Detrital zircon ages from Neoproterozoic and Early Paleozoic conglomerate and sandstone units of New Brunswick and coastal Maine: implications for the tectonic evolution of Ganderia

Leslie Robert Fyffe, Sandra M. Barr, Susan C. Johnson, Malcolm J. McLeod, Vicki J. McNicoll, Pablo Valverde-Vaquero, Cees R. van Staal, Chris E. White

Abstract


Detrital zircon ages were determined for conglomerate and sandstone samples from six fault-bounded belts in New Brunswick and coastal Maine. Formations sampled included the Martinon (Brookville belt), Flagg Cove (Grand Manan Island belt), Matthews Lake (New River belt), Ellsworth (Ellsworth belt), Calais (St. Croix belt), and Baskahegan Lake (Miramichi belt). Their maximum age of deposition is based on the youngest detrital zircon population and minimum age of deposition based on stratigraphic, paleontological, and cross-cutting intrusive relationships. The determined range of depositional ages are: Martinon between 602 ± 8 (youngest zircons) and 546 ± 2 Ma (age of cross-cutting intrusion); Flagg Cove between 574 ± 7 (youngest zircons) and 535 ± 3 Ma (age of cross-cutting intrusion); Matthews Lake between 539 ± 5 (youngest zircons) and 514 ± 2 Ma (age of overlying volcanic rocks); Ellsworth between 507 ± 6 (youngest zircons) and 504 ± 3 Ma (age of overlying volcanic rocks); Calais between 510 ± 8 (youngest zircons) and 479 ± 2 Ma (graptolite zone); and Baskahegan Lake between 525 ± 6 (youngest zircons) and 488 ± 2 Ma (graptolite zone).

All samples are dominated by Neoproterozoic (Gondwanan) zircon populations. The Early Paleozoic Matthews Lake, Ellsworth, and Calais formations contain main population peaks at 539 ± 5 Ma, 545 ± 4 Ma, and 556 ± 7 Ma, respectively, consistent with derivation mainly from magmatic rocks of the Brookville, Grand Manan Island, and/or New River belts, previously dated at ~553 to ~528 Ma. In contrast, the main peak in the Early Paleozoic Baskahegan Lake Formation is older at 585 ± 5 Ma. The main peak in the Neoproterozoic to Early Cambrian Flagg Cove Formation is at 611 ± 7 Ma with a secondary peak at 574 ± 7 Ma; the former was likely derived from locally exposed igneous units dated at ~618 to ~611 Ma. The Neoproterozoic Martinon Formation exhibits dominant peaks at 674 ± 8 Ma and 635 ± 4 Ma. Ganderian basement gneiss dated at ~675 Ma and intruded by plutonic rocks dated at ~584 Ma in the Hermitage Flexure of Newfoundland are possible sources for these older zircon components in the Martinon and Baskahegan Lake formations. Plutonic rocks in the New River belt dated at ~629 to ~622 Ma may be the source of the younger component in the Martinon Formation.

The samples also contain a small number of Mesoproterozoic, Paleoproterozoic, and Archean zircon grains, the latter as old as 3.23 Ga. The presence of zircons in the range 1.07 to 1.61 Ga is consistent with an origin along the peri-Gondwanan margin of Amazonia rather than West Africa. The general similarity of zircon provenance for samples from New Brunswick and coastal Maine suggests that all the Ganderian belts were part of a single microcontinent rifted from the Amazonian craton.

The Grand Manan Island and New River belts both record two distinct periods of Neoproterozoic arc magmatism (~629 to ~611 Ma and at ~553 to ~535 Ma) whereas the Brookville belt experienced only a single period of arc magmatism lasting from ~553 to ~528 Ma. These differences are attributed to migration of the younger period of arc magmatism further inboard into Ganderia due to shallowing of the subduction zone. A Penobscot rifted arc system is recorded in the New River and Ellsworth belts from ~514 to ~502 Ma, following migration of Ganderia into the widening Iapetus Ocean. The progressively younger depositional ages of the quartzose sandstone sequences of the Brookvlle belt (Martinon Formation), Grand Manan Island belt (Flagg Cove Formation) and New River belt (Matthews Lake Formation) can be attributed to these episodic periods of quiescence and arc activity along the convergent margin of Ganderia. Subsequent rifting of the Early Ordovician Meductic-Popelogan arc along a segment of the Ganderian margin led to the development of the Middle Ordovician Tetagouche back-arc volcanic activity in the Miramichi belt of central and northern New Brunswick.

RÉSUMÉ

On a déterminé par datation sur zircon détritique les âges d’échantillons de conglomérat et de grès provenant de six ceintures délimitées par des failles au Nouveau‑Brunswick et sur la côte du Maine. Les formations échantillonnées comprenaient Martinon (ceinture de Brookville), Flagg Cove (ceinture de l’île Grand Manan), Matthews Lake (ceinture de New River), Ellsworth (ceinture d’Ellsworth), Calais (ceinture de St. Croix) et Baskahegan Lake (ceinture de Miramichi). Le moment maximal de leur sédimentation est basé sur la population de zircons détritiques la plus récente et le moment minimal, sur les liens stratigraphiques et paléontologiques ainsi que sur les intrusions transversales. L’éventail défini des périodes de sédimentation s’établit comme suit : Martinon, entre 602 ± 8 (zircons les plus récents) et 546 ± 2 Ma (âge de l’intrusion transversale); Flagg Cove, entre 574 ± 7 (zircons les plus récents) et 535 ± 3 Ma (âge de l’intrusion transversale); Matthews Lake, entre 539 ± 5 (zircons les plus récents) et 514 ± 2 Ma (âge des roches volcaniques sus‑jacentes); Ellsworth, entre 507 ± 6 (zircons les plus récents) et 504 ± 3 Ma (âge des roches volcaniques sus‑jacentes); Calais, entre 510 ± 8 (zircons les plus récents) et 479 ± 2 Ma (zone de graptolites); et Baskahegan Lake, entre 525 ± 6 (zircons les plus récents) et 488 ± 2 Ma (zone de graptolites).

Tous les échantillons présentent une prédominance de populations de zircons néoprotérozoïques (gondwaniennes). Les formations du Paléozoïque précoce de Matthews Lake, d’Ellsworth et de Calais présentent les principaux sommets des populations à 539 ± 5 Ma, 545 ± 4 Ma et 556 ± 7 Ma, respectivement, ce qui correspond à une origine essentiellement en provenance des roches magmatiques des ceintures de Brookville, de l’île Grand Manan ou de New River, précédemment situées à environ 553 à 528 Ma. À l’opposé, le principal sommet de la Formation du Paléozoïque précoce de Baskahegan Lake remonte à plus de 585 ± 5 Ma. Le principal sommet de la Formation du Néoprotérozoïque au Cambrien précoce de Flagg Cove se situe à 611 ± 7 Ma, et un sommet secondaire, à 574 ± 7 Ma; le premier provient vraisemblablement d’unités ignées affleurant localement et datées à environ 618 à 611 Ma. Les sommets prédominants à l’intérieur de la Formation du Néoprotérozoïque de Martinon remontent à 674 ± 8 Ma et 635 ± 4 Ma. Le gneiss gandérien du socle, situé à environ 675 Ma et pénétré par des roches plutoniques d’un âge estimatif de 584 Ma dans la charnière d’Hermitage à Terre‑Neuve, constitue la source possible de ces composantes de zircons plus âgées à l’intérieur des formations de Martinon et de Baskahegan Lake. Les roches plutoniques de la ceinture de New River, datées à environ 629 à 622 Ma, pourraient représenter la source de la composante plus récente à l’intérieur de la Formation de Martinon.

Les échantillons renferment en outre un nombre modeste de grains de zircons du Mésoprotérozoïque, du Paléoprotérozoïque et de l’Archéen, les derniers ayant jusqu’à 3,23 Ga. La présence de zircons de l’ordre de 1,07 à 1,61 milliard d’années est compatible avec une origine du long de la marge périgondwanienne de l’Amazonie plutôt que de l’Afrique occidentale. La similarité générale de la provenance des zircons des échantillons du Nouveau‑Brunswick et du littoral du Maine permet de supposer que toutes les ceintures gandériennes faisaient partie d’un microcontinent unique s’étant détaché du craton amazonien.

Les ceintures de l’île Grand Manan et de New River consignent toutes deux deux périodes distinctes de magmatisme de type arc du Néoprotérozoïque (vers 629 à 611 Ma ainsi que vers 553 à 535 Ma), tandis que la ceinture de Brookville a connu seulement une période de magmatisme d’arc ayant duré d’environ 553 à 528 Ma. Ces différences sont attribuées à une migration de la période plus récente du magmatisme d’arc plus à l’intérieur de Ganderia en raison de l’exhaussement de la zone de subduction. Un système à arc de divergence de Penobscot est enregistré dans les ceintures de New River et d’Ellsworth vers 514 à 502 Ma, à la suite de la migration de Ganderia dans l’océan grandissant Iapetus. Les époques de sédimentation progressivement plus récentes des séquences de grès quartzeux de la ceinture de Brookville (Formation de Martinon), de la ceinture de l’île Grand Manan (Formation de Flagg Cove) et de la ceinture de New River (Formation de Matthews Lake) peuvent être attribuées à ces périodes épisodiques de quiescence et d’activité d’arc le long de la marge convergente de Ganderia. Une distension subséquente de l’arc de l’Ordovicien précoce de Meductic-Popelogan le long d’un segment de la marge gandérienne a mené au développement de l’activité volcanique d’arrière‑arc de l’Ordovicien moyen de Tetagouche à l’intérieur de la ceinture de Miramichi, dans le Centre et le Nord du Nouveau‑Brunswick.

[Traduit par la redaction]

Keywords


geochronology. tectonics, stratigraphy

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DOI: http://dx.doi.org/10.4138/atlgeol.2009.006