Paleoproterozoic Rocks of the Belcher Islands, Nunavut: A Review of Their Remarkable Geology and Relevance to Inuit-led Conservation Efforts

Abstract

The Paleoproterozoic Belcher Group (ca. 2.0 to 1.83 Ga) occurs on the remote Belcher Islands of Hudson Bay in Nunavut, Canada. It includes nearly nine kilometres of well-preserved siliciclastic and carbonate sedimentary rocks, deposited initially in a marginal to shallow marine setting representing one of the first true continental shelf environments on the proto-Canadian Shield. A wide variety of depositional facies exists within the Belcher Group, and it is particularly well known for its spectacular stromatolites in dolostone. In addition to these macroscopic features, two of its formations (Kasegalik and McLeary) contain intact microfossils of Eoentophysalis belcherensis, the oldest known occurrence of cyanobacteria in the geological record. The uppermost part of the Belcher Group contains sedimentary rocks of very different character that represent a younger foreland basin that developed in response to accretionary and collisional processes of the Trans-Hudson orogen. These younger formations (Omarolluk and Loaf) consist of a thick sequence of turbidites, overlain by arkose and other immature clastic sedimentary rocks. A defining characteristic of the Omarolluk Formation is the presence of calcareous concretions. The Omarolluk Formation shares attributes with “omars”, which are glacially transported clasts that occur both locally and further afield throughout parts of Canada and the northern United States and have helped characterize Pleistocene ice-flow trends across the continent.

The Belcher Group also includes two formations dominated by spectacular mafic volcanic rocks. The earlier episode, represented by the Eskimo Formation, reflects eruption of largely subaerial volcanic flows interpreted to represent flood basalt associated with the rifting of Archean basement during the establishment of the continental shelf. A later volcanic episode (the Flaherty Formation) is dominated by submarine pillowed basalt flows and has been assigned to varied tectonic settings, including volcanic arcs related to subduction and oceanic plateaus related to mantle plume activity and renewed rifting along the continental margin. This later volcanism marks the transition from shelf to foreland basin. Mafic sills and related intrusions (Haig intrusions) occur in the middle and lower part of the Belcher Group. Thermal and chemical interactions between mafic magma and calcareous shale generated unusual rocks that are well known in Nunavut as high-quality artisanal carving stone. The Belcher Group also contains Superior-type iron formations that have attracted past exploration interest.

The Belcher Group is a unique geological entity defined by its wide variety of rock types, its superb exposures, and its potential to illustrate many important geological processes in a formative time in Earth’s history. It is also a unique microfossil paleontological resource, and its deposition brackets a crucial and much-debated interval of Precambrian atmospheric and oceanic evolution. It represents an important scientific resource in the context of understanding such changes. This general review paper highlights its most important features, discusses its potential for future research and contributes to wider discussions about its possible future role as a protected area within Nunavut.

Keywords:

• Belcher Islands,
• Canadian Shield,
• Conservation,
• Geobiology,
• Paleoproterozoic,
• Superior Craton,
• Trans-Hudson Orogen

Résumé

Le groupe paléoprotérozoïque de Belcher (environ 2,0 à 1,83 Ga) se trouve sur les îles Belcher dans la baie d'Hudson au Nunavut, Canada. Il comprend près de neuf kilomètres de roches sédimentaires siliciclastiques et carbonatées bien préservées, déposées initialement dans un milieu marin marginal à peu profond, représentant l'un des premiers véritables environnements de plateau continental du proto Bouclier canadien. Une grande variété de faciès de dépôt existe au sein du groupe de Belcher, et celui-ci est particulièrement bien connu pour ses stromatolithes spectaculaires dans la dolomie. En plus de ces caractéristiques macroscopiques, deux de ses formations (Kasegalik et McLeary) contiennent des microfossiles intacts d'Eoentophysalis belcherensis, la plus ancienne occurrence connue de cyanobactéries dans les archives géologiques. La partie supérieure du groupe de Belcher contient des roches sédimentaires de caractère très différent qui représentent un bassin d'avant-pays plus jeune qui s'est formé en réponse aux processus d’accrétion et de collision de l'orogène trans-hudsonien. Ces formations plus jeunes (Omarolluk et Loaf) sont constituées d'une épaisse séquence de turbidites, recouvertes d'arkose et d'autres roches sédimentaires clastiques immatures. Une caractéristique déterminante de la formation d'Omarolluk est la présence de concrétions calcaires. La formation d'Omarolluk partage des attributs avec les « omars », qui sont des clastes transportés par les glaciers qui se retrouvent à la fois localement et plus loin dans certaines parties du Canada et du nord des États-Unis et qui ont contribué à caractériser les directions d’écoulement glaciaire du Pléistocène à travers le continent.

Le groupe de Belcher comprend également deux formations dominées par de spectaculaires roches volcaniques mafiques. L'épisode le plus ancien, représenté par la formation d’Eskimo, reflète l'éruption de coulées volcaniques en grande partie subaériennes interprétées comme représentant des basaltes de plateau associés au rift du socle archéen lors de l'établissement du plateau continental. Un épisode volcanique ultérieur (la formation de Flaherty) est dominé par des coulées sous-marines de basalte en coussins et a été attribué à divers contextes tectoniques, notamment des arcs volcaniques liés à la subduction et des plateaux océaniques liés à l'activité de panaches mantelliques et à une nouvelle phase de rift le long de la marge continentale. Ce volcanisme ultérieur marque la transition du plateau au bassin d'avant-pays. Des filons-couches mafiques et des intrusions associées (intrusions de Haig) sont présents dans la partie moyenne et inférieure du groupe de Belcher. Les interactions thermiques et chimiques entre le magma mafique et les schistes calcaires ont généré des roches inhabituelles qui sont bien connues au Nunavut comme des pierres à sculpter artisanales de haute qualité. Le groupe de Belcher contient également des formations ferrifères du type du lac Supérieur qui ont suscité un intérêt en matière d'exploration dans le passé.

Le groupe de Belcher est une entité géologique unique définie par sa grande variété de types de roches, ses superbes affleurements et son potentiel à illustrer de nombreux processus géologiques importants à une époque fondatrice dans l’histoire de la Terre. Il constitue également une ressource paléontologique de microfossiles unique, et ses dépôts se situent dans une période cruciale et très controversée de l’évolution atmosphérique et océanique du Précambrien. Il représente une ressource scientifique importante dans le contexte de la compréhension de tels changements. Cet article de synthèse générale met en lumière ses caractéristiques les plus importantes, discute de son potentiel pour de futures recherches et contribue aux discussions plus larges sur son rôle futur éventuel en tant que zone protégée au sein du Nunavut.