Résumé

Les formations sédimentaires Ablah correspondent à un bassin molassique du bouclier protérozoïque d'Arabie saoudite. Une coulée de rhyolite interstratifiée dans cette série a été datée à 641 + 1 Ma par la méthode Pb/Pb. Cet âge permet de considérer ce bassin comme l'expression locale de la tectonique panafricaine dans le sud du bouclier. Cette nouvelle interprétation permet d'extrapoler, dans le sud du bouclier, cette phase tectonique qui était anciennement décrite dans le nord. Elle permet également de discuter les événements post-panafricains sur l'ensemble du bouclier, qui sont différents au sud et au nord.

Mots-clés : Panafricain, Arabie, décrochement, bassin, Protérozoïque.

Abstract

The Ablah sedimentary succession represents a molasse basin in the Neoproterozoic Shield of Saudi Arabia. A rhyolite flow interbedded in the succession has been dated by the Pb/Pb method at 641 + 1 Ma, indicating that the basin is a local expression of Panafrican tectonism in the south of the shield. Consequently, the Panafrican phase that has previously been described in the north can now be extrapolated to the south of the shield. This age determination also enables post-Panafrican events, which differ between the south and the north, to be analysed over the entire shield.

Keywords: Panafrican, Saudi Arabia, strike-slip, basin, Proterozoic.

Abridged English version

The present structure of the Arabian Shield results mainly from Panafrican tectonism (Delfour, 1979; Caby, 1982), which has been defined in the northern part of the shield (fig. 1) where it is marked by the formation of the Nabitah Belt (Quick, 1991) and various peripheral ranges associated with the Najd fault system (Genna et al., 1999a). Sedimentary successions contemporaneous with this event represent foreland or intracontinental molasse basins (Genna et al., 1999b). Pre-Panafrican deformation, which resulted from the closure of the different oceanic domains (Stoeser and Camp, 1985), is difficult to decipher due to the later phases of deformation.

The Proterozoic deposits of Saudi Arabia have been classified into two distinct types since the work of Karpoff (1958), who proposed two geological units: a highly deformed and metamorphosed lower unit (Medina series) with "sericite schist, gneiss, migmatite and numerous lava flows", and a discordant, less deformed molassic upper unit. This highly schematic organization prefigured the classifications of later syntheses (Delfour, 1980; Jackson and Ramsay, 1980; Hadley and Schmidt, 1980) in which the sedimentary successions are also generally divided into two categories. The older formations (>700 Ma) are volcano-sedimentary, and were deposited in basins of oceanic affinity or in marginal seas associated with the formation of volcanic arcs. Two or three major cycles are generally differentiated during the cratonization of the Arabian-Nubian Shield (Delfour, 1979; Caby, 1982). The younger succession are of intracontinental type (molassic or volcano-sedimentary) associated with the evolution of the Proterozoic orogenies between 700 and 600 Ma; here again, various subdivisions are proposed.

In this context, the Ablah succession (figure 1b) has been variously interpreted. Some authors have included it into the older successions (Hadley and Schmidt, 1980; Jackson and Ramsay, 1980; Johnson, 1983), others have attributed it to the younger successions (Brown and Jackson, 1960; Delfour, 1980). The Ablah succession (Prinz, 1983; Greenwood, 1985; Carter and Johnson, 1987; Donzeau et Béziat, 1989) fills a generally north-south-trending trough and represents a deformed sedimentary basin between the granites of the An Nimas batholith to the east and those of the Thurat batholith to the west. In its northern part, the basin fill is globally monoclinal with an easterly dip and is affected by a set of folds parallel to its axis. The rocks are not metamorphosed. In the east, its base comprises a coarse conglomerate, several hundred metres thick, that is locally steeply tilted along a subvertical boundary fault. In the west, the basal series consists of shallow-dipping basic tuffs and lavas unconformably overlying the Thurat batholith. The asymmetry in facies of the basal rocks from west to east indicates that the basin was formed by tilting of the basement towards the east. Above the basal rocks, the fill is composed of siltstone, sandstone and conglomerate, with interbedded lava flows.

This configuration is similar to that of the Thalbah basin (Davies, 1985), which developed along a sinistral strike-slip fault of the Najd system during Panafrican tectonism in the northwest of the Arabian Shield (Delfour, 1979). The deformation within the Ablah basin increases southward as the sedimentary succession, which is capped by carbonates, increases in thickness. A vertical cleavage appears in the fold hinges, initially in the carbonate beds and then throughout the entire succession. The folds become increasingly tight and their axes sigmoidal. Yet farther south, the deformation becomes even more intense and metamorphism reaches the amphibolite facies (Greenwood, 1985), making it difficult to identify the initial organization of the sedimentary facies. According to Donzeau and Béziat (1989), on the basis of observations of the cleavage and the different generations of folds, the basin was subjected to two phases of deformation, first with dextral and then with sinistral shearing.

Dating by the Pb/Pb method was carried out on zircons from a sample collected from a rhyolite flow interbedded in a sandstone-conglomerate succession in the northern part of the basin (lat. 20°9'10"N, long. 41°51'15"E). The sample is a reddish porphyritic rhyolite with phenocrysts of rounded quartz and alkali feldspar, and showing a granophyric texture. The massive flow, some 20m thick, dips 35° to the east and overlies coarse, cross-bedded, polygenetic and silty conglomerate. Erosion truncatures seen at the base of the sandstone bed sealing this flow confirm the extrusive nature of the rhyolite. The flow forms part of the Jerub formation that is essentially composed of acid tuff, cinerite and ignimbrite (Donzeau and Béziat, 1989), and according to the nomenclature of the Ablah succession proposed by Carter and Johnson (1987), lies within the Thurat formation that occupies the top part of the basin.

The zircons from this sample are euhedral and contain numerous brown and red opaque inclusions; some show concentric zoning. 54 zircons from 100 were indexed and the population clearly plots in the lower right of Pupin's (1980) typological frequency diagram (fig. 2). The average index () of the population is 692-794, which places it in the field of magmatic rocks of mantle origin (Pupin, 1980). However, many of the zircons had too many fractures and inclusions to be indexed.

Five zircons were selected for dating. They range from 380 to 550 µm in size and show no inclusions or visible structures such as inherited cores. The method employed was direct thermal lead evaporation on single zircons using successive temperature steps (Kober, 1986, 1987; Cocherie et al., 1992). Errors on the step ages and zircon ages are given at ± 1s. The mean age was calculated using the ISOPLOT program, version 2.50 (Ludwig, 1991), and corresponds to an average weighted mean of the different temperature steps. The error on the mean age is given at ± 2s (95% confidence limit). Between one and three temperature steps were recorded for each crystal. Zircon B, with three steps, yielded the same age of 640 Ma as did zircon C (with two steps) and zircons A, D and E, each with a single step (table). No indication of inherited lead or loss of lead was observed. The ages obtained were all similar and thus retained for age calculation. The age determined, based on eight steps, is 641 ± 1 Ma (1s) (fig. 3). This is assumed to correspond to the crystallization age of the interbedded volcanic rock and, consequently, the age of sedimentation.

The succession of deformation phases earlier proposed for this basin by Donzeau and Béziat (1989) is compatible with the interpretation of regional deformation established from the study of geological maps of the shield (Prinz, 1983; Greenwood, 1985; Carter and Johnson, 1987), mineral exploration data (Koch-Mathian et al., 1994), and newly collected field data (Genna et al., 1999a). The vertical cleavage of the sedimentary rocks represents the first tectonic event to have affected the basin. As the pelitic rocks show no sub-horizontal burial cleavage, we assume that the vertical cleavage is contemporaneous with basin formation and that it is characteristic of its mode of genesis. The presence of blocks and pebbles of older rocks that crop out just east of the basin bears witness to the contemporaneous uplift of the basement there. The trough in which the Ablah succession was deposited underwent dextral shearing at this stage (Donzeau and Béziat, 1989). The age of 641 Ma of these formations corresponds to the formation of the Saudi Arabian Panafrican belt at about 600 Ma (Delfour, 1979; Johnson et al., 1993), with molasse filling the Murdama foreland basin (Quick, 1991) and other intracontinental basins, such as the Thalbah and Hadiyah basins.

The Ablah basin underwent late sinistral shearing, a deformation phase that can be interpreted from the study of the 1:250,000-scale geological maps of the Ablah (Greenwood, 1985) and Jabal al Hasir (Greenwood et al., 1986) quadrangles, which reveal numerous indications of inversion of fault mechanisms. In the basin, this deformation phase is marked by a new generation of folds that imparts a sigmoidal aspect to the first generation.

This second deformation phase is present throughout the Wadi Bidah trough (Béziat and Donzeau, 1989), which lies to the west of the Ablah trough, and is filled essentially by older (>700 Ma) volcano-sedimentary formations without younger cover that could be correlative with the Ablah succession. In the Wadi Bidah trough, which has been the subject of detailed mineral exploration work (Koch-Mathian et al., 1994), deformation is represented by vertical faults showing kinks with vertical axes that reflect sinistral shearing along the fault planes. The late phase of deformation phase in the southern half of the Arabian Shield is thus regional in scale, in contrast to the northern half where it is unknown.

The age of 641 ± 1 Ma places the Ablah succession amongst the intracontinental molasse basins of the Panafrican belt. The Ablah trough formed along a north-south-trending dextral strike-slip fault, which is comparable with the tectonic setting in the north of the Shield for this same event. This, in turn, makes it possible to extrapolate the Panafrican context, as accepted for the northern part of the shield, to the southern part. This conclusion provides a new approach to the Neoproterozoic formations of the southern Arabian shield in relation to their geodynamic context. It also makes it possible, through accurate correlation of the sedimentary formations in time, to consider the post-Murdama structural events over the entire shield. It would appear that following a long period of deformation common to the entire shield, the north and the south were marked by different geodynamic events after the Murdama.

INTRODUCTION

La structuration du bouclier arabe, ensemble granitisé d'arcs volcaniques accrétés, est principalement due à la tectonique panafricaine (Delfour, 1979 ; Caby, 1982).

La structuration anté-panafricaine, qui a abouti à la fermeture des différents domaines océaniques (Stoeser et Camp, 1985), est difficile à décrypter à travers les phases tardives de déformation.

La tectonique panafricaine (fig. 1a) est marquée par la formation de la Nabitah Belt (Quick, 1991) et de divers chaînons périphériques associés au système de failles Najd (Genna et al., 1999a). Diverses formations sédimentaires sont contemporaines de cet événement et constituent des bassins molassiques d'avant-chaîne ou intracontinentaux (Genna et al., 1999b). Parmi eux, le bassin Ablah, situé dans la partie sud du bouclier a fait l'objet d'une datation Pb/Pb et d'une nouvelle étude sédimento-structurale. Les résultats qui font l'objet de la présente note permettent de considérer ce bassin comme l'expression locale de la tectonique panafricaine dans le sud du bouclier.

LES FORMATIONS SEDIMENTAIRES DU BOUCLIER ARABE

Les formations protérozoïques d'Arabie Saoudite sont classées en deux unités distinctes depuis 1958 (Karpoff, 1958) : une unité inférieure très déformée et métamorphique (série de Médina) avec "séricitoschistes, gneiss, migmatites et nombreuses coulées de lave" et une unité supérieure, discordante, molassique et moins déformée. Cette subdivision préfigure les différentes synthèses (Delfour, 1980 ; Hadley et Schmidt, 1980 ; Jackson et Ramsay, 1980) réalisées depuis lors, notamment avec les données issues de l'élaboration des cartes géologiques au 1/250 000. Dans ces nouvelles synthèses, les formations sédimentaires sont aussi globalement classées en deux catégories. La plus ancienne est de type volcano-sédimentaire, déposée dans des bassins d'affinité océanique ou marins marginaux, associée à la formation d'arcs volcaniques. Ces formations ont plus de 700 Ma, plusieurs grands cycles sont généralement différenciés, en relation avec la cratonisation du bouclier arabo-nubien (Delfour, 1979 ; Caby, 1982). La plus récente est de type intracontinental, molassique ou volcano-sédimentaire, associée à l'évolution des orogènes protérozoïques, entre 700 et 600 Ma. Ici aussi, diverses subdivisions sont proposées.

Dans ce contexte, les formations Ablah (fig. 1b) ont été diversement interprétées. Ainsi, elles furent tantôt intégrées dans les formations anciennes (Jackson et Ramsay, 1980 ; Hadley et Schmidt, 1980 ; Johnson, 1983), tantôt dans les formations plus récentes (Brown and Jackson, 1960 ; Delfour, 1980).

Une nouvelle approche sédimento-structurale de ces formations permet de les interpréter comme contemporaines des bassins molassiques d'âge murdama du Nord du bouclier et de proposer une interprétation de cette structure dans le cadre de la chaîne panafricaine d'Arabie. Afin d'étayer cette interprétation géodynamique, une datation Pb/Pb par évaporation sur zircon a été effectuée sur une volcanite acide, interstratifiée dans une formation sédimentaire du groupe Ablah. Cette coulée appartient à la formation Jerub qui est principalement constituée de tufs acides, cinérites et ignimbrites (Donzeau et Béziat, 1989). Selon la colonne lithostratigraphique des formations sédimentaires de l'Ablah proposée par Carter et Johnson (1987), la coulée échantillonnée se situe dans la formation Thurat, qui occupe la partie sommitale du bassin. L'âge de la sédimentation est ainsi contraint et permet de classer les formations sédimentaires du groupe Ablah dans le Groupe Murdama du bouclier arabe.

Les formations Ablah d'Arabie saoudite (fig. 1b) (Prinz, 1983 ; Greenwood, 1985 ; Carter et Johnson, 1987) remplissent une gouttière de direction globalement nord-sud, postérieurement tectonisée entre les granites du batholithe An Nimas à l'est et ceux du batholithe du Thurat à l'ouest. Dans sa partie nord, le bassin est globalement monoclinal à pendage est et affecté par un train de plis parallèles à son axe. Il est peu déformé et non métamorphique. Sa base est constituée à l'est par un conglomérat grossier épais de plusieurs centaines de mètres, parfois verticalisé le long d'une faille bordière subverticale. A l'ouest, la série basale est constituée de tufs et laves basiques, peu pentées et discordantes sur le pluton du Thurat.

La dissymétrie constituée par la différence de faciès des formations de base à l'est et à l'ouest souligne le mode de formation du bassin, induit par un basculement de son substratum vers l'est. Au-dessus des formations de base, le remplissage est assuré par des silts, grès et conglomérats, avec coulées volcaniques interstratifiées. La série plissée est globalement pentée à l'est et souligne le basculement progressif du bassin pendant sa formation. Cette configuration est semblable à celle du bassin Thalbah (Davies, 1985), qui s'est développé dans le Nord-Ouest du bouclier arabe, le long d'une faille décrochante sénestre du système Najd, au cours de la tectonique panafricaine (Delfour, 1979).

Dans le bassin Ablah, la déformation s'intensifie vers le sud, où les formations sédimentaires s'épaississent. Des carbonates occupent le haut de la série. Une schistosité verticale apparaît dans les charnières de plis, tout d'abord dans les niveaux carbonatés, puis dans l'ensemble de la série. Les plis sont de plus en plus serrés et leurs axes deviennent sigmoïdes. Plus au sud encore, la déformation s'intensifie et le métamorphisme atteint le faciès amphibolite (Greenwood, 1985). Il est alors difficile de reconnaître l'organisation initiale des faciès sédimentaires.

L'observation de la schistosité et des différentes générations de plis a conduit Donzeau et Béziat (1989) à supposer l’existence de deux phases de déformation : la première en cisaillement dextre, la seconde en cisaillement sénestre.

DATATION Pb/Pb

L'échantillon étudié a été prélevé dans une coulée de rhyolite, interstratifiée dans une série locale gréso-conglomératique, dans la partie nord du bassin (lat. 20° 09' 10'' N, long. 41° 51' 15'' E). Il s'agit d'une rhyolite porphyrique rougeâtre, à texture granophyrique, phénocristaux de quartz ronds et feldspaths alcalins. La coulée massive, d'une vingtaine de mètres de puissance, présente un pendage de 35° E. Elle repose sur des conglomérats grossiers polygéniques et silteux à stratifications entrecroisées. Des figures érosionnelles observées à la base de l'assise de grès qui selle cette coulée confirment la nature effusive de cette rhyolite.

Les zircons de cet échantillon sont automorphes, très riches en inclusions opaques brunes ou rougeâtres. On observe parfois des zonations concentriques. 54% des zircons ont pu être indexés. La population est fortement regroupée dans la partie inférieure droite du diagramme de répartition typologique de Pupin (1980) (fig. 2). L'indice moyen de la population est de 692-794, ce qui la place dans le champ des roches magmatiques d'origine mantellique (Pupin, 1980). L'autre partie de la population n'a pu être indexée car elle présente trop de cassures ou d'inclusions.

Cinq zircons, dont la taille varie de 380 à 550µm et ne présentant ni inclusions, ni structures visibles de type cœur hérité, ont été sélectionnés. La méthode de datation par évaporation thermique directe de plomb sur monocristaux de zircons, en procédant par paliers de température successifs (Kober, 1986, 1987; Cocherie et al., 1992) a été utilisée. Les erreurs sur les âges par palier et par zircon sont données à ±1s. L’âge moyen est calculé par le programme ISOPLOT, version 2.50 (Ludwig, 1991), et correspond à la moyenne pondérée des différents paliers conservés. L'erreur sur l'âge est donnée à 2s (95% limite de confiance).

Chaque cristal a permis l'enregistrement de un à trois paliers de température. Le zircon B, sur trois paliers, a donné le même âge à 640 Ma. Il en est de même pour les deux paliers du zircon C et l'unique palier des zircons A, D et E (tableau). Aucun indice d'héritage ancien ou de perte de plomb n'est observé. Tous les âges obtenus sont similaires et ont été conservés pour le calcul de l'âge. L'âge ainsi déterminé sur huit paliers (cinq zircons) est de 641 ± 1 Ma (95% de limite de confiance) (fig. 3) et il est considéré comme correspondant à l'âge de cristallisation de cette volcanite interstratifiée, et donc à l'âge de la sédimentation.

DISCUSSION

La succession des phases de déformation, anciennement proposées pour ce bassin (Donzeau et Béziat, 1989), est compatible avec l'analyse régionale de la déformation établie en fonction des cartes géologiques du bouclier (Prinz, 1983 ; Greenwood, 1985 ; Carter et Johnson, 1987), des données minières (Koch-Mathian et al., 1994) et de nos nouvelles données de terrain (Genna et al., 1999a). Dans ce cadre, la schistosité verticale qui affecte les sédiments est le premier événement tectonique subi par le bassin. Les séries pélitiques ne présentent pas de schistosité d'enfouissement subhorizontale. Nous considérons donc que la schistosité verticale est contemporaine de la formation du bassin et caractérise son mode de genèse. La présence de blocs et galets de formations anciennes affleurantes à l'est immédiat du bassin témoignent de la surrection contemporaine du substratum, à l'est du bassin. Le fossé tectonique dans lequel s'est déposé la formation Ablah fonctionne à ce stade en cisaillement dextre (Donzeau et Béziat, 1989). L'âge à 641 Ma de ces formations correspond à la formation de la chaîne panafricaine d'Arabie aux alentours de 600 Ma (Delfour, 1979 ; Johnson et al., 1993), dont les molasses sont constituées par le bassin d'avant-chaîne du Murdama (Quick, 1991) et divers autres bassins intracontinentaux, comme les bassins Thalbah ou Hadiyah.

Le bassin Ablah est tardivement déformé en cisaillement sénestre. Cette phase de déformation est attestée par l'analyse des cartes géologiques au 1/250 000 (Greenwood, 1985 ; Greenwood et al., 1986), où l'on observe de nombreux mécanismes d'inversion cinématique du fonctionnement des failles. Dans le bassin, ce stade de déformation est marqué par une nouvelle génération de plis, qui donne à la première génération un aspect sigmoïde.

A l'ouest du sillon de l'Ablah, se trouve un autre sillon, celui de Wadi Bidah (Béziat et Donzeau, 1989). Il est principalement constitué de formations volcano-sédimentaires anciennes (plus de 700 Ma) et n'a pas de couverture récente, attribuable à un âge murdama. Il a fait l'objet de travaux détaillés concernant la prospection minière (Koch-Mathian et al., 1994). La phase 2 de déformation y est omniprésente. Elle est marquée par des failles verticales qui développent à leur contact des kinks à axes verticaux. Ils admettent un sens sénestre de cisaillement. Ceci met en évidence l'importance régionale de cette phase tardive de déformation dans la moitié sud du bouclier arabe, alors qu'elle n'est pas connue dans la moitié nord.

CONCLUSION

L'âge obtenu à 641 ± 1 Ma situe les formations Ablah parmi les bassins molassiques intracontinentaux de la chaîne panafricaine. Ce sillon s'est formé au contact d'un décrochement dextre, de direction nord-sud. Cette cinématique est compatible avec le contexte tectonique connu dans le nord du bouclier, pour ce même événement, sachant que le décrochement sénestre qui contrôle le bassin Thalbah au nord est conjugué au décrochement dextre du bassin Ablah. Il est ainsi possible d'étendre, dans le sud du bouclier, le contexte panafricain classiquement admis dans la partie nord jusqu'à l'heure actuelle. Cette conclusion préliminaire permet une nouvelle approche des formations du Protérozoïque supérieur du Sud du bouclier arabe, dans leur contexte géodynamique. Elle permet également par un calage précis de ces formations sédimentaires dans le temps, de discuter les événements structuraux post Murdama sur l'ensemble du bouclier. Il apparaît ainsi qu'après une longue période commune de déformation entre le nord et le sud, des événements géodynamiques différents se produisent après le Murdama dans ces deux régions.

REMERCIEMENTS

Les auteurs remercient le Docteur Tawfiq, assistant Deputy Minister for Survey and Exploration of the Deputy Ministry for Mineral Resources à Jeddah, Arabie saoudite. Cette étude est la contribution scientifique du BRGM N° 99012, avec la collaboration technique et scientifique du DMMR (Jeddah) et de F. Le Lann, J. M. Eberlé et J. M. Leistel du BRGM à Jeddah.

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FIGURES

Figure 1 : Les bassins molassiques panafricains d'Arabie saoudite dans leur contexte structural.

a : schéma structural du bouclier arabe, phase panafricaine de déformation avec localisation des formations du groupe Ablah. T : formation Thalbah, H : groupe Hadiyah, F & G : Furayh et Ghamr, M : Murdama, A : Ablah.

b : Le bassin Ablah dans son contexte structural, 1 : formations superficielles de la plaine côtière, 2 : formations volcaniques cénozoïques, contemporaines de l'ouverture de la mer Rouge, 3 : formations molassiques Ablah, 4 : formations volcano-sédimentaires anté-Ablah, 5 : formations plutoniques.

1 : formations récentes, 2 : formations volcaniques cénozoïques, 3 : bassins molassiques panafricains, 4 : formations sédimentaires anté-panafricaines, 5 : formations plutoniques, 6 : chaînon panafricain, 7 : localisation de l'échantillon analysé.

Figure 2 : Diagramme de répartition typologique (Pupin, 1980) des zircons de l'échantillon de la coulée rhyolitique 93-81 interstratifiée dans la formation de l'Ablah.

Figure 3 : Diagramme Palier de température vs. âge 207Pb/206Pb pour les zircons de la volcanite 93-81 de la formation de l'Ablah. Les barres d'erreurs sur les âges par palier sont données à ± 1s (écart-type). La partie hachurée correspond à la moyenne pondérée des différents paliers conservés avec son incertitude à ± 2s (95% limite de confiance).

Figure 3: Evaporation temperature vs. 207Pb/206Pb age plot for the volcanite (sample 93-81) from the Ablah formation. Error bars show uncertainty at the 1s level. The dashed zone corresponds to the mean weighted average age calculated from the different steps with an error at ± 2s (95% confidence limit).

Tableau : Données analytiques obtenues par évaporation du plomb sur monozircon pour la volcanite 93-81 de la formation de l'Ablah. Les erreurs sur les âges par palier et par zircon sont données à ±1s (écart-type). L'âge moyen est la moyenne pondérée des différents paliers conservés et est donné à ± 2s (95% limite de confiance).

Tableau