Post-peak Evolution of the Muskoka Domain, Western Grenville Province: Ductile Detachment Zone in a Crustal-scale Metamorphic Core Complex

Abstract

The Ottawa River Gneiss Complex (ORGC) in the western Grenville Province of Ontario and Quebec is interpreted as the exhumed mid-crustal core of a large metamorphic core complex. This paper concerns the post-peak evolution of the Muskoka domain, the highest structural level in the southern ORGC that is largely composed of amphibolite-facies straight gneiss derived from retrogressed granulite-facies precursors. It is argued that retrogression and high strain occurred during orogenic collapse and that the Muskoka domain acted as the ductile detachment zone between two stronger crustal units, the underlying granulite-facies core known as the Algonquin domain and the overlying lower grade cover comprising the Composite Arc Belt. Formation of the metamorphic core complex followed Ottawan crustal thickening, peak metamorphism and possible channel flow, and took place in a regime of crustal thinning and gravitational collapse in which the cool brittle–ductile upper crust underwent megaboudinage and the underlying hot ductile mid crust flowed into the intervening megaboudin neck regions. Post-peak crustal thinning in the Muskoka domain began under suprasolidus conditions, was facilitated by widespread retrogression, and was heterogeneous, perhaps attaining ~90% locally. It was associated with a range of ductile, high-temperature extensional structures including multi-order boudinage and associated extensional bending folds, and a regional system of extension-dominated transtensional cross-folds. These ductile structures were followed by brittle–ductile fault propagation folding at higher crustal level after the gneiss complex was substantially exhumed and cooled. Collectively the data record ~60 m.y. of post-peak extension on the margin of an exceptionally large metamorphic core complex in which the ductile detachment zone has a true thickness of ~7 km. The large scale of the core complex is consistent with the deep level of erosion, and the long duration of extensional collapse is compatible with double thickness crust at the metamorphic peak, the presence of abundant leucosome in the mid crust and widespread fluid-fluxed retrogression, collectively pointing to the important role of core complexes in crustal cooling after the peak of the Grenvillian Orogeny.RÉSUMÉLe complexe gneissique de la rivière des Outaouais (ORGC) dans la portion ouest de la Province de Grenville au Québec et en Ontario est interprété comme le cœur d’un grand complexe métamorphique à coeur de noyau. Le présent article porte sur l’évolution post-pic du domaine de Muskoka, soit le niveau structural le plus élevé de l’ORGC composé en grande partie d’orthogneiss au faciès amphibolite dérivés de précurseurs au faciès granulite. Nous soutenons que la rétromorphose et les grandes déformations se sont produites durant l’effondrement orogénique et que le domaine de Muskoka en a été une zone de détachement ductile entre deux unités crustales plus résistantes, le cœur au faciès granulite sous-jacent étant le domaine Algonquin, et la chapeau sus-jacent à plus faible grade de métamorphisme comprenant le Ceinture d’Arc Composite. La formation du complexe métamorphique à coeur de noyau est survenue après l’épaississement crustale ottavien, le pic métamorphique et le possible flux en chenal, et s’est produit en régime d’amincissement crustal et d’effondrement gravitationnel au cours duquel la croûte supérieure refroidie a subit un mégaboudinage et où la croûte moyenne chaude et ductile sous-jacente a flué dans les régions entre les mégaboudins. L’amincissement crustale post-pic dans le domaine de Muskoka, qui a débuté en conditions suprasolidus, a été facilité par une rétromorphose généralisée, hétérogène, atteignant à peu près 90 % par endroits. Celle-ci a été associée avec une gamme de structures d’extension ductiles de haute température, incluant du boudinage de plusieurs ordres de grandeur et de plis de flexure d’extension, ainsi qu’un système régional de plis croisés d’origine transtensionnelle. À ces structures ductiles a succédé une phase de plissement de propagation de failles cassantes à ductiles à un plus haut niveau crustal, après que le complexe gneissique ait été exhumé et se soit refroidi. Prises ensemble, les données indiquent une extension post-pic sur la marge d’un complexe métamorphique à coeur de noyau exceptionnellement grand aux environs de 60 m.y. et dans laquelle la zone de détachement montre une épaisseur véritable d’environ 7 km. La grandeur de l’échelle du complexe métamorphique à coeur de noyau concorde avec le fort niveau d’érosion, et la grande durée de l’effondrement d’extension est compatible avec une croûte de double épaisseur au pic de métamorphisme, la présence de leucosomes abondants dans la croûte moyenne et d’une rétromorphose à flux fluidique généralisée, l’ensemble indiquant l’importance du rôle des complexes métamorphiques à coeur de noyau dans le refroidissement de la croûte après le pic de l’orogenèse grenvillienne.