Constraining the tectonic evolution of extensional fault systems in the Cyclades (Greece) using low-temperature thermochronology
Résumé
The Miocene Hellenic subduction zone in the Aegean retreated with time to the south implying
that accreted high-pressure rocks shifted from a fore-arc position to a back-arc position. The
Cycladic islands in the central Aegean became part of the magmatic arc in the Late Miocene and are
now in a back-arc position. They are famous for their blueschists and extensional detachments. It is
widely assumed that exhumation of the blueschist unit from depths of 50-60 km was accomplished
by detachment faulting in a back-arc setting. On Crete, the exhumation of the Miocene high-
pressure rocks was achieved by normal faulting in a fore-arc position. This raises the question as to
whether exhumation of the Cycladic blueschists was mostly accomplished when these rocks were
still in a fore-arc setting. To answer this question we need to constrain the timing of detachments
and arc related magmatism, define how many detachments exist, determine their slip rates and
estimate the amount of displacement. Only with this type of data it will be possible to assess the
extent to which these faults contributed to the exhumation of the blueschists.
Using consistent apatite and zircon fission-track and apatite (U-Th)/He ages from sample
transects parallel to the tectonic transport direction of major extensional detachments on eight
Cycladic islands (Samos, Ikaria, Tinos, Mykonos, Naxos, Paros, Serifos and Ios), I have been able
to estimate the timing, rate and extent of slip movement for each detachment. The time constraints
on shear zones (ductile part of the extensional fault systems) indicate that the Selçuk shearing on
Samos started to operate >21 Ma followed by the Tinos and Naxos/Paros shear zones at ~21-20 Ma
while at about 15-10 Ma, when the granites intruded, a number of detachments started to operate
(Kerketas on Samos, Messaria/Kallithea on Ikaria/Samos, Mykonos, Serifos and Ios) or remained
active (Tinos and Naxos/Paros extensional fault system). This intimate relationship between arc-
related magmatism and extensional detachments (especially for the Messaria/Kallithea detachments
on Ikaria/Samos, as well as Mykonos, Serifos, and Ios detachments) was aided by relatively high
thermal gradients and extensional stresses caused by an extensional boundary condition related to
the subduction-zone retreat. This induced rapid cooling of the footwalls at ~75-25°C/Myr and fast
slip rates of ~8-7 km/Myr. No specific pattern of the extension timing and/or slip rate have been
recognized in the Aegean, linked to location of the islands within the arc.
This study has also shown that the Naxos extensional fault system is unique in the Aegean. The
Naxos detachment exhibits a slightly faster minimum slip rate and cooling rate at ~9-8 km/Myr and
~108°C/Myr related to the higher temperature condition during the formation of the Naxos
extensional fault system. Furthermore, the slip rate increases across the brittle/ductile transition
from ~6 km/Myr to ~9-8 km/Myr owing to the intrusion of a huge granodiorite close to the brittle
fault zone. On Ikaria, the slip rate on the Messaria extensional fault system is constant at ~8
km/Myr across the brittle/ductile transition because the Ikaria granodiorite intrusion was
synchronous with onset of shearing. Generally, it is assumed that the extensional shear zones rooted
at the brittle/ductile transition while the Naxos extensional shear was rooted in the lower crust.
The data also show that the detachments accomplished a minimum offset from ~53 km (Ikaria) to
~12 km (Tinos) related to rock exhumation of less than 10 km on Tinos, Ikaria and Mykonos.
Therefore, Miocene normal faulting in the Aegean did not cause much exhumation of the
blueschists. However, the fast-slipping Miocene normal faults were the primary agents for opening
of the Aegean Sea.
Although there are differences between the studied detachments with regard to timing, slip rate
and depth of formation, there are important similarities among the Cycladic detachments especially
for the intra-arc period between ~15-5 Ma.
that accreted high-pressure rocks shifted from a fore-arc position to a back-arc position. The
Cycladic islands in the central Aegean became part of the magmatic arc in the Late Miocene and are
now in a back-arc position. They are famous for their blueschists and extensional detachments. It is
widely assumed that exhumation of the blueschist unit from depths of 50-60 km was accomplished
by detachment faulting in a back-arc setting. On Crete, the exhumation of the Miocene high-
pressure rocks was achieved by normal faulting in a fore-arc position. This raises the question as to
whether exhumation of the Cycladic blueschists was mostly accomplished when these rocks were
still in a fore-arc setting. To answer this question we need to constrain the timing of detachments
and arc related magmatism, define how many detachments exist, determine their slip rates and
estimate the amount of displacement. Only with this type of data it will be possible to assess the
extent to which these faults contributed to the exhumation of the blueschists.
Using consistent apatite and zircon fission-track and apatite (U-Th)/He ages from sample
transects parallel to the tectonic transport direction of major extensional detachments on eight
Cycladic islands (Samos, Ikaria, Tinos, Mykonos, Naxos, Paros, Serifos and Ios), I have been able
to estimate the timing, rate and extent of slip movement for each detachment. The time constraints
on shear zones (ductile part of the extensional fault systems) indicate that the Selçuk shearing on
Samos started to operate >21 Ma followed by the Tinos and Naxos/Paros shear zones at ~21-20 Ma
while at about 15-10 Ma, when the granites intruded, a number of detachments started to operate
(Kerketas on Samos, Messaria/Kallithea on Ikaria/Samos, Mykonos, Serifos and Ios) or remained
active (Tinos and Naxos/Paros extensional fault system). This intimate relationship between arc-
related magmatism and extensional detachments (especially for the Messaria/Kallithea detachments
on Ikaria/Samos, as well as Mykonos, Serifos, and Ios detachments) was aided by relatively high
thermal gradients and extensional stresses caused by an extensional boundary condition related to
the subduction-zone retreat. This induced rapid cooling of the footwalls at ~75-25°C/Myr and fast
slip rates of ~8-7 km/Myr. No specific pattern of the extension timing and/or slip rate have been
recognized in the Aegean, linked to location of the islands within the arc.
This study has also shown that the Naxos extensional fault system is unique in the Aegean. The
Naxos detachment exhibits a slightly faster minimum slip rate and cooling rate at ~9-8 km/Myr and
~108°C/Myr related to the higher temperature condition during the formation of the Naxos
extensional fault system. Furthermore, the slip rate increases across the brittle/ductile transition
from ~6 km/Myr to ~9-8 km/Myr owing to the intrusion of a huge granodiorite close to the brittle
fault zone. On Ikaria, the slip rate on the Messaria extensional fault system is constant at ~8
km/Myr across the brittle/ductile transition because the Ikaria granodiorite intrusion was
synchronous with onset of shearing. Generally, it is assumed that the extensional shear zones rooted
at the brittle/ductile transition while the Naxos extensional shear was rooted in the lower crust.
The data also show that the detachments accomplished a minimum offset from ~53 km (Ikaria) to
~12 km (Tinos) related to rock exhumation of less than 10 km on Tinos, Ikaria and Mykonos.
Therefore, Miocene normal faulting in the Aegean did not cause much exhumation of the
blueschists. However, the fast-slipping Miocene normal faults were the primary agents for opening
of the Aegean Sea.
Although there are differences between the studied detachments with regard to timing, slip rate
and depth of formation, there are important similarities among the Cycladic detachments especially
for the intra-arc period between ~15-5 Ma.
La zone de subduction Hellénique dans l'Egée, est un des meilleurs exemples au monde de retrait d'une
zone de subduction. En raison de ce retrait vers le sud durant le Miocène, les roches de haute pression sont
accrétées successivement en position d'avant arc vers une position d'arrière arc. Actuellement en position
d'arrière arc, les îles Cycladiques, dans le centre de l'Egée, faisaient partie de l'arc volcanique au Miocène
supérieur. Elles sont surtout célèbres pour leurs schistes bleus ainsi que leurs failles de détachement. Il est
communément admis que l'exhumation des schistes bleus depuis des profondeurs de l'ordre de 60-50 km a
été principalement accomplie par des failles de détachement. Cependant, en Crète, il a été démontré que
l'exhumation des roches Miocène de haute pression a été accommodée par le jeu normal de grandes failles
quand ces roches étaient en position d'avant arc. La question se pose donc à savoir si l'exhumation des
schistes bleus Cycladiques fut ou non principalement accomplie quand les roches étaient encore en position
d'avant arc. Pour répondre à cette question, il est indispensable de déterminer: 1) à quel moment ces
détachements étaient actifs ainsi que le volcanisme d'arc associé; 2) quelles étaient les vitesses de glissement
afin d'estimer le déplacement relatif de chacun de ces détachements; 3) leur contribution dans l'exhumation
des schistes bleus.
En utilisant les âges cohérents obtenus par les méthodes traces de fission sur apatite et zircon et (U-
Th)/He sur apatite sur des échantillons prélevés selon des profils parallèles à la direction de transport
tectonique des principaux détachements de huit îles Cycladiques (Samos, Ikaria, Tinos, Mykonos, Naxos,
Paros, Serifos et Ios), j'ai pu estimer la période d'activité, la vitesse de glissement et la quantité de
déplacement relatif à chaque détachement étudié. Les contraintes de temps apportées sur les zones de
cisaillement indiquent que le cisaillement ductile de Selçuk sur Samos était le premier actif avant 21 Ma.
Vers ~21-20 Ma, les zones de cisaillement de Tinos et de Naxos/Paros se sont développées tandis qu'entre
15 Ma et 10 Ma, quand la plupart des granites intrudent l'unité des schistes bleus Cycladiques, la majorité
des détachements exposés commencent à fonctionner (les détachements de Kerketas sur Samos, de
Messaria/Kallithea sur Ikaria/Samos, de Mykonos, de Serifos et de Ios) ou restent actifs (systèmes de failles
extensives de Tinos et Naxos/Paros qui deviennent actives dans le cassant). Cette étroite relation des
évènements entre magmatisme d'arc et détachements extensifs (spécialement pour les détachements
Messaria/Kallithea de Ikaria/Samos, de Mykonos, de Serifos et de Ios) a été favorisé par l'existence de forts
gradients thermiques et des contraintes extensives provoquées par le retrait de la zone de subduction. Les
données thermochronologiques indiquent un refroidissement rapide des murs de faille compris entre
~75°C/Ma et ~25°C/Ma et des vitesses de glissement élevées voisines de 8-7 km/Ma. Aucune organisation
particulière des âges des détachements et des vitesses associées n'a été reconnue selon la répartition spatiale
des îles dans l'arc égéen.
Cette étude a également mis en évidence que le système de faille extensive exposé sur Naxos est unique
dans l'arc Egéen. En effet, le détachement de Naxos présente des vitesses minimum de glissement et de
refroidissement légèrement supérieures à ~9-8 km/Ma et ~108°C/Ma, corrélées à des conditions de
température élevée pendant la formation du système de faille. La vitesse de glissement semble augmenter au
passage de la transition ductile/cassante de ~6 km/Ma à ~9-8 km/Ma. L'intrusion d'une granodiorite massive
au voisinage de la zone de faille de Naxos, postérieurement à la formation de la zone de cisaillement ductile
augmenterait la vitesse de glissement. Par contre sur Ikaria, la vitesse de glissement sur le système de faille
extensive Messaria est constante du ductile au cassant parce que l'intrusion de la granodiorite semble être
synchrone de la formation de la zone ductile de cisaillement. De plus, contrairement aux zones de
cisaillement des autres îles qui s'enracinent aux environs de la transition ductile/cassante, la zone de
cisaillement de Naxos s'enracinerait plutôt dans la croûte inférieure.
Nos données montrent également que les détachements accomplissent des déplacements minimum de
l'ordre de ~53 km sur Ikaria à 12 km sur Tinos, impliquant une exhumation des schistes bleus d'une
profondeur inférieure à 10 km. Par conséquent, les failles normales Miocène des îles Cycladiques ne sont pas
responsables d'une exhumation importante des schistes bleus. Ces failles normales à fortes vitesses de
glissement ont accommodé l'ouverture de la mer Egée.
Finalement, bien que des différences existent dans les âges, les vitesses ou bien la profondeur
d'enracinement de ces systèmes de faille extensives, d'importantes similarités apparaissent pour la période
où les Cyclades étaient en position d'intra arc entre 15 Ma et 5 Ma.
zone de subduction. En raison de ce retrait vers le sud durant le Miocène, les roches de haute pression sont
accrétées successivement en position d'avant arc vers une position d'arrière arc. Actuellement en position
d'arrière arc, les îles Cycladiques, dans le centre de l'Egée, faisaient partie de l'arc volcanique au Miocène
supérieur. Elles sont surtout célèbres pour leurs schistes bleus ainsi que leurs failles de détachement. Il est
communément admis que l'exhumation des schistes bleus depuis des profondeurs de l'ordre de 60-50 km a
été principalement accomplie par des failles de détachement. Cependant, en Crète, il a été démontré que
l'exhumation des roches Miocène de haute pression a été accommodée par le jeu normal de grandes failles
quand ces roches étaient en position d'avant arc. La question se pose donc à savoir si l'exhumation des
schistes bleus Cycladiques fut ou non principalement accomplie quand les roches étaient encore en position
d'avant arc. Pour répondre à cette question, il est indispensable de déterminer: 1) à quel moment ces
détachements étaient actifs ainsi que le volcanisme d'arc associé; 2) quelles étaient les vitesses de glissement
afin d'estimer le déplacement relatif de chacun de ces détachements; 3) leur contribution dans l'exhumation
des schistes bleus.
En utilisant les âges cohérents obtenus par les méthodes traces de fission sur apatite et zircon et (U-
Th)/He sur apatite sur des échantillons prélevés selon des profils parallèles à la direction de transport
tectonique des principaux détachements de huit îles Cycladiques (Samos, Ikaria, Tinos, Mykonos, Naxos,
Paros, Serifos et Ios), j'ai pu estimer la période d'activité, la vitesse de glissement et la quantité de
déplacement relatif à chaque détachement étudié. Les contraintes de temps apportées sur les zones de
cisaillement indiquent que le cisaillement ductile de Selçuk sur Samos était le premier actif avant 21 Ma.
Vers ~21-20 Ma, les zones de cisaillement de Tinos et de Naxos/Paros se sont développées tandis qu'entre
15 Ma et 10 Ma, quand la plupart des granites intrudent l'unité des schistes bleus Cycladiques, la majorité
des détachements exposés commencent à fonctionner (les détachements de Kerketas sur Samos, de
Messaria/Kallithea sur Ikaria/Samos, de Mykonos, de Serifos et de Ios) ou restent actifs (systèmes de failles
extensives de Tinos et Naxos/Paros qui deviennent actives dans le cassant). Cette étroite relation des
évènements entre magmatisme d'arc et détachements extensifs (spécialement pour les détachements
Messaria/Kallithea de Ikaria/Samos, de Mykonos, de Serifos et de Ios) a été favorisé par l'existence de forts
gradients thermiques et des contraintes extensives provoquées par le retrait de la zone de subduction. Les
données thermochronologiques indiquent un refroidissement rapide des murs de faille compris entre
~75°C/Ma et ~25°C/Ma et des vitesses de glissement élevées voisines de 8-7 km/Ma. Aucune organisation
particulière des âges des détachements et des vitesses associées n'a été reconnue selon la répartition spatiale
des îles dans l'arc égéen.
Cette étude a également mis en évidence que le système de faille extensive exposé sur Naxos est unique
dans l'arc Egéen. En effet, le détachement de Naxos présente des vitesses minimum de glissement et de
refroidissement légèrement supérieures à ~9-8 km/Ma et ~108°C/Ma, corrélées à des conditions de
température élevée pendant la formation du système de faille. La vitesse de glissement semble augmenter au
passage de la transition ductile/cassante de ~6 km/Ma à ~9-8 km/Ma. L'intrusion d'une granodiorite massive
au voisinage de la zone de faille de Naxos, postérieurement à la formation de la zone de cisaillement ductile
augmenterait la vitesse de glissement. Par contre sur Ikaria, la vitesse de glissement sur le système de faille
extensive Messaria est constante du ductile au cassant parce que l'intrusion de la granodiorite semble être
synchrone de la formation de la zone ductile de cisaillement. De plus, contrairement aux zones de
cisaillement des autres îles qui s'enracinent aux environs de la transition ductile/cassante, la zone de
cisaillement de Naxos s'enracinerait plutôt dans la croûte inférieure.
Nos données montrent également que les détachements accomplissent des déplacements minimum de
l'ordre de ~53 km sur Ikaria à 12 km sur Tinos, impliquant une exhumation des schistes bleus d'une
profondeur inférieure à 10 km. Par conséquent, les failles normales Miocène des îles Cycladiques ne sont pas
responsables d'une exhumation importante des schistes bleus. Ces failles normales à fortes vitesses de
glissement ont accommodé l'ouverture de la mer Egée.
Finalement, bien que des différences existent dans les âges, les vitesses ou bien la profondeur
d'enracinement de ces systèmes de faille extensives, d'importantes similarités apparaissent pour la période
où les Cyclades étaient en position d'intra arc entre 15 Ma et 5 Ma.