Decoding low-temperature thermochronology signals in mountain belts: modelling the role of rift thermal imprint into continental collision

Décrypter les signaux de thermochronologie basse température dans les chaînes de montagnes : modéliser le rôle de l’héritage thermique des marges dans la collision continentale

¹ Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO), UMR 7327, Université d’Orléans, CNRS, BRGM, 45000 Orléans, France
² Géosciences Paris-Saclay (GEOPS), UMR 8184, Université Paris-Saclay, CNRS, 91405 Orsay, France
³ Géosciences Rennes, UMR 6118, Université de Rennes 1, CNRS, 35042 Rennes, France
⁴ Géosciences Environnement Toulouse (GET), Université de Toulouse, CNRS, IRD, CNES, UPS, 31400 Toulouse, France
⁵ TotalEnergies, Centre Scientifique et Technique Jean Féger (CSTJF), 64000 Pau, France

^* Corresponding author: seb.ter@hotmail.fr

Received: 2 December 2020
Accepted: 19 July 2021

Abstract

Resolving the timing of initiation and propagation of continental accretion associated with increasing topography and exhumation is a genuinely challenging task using low-temperature thermochronology. We present an integrated thermo-mechanical and low-temperature thermochronology modelling study of tectonically-inverted hyperextended rift systems. Model low-temperature thermochronology data sets for apatite (U-Th)/He, apatite fission-track, zircon (U-Th)/He and zircon fission-track systems, which are four widely used thermochronometric systems in orogenic settings, are generated from fourteen locations across a model collisional, doubly-vergent orogen. Our approach allows prediction of specific, distinct low-temperature thermochronology signatures for each domain (proximal, necking, hyperextended, exhumed mantle) of the two rifted margins that, in turn, enable deciphering which parts of the margins are involved in orogenic wedge development. Our results show that a combination of zircon (U-Th)/He and apatite fission-track data allows diagnostic investigation of model orogen tectonics and offers the most valuable source of thermochronological information for the reconstruction of the crustal architecture of the model inverted rifted margins. The two thermochronometric systems have actually very close and wide closure windows, allowing to study orogenic processes over a larger temperature range, and therefore over a longer period of time. Comparison of model data for inverted rifted margins with model data for non-inverted, purely thermally-relaxed rifted margins enables assessing the actual contribution of tectonic inversion with respect to thermal relaxation. We apply this approach to one of the best-documented natural examples of inverted rift systems, the Pyrenees. Similarities between our thermochronometric modelling results and published low-temperature thermochronology data from the Pyrenees provide new insights into the evolution of the range from rifting to collision. In particular, they suggest that the core of the Pyrenean orogen, the Axial Zone, consists of the inverted lower plate necking and hyperextended domains while the Pyrenean retrowedge fold-and-thrust belt, the North Pyrenean Zone, represents the inverted upper plate distal rifted margin (exhumed mantle, hyperextended and necking domains). This is in good agreement with previous, independent reconstructions from literature, showing the power that our integrated study offers in identifying processes involved in orogenesis, especially early inversion, as well as in predicting which domains of rifted margins are accreted during mountain building.

Résumé

Identifier au moyen de la thermochronologie basse température le moment à partir duquel l’accrétion continentale s’amorce et se propage est une tâche difficile. Dans cette étude, nous couplons modélisation thermomécanique de systèmes hyper-amincis inversés et thermochronologie basse température pour prédire la signature thermochronologique de quatre systèmes basse température communément utilisés en domaine orogénique ((U-Th)/He sur apatite, traces de fission sur apatite, (U-Th)/He sur zircon et traces de fission sur zircon). Notre approche de modélisation permet de prédire les signatures thermochronologiques basse température propres à chaque domaine de marge du système extensif (domaine proximal, zone de neck, domaine hyper-aminci et domaine de manteau exhumé). Ces signatures permettent en retour d’identifier les domaines de marge impliqués dans l’accrétion continentale qui suit l’extension. Nos résultats montrent que la combinaison des signatures thermochronologiques des systèmes (U-Th)/He sur zircon et traces de fission sur apatite renseigne sur les processus mis en jeu lors de la formation d’un orogène collisionnel à double vergence, ainsi que sur l’architecture des marges inversées durant l’orogénèse. Les deux systèmes thermochronométriques possèdent en effet des gammes de température de fermeture voisines et relativement larges, permettant d’étudier les processus orogéniques sur un intervalle de températures plus grand, et donc sur une période de temps plus longue. La comparaison des signatures thermochronologiques prédites dans un modèle thermomécanique d’inversion avec celles prédites dans un modèle de relaxation thermique, sans convergence postérieure à l’extension, permet d’apprécier la nécessaire contribution des processus tectoniques d’inversion par rapport au processus de relaxation thermique postrift. Nous appliquons notre approche à l’un des exemples naturels les mieux documentés de systèmes de rift inversé, les Pyrénées. Les similitudes qui existent entre nos prédictions thermochronométriques et les données de thermochronologie basse température publiées pour les Pyrénées fournissent de nouvelles informations sur la formation et l’évolution de l’orogène pyrénéen. En particulier, ces similitudes suggèrent que la zone interne de déformation pyrénéenne, la Zone Axial, est constituée des domaines de neck et hyper-aminci de la plaque inférieure, inversés durant l’accrétion, tandis que le prisme orogénique qui se développe sur la plaque européenne, la Zone Nord-pyrénéenne, représente la marge distale inversée de la plaque supérieure. Ce résultat est en accord avec les précédentes reconstructions publiées de la dynamique pyrénéenne, démontrant ainsi le potentiel de notre approche dans l’identification des processus impliqués dans l’orogenèse, notamment l’inversion précoce, ainsi que dans la prédiction du type de domaine de marge accrété lors de la formation des chaînes de montagnes.