Towards a New Tectonic Model for the Western Grenville Province: Insight from Structural, Geochemical and Geochronological Data from the Highway 117 Transect, Quebec, Canada

Les orogènes continentaux de collision sont des systèmes tectoniques dynamiques qui ont joué un rôle essentiel dans le remodelage de la croûte terrestre. Les processus de déformation et d'exhumation qui ont été actifs au cours de leur évolution sont au centre de débats d'actualité. L'orogène Méso-Néoprotérozoïque de Grenville, partiellement préservé sous la forme de la Province de Grenville au Canada, ne fait pas exception et présente un intérêt particulier, car il expose les différents niveaux structuraux d'un orogène et s’est développé au cours d’une période entre les régimes tectoniques anciens (par exemple, le Précambrien) et modernes (par exemple, le Phanérozoïque). Sur la base de compilations de données à l'échelle de l'orogène et de modèles numériques 2-D, il a été largement considéré comme un grand orogène chaud de longue durée (« LHO ») qui a évolué à travers diverses phases d'écoulement ductile (écoulement en chenal ou nappes ductiles) jusqu'à l'effondrement orogénique pendant la phase initiale d'Ottawan (environ 1090-1020 Ma), déformant la croûte inférieure moyenne de la Ceinture allochtone (AB), qui est composée de roches péri-cratoniques et exotiques accrétées sur la Laurentie. Puis, au cours de la phase ultérieure de Rigolet (environ 1005-980 Ma), la Ceinture parautochtone (PB), qui comprend le socle laurentien et ses séquences de couverture, aurait été remaniée soit dans un prisme orogénique ou par un mode d'écoulement ductile. Ces modèles conceptuels, en particulier ceux proposés pour l'évolution au cours de la phase de Rigolet, doivent encore être testés en détail, ce qui passe par la collecte de données sur le terrain et des analyses modernes. Afin d'approfondir la compréhension de l'événement grenvillien, et plus particulièrement de la déformation du PB durant la phase de Rigolet, cette étude se concentre sur le transect généralement peu étudié de la route 117 à travers la province de Grenville dans l'ouest du Québec. Dans les trois chapitres principaux de cette étude, des données structurales (chapitre 2), géochimiques (chapitre 3) et géochronologiques (chapitres 2 & 4), basées sur des données terrain mais acquise par des techniques analytiques de pointe, sont présentées afin de caractériser l'architecture structurale préservée le long de ce transect et de proposer un nouveau modèle tectonique pour la déformation du PB durant la phase de Rigolet. De plus, une grande partie des données est présentée dans une nouvelle visite auto-guidée dans « Google Earth » afin de s'intégrer dans une nouvelle ère de publications virtuelles et interactives. L'architecture le long du transect expose divers (sous-)domaines allochtones et parautochtones. et a été précédemment définie sur la base de données limitées provenant d'études régionales avant les développements récents de la tectonique grenvillienne et nécessite donc des réinterprétations. Les nouvelles données structurales et géochronologiques présentées dans cette étude à travers les domaines parautochtone (c'est-à-dire la zone de chevauchement du front du Grenville (GFTZ) ; les Terranes du Réservoir Dozois (RDT) et de la Vérendrye (VT)) et allochtone (c'est-à-dire les Terranes de Renzy (RT) et du Lac Dumoine (LDT)) définissent le premier ensemble complet de données le long du transect, en particulier entre la GFTZ et l’ensemble de roche ayant échappée à l’Orogénie grenvillienne appelée couverture orogénique. L'interprétation structurale (chapitre 2) du RDT et du VT révèle que les gneiss sont des tectonites S>>L et qu'il existe au moins 3 événements de déformation (Sn-1 ; Sn ; Sn+1). La gneissosité omniprésente dans le RDT et le VT (Sn) est syn-migmatitique, a un faible pendage (<30oC) qui montre une variation significative de directions le long du transect pour définir une série de sous-domaines structuraux. L'abondance de grains de quartz non allongés dans les leucosomes de Sn du RDT et du VT est interprétée comme évidence d’une déformation en présence de fusion partielle. Bien que les indicateurs cinématiques dans les gneiss RDT à faible pendage montrent une direction de transport dominante vers le SW, parallèle au grain structural de l'orogène, ils ont une distribution bimodale (NE-SW et NW-SE) qui suggère que la déformation était probablement triclinique. Les résultats de la géochronologie U-Pb sur zircon (chapitres 2 et 4) provenant des leucosomes felsiques et des veines d'injection syn- à tardi-déformation à travers les différents niveaux structuraux contribuent également à la caractérisation du transect. D’une part, les dates obtenues sur les coeurs de zircon hérités correspondent systématiquement aux âges attendus pour les gneiss hôtes, ce qui appuie la subdivision tectonique proposée pour la région étudiée. D’autre part, les âges de cristallisation 207Pb/206Pb entre 1020 ± 13 Ma et 968 ± 10 Ma fournissent la première preuve que les gneiss dans le RDT et le VT ont été déformés pendant la phase Rigolet alors que la roche hôte était partiellement fondue. Les résultats contraignent l’âge du chevauchement vers le NO, qui se manifeste généralement par la rotation de boudins mafiques de dimension métrique dans la zone de cisaillement Teddy, et par des plis en fourreau asymétriques dans le VT à 1002-1008 Ma. Par contraste, l’âge de 1040 ± 9 Ma d’un dyke granitique tardif à la déformation en décrochement dextre le long de la zone de cisaillement controversée de Baskatong démontre que la déformation ductile dans le LDT s’est déroulé pendant la phase Ottawan, ce qui appuie l’hypothèse que ce domaine fait partie de L’AB. Les grains de zircon provenant des échantillons révèlent systématiquement des morphologies complexes. Ils sont généralement caractérisés par des noyaux hérités et des successions de zones de textures distinctes qui partagent pour la plupart des caractéristiques d'éléments traces et donnent des âges moyens pondérés 207Pb/206Pb grenvilliens qui se chevauchent. Certains spécimens étaient physiquement liés au leucosome dans leur gneiss hôte et, d'après la différence entre les populations grenvilliennes les plus anciennes (1020 ± 6 Ma) et les plus jeunes (968 ± 4) dans ces échantillons (erreurs d'étalonnage externes exclues), la déformation de Rigolet s'est probablement produite sur une période prolongée d'au moins 30 Ma. La plupart du leucosome granitique et des intrusions dans le RDT et le VT sont interprétés comme le produit de multiples événements de fusion à présence d'eau pendant cette période en raison de: i) les morphologies complexes des zircons; ii) les caractéristiques physiques des migmatites dans le RDT et le VT, particulièrement leurs limites diffuses avec leur roches hôtes; iii) la présence de hornblende péritectique qui implique l’addition d’eau lors de la fusion; iv) les températures du thermomètre Ti-in-zircon (625-778oC) qui sont à la limite inférieure pour la fusion par biotite-déshydratation des roches Bt-Qtz-Pl (< 800oC). L'une des principales hypothèses issues des observations de terrain était plusieurs ensembles de roches dispersés dans les gneiss parautochthones (RDT et VT) pourraient faire partie de la RT Mésoprotérozoïque allochtone, en raison de leurs similitudes lithologiques, structurales et métamorphiques. Une nouvelle cartographie le long du transect (chapitre 2) a révélé que les gneiss du PB s'étendaieent structurellement au-dessus et au-dessous des composants de la RT (sensu stricto), ce qui implique que les composants de la RT et les équivalents de la RT sont complètement enveloppés dans le PB. Pour vérifier cette hypothèse, une partie de cette étude (chapitre 2) examine les signatures en éléments traces immobiles de vingt-cinq affleurements et boudins mafiques recueillis dans les gneiss migmatitiques de la RDT et du VT. Les résultats révèlent que ces corps mafiques définissent trois groupes géochimiques, à savoir les basaltes « komatiitiques » (groupe U1) et les andésites et basaltes tholéiitiques (groupes U2 et U3). Les groupes U2 et U3 se distinguent par la présence de grands creux négatifs en Ta-Nb dans le premier groupe et d'anomalies nulles en Ti dans le second. En s'appuyant sur des méthodes préétablies et novatrices, les signatures d'éléments traces immobiles des trois groupes sont comparées à des suites mafiques connues pour avoir des affinités magmatiques avec la province contiguë du Supérieur (c'est-à-dire autochtone) ou avec des terranes interprétés comme faisant partie de l'AB. Les suites autochtones considérées ici comprennent les métavolcaniques mafiques archéennes de la ceinture de roches vertes de l'Abitibi et plusieurs suites mafiques protérozoïques (environ 2470-1140 Ma) (Senneterre, Matachewan, Sudbury et Abitibi). Les métagabbros coronitiques et les suites mafiques de la RT sont considérés comme des suites de référence uniques à l'AB en Ontario et dans la région étudiée respectivement et devraient donc surplomber structurellement le PB. Afin d'identifier à quelles suites connues appartiennent les groupes U1-3, les caractéristiques suivantes ont été comparées : (1) les profils normalisés des éléments immobiles N-MORB ; (2) les différences dans leurs anomalies HFSE (par ex. Ta, Nb, Ti) ; (3) les diagrammes de rapport d'éléments incompatibles, définis par l'enrichissement en éléments de terres rares (ETR) légères (La/Sm)CN et lourdes ((Gd/Yb)CN et (Tb/Yb)CN) par rapport à la pente globale des ETR en REECN (La/Yb)CN . Les résultats des comparaisons d'éléments traces immobiles indiquent une affiliation claire à l'AB pour la plupart des corps mafiques enveloppés dans les gneiss de la RDT et de la VT, en particulier aux suites de la RT, ce qui confirme nos observations de terrain et implique qu'une partie de l'AB inférieur a dû être démembrée et incorporée dans le PB pendant la déformation de Rigolet. Ces résultats suggèrent que la délimitation des domaines tectoniques et de leurs frontières dans la province de Grenville, comme le « Allochthon Boundary Thrust », n'est pas simple et que les méthodes antérieures d'identification des différents niveaux structuraux basées sur la corrélation de leurs suites mafiques respectives dans les LHO doivent être considérées avec prudence. En intégrant toutes les données, cette étude présente une nouvelle coupe géologique transversale pour une longueur de 140 km du transect et propose un nouveau modèle pour la déformation du PB pendant la phase de Rigolet. La déformation pervasive en présence de fusion partielle pendant au moins 30 Ma suggère que les gneiss migmatitiques des RDT et VT constituaient un chenal de faible viscosité s’étant écoulé de façon ductile « channel flow » pendant la phase Rigolet. De plus, les résultats des études structurales (chapitre 2) et géochimiques (chapitre 3), suggèrent que les RT représentent des composants allochtones enveloppés dans des gneiss parautochtones. D'après les résultats de la géochronologie et les preuves de terrain présentées dans cette étude (chapitre 4), les dykes felsiques ont bréchifié les composants mafiques de la RT coïncidant avec la déformation dans le PB, ce qui a pu conduire à leur démembrement et à leur incorporation dans la chenal parautochtone sous forme de radeaux mafiques de taille métriques à kilométriques. Les résultats de cette étude sont en contradiction avec les modèles conceptuels proposés pour l'évolution de la Province de Grenville occidentale qui considèrent que le PB a été affecté par l'effondrement gravitationnel du noyau orogénique ou a évolué sous forme de prisme orogénique pendant la phase de Rigolet. Au contraire, le modèle tectonique proposé dans cette étude est comparable à des modèles plus récents préconisant un écoulement ductile au sein du PB dans l'est du Québec durant cette phase de l'orogenèse grenvillienne Ceci suggère que le Rigolet était une phase orogénique majeure impliquant une fusion et un écoulement prolongés de la croûte profonde. Ces résultats ont donc des implications importantes concernant l'évolution tectonique de l'orogenèse grenvillienne ainsi que des implications possibles pour l'évolution du socle tectonique dans d'autres LHO.

Abstract

Continental collisional orogens are dynamic tectonic systems that played vital roles in remolding the Earth’s crust and the deformation and exhumation processes that were active during their evolution are the focus of topical debates. The Meso-Neoproterozoic Grenville Orogen, partially preserved as the Grenville Province in Canada, is no exception and is of particular interest as it exposes various structural levels of an orogen and straddles ancient (e.g. Precambrian) and modern (e.g. Phanerozoic) tectonic regimes. Based on orogen-wide data compilations and 2-D numerical models, it has largely been considered a large, hot long-duration orogen (LHO) that evolved through various phases of ductile flow (channel flow or ductile nappes) to orogenic collapse during the initial Ottawan (ca. 1090-1020 Ma) phase, deforming the mid-lower crust of the Allochthonous Belt (AB), which is composed of peri-cratonic and exotic rocks accreted to Laurentia. Then, during the later Rigolet phase (ca. 1005-980 Ma) the Parautochthonous Belt (PB), comprising the Laurentian basement and cover sequences, was reworked by foreland-ward thick-skinned thrusting or a mode of ductile flow. These largely conceptual models, especially those proposed for the evolution during the Rigolet phase, still require detailed testing, which is routed in field-based data collection and modern analyses. To further the understanding of the Grenvillian event, specifically deformation of the PB during the Rigolet phase, this study focuses on the generally understudied highway 117 transect through the Grenville Province in western Quebec. In the three core chapters of this study, field-based structural (chapter 2), geochemical (chapter 3) and modern geochronological data (chapters 2 & 4) are presented in order to characterize the tectonic architecture preserved along this transect and propose a new tectonic model for deformation in the PB during the Rigolet phase. Furthermore, a large part of the data is presented in a novel, self-guided tour in Google Earth to integrate into a new era of virtual and interactive publications. The architecture along the transect exposes various allochthonous and parautochthonous (sub)domains and was previously defined based on limited data from regional studies before recent developments in Grenvillian tectonics and thus, require re-interpretations. New structural and geochronological data presented in this study through the parautochthonous (i.e. Grenville Front Thrust Zone (GFTZ); Reservoir Dozois (RDT) and Vérendrye (VT) terranes) and allochthonous (i.e. Renzy (RT) and Lac Dumoine (LDT) terranes) domains defines the first comprehensive dataset along the length the transect, particularly between the GFTZ and the orogenic lid to the orogen. The structural interpretation (chapter 2) of the RDT and VT reveals that the gneisses are S>>L tectonites and there are at least 3 deformation fabrics (Sn-1; Sn; Sn+1). The pervasive gneissosity in both the RDT and VT (Sn) is a syn-migmatitic amphibolite grade fabric that is mostly shallow dipping (<30oC) but shows significant variation along the transect to define a series of structural subdomains. Abundant undeformed quartz grains in the Sn leucosomes are interpreted to record suprasolidus conditions, implying the RDT and VT define a panel of rocks that were deformed while still partially molten. Although kinematic indicators in the shallow dipping RDT gneisses show a dominant transport direction was to the SW, parallel to the length of orogen, they have a bimodal distribution (NE-SW and NW-SE) which suggests that tectonism in these PB domains was probably triclinic. U-Pb zircon geochronology results (chapters 2 & 4) from syn- to late-deformational felsic leucosomes and injection veins through the various structural levels further aids in the characterization of the transect. Whereas the inherited dates systematically matched the ages expected for the host gneisses to support the tectonic subdivision of the study area, the 207Pb/206Pb weighted mean crystallization ages provide the first proof that the gneisses within the RDT and VT were deformed in the presence of melt during the Rigolet phase between 1020 ± 13 Ma and 968 ± 10 Ma and that the LDT forms part of the AB, deformed during the Ottawan phase (>1040 Ma). The results also provide the first constraints on the minimum age of NW-directed tectonism in the study area, commonly manifested as the rotation of meter-decameter sized mafic boudins within the newly recognized Teddy Bear Shear Zone (1002 ± 16 Ma) and asymmetrical sheath folds in the VT (1008 ± 12 Ma). New ages of 1040 ± 9 Ma also date dextral shearing along the contentious Baskatong Shear Zone for the first time, whereas any sinistral shearing that was previously inferred along the same zone must have occurred before 1016 ± 9 Ma. Zircon grains from the samples ubiquitously reveal complex morphologies, defined by inherited cores and successions of texturally distinct zones that mostly share trace element characteristics and yield overlapping Grenvillian 207Pb/206Pb weighted mean ages. Some samples were physically linked with leucosome in their host gneiss and based on the difference between the oldest (1020 ± 6 Ma) and youngest (968 ± 4) Grenvillian populations in these samples (external calibration errors excluded), Rigolet deformation likely occurred over a protracted period of at least 30 Ma. Based on i) the complex zircon morphologies; ii) the physical characteristics of the migmatites in the RDT and VT, particularly their diffuse boundaries and the presence of large peritectic hornblende; iii) combined with Ti-in-zircon temperatures (625-778oC) that are at the lower limit for biotite-dehydration melting of Bt-Qtz-Pl rocks (< 800oC); most of the granitic leucosome and intrusions in the RDT and VT are interpreted as product of multiple water-present melting events during this time. One of the key hypotheses driving this study was that several newly identified outcrops that are dispersed within the 'sea’ parautochthonous (RDT and VT) gneisses may be part of the allochthonous Mesoproterozoic RT, based on their lithological, structural and metamorphic similarities. New mapping along the transect (chapter 2) reveals that the PB gneisses extend structurally above and below the RT (sensu stricto) components, which implies the RT components and the RT-equivalents are completely enveloped within the PB. To test this hypothesis, part of this study (chapter 2) examines the immobile trace element signatures of twenty-five deformed and retrogressed mafic outcrops and boudins collected within the migmatitic gneisses of the RDT and VT. Results reveal that these mafic bodies define three geochemical groups, namely ‘komatiitic’ basalts (group U1) and tholeiitic andesites and basalts (groups U2 and U3). Groups U2 and U3 are distinguished based on the presence of large negative Ta-Nb troughs in the former group and nil-flat Ti anomalies in the latter. Building on pre-established and innovative methods, the immobile trace element signatures of the three groups are compared to mafic suites known to have magmatic affinities to either the contiguous Superior Province (i.e. autochthonous) or terranes interpreted to be part of the AB. Autochthonous suites considered herein, include Archean mafic metavolcanics from the Abitibi Greenstone Belt and several Proterozoic (ca. 2470-1140 Ma) mafic suites (Senneterre, Matachewan, Sudbury and Abitibi). The ca. 1160 Ma Algonquin-type coronitic metagabbro’s and mafic suites of the RT are considered as reference suites unique to the AB in Ontario and the study region respectively and should therefore, structurally overly the PB. In order to identify the most likely correlates of groups U1-3, the following characteristics were compared: (1) the N-MORB normalized immobile-element spider profiles; (2) differences in their HFSE (e.g. Ta, Nb, Ti) anomalies; (3) incompatible element ratio-ratio diagrams, defined by LREE enrichment (La/Sm)CN versus the overall REECN slope (La/Yb)CN and proxies for the depth of source melting inferred from (Gd/Yb)CN and (Tb/Yb)CN. The results of the immobile trace element comparisons point to a clear AB affiliation for most mafic bodies enveloped within the RDT and VT gneisses, especially to suites of the RT, which confirms the field observations and implies that part of the lower AB must have been dismembered and incorporated into the PB during Rigolet deformation. These findings suggests that the delineation of tectonic domains and their boundaries in the Grenville Province, such as the Allochthon Boundary Thrust, is not straightforward and that antecedent methods of identifying different structural levels based on the correlation of their respective mafic suites within LHOs should be considered with caution. By integrating all the data, this study presents a new geological cross section for a 140 km length of the transect and proposes a new model for deformation of the PB during the Rigolet phase. Based on evidence for melt-present deformation for at least 30 Ma and evidence for suprasolidus deformation, this study proposes that the migmatitic RDT and VT gneisses in the PB represented melt-weakened panel in the PB that may have facilitated heterogenous ductile (channel) flow during the Rigolet phase. Furthermore, the results of the structural (chapter 2) and geochemical (chapter 3) investigations, suggest that the RT represent allochthonous components enveloped within parautochthonous gneisses. Based on geochronology results and field evidence presented in this study (chapter 4), felsic dykes brecciated mafic components of the RT coeval to deformation in the PB, which may have led to their dismemberment and incorporation into the parautochthonous channel as kilometer-decameter-sized mafic rafts. The findings of this study are inconsistent with the conceptual models proposed for the evolution of the western Grenville Province that consider the PB was affected by gravitational collapse of the orogenic core or evolved as fold-and thrust belts along the orogen flanks during the Rigolet phase. Instead the tectonic model proposed in this study is comparable to more recent models advocating ductile flow within the PB in eastern Quebec during this phase of the Grenvillian orogeny, which suggests that the Rigolet was a major orogenic phase involving protracted melting and flow of the deep crust. These results thus have significant implications regarding the tectonic evolution of the Grenvillian Orogeny as well as implications for the evolution of the tectonic basement in other LHOs.