Differentiation and stabilisation of the Archean continental crust, the example of the northern edge of the Kaapvaal craton, South Africa

Vezinet, Adrien (2017-03)

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2017.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The Earth is one of the only solid celestial bodies displaying, at present day, an internal activity significant enough to modify its surface. This activity is mostly pictured by plate tectonic motions, which triggers the magmatic activity of mid-ocean ridges as well as subduction zones and mountain ranges development. These geodynamics are the locus of the creation of the oceanic crust, the continental crust and the reworking of older crustal material respectively that deeply modify both physical and chemical properties of the Earth’s lithosphere. One of the main consequences of these processes is the chemical layering of the continental crust, composed of granodioritic to granitic upper levels while lower crustal levels are more mafic. Two crustal processes are assumed to be responsible for such a structure: (i) the crustal growth taking place at subduction zones and (ii) the crustal differentiation taking place within collision and accretionary orogens. The PhD work presented in this manuscript focuses on the recognition and the manifestation of Archean crustal differentiation processes. The Archean eon which represents 1/3 of the geological record is featured by both lithologies unrecognized in younger eons and cryptic geodynamics. Most of investigations concentrate on the characterisation of aluminium-rich lithologies that allow an accurate determination of the pressure-temperature evolution underwent by crustal materials during crustal thickening geodynamics. However, aluminium-rich lithologies - mainly represented by metasediments - account for only 10 % on average of Archean terranes whereas orthoderived gneisses (TTG + granite) - which also testify for crustal differentiation processes - form around 75 % of these terranes. The following contribution depicts an Archean composite grey gneiss complex located at the northern edge of the Kaapvaal craton is South Africa. Results carried out during this PhD study have major consequences on Archean geodynamics. Firstly, the Uranium-Lead isotope study of zircon grains from igneous lithologies of the northern Kaapvaal craton indicates an uninterrupted recording from ca. 2.97 Ga to ca. 2.68 Ga, namely during more than 300 Ma (which is the time that separates the Carboniferous/Permian transition from present day). This protracted recording sheds light on Archean tectonics and questions the ways and means of such geodynamics. Our isotope investigation, associated with field investigation and whole rock major and trace elements chemistry, are assumed to picture accretionary orogen geodynamics that contribute to a moderated crustal thickening. Secondly, the Lutetium-Hafnium isotope signature of the same zircon grains displays unprecedented results. Our analyses indicate that igneous lithologies from the northern Kaapvaal craton evolve on a single crustal trend through time. This is interpreted as the absence of exotic material involved in the accretionary orogen, i.e. the crustal block evolved in a thermodynamically closed system. It is therefore crucial to monitor the evolution of the grey gneiss complex forming phases through time. Geochemical analyses of dated phases show a noteworthy sequence of events with: . Emplacement of a basic complex (produced by partial melting of a depleted mantle) at ca. 2.97 Ga, which is subsequently partially melted, implying the, . Production and emplacement of TTGs during 100 Ma, from ca. 2.95 Ga to ca. 2.85 Ga, themselves subsequently differentiated into, . Granites which intrude the continental crust from ca. 2.85 Ga to ca. 2.75 Ga. These geodynamics are also marked by the emplacement of greenstone belts and associated sedimentary basins. The burying of supracrustal lithologies is recognized while ongoing accretionary orogen, however, no partial melting feature is described. After the intrusion of granites at ca. 2.85-2.75 Ga, partial melting reactions are recognized within supracrustal formations. Therefore, this study aims to demonstrate the key role of a rheologically strong granitic crust for the onset of an efficient burying process. Finally, the burying of supracrustal formations towards lower crustal levels triggers mantle metasomatism, ensued partial melting, production of mantle derived granite and therefore stabilisation of the entire crustal block. The PhD work presented here shed light on the Archean tectonics. This eon is perceived as a time where geodynamics were faster than present day due to a hotter and thus a more active Earth. Nevertheless, our results show that composite grey gneiss complexes may be built over a protracted time span, achieved through self-refinement of crustal materials. Grey gneiss complexes are only moderately investigated even though information enclosed in these lithologies is complementary with those from aluminium-rich rocks. Therefore, deeper investigations of these geological objects must be a central scope in order to improve the knowledge of the Archean eon and appears necessary for the building of even more realistic geotectonic models.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Aarde is een van die enigste solide hemelliggame wat huidig ‘n interne aktiwiteit beduidend genoeg toon om sy oppervlak te verander. Hierdie aktiwiteit word meestal voorgestel deur tektoniese plaat bewegings wat die magmatiese aktiwiteit van mid-oseaanrûe sowel as subduksiesones en bergreeks ontwikkeling veroorsaak. Hierdie geodinamika is die lokus van die skepping van die oseaankors, die kontinentale kors en die herwerking van ouer korsmateriaal onderskeidelik, wat beide die fisiese en chemiese eienskappe van die Aarde se litosfeer hoogs modifiseer. Een van die hoof gevolge van hierdie prosesse is die chemiese gelaagdheid van die kontinentale kors wat granodiorities tot granities in die boonste korsvlakke is terwyl die laer korsvlakke meer mafies is. Twee korsprosesse word aangeneem om verantwoordelik te wees vir so ‘n struktuur: (i) die korsgroei wat plaasvind in subduksiesones en (ii) die korsdifferensiasie wat plaasvind binne-in botsende en akkresie orogene. Die PhD werk wat aangebied word in hierdie manuskrip fokus op die herkenning en die manifestasie van Argeïese korsdifferensiasie prosesse. Die Argeïkum eon wat ‘n derde van die geologiese rekord verteenwoordig word gekenmerk deur litologieë beide onherkenbaar in jonger eone en kriptiese geodinamika. Meeste van die ondersoeke konsentreer op die karakterisering van aluminium-ryke litologieë wat die akkurate bepaling van die druk-temperatuur evolusie toelaat wat deur die korsmateriaal ervaar is tydens korsverdikkings geodinamika. Alhoewel, aluminium-ryke litologieë – hoofsaaklik verteenwoordig deur metasedimente – verantwoordelik is vir net 10 % gemiddeld van Argeïese terreine terwyl orto-afgeleide gneise (TTG + graniet) – wat ook getuig van korsdifferensiasie prosesse – vorm rondom 75 % van hierdie terreine. Die volgende bydra beeld ‘n Argeïese saamgestelde grys gneiskompleks uit wat aan die noordelike rand van die Kaapvaal kraton in Suid-Afrika geleë is. Resultate verkry gedurende die uitvoering van hierdie PhD studie het groot gevolge op Argeïese geodinamika. Eerstens, die Uraan-Lood isotoop studie van sirkoonkorrels vanaf stollingslitologieë van die noordelike Kaapvaal kraton dui ‘n ononderbroke opname van ca. 2.97 Ga tot ca. 2.68 Ga aan, naamlik gedurende meer as 300 Ma (wat die tydperk is wat die Karboon/Permium oorgang van hedendaagse tyd skei). Hierdie verlengde opname werp lig op Argeïese tektonika en bevraagteken die wyses van sulke geodinamika. Ons isotoopondersoek, geassosieër met veldondersoek en heelrots hoof- en spoorelement chemie, word aangeneem om deur akkresie orogeen geodinamika bereik te word en sodoende by te dra aan matige korsverdikking. Tweedens, die Lutesium-Hafnium isotoop karakteristiek van dieselfde sirkoonkorrels vertoon ongekende resultate. Ons analises dui aan dat stollings litologieë van die noordelike Kaapvaal kraton evoleer op ‘n enkele korstendens deur tyd. Dit word interpreteer as die afwesigheid van eksotiese materiaal betrokke in die akkresie orogeen., m.a.w. die korsblok het evoleer in ‘n termodinamiese geslote stelsel. Dit is dus noodsaaklik om die evolusie van die grys gneiskompleks wat fases deur tyd vorm te monitor. Geochemiese analises van gedateerde fases wys ‘n opmerklike opeenvolging van gebeurtenisse met: . Inplasing van ‘n basis kompleks (geproduseer deur gedeeltelike smelting van ‘n uitgeputte mantel) teen ca. 2.97 Ga, wat daarna gedeeltelik gesmelt word wat impliseer dat, . Produksie en inplasing van TTGs gedurende 100 Ma, vanaf ca. 2.95 Ga tot ca. 2.85 Ga, hulself daarna gedifferensieër in, . Graniete wat die kontinentale kors indring vanaf ca. 2.85 Ga tot ca. 2.75 Ga. Hierdie geodinamika word ook gemerk deur die inplasing van groensteenstroke en geassosieerde sedimentêre komme. Die begrawing van suprakorslitologieë word erken alhoewel daar geen gedeeltelike smelting kenmerke vir deurlopende akkresie orogene beskryf is nie. Na die indringing van graniete teen ca. 2.85-2.75 Ga, word gedeeltelike smeltingsreaksies erken in suprakorsformasies. Dus, beoog hierdie studie om die sleutelrol van ‘n reologiese sterk granitiese kors om die aanvang van ‘n doeltreffende begrawingsproses te demonstreer. Uiteindelik sal die begrawing van suprakors formasies na die laer vlakke van die kors mantel metasomatisme veroorsaak, gevolg deur gedeeltelike smelting, produksie van mantelafgeleide graniet en dus stabilisering van die hele korsblok. Die PhD werk wat hierin aangebied is werp lig op die Argeïese tektonika. Hierdie eon word beskou as ‘n tyd waar geodinamika vinniger was as vandag as gevolg van ‘n warmer en dus ‘n meer aktiewe Aarde. Nietemin, ons resultate wys dat saamgestelde grys gneiskomplekse gevorm kan word oor ‘n verlengde tydperk, bereik deur self-verfyning van korsmateriaal. Grys gneiskomplekse is net matig ondersoek alhoewel informasie bevat in hierdie litologieë die informasie van aluminium-ryke gesteentes komplimenteer. Dus moet dieper ondersoeke van hierdie geologiese voorwerpe die sentrale punt wees in orde om kennis van die Argeïkum eon te verbeter en blyk dit ook noodsaaklik vir die bou van selfs meer realistiese geotektoniese modelle.

FRENCH RESUME: La planète Terre est l’un des rares corps céleste solide connu qui possède présentement une activité interne suffisamment importante pour en modifier sa surface. Cette activité s’observe principalement au sein de l’écorce terrestre par le biais des mouvements des plaques tectoniques qui induisent l’activité magmatique des dorsales médio-océaniques, les zones de subduction ainsi que les chaînes orogéniques. Ces différentes géodynamiques sont le théâtre de processus de création de croûte océanique (dorsales), continentale (zone de subduction) mais aussi de remaniement de croûte antérieure (zones de collisions/accrétion) et modifient en profondeur les propriétés physico-chimiques de la lithosphère. Il en résulte une stratification de la croûte continentale terrestre, marquée par une croûte supérieure granodioritique à granitique - donc chimiquement acide - et une croûte inférieure plus riche en phases ferromagnésiennes, chimiquement basique à intermédiaire. Deux processus amènent à ce type de configuration : (i) la croissance crustale se déroulant dans les zones de subduction et (ii) la différenciation crustale se déroulant dans les zones de collision/accrétion. Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit se focalise sur la reconnaissance ainsi que l’expression des processus de différenciation crustale à l’Archéen. Cet éon représente à lui tout seul 1/3 des temps géologiques, et se caractérise notamment par des lithologies diagnostiques, ainsi que des contextes géodynamiques complexes. La majorité des études sont portées sur l’investigation des phases alumineuses qui permettent de contraindre précisément les divers événements métamorphiques au cours d’une géodynamique d’épaississement crustal. Toutefois, ces phases alumineuses - incarnées principalement par les méta-sédiments - représentent rarement plus de 10 % des terrains archéens, alors qu’ils sont faits à plus de 75 % de gneiss orthodérivés (TTG + granite), témoignant eux aussi des processus de différenciation crustale. L’étude qui suit est une caractérisation du complexe de gneiss gris composite de la marge Nord du craton archéen du Kaapvaal en Afrique du Sud. Les résultats produits durant cette investigation ont amené à plusieurs conclusions importantes au regard de la géodynamique archéenne. Tout d’abord, l’étude isotopique Uranium-Plomb des zircons provenant des lithologies magmatique du Nord-Kaapvaal montre un enregistrement continu de ca. 2.97 Ga à ca. 2.68 Ga, soit sur une période de plus de 300 Ma, correspondant à la durée qui sépare la transition Carbonifère/Permien de l’actuel. Un tel enregistrement prolongé dans le temps, jamais décrit auparavant, apporte une nouvelle optique sur la tectonique archéenne. En effet, cela pose la question des modalités de la durée d’une telle géodynamique. Les résultats isotopiques, couplés aux données recueillies sur le terrain ainsi qu’aux analyses géochimiques, sont interprétés comme issus d’une géodynamique d’orogenèse d’accrétion qui a permis un épaississement modéré de la croûte continentale archéenne durant une période prolongée. De plus, l’analyse isotopique du couple Lutétium-Hafnium sur ces mêmes grains de zircon a montré un résultat, là aussi, jamais décrit auparavant. Ces analyses indiquent que l’ensemble des lithologies magmatiques présentes sur la marge Nord du craton du Kaapvaal progressent sur une unique direction d’évolution crustale au-cours du temps. Ce résultat est interprété comme attestant de l’absence de phase allochtone impliquée dans les processus de différenciation crustale, i.e. l’orogenèse évolue en système thermodynamiquement fermé. Il apparaît alors important de tracer l’évolution dans le temps des différentes phases qui constituent le complexe de gneiss gris étudié. Les analyses géochimiques des différentes phases datées du complexe de gneiss gris ont montré une séquence assez remarquable avec notamment : . La formation d’un complexe basique à 2.97 Ga produit par fusion partielle d’un manteau appauvri, qui subit un épisode de fusion partielle amenant à, . La mise en place de granitoïdes à signature géochimique TTG entre ca. 2.95 Ga et ca. 2.85 Ga, qui eux-mêmes subissent un épisode de fusion partielle permettant la formation de, . Granites intrusifs mis en place sur la période ca. 2.85 - ca. 2.75 Ga. Cette géodynamique est aussi marquée par la mise en place de ceintures de roches vertes et de bassins sédimentaires associés. Ces formations supracrustales sont enfouies durant l’orogenèse, mais pas suffisamment pour atteindre les conditions de fusion partielle. Cette configuration est modifiée après l’intrusion des granites sur la période 2.85-2.75 Ga, où des épisodes de fusion partielle sont observés au sein les formations supracrustales. Cette étude tend donc à démontrer que l’intrusion de granite différencié dans la croûte continentale est l’élément clé dans l’établissement de processus de remaniement par fusion partielle des lithologies surfaciques. Enfin, l’enfouissement des formations supracrustales a permis la métasomatome du manteau sous continental, amenant à la fusion partielle de ce dernier et donc à la cratonisation de l’ensemble du bloc continental. Ce travail apporte donc une nouvelle vision de la tectonique archéenne. En effet, l’Archéen est souvent perçu comme une période durant laquelle les processus géodynamiques sont rapides du fait d’une Terre plus chaude et donc plus active qu’à l’actuel. Or, l’étude réalisée au-cours de ce projet de thèse montre que la construction d’un complexe de gneiss gris composite correspond à une géodynamique prolongée dans le temps, accomplie au-travers de processus de différenciations crustales internes à la zone accrétée. Les complexes de gneiss gris ne sont que modérément étudiés, toutefois, les informations contenues dans ces lithologies sont complémentaires avec celles obtenues par les études métamorphiques sur les lithologies alumineuses. Il est donc nécessaire d’approfondir les investigations sur ces corps afin de mieux comprendre les modalités de mise en place des lithologies orthodérivées archéenne et construire des modèles géodynamiques les plus proches de la réalité.

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