La province magmatique du Karoo : géochronologie, géochimie et implications géodynamiques

The Karoo magmatic province : geochronology, geochemistry and geodynamic implications

• Auteur / Autrice : Frédéric Jourdan
• Direction : Gilbert Féraud, Hervé Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rifts

Karroo (Afrique du Sud)

Géochimie

Résumé

Les provinces magmatiques continentales géantes (CFB) sont des événements clefs dans l’histoire de la terre, souvent associés à la dislocation des continents et des crises biologiques majeures. La province magmatique de Karoo-Ferrar est l’un des CFB majeur du Phanérozoïque avec des affleurements présents en Afrique méridionale, en Antarctique et en Australie. Sa formation datée du Jurassique inférieur est liée à la séparation de l’Afrique et de l’Antarctique et à l’ouverture de l’Océan Indien. Le magmatisme du Karoo (Afrique méridionale) s’étend sur plus de 3x106 km² et est généralement considéré comme étant un événement bref (184 ± 1 Ma) associé à un point chaud et un rifting de type «actif». La présente étude porte sur la géochronologie 40Ar/39Ar et la géochimie élémentaire et isotopique (Sr, Nd, Pb et Hf) de zones peu ou pas étudiées. Cette étude a été focalisée sur 1) les coulées et sills basaltiques du Botswana, (2) les réseaux radiaires géants de dykes mafiques supposés représenter une jonction triple et (3) les plutons et dykes représentant le stade final du magmatisme. Ces données nous ont permis de mettre en évidence les points suivants : I) Les réseaux de dykes de l’Okavango (N110°; 1500x100 km) et du Sabie-Limpopo (N70°; 600x50 km) ont donné 18 âges similaires dont la moyenne est de 179. 1 ± 1 Ma. Ce résultat s’accorde avec les données structurales montrant un événement distensif unique (N160°) pour la structuration de ces réseaux. En revanche, les coulées du Botswana se sont mises en place sur une période plus longue, avec des âges plateau allant de 182 à 177. 5 Ma (27 ages). Nos âges, comparés à ceux obtenus au sud de la province (185-181 Ma), montrent une migration des zones d’éruption du sud et de l’est vers le nord ouest ainsi qu’une durée du magmatisme supérieure à 6 Ma. Ces données impliquent une origine différente comparées aux autres provinces dont les durées de mise en place sont généralement brèves (1 Ma). De plus une longue durée pourrait expliquer l’absence d’extinction faunistique majeure. L’étude du magmatisme intrusif à l’est de la province montre qu’une activité magmatique plus différenciée s’est poursuivie près du (futur) rift jusqu'à 174 Ma, suivie par l’intrusion des dykes du réseau Rooi Rand (174-172 Ma) dont l’affinité chimique (E-MORB) suggère un lien avec l’ouverture de l’Océan Indien. II) La découverte de dykes Protérozoïques (issus du CFB Umkondo ?) au sein de trois (et peut être quatre) réseaux formant le fameux « point triple », démontre que ces directions majeures sont antérieures au magmatisme Karoo. Ceci infirme une origine « point chaud Karoo » pour ces structures et suggère plutôt un contrôle du magmatisme par des zones de faiblesse lithosphériques préexistantes. III) On identifie deux groupes géochimiques, pauvre et riche en Ti, tous deux enrichis en LILE/HFSE, mais différant par leur fractionnement en terres rares lourdes et leur composition isotopique. Les deux groupes ont évolué par fusion partielle de lherzolites à spinelle (« low-Ti ») ou à grenat (« high-Ti ») puis par cristallisation fractionnée d’assemblages gabbroïques. Les deux groupes sont issus d’un manteau lithosphérique sous-continental (SCLM) hétérogène, enrichi de veines métasomatiques (sédiments subductés ?) pour certains des magmas riches en Ti (notamment les picrites). Ces différences géochimiques reflètent l’histoire de la lithosphère dont les hétérogénéités latérales et verticales contrôlent la distribution des deux groupes. La signature chimique d’un panache mantellique n’a pas été identifiée. A partir des arguments géochronologiques, structuraux et géochimiques présentés dans ce mémoire, le CFB du Karoo, à la différence d’autres CFB, ne requièrent pas la contribution d’un point chaud, mais souligne le rôle prépondérant de la lithosphère, par son histoire et sa structure, dans la genèse des magmas.

The continental flood basalts (CFB) represent key-events in the Earth history and are generally associated with continental break-up and major biotic extinctions. The Karoo-Ferrar lower Jurassic magmatic province is one of the largest CFB and outcrops in southern Africa, Antarctica and Australia. It is related to the separation between Africa and Antarctica and the opening of the Indian Ocean. The Karoo magmatism is located in southern Africa and stretches over more than 3x106 km². It is generally considered as a brief event (184 ± 1 Ma) associated with a mantle plume head and subsequent “active” rifting. This study concerns the 40Ar/39Ar geochronology and elemental and isotopic (Sr, Nd, Pb and Hf) geochemistry of poorly studied areas. We particularly focused on (1) the basaltic lava-flows and sills of Botswana (2) the giant radiating dyke swarms (so-called “the triple junction”) and (3) the late-stage plutons and dykes. These data permit to illustrate the following points: I) The 18 ages obtained on the giant Okavango (N110°; 1500x100 km) and the Sabie-Limpopo (N70°) dyke swarms show a mean age of 179. 1 ± 1 Ma. These results are in agreement with the structural data suggesting a broad NW-SW extensional event for both dyke swarms. On the other hand, Botswana lava-flows were emplaced over a larger period with most ages ranging from 182 to 177. 5 Ma (27 ages). Our ages compared to those obtained in the southern and eastern zone (185-181 Ma) suggest a northwestward migration of the magmatism and province duration greater than 6 Myr. These data show that the Karoo province is peculiar compared to other short-lived CFB considered to be related to a mantle-plume arrival. Such a long duration may explain the absence of important biotic crisis generally reported for other CFB. The investigation of differentiated magmatism suggests that the Karoo province was still active up to 174 Ma, close the future rifted zone. At 174-172 Ma, the emplacement of the MORB-like Rooi Rand dyke swarm is likely to represent the onset of the Indian Ocean opening. II) We show that the occurrence of Proterozoic dykes into three (and may be four) branches of the “triple-junction” demonstrate that the dyke directions clearly pre-date the Karoo magmatism. This confirms that the radiating structures were not induced by the arrival of a mantle plume but rather acted as lithospheric weakened paths which likely canalized the Karoo magmatism. III) On the basis of geochemical composition, we identify two groups (the low- and high-Ti rocks) both showing enrichment in LILE/HFSE but having different REE fractionation and isotopic composition. Both groups evolved by melting of spinel-bearing (low-Ti) and garnet-bearing (high-Ti) enriched lherzolites and by subsequent fractional crystallization of gabbroic assemblages. The low- and high-Ti magmas were issued from a heterogeneous and partially metasomatically veined (mainly for some high-Ti rocks and picrites) sub-continental lithospheric mantle (SCLM). Such geochemical differences illustrate the vertical and horizontal distribution of the lithosphere heterogeneities. No evidence of a deep seated mantle plume has been detected. The Geochronological, structural and geochemical data show that, contrary to some other CFB, the Karoo province does not require a deep mantle plume contribution but highlight the prominent role of the lithosphere in the Karoo genesis and emplacement.