Diversity of Miocene to Quaternary post-subduction volcanism in Baja California peninsula and Gulf of California (Mexico): slab tearing in Farallon plate
Diversité du volcanisme miocène à quaternaire post-subduction de la péninsule de Basse Californie et du Golfe de Californie (Mexique): rôle de la déchirure de la plaque Farallon
Résumé
The geological history of the Baja California peninsula and the Gulf of California is entirely related to the evolution of the North America plate Western margin during the last 80 Ma. Two main geological episodes are registered (i) during the Middle Mesozoic when the Farallon-Kula plate sunk by subduction along the western coast of North America, and (ii) during the Middle Cenozoic when a new magmatic activity appeared, it emplaced calc-alkaline lavas of Comondu arc. Neogene magmatic activity in Central Baja California underwent a major change at around 12.5 Ma. Comondu calc-alkaline magmatism vanished and was replaced by unusual volcanic associations linked to asthenospheric window. Several Neogene to Quaternary petrological and geochemical groups were identified in the Baja California volcanic fields: (i) calc-alkaline lavas, (ii) adakites, (iii) adakites and niobium-enriched basalts (NEB), (iv) tholeiitic basalts and basaltic andesites and MORB type tholeiites, (v) basalts and associated magnesian basaltic andesites and andesites (“bajaites”) and (vi) OIB type alkali trachybasalts. We propose that the emplacement of slab window-related volcanic rocks between 13 and 7 Ma was due to a process of slab tearing of Farallon plate, which started from the southern limit of the already existing Southern California slab window.
L'histoire géologique de la péninsule de Basse Californie et du golfe de Californie est intimement liée à l'évolution de la marge occidentale de la plaque nord-américaine au cours des 80 derniers millions d'années. Deux évènements géologiques remarquables ont eu lieu (a) au Mésozoïque, lorsque la plaque Farallon-Kula est entrée en subduction le long de la côte ouest de l'Amérique du Nord, et (b) au Cénozoïque moyen, lorsqu'une nouvelle activité magmatique est apparue, mettant en place les laves calco-alcalines de l'arc de Comondu.
Au cours du Néogène, l'activité magmatique de la partie centrale de la péninsule de Basse Californie subit un changement très important vers 12,5 Ma. Combinées aux résultats antérieurs, nos datations K-Ar nouvelles démontrent que le volcanisme calco-alcalin de l'arc de Comondu cède progressivement la place à des associations magmatiques inhabituelles liées à l'ouverture d'une fenêtre asthénosphérique. Les laves correspondantes se répartissent en six champs volcaniques (Jaraguay, San Borja, San Ignacio, Santa Rosalía, Santa Clara, La Purísima) mis en place du Miocène supérieur au Quaternaire, sur près de 600 km le long de la Basse Californie. Ces associations magmatiques comprennent : (1) les adakites mises en place entre 12,5 et 8,2 Ma dans les champs volcaniques de Santa Clara, Santa Rosalia et Jaraguay ; (2) les basaltes enrichis en Nb (NEB) des champs volcaniques de Santa Clara et Santa Rosalia (11,2 à 7,4 Ma); (3) les basaltes et les andésites basaltiques de composition tholéiitique, émis dans les champs volcaniques de La Purisima et San Ignacio entre 11,3 et 7,2 Ma et qui montrent une signature de subduction très atténuée ; (4) les trachy-basaltes alcalins de type OIB qui affleurent au nord-ouest de Jaraguay dans les mesas de San Carlos et Santa Catarina, mises en place entre 9,3 et 7,5 Ma ; et enfin (5) les basaltes magnésiens, les andésites basaltiques magnésiennes et les andésites magnésiennes ("bajaites") émis dans tous les champs volcaniques entre 14,6 et 5,3 Ma, et particulièrement, d'après nos datations isotopiques nouvelles, entre 8,5 et 3,8 Ma à Jaraguay et entre 3,7 et 1,8 Ma à San Borja. Finalement, au cours du Plio-Quaternaire, la mise en place de magmas de compositions très contrastées est aussi démontrée dans la péninsule et dans les îles du golfe de Californie comme celle de San Esteban que nous avons plus particulièrement étudiée.
La fusion des coins des lèvres de la fenêtre asthénosphérique, due à l'érosion thermique, permet la genèse de liquides adakitiques, qui réagissent avec le coin du manteau situé au-dessus de la plaque plongeante, ce processus étant à l'origine des sources des NEB et "bajaites". Ces liquides adakitiques se sont infiltrés dans le coin du manteau de Basse Californie, après la fin de la subduction de la jeune plaque océanique Farallon et pendant l'ouverture de la fenêtre sous la péninsule entre 12,5 et 8 Ma. La signature géochimique de la série des andésites magnésiennes (teneurs élevées en MgO, Cr, Co et Ni ; appauvrissement en terres rares lourdes et Y ; enrichissement important en Sr et Ba ; et appauvrissement relatif en Rb et Th par rapport aux autres éléments en trace très incompatibles) témoigne de l'origine de ces laves par déshydratation-fusion d'un manteau lithosphérique riche en pargasite, à des profondeurs d'environ 80 km. Ce processus a lieu à des températures supérieures à 1050-1075°C, ce qui reflète bien le flux thermique élevé existant dans le coin du manteau.
En résumé, nous proposons que la mise en place de ces associations magmatiques peu habituelles en contexte de subduction soit liée à l'ouverture d'une fenêtre asthénosphérique pendant le Miocène supérieur. Celle-ci résulterait de la déchirure de la partie jeune de la plaque plongeante Farallon, s'initiant à partir de la fenêtre de Californie préexistante et se propageant parallèlement à la fosse de subduction sur plus de 600 km. Le volcanisme adakitique plio-quaternaire du golfe de Californie et de sa marge occidentale serait le résultat de la fusion partielle, déclenchée par le flux thermique élevé accompagnant l'ouverture, de fragments de croûte océanique préalablement incorporés au sein du manteau lithosphérique lors de la déchirure de la plaque plongeante Farallon.
Au cours du Néogène, l'activité magmatique de la partie centrale de la péninsule de Basse Californie subit un changement très important vers 12,5 Ma. Combinées aux résultats antérieurs, nos datations K-Ar nouvelles démontrent que le volcanisme calco-alcalin de l'arc de Comondu cède progressivement la place à des associations magmatiques inhabituelles liées à l'ouverture d'une fenêtre asthénosphérique. Les laves correspondantes se répartissent en six champs volcaniques (Jaraguay, San Borja, San Ignacio, Santa Rosalía, Santa Clara, La Purísima) mis en place du Miocène supérieur au Quaternaire, sur près de 600 km le long de la Basse Californie. Ces associations magmatiques comprennent : (1) les adakites mises en place entre 12,5 et 8,2 Ma dans les champs volcaniques de Santa Clara, Santa Rosalia et Jaraguay ; (2) les basaltes enrichis en Nb (NEB) des champs volcaniques de Santa Clara et Santa Rosalia (11,2 à 7,4 Ma); (3) les basaltes et les andésites basaltiques de composition tholéiitique, émis dans les champs volcaniques de La Purisima et San Ignacio entre 11,3 et 7,2 Ma et qui montrent une signature de subduction très atténuée ; (4) les trachy-basaltes alcalins de type OIB qui affleurent au nord-ouest de Jaraguay dans les mesas de San Carlos et Santa Catarina, mises en place entre 9,3 et 7,5 Ma ; et enfin (5) les basaltes magnésiens, les andésites basaltiques magnésiennes et les andésites magnésiennes ("bajaites") émis dans tous les champs volcaniques entre 14,6 et 5,3 Ma, et particulièrement, d'après nos datations isotopiques nouvelles, entre 8,5 et 3,8 Ma à Jaraguay et entre 3,7 et 1,8 Ma à San Borja. Finalement, au cours du Plio-Quaternaire, la mise en place de magmas de compositions très contrastées est aussi démontrée dans la péninsule et dans les îles du golfe de Californie comme celle de San Esteban que nous avons plus particulièrement étudiée.
La fusion des coins des lèvres de la fenêtre asthénosphérique, due à l'érosion thermique, permet la genèse de liquides adakitiques, qui réagissent avec le coin du manteau situé au-dessus de la plaque plongeante, ce processus étant à l'origine des sources des NEB et "bajaites". Ces liquides adakitiques se sont infiltrés dans le coin du manteau de Basse Californie, après la fin de la subduction de la jeune plaque océanique Farallon et pendant l'ouverture de la fenêtre sous la péninsule entre 12,5 et 8 Ma. La signature géochimique de la série des andésites magnésiennes (teneurs élevées en MgO, Cr, Co et Ni ; appauvrissement en terres rares lourdes et Y ; enrichissement important en Sr et Ba ; et appauvrissement relatif en Rb et Th par rapport aux autres éléments en trace très incompatibles) témoigne de l'origine de ces laves par déshydratation-fusion d'un manteau lithosphérique riche en pargasite, à des profondeurs d'environ 80 km. Ce processus a lieu à des températures supérieures à 1050-1075°C, ce qui reflète bien le flux thermique élevé existant dans le coin du manteau.
En résumé, nous proposons que la mise en place de ces associations magmatiques peu habituelles en contexte de subduction soit liée à l'ouverture d'une fenêtre asthénosphérique pendant le Miocène supérieur. Celle-ci résulterait de la déchirure de la partie jeune de la plaque plongeante Farallon, s'initiant à partir de la fenêtre de Californie préexistante et se propageant parallèlement à la fosse de subduction sur plus de 600 km. Le volcanisme adakitique plio-quaternaire du golfe de Californie et de sa marge occidentale serait le résultat de la fusion partielle, déclenchée par le flux thermique élevé accompagnant l'ouverture, de fragments de croûte océanique préalablement incorporés au sein du manteau lithosphérique lors de la déchirure de la plaque plongeante Farallon.