1 Introduction

The alkali volcanic district of Eastern Velay (French Massif Central) is characterized by an abundance of phonolitic lavas (13%) and scarcity of trachytes and rhyolites (1%) [11]. All rocks selected for this study – five basalts, one trachyte, eight phonolites – have been sampled in the southeastern part of this district (‘graben des Boutières’, Fig. 1). Their major petrographical and geochemical characteristics are summarized in Table 1. Table 2 gives their isotopic compositions (measured with a VG 54E spectrometer after separation [12]) and their ages (measured [11] or estimated according to field observation). The volcanites lie over or crosscut anatexites and cordierite granites belonging to the Hercynian post-metamorphic plutonic complex of Velay. Chemically and isotopically, this complex is very heterogeneous (136<Rb (ppm)<301; 109<Sr (ppm)<896; 0.70903<⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_m<0.74624; 5<Nd (ppm)<78.7; 0.512029<¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_m<0.512334) [14].

2 Isotopic geochemistry

3 Discussion and conclusion

As previously proposed by Villemant and Treuil [13] and clearly illustrated by the SrTh diagram (Fig. 4), the trachyte DM and the analysed phonolites result from a very important mineral fractionation (>75%, referring to Th). As suggested by Fig. 2, the DM isotopic characteristics can be easily explained by granite assimilation. Wilson et al. [16] have shown that a combined assimilation-fractional crystallization process (AFC) is the best modelling to account for the isotopic evolution of most differentiated lavas from Cantal. Such a modelling was tested for DM, using De Paolo equation [5] and taking as initial magma an average Miocene basalt (Sr=808 ppm, Nd=47 ppm, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_m=0.70341, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd=0.51287) and as potential contaminant the various Velay granites [14]. In our calculations, the bulk distribution coefficients D^Sr and D^Nd have been fixed to 2 and 1 respectively (values proposed by Wilson et al., [15]) and the fractionation ratio to 74% (estimation from the Th contents). In these conditions, the ratio of the mass of fractionated crystals to the mass of assimilate is comprised between 0.08 and 0.20, depending on the assimilated granite. This result is geologically acceptable and is in agreement with the presence of an upper crustal magmatic chamber beneath the eastern Velay, as previously postulated by several authors [7,13].

Dans toutes les grandes provinces volcaniques alcalines mio-pliocènes du Massif central, la différenciation a conduit simultanément à l'élaboration de laves saturées, sursaturées et sous-saturées en SiO₂. L'assimilation de matériel crustal en cours de différenciation a été clairement démontrée dans le cas des laves saturées et sursaturées du Cantal [15,16] et des monts Dore [1–3]. En ce qui concerne les laves différenciées sous-saturées, celles des monts Dore ne présentent pas de trace d'une telle assimilation, alors que celles du Cantal semblent en présenter. C'est dans le dessein de participer à ce débat que nous nous sommes intéressés aux phonolites du Velay oriental.

Cette province volcanique (Fig. 1), d'âge Miocène supérieur pour l'essentiel, est connue pour l'abondance de ses laves phonolitiques et la rareté de termes différenciés saturés et sursaturés (80 % de basaltes, 7 % de laves intermédiaires, moins de 1 % de trachyte et rhyolite et 13 % de phonolites [11]). Plusieurs travaux ont été consacrés aux roches volcaniques de cette région (voir bibliographie in [11]). Les 14 échantillons sélectionnés pour cette étude (Tableau 1) proviennent du graben des Boutières, au sud-est de cette province (Fig. 1). La partie nord-ouest de ce graben est comblée par une épaisse série volcanique basique (dans laquelle ont été prélevés les échantillons basaltiques B2, B3, BM et l'échantillon hawaiitique B1). Le sommet de cette série est constitué par des épanchements de laves très différenciées (dont le dôme-coulée phonolitique du Mézenc, MZ). Dans sa partie sud-est, l'érosion a entièrement démantelé la couverture volcanique et largement entaillé le socle, ce qui a conduit au déchaussement de plusieurs protrusions phonolitiques (TOU, PGB, BO, PRA, SA, TM). Seuls deux échantillons – DM (trachyte quartzifère) et GBJ (phonolite) – proviennent des marges de ce graben, marge nord-est pour le premier, sud-ouest pour le second. Dans ce secteur, le volcanisme phonolitique est significativement plus récent (8–6 Ma) que le basaltique (autour de 10–11 Ma) [11]. Cependant, quelques épanchements basaltiques d'âge Plio-Quaternaire existent : l'échantillon B4 est l'un d'entre eux. Les principales caractéristiques pétrographiques et géochimiques (analyses nouvelles) ainsi que les âges mesurés ou estimés de tous les échantillons étudiés sont consignés dans les Tableaux 1 et 2.

À noter que le substratum des coulées et l'encaissant des intrusions est constitué par le complexe anatectique du dôme thermique tardi-hercynien du Velay. Du point de vue chimique et isotopique, les anatexites et les granitoı̈des de cette région sont très hétérogènes [14] : 136<Rb (ppm)<301 ; 109<Sr (ppm)<896 ; 0,70903<⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_m<0,74624 ; 5<Nd (ppm)<78,7 ; 0,512029<¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_m<0,512334.

Les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd ont été déterminés à l'aide d'un spectromètre de masse VG 54E après séparation chimique et en utilisant les méthodes décrites par Pin [12]. Les analyses des standards SRM 987 pour le Sr et La Jolla pour le Nd ont donné, pendant la période de mesure, les résultats suivants : ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0,71025±3 et ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd=0,511850±23 ($2\sigma$, n=5). Les rapports Rb/Sr et Sm/Nd des basaltes étant faibles (ils tombent dans la gamme de reproductibilité des deux standards), aucune correction d'âge n'est nécessaire. Pour les phonolites et le trachyte, les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr mesurés ont été corrigés en fonction de leur âge KAr mesuré [11] ou présumé. Les résultats sont consignés dans le Tableau 2. Il est à noter que les données isotopiques combinées SrNd que nous présentons ici sont les premières réalisées sur les laves différenciées du Velay.

Les basaltes étudiés montrent des compositions isotopiques mesurées comprises entre 0,70326±3 et 0,70359±3 pour Sr et entre 0,512862±6 et 0,512956±9 pour Nd (Tableau 2 ; Fig. 2), comparables à celles déjà mesurées dans les basaltes mio-plio-quaternaires du Massif central [4,6,15,16] et du Languedoc [8].

Le trachyte se distingue des basaltes par un enrichissement en Sr radiogénique corrélé à un appauvrissement en Nd radiogénique (Fig. 2), rappelant les résultats obtenus sur des laves équivalentes du Cantal [6] et des monts Dore [1,3].

En ce qui concerne les phonolites, les rapports ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd sont homogènes (compris entre 0,512831±6 et 0,512913±13) et équivalents de ceux des basaltes, voire légèrement plus faibles (PGB, PRA). Quant aux rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr initiaux, ils évoluent entre 0,70335 et 0,71192 et ils tombent dans la gamme des valeurs précédemment obtenues par Hodges sur quelques phonolites du Velay [7]. On notera qu'ils sont indépendants du caractère hyperalcalin ou non des échantillons (Tableau 1). Si l'on se réfère au seul rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_i, trois groupes de phonolites peuvent être distingués (Fig. 3) :

• – un premier groupe (TOU, BO, PGB), qui montre des compositions isotopiques identiques à celles des basaltes ;
• – un deuxième groupe (PRA, SA, TM), fortement enrichi en Sr radiogénique (0,709<⁸⁷Sr/⁸⁶Sr<0,712) ;
• – un troisième groupe (MZ, GBJ) se caractérisant par des compositions isotopiques intermédiaires entre les deux précédents groupes.

À noter que les roches du groupe 2 proviennent de trois protrusions voisines situées dans la partie la plus érodée du graben des Boutières.

Les variations observées au sein des basaltes sont probablement liées, comme dans le Cantal [15,16], le Mont-Dore [3,4] et le Bas-Languedoc [8], à des hétérogénéités de source.

Le diagramme SrTh (Fig. 4) montre que trachyte et phonolites proviennent d'un fractionnement minéral massif (>75 %, si l'on se réfère au Th). La très forte chute de teneur en Sr observée entre les laves intermédiaires et les roches les plus différenciées (d'environ 1300 ppm à moins de 200) n'est explicable qu'en termes de participation importante du plagioclase dans ce fractionnement [13].

En ce qui concerne le trachyte DM, la chute de teneur en Sr s'accompagne d'un enrichissement en Sr radiogénique et d'un appauvrissement en Nd radiogénique (Fig. 2), explicables en termes de contamination par une roche du substratum. Cette contamination peut être indépendante (incorporation mécanique) ou non de la différenciation (modèle de type AFC). Pour tester ce dernier, nous avons utilisé les équations de De Paolo [5], en prenant comme magma initial un basalte ayant la composition moyenne des trois basaltes miocènes étudiés (Sr=808 ppm ; ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0,70341 ; Nd=47 ppm ; ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd=0,51287) et comme contaminant la gamme complète des granitoı̈des du Velay [14]. Dans nos calculs, le coefficient de distribution global a été estimé à 2 pour le Sr, à 1 pour le Nd (valeurs proposées par Wilson et al. pour le Cantal [16]), et le taux de fractionnement a été fixé à 74 % (valeur calculée à partir de la teneur en Th de cette roche par rapport au magma supposé initial). Dans ces conditions, les rapports taux d'assimilation/taux de cristallisation estimés sont compris, suivant les granitoı̈des, entre 0,08 et 0,20. Ce résultat (bien que le modèle AFC soit ici peu contraint) rappelle ceux obtenus pour les trachytes et les rhyolites des monts Dore [2,3] et du Cantal [16]. Il est, de plus, en accord avec les calculs que Hodges [7] avait effectués sur les trachytes du Velay à partir des seuls isotopes du Sr et qui concluaient à la présence, sous cette région, d'une chambre magmatique au sein de la croûte supérieure, hypothèse déjà proposée par Villemant et Treuil [13].

Au sein de l'ensemble des phonolites, on observe une forte augmentation de teneur en Th (de 19 à 46 ppm) (Fig. 4), qui ne peut s'expliquer que par un second fractionnement d'environ 60 % par rapport au trachyte. On notera que cet enrichissement (que l'on retrouve aussi à l'aide de nombreux autres éléments incompatibles, Tableau 1) n'est que grossièrement corrélé à la diminution du Sr (de 172 à 4,3 ppm, Fig. 4) et qu'il n'est par ailleurs associé à aucune variation notable des teneurs en majeurs (Tableau 1). Le fractionnement d'un mélange de phases ayant une composition chimique globale voisine de celle du liquide (sanidine/anorthose et plagioclase sodique, avec un rapport Na₂O/K₂O d'environ 1,6, équivalent à celui des phonolites) pourrait expliquer cette dernière particularité. La Fig. 4 suggère, par ailleurs, que c'est au cours de ce second fractionnement que les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr des phonolites des groupes 2 et 3 ont été modifiés par rapport à ceux du groupe 1. L'absence de corrélation entre Th et ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (Fig. 4) montre que cette contamination est variable d'une intrusion à l'autre, ce qui conduit à penser qu'elle est plutôt liée aux contextes locaux de mise en place qu'au séjour de ces magmas dans une chambre commune.

Dans ce schéma, les phonolites du premier groupe (même signature isotopique en Sr et Nd que les basaltes) peuvent être interprétées comme des produits de différenciation ultime d'un magma basaltique alcalin, protégés de toute contamination crustale. Leur fractionnement pourrait s'être produit, dans un premier temps, soit dans un réservoir crustal, à condition que le magma soit isolé de tout contact direct avec l'encaissant (par une bordure figée par exemple, ou par un plaquage de cumulat [3]), soit, plus simplement, dans un réservoir mantellique. Dans un second temps, c'est le développement massif de feldspaths sur les parois du conduit qui aurait protégé le magma de toute contamination durant sa remontée jusqu'en surface. Dans cette hypothèse, les légères variations isotopiques observées dans ce groupe, du même ordre que celle des basaltes, reflèteraient, comme pour ces derniers, des hétérogénéités de source.

Les phonolites des groupes 2 et 3 étant globalement plus pauvres en Sr (et plus riches en Nd) que celles du groupe 1, le fractionnement en feldspaths y a probablement été plus important. De plus, le découplage entre les deux systèmes isotopiques (enrichissement en Sr radiogénique, constance du rapport ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd) illustré par la Fig. 2 exclut une assimilation crustale simple, comme dans le cas du trachyte. L'enrichissement en Sr radiogénique sans modification de la signature isotopique du Nd ne peut s'expliquer que si le contaminant est fortement enrichi en Sr radiogénique et que le rapport Nd_{(contaminant)}/Nd_(lave) est voisin de 1. Dans ce cas, plus le rapport Sr_{(contaminant)}/Sr_(lave) est élevé, plus la contamination sera efficace.

Nous avons pris comme exemple la phonolite SA, qui est à la fois la plus appauvrie en Sr, la plus enrichie en Sr radiogénique et la seule datée avec exactitude (6,5 Ma). L'encaissant direct de cette intrusion est une anatexite qui a subi une forte altération hydrothermale se traduisant par une kaolinisation des feldspaths, une dissolution partielle du quartz et une déstabilisation des biotites (fénitisation) [9–11]. Ces transformations sont liées à la percolation de fluides et/ou de gaz issus du magma phonolitique, et elles ont vraisemblablement précédé en partie sa mise en place. Nous avons mesuré la composition d'un échantillon de cette roche fénitisée (échantillon AF, Sr=77,4 ppm, Nd=18,4 ppm, Tableau 2). Dans le diagramme ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr–¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd (Fig. 2), elle ne se distingue pas isotopiquement de l'ensemble des granitoı̈des du Velay ; seule sa teneur en Sr est significativement plus faible (109<Sr (ppm)<896). Afin de savoir si cette faible teneur était originelle ou liée à l'interaction avec le magma phonolitique, nous avons analysé un échantillon de la même roche prélevé à 15 m du contact et exempt de trace de fénitisation (échantillon ANF, Tableau 2). Ses plus fortes teneurs en Sr (156 ppm) et en Nd (26,4 ppm) montrent que la fénitisation est probablement responsable de modifications chimiques importantes. Si l'on accepte l'idée que la contamination du magma phonolitique est contemporaine de sa mise en place, le magma SA pourrait avoir été contaminé, soit par AF, soit par ANF. Nous avons testé un modèle de contamination simple, considérant que le magma SA avait un rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr égal à celui du basalte miocène moyen (0,70339 à 6,5 Ma), que sa teneur en Nd et son rapport ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd étaient déjà ceux mesurés dans la lave (55,2 ppm et 0,512877±9) et qu'enfin sa teneur en Sr était inférieure à celle mesurée (4,3 ppm). Nous avons aussi postulé pour ce calcul que AF et ANF avaient, à 6,5 Ma, la même signature isotopique. Dans le cas où AF est le contaminant, le résultat est optimal avec une teneur en Sr avant contamination égale à 2,1 ppm et un taux de contamination de 3 % ; dans celui où ANF est le contaminant, le résultat est optimal avec une teneur initiale en Sr de 2 ppm et un taux de contamination de 1,4 % (Tableau 3). Dans les deux cas, les teneurs en Nd et les rapports ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd restent inchangés.

Les protrusions PRA et TM ne semblent pas présenter d'auréole de fénitisation. Nous n'avons pas pu analyser leur encaissant direct (roches trop altérées). Cependant, afin de tenir compte de l'hétérogénéité inhérente à tout socle anatectique, nous avons analysé un faciès granitique équant, plus feldspathique que ANF, et contenant de la cordiérite (leucosome), faciès qui, dans le graben des Boutières, est souvent dominant (échantillon LC, Tableau 2). Sa haute teneur en Sr (216 ppm) et sa pauvreté en Nd (8,8 ppm) le distinguent clairement de l'anatexite ANF. Comme le montre le Tableau 3, les signatures isotopiques de PRA et de TM peuvent être obtenues de manière optimale avec une contamination par le granite LC : contamination d'environ 4 % pour PRA (avec une teneur en Sr du magma avant contamination voisine de 15 ppm), et cela, que la roche ait 8,5 ou 8 Ma ; contamination d'environ 3 % pour TM (avec une teneur en Sr du magma avant contamination voisine de 12 ppm), et cela, que la roche ait 8,5 ou 6,5 Ma. Dans les deux cas, une contamination avec ANF modifierait trop les rapports isotopiques du Nd pour être retenue.

En ce qui concerne les phonolites du groupe 3, la même approche conduit à estimer des taux de contamination très bas (0,2 % pour MZ, 0,3 % pour GBJ), aussi bien avec ANF que LC comme contaminant. Il est intéressant de noter que, si l'on envisage une contamination du même ordre de grandeur dans les phonolites du groupe 1, considérées comme non contaminées, les rapports isotopiques du Sr (et du Nd) restent inchangés. Ceci est bien sûr dû aux fortes teneurs en Sr et en Nd de ces laves. De même, dans les laves basaltiques, une contamination par l'anatexite ou le leucosome avec des taux aussi faibles serait isotopiquement indétectable ; elle ne deviendrait repérable qu'à partir d'un taux de 2 %.