Detrital zircon ages and the origins of the Nashoba terrane and Merrimack belt in southeastern New England, USA

Abstract

The fault-bounded Nashoba–Putnam terrane, a metamorphosed early Paleozoic, Ganderian arc/back-arc complex in SE New England, lies between rocks of Avalonian affinity to the southeast and middle Paleozoic sedimentary rocks, interpreted as cover on Ganderian basement, in the Merrimack belt to the northwest. U–Pb detrital zircon laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry analysis were conduced on six samples from the Nashoba terrane in Massachusetts and seven samples associated with the Merrimack belt in Massachusetts and SE New Hampshire to investigate their depositional ages and provenance. Samples from the Nashoba terrane yielded major age populations between ~560 and ~540 Ma, consistent with input from local sources formed during the Ediacaran–Cambrian Penobscot orogenic cycle and its basement rocks. Youngest detrital zircons in the terrane, however, are as young as the Early to Middle Ordovician. Six formations from the Merrimack belt were deposited between ~435 and 420 Ma based on youngest zircon age populations and crosscutting plutons, and yielded large ~470–443 Ma age populations. Three of these formations show only Gondwanan provenance. Three others have a mixed Gondwanan-Laurentian signal, which is known to be typical for younger and/or more westerly sedimentary rocks and may indicate that they are the youngest deposits in the Merrimack belt (late Silurian to early Devonian) and/or have been deposited in the equivalent of the more westerly Central Maine basin. Detrital zircon age populations from the Tower Hill Formation, along the faulted contact between the Merrimack belt and Nashoba terrane, are different from either of these tectonic domains and may indicate that the boundary is complex.

Résumé

Le terrane limité par des failles de Nashoba-Putnam, un complexe d’arc/arrière-arc métamorphisé gandérien du Paléozoïque précoce dans le sud-est de la Nouvelle-Angleterre, se trouve entre des roches ayant une affinité avalonienne au sud-est et des roches sédimentaires du Paléozoïque moyen, interprétées comme une couverture du socle gandérien, dans la ceinture de Merrimack au nord-ouest. Six échantillons provenant du terrane de Nashoba au Massachusetts et sept échantillons associés à la ceinture de Merrimack au Massachusetts et dans le sud-est du New Hampshire ont fait l’objet d’une analyse par spectrométrie de masse avec plasma à couplage inductif et par ablation par laser de datation U–Pb sur zircon détritique aux fins de l’examen de leurs âges sédimentaires et de leur provenance. Les échantillons provenant du terrane de Nashoba ont révélé des populations principalement âgées entre environ 560 et 540 Ma, ce qui correspond à la contribution des sources locales apparues durant le cycle orogénique édiacarien-cambrien de Penobscot et aux roches de son socle. Les zircons détritiques les plus récents dans le terrane remontent cependant seulement à l’Ordovicien précoce à moyen. Six formations de la ceinture de Merrimack se sont déposées à peu près entre 435 et 420 Ma selon les populations des âges les plus récents sur zircon et les plutons transversaux, et elles ont présenté de vastes populations âgées d’environ 470 à 443 Ma. Trois de ces formations témoignent uniquement d’une provenance gondwanienne. Trois autres évoquent de façon mixte le Gondwanien et le Laurentien, ce qui est reconnu comme un trait typique des roches sédimentaires plus récentes ou plus à l’ouest et qui pourrait révéler qu’il s’agit de dépôts plus récents dans la ceinture de Merrimack (du Silurien tardif au Dévonien précoce) ou qui se seraient mis en place dans l’unité équivalente du bassin plus occidental du centre du Maine. Les populations d’un âge sur zircon détritique de la Formation de Tower Hill le long de la zone de contact faillé entre la ceinture de Merrimack et le terrane de Nashoba diffèrent de l’un et l’autre de ces domaines tectoniques et pourraient indiquer que leur limite est complexe.