Igneous Rock Associations 7. Arc Magmatism I: Relationship Between Subduction and Magma Genesis

Dehydration of subducted oceanic lithosphere releases fluid into the overlying mantle wedge and initiates a chain of events culminating in the generation of magma that rises to form volcanic arcs. Arc magmas are distinct from magmas in other settings because of the different geothermal regimes at destructive plate margins, the presence of fluids/volatiles derived from dehydration of the subducted slab and the generally compressive tectonic regime that inhibits the ascent of magma, thereby promoting extensive interaction with the adjacent wall rocks. As a result, most arc magmas solidify as intrusive bodies, ranging from sills and dykes to large plutonic complexes. Several mechanisms facilitate the rise of arc magmas. Diapirs rising from a larger pool of buoyant magma are important in the ductile lower crust. The rapid rise and the expansion of magma results in the propagation of fractures, that facilitate stoping and assimilation in the brittle upper crust. Fracture zones are repeatedly exploited, and the net result may be formation of a composite batholith. Water plays an important role in all stages of arc-magma evolution. Water lowers the temperatures that are required for the partial melting in the mantle wedge, which produces mafic magma, and in the crust, produces felsic magma. Arc magmatism is intimately related to metamorphism, although this relationship is complicated largely because maximum pressures and temperatures are attained at different times. Arcs under compression undergo rapid thickening, followed by erosional or tectonic exhumation. Crustal melting is triggered by a variety of processes, including relaxation following crustal thickening. Melting initiates at the base of the crust, but eventually occurs at shallower crustal levels. Arcs under extension have a steep geo-thermal gradient and underplating of the crust by mafic magma may transfer sufficient heat to induce anatexis. During a prolonged history of subduction, the dip and location of the subduction zone may vary causing the locus of arc magmatism to migrate and causing intermittent switching from compressional to extensional environments. SOMMAIRE Le phénomène de déshydratation qui accompagnent la subduction de la lithosphère océanique relâche des fluides dans le prisme mantélique susjacent et initie une suite d’événements qui conduit à la génération de magmas qui forment des structures d’îles en arc. Les magmas d’îles en arc diffèrent des magmas d’autres contextes parce que les régimes géothermaux aux lieux de destruction de marges tectoniques sont différents, étant donné la présence de fluides et/ou de volatiles issus de la déshydratation de la plaque en subduction, et du régime tectonique généralement compressif qui inhibe l’ascension du magma, d’où l’importance de l’interaction avec la roche encaissante. En conséquence, la plupart des magmas d’îles en arc forment des intrusifs, variant des filons-couches, aux dykes aux complexes plutoniques. Plusieurs mécanismes favorisent l’ascension des magmas d’îles en arc. Ainsi, l’ascension de diapirs à partir d’une grande accumulation de magma moins dense que l’encaissant est-il un phénomène important dans la croûte inférieure ductile. Cette ascension rapide jointe à l’expansion du magma provoque la propagation de fractures, ce qui facilite l’agrégation et l’assimilation de l’encaissant dans la portion supérieure cassante de la croûte. Fréquemment, le magma injecte ces zones de fractures, ce qui conduit parfois à la formation d’un batholite composite. L’eau joue un rôle important à toutes les étapes de l’évolution des magmas d’îles en arc. La présence d’eau abaisse les températures de fusion partielle dans le prisme mantélique, ce qui conduit à la formation de magmas mafiques, et de magmas felsiques dans la croûte. Le magmatisme d’île en arc est intimement lié au métamorphisme, bien que cette relation soit compliquée, surtout parce que les pressions et les températures maximales sont atteintes à des moments différents. Les magmas d’îles en arc en situation de compression s’épaississent rapidement, puis sont érodés ou exhumés tectoniquement. La fusion de la croûte est déclenchée par une variété de processus, dont la détente accompagnant l’épaississement crustal. La fusion se produit d’abord à la base de la croûte, mais elle atteint éventuellement des niveaux moins profonds de la croûte. Les magmas d’île en arc en situation d’extension ont un gradient géothermal très pentu, et le placage de la croûte par un magma mafique peut y apporter assez de chaleur pour provoquer l’anatexie. Si l’histoire de la subduction se prolonge, le contexte d’un système d’îles en arc peut alterner épisodiquement d’un régime en compression à un régime en extension

Igneous Rock Associations 8. Arc Magmatism II: Geochemical and Isotopic Characteristics

Geochemical and isotopic data provide insights into the origin and evolution of magmatism found at destructive plate margins. Tholeiitic magmas are dominant in the early stages of oceanic island-arc genesis and calc-alkalic magmas are most common in mature oceanic arcs and in continental arcs where they may range from basalt to rhyolite in composition, including voluminous intermediate (andesitic) rocks. Experiments suggest that calcalkalic mafic magmas are formed by melting of a hydrated mantle wedge and undergo low pressure fractional crystallization under near-H2O saturated conditions. Intermediate to felsic magmas are derived in a wide variety of ways, including the fractionation of a more mafic parent, mixing between mafic and felsic magmas (a process supported, in many cases, by field and textural evidence), crustal contamination, or partial melting of the crust. All these processes appear to take place, to some degree, in arc systems, although in any given arc system, one mechanism may predominate. Arc-related calc-alkalic and tholeiitic basalts typically show moderate degrees of light rare-earth-element (LREE) enrichment, and flat heavy rare-earth-element (HREE) profiles, indicating an origin in a shallow (spinel lherzolite) mantle. More evolved magmas exhibit Eu anomalies, consistent with low pressure plagioclase fractionation. Compared to within-plate settings, tholeiitic and calc-alkalic arc magmas have lower abundances in high-field-strength (HFS) elements, possibly because these elements are bound during the accessory phases in the mantle wedge, and are stable during partial melting. Compared to arc tholeiites, calc-alkalic magmas have higher abundances of incompatible large ion lithophile (LIL) elements reflecting enrichment in the mantle wedge source. This characteristic depletion in HFS, and enrichment in LIL, elements, in arc magmas is the basis for a variety of discrimination diagrams. These diagrams constrain processes operating in modern and ancient arc systems and include chondrite-normalized, MORB-normalized and mantle-normalized spidergrams, which are characterized by jagged patterns of trace-element abundances (in contrast to the relatively smooth patterns of within-plate suites). Some arc suites have depleted initial 143Nd/144Nd and lower initial 87Sr/86Sr than the bulk earth, and are similar to MORB. Other suites have enriched isotopic patterns consistent with the influence of subducted oceanic sediments on the composition of the magma. Samarium-Nd and Rb-Sr isotopic studies can be used to distinguish between felsic magmas derived from fractional crystallization of a more mafic parent (which would have similar values) and those derived from the melting of ancient crust. SOMMAIRE Les données géochimiques et isotopiques fournissent des indications quant à l'origine et à l'évolution du magmatisme des marges de subduction des plaques tectoniques. Les magmas sont principalement tholéiitiques dans les premières phases de formation des arcs insulaires océaniques, alors qu'ils sont principalement calco-alcalins pendant les phases terminales des arcs insulaires océaniques ainsi que dans les arcs insulaires continentaux, où leur composition peut aller du basalte à la rhyolite, dont des volumes considérables de roches de composition inter-médiaire (andésitique). Des expériences permettent de penser que les magmas mafiques calco-alcalins sont formés par la fusion d'un biseau mantélique hydraté qui subit une cristallisation fractionnée à basse pression en des conditions de quasi-saturation en H2O. Les magmas de composition intermédiaire à felsique résultent de mécanismes très variés, dont le fractionnement d'une roche mère plus mafique, le mélange de magmas felsiques et mafiques (mécanismes mis en évidence par des données de terrain et l'analyse texturale), la contamination crustale, ou la fusion partielle de la croûte. Tous ces mécanismes semblent se produire, au moins partiellement, au sein d'arcs insulaires, mais l'un d'eux peut constituer le mécanisme prédominant de quelque système d'arcs insulaires particulier. L'enrichissement modéré typique des basaltes calco-alcalins et tholéiitiques d'arcs insulaires en éléments légers des terres (LREE) rares ainsi que le profil plat de leur contenu en éléments lourds des terres rares (HREE) sont des indicateurs d'une origine mantélique peu profonde (iherzolithe à spinelle). Les magmas plus évolués affichent des anomalies en Eu, ce qui concorde avec un fraction-nement à basse température des plagioclases. Comparés à ceux des contextes intra-plaques, les magmas tholéiitiques et calco-alcalins d'arcs insulaires affichent des contenus moindres en éléments à grande intensité de champ, peut-être parce que ces éléments sont liés pendant les phases accessoires dans le biseau mantélique, et sont stables pendant la phase de fusion partielle. Comparés aux tholéiites d'arcs insulaires, les magmas calco-alcalins ont des contenus plus élevés en éléments lithophiles à grands champs ioniques incompatibles, ce qui est le reflet d'un enrichissement au sein du biseau mantélique source. Cet appauvrissement caractéristique en éléments à grande intensité de champ (HFS) et cet enrichissement en éléments lithophiles à grands champs ioniques (LIL) des magmas d'arcs insulaires forment la base d'une variété de diagrammes de discrimination. Ces diagrammes permettent de préciser les processus en jeu des systèmes d'arcs insulaires modernes et anciens et incluent des diagrammes radiaux normalisés pour les chondrites, pour les basaltes de dorsales océaniques (MORB) et pour le manteau, lesquels son caractérisés par des profils anguleux irréguliers des courbes de contenus en éléments traces (en contraste avec les profils relativement réguliers des suites intra-cratoniques). Certaines suites d'arcs insulaires montrent des ratios initiaux 143Nd/144Nd appauvris et 87Sr/86Sr inférieurs à celui de la valeur planétaire actuelle, et qui sont semblables à celui des basaltes de dorsales océaniques. D'autres suites ont des profils isotopiques enrichis, ce qui correspond à une influence de sédiments océaniques subductés sur la composition du magma. Les études samariumnéodymium et rubidium-strontium peuvent être utilisées pour différencier entre les magmas felsiques issus d'une cristallisation fractionnée d'une roche mère plus mafique (qui montrerait des valeurs similaires) et ceux provenant de la fusion d'une croûte ancienne

Geochemistry, provenance, and tectonic significance of sedimentary rocks of the Middle to Late Devonian McArras Brook and Visean Martin Road formations, Merigomish Subbasin, northern Antigonish Highlands, Nova Scotia

The Merigomish Subbasin occurs along the southern Hank of the composite Late Devonian Permian Maritimes Basin of Atlantic Canada. The subbasin consists predominantly of Viséan to Westphalian clastic rocks that overlie Middle to Late Devonian basalt and continental clastic rocks of the McArras Brook Formation. The McArras Brook Formation is unconformably overlain by a 120 meter thick Late Viséan clastic sequence of the Martin Road Formation, which represents the oldest rocks deposited in the Merigomish Subbasin. Geochemical and isotopic attributes of representative samples of the clastic rocks in the McArras Brook and Martin Road formations were investigated in order to constrain their respective provenance and to investigate the regional tectonic significance of the angular unconformity that separates them. The clastic rocks selected for analysis have clast sizes ranging from 1 to 4 mm in diameter. The geochemistry and isotopic signatures of the clastic rocks in these formations are so similar that they are interpreted to have been derived from the same source region. Both formations are characterized by a limited range in Si2: (65 78 wt. %), wider ranges in other major elements such as MgO and Fe203 relatively constant Tb/Nb. moderate LREE enrichment (La/Smn - 3 6 1.1), relatively flat HREE patterns (Tb/Ybn = 1.3-1.4) strongly negative εNd values (-6 5 to -7.7. calculated for a 320 Ma depositional age), and high TDM values (ranging from ca.1.5 to 16 Ga) Taken together, the geochemical and isotopic signature of the McArras Brook and Martin Road formations suggest that they were predominantly derived from local Silurian siliciclaslic rocks of the Arisaig Group in the Antigonish Highlands. The isotopic data also suggest an important contribution from the Meguma terrane to the south The data are compatible with local sources, and ihe geochemical similarity between ihc McArras Brook and Martin Road formations suggests that the angular unconformity that separates them is of local, rather than regional, significance. RÉSUMÉ Le sous-basstn de Merigomish longe le flanc meridional du bassin composite du Dévonien tardif-Permien des Maritimes dans les provinces de l'Atlantique le sous-bassin est principalement constitué de roches clastiques du Viséen au Weslphalien recouvrant des roches clastiques connentales et des basaltes du Dévonian moyen à tardif de la Formation de McArras Brook. La Formation de McArras Brook est recouverte de façon discordante d'une séquence clastique de 120 mêtres d'épaisseur du Viséen tardif de la Formation de Martin Road, qui représente les roches les plus agees s'étant déposées dans le sous-bassin de Merigomish. On a analysé les attributs gèochimiques et isotopiques d'échantillons représentatifs des roches clasiiques des formations de McArras Brook et de Martin Road pour circonscrire leurs provenances respectives el éludier la portéc tectonque régionale de la discordance angulaire les séparant. Les roches clastiques sélectionnées aux fins de I'analysr présentent des clastes done la taille vane entre un el quatre millimètres de diamètre Les signatures gèochimiques el isotopiques des roches clastiques de ces formations sonl tellement similaires qu'on les intcrpèle comme des roches provenant de la même réegion d'ongmc. Les deux formations se caractérisent par un écart de valeurs limilé de SiO2; (65 à 78% pds), des écarts de valeurs plus importants des aulres principaux éléments comme 1e MgO et le Fe2O3 une teneur relativement constanle en Tb/Nb, un ennchisscment modéré en éléments de terres rares legers (La/Smn, -3.6 1.1), des concentrations relativemcnt stables d'éléments de terres rares lourds (Tb Ybn 1.3 1.4), des valeurs de εNd fortement négatives (de 6.5 à 7.7. d'aprés un áge de sédimentation de 320 Ma), et des valeurs de TDM élevées (variant entre environ 1.5 et 1.6 Ga). Lorsqu'on les considére ensemble, les signatures gèochimiques et isotopiques des fotmations de McArras Brook et de Martin Road pennettent de supposer que le matériel des formations provient principalemenl de roches siheoelastiqucs silunennes du groupe d'Arisaig dans les massifs d'Antigonish. Les données isotopiques évoqucnl en outre une contribution importante du terrane de Mcguma au sud. Les données sont compatibles avec les sources locales et la similarié gèochinuque entre les formations de McArras Brook et de Martin Road larsse supposer que la discordance angulaire qui les sépare a une portée locale plulôt que régionale Traduit par la rédactio

The Role of the Ancestral Yellowstone Plume in the Tectonic Evolution of the Western United States

Plate reconstructions indicate that if the Yellowstone plume existed prior to 50 Ma, then it would have been overlain by oceanic lithosphere located to the west of the North American plate (NAP). In the context of models supporting long-lived easterly directed subduction of oceanic lithosphere beneath the NAP, the Yellowstone plume would have been progressively overridden by the NAP continental margin since that time, the effects of which should be apparent in the geological record. The role of this ‘ancestral’ Yellowstone plume and its related buoyant swell in influencing the Late Mesozoic–Cenozoic tectonic evolution of the southwestern United States is reviewed in the light of recent field, analytical and geophysical data, constraints provided by more refined paleogeographic constructions, and by insights derived from recent geodynamic modeling of the interaction of a plume and a subduction zone.   Geodynamic models suggesting that the ascent of plumes is either stalled or destroyed at subduction zones have focused attention on the role of gaps or tears in the subducted slab that permit the flow of plume material from the lower to the upper plate during subduction. These models imply that the ascent of plumes may be significantly deflected as plume material migrates from the lower to the upper plate, so that the connection between the hot spot track calculated from plate reconstructions and the manifestations of plume activity in the upper plate may be far more diffuse compared to the more precise relationships in the oceanic domain. Other geodynamic models support the hypothesis that subduction of oceanic plateau material beneath the NAP correlates with the generation of a flat slab, which has long been held to have been a defining characteristic of the Laramide orogeny in the western United States, the dominant Late Mesozoic–Early Cenozoic orogenic episode affecting the NAP.   Over the last 20 years, a growing body of evidence from a variety of approaches suggests that a plume existed between 70 and 50 Ma within the oceanic realm close to the NAP margin in a similar location and with similar vigour to the modern Yellowstone hot spot. If so, interaction of this plume with the margin would have been preceded by that of its buoyant swell and related oceanic plateau, a scenario which could have generated the flat slab subduction that characterizes the Laramide orogeny.   Unless this plume was destroyed by subduction, it would have gone into an incubation period when it was overridden by the North American margin. During this incubation period, plume material could have migrated into the upper plate via slab windows or tears or around the lateral margins of the slab, in a manner consistent with recent laboratory models. The resulting magmatic activity may be located at considerable distance from the calculated hot spot track.   The current distribution of plumes and their buoyant swells suggests that their interaction with subduction zones should be common in the geological record. If so, the Late Mesozoic–Cenozoic evolution of western North America may represent a relatively modern analogue for such processes.RÉSUMÉLes reconstitutions de plaques montrent que si le panache de Yellowstone avait existé avant 50 Ma, il aurait été recouvert par la lithosphère océanique située à l'ouest de la plaque nord-américaine (PNA). Dans le contexte de modèles de subduction de longue durée vers l’est de la lithosphère océanique sous la PNA, avec le temps, la marge continentale de la PNA aurait progressivement neutralisé le panache de Yellowstone, et on devrait en voir les effets dans le registre géologique. Le rôle de ce panache de Yellowstone « ancestral » et de son renflement de surface régional associé sur l'évolution tectonique du Sud-ouest des États-Unis au Mésozoïque–Cénozoïque tardif est reconsidéré ici à la lumière de données récentes, de terrain, analytiques et géophysiques, de contraintes découlant de constructions paléogéographiques affinées, et d’idées nouvelles découlant d’une modélisation géodynamique récente de l'interaction d'un panache et d'une zone de subduction.   Les modèles géodynamiques suggérant que l'ascension des panaches soient bloquée ou détruite dans les zones de subduction ont attiré l'attention sur le rôle d’hiatus ou de déchirures dans la plaque subduite qui permettent le passage du matériau du panache de la plaque inférieure à la plaque supérieure pendant la subduction. Ces modèles impliquent que le flux ascendant des panaches peut être sensiblement dévié alors que le matériau du panache migre de la plaque inférieure à la plaque supérieure, de sorte que la connexion entre la trace du point chaud calculée à partir des reconstructions de la plaque et les manifestations de l'activité du panache dans la plaque supérieure peut être bien plus diffuse que sa contrepartie du domaine océanique. D'autres modèles géodynamiques appuient l'hypothèse selon laquelle la subduction du matériau de plateau océanique sous la PNA correspond à la génération d'une plaque plate, particularité qui a longtemps été considérée comme caractéristique déterminante de l'orogenèse de Laramide dans l'ouest des États-Unis, épisode orogénique dominante de la fin du Mésozoïque au début du Cénozoïque affectant la PAN.   Au cours des 20 dernières années, un nombre croissant d'éléments de preuve provenant d'une variété d'approches suggèrent qu'un panache existait bien entre 70 et 50 Ma dans le domaine océanique près de la marge la PNA, en un endroit et avec une vigueur similaires au point chaud de Yellowstone moderne. Le cas échéant, l'interaction de ce panache avec la marge aurait été précédée de celle de son renflement de surface et du plateau océanique connexe, scénario qui aurait pu générer la subduction de la plaque plate qui caractérise l'orogenèse Laramide.   À moins que ce panache n'ait été détruit par subduction, il serait entré dans une période d'incubation lorsqu’il a été recouvert par la marge nord-américaine. Au cours de cette période d'incubation, le matériau du panache aurait pu migrer dans la plaque supérieure par des fenêtres ou déchirures de la plaque ou autour des marges latérales de la plaque, conformément aux modèles récents de laboratoire. La trace de l'activité magmatique résultante pourrait se trouver alors à une distance considérable de la trace du point chaud calculée.   La distribution actuelle des panaches et de leurs renflements de surface suggère que leur interaction avec les zones de subduction devrait être un phénomène courant dans le registre géologique. Si tel est le cas, l'évolution du Mésozoïque–Cénozoïque tardif de l'Amérique du Nord occidentale peut représenter un analogue relativement moderne pour de tels processus

Stratigraphy and depositional environment of the Horton Group in the St Marys Basin, central mainland Nova Scotia

The St. Marys Basin, central mainland Nova Scotia, contains an Upper Devonian(?)-Lower Carboniferous intracontinental alluvial fan-fluviatile-lacustrine basin-fill sequence that occupies the current boundary between the Meguma and Avalon terranes of the Canadian Appalachian orogen. The basin rocks belong to the Horton Group, and are here divided into six partially laterally equivalent formations. The stratigraphically lowest rocks are predominantly exposed in the central part of the basin in a series of en echelon anticlinal closures. These rocks were deposited in a longitudinal drainage system and represent clastic strata deposited in lacustrine (Little Stewiacke River Formation) and braided fluvial (Barrens Hills and Lochiel formations) environments. Toward the southern flank of the basin the sequence is essentially a southeast-facing monocline in which the beds coarsen and thicken upward. Along this flank, clastic rocks were predominantly deposited in alluvial fans (Cross Brook and West River St Marys formations) derived from the Meguma terrane to the south. These rocks unconformably overly the Meguma Group, reflecting a decrease in accommodation space and implying that the St. Marys Basin is underlain, at least in part, by Meguma basement. In the northwestern part of the basin, clastic sedimentary rocks have mixed Avalonian-Meguma provenance (Graham Hill Formation) reflecting influence of the Avalonian margin to the north and confirming the status of the Horton Group as a post-Acadian overstep sequence. The deposition of coarse conglomerate along the southern flank of the basin suggests a strong tectonic influence on sedimentation where subsidence along this basin margin occurred along northerly dipping listric normal faults. In contrast, the character of the sediments does not vary with proximity to the northern margin of the basin (Chedabucto Fault), suggesting that the fault does not constitute the original basin margin, and that an unknown portion of the basin and its Meguma basement have been tectonically removed. RÉSUMÉ Le bassin de St. Marys, dans le centre intérieur de la Nouvelle-Écosse, abrite une séquence de remplissage de bassin alluviale-fluviatile-lacustre continentale du Dévonien supérieur (?) au Carbonifère inférieur occupant la limite actuelle entre les terranes de Meguma et d'Avalon de l'orogéne des Appalaches canadiennes. Les roches du bassin font partie du groupe de Horton et el les se divisent en cet endroit en six formations partiellement équivalentes lateralement. Les roches les plus basses du point de vue stratigraphique affleurent principalement dans la partie centrale du bassin sous forme d'une série de fermetures d'anticlinaux en échelons. Ces roches se sont déposées le long d'un réseau hydrographique longitudinal et elles se manifestent par des strates clastiques s'étant déposées dans des milieux lacustres (Formation de Little Stewiacke River) et fluviaux anastomosés (formations de Barrens Hills et de Lochiel). Vers le flanc méridional du bassin, la séquence constitue essentiellement une structure monoclinale orientée vers le sud-est dans laquelle les strates deviennent plus grossières et s'epaississent en allant vers le haut. Le long de ce flanc, les roches clastiques se sont surtout déposées en cônes alluviaux (formations de Cross Brook et de West River St. Marys) provenant du terrane de Meguma, au sud. Ces roches recouvrent de facon discordante le groupe de Meguma, ce qui est révèlateur d'une diminution de l'espace disponible et laisse supposer que le bassin St. Marys repose, du moins en partie, sur le socle de Meguma. Dans le nord-ouest du bassin, les roches sédimentaires clastiques proviennent a la fois des terranes d'Avalon et de Meguma (Formation de Graham Hill). Cette origine mixte témoigne de 1'influence de la marge d'Avalon au nord et elle confirme que le groupe de Horton constitue une séquence discordante ulterieure a l'Acadien. L'accumulation de conglomérat grossier le long du flanc méridional du bassin laisse supposer une forte influence tectonique sur la sédimentation dans le secteur où est survenu un affaissement le long de la limite du bassin longeant des failles normales courbes, inclinées vers le nord. Par contraste, le caractere des sediments ne varie pas en fonction de la proximité avec la limite nord du bassin (faille de Chedabucto), ce qui semble indiquer que la faille ne constitue pas la limite d'origine du bassin et qu'une partie inconnue du bassin et du socle de Meguma correspondant en ont été tectoniquement écartés. [Traduit par la rédaction