Pre- and syn-orogenic evolution of the Variscan Moroccan Mesetas

Abstract

The Rheic Ocean was formed by the early Paleozoic drifting of Avalonian (Amazonian-type) terranes from northwest Gondwana. These terranes docked with Laurentia and Baltica during middle Paleozoic time (Acadian/Caledonian orogeny) forming Laurussia. The late Paleozoic Variscan/Alleghanian orogeny resulted from the closure of the Rheic Ocean and the subsequent collision among Laurussia, Gondwana and a number of peri-Gondwanan terranes. In the European portion of the Variscan belt, the Rheic suture is considered to run from Poland to SW Iberia, separating Avalonian terranes to the west from Gondwanan terranes to the east, although true Rheic Ocean ophiolites have not been found yet. To the south, the Rheic suture might reappear in the Mauritanides. In between, the northern Moroccan Variscides, which include the Moroccan Mesetas, are considered part of the northern Gondwana margin involved in the Variscan orogeny, although the trace of the Rheic suture is uncertain or even nonexistent. This Ph.D. Thesis investigates the Paleozoic Moroccan Mesetas, with focus on: (i) sediment provenance according to U-Pb and Hf isotopic analyses on detrital zircon grains, and (ii) the Variscan evolution based on detailed structural analysis of selected areas. The obtained results shed light on: (i) the pre- and syn-orogenic Paleozoic paleogeography, (ii) the Eo-Variscan tectonics, and (iii) the possible location of the Rheic suture. Detrital zircon grains from the pre-orogenic Cambrian-Devonian succession show the predominance of two populations peaked at c. 700-550 Ma (Cadomian/Pan-African orogenies) and c. 2.1 Ga (Eburnean orogeny) ages, and a general lack of Mesoproterozoic and late-Paleoproterozoic (c. 1.8-1.1 Ga) ages. These features are distinctive of the West African Craton (WAC), which therefore can be considered the main sediment source during early-middle Paleozoic time. A Stenian-Tonian (c. 1.0 Ga) detrital zircon population is locally present and points to distant and intermittent NE African sources (e.g., Sahara Metacraton, Arabian-Nubian Shield). Finally, rift-related CambrianOrdovician volcanism provided locally abundant zircon grains in the Cambrian-Lower Ordovician succession. Altogether, these data suggest that the entire region belonged to the northern Gondwana passive margin, with paleogeographic continuity among the subdomains that are traditionally described within the Moroccan Mesetas. The flysch-like Famennian-Tournaisian successions from the Tiflet (northern Western Moroccan Meseta) and Debdou-Mekkam (Eastern Moroccan Meseta) inliers show the presence of a Late Devonian (c. 370 Ma) detrital zircon population, accompanied by a noticeable number of Mesoproterozoic-late Paleoproterozoic (c. 1.8-1.1 Ga) grains. These ages, unknown in the WAC, could have been provided by an active Avalonian (Amazonian-type) arc approaching the northern Gondwana margin during the Rheic Ocean closure. The appearance of these exotic detrital zircon populations was immediately followed by an Eo-Variscan intense deformational phase that has been studied in the DebdouMekkam region. In these inliers, a thick Famennian-Tournaisian succession is strongly deformed by folds that are tight to isoclinal, overturned to recumbent, have SE regional vergence, and are associated with axial-planar cleavage. The reconstructed folded structure implies an important NW-SE shortening, which is interpreted as the result of a frontal SE-directed push of the Avalonian promontory. Accordingly, the Rheic suture would be concealed in between this Avalonian promontory and the Gondwanan margin. Lateral correlatives of the suture are likely found (i) to the north at the boundary between the Ossa-Morena and South Portuguese Zones, and (ii) to the west in the late Variscan thrust which superposed the Caledonian Sehoul Block onto the Western Moroccan Meseta. The post-Eo-Variscan succession also shows a WAC affinity, with variable record of NE African and Avalonian sources and local Variscan granitoids sources.

El Océano Rheico se formó por la separación de terrenos Avalonianos (de tipo Amazónico) del borde noroeste del continente Gondwana. Tales terrenos colisionaron con Laurentia y Báltica durante el Paleozoico medio dando lugar a la orogenia Acadiense/Caledoniana y a la formación del continente Laurrusia. Durante el Paleozoico superior, el cierre del Océano Rheico y posterior colisión entre Laurrusia, Gondwana y una serie de fragmentos peri-Gondwánicos formó el orógeno Varisco/Apalachiano. En la parte europea de la cadena Varisca, la sutura Rheica discurre probablemente desde Polonia hasta el sudoeste de Iberia, separando terrenos Avalonianos al oeste y terrenos Gondwánicos al este, si bien no se conocen ofiolitas verdaderamente Rheicas. Más al sur, la sutura Rheica podría localizarse de nuevo en los Mauritánides. Entre ambas regiones, se sitúan los macizos Variscos del norte de Marruecos (incluyendo la Meseta Marroquí), que se interpretan como parte del margen septentrional de Gondwana involucrado en la orogenia Varisca, y donde se desconoce, si es que existe, la posición de la sutura Rheica. La presente Tesis Doctoral investiga el Paleozoico de la Meseta Marroquí, prestando especial atención a: (i) la procedencia de sedimentos mediante el análisis sistemático de los isotopos de U-Pb y Hf de poblaciones de circones detríticos, y (ii) la evolución Varisca mediante el estudio estructural detallado de algunos sectores clave. Los resultados obtenidos constituyen un avance importante en el conocimiento de: (i) la paleogeografía Paleozoica pre- y sin-orogénica, (ii) la tectónica Eo-Varisca, y (iii) la posible situación de la sutura Rheica. Los circones detríticos de la sucesión pre-orogénica (Cámbrico-Devónico) se agrupan en dos poblaciones principales con edades de c. 700-550 Ma (orogenia Cadomiense/PanAfricana) y c. 2.1 Ga (orogenia Eburniense), y no existen apenas circones Mesoproterozoicos o tardi-Paleoproterozoicos (c. 1.8-1.1 Ga). Tal distribución de edades es representativa del Cratón Africano Occidental, el cual sería por tanto la fuente principal de sedimentos en la Meseta Marroquí durante del Paleozoico inferior y medio. Además, algunas muestras tienen una población variable de edad c. 1.0 Ga (Esténico-Tónico inferior), cuya fuente, relativamente lejana y con aportes detríticos intermitentes, puede estar en los cratones del noreste de Africa (Metacratón del Sáhara, Escudo de ArabiaNubia). Por último, circones detríticos de edad Cambro-Ordovícico inferior constituyen poblaciones significativas en algunas muestras de esa misma edad, y se relacionan con la existencia de actividad volcánica local durante un episodio de rifting continental. En conjunto, todos los datos disponibles sugieren que la Meseta Marroquí formó parte de un único margen continental pasivo desarrollado en el norte de Gondwana, habiendo existido continuidad paleogeográfica entre los distintos sub-dominios en los que tradicionalmente se ha subdividido la Meseta Marroquí. La sucesión Fameniense-Tournaisiense de Tiflet (borde septentrional de la Meseta Occidental Marroquí) y Debdou-Mekkam (Meseta Oriental Marroquí) incluye, además de las dos poblaciones dominantes en las sucesión Cambro-Devónica, circones detríticos del Devónico superior (c. 370 Ma, con valores de Hf positivos) y del MesoproterozoicoPaleoproterozoico superior (c. 1.8-1.1 Ma). Tales edades se desconocen en el Cratón Africano Occidental. Estos circones exóticos podrían provenir de la erosión de un arco magmático Devónico desarrollado sobre un basamento Avaloniano, durante su aproximación al margen de Gondwana al final del cierre del Océano Rheico. Tras el cierre del Océano Rheico, tuvo lugar un episodio de intensa deformación EoVarisca, que ha sido estudiada en la región de Debdou-Mekkam. Aquí, la sucesión Fameniense-Tournaisiense, de gran espesor y carácter flyschoide, está deformada por pliegues con foliación de plano-axial, cuya vergencia regional es hacia el sudeste y sus geometrías isoclinales, volcadas y recumbentes. El tren de pliegues reconstruido implica un importante acortamiento de orientación NO-SE, que se interpreta como el resultado del empuje frontal hacia el sudeste de un promontorio Avaloniano. Por tanto, la sutura Rheica se localizaría de manera críptica entre este promontorio avaloniano y el margen de Gondwana. La sutura continuaría hacia el norte a lo largo del límite entre la Zonas de Ossa-Morena y Sud-Portuguesa, y hacia el oeste estaría oculta bajo el cabalgamiento que superpuso el Bloque Caledoniano de Sehoul sobre La Meseta Occidental Marroquí. Los circones detríticos de la sucesión post-Eo-Varisca de la Meseta Marroquí también muestran afinidad con el Cratón Africano Occidental, más un registro variable procedente de fuentes Avalonianas y de granitos Variscos.