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

Abstract

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.

The Case for a Long-Lived and Robust Yellowstone Hotspot

“…Such an origin is supported by a variety of more recent studies; for example: (1) plate reconstruction models supporting the location of a Paleocene to Eocene Yellowstone hotspot in position to produce Siletzia offshore of the northwestern U.S. (Engebretson et al, 1985;McCrory and Wilson, 2013;Wells et al, 2014;Müller et al, 2016); (2) field and geochronological data constraining the composition, age, and timing of Siletzia's accretion (Wells et al, 2014;Eddy et al, 2017); (3) volume calculations of 1.7 × 10 6 km 3 to 2.6 × 10 6 km 3 for the unsubducted part of the Siletzia terrane (Trehu et al, 1994;Wells et al, 2014), classifying it as a large igneous province typical of other oceanic hotspots (Bryan and Ernst, 2008); (4) elevated 187 Os/ 188 Os in Siletzia mafic lavas and 3 He/ 4 He on olivine phenocrysts, consistent with a mantle plume source (Pyle et al, 2015); (5) trace-element and Sr-Pb-Nd-Hf isotopic data delineating a heterogeneous mantle source with a plume component similar to early Columbia River Basalt Group lavas (Pyle et al, 2015;Phillips et al, 2017); and (6) mantle potential temperature calculations that are well above ambient mantle and consistent with melts derived from a hot mantle plume (Phillips et al, 2017). Murphy (2016) suggested a still earlier period of offshore magmatism, with the Yellowstone swell entering the Farallon trench at ca. 80-75 Ma and contributing to the Laramide orogeny.…”

Age and volcanic stratigraphy of the Eocene Siletzia oceanic plateau in Washington and on Vancouver Island

“…The tectonic setting of Siletzia has been a longstanding problem in Cordilleran geology, with debate centering on whether it represents an accreted oceanic terrane (Duncan, 1982;Murphy et al, 2003;McCrory and Wilson, 2013;Wells et al, 2014;Murphy, 2016) or magmatism along the continental margin related to either rifting (Babcock et al, 1992(Babcock et al, , 1994Brandon et al, 2014) or ridge-trench interaction (Haeussler et al, 2003). One of the most compelling arguments for eruption on the continental margin was the inferred stratigraphic position of the Blue Mountain unit at the base of the terrane in Washington (e.g., Cady, 1975;Cady, 1978a, 1978b;Einarsen, 1987;Babcock et al, 1992).…”

“…Several researchers have proposed that Siletzia represents an accreted oceanic plateau, or series of oceanic islands, that developed above a hotspot (Duncan, 1982;Murphy et al, 2003;McCrory and Wilson, 2013;Wells et al, 2014;Murphy, 2016;Phillips et al, 2017). Such an origin is consistent with the projected position of a long-lived Yellowstone hotspot near western Oregon during the early Eocene (e.g., Engebretson et al, 1985), and could explain the great volume of basalt erupted within the terrane as well as geochemical evidence for a plume-like mantle source for the basalts (Pyle et al, 2009(Pyle et al, , 2015Phillips et al, 2017).…”

“…duration of volcanism within Siletzia is much longer than the short pulses (<1 m.y.) usually attributed to impingement of a plume head on oceanic or continental lithosphere (e.g., Richards et al, 1989), and this long duration may suggest that Siletzia is a manifestation of a much longer lived Yellowstone hotspot (e.g., Johnston et al, 1996;Murphy et al, 2003;Murphy, 2016).…”

“…Geochemical data further suggest that Siletzia includes basalts with isotopic compositions indicative of a plume-like mantle source (Pyle et al, 2009(Pyle et al, , 2015Phillips et al, 2017). These observations have led to the hypothesis that the terrane represents an accreted oceanic plateau or chain of seamounts (Duncan, 1982;Murphy et al, 2003;McCrory and Wilson, 2013;Wells et al, 2014;Murphy, 2016). Such an origin is further supported by evidence for Eocene-aged regional shortening on Vancouver Island (Johnston and Acton, 2003), western and central Washington (Tabor et al, 1984;Johnson, 1985;Eddy et al, 2016;Miller et al, 2016), and southern Oregon (Wells et al, 2000), as well as geophysical studies that show that Siletzia is connected with subducted oceanic crust (Gao et al, 2011;Schmandt and Humphreys, 2011).…”