Post-Paleozoic evolution of the northern Ardenne Massif constrained by apatite fission-track thermochronology and geological data

Histoire post-Paléozoïque du nord du massif de l’Ardenne reconstituée à partir de la thermochronologie traces de fission dans les cristaux d’apatite et des données géologiques

¹ GEOPS, Université Paris-Sud, CNRS, Université Paris-Saclay, Rue du Belvédère, Bât. 504, 91405 Orsay, France
² BRGM (French Geological Survey), DGR/GAT, BP 36009, 45060 Orléans cedex 2, France
³ UMR 7327 BRGM-Université d’Orléans-CNRS, Campus Géosciences, 1A rue de la Férollerie, 45071 Orléans cedex 2, France
⁴ Université Catholique de Louvain, Earth and Life Institute, pl. L. Pasteur, 3–B-1348 Louvain-la-Neuve, Belgium
⁵ Géologie Fondamentale et Appliquée, Faculté Polytechnique de Mons, Université de Mons, 9 rue de Houdain, 7000 Mons, Belgium
⁶ University of Namur, Department of Geology, “Institute of Life, Earth and Environment” ILEE, 61 rue de Bruxelles, 5000 Namur, Belgium

^* Corresponding author: jocelyn.barbarand@u-psud.fr

Received: 27 March 2018
Accepted: 6 September 2018

Abstract

The exhumation history of basement areas is poorly constrained because of large gaps in the sedimentary record. Indirect methods including low temperature thermochronology may be used to estimate exhumation but these require an inverse modeling procedure to interpret the data. Solutions from such modeling are not always satisfactory as they may be too broad or may conflict with independent geological data. This study shows that the input of geological constraints is necessary to obtain a valuable and refined exhumation history and to identify the presence of a former sedimentary cover presently completely eroded. Apatite fission-track (AFT) data have been acquired on the northern part of the Ardenne Massif close to the Variscan front and in the southern Brabant, in particular for the Visean ash-beds. Apatite fission-track ages for surface samples range between 140 ± 13 and 261 ± 33 Ma and confined tracks lengths are ranging between 12.6 ± 0.2 and 13.8 ± 0.2 μm. Thermal inversion has been realized assuming that (1) samples were close to the surface (20–40 °C) during Triassic times, this is supported by remnants of detrital Upper Permian–Triassic sediments preserved in the south of the Ardenne and in the east (border of the Roer Graben and Malmédy Graben), and (2) terrestrial conditions prevailed during the Early Cretaceous for the Ardenne Massif, as indicated by radiometric ages on paleoweathering products. Inversion of the AFT data characterizes higher temperatures than surface temperatures during most of the Jurassic. Temperature range is wide but is compatible with the deposition on the northern Ardenne of a significant sedimentary cover, which has been later eroded during the Late Jurassic and/or the Early Cretaceous. Despite the presence of small outliers of Late Cretaceous (Hautes Fagnes area), no evidence is recorded by the fission-track data for the deposition of a significant chalk cover as highlighted in different parts of western Europe. These results question the existence of the London-Brabant Massif as a permanent positive structure during the Mesozoic.

Résumé

L’évaluation des épaisseurs érodées sur les socles n’est pas immédiate car l’absence fréquente de couverture sédimentaire rend muette leur quantification sur une grande période de temps. Des méthodes indirectes comme la thermochronologie basse température permettent d’appréhender l’érosion à condition d’inverser correctement les données par modélisation. Les résultats de l’inversion ne sont pas toujours en accord avec les données géologiques ou sont trop imprécis pour être pertinents. Cette étude montre que la prise en compte de contraintes géologiques est nécessaire pour obtenir une histoire cohérente, définir l’ampleur de l’érosion et identifier la présence d’une couverture sédimentaire aujourd’hui érodée. Des données traces de fission dans les cristaux d’apatite ont été réalisées dans le nord du massif de l’Ardenne à proximité du front varisque et au sud du Massif du Brabant, en particulier sur des échantillons de cinérites viséennes. Les âges traces de fission des échantillons prélevés à la surface varient entre 140 ± 13 et 261 ± 33 Ma et la longueur des traces confinées horizontales est comprise entre 12,6 ± 0,2 et 13,8 ± 0,2 μm. L’inversion thermique de ces données a été réalisée en prenant comme hypothèses : (1) la proximité des échantillons de la surface (20–40 °C) au cours du Trias, hypothèse étayée par des témoins de couverture du Permien supérieur et du Trias au sud et à l’est du massif de l’Ardenne (grabens de la Roer et de Malmédy) ; (2) l’existence de conditions continentales au cours du Crétacé inférieur, en accord avec des âges de cette période pour des profils d’altération datés localisés dans le massif de l’Ardenne. Le résultat de cette inversion suggère des températures assez élevées au cours du Jurassique. Ces températures sont interprétées comme le résultat du dépôt d’une couverture sédimentaire qui a ensuite été érodée au Jurassique supérieur et/ou au Crétacé inférieur. Malgré la présence de quelques témoins du Crétacé supérieur (notamment dans les Hautes Fagnes), les données ne permettent pas de détecter le dépôt d’une série épaisse datée du Crétacé supérieur comme c’est le cas dans plusieurs régions d’Europe de l’Ouest. Ces résultats remettent en question l’existence de la structure positive du massif de Londres-Brabant au cours du Jurassique en identifiant des mouvements verticaux significatifs.