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Université d'Orléans (2006-09-29), Michel Faure (Dir.)
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Evolution géodynamique du Bloc de Yili
(nord-ouest Chine) au Paléozoïque
Bo Wang1, 2

Le Bloc de Yili est un domaine triangulaire limité par les branches nord et sud du Tianshan
Chinois occidental. Il est considéré comme un micro-continent avec un substratum précambrien
qui se prolonge vers l'Ouest au Kazakhstan, mais ses limites ne sont pas claires. Le Bloc de Yili
est important pour comprendre l'évolution géodynamique du Tianshan Paléozoïque qui résulte de
processus de subduction et collision polyphasés. Classiquement, la chaîne du Tianshan est divisée
en trois domaines: le Tianshan Nord, le Tianshan Central et le Tianshan Sud. Mais nos travaux
structuraux, géochimiques et paléomagnétiques suggèrent que ces domaines et leurs limites
doivent être redéfinis.
Le bloc de Yili était auparavant considéré comme l'extension vers l'Ouest du Tianshan
Central. En fait, il s'agit d'un arc magmatique Dévonien-Carbonifère situé sur un socle continental
protérozoïque et une plate-forme sédimentaire du Paléozoïque inférieur. Des roches volcaniques
d'âge Carbonifère sont très répandues sur les bordures du bloc de Yili. Leurs caractéristiques
pétrologiques et géochimiques montrent 1) qu'il s'agit surtout d'andésites, de rhyolites et plus
rarement de basaltes appartenant à la série calco-alcaline, 2) que les importantes anomalies en Nb
et Ta s'accordent avec des magmas liés à une subduction, 3) que les dicriminations fondées sur les
HFSE placent ces roches dans le champ des arcs continentaux. Les études isotopiques Rb-Sr et
Sm-Nd indiquent que ces roches magmatiques sont issues d'un réservoir magmatique situé dans le
manteau appauvri. En considérant les formations sédimentaires de faible profondeur associées au
magmatisme, on suggère que les roches magmatiques carbonifères se sont formées sur une marge
continentale active. Des datations, par ICP-MS ablation laser, de zircons issus de roches
volcaniques et granitiques de l'ensemble du bloc de Yili, indiquent des âges compris entre 389 et
310 Ma, c'est à dire fini Dévonien moyen à Carbonifère supérieur.
La limite Nord du Bloc de Yili est représentée par les turbidites du Carbonifère supérieur et le
mélange ophiolitique de Bayingou-Motuogou qui constituent le Tianshan Nord. Les données
pétrologiques et géochimiques suggèrent que les turbidites et le mélange ophiolitique représentent
un complexe de subduction. Le mélange ophiolitique résulterait d'une tectonique intraocéanique
suivie de resédimentation et de déformation pendant la subduction du bassin océanique du
Nord-Tianshan qui existait au moins depuis le Dévonien supérieur-Carbonifère inférieur d'après
les faunes de radiolaires des cherts ophiolitiques. Les données structurales, pétrologiques,
géochimiques et géochronologiques sur le mélange ophiolitique et les turbidites sont en faveur
d'une subduction du bassin océanique de Nord-Tianshan vers le Sud, est responsable de la
formation de l'arc magmatique de Yili. Comme ce complexe de subduction a été redéformé et
charrié vers le Nord sur le bassin Cénozoïque du Junggar, la véritable suture du Nord Tianshan est
cachée par les chevauchements cénozoïques. La prolongation orientale du Nord Tianshan se
trouve dans l'arc de Bogda qui est composé de sédiments carbonifères, de volcanites et de
granitoides. De nouvelles données géochimiques dans la région de Houxia indiquent que les
dolérites, andésites et dacites rhyolitiques sont des volcanites d'arc d'affinité calco-alcaline. La
cohérence temporelle et la corrélation spatiale entre le complexe de subduction du Tianshan Nord et l'arc de Bogda suggèrent que la suture du Tianshan Nord se prolonge vers l'est, où elle serait
cachée sous l'arc de Bogda par le chevauchement tertiaire.
La limite sud du bloc de Yili est une zone complexe polydéformée qui contient des roches
métamorphiques de haute-pression (HP), des mélanges ophiolitiques, un socle fait de roches
métamorphiques crustales et de roches sédimentaires de plate-forme, le tout affecté par des
décrochements. L'étude géologique détaillée le long de la rivière Kekesu révèle l'existence d'une
déformation ductile à faible pendage et dirigée vers le nord qui affecte des roches océaniques
métamorphisées dans des faciès de HP (schistes bleus et éclogite) et des roches continentales
interprétées comme la bordure méridionale du bloc de Yili. Des preuves d'une déformation ductile
extensive dans le faciès schiste vert sont également rencontrées le long de la Rivière Kekesu. Des
datations Ar/Ar par sonde laser de micas blancs dans des métapélites issues de schistes bleus
rétromorphosés et de quartzites dans le faciès schiste verts donnent des âges compris entre 330 et
315 Ma qui sont interprétés comme l'âge de la fin de l'exhumation des roches de HP. La formation
des roches de HP a été interprétée comme associée à une subduction vers le nord de l'océan du
Tianshan, également responsable du magmatisme d'arc de la partie sud de Yili. Cependant,
comme le magmatisme d'arc du bloc de Yili est significativement plus jeune que le pic du
métamorphisme prograde (antérieur à 350 Ma) et même que la rétromorphose, et que l'analyse
cinématique indique un mouvement vers le Nord, cette interprétation n'est pas étayée par nos
données. Par ailleurs, la structure de la rivière Kekesu est en accord avec les données cinématiques
vers le nord observées dans la région de Mishigou et Gangou, plus à l'Est. Cette dernière
correspond à la suture entre le Tianshan Nord et Central. Dans le Tianshan Central, au sud du
complexe métamorphique de HP, il n'existe pas d'arc magmatique Carbonifère, mais un arc
Ordovicien -Silurien et des turbidites du même âge. Des calcaires et des grès du Carbonifère
inférieur recouvrent en discordance l'arc d'âge Paléozoïque inférieur. Des roches métamorphiques
protérozoïques représentent le substratum de cet arc.
Dans les régions de Aheqi, Wushi, Heiyingshan, sur le versant sud du Tianshan, on rencontre
un mélange ophiolitique contenant des blocs de gabbros datés à 390 Ma avec une signature
géochimique de bassin d'arrière arc. Par ailleurs, l'évolution de la plate-forme carbonatée du
Tianshan Central vers des roches siliceuses (cherts rubanés et pélites siliceuses) suggère un
approfondissement de cette marge continentale pendant le Dévonien. Ces données s'accordent
avec l'existence d'un bassin marginal entre le Tianshan Central et le Tarim. Les observations de
terrain suggèrent que le mélange est charrié du Sud vers le Nord sur les séries carbonatées
dévoniennes du Tianshan Central. Cette déformation ductile s'est produite avant le dépôt des
séries terrigènes et carbonatées du Carbonifère inférieur-moyen qui recouvrent en discordance le
mélange ophiolitique et son substratum tectonique. Il faut cependant remarquer que les séries
carbonifères sont déformées par des plis, parfois synschisteux, à vergence Sud. Mais l'âge de cette
déformation n'est pas établi avec certitude. Il est peut-être Cénozoïque, mais des âges compris
entre le Permien et le Paléocène ne peuvent pas être définitivement écartés. Ces observations sont
en bon accord avec celles de la région de Kulehu et de Kumux-Yushugou. Ce mélange
ophiolitique correspond au Tianshan sud, il a été souvent interprété comme des klippes déplacées
du Nord vers le Sud. Dans notre interprétation, il est au contraire issu d'une suture méridionale qui
sépare le Tianshan du Tarim.
Les deux limites nord et sud du bloc de Yili ont été redéformées par les décrochements
permiens. Les turbidites du Tianshan Nord sont affectées par une foliation verticale et une linéation horizontale associée à une cinématique dextre. Nos datations Ar/Ar sur roche totale
indiquent un âge de 270 Ma qui correspond au mouvement de la faille du Tianshan Nord. Ceci
s'accorde avec les données disponibles sur la Faille Principale du Tianshan (MTSF) où les
datations se distribuent entre 280 et 250Ma. Les failles de Nalati et de Qinbulak recoupent la
limite entre les blocs de Yili et du Tianshan Central. Nos observations en plusieurs points entre
Kekesu, Laerdun, Sanghuyanzi confirment la cinématique dextre. Ces mouvements coulissants
sont associés à un magmatisme intraplaque, représenté par des granites alcalins, des basaltes
tholéiitiques continentaux, et des roches volcaniques acides. Les décrochements permiens
apparaissent comme complètement indépendants de la tectonique de convergence N-S du
Paléozoïque pré-permien. Ces coulissements jouent un grand rôle dans l'architecture finale du
Tianshan.
Afin de mieux contraindre les mouvements coulissants d'âge Permien, des données
paléomagnétiques ont été acquises sur des roches d'âge Ordovicien, Carbonifère et Permien dans
le bloc de Yili et les régions voisines. Plus de 500 échantillons de roches volcaniques et
sédimentaires ont été prélevés sur 61 sites. Les études magnétiques (minéralogie, démagnétisation,
etc...) montrent que les porteurs de l'aimantation sont la magnétite et l'hématite. Après une étude
soignée des caractéristiques de l'aimantation rémanente dans la région de Zhaosu, Xinyuan et
Gongliu, deux pôles pour le Carbonifère supérieur (C2) et Permien supérieur (P2) sont calculés
pour le bloc de Yili. La comparaison de ces pôles C2 et P2 avec ceux du même âge disponibles
pour le Tarim, le Junggar et la Sibérie indique 1) qu'il n'y a pas de mouvement différentiel
significatif entre le Bloc de Yili et le Junggar depuis le Carbonifère terminal ; 2) qu'il n'y a pas de
mouvement latitudinal significatif entre ces blocs depuis le Carbonifère supérieur ; 3) qu'il existe
des rotations anti-horaires d'environ 46± 15° et 32±15° entre l'ensemble Yili-Junggar par rapport
au Tarim et à la Sibérie entre C2 et P2. Ces rotations sont accommodées par les décrochements
dextres le long des failles bordières nord et sud du bloc de Yili et par le décrochement senestre de
l'Irtish dans l'Altaï. Il en résulte un mouvement relatif d'environ 1000 et 600 km sur ces deux
failles.
Finalement, en tenant compte des déformations Cénozoïques liées à la collision Inde-Asie, un
modèle simple de l'évolution du bloc de Yili et de l'ouest du Tianshan chinois est proposé.
Pendant l'Ordovicien et le Silurien inférieur, un bassin océanique appelé l'Océan Tianshan existait
entre le Tianshan Central et le Bloc de Yili. Cet océan a commencé à se fermer par subduction vers
le Sud pendant l'Ordovicien supérieur et le Silurien inférieur en produisant l'arc du Tianshan
Central. Entre le Silurien moyen et le Dévonien moyen, l'Océan Tianshan continue de se fermer.
La subduction océanique est suivie par la subduction continentale du Bloc de Yili sous le Tianshan
Central qui est responsable de la formation des roches métamorphiques de HP. Simultanément à la
fermeture de l'Océan Tianshan, une mer marginale s'ouvre au sud du Tianshan Central pendant le
Dévonien inférieur à moyen. Pendant le Paléozoïque inférieur, les dépôts de grès et de calcaires
suggèrent que la marge nord du bloc de Yili était une marge passive. Entre le Dévonien moyen et
le Carbonifère inférieur, à cause de la fermeture de l'Océan Tianshan, les blocs de Yili et du
Tianshan Central sont soudés pour former une seule masse continentale. A ce moment là, les
roches de HP sont exhumées. La fermeture du bassin d'arrière arc est associée au charriage du
mélange ophiolitique du Tianshan Sud. Simultanément, la subduction vers le sud d'un bassin
océanique, appelé océan Nord Tianshan est responsable de la formation de l'arc magmatique de
Yili et du complexe de subduction du Tianshan Nord. La subduction de l'Océan Nord Tianshan s'achève au Carbonifère supérieur quand se produit la collision entre le Bloc de Yili et le Junggar.
A la fin du Carbonifère, la convergence sub-méridienne (par rapport aux coordonnées actuelles)
est achevée. Tous les blocs continentaux sont alors soudés. Au Permien, les décrochements dextres
d'ampleur plurikilométrique perturbent la géométrie initiale. Par exemple, la continuité de l'arc du
Tianshan Nord-Bogda est détruite.
1:  Department of Earth Sciences
2:  ISTO - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans
Bloc de Yili – Chaîne du Tianshan – Xinjiang – Carbonifère – Paléozoïque – subduction – décrochement – suture – géochimie – paléomagnétisme – tectonique – géochronologie Ar/Ar – géochronologie U-Pb (ICP-MS).

Paleozoic geodynamic evolution of Yili Block
in West Chinese Tianshan
The Yili Block is a triangular area bordered by the northern and southern fault zones of the
Western Chinese Tianshan Belt, it is considered as a micro-continental block with Proterozoic
basement extending westward into Kazakhstan with unclear boundaries. The Yili Block is
important for understanding the Paleozoic geodynamic evolution of the Tianshan Belt, which
resulted from polyphase subduction-collision orogenies. The Tianshan Belt is classically divided
into three subunits: North Tianshan, Central Tianshan and South Tianshan. But our structural,
geochemical and paleomagnetic studies suggest that these subunits and their boundaries should be
redefined.
The Yili Block, previously considered as a part of the Central Tianshan, is in fact a Late
Paleozoic magmatic arc situated upon a Precambrian basement and an Early Paleozoic platform.
Carboniferous volcanic rocks are widespread along the margins of Yili Basin. Petrological and
geochemical features of Carboniferous volcanic rocks and granitoids show that: (1) volcanic rocks
are mainly composed of andesite, rhyolite and minor basaltic rocks, granitoids consist of gabbro,
diorite, granodiorite and granite, both volcanic and granitic rocks are belong to the calc-alkaline
series, (2) magmatic rocks display prominent Nb-Ta negative anomalies consistent with
subduction - related magmas, and (3) HFSE-based discriminations place volcanic rocks in the
field of continental arcs, and granitoids in the field of syn-collisional granites or arc-type granites.
Rb-Sr and Sm-Nd isotopic studies indicate that these magmatic rocks derived from a depleted
magma reservoir of mantle source, and suffered an important contamination of upper crust or
terrigenous sediments. Taking into account the shallow water sedimentation associated with the
magmatism, the Carboniferous magmatic rocks are suggested to form in an active continental
margin setting. Systematic zircon U-Pb ICPMS dating on the volcanic and granitic rocks from the
whole Yili Block indicates that their ages range from 389~301 Ma, i.e. Late Middle Devonian to
Carboniferous time, but the peak magmatism took place during 360~301 Ma.
The northern boundary of the Yili Block is represented by the North Tianshan Late
Carboniferous turbidite and Bayingou-Motuogou ophiolitic mélange. Stratigraphical and
petrological studies suggest that the turbidite and ophiolitic mélange form a subduction complex.
The ophiolitic mélange was a result of intra-oceanic tectonism and seafloor redeposition and
subsequent deformation during the subduction of the North Tianshan oceanic basin, which existed
at least during Late Devonian to Early Carboniferous on the basis of the microfossils found in
chert of ophiolite. Structural, kinematic, chronological and geochemical evidences from ophiolitic
mélange and turbidite argue that a southward subduction of the North Tianshan oceanic basin is
responsible for the formation of the Late Paleozoic Yili magmatic arc. Since this subduction
complex was redeformed and thrust northward upon the Junggar Cenozoic basin, the real North
Tianshan Suture is probably hidden by the Cenozoic thrust. New geochemical studies from
Houxia area indicate that the dolerite, andesite and dacitic rhyolite show similar features with
those of Yili arc, and therefore correspond to the North Tianshan arc. Temporal consistency and
spatial correlation between the North Tianshan subduction complex and the North Tianshan Arc suggest that the North Tianshan Suture extends probably eastwards until to the north of Bogdashan.
More detailed studies are needed to test this conclusion.
The southern boundary of the Yili Block is a complicated deformation zone including
high-pressure (HP) metamorphic complex, ophiolitic mélange, Proterozoic basement and platform
sedimentary rocks, affected by strike-slip faulting. Detail geological survey along the Kekesu
River revealed a top-to-the-North ductile shearing that is developed both in ocean-derived HP
rocks and in the southern margin of the Yili Block. Evidences for an extensional event, formed in
retrograde greenschist facies conditions, are recognized in the HP metapelites. Ar-Ar laser probe
dating of white mica in retrogressed blueschist facies metapelites and in greenschist facies
quartzite provides 330-315 Ma ages that are interpreted as the date of the exhumation of the HP
rocks. Taking into account the previous results, HP/UHP metamorphism should have taken place
earlier than 350Ma. Since the final magmatism of the Yili Arc is significantly younger than both
peak metamorphism and retrograde metamorphism, and the top-to-the-North kinematics of the HP
rocks, our results do not support the previous interpretation of the north directed subduction of the
“South Tianshan Ocean” producing the Yili magmatic arc. Near to the HP metamorphic belt,
Ophiolitic mélange of Changawuzi-Qiongkushitai areas extends eastward joining with Gangou -
Mishigou ophiolitic mélange, mafic rocks yield ages from Ordovician to Silurian, and the
kinematics of Gangou ophiolitic mélange is consistent with that of Kekesu HP metamorphic rocks.
To the south of Kekesu HP metamorphic complex, Qiongkushitai and Gangou mélange zone,
Ordovician-Silurian arc-type volcano-sedimentary rocks were recognized to be unconformably
covered by Carboniferous sandstone and carbonate. Proterozoic amphibolite facies metamorphic
rocks are distinguished as the basement of this volcanic arc, which is defined as the Central
Tianshan block. Therefore, the metamorphic and mélange zone is interpreted as a southward
subduction of Tianshan Ocean beneath the Central Tianshan block generating the
Ordovician-Silurian volcanic arc.
In Aheqi, Wushi and Heiyingshan areas, along the southern slope of the Central Tianshan, a
Late Devonian-Early Carboniferous ophiolitic mélange includes ca 390 Ma gabbro blocks with a
back-arc-basin geochemical affinity. Moreover, the evolution from platform carbonate
sedimentation to banded cherts deposition argues for a progressive deepening of the southern
margin of the Central Tianshan Block that is responsible for the opening of a marginal oceanic
basin between the Central Tianshan and Tarim during the Early to Middle Devonian. Field
observation and kinematics suggest that the mélange has been thrust to the North above the
deformed Silurian-Devonian volcaniclastic rocks and marble series. This ductile shearing occurred
before the deposition of the Lower Carboniferous sandstone and limestone that unconformably
cover the mélange and its tectonic substratum. These observations are quite consistent with those
from Kulehu and Kumux-Yushugou areas. Therefore, this ophiolitic mélange zone that stretches
from Aheqi to Kumux is defined as the South Tianshan Mélange Belt. This mélange has
previously often been considered as south-directed tectonic klippes, but our study indicates that
they are actually thrust from South to North, and rooted in the southernmost suture of the Chinese
Tianshan Belt.
The two boundaries of the Yili Block have been reworked by the Permian strike-slip faulting.
North Tianshan Fault redeformed the southern part of North Tianshan Carboniferous turbidite (the
northern boundary of the Yili Block). First-hand kinematic results suggest that the North Tianshan
Fault is a dextral ductile strike-slip fault, new Ar-Ar whole rock dating constraint this deformation from 285 to 245 Ma that is consistent with the age of Main Tianshan Shear Zone (280~250Ma).
The Nalati Fault that extends eastwards joining with the Qingbulak Fault cut the southern
boundary of the Yili Block, kinematic observations from Kekesu, Laerdun Pass and
Sangshuyuanzi coherently indicate a dextral shearing, previous chronological study also provide
~280 Ma age. The Permian right-lateral faulting is associated with alkaline magmatic rocks, such
as continental tholeiite, felsic volcanic rocks and alkaline granite. Late Permian redbeds and
conglomerate are widespread in whole Tianshan Belt and unconformably cover the pre-Permian
rocks. Therefore, Permian tectonics appears to be geodynamically distinct from the convergent
orogeny of the Tianshan Belt, and plays an important role on the final formation of its present
architecture.
In order to better constrain Permian transcurrent tectonics, primary paleomagnetic results on
Ordovician, Carboniferous and Permian rocks are obtained from the Yili Block and its adjacent
areas. More than 500 sedimentary and volcanic samples were collected from 61 sites. Laboratory
measurements on rock magnetism and magnetic remanence indicate that the magnetite and
hematite are principal remanent carriers for characteristic remanent magnetization. After careful
analysis of reliable characteristic remanences from Zhaosu, Xinyuan and Gongliu areas and
detailed discussion on remanence ages, two primary poles of Late Carboniferous and Late
Permian are calculated for the Yili Block. Comparison of these paleomagnetic poles of the Yili
Block with coeval poles of Junggar, Tarim and Siberia indicates (1) no significant relative motion
between the Yili and Junggar blocks since Late Carboniferous, (2) no significant or weak
latitudinal relative motion occurred since Late Carboniferous among these blocks, but (3) the
46.2°±15.1° and the 31.6°±15.1° counterclockwise rotations of the Yili-Junggar blocks with
respect to Tarim and Siberia took place during Late Carboniferous to Permian. These rotations are
accommodated by the Permian dextral strike-slip faults along the northern and southern sides of
the Tianshan Belt and sinistral strike-slip faulting along the Erqishi Fault of the Altay Belt,
resulting in about 1000 km and 600 km lateral displacements in the Tianshan and Altay belts,
respectively.
Finally, on the basis of the removal of Permian lateral displacement and Cenozoic
reactivation during the Indo-Asian collision, a simplified evolutionary model involving the Yili
Block and its adjacent areas is proposed. During the Ordovician-Early Silurian, an oceanic basin
called the Tianshan Ocean existed between the Yili Block and the Central Tianshan Block. This
ocean began to close by southward subduction beneath the Central Tianshan during Late
Ordovician and Silurian generating the Central Tianshan volcanic arc. From Middle Silurian to
Middle Devonian time, the Tianshan Ocean was progressively closing. The oceanic subduction
was followed by the continental subduction of the southern part of the Yili Block and resulted in
the development of the HP metamorphic complex. Coevally with the closure of the Tianshan
Ocean, a marginal sea opened to the South of the Central Tianshan Block, as suggested by the
ophiolitic mélange and the progressive deepening of the southern margin of the Central Tianshan
Block during the Early to Middle Devonian. During the Early Paleozoic, the limestone and
sandstone deposits suggest that the northern margin of the Yili Block was a passive margin. From
the Late Devonian to Early Carboniferous, due to the closure of the Tianshan Ocean, the Yili and
Central Tianshan Blocks were welded together to form a single continental mass. At that time, the
HP metamorphic rocks were exhumed. The closure of the back arc basin was accommodated by a
south-directed subduction below the Tarim Block as suggested by the northward thrusting of the South Tianshan ophiolitic mélange. During Late Mid-Devonian to Early Carboniferous, southward
subduction of an oceanic basin, called the North Tianshan Ocean was responsible for the Yili
magmatic arc and the North Tianshan accretionary prism. The oceanic subduction ended in Late
Carboniferous when the continental collision occurred between Junggar Block and the Yili Block.
At the end of the Carboniferous, the N-S convergence finished when all the continental blocks
were amalgamated. Permian lateral large-scale displacement dragged the main blocks of Central
Asia close to their present position, and probably also disturbed original continuity (e.g. Yili and
Bogda magmatic arcs).
subductionary suture – strike-slip faulting – kinematics – geochemistry – paleomagnetism – Ar-Ar geochronology – Zircon U-Pb – Yili Block – Tianshan Belt – Paleozoic.

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