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Canadian Science Publishing, Canadian Journal of Earth Sciences, 3(39), p. 375-398

DOI: 10.1139/e01-064

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Deep Probe: Imaging the roots of western North America

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Abstract

Analysis of the Lithoprobe Deep Probe and Southern Alberta Refraction Experiment data sets, focusing on the region between Deep Probe shots 43 and 55, has resulted in a continental-scale velocity structural model of the lithosphere of platformal western Laurentia reaching depths of ~150 km. Three major lithospheric blocks were investigated: (i) the Hearne Province, a typical continental Archean cratonic province lying beneath the Western Canada Sedimentary Basin; (ii) the Wyoming Province, an even older block of Phanerozoic-modified Archean crust with an enigmatic lower lithosphere; and (iii) the Yavapai–Mazatzal Province, Proterozoic terranes underlying the Colorado Plateau and Southern Rocky Mountains. In this study, the northern two of these regions are investigated with a modified ray-theoretical traveltime inversion routine that respects the spherical geometry of the Earth. The resulting crustal velocity structure, combined with supporting geological and geophysical data, reveals that the Medicine Hat block (MHB), lying between the Hearne and Wyoming provinces, is a third independent Archean crustal block. The subcrustal lithosphere along the profile is homogeneous in velocity structure, but two significant northward-dipping reflectors are apparent and interpreted as relic subduction zones associated with sutures between the three Archean blocks. The Hearne crust is typical of an Archean shield or platform both in its thickness of 34–50 km and its seismic velocity structure. The crust of the Archean MHB and Wyoming Province, which ranges in thickness from 49 to 60 km, includes a 10–30 km thick high-velocity layer, interpreted to be Proterozoic in age. Such a feature is unexpected beneath Archean crustal provinces, but if the region is considered to be the remanent marginal portion of a larger Archean continent, then the interpreted Proterozoic underplating and lack of an Archean lithospheric root can be explained. The variable topography along the reflective upper and lower boundaries of this layer, especially within the MHB, suggests considerable variability in its emplacement and subsequent tectonic history.L'analyse des ensembles de données du Deep Probe and Southern Alberta Refraction experiment du projet Lithoprobe, qui traitent de la région entre les tirs Deep Probe 43 et 55, a fournit un modèle structural de vitesse, à l'échelle du continent, de la lithosphère de la plate-forme de la Laurentia occidentale atteignant des profondeurs de ~150 km. Trois blocs lithosphériques majeurs ont été étudiés : (i) la province de Hearne, une province cratonique continentale archéenne typique qui est sous-jacente au bassin sédimentaire de l'Ouest canadien, (ii) la province de Wyoming, un bloc encore plus âgé de croûte archéenne modifiée au Phanérozoïque avec une lithosphère inférieure énigmatique et (iii) la province de Yavapai–Mazatzal, des terranes datant du Protérozoïque qui reposent sous le plateau du Colorado et les Rocheuses du Sud. Dans cette étude, les deux régions les plus au nord sont étudiées avec un système de calcul d'inversion dromochronique modifié à parcours théorique d'un rayon qui respecte la géométrie sphérique de la Terre. La structure de vitesse crustale qui en résulte, combinée à des données géologiques et géophysiques qui la supportent, fait ressortir que le bloc de Medicine Hat, placé entre les provinces de Hearne et de Wyoming, est un troisième bloc crustal indépendant datant de l'Archéen. Le long du profil, la lithosphère sous-crustale a une structure de vitesse homogène mais deux importants réflecteurs à pendage vers le nord sont apparents et on les interprète comme des zones reliques de subduction associées aux sutures entre les trois blocs archéens. La croûte Hearne est typique d'un bouclier archéen ou d'une plate-forme à cause de son épaisseur de 34 à 50 km et la structure de sa vitesse sismique. La croûte du bloc de Medicine Hat et de la province de Wyoming (Archéen), dont l'épaisseur varie de 49 à 60 km, comprend une couche de haute vitesse d'une épaisseur de 10 à 30 km que l'on attribue au Protérozoïque. Une telle caractéristique est inattendue sous des provinces crustales de l'Archéen, mais si l'on considère que la région est ce qui reste de la marge d'un continent archéen plus grand, on peut alors expliquer l'interprétation de sous-placage au Protérozoïque et le manque d'une racine lithosphérique arch&e