrigan et al., 2009 pour une synthèse). Toutefois, malgré des épaisseurs crustales estimées autour de ~52-58 km (Corrigan et al., 2009) et comparables à l’Himalaya (70-75 km, Owens and Zandt, 1997; Beaumont et al., 2001), aucune évidence de « Channel flow » n’a été reportée jusqu’alors dans l’OTH (St‐Onge et al., 2006).
Figure 3: Analogie architecturale entre les orogènes du Trans-Hudson et Himalaya-Tibet. Tiré de St Onge et al. (2006).
Alors que dans l’orogène Himalaya-Tibet les phases accrétionaires semblent avoir été oblitérées par un long temps de résidence en conditions granulitiques et les informations n’y sont plus disponibles, certaines parties précoces de l’OTH semblent avoir été préservées. C’est le cas de la ceinture orogénique « circum-Ungava » (Dimroth et al., 1970; Clark and Wares, 2004) reconnue dans la partie septentrionale du Québec qui regroupe la ceinture de Cape Smith au nord et la Fosse du Labrador à l’est et qui expose du matériel supracrustal impliqué dans le prisme accrétionaire. L’OTH représente donc un orogène dénudé, prototype d’une tectonique moderne, et apparaît dans son ensemble un cas idéal pour l’étude des processus accrétionaires et des conditions tectonothermiques de la croûte moyenne à inférieure paléoprotérozoïque.
Le sud-est de la Province du Churchill (SEPC) représente une branche de l’OTH, coincée entre les cratons archéens du Supérieur et Nord Atlantique respectivement à l’ouest
et à l’est, et est probablement le segment le moins connu de l’OTH dans son entièreté (Figure 4, Corrigan et al., 2009; Corrigan et al., 2018). Elle occupe une partie du Québec et du Labrador et s’étend des côtes de la baie d’Ungava au nord jusqu’au front du Grenville au sud. Cette province est actuellement définie en trois parties tectoniquement distinctes (Wardle et al., 2002b). À l’est, l’Orogène des Torngat (OT, 1.89-1.82 Ga) est interprété comme le résultat de la collision oblique paléoprotérozoïque entre la Zone noyau et le craton Nord Atlantique (e.g. Hoffman, 1990b; Wardle et al., 2002b) et dont l’empreinte tectonométamorphique se prolonge jusqu’au Groenland par l’orogène Nagssutoqidien (Wardle et al., 2002a; St‐Onge et al., 2006; Kolb, 2014). En son centre, le SEPC comprend un assemblage de blocs lithotectoniques archéens et paléoprotérozoïques regroupés sous le nom de Zone noyau (James et al., 1996; James and Dunning, 2000; Corrigan et al., 2018; Lafrance et al., 2018). Enfin, la partie ouest du SEPC est occupée par l’Orogène accrétionaire du Nouveau Québec (ONQ) résultant de la collision oblique entre le craton du Supérieur (plaque inférieure) et la Zone noyau. Une grande majorité des roches du SEPC est métamorphisée du faciès des schistes verts à celui des granulites, et le niveau d’érosion actuel correspond globalement à de la croûte moyenne (~20 km).
La Zone noyau occupe la partie centrale du SEPC. Suite aux premières campagnes de reconnaissance dans les années 80 (Taylor, 1979), la Zone noyau a fait l’objet de nombreuses campagnes de cartographie, notamment menées récemment par le Ministère de l’Énergie et des Ressources Naturelles du Québec (MERN) (Verpaelst et al., 2000; Hammouche et al., 2012; Simard et al., 2013; Lafrance et al., 2014; Lafrance et al., 2015; Charette et al., 2016; Lafrance et al., 2016; Mathieu et al., 2018; Hammouche et al., 2011 ) et la Commission géologique du Canada (CGC) (Sanborn-Barrie, 2016; Rayner et al., 2017; Corrigan et al., 2018). L’architecture interne de la Zone noyau suggère qu’il s’agit d’un bloc composite de différents domaines lithotectoniques archéens à paléoprotéozoïques, assemblés au début du Paléoprotérozoïque et séparés par des zones de déformation ductiles d’échelle lithosphérique (Van der Leeden et al., 1990; James et al., 1996; James and Dunning, 2000; Wardle et al., 2002b; Hammouche et al., 2012; Hammouche et al., 2011 ). Les caractéristiques tectonothermiques de certaines de ces zones de cisaillement ont récemment fait l’objet de travaux et sont synthétisées dans Vanier (2019). Le grain structural général est N-S à NNO-SSE. La ZN est composée de gneiss, de migmatites, de roches intrusives, de paragneiss et d’amphibolites, d’âge archéen à mésoprotérozoïque, métamorphisés aux faciès des amphibolites et des granulites (Lafrance et al., 2018). Les récents travaux de cartographie et géochronologie menés par le MERN et la CGC ont
amené à revoir les sous-divisions lithotectoniques de la Zone noyau (Charette et al., 2018; Corrigan et al., 2018; Lafrance et al., 2018; Charette et al., 2019). Ces auteurs introduisent les domaines de George, Mistinibi-Raude et Falcoz (Figure 4). Une mise en garde est toutefois requise quant aux différences de sous-division dans la partie ouest de la Zone noyau. Lafrance et al. (2018) considèrent que la terminaison septentrionale du cisaillement du Lac Tudor se perd dans la baie d’Ungava et introduisent le domaine de Baleine pour définir les unités archéennes à l’ouest de celle-ci ; alors que Corrigan et al. (2018) conservent la nomenclature historique de Domaine de Kuujjuaq interprétant que le cisaillement du Lac Tudor et la faille du lac Turcotte se rejoignent (Perreault and Hynes, 1990; James and Dunning, 2000; Wardle et al., 2002b). Cette dernière nomenclature sera utilisée dans le cadre de cette thèse.
Figure 4: Carte géologique simplifiée du Sud-Est de la Province du Churchill.
Modifiée de Corrigan et al., 2009 et Lafrance et al., 2018. Les différentes sous-divisions sont discutées dans le texte.
L’Orogène du Nouveau Québec (ONQ) couvre la partie occidentale du SEPC. Il représente une association de marges remobilisées lors de la collision oblique entre le bloc ZN/CNA et le craton du Supérieur autour de 1.82-1.77 Ga (Van der Leeden et al., 1990; Wardle et al., 2002b; Clark and Wares, 2004; Henrique-Pinto et al., 2017). L’ONQ est subdivisé en quatre domaines lithotectoniques principalement allochtones et séparés par des chevauchements et zones de cisaillement dextres d’orientation NNO-SSE (Wardle et al., 2002b). D’ouest en est, on retrouve le craton du Supérieur représentant la plaque inférieure du système ; le Supergroupe de Kaniapiskau interprété comme la marge riftée du Supérieur, métamorphisée et déformée dans la chaîne plissée d’avant-pays à vergence ouest (Boon and Hynes, 1990) ; la Zone Rachel-Laporte interprétée comme un bassin d’avant-arc évolué en bassin d’avant-pays (Wardle et al., 2002b; Henrique-Pinto et al., 2017; Henrique-Pinto et al., 2019) ; et le domaine de Kuujjuaq représentant la plaque supérieure (Thomas and Kearey, 1980; Van der Leeden et al., 1990; Clark and Wares, 2004).
L’orogène des Torngat occupe la partie orientale du SEPC. Il s’exprime comme une étroite ceinture orogénique, reconnue sur plus de 1000 km au Québec et Labrador et s’étendant du front du Grenville à la baie d’Ungava, et est interprété comme le prolongement de l’orogène groenlandais Nagssutoqidien (e.g. Hoffman, 1990a; Van Gool et al., 2002). L’OT est subdivisé en trois domaines avec (1) le domaine plutonique calc-alcalin de Burwell mis en place dans la marge du CNA et daté entre 1910 ± 2 et 1885 ± 2 Ma (Scott and Machado, 1995; Van Kranendonk, 1996; Van Kranendonk and Wardle, 1996; Campbell, 1997; Thériault and Ermanovics, 1997; Scott, 1998); (2) le Complexe métaplutonique et orthogneissique du Lac Lomier, fortement déformé et métamorphisé au faciès des granulites, dont la mise en place est daté à 1870-1860 Ma, mais dont la nature est peu comprise (Wardle et al., 1990; Wardle et al., 2002b; Charette, 2016; Lafrance et al., 2016; Corrigan et al., 2018); et (3) le Complexe de Tasiuyak composé de métasédiments migmatisés et de leucogranites, interprété comme le prisme accrétionnaire au cœur de l’OT (Wardle, 1984; Scott and Gauthier, 1996). La zone de cisaillement crustale d’Abloviak affleure en son centre et est interprétée comme la « suture ». Il convient de préciser que le terme « suture » est largement employé dans des contextes paléoprotérozoïques pour la jonction entre des blocs lithotectoniques d’affinités mantelliques différentes (e.g. Corrigan et al., 2018) et ne repose pas sur des évidences de surfaces actualistes et l’occurrence de complexe ophiolitiques.
La reconnaissance la zonation métamorphique du SEPC repose largement sur des observations de terrain et de pétrologie qualitative. À ce jour, bien que le niveau d’érosion
corresponde à de la croûte moyenne, le métamorphisme de la province n’a fait l’objet que de très peu d’études quantitatives approfondies et est peu contraint, que ce soit dans la Zone noyau ou dans les orogènes périphériques. Dans la partie la plus au nord de l’ONQ, plusieurs auteurs décrivent une succession d’isogrades suivant un gradient barrovien d’ouest en est (Dimroth and Dressler, 1978; Moorhead, 1989; Poirier, 1989; Perreault and Hynes, 1990; Clark and Wares, 2004; Simard et al., 2013). Des travaux de thermobarométrie empirique ont défini des conditions de pic granulitique de 0.6-0.8 GPa et 800-850 °C (Perreault and Hynes, 1990), et des conditions rétrogrades de 0.45-0.55 GPa et 480-600 °C (Moorhead, 1989; Poirier, 1989; Perreault and Hynes, 1990). Le timing du métamorphisme est peu contraint dans l’ONQ et repose sur des datations dans les dômes archéens de la Zone Rachel-Laporte. Le métamorphisme de haut grade est daté à ~1830 Ma (Machado et al., 1988), le métamorphisme rétrograde à 1793-1783 Ma et le refroidissement final à 1740 Ma (Machado et al., 1989).
Les travaux de géochronologie et thermobarométrie réalisés dans le domaine de Falcoz et dans l’Orogène des Torngat ont permis de définir trois phases tectonométamorphiques distinctes (Bertrand et al., 1993; Van Kranendonk, 1996; Mengel and Rivers, 1997; Ermanovics and Van Kranendonk, 1998; Scott, 1998; Wardle et al., 2002b; Charette, 2016). La collision continentale entre la Zone noyau et le CNA est datée à 1896 ± 14 Ma (Charette, 2016), et associée à l’épaississement crustal (Bertrand et al., 1993). La déformation transpressive est datée à 1845-1825 Ma (Bertrand et al., 1993; Charette, 2016) et résulte dans la mise en place des zones de cisaillement crustales telles que la zone de cisaillement d’Abloviak, ainsi que dans le plissement de la foliation et le développement de la linéation subhorizontale (e.g. Goulet and Ciesielski, 1990; Van Kranendonk and Ermanovics, 1990; Ermanovics and Van Kranendonk, 1998). Les conditions au pic métamorphique ainsi que le caractère restitique des unités métamorphiques semblent évoluer de la bordure au cœur de l’orogène, passant de ~850 °C/0.9 GPa dans le domaine du Falcoz (Charette, 2016), à ~950 °C/1.2 GPa dans le Complexe du Lac Lomier (Charette, 2016) et le Complexe de Tasiuyak (Lee, 1987; Mengel and Rivers, 1991; Van Kranendonk, 1996; Mitchell et al., 2014a). L’exhumation finale est contrainte entre 1800 et 1730 Ma (Mengel and Rivers, 1991; Bertrand et al., 1993; Scott, 1995b, a; Scott and Machado, 1995; Charette, 2016).
Dans l’ensemble, la quantification métamorphique P-T-t-D à travers le SEPC reste très ponctuelle et peu systématique. Elle ne permet pas de différencier les blocs au sein de la Zone Noyau, ou encore de documenter des gradients à l’échelle de la province. Il semble
a fortiori impossible d’estimer les taux d’enfouissement ou d’exhumation pourtant caractéristiques des contextes géodynamiques. Finalement, le SECP représente une opportunité unique d’investiguer les styles métamorphique et tectonique au Paléoproterozoïque.
Problématique et objectifs
Cette thèse de doctorat s’intéresse au métamorphisme paléoprotérozoïque de croûte moyenne à inférieure dans la Province du Churchill Sud-Est, Canada. Elle vise à déterminer l’état thermique de la croûte moyenne à inférieure dans un contexte transitoire entre les régimes tectoniques archéens et ceux dits modernes, ainsi qu’à investiguer les processus métamorphiques et accrétionaires au cœur des ceintures orogéniques.
Les objectifs de ce travail de thèse peuvent être scindés en trois grands axes, à savoir : (1) Quantifier le métamorphisme et établir des chemins P-T-t-D à travers le SEPC pour
en définir un modèle d’évolution tectonométamorphique.
(2) Investiguer le comportement des géochronomètres en conditions d’anatexie et déterminer la durée et les taux des processus métamorphiques à haute température (3) Contribuer à la compréhension de l’évolution des styles métamorphique et
I. Contrasting P-T-t paths reveal a metamorphic
discontinuity in the New Quebec Orogen:
Insights into Paleoproterozoic orogenic
processes
Antoine Godet*1, Carl Guilmette1, Loic Labrousse 1,2, Matthijs A. Smit3, Donald W.
Davis4, Tom Raimondo5, Marc-Antoine Vanier1,6, Benoit Charette6, Isabelle Lafrance6
1. E4m, Département de géologie et de génie géologique, Université Laval, Québec, Canada
2. Sorbonne Université, CNRS-INSU, Institut des Sciences de la Terre Paris, ISTeP UMR 7193, F-75005 Paris, France
3. PCIGR, Department of Earth, Ocean and Atmospheric Sciences, University of British Columbia, Vancouver, Canada
4. Department of Earth Sciences, University of Toronto, Toronto, Canada
5. School of Natural and Built Environments, University of South Australia, Adelaide, Australia
6. Bureau de la connaissance géoscientifique du Québec, Ministère de l’énergie et des ressources naturelles, Québec, Canada
I.1. Résumé
L’Orogène du Nouveau-Québec (1,82-1,77 Ga) résulte de la collision oblique entre le craton du Supérieur et le domaine de Kuujjuaq (DK) lors de l’épisode Trans-Hudsonien et constitue une cible de choix dans l’étude des processus accrétionnaires paléoprotérozoïques. Nous appliquons une approche pétrochronologique sur les séquences supracrustales du bassin d’avant-pays (Zone Rachel-Laporte, ZRL) et de la plaque supérieure (DK). D’un côté, la ZRL a suivi un métamorphisme horaire prograde entre 1804 et 1796 Ma, et des conditions au pic de 650 °C/0,7 GPa. De l’autre, les roches du DK ont subi une décompression isothermale, des conditions au pic de 790 °C/ 0,72 GPa, du métamorphisme prograde à 1836 Ma, la cristallisation du liquide anatectique à 1807 Ma et le refroidissement à 1798 Ma. Nous proposons que la faille du Lac Turcotte qui sépare les deux domaines ait agi comme un discontinuité tectonométamorphique, expliquant ainsi le diachronisme et les différents chemins P-T-t.
Mots clés : Orogène Trans-Hudson, Sud-Est de la Province de Churchill, tectonique protérozoïque, pétrochronologie.
