Congres etudiant2000

Etudes multi-isotopiques (Sm-Nd et Pb-Pb) dans la sous province archéenne de La
Grande (Province Est du Supérieur).
ISNARD Hélène, GARIEPY Clément, STEVENSON Ross.
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PROBLEMATIQUE
Le bouclier précambrien du Canada est une entité géologique majeure située au coeur
même du continent nord-américain. Il expose les roches les plus anciennes de notre planète,
datant du début de l'Archéen (3.8 milliards d'années). Les données géophysiques et
géochimiques montrent que le continent nord-américain est un amalgame de plaques
(Hoffman 1989) formées de cratons archéens réunis par des chaînes orogéniques
protérozoïques. La Province du Supérieur forme le coeur archéen de ce continent et
représente 20% de la croûte archéenne terrestre exposée. Au cours des 20 dernières années
il y a eu des changements fondamentaux concernant la compréhension de l'évolution de la
province du Supérieur ainsi que des terrains archéens mondiaux. Avant les années 1980 on
pensait que les principes de la tectonique des plaques ne s'appliquaient pas à l'Archéen
(encore discuté aujourd'hui d'ailleurs, voir Hamilton 1998) et seuls quelques pionniers ont
essayé d'appliquer de tels modèles à la Province du Supérieur. Cependant avec l'arrivée de
nouvelles techniques en géophysique et géochimie notamment, il est devenu de plus en plus
évident que les provinces archéennes avaient de nombreux points communs avec les
orogènes plus jeunes et notamment les cordillères Ouest américaines (De Wit 1998).
L'évolution de la Province est interprétée aujourd'hui comme une succession de différentes
séquences qui ont été accrétées du Nord au Sud avec convergence finale entre 2.75 et 2.65
Ga de deux masses continentales (Pikwitonei-Minto au Nord et Minnesota au Sud). Ces
séquences formées il y a plus de 2.7 milliards d'années se serait formé à une époque où la
quantité de chaleur produite à l'intérieur de la Terre était de 3 à 5 fois plus grande qu'à
l'heure actuelle. On s'est depuis longtemps interrogé sur l'origine des mécanismes qui
auraient pu mener à la formation de continents stables dès la fin de l'Archéen. Cette
question n'est pas nouvelle et a fait l'objet de nombreuses études, depuis plus de 30 ans,
basées sur différentes approches.
OBJECTIFS ET APPROCHE
L'objectif de ce projet de doctorat est une étude multi-isotopique (Sm-Nd, Pb-Pb) détaillée
des différentes entités géologiques présentes dans la sous province de La Grande, ce afin de
mieux comprendre l'histoire tectonique de la région et de discuter plus spécifiquement de la
formation et stabilisation de la croûte continentale à la fin de l'archéen. La géochimie
isotopique est un outil relativement puissant dans le domaine des Sciences de la Terre
puisqu'elle permet de coupler des informations pertinentes, à la fois dans l'espace et le
temps, quant à l'histoire géologique d'une région donnée. On pourra ainsi mieux définir les
compositions isotopiques des différents réservoirs (manteau, croûte supérieure, croûte
inférieure) présents à la fin de l'archéen et discuter des contextes tectoniques de mise en
place des séquences volcaniques et des intrusifs.
CADRE GEOLOGIQUE
La sous province de La Grande est une sous province volcanoplutonique (Card 1990).
L'intérêt d'une étude isotopique au sein de cette entité s'est révélée opportune quand il a été
mis en évidence par des études géochronologiques la présence d'une croûte ancienne 2.82.9 Ga (David 1996, David et Parent 1997, Parent 1998) et la découverte de zircons hérités
allant jusqu'à 3.8 Ga au sein de la formation sédimentaire d'Apple. On se trouve donc dans
une situation idéale pour étudier l'implication d'une croûte ancienne dans la genèse de
plutons à 2.7 Ga.
Les séquences volcano-sédimentaires reposant sur cette croûte ancienne comprennent deux
cycles volcaniques distincts. Le premier cycle mafique-felsique correspond aux volcanites
du Lac Guyer, datées à 2749 Ma (Ciesielski), ainsi qu'aux volcanites du Groupe de Yasinski
datées à 2732 Ma. Le second cycle intermédiaire-felsique est daté à 2708 Ma. Finalement,
la plupart des intrusions tardives mises en place dans la sous province de La Grande l'ont
été pendant la période allant de 2750 à 2618 Ma. Un point important est que les études
précédentes (métallogénique, géophysique, géochronologique et géochimique) ont mis en
évidence une différence majeure entre le domaine de La Grande Rivière, au nord, et le
domaine de la Rivière Eastmain plus au Sud (Gauthier et al. 1997 ). Tout d'abord la croûte
ancienne présente au Nord est absente au Sud, les intrusifs les plus vieux étant datés à 2.73
Ga (David et Parent 1997) et un seul cycle volcanique mafique-felsique est présent et daté à
2.7 Ga. La comparaison de la signature isotopique de ces deux domaines va permettre de
confirmer les études antérieures.
RESULTATS ET INTERPRETATIONS
Les études menées l'ont été sur des roches préalablement datées par U-Pb ou dont l'âge a
été déduit par les relations faites sur le terrain. Nous disposons donc d'une base
géochronologique très précise indispensable. Les données isotopiques Pb-Pb ont été
obtenues sur des séparés de feldspaths potassiques, tandis que les données Sm-Nd l'ont été
sur roches totales. Tous les εNd ont été calculés à l'age de formation U-Pb de la roche.
Les gneiss tonalitiques les plus anciens livrent des εNd entre +1 et -2.8 avec des âges
modèles entre 2.9 et 3.1 Ga. Les valeurs en Pb sont radiogéniques avec des mu
(238U/204Pb) aux environs de 9.5. Ce sont les rapports isotopiques 207Pb/204Pb les plus
radiogéniques connus à ce jour dans la partie Est du Supérieur. Le rapport 207Pb/204Pb est
d'un grand intérêt pour l'étude de l'origine des magmas archéens. Ceci parce que l' 235U
(père du Pb207) possède une demi-vie nettement plus courte que celle de l'238U (père du
206Pb), donc l'essentiel du 207Pb fut produit au début de l'histoire de la Terre.
Les signatures de ces formations mettent en évidence l'influence de matériel crustal plus
vieux que 3 Ga (n'oublions pas que des zircons aussi vieux que 3.8 Ga ont été identifiés).
Les intrusions syn à post-tectoniques ont des εNd très variables entre +2.5 et -1.5, avec des
âges modèles entre 2.7 et 2.8 Ga, et des signatures en Pb hétérogènes. Si on regarde la
signature isotopique de ces intrusifs par rapport à leur localisation géographique on
s'aperçoit que les intrusifs les plus au Sud présentent les εNd les plus radiogéniques (εNd
entre +2 et +2.5) et les signatures en Pb les moins radiogéniques. Les plutons au Nord
présentent eux des εNd entre +1 et -1.5 et des signatures en Pb plus radiogéniques au
niveau des rapports 207Pb/204Pb notamment. Ces résultats suivent les données
géochronologiques, de terrain et géophysiques qui suggèrent la présence d'une discontinuité
tectonique entre les séquences volcaniques de la rivière La Grande au Nord et de la rivière
Eastmain au Sud.
Les données en Nd et Pb impliquent l'interaction entre des réservoirs appauvris et enrichis à
la fin de l'Archéen dans la Province Est du Supérieur. L'identification de ces réservoirs peut
se faire à l'aide des diagrammes εNd fonction de 147Sm/144Nd et 206Pb/204Pb fonction de
207Pb/204Pb. Il se dégage assez nettement une tendance de mélange entre un composant
juvénile dérivé du manteau appauvri et un composant crustal enrichi ancien qui peut
parfaitement être représenté par les gneiss anciens présents dans la région.
Les séquences volcaniques présentes ont été étudiées dans le but de discuter plus
précisément des contextes tectoniques de mise en place. En complément des données
isotopiques, des analyses d'éléments majeurs et traces ont été faites. Pour affiner la
comparaison Nord-Sud nous avons étudié 3 séquences volcaniques: les séquences
volcaniques du Lac Guyer et de Yasinsky au Nord et la séquence de la rivière Eastmain au
Sud. Nous ne disposons à ce jour que des données sur les éléments majeurs. Les éléments
majeurs ne montrent pour l'instant pas de différences majeures entre les séquences au Nord
et au Sud. Par contre les données isotopiques montrent que les volcanites felsiques de la
rivière Eastmain ont une signature isotopique plus juvénile (εNd entre +2 et +3) que celles
de Yasinsky au Nord (εNd entre 0 et +1). Cette observation est un argument de plus à
l'existence d'une discontinuité tectonique au sein de la sous province. Les analyses à venir
sur les éléments traces permettront d'apporter des informations supplémentaires sur les
contextes tectoniques. Mais dans l'état actuel des connaissances on peut envisager que les
volcanites de la rivière Eastmain se sont mis en place dans un environnement de type
océanique tandis que pour celles plus au Nord il faut faire intervenir l'interaction d'une
croûte continentale.
En ce qui concerne la signature isotopique des roches mafiques de ces mêmes séquences,
elles ont des signatures εNd entre +2 et +4 qui montrent qu'elles ont été formées à partir
d'un manteau appauvri.
CONCLUSIONS
Les enregistrements isotopiques de toutes les séquences montrent la participation dans la
croissance crustale à la fin de l'archéen de réservoirs enrichis mélangés à du matériel
mantellique appauvri. Ces résultats sont très intéressants à l'échelle de la Province Est du
Supérieur car si on les compare aux données disponibles plus au Sud dans les sous
provinces d'Opatica, d'Abitibi et de Pontiac, les données de la partie Nord de la sous
province présentent les valeurs les plus radiogéniques en Pb et les moins radiogéniques en
Nd.
Les données nous permettent aussi de confirmer de manière formelle l'existence d'une
discontinuité tectonique majeure entre le Nord et le Sud de la sous province et vont
permettre progressivement d'élaborer une histoire tectonique plus précise.
CARD K.D. 1990 A review of the Superior Province of the Canadian shield, a product of
Archean accretion. Precambrian Research, 48: 99-156.
DAVID J. 1996 Géochronologie du Moyen-Nord. Rapport non publié soumis au MNRQ en
mai 96. 29 pp.
DAVID J., PARENT M. 1997 Geochronologie U-Pb du Projet Moyen-Nord. Rapport non
publié soumis au MNRQ en avril 97. 88 pp.
DE WIT M.J. 1998 On Archean granites, greenstones, cratons ant tectonics: does the
evidence demand a verdict? Precambrian Research, 91: 181-226.
GAUTHIER M., LAROCQUE M., CHARTRAND F. 1997 Cadre géologique, style et
répartition des minéralisations métalliques du bassin de La Grande Rivière, Territoire de la
Baie James. Ministère des ressources naturelles. MB 97-30.
HAMILTON W.B. 1998 Archean magmatism and deformation were not products of plate
tectonics. Precambrian Research, 91: 143-179.
HOFFMAN P.F. 1989 Precambrian geology and tectonic history of North America, in
Bally, A.W., and Palmer A.R., eds, The Geology of North America- An overview: Boulder,
Colorado, Geological Society of America, The Geology of North America, v.A.
PARENT M. 1998 Geochronologie U-Pb du projet Moyen-Nord Phase II. Rapport soumis
au MRNQ, janv.98, 61pp.