UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFÍSICA E CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS DEPARTAMENTO DE GEOFÍSICA Paleomagnetismo e petrogênese de unidades Paleoproterozóicas do evento Uatumã no norte do Craton Amazônico Paul Yves Jean Antonio Orientadores: Prof. Dr Manoel Souza D’Agrella Filho Prof. Dr Anne Nédélec São Paulo Novembro de 2016 Resumo Paul Yves Jean Antonio Paleomagnetismo e petrogênese de unidades Paleoproterozóicas do evento Uatumã no norte do Craton Amazônico Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de Astronomia Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP) para a obtenção do título de Doutorado em Geofísica. Orientadores: Prof. Dr Manoel Souza D’Agrella Filho Prof. Dr Anne Nédélec São Paulo Novembro de 2016 2 Resumo Paul Yves Jean Antonio Paleomagnetism and petrogenesis of Paleoproterozoic units from the Uatumã event in the northern Amazonian Craton. PhD thesis presented to the Instituto de Astronomia Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP) to obtain a PhD. In Geophysics. Supervisors: Prof. Dr Manoel Souza D’Agrella Filho Prof. Dr Anne Nédélec São Paulo November, 2016 3 Resumo AGRADECIMENTOS - REMERCIEMENTS Eu gostaria iniciar o manuscrito para agradecer em prioridade meus orientadores da tese para a orientação e a confiança para terminar este trabalho. O Prof. Manoel Souza D’Agrella Filho que me orientou desde o campo até o laboratorio e a redação. Foi ele (e seus braços) quem me deu a força para amostrar a Provincia Carajás. Je tenais aussi remercier le Prof. Anne Nédélec grâce à qui j’ai pu réaliser ce projet de recherche entre le Brésil et la France. Elle a toujours été présente dans ces 4 années de thèse pour prendre du temps afin de répondre à toutes mes questions. Gostaria agradecer também o Prof. Ricardo I.F Trindade (meu terceiro Professor). Ele estava sempre lá para me ajudar, durante minha adaptação na vida brasileira, uma “casa”, minhas questões científicas e ainda mais...Agradeço vocês por estes quatro anos de tese que me ensinaram muito, cientificamente e humanamente (mesmo se ainda meu português não é muito bom). Também gostaria agradecer todas as pessoas do laboratorio do IAG. As pessoas do secretaria que perdiram muito tempo com meus documentos (Marcel, Ana, Teca,....). Os tecnicamigos do laboratorio que são sempre presente quando nada funciona e para beber um cervejinha (Dani, Plinio, Giovanni). Também a todo os estudantes do laboratorio que ficam as noites trabalhando para a ciencia (a lista é longa...). Agradeço especialmente Franklin Bispo dos Santos que sempre me ayudou para responder a minhas perguntas (quase meu quarto professor) e para todas discussões no escritorio. Agradeço todos os Professores que me ayudaram durante los campos em Amazônia, o Prof. Davis Carvalho, o Prof. Marcia Barros, o Prof. Elming, o Prof. Roberto Dall’Agnol, e também os estudantes, Mayara Fraeda, Fernando Fernandes Da Silva, Bhrenno Marangoanha, Jão, Mariana... Também todas as pessoas do laboratorio de Ouro Preto (Prof. C. Lana, Ana que me ayudaram para datar meus zircões e os estudantes (Carmen, Capucine, Léo...) para descubrir esta cidade maravilhosa e minha Carmen (mi amor que me ayudou até o final). Agradeço todos os amigos que não são do IAG que encontrei em São Paulo com quiem eu descubri a vida brasileira (Jean Seb, Guigui, Nanahide, André, Vagner, Joelson, Ricardo, Pedro Sangafé e o O’ doborogodo, e o CEPE USP...). Agredeço também todas la pessoas com quiem eu descubri o canionismo no Brasil. De temps à autres j’étais au laboratoire du GET à Toulouse donc je remercie encore toutes les personnes du laboratoire qui m’ont beaucoup aidé. Je remercie bien sûr Philippe et Sophie du service microsonde, Thierry du service MEB, Jo et Manu en salle blanche, et Stéphanie du TIMS 4 Resumo Je remercie notamment tous les thésards et post-doc que j’ai cotoyé de près et de loin en passant par le père Boutin, Adrien, Thomas, Léandre, Damien, Arno, Bryan, Florent, Baptiste, Mathieu, Jing, Laetitia, Nicolas ; Sofia… et bien sûr Caro avec qui je partage cette fin de thèse et nos petits soucis sud-américains. Je dédicace bien sûr cette thèse à mes parents, ma grand-mère, ma famille, et mes amis qui m’ont toujours soutenus et supportés dans les moments difficiles ainsi qu’à mon papi qui est parti trop tôt et qui n’aura jamais pu voir la fin... 5 Resumo Resumo Um grande magmatismo intraplaca cobriu várias áreas (1.500.000 km2) do Cráton Amazônico há 1880 Ma, o qual define uma grande província ígnea (SLIP) chamada coletivamente de "evento Uatumã". O objetivo deste trabalho é estudar o paleomagnetismo e a petrologia dessas rochas para definir o contexto espaço-temporal do evento Uatumã e a posição do cráton Amazônico dentro do Supercontinente Columbia. Duas áreas de estudo foram escolhidas para a amostragem, localizadas no sudoeste do cráton Amazônico (Pará): (1) A região de Tucumã, onde 16 diques félsicos, 7 diques máficos, um dique de gabro e 3 sítios da granodioritos do embasamento Arqueano foram coletadas. (2) A região de São Felix do Xingu, onde 7 sitios de lavas riolíticas, 2 sitios de ignimbritos, um dique felsico e um de brechas vulcânicas da Formação Santa Rosa foram amostrados. Seis sitios da Formação Sobreiro (rochas vulcanoclásticas andesíticas) e um dique felsico da Suite Velho Guilherme foram também coletados. O estudo petrológico em amostras dos diques felsicos de Tucumã (1880.9 ± 6.7 Ma U-Pb zrn) mostra que eles representam um sistema de siques associado à Formação vulcânica Santa Rosa. A magnetização remanente dos diques felsicos é portada por magnetita PSD e hematita. A hematita é sin- a pós-magmática e a mineralogia magnética pode ser usada para quantificar esta alteração hidrothermal. Desmagnetizações AF, térmica, LTD + AF e LTD + térmica mostram uma componente característica com direção noroeste e inclinação positiva (Componente A) para amostras de 16 sítios, cuja direção média é Dm = 325,6, Im = 28,4 (N= 16, α95= 11.2, R = 14.7, k = 11.8). O pólo paleomagnético calculado com a média dos PGVs está localizado em 49.2 °N, 251.7 °E (A95 = 10.2°, K = 14.1). Entretanto, esta componente parece ser decorrente de uma remagnetização, provavelmente ocorrida durante o final do Neoproterozoico. Outra componente (chamada de Componente B) foi também isolada para estas rochas, a qual foi associada a uma remagnetização regional ocorrida durante a formação da Província Magmática do Atlântico Central (PMAC). Ainda, uma Terceira componente (C), representada por direções sudoeste e inclinações positivas baixas foi isolada para amostras de alguns sítios. Esta componente foi interpretada como sendo relacionada ao evento magmático da Suíte Intrusiva Velho Guereiro com idade de ~1860 Ma. Os melhores resultados, entretanto, foram obtidos para a região de São Felix do Xingu. Dois novos polos paleomagnéticos, considerados de origem primária, foram encontrados para o Craton Amazônico: O polo SF1 (319.7°E; 24.7°S; N=10; A95=16.9°) foi obtido para rochas félsicas e andesíticas, as quais foram datadas em 1877.4 ± 4.3 Ma (U-Pb zrn, LA-ICP-MS), sendo que sua origem primária é embasada em um teste de contato cozido inverso. A investigação petrográfica mostra que o portador magnético desta componente é atribuído à hematita, formada por processos hidrotermais tardi- a pós-magmáticos. O polo SF2 (220.1°E; 6 Resumo 31.1°S; N=15; A95=9.7°) foi determinado para a componente de magnetização revelada para o dique da Suíte Velho Guilherme, Esta componente é também encontrada como componente secundária em amostras das formações Santa Rosa e Sobreiro, além de algumas amostras de sítios coletados na região de Tucumã (Componente C). Uma idade de 1853.7 ± 6.2 Ma (U- Pb zrn, LA-ICP-MS) foi atribuída à componente SF2 e sua origem primária é confirmada pelo teste de contato cozido positivo realizado para este dique. Os polos SF1 e SF2 são bem discrepantes, embora a diferença de idade destes polos seja de apenas 25 Ma. Resultados similares têm sido obtidos para polos de mesma idade de outros blocos cratônicos (India, Superior (Laurentia), Slave (Laurentia), Kalahari, Baltica e Sibéria), os quais podem ser explicados por um evento de deriva polar verdadeira (DPV) ocorrido nesta época, em decorrência de uma reorganização do Manto. Esta época (1880 Ma) é marcada por uma alta atividade do Manto, a qual culminou com a formação do Supercontinente Columbia, por volta de 1850-1800 Ma. A formação de superplumas e o isolamento térmico causado pela consequente formação do Columbia podem ter sido causas de perturbações de densidades que alteraram o tensor inercial da Terra e, consequentemente, um evento de DPV pode ter deslocado os continente e as superplumas para a região do equador. Estas condições podem estar ligadas a uma inteira reorganização mantélica que seguiu um período de pouca atividade magmática, ocorrido entre 2400 e 2200 Ma. Palavras chaves : Cráton Amazônico, Paleomagnetismo, Columbia, Deriva polar verdadeira, Uatumã. 7 Abstract Abstract An anorogenic magmatism covered a large part (1.500.000 km2) of the Amazonian Craton at ca. 1880 Ma and defined a Silicic Large Igneous Province (SLIP) called the Uatumã event. The aim of this work is to study the paleomagnetism and petrology of these rocks to define the space-time framework of the Uatumã event and to try to elucidate the Amazonian Craton evolution during the Columbia supercontinent amalgamation. Two regions were selected in the southwestern Amazonian craton (Pará) for sampling: (1) The Tucumã area where 16 felsic dikes, 7 mafic dikes, a gabbroic dike and 3 sites of the Archean basement were collected, and (2) the São Felix do Xingu area where, 7 sites of rhyolitic lava flows, 2 sites of ignimbrites, a felsic dike and a volcanic breccia belonging to the Santa Rosa Formation were sampled, and also 6 sites of the Sobreiro Formation (volcanoclastic rocks, andesitic) and one felsic dike of the Velho Guilherme Suite were collected. Petrology of the felsic dikes of Tucumã (1880.9 ± 6.7 Ma U-Pb zrn) showed that they represent the sheeted dike system associated with the Santa Rosa volcanic Formation. The remanent magnetization of the felsic dikes is carried by PSD magnetite and hematite. This hematite is syn- to post magmatic derived from hydrothermal fluids. Magnetic mineralogy can be used as a proxy to quantify the hydrothermal alteration. AF, thermal, LTD + AF and LTD + thermal demagnetizations show a northwest direction with a positive inclination (component A), whose site mean directions gives a paleomagnetic pole located at 49.2 ° N, 251.7 ° E A95 = 10.2 °, K = 14.1). However, this component seems to represent a remagnetization, probabily occurred at Neoproterozoic times. Another magnetic component (named component B) was also isolated for these rocks, and it was associated to a Mesozoic regional remagnetization related to the Central Atlantic Magmatic Province (CAMP). Yet, a third southwestern direction with low positive inclination (component C) was also isolated for some sites. This component was interpreted to be related with the ca. 1760 Ma Velho Guilherme magmatic intrusion. The best paleomagnetic results were obtained in the São Felix do Xingu area. Two new primary paleomagnetic poles have been determined: (i) SF1 pole (319.7 ° E, 24.7 ° S, N = 10; A95 = 16.9 °) was obtained for andesites and rhyolites dated to 1877.4 ± 4.3 Ma (U-Pb zrn, LA-ICPMS), and its primary origin is confirmed by an inverse baked contact test (> 1853 Ma). Petrography shows that the magnetic mineralogy of this component is hematite formed by hydrothermal fluids syn- to post magmatic. (Ii) SF2 pole (220.1 ° E, 31.1 ° N, N = 15 ° A95 = 9.7 °) was determined by the remanent magnetization of the felsic dike of the Velho Guilherme Suite but also as secondary magnetizations in samples of the Santa Rosa and Sobreiro Formations. An age of 1853.7 ± 6.2 Ma (U-Pb zrn, LA-ICPMS) is calculated for the felsic dike carrying SF2, whose primary 8 Abstract origin is confirmed by a positive baked contact test. The SF1 and SF2 poles have a significate difference in angular distance, for a time interval of only ~ 25 Ma. Similar coeval paleomagnetic discrepancies were observed for other cratons (India, Superior (Laurentia), Slave (Laurentia), Kalahari, Baltica and Siberia), which can be explained by a True Polar Wander (TPW) event at ca. 1880 – 1860 Ma. This period is marked by a high mantle activity, which results in the amalgamation of the Columbia supercontinent, formed at ca. 1850- 1800 Ma. Amalgamation of supercontinent may cause the formation of superplume and thermal insulation which can disturb mass distribution in mantle and alter the inertial gravity tensor of the Earth. A True Polar Wander (TPW) event may thus have taken place, which will move the cratons and the superplumes towards the equator. These conditions may be related to a reorganization of the whole mantle following a global magmatic quiescence between 2400 and 2200 Ma. Keywords: Amazonian craton, Paleomagnetism, Columbia, True polar wander, Uatumã. 9 Résumé Résumé Un volumineux magmatisme anorogénique a recouvert une large partie (1.500.000 km2) du Craton Amazonien à 1880 Ma et définit une province magmatique felsique qu’on appelle l’évènement Uatumã. L’objectif de ce travail est d’étudier le paléomagnétisme ainsi que la pétrologie de ces roches afin de préciser le cadre spatio-temporel de cet évènement et de définir la place du Craton Amazonien au sein du Supercontinent Columbia. Deux régions d’études localisées dans le sud-ouest du craton Amazonien (Pará) ont permis de collecter les échantillons nécessaires : (1) la région de Tucumã où 16 dykes felsiques, 7 dykes mafiques, un dyke gabbroïque et 3 sites du socle archéen ont été collectés. (2) la région de São Felix do Xingu où on a échantillonné 7 sites de laves rhyolitiques, 2 sites d’ignimbrites, un dyke felsique et un site de brèches volcaniques qui appartiennent à la formation Santa Rosa. 6 sites de la formation Sobreiro (roches volcanoclastiques andésitiques) ainsi qu’un dyke felsique de la suite Velho Guilherme ont aussi été collectés. Un des résultats majeurs de la pétrologie des dykes felsiques de Tucumã (1880.9 ± 6.7 Ma U-Pb sur zircon) a été de montrer qu’ils représentent le système filonien associé à la formation volcanique Santa Rosa. L’aimantation rémanente des dykes felsiques est portée par la magnétite et l’hématite. Cette hématite est syn- à post-magmatique et sa formation, à partir des fluides hydrothermaux, peut être quantifiée grâce certaines propriétés magnétiques. Les désaimantations (en champ alternatif, thermiques) montrent une composante A caractéristique de direction nord-ouest avec une inclinaison positive dont la moyenne par site donne un pôle paléomagnétique localisé à 49.2 °N, 251.7 °E (A95 = 10.2°, K = 14.1). Une réaimantation régionale mésozoïque en relation avec les dykes de la CAMP (Central Atlantic Magmatic Province) est observée dans cette région. Les meilleurs résultats paléomagnétiques ont été obtenus dans la région de São Felix de Xingu. Deux nouveaux pôles paléomagnétiques primaires, ont été déterminés: (i) Le pôle SF1 (319.7 ° E, 24.7 ° S, N = 10; A95 = 16.9 °) est obtenu pour des andésites et des rhyolites datés à 1877.4 ± 4.3 Ma (U-Pb zrn, LA-ICPMS), son origine primaire est confirmée par un test de contact inverse (> 1853 Ma). La pétrographie montre que la minéralogie magnétique de cette composante est l'hématite formée par des fluides hydrothermaux syn- à post- magmatiques. (ii) Le pole SF2 (220.1 ° E, 31.1 ° N, N = 15; A95 = 9.7 °) est déterminé par l’aimantation rémanente du dyke felsique de la Suite Velho Guilherme, mais aussi par l’aimantation secondaire dans les échantillons de la formation Santa Rosa et Sobreiro. Un âge de 1853.7 ± 6.2 Ma (U-Pb zrn, LA-ICPMS) est calculé pour le dyke felsique portant SF2, dont l’origine primaire est confirmée par un test de contact positif. Les pôles SF1 et SF2 sont très différents, malgré une différence d'âge de seulement ~25 Ma. Des résultats paléomagnétiques similaires ont été obtenus pour les pôles de même âge dans d'autres cratons (Inde, Supérieur 10