Post-Paleozoic evolution of the northern Ardenne Massif constrained by apatite fission-track thermochronology and geological data

International audienceThe exhumation history of basement areas is poorly constrained because of large gaps in thesedimentary record. Indirect methods including low temperature thermochronology may be used to estimateexhumation but these require an inverse modeling procedure to interpret the data. Solutions from suchmodeling are not always satisfactory as they may be too broad or may conflict with independent geologicaldata. This study shows that the input of geological constraints is necessary to obtain a valuable and refinedexhumation history and to identify the presence of a former sedimentary cover presently completely eroded.Apatite fission-track (AFT) data have been acquired on the northern part of the Ardenne Massif close to theVariscan front and in the southern Brabant, in particular for the Visean ash-beds. Apatite fission-track agesfor surface samples range between 140 ± 13 and 261 ± 33Ma and confined tracks lengths are rangingbetween 12.6 ± 0.2 and 13.8 ± 0.2 mm. Thermal inversion has been realized assuming that (1) samples wereclose to the surface (20–40 °C) during Triassic times, this is supported by remnants of detrital UpperPermian–Triassic sediments preserved in the south of the Ardenne and in the east (border of the Roer Grabenand Malmédy Graben), and (2) terrestrial conditions prevailed during the Early Cretaceous for the ArdenneMassif, as indicated by radiometric ages on paleoweathering products. Inversion of the AFT datacharacterizes higher temperatures than surface temperatures during most of the Jurassic. Temperature rangeis wide but is compatible with the deposition on the northern Ardenne of a significant sedimentary cover,which has been later eroded during the Late Jurassic and/or the Early Cretaceous. Despite the presence ofsmall outliers of Late Cretaceous (Hautes Fagnes area), no evidence is recorded by the fission-track data forthe deposition of a significant chalk cover as highlighted in different parts of western Europe. These resultsquestion the existence of the London-Brabant Massif as a permanent positive structure during the Mesozoic.L’évaluation des épaisseurs érodées sur les socles n’est pas immédiate car l’absence fréquente de couverture sédimentaire rend muette leur quantification sur une grande période de temps. Des méthodes indirectes comme la thermochronologie basse température permettent d’appréhender l’érosion à condition d’inverser correctement les données par modélisation. Les résultats de l’inversion ne sont pas toujours en accord avec les données géologiques ou sont trop imprécis pour être pertinents. Cette étude montre que la prise en compte de contraintes géologiques est nécessaire pour obtenir une histoire cohérente, définir l’ampleur de l’érosion et identifier la présence d’une couverture sédimentaire aujourd’hui érodée. Des données traces de fission dans les cristaux d’apatite ont été réalisées dans le nord du massif de l’Ardenne à proximité du front varisque et au sud du Massif du Brabant, en particulier sur des échantillons de cinérites viséennes. Les âges traces de fission des échantillons prélevés à la surface varient entre 140 ± 13 et 261 ± 33 Ma et la longueur des traces confinées horizontales est comprise entre 12,6 ± 0,2 et 13,8 ± 0,2 μm. L’inversion thermique de ces données a été réalisée en prenant comme hypothèses : (1) la proximité des échantillons de la surface (20–40 °C) au cours du Trias, hypothèse étayée par des témoins de couverture du Permien supérieur et du Trias au sud et à l’est du massif de l’Ardenne (grabens de la Roer et de Malmédy) ; (2) l’existence de conditions continentales au cours du Crétacé inférieur, en accord avec des âges de cette période pour des profils d’altération datés localisés dans le massif de l’Ardenne. Le résultat de cette inversion suggère des températures assez élevées au cours du Jurassique. Ces températures sont interprétées comme le résultat du dépôt d’une couverture sédimentaire qui a ensuite été érodée au Jurassique supérieur et/ou au Crétacé inférieur. Malgré la présence de quelques témoins du Crétacé supérieur (notamment dans les Hautes Fagnes), les données ne permettent pas de détecter le dépôt d’une série épaisse datée du Crétacé supérieur comme c’est le cas dans plusieurs régions d’Europe de l’Ouest. Ces résultats remettent en question l’existence de la structure positive du massif de Londres-Brabant au cours du Jurassique en identifiant des mouvements verticaux significatifs

Cinétique de cicatrisation des traces de fission dans les cristaux d'apatite et histoire thermique de la bordure sud-est du Massif Central

Chemistry of apatite crystals which represent,s a key factor in fission-track annealingkinetics has been investigated by cathodoluminescence, electron and ion microprobes for various samples. Cathodoluminescence (CL) appeqrs as a deciding tool to reveal crystals zonations and to test grains population homogeneity. Samples with different fission-track ages populations reveal various grains color populations. CL spectrometry gives moreover semiquantitative data about Gd3+,Ce3+, Df+ and Sm3+ with a very low detection limit. Relationship between fission-track annealing kinetics and apatite crystals chemistry is not univocal. Annealing experiments display that several fadors play a major role on track stability : ClIF ratio, light rare earth elements contents or crystals substitution degree which is expressed by CaO and P20S contents. Natural annealed samples show however that these controIs vary and could be in contradiction between samples. 'A link between fission-track annealing and organic matter maturation expressed by Tmax values has been established after 3 to 30 days durati~n experiments and appears as a straight line evolving with time.Apatite fission-track thermochronology has been used on the south-eastern border of the French Massif Central. The results are, 25-209 Ma FT ages and 10.5-13.7 horizontal confined trackslengths; the lengths show a negative skew with sorne short tracks. Thermal history reconstruction proposes: 1) an uplift from South to North which was initiated at the. end of Jurassic or beginning of Cretaceous foUowed by an intense erosion in middle Cretaceous; 2) a short delay in upper Cretaceousand 3) an important erosion from Tertiary-time which has affected mainly the border along a direction paraUel to the Cévennes fauIt.Les facteurs contrôlant la cinétique d'effacement des traces de fission dans les cristaux d'apatite ont été étudiés à partir de cristaux d'apatite issus d'environnements géologiques variés ayant connu un recuit des traces de fission naturel ou expérimental. La chimie des cristaux a été déterminée par cathodoluminescence, microsondes électroniques et ioniques. La cathodoluminescence apparait comme une méthode particulièrement adaptée pour étudier les zonations des cristaux d'apatite et pour tester l'homogénéité d'une population de grains. Ainsi, les échantillons possédant plusieurs populations de cristaux sont mis en évidence. De plus, la spectrométrie de cl fournit des données semi-quantitatives sur les teneurs des terres rares gd 3 +, ce 3 +, tb 3 +, dy 3 + et sm 3 +. La relation entre la cinétique de cicatrisation et la chimie des cristaux n'est pas univoque. Les expériences de recuit montrent que plusieurs facteurs jouent sur la stabilité des traces ; en particulier, le rapport c1/f, la teneur en terres rares légères et le degré de substitution des cristaux. Cependant, pour les exemples de recuit naturel, les contrôles varient selon les échantillons et peuvent apparaitre contradictoires. Des expériences couplées permettent d'établir une relation entre la cicatrisation des traces de fission et la maturation de la matière organique exprimée par les valeurs du tmax. L'analyse des traces de fission dans les cristaux d'apatite a été appliquée à la bordure sud-est du massif central. Les âges sont compris entre 25 et 209 ma et des longueurs des traces confinées entre 10,5 et 13,7 m avec des histogrammes de distribution dissymétriques vers les traces courtes. L'histoire thermique basse température de la bordure se résume : 1) à un basculement du sud vers le nord qui s'est initié à la fin du jurassique et qui a entrainé le soulèvement de la région ; 2) à une période calme au crétacé supérieur et enfin 3) à une importante phase d'érosion à partir du début du tertiaire qui a affecté la bordure par un retrait d'escarpement

Histoire thermique des massifs ardennais et bohémien (Conséquences sur la dynamique de l'Europe de l'Ouest au méso-cénozoïque)

La reconstitution de la géodynamique et de l évolution paléogéographique des massifs de Bohême et de l Ardenne se place dans la compréhension des mécanismes de la propagation de la déformation dans l avant-pays nord-alpin. Les épisodes de mouvements verticaux les plus superficiels de la lithosphère continentale ont été identifiés et replacés chronologiquement grâce à l application des méthodes de traces de fission et (U-Th)/He sur les cristaux d apatite. Les phases d exhumations méso-cenozoïques sont liées à la réactivation des structures varisques, mais aussi à la propagation du front de déformation alpin sur la marge européenne. L histoire thermique post-varisque confirme qu une couverture sédimentaire d épaisseur kilométrique, d âge jurassique, crétacé supérieur et néogène inférieur, a existé sur le soubassement paléozoïque des massifs ardennais et bohémien, et que cette couverture a été discontinue et d épaisseur inégale en raison des paléoreliefs (multiplicité des dépocentres). Cette couverture sédimentaire a été érodée suite aux épisodes d inversion tectonique. Le centre de ces massifs, relativement plus stable, a connu un recouvrement sédimentaire superficiel par rapport à leurs régions bordières. Au regard des résultats thermochronologiques basse température de ce travail, des données multi-méthodes de la littérature, la déformation de l avant-pays alpin subit un style cassant plutôt que ductile. Dans le contexte tectonique des blocs structuraux du domaine bohémien et de l Europe centrale, l hypothèse d un flambage de la lithosphère n est pas le seul processus pour expliquer la propagation des déformations ainsi que la répartition des terrains exhumés.The geodynamic reconstruction and paleogeographic evolution of the Bohemian and Ardenne massifs is examined here in the context of crustal deformation and stress fields in the north Alpine foreland. Here, a chronology of vertical movements in the continental crust, which can be linked to the mechanisms of stress propagation across Europe, has been produced through an implementation of apatite fission track and apatite (U-Th)/He methods. The Meso-Cenozoic exhumation phases are connected with a reactivation of the Variscan structures, but also with the propagation of the Alpine front towards the European margin. The post-Variscan thermal history confirms that a sedimentary cover of Jurassic, late Cretaceous and early Neogene age existed on the Ardenne and on the Bohemian massifs. This cover was discontinuous and of nonuniform thickness because of palaeorelief and of a multiplicity of local and probably migrating depocentres. The central parts of these massifs was comparatively more stable and suffered relatively shallower burial beneath the successive sedimentary cover rocks. Based on the low-temperature thermochronological results highlighted in this work, on other multiproxy data provided in the literature, as well as on the regional tectonic fracture pattern, we conclude that the response of this foreland region to Alpine collisional stress regimes has been of a brittle rather than of a ductile nature. The mechanical style of crustal deformations north of the Alpine foreland, and the corresponding pattern of rock exhumation histories, challenge the alternative hypothesis of long wavelength lithospheric buckling in response to the African indenter.Bureau de recherches géologiques et minières - Orléans (brgm) / SudocSudocFranceF

Age of the Fontainebleau sandstones: a tectonic point of view

The age of the cementation of the Fontainebleau sandstones, located in the upper part of the Rupelian Fontainebleau Sand Formation and largely outcropping in the south of the center of the Paris Basin, remains a matter of debate: did the silicification occurred at early times during Miocene, following sedimentation, or did it occurred during Quaternary cold climate episodes? In this work, we determined an orthogonal fracture network (main directions N115° ±5° and N025° ±5°) over an area of ∼6000 km2. The fractures are oblique to the adjacent valley orientation and to the quarry working face orientation, discarding a gravitational origin. This tectonic fracturing is superimposed on regional scale antiforms and synforms that may be at least partly controlled by inherited basement faults reactivation during Alpine episodes. The whole Fontainebleau Sand Formation seems to be folded, including the Fontainebleau sandstones. We establish a relative chronology of the various phenomena and propose that silicification at the origin of the Fontainebleau quartzite occurred during early or middle Miocene. Alpine stresses then induced Fontainebleau sand and quartzite folding and fracturing during late Miocene and Pliocene. Finally, the fracture network facilitated fluid circulations and secondary carbonate sandstones or quartzite precipitation probably during Quaternary cold climate episodes

Lower Paleogene denudation of Upper Cretaceous cover of the Morvan Massif and southeastern Paris Basin (France) revealed by AFT thermochronology and constrained by stratigraphy and paleosurfaces

International audienceLow-temperature thermochronology data have been acquired from outcrop samples from the southeastern edge of the Paris Basin (Morvan). They provide indications about the former sedimentary cover, its denudation and about inversion tectonics in the Paris Basin. Apatite fission-track data acquired on Variscan granites and Triassic sandstones reveal that the basement was subjected to temperatures of about 70 ± 10 °C during the Late Cretaceous. We suggest that the peak temperature was generated by an Upper Cretaceous sedimentary cover of low thermal-conductivity chalk. Additional stratigraphic, sedimentological, paleogeographic, paleoweathering, and continental paleosurface data support the reconstruction of this chalk paleocover and of its erosion. This former blanketing sequence was removed during the Early Paleogene regional inversion episode which affected the southern edge of the Basin intensively and was related to far-field compression between Europe and Africa. This study shows that (i) for the SE border of the intracontinental Paris Basin, kilometer-scale vertical deformation occurred, (ii) the sedimentary sequences of the Paris Basin covered considerably larger areas than the present contours of the sediment fill, (iii) paleoweathering and erosion processes later removed the sedimentary cover rather quickly (< 10 My) due to inversion tectonics

Lower Cretaceous inversion of the European Variscan basement: record from the Vendée and Limousin (France)

International audienceThe post-orogenic evolution of the European Variscan basement remains difficult to constrain due to the absence of post-orogenic sedimentary records. One of the current ways to access this history is to constrain the thermal evolution of these basement areas through indirect methods such as low-temperature thermochronology (LTT) thermal modelling. In this study, apatite fission-track (AFT) data have been acquired for the north-eastern part (Vendée and Limousin) of the French Massif Central Variscan basement. Similar thermal inversion procedure has been done, assuming that some samples were close to the surface during Triassic times. The results show a complex post-Variscan evolution of the western part of the Massif Central. Inversion of the AFT data indicates a high-temperature event during the Jurassic period. This thermal event can be interpreted as the deposition of a significant sedimentary cover which has been later eroded during the Late Jurassic and/or Early Cretaceous. Interpretation of the thermal models implies the presence of the sampled rocks close to the surface during Cretaceous and Eocene times. The estimated volume of this eroded sedimentary cover suggests a probable larger extension of the surrounding sedimentary basins (Paris Basin and Aquitaine Basin) across the Variscan basement area

Histoire thermique de la partie septentrionale du bassin d'Aquitaine : mise en évidence d'un événement thermique au Crétacé inférieur

International audienc

Définir les paléo-environnements lorsque les sédiments manquent : analyses géochimiques in situ des ciments des discontinuités

International audienceLes roches carbonatées déposées sur les plateformes sont de formidables archives de l'histoire de notre planète et des bouleversements environnementaux qu'elle a connus. Néanmoins, les plateformes carbonatées sont souvent marquées par des périodes d'arrêt de sédimentation, à l'origine de la formation de surfaces clefs appelées « discontinuités sédimentaires », dont l'origine est difficile à caractériser. Lors de ces périodes de non-dépôt, des ciments dit « précoces », dont la taille ne dépasse généralement pas quelques dizaines de micromètres, précipitent et participent à la genèse des discontinuités. Au-delà de leur observation au microscope, leur petite taille rend leur caractérisation chimique compliquée car les méthodes d'analyse par spectrométrie de masse après attaque acide nécessitent de prélever des quantités trop importantes de carbonate (1mg). La taille d'investigation est dans le cas de la caractérisation des discontinuités un verrou important à leur compréhension. Dans cette étude, le couplage (1) de la sonde ionique (Secondary Ion Mass Spectrometry – SIMS 1280), et (2) d'un spectromètre de masse à source « plasma » couplé avec un système d'ablation laser (Laser Ablation Induced Coupled Mass Spectrometer High Resolution LA-ICPMS-HR) est proposé afin de travailler directement sur les lames minces à l'échelle des ciments. Ces deux méthodes permettent de déterminer les rapports isotopiques en oxygène et en carbone ainsi que les concentrations en éléments traces comme les Eléments des Terres Rares (ETR) ou majeurs (Mg, Al, Mn, Fe) des ciments carbonatés. Le but de cette étude est de tester, comme marqueur paléo-environnemental, l'analyse des ciments calcitiques cristallisant dans l'espace inter-granulaire pendant la période de non-sédimentation par ces deux méthodes. Plusieurs discontinuités clefs d'âge Jurassique moyen et supérieur (environ 170 millions d'années) du Bassin de Paris ont été sélectionnées. Les observations aux microscopes photonique, électronique et à cathodoluminescence montrent que les ciments calcitiques cristallisant dans l'espace inter-granulaire pendant la période de non-sédimentation sont diversifiés, composés de dix-huit types différents incluant des ciments fibreux de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur entourant les grains, de minuscules rhomboèdres de moins de 100 micromètres, des ciments microstalactitiques à l'extrémité des grains ou encore des ménisques sparitiques à micritiques. Les analyses isotopiques et géochimiques des éléments majeurs et traces (ETR) réalisées sur ces ciments montrent que ces derniers cristallisent dans des environnements très variés pendant les périodes de non sédimentation. Il s'avère que les discontinuités sédimentaires enregistrent une succession de nombreux évènements, incluant des périodes d'émersion, de recouvrement par la mer, des variations des conditions oxydo-réductrices ou encore des changements de l'activité microbienne. Bien que le temps enregistré dans les discontinuités reste compliqué à estimer (pouvant aller de la dizaine d'années à plusieurs millions d'années), l'étude des phases calcitiques permet une caractérisation précise des conditions environnementales et de la succession d'évènements ayant lieu pendant le

Linking early diagenesis and sedimentary facies to sequence stratigraphy on a prograding oolitic wedge: The Bathonian of western France (Aquitaine Basin)

International audienceTo improve the understanding of the distribution of reservoir properties along carbonate platform margins, the connection between facies, sequence stratigraphy, and early diagenesis of discontinuities along the Bathonian prograding oolitic wedge of the northeastern Aquitaine platform was investigated. Eight facies are distributed along a 50 km-outcropping transect in (1) toe-of-slope, (2) infralittoral prograding oolitic wedge, (3) platform margin (shoal), (4) open marine platform interior, (5) foreshore, and (6) terrestrial settings. The transition from shallow platform to toe-of-slope facies is marked in the field by clinoforms hundred of meters long. Carbonate production was confined to the shallow platform but carbonates were exported basinward toward the breakpoint where they cascaded down a 20e25 slope. Ooid to intraclast grainstones to rudstones pass into alternating marl-limestone deposits at an estimated paleodepth of 40e75 m. Three sea-level falls of about 10 m caused the formation of discon-tinuities corresponding to sequence boundaries. Along these discontinuities, erosional marine hard-grounds formed in a high-hydrodynamic environment at a water depth of less than 10 m, displaying isopachous fibrous cements and meniscus-type cements. The cements pass landward into meniscus and microstalactitic forms along the same discontinuities, which are characteristic of subaerial exposure. During the deposition of transgressive systems tracts, carbonate accumulation remained located mostly on the shallow platform. Energy level increased and carbonates were exported during the deposition of highstand systems tracts forming the infralittoral prograding oolitic wedge. During the deposition of lowstand systems tracts, carbonate production fell to near zero and intraclast strata, derived from the erosion of hardgrounds on the shallow platform, prograded basinward. Early diagenetic cements are related exclusively to discontinuities that are not found within the prograding wedge because of the continuous high sedimentation rate under lower hydrodynamic conditions. This absence of early cementation within the infralittoral prograding oolitic wedge was conducive to porosity conservation, making such features good targets for carbonate reservoir exploration. This study proposes a novel sequence stratigraphy model for oolitic platform wedges, including facies and early diagenesis features