Mesoproterozoic plate tectonics: A collisional model for the Grenville-aged orogenic belt in the Llano uplift, central Texas
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Recent investigations in geochronology and tectonics provide important new insights into the evolution of the Grenville Orogen in North America. Here, we summarize results of this research in the USA and focus upon ca. 1.4–0.98 Ga occurrences extending from the Adirondack Mountains to the southern Appalachians and Texas. Recent geochronology (mainly by U/Pb SHRIMP) establishes that these widely separated regions experienced similar tectonomagmatic events, i.e., the Elzevirian (ca. 1.25–1.22 Ga), Shawinigan (ca. 1.2–1.14 Ga), and Grenvillian (ca. 1.09–0.98 Ga) orogenies and associated plate interactions. Notwithstanding these commonalities, Nd model ages and Pb isotopic mapping has revealed important differences that are best explained by the existence of contrasting compositions of deep crustal reservoirs beneath the Adirondacks and the southern Appalachians. The isotopic compositions for the Adirondacks lie on the same Pb–Pb array as those for the Grenville Province, the Granite-Rhyolite Province and the Grenvillian inliers of Texas suggesting that they all developed on Laurentian crust. On the other hand, data from the southern Appalachians are similar to those of the Sunsas Terrane in Brazil and suggest that Amazonian crust with these Pb–Pb characteristics was thrust onto eastern Laurentia during its Grenvillian collision with Amazonia and subsequently transferred to the latter during the late Neoproterozoic breakup of the supercontinent, Rodinia, and the formation of the Iapetus Ocean. The ca. 1.3–1.0 Ga Grenville Orogen is also exposed in the Llano Uplift of Texas and in small inliers in west Texas and northeast Mexico. The Llano Uplift contains evidence for a major collision with a southern continent at ca. 1.15–1.12 Ga (Kalahari Craton?), magmatic arcs, and back-arc and foreland basins, all of which are reviewed. The Grenvillian Orogeny is considered to be the culminating tectonic event that terminated approximately 500 m.y. of continental margin growth along southeastern Laurentia by accretion, continental margin arc magmatism, and metamorphism. Accordingly, we briefly review the tectonic and magmatic histories of these Paleoproterozoic and Mesoproterozoic pre-Grenvillian orogens, i.e., Penokean, Yavapai, and Mazatzal as well as the Granite-Rhyolite Province and discuss their ~5000 km transcontinental span.SOMMAIREDes recherches récentes en géochronologie et en tectonique révèlent d’importants faits nouveaux sur l’évolution de l’orogénie de Grenville en Amérique du Nord. Nous présentons ici un sommaire des résultats de cet effort de recherche aux USA en mettant l’accent sur les indices datés entre env. 1,4 et 0,98 Ga, à partir des monts Adirondack jusqu’au sud des Appalaches et au Texas. Des données géochronologiques récentes (par microsonde SHRIMP principalement) indiquent que les roches de ces régions très éloignées les unes des autres ont subies l’effet d’épisodes tectonomagmatiques similaires, par exemple, aux orogenèses de l’Elzévirien (env. 1.25–1.22 Ga), de Shawinigan (env. 1.2–1.14 Ga), et du Grenvillien (env. 1.09–0.98 Ga), ainsi que des interactions des plaques associées. Malgré ces points communs, la chronologie Nd et la cartographie isotopique Pb a révélé des différences importantes qui s’expliquent plus aisément par des compositions contrastées des réservoirs profonds de croûte sous les Adirondacks et le sud des Appalaches. Les compositions isotopiques des Adirondacks sont de la même gamme Pb-Pb que ceux de la Province de Grenville, de la Province Granite-rhyolite et des boutonnières grenvilliennes du Texas, suggérant qu'ils se sont tous développées sur la croûte des Laurentides. Par ailleurs, les données des Appalaches du sud sont semblables à celles du terrane de Sunsas au Brésil, ce qui incite à penser que la croûte amazonienne, avec de telles caractéristiques Pb-Pb, a été poussée sur la portion est de Laurentia lors de sa collision grenvillienne avec l’Amazonie puis laissée à cette dernière au cours de la rupture du supercontinent Rodinia vers la fin du Néoprotérozoïque, avec la formation de l'océan Iapetus. L’orogène de Grenville (1,3 à 1,0 Ga env.) est également exposé dans le soulèvement de Llano au Texas et dans de petites boutonnières dans l'ouest du Texas et le nord du Mexique. Le soulèvement de Llano montre des indices d'une collision majeure avec un continent au sud, entre env. 1,15 et 1,12 Ga (craton de Kalahari?), des zones d’arcs magmatiques, d'arrière-arc et de bassin d'avant-pays, chacun étant présenté ci-dessous. L'orogenèse de Grenville est considéré comme l'événement tectonique culminant qui marqué la fin d’une période d’environ 500 ma d’accroissement de la marge continentale le long de la bordure sud-est de la Laurentie, par accrétion, magmatisme d’arc de marge continentale, et métamorphisme. C’est pourquoi, nous passons brièvement en revue l'histoire tectonique et magmatique de ces orogènes pré-grenvilliennes paléoprotérozoïques et mésoprotérozoïques, pénokéenne, de Yavapai, et de Mazatzal ainsi que la Province de Granite-rhyolite, et discutons de son étendue sur env. 5 000 km.
Recent investigations in geochronology and tectonics provide important new insights into the evolution of the Grenville Orogen in North America. Here, we summarize results of this research in the USA and focus upon ca. 1.4–0.98 Ga occurrences extending from the Adirondack Mountains to the southern Appalachians and Texas. Recent geochronology (mainly by U/Pb SHRIMP) establishes that these widely separated regions experienced similar tectonomagmatic events, i.e., the Elzevirian (ca. 1.25–1.22 Ga), Shawinigan (ca. 1.2–1.14 Ga), and Grenvillian (ca. 1.09–0.98 Ga) orogenies and associated plate interactions. Notwithstanding these commonalities, Nd model ages and Pb isotopic mapping has revealed important differences that are best explained by the existence of contrasting compositions of deep crustal reservoirs beneath the Adirondacks and the southern Appalachians. The isotopic compositions for the Adirondacks lie on the same Pb–Pb array as those for the Grenville Province, the Granite-Rhyolite Province and the Grenvillian inliers of Texas suggesting that they all developed on Laurentian crust. On the other hand, data from the southern Appalachians are similar to those of the Sunsas Terrane in Brazil and suggest that Amazonian crust with these Pb–Pb characteristics was thrust onto eastern Laurentia during its Grenvillian collision with Amazonia and subsequently transferred to the latter during the late Neoproterozoic breakup of the supercontinent, Rodinia, and the formation of the Iapetus Ocean. The ca. 1.3–1.0 Ga Grenville Orogen is also exposed in the Llano Uplift of Texas and in small inliers in west Texas and northeast Mexico. The Llano Uplift contains evidence for a major collision with a southern continent at ca. 1.15–1.12 Ga (Kalahari Craton?), magmatic arcs, and back-arc and foreland basins, all of which are reviewed. The Grenvillian Orogeny is considered to be the culminating tectonic event that terminated approximately 500 m.y. of continental margin growth along southeastern Laurentia by accretion, continental margin arc magmatism, and metamorphism. Accordingly, we briefly review the tectonic and magmatic histories of these Paleoproterozoic and Mesoproterozoic pre-Grenvillian orogens, i.e., Penokean, Yavapai, and Mazatzal as well as the Granite-Rhyolite Province and discuss their ~5000 km transcontinental span.SOMMAIREDes recherches récentes en géochronologie et en tectonique révèlent d’importants faits nouveaux sur l’évolution de l’orogénie de Grenville en Amérique du Nord. Nous présentons ici un sommaire des résultats de cet effort de recherche aux USA en mettant l’accent sur les indices datés entre env. 1,4 et 0,98 Ga, à partir des monts Adirondack jusqu’au sud des Appalaches et au Texas. Des données géochronologiques récentes (par microsonde SHRIMP principalement) indiquent que les roches de ces régions très éloignées les unes des autres ont subies l’effet d’épisodes tectonomagmatiques similaires, par exemple, aux orogenèses de l’Elzévirien (env. 1.25–1.22 Ga), de Shawinigan (env. 1.2–1.14 Ga), et du Grenvillien (env. 1.09–0.98 Ga), ainsi que des interactions des plaques associées. Malgré ces points communs, la chronologie Nd et la cartographie isotopique Pb a révélé des différences importantes qui s’expliquent plus aisément par des compositions contrastées des réservoirs profonds de croûte sous les Adirondacks et le sud des Appalaches. Les compositions isotopiques des Adirondacks sont de la même gamme Pb-Pb que ceux de la Province de Grenville, de la Province Granite-rhyolite et des boutonnières grenvilliennes du Texas, suggérant qu'ils se sont tous développées sur la croûte des Laurentides. Par ailleurs, les données des Appalaches du sud sont semblables à celles du terrane de Sunsas au Brésil, ce qui incite à penser que la croûte amazonienne, avec de telles caractéristiques Pb-Pb, a été poussée sur la portion est de Laurentia lors de sa collision grenvillienne avec l’Amazonie puis laissée à cette dernière au cours de la rupture du supercontinent Rodinia vers la fin du Néoprotérozoïque, avec la formation de l'océan Iapetus. L’orogène de Grenville (1,3 à 1,0 Ga env.) est également exposé dans le soulèvement de Llano au Texas et dans de petites boutonnières dans l'ouest du Texas et le nord du Mexique. Le soulèvement de Llano montre des indices d'une collision majeure avec un continent au sud, entre env. 1,15 et 1,12 Ga (craton de Kalahari?), des zones d’arcs magmatiques, d'arrière-arc et de bassin d'avant-pays, chacun étant présenté ci-dessous. L'orogenèse de Grenville est considéré comme l'événement tectonique culminant qui marqué la fin d’une période d’environ 500 ma d’accroissement de la marge continentale le long de la bordure sud-est de la Laurentie, par accrétion, magmatisme d’arc de marge continentale, et métamorphisme. C’est pourquoi, nous passons brièvement en revue l'histoire tectonique et magmatique de ces orogènes pré-grenvilliennes paléoprotérozoïques et mésoprotérozoïques, pénokéenne, de Yavapai, et de Mazatzal ainsi que la Province de Granite-rhyolite, et discutons de son étendue sur env. 5 000 km.
The~1.1 Ga Midcontinent Rift (MCR), the 3000 km long largely buried feature causing the largest gravity and magnetic anomaly within the North American craton, is traditionally considered a failed rift formed by isolated midplate volcanism and extension. We propose instead that the MCR formed as part of the rifting of Amazonia (Precambrian northeast South America) from Laurentia (Precambrian North America) and became inactive once seafloor spreading was established. A cusp in Laurentia's apparent polar wander path near the onset of MCR volcanism, recorded by the MCR's volcanic rocks, likely reflects the rifting. This scenario is suggested by analogy with younger rifts elsewhere and consistent with the MCR's extension to northwest Alabama along the East Continent Gravity High, southern Appalachian rocks having Amazonian affinities, and recent identification of contemporaneous large igneous provinces in Amazonia.
The seismic velocity structure beneath Texas Gulf Coastal Plain (GCP) is imaged by migrating Ps receiver functions with a seismic velocity model found by fitting surface wave dispersion. We use seismic data from a linear array of 22 broadband stations, spaced 16-20 km apart. A Common Conversion Point (CCP) stacking technique is applied to earthquake data to improve the S/N ratios of receiver functions. Using an incorrect velocity model for depth migration of a stacked CCP image may produce an inaccurate image of the subsurface. To find sufficiently accurate P and S-velocity models, we first apply a nonlinear modeling technique to fit Rayleigh wave group velocity dispersion via Very Fast Simulated Annealing. Vs ranges from 1.5 km/s in shallow layers of the GCP to 4.5 km/s beneath the Llano uplift and just outboard of the Balcones Fault Zone (BFZ). The BFZ is characterized by slow velocities that persist to nearly 100 km depth. In the stacked image, the largest amplitude positive-polarity event ranges from the surface, at the Llano uplift, to a maximum depth of 16 km beneath Matagorda Island. We attribute this event to the sediment-basement contact, which is expected to produce a large impedance contrast. Another large-amplitude and positivepolarity event at 35 km depth, which likely marks the Moho, disappears outboard of the Luling Fault Zone. The disappearance of the Moho beneath the GCP may be due to serpentinization of the upper mantle, which would reduce the impedance contrast between the lower crust and upper mantle dramatically.
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