Evolution géodynamique et tectonique de la ceinture de roches vertes paléoprotérozoïque de Sefwi, craton Ouest-africain (Ghana)

The geodynamic and tectonic evolution of the paleoproterozoic Sefwi Greenstone belt, West African Craton

• Auteur / Autrice : Helen Mcfarlane
• Direction : Laurent Aillères
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 20/03/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mark Jessell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Paléoprotérozoïque

Cratons -- Afrique

Mots clés libres

Craton Ouest-africain

Paléoprotérozoïque

Sefwi

Tectoniques

Géodynamique

Metamorphism

Géochronologie

West African craton

Sefwi

Paleoproterozoic tectonics

Geodynamics

Metamorphism

Résumé

Cette thèse s'intéresse à un segment de croûte d'âge Paléoprotérozoïque du craton ouest-africain. Les roches de la zone d'étude comprennent des roches volcaniques et volcanoclastiques mafiques à felsiques, des paragneiss de haut grade métamorphique et des ensembles volcano-sédimentaires faiblement métamorphisés. De nouvelles cartes lithologiques, métamorphiques et structurales sont construites à l'aide d'une approche intégrée, couplant cartographie de terrain et interprétation des données géophysiques aéroportées à l'échelle régionale. L'analyse des données géochimiques et géochronologiques des suites magmatiques de la ceinture de roches vertes de Sefwi révèle une affinité marquée avec le magmatisme calco- alcalin, produit des arcs volcaniques modernes et avec les TTGs d'âge Néoarchéen, impliquant une certaine diversité des sources et des processus pétrogénétiques. Des coeurs de zircons hérités, présents au sein de la suite magmatique livrent des âges autour de ca. 2250 à 2270 Ma. Leurs couronnes révèlent des âges de mise en place compris entre ca. 2189 et 2081 Ma. L'analyses Lu-Hf sur zircon livre des valeurs eHf positives et des âges modèles pour la croûtes situés entre 2650 et 2250 Ma. Ces valeurs indiquent l'existence d'une proto-croûte à tendance radiogènique et des temps de séjour limités pour ces magmas évoluant au sein de cette proto-croûte. L'évolution des magmas montre qu'ils ont été générés de façon concomitante, vers 2155 Ma, certains dérivants de la fusion d'une source mafique faiblement enrichit en potassium et formant des magmas sodiques, riches en silice, de type TTGs, d'autres de composition plus dioritiques, générés à partir de la fusion du manteau métasomatisé et enrichit en LILE. La mise en place plus tard vers ca. 2136 Ma de monzonites, présentant de teneurs élevées en potassium, soutient l'hypothèse d'une interaction avec des magmas de refusion de TTG existants au sein de la croûte. Le dernier stade du magmatisme est caractérisé par la mise en place de granites à deux micas et de leucogranites, le long de la marge nord-ouest de la ceinture de roches vertes vers ca. 2092 et 2081 Ma, marquant le stade de la collision au sein de l'orogène Eburnéenne. L'évènement tectono-métamorphique d'âge Eburnéen est caractérisé par un métamorphisme initialement de faciès amphibolite de haute pression, associé à un gradient géothermique assez froid (HP-MT, ~ 15-17 ° C / km). Le raccourcissement D1, orienté NNO-SSE, a généré une foliation pénétrative (S1), parallèle au litage des roches et des plans de chevauchement à tendance décrochant, orienté E-W. Cette tectonique précoce a provoquée l'enfouissement de roches supra-crustales (sédiments, roches volcaniques) et un épaississement de la croûte. Cet évènement métamorphique précoce évolue dans le temps et l'espace vers le facies amphibolite-granulite et l'anatexie. Les données SHRIMP U-Pb in-situ sur monazite livré des âges autour de ca. 2073 Ma. Ces monazites sont présentes au sein de paragénèses métamorphiques (D2) soulignant la foliation S2. Ces âges sont interprétés comme marquant le début de l'exhumation et du refroidissement de la croûte inférieure. Des détachements normaux, orientés NNE-SSO et des structures constrictives se sont formés conjointement au sein d'un régime de déformation D2 globalement transtensif, à jeux sénestre. Un régime compressif plus tardif (D3) a ensuite causé une réactivation en mouvement dextre de ces structures cisaillantes orientées NE-SO avec une rétrogression en schistes verts. Nous proposons que les segments de croute juvénile ont été générés en contexte d'arc intra-océanique, associé à un magmatisme intense et varié, issus des processus de subduction qui prendront fin lors des stades d'accrétion et de collision de ces segments d'autres terranes birimiens. La marge nord-ouest de la ceinture de roches vertes de Sefwi est interprétée comme une zone de suture entre des segments d'arc originellement séparés.

This thesis investigates the Palaeoproterozoic crust of the West African Craton in southwest Ghana, providing insight into its controversial geodynamic and tectonic evolution. Rocks of the study area comprise greenschist- to amphibolite facies, mafic to felsic volcanic and volcaniclastic rocks, high-grade paragneisses and low-grade volcano-sedimentary packages, all of which are extensively intruded by multiple generations of granitoids. New lithological, metamorphic and structural maps are constructed using integrated field mapping and interpretation of regional airborne geophysical datasets. This approach is used to constrain the deformation history of the sparsely exposed rocks of the NE- to NNE-striking Sefwi Greenstone Belt and the adjacent volcano-sedimentary domains deformed during the Eburnean Orogeny (2150-2070 Ma). Combined geochemical and geochronological analysis of the magmatic suites of the Sefwi Greenstone Belt reveal calc-alkaline, volcanic arc affinities, as well as a striking similarity to Neoarchean TTGs that require diverse magma sources and petrogenetic processes. Rare inherited zircon cores from the Palaeoproterozoic magmatic suite yield ages of ca. 2250 to 2270 Ma, with granitoid emplacement ages ranging between ca. 2189 and 2081 Ma. Zircon Lu-Hf analysis reveals consistently positive eHf(t) values and two-stage crustal model ages between 2650 and 2250 Ma, indicative of a radiogenic proto-crust and short crustal residence times. The magmatic evolution reveals the coeval generation of sodic, high-silica TTGs derived from partial melting of low-K mafic sources and dioritic magmas generated in a metasomatised, LILE-enriched mantle wedge at ca. 2155 Ma. Subsequent emplacement of high-K quartz monzonites at ca. 2136 Ma supports the interaction of mantle-derived magmas and remelting of existing TTGs. The final stage of magmatism is characterised by the emplacement of two-mica-granites and leucogranites along the NW margin of the Sefwi Greenstone Belt between ca. 2092 and 2081 Ma, interpreted as a terminal collisional event during the Eburnean Orogeny. Eburnean metamorphism and deformation is characterised in the study area by initial high-pressure amphibolite facies metamorphism corresponding with low apparent geothermal gradients (HP-MT, ~15-17°C/km). D1 NNW-SSE shortening generated a ubiquitous bedding-parallel foliation (S1) and ~E-W striking thrust faults, resulting in the burial of supracrustal rocks and crustal thickening. In the high-grade terrane, subsequent amphibolite-granulite facies metamorphism is associated with anatexis. In-situ SHRIMP U-Pb monazite ages at ca. 2073 Ma, hosted within, D2 mineral assemblages, are interpreted as the initial timing of cooling and exhumation, significantly later than paroxysmal metamorphism in NW Ghana and central Ivory Coast (2150-2130 Ma). NNE-striking normal detachments and constrictional deformation structures formed during sinistral ENW-WSW transtension (D2), during which segments of the middle- and lower crust were juxtaposed with low-grade domains. Subsequent E-W directed shortening (D3) caused the dextral re- activation of NE-SW striking shear zones, associated with a localised greenschist facies metamorphic overprint. We propose that the juvenile crust of southwest Ghana was generated in an intra-oceanic arc setting, associated with diverse and intense subduction-related magmatism until subsequent terrane accretion and collision. The north-western margin of the Sefwi Greenstone Belt in interpreted as a suture between the separate arc terranes, diachronously accreted during the Eburnean Orogeny. The Palaeoproterozoic crust of the southern portion of the West African Craton represents a juvenile crustal growth event, recording the unique geodynamic and orogenic processes associated with nascent subduction-related plate tectonics in the early Earth.