Magmatism and Extension in the Foreland and Near-Trench Region of Collisional and Convergent Tectonic Systems

Abstract

Foreland magmatism occurs in the lower plate during arc–continent or continent–continent collision, although it is uncommon. Ancient examples are recognized by a stratigraphic section into which mafic lavas and/or shallow sills are emplaced at a level at the top of a passive margin cover sequence, or within the overlying deeper water deposits that include mudrocks and flysch-type turbidites. Extensional structures associated with the emplacement of the volcanic rocks may develop slightly prior to or contemporaneous with the arrival of the approaching thrust front. We have selected twelve examples of magmatism in collisional forelands, modern and ancient, and have compared the tectonic associations of the magmatism with the magmatic geochemistry. Foreland magmatic settings fall into two strikingly distinct geochemical groups: a more enriched alkaline group (Rhine-type) and a more heterogeneous tholeiitic group (Maine-type) that may show traces of prior subduction processes. In the examples where the contemporaneous extensional structures are known, faults and basins develop parallel to the thrust front for the tholeiitic group and have oblique orientations, in several cases at a high angle to the thrust front, for the alkaline group. The geochemical results are quite sufficiently distinct to permit discrimination of these two foreland magmatic rock suites from each other in ancient examples where the foreland setting is clear from geological evidence. However, magmatic products of the same range of compositions can be generated in other tectonic environments (rifts, back-arc basins), so the geochemical characteristics alone are insufficient to identify a foreland basin setting. The alkaline Rhine-type group formed primarily in response to localized upwelling convective activity from the sub-asthenospheric mantle beneath the lower plate during collision while the tholeiitic Maine-type group formed primarily in response to melting of subcontinental asthenospheric mantle during extension of the lower plate by slab pull, and resulting lithospheric detachment. It is possible that there has been a long-term secular decrease in the occurrence of the Maine-type foreland magmatism since the early Proterozoic. RESUME Bien que peu frequent, il arrive qu’un magmatisme d’avantpays se produise dans la plaque inferieure durant une collision arc-continent ou continent-continent. Des exemples anciens ont ete decrits dans une coupe stratigraphique renfermant des laves mafiques et/ou des filons-couches au haut d’une sequence de couverture de marge passive, ou au sein de depots de plus grandes profondeurs comme des boues ou des turbidites de type flysch. Des structures d’etirement associees a la mise en place des roches volcaniques peuvent se developper un peu avant ou en meme temps que l’arrivee du front de chevauchement. Nous avons choisi douze exemples de magmatisme au sein d’avant-pays de collision, modernes et anciens, et nous avons compare les associations tectoniques du magmatisme avec la geochimie magmatique. Les configurations magmatiques d’avant-pays se divisent en deux groupes geochimiques tres differents : un groupe alcalin plus enrichi (type-Rhin), et un groupe tholeiitique plus heterogene (type-Maine) et qui peut montrer des traces de precedentes activites de subduction. Dans les exemples ou les structures d’etirement contemporaines sont connues, les failles et les bassins se developpent parallelement au front de chevauchement pour le groupe tholeiitique, alors que leurs orientations sont obliques, voire a angles aigus au front de chevauchement pour le groupe alcalin. Les resultats geochimiques sont suffisamment distincts pour permettre de distinguer ces deux suites de roches magmatiques dans les exemples anciens ou la configuration d’avant-pays est evidente de par sa geologie. Cependant, des produits magmatiques de meme type compositionnel peuvent advenir dans d’autres environnements tectoniques (fosses, bassins d’arriere-arc), et donc, la caracterisation geochimique seule ne permet pas de distinguer une configuration de bassin d’avant-pays. Le groupe alcalin de type-Rhin s’est principalement forme en reponse a une activite d’eruption de convection issue du manteau sous-asthenospherique sous la plaque inferieure durant la collision, alors que le groupe tholeiitique de type-Maine s’est forme principalement en reaction a la fusion du manteau sous-continental asthenospherique durant l’extension de la plaque inferieure par etirement de la plaque, et le detachement lithospherique qui en decoule. Depuis le Proterozoique, est possible qu’il y ait eu une decroissance progressive a long terme des evenements magmatiques de type-Maine.