Pétrologie et géochimie des pyroxénites du complexe de Cabo Ortegal, Espagne

Petrology and geochemistry of pyroxenites from the Cabo Ortegal Complex, Spain

• Auteur / Autrice : Romain Tilhac
• Direction : Michel Grégoire, Damien Guillaume, Suzanne O'Reilly, William L. Griffin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 22/08/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magmatisme

Métasomatisme

Roches basiques

Mots clés libres

Complexe de Cabo Ortegal

Pyroxénites mantelliques

Magmatisme d'arc

Métasomatisme de subduction

Amphibolitisation

Isotopes radiogéniques

Cabo ortegal complex

Mantle pyroxenites

Arc magmatism

Subduction metasomatism

Résumé

Les roches mafiques telles que les pyroxénites jouent un rôle majeur dans le développement des hétérogénéités du manteau supérieur et le recyclage des éléments entre la Terre interne et ses enveloppes externes. Les pyroxénites sont notamment impliquées dans la différenciation des magmas d'arc primitifs dont la genèse a eu un impact important sur la formation des continents depuis l'Archéen. La rareté des affleurements de sections profondes d'arc limite cependant notre compréhension de la migration des liquides magmatiques et de leur interaction avec les roches encaissantes. Dans la suture Varisque du nord-ouest de l'Ibérie, le massif de Herbeira du complexe de Cabo Ortegal représente un affleurement unique d'harzburgites, de dunites et chromitites, et d'abondantes pyroxenites issues du manteau sub-arc. Cependant, les processus responsables de leur abondance et de leurs caractéristiques géochimiques ne sont pas bien contraints, en particulier en raison d'une histoire tectono-métamorphique polyphasée. Cette étude présente de nouvelles observations pétrographiques et de terrain, et la composition en éléments majeurs et traces, et en isotopes radiogéniques (Sr, Nd, Hf et Os) de ces pyroxénites. Après avoir contraint les effets des processus secondaires, il est démontré que la faible teneur en Al des pyroxènes, la forte abondance des éléments compatibles et l'absence de plagioclase sont liées au caractère hydraté et primitif des magmas parents. Les webstérites et clinopyroxénites à olivine (de type 1) qui préservent des lentilles de dunite, et leurs dérivés foliés (de type 3), ont enregistré le remplacement partiel de péridotites à rapports magma/roche décroissants, suite à l'intrusion de magmas picritiques à relativement faible profondeur (< 1,2 GPa), potentiellement au sein d'une racine d'arc. Les webstérites massives (de type 2) représentent le produit final de cette réaction à des rapports magma/roche plus élevés, potentiellement sous forme de veines et filons cristallisés à partir de magmas boninitiques différenciés des magmas initialement picritiques. L'interaction entre ces magmas enrichis en Si et les dunites a produit de rares webstérites à opx (de type 4). La rééquilibration chromatographique a accompagné la cristallisation d'amphibole à partir de liquides magmatiques résiduels, percolant ou piégés, ce qui a produit une large gamme de profils de terres rares, en accord avec la composition du Nd progressivement non-radiogénique. Les forts rapports CaO/Al2O3 et l'enrichissement spécifique des LILE par rapport aux HFSE suggèrent la génération de magmas parents riches en Ca par des faibles degrés de fusion d'une lherzolite réfractaire à < 2 GPa, suite à la percolation de fluides issus du slab et/ou de carbonatites. La systématique des isotopes radiogéniques indique l'implication d'un manteau ancien et métasomatisé, suggérant la remobilisation d'une marge continentale par ce magmatisme d'arc, et de sediments recyclés. La géochronologie de ces mêmes isotopes suggère que les pyroxénites de Cabo Ortegal se sont formées autours de 500 Ma, impliquant que les âges précédemment reportés à ~ 390 Ma correspondent probablement à un épisode métamorphique. Les pyroxénites et leurs péridotites hôtes ont enregistré le développement de plis en fourreaux et de mylonites faisant eux-mêmes suite à un épisode de déformation à haute température. Nous proposons que cette transition correspond à la délamination de la racine d'arc, associée à du métamorphisme prograde jusqu'à 1,6-1,8 GPa et 780-800°C. L'exhumation dans une zone de subduction a ensuite été accompagnée par de l'hydratation, comme le suggère l'abondance d'amphiboles automorphes, et par l'addition de S et la mobilisation du Re, comme en témoignent la composition isotopique de l'Os. Le complexe de Cabo Ortegal préserve donc un exemple unique de racine d'arc délaminée qui illustre le rôle de l'interaction magma-roche pendant la différentiation des magmas d'arc primitifs en profondeur.

Mafic lithologies such as pyroxenites play a major role in the development of chemical heterogeneity in the upper mantle and in the recycling of elements between the deep Earth and its external envelopes. Pyroxenites are notably involved in the differentiation of primitive arc magmas whose genesis has had a major impact on continent formation in post-Archean times, but the rarity of exposures of deep arc sections limits our understanding of melt migration and melt-rock interaction. In the Variscan suture of north-western Iberia, the Herbeira massif of the Cabo Ortegal Complex represents a unique km-scale section of sub-arc mantle harzburgites, dunites and chromitites, and abundant pyroxenites. However, the processes responsible for their abundance and geochemical characteristics are not well established, notably due to a particularly complex tectonothermal history. This work combines new field and petrographic observations with the characterization of major-, trace-element and radiogenic-isotope (Sr, Nd, Hf and Os) compositions of these pyroxenites. After constraining the effects of secondary processes by studying small-scale heterogeneities, it is shown that the low-Al content of pyroxenes, the high abundance of compatible elements and the absence of plagioclase are related to primitive hydrous parental melts. Olivine websterites and clinopyroxenites preserving dunite lenses (type 1, and their foliated type-3 products) record the partial replacement of peridotites at decreasing melt/rock ratios, following intrusion of picritic melts at relatively low pressure (< 1.2 GPa), potentially within an arc root. Massive websterites (type 2) represent the final products of this reaction at higher melt/rock ratios, potentially as veins and dykes crystallized from boninitic melts differentiated from the initial picritic melts. Interaction between these Si-rich melts and dunites produced rare opx-rich websterites (type 4). Chromatographic reequilibration accompanied the late-magmatic crystallization of amphibole from migrating or trapped residual melts, producing a range of REE patterns from spoon-shaped to strongly LREE-enriched, consistent with increasingly unradiogenic Nd compositions. Particularly high CaO/Al2O3 and the selective enrichment of LILE/HFSE in Cabo Ortegal pyroxenites suggest the generation of their Ca-rich parental melts via low-degree, second-stage melting of a refractory lherzolite at < 2 GPa, following percolation of slab-derived fluids and/or carbonatite melts. Radiogenic-isotope systematics indicate the involvement of an old metasomatized mantle domain, suggesting the reworking of a continental margin during this arc magmatism, and of recycled sediments. Their geochronology suggests that Cabo Ortegal pyroxenites formed at around 500 Ma, which implies that previously reported ages around 390 Ma probably correspond to a metamorphic event. Pyroxenites and their host peridotites then recorded the development of sheath folds and mylonites following high-temperature deformation. We suggest that this episode corresponds to the delamination of the arc root associated with prograde metamorphism peaking at 1.6-1.8 GPa and 780-800°C. Exhumation of the arc root after its intrusion into a subduction zone was accompanied by hydration, as suggested by abundant post-kinematic amphibole, and by addition of S and mobilization of Re, as suggested by Os-isotope systematics. The Cabo Ortegal Complex may thus preserve a unique example of delaminated arc root, bearing evidence of the role of melt-peridotite interaction during the differentiation of primitive arc magmas at depth.