Version française abrégée
1 Introduction
La datation des plutons granitiques et la caractérisation de leur refroidissement donnent des informations sur les phases thermo-tectoniques contemporaines du plutonisme durant un événement orogénique.
Le massif de Mont-Louis, à l'est de la zone axiale des Pyrénées (Fig. 1), est un pluton calco-alcalin de la chaı̂ne hercynienne [5]. Longtemps considéré comme un pluton post-tectonique [4,35] d'âge RbSr de 269±12 Ma [36], il est maintenant admis que sa mise en place est contemporaine des déformations hercyniennes, soit tardives au Westphalien [15,18], soit précoces au Namurien [6].
Simplified geological sketch map of the eastern Axial Zone of Pyrenees (modified after [26]) with sampling location. 1. Hercynian granitoid. 2. Palaeozoic metasediments. 3. Palaeozoic gneiss. 4. Post-Hercynian rocks. 5. Hercynian thrusts. 6. Alpine thrusts. 7. Oligo-Miocene normal faults. ML1 and ML6 samples are located.
Carte géologique simplifiée de la partie orientale de la zone axiale des Pyrénées (modifiée d'après [26]). 1. Granitoı̈des hercyniens. 2. Métasédiments paléozoı̈ques. 3. Gneiss paléozoı̈que. 4. Terrains post-hercyniens. 5. Chevauchements hercyniens. 6. Chevauchements alpins. 7. Failles normales oligo-miocènes. Les échantillons ML1 et ML6 sont localisés.
Compte tenu de la sous-estimation des âges RbSr des plutons pyrénéens (ca. 280–295 Ma) [11] et les âges UPb des granites de Bassiès et Quérigut respectivement à 312±2 Ma et 307±2 Ma [27,29] comparables avec l'âge UPb de 305±3 Ma sur des sphènes de l'auréole de contact du granite d'Andorre [30], il apparaı̂t nécessaire de dater de façon plus fiable la mise en place du granite de Mont-Louis et de caractériser son refroidissement. Ceci permettra de préciser l'évolution hercynienne des Pyrénées. Pour cela, des analyses UPb sur zircon et 40Ar/39Ar sur hornblende, biotite et feldspath-K ont été réalisées.
2 Contexte géologique et échantillonnage
Le pluton de Mont-Louis [11] est un « massif supérieur » [4] de 660 km2. Il présente une forme allongée est–ouest et peut être divisé en trois unités. La plus orientale, constituant le plancher du pluton, est un laccolithe de 1,5 à 3 km d'épaisseur mis en place entre des gneiss type Canigou et le Paléozoı̈que inférieur du Conflent [3]. La partie centrale est un prisme à vergence sud de 7 à 8 km d'épaisseur. La partie occidentale forme une « bulle » à vergence sud, intrusive dans la série sédimentaire montant jusqu'au Dévonien [31].
Deux échantillons cogénétiques ont été sélectionnés à l'est du pluton, aux points de coordonnées (Lambert zone II étendu) x=587,5, y=1731,8, et z=1400 m pour ML1 et x=569,7, y=1730,1 et z=2320 m pour ML6 (Fig. 1). ML1 est une granodiorite avec biotite (XMg=0,39–0,42), plagioclase (An 43–57), feldspath-K, hornblende actinolitique (XFe=0,41–0,47), zircon, apatite et opaque. ML6 est une granodiorite sans hornblende.
3 Résultats analytiques
3.1 Datation UPb sur zircon
Quatorze analyses réalisées sur des zircons de ML1 et dix sur ceux de ML6 sur la sonde ionique CAMECA IMS 1270 du CRPG (Nancy) dans le cadre du service national de l'INSU selon la technique décrite par [12], sont reportées dans le diagramme 207Pb/206Pb vs. 238U/206Pb [33], comme préconisé pour les roches du Phanérozoı̈que [10]. Pour ML1 (Fig. 2), l'intercept inférieur d'une droite ayant pour origine la composition du plomb commun à 300 Ma (207Pb/206Pb=0,86±0,01 [32]) donne un âge de 305,8±8,4 Ma (MSWD=0,38). Les zircons de ML6 (Fig. 2) donnent un âge de 305±6,3 Ma (MSWD=1,3). Étant donné la similarité des âges et le caractère cogénétique des échantillons, les analyses sont rassemblées dans un même diagramme où un âge moyen de 305±5 Ma (MSWD=0,73) est déterminé pour l'unité orientale du pluton (Fig. 2).
Reverse Concordia diagram 207Pb/206Pb vs. 238U/206Pb [33] of ML1 (left insert) and ML6 (right insert) zircons. Errors are given at 1 σ.
Diagramme Concordia inverse 207Pb/206Pb vs. 238U/206Pb [33] des zircons de ML1 (encart gauche) et de ML6 (encart droit). Les erreurs sur les âges sont données à 1 σ.
3.2 Datation 40Ar/39Ar
Des monograins de hornblende et de biotite de ML1 ont été analysés à l'UMR Dynamique de la Lithosphère de Montpellier grâce à une sonde laser suivant le protocole décrit par [25]. Le chauffage progressif de la hornblende montre une augmentation des âges depuis ≈120 Ma jusqu'à un âge intégré de 299,8±2,9 Ma pour six paliers et 80 % de l'39Ar total (Fig. 3). Le spectre d'âges de la biotite montre une augmentation des âges depuis 250,7±24,7 Ma jusqu'à un âge plateau de 292,6±2,8 Ma pour huit paliers et 90 % de l'39Ar total (Fig. 3).
40Ar/39Ar age spectra of hornblende and biotite single grains and K-feldspar bulk separate of ML1 sample. Errors are given at 1 σ.
Spectre d'âges 40Ar/39Ar de monograins de hornblende et biotite et d'une population de feldspath-K de l'échantillon ML1. Les erreurs sur les âges sont données à 1 σ.
L'analyse d'une population de feldspath-K de ML1 a été réalisée à l'UMR Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand suivant la technique décrite par [2]. Le dégazage progressif donne un spectre discordant dont les âges augmentent plus ou moins régulièrement depuis 48,2±0,8 Ma jusqu'à 300,4±3 Ma, avec un pseudo-plateau à 295–300 Ma (Fig. 3).
4 Interprétation et discussion
Étant donné la température de fermeture élevée du système UPb sur zircon [9], l'âge de 305±5 Ma est considéré comme l'âge de mise en place du pluton de Mont-Louis. Il est cohérent avec les âges UPb d'autres plutons pyrénéens [27,29] et avec l'âge UPb sur zircon de 306±4 Ma des plutons Aigoual–Saint-Guiral–Liron des Cévennes méridionales [8], qui comme les Pyrénées appartiennent au domaine externe de la chaı̂ne hercynienne [21]. Ces résultats infirment les âges RbSr qui conduisaient à considérer les plutons pyrénéens comme post-tectoniques. L'origine de la diminution des âges RbSr est mal connue. Elle pourrait être la conséquence, soit de circulation fluide avec lessivage partiel du Sr, soit du caractère noncogénétique des échantillons [13,14], soit de l'empreinte des événements alpins s.l.
D'après Hartevelt [17] et Laumonier [18], les premières phases de déformations hercyniennes dans les Pyrénées orientales sont viséo-namuriennes (ca. 325 Ma). L'âge de 305±5 Ma est donc plus cohérent avec une mise en place lors des phases hercyniennes tardives transpressives à transtensives dextres [15,18], que lors des phases précoces [6].
Les températures de fermeture de la hornblende et de la biotite pour le système 40Ar/39Ar sont respectivement 550±50 °C [34] et 325±25 °C [16]. Les âges de 299,8±2,9 Ma et 292,6±2,8 Ma sont donc considérés comme des âges de refroidissement du granite de Mont-Louis. La comparaison des données thermo-chronologiques UPb et 40Ar/39Ar permet de calculer un taux de refroidissement d'environ 30 °C/Ma (Fig. 4) depuis la fin du Westphalien (ca. 305 Ma) jusqu'à la fin du Stéphanien (ca. 290 Ma). Ce refroidissement rapide résulte probablement de la mise en place d'un laccolithe peu épais dans les formations épizonales de la croûte supérieure.
Cooling curve of eastern Mont-Louis pluton. T–t points correspond to zircon UPb, monazite UPb (Alexandrov et al., pers. com.) and hornblende and biotite 40Ar/39Ar dates with respect to the respective closure temperatures and with the modelled thermal history of K-feldspar from ML1 between 300 and 150 °C as obtained by Multi-Domain Diffusion theory [19]. (The thin black line corresponds to the best-fit solution whereas the grey area corresponds to other possible cooling histories. Dashed parts of cooling curve correspond to poorly constrained portions of this thermal history). Dashed thick straight lines correspond to cooling episodes documented, and the associated rates are indicated.
Courbe de refroidissement de la partie orientale du granite de Mont-Louis. Les points T–t correspondent aux âges UPb sur zircon, UPb sur monazite (Alexandrov et al., com. pers.) et 40Ar/39Ar sur hornblende et biotite en fonction de leur température de fermeture et avec la modélisation de l'histoire thermique des feldspaths-K de l'échantillon ML1 entre 300 et 150 °C, réalisée grâce à la théorie de la diffusion multi-domaine [19] (la ligne noire correspond à la meilleure solution, tandis que la zone grisée correspond aux autres histoires de refroidissement possibles ; les parties en pointillé de la courbe de refroidissement correspondent aux portions mal définies de cette histoire thermique). Les droites épaisses pointillées correspondent aux épisodes de refroidissement mis en évidence et les taux associées sont indiqués.
Le spectre d'âges des feldspaths-K de ML1 montre le même profil discordant que les feldspaths-K des granites de Millas [1] et de Saint-Laurent [22]. Il enregistre une fermeture progressive des minéraux entre 300 et 150 °C [20], modélisée grâce à la théorie de la diffusion multi-domaine [19] (Fig. 4). La cohérence des âges maximums proches de 300 Ma avec ceux donnés par la hornblende et la biotite indique que le refroidissement rapide a duré jusque vers 290 Ma. Ensuite, le taux de refroidissement semble avoir diminué brusquement jusqu'à des valeurs inférieures à 1 °C/Ma pour la période 290 à 60 Ma (Fig. 4). Avec un gradient géothermique normal, la courbe de refroidissement suggère que les roches sont restées entre 8 et 6 km de profondeur durant cette période ayant commencé quand l'équilibre thermique entre les schistes encaissants et le pluton a été atteint. L'exhumation du massif ne se produit que lors des événements alpins s.l. [22,23]. Ce type d'exhumation contraste avec celles des plutons des Cévennes qui sont recouverts en discordance par le Trias [7]. Cette différence entre des plutons ayant probablement une origine commune, dans deux zones externes de la chaı̂ne hercynienne, devra être expliquée en fonction de leur évolution géodynamique différente.
1 Introduction
In the upper crust, granitic plutons can emplace at different stages of regional deformation and therefore can represent pre-, syn- or late intrusive bodies, with respect to an identified deformation phase. The precise dating of emplacement of these plutons and the restoration of their cooling history can therefore place important time constraints on the different thermo-tectonic phases coeval with plutonism during an orogeny.
The Pyrenean Hercynian belt [5] is outlined by an important calc-alkaline plutonism [11], of which the Mont-Louis granite massif, located in the eastern part of the Axial Zone (Fig. 1), represents one of the largest pluton in volume. Considered as an Early Permian post-tectonic pluton [4,35] on the basis of a previous 269±12 Ma RbSr whole-rock isochron [36], it is now accepted that the emplacement of Mont-Louis granite is coeval with the Hercynian deformation. However, two hypotheses are formulated. The first one suggests an emplacement during late deformation phases in Westphalian times [15,18], while the second one proposes that this emplacement took place during the Early Namurian tectonic phase [6].
RbSr dates of Pyrenean plutons (review in [11]) yield too young ages (ca. 280–295 Ma) with respect to these observations. Moreover, recent UPb zircon studies yielded ages at 312±2 Ma and 307±2 Ma respectively on the Bassies and Querigut granite [27,29], which can be compared with the UPb titanite age of 305±3 Ma obtained on contact metamorphism from the Andorra granite [30]. It appears therefore necessary to date precisely the age of magmatic emplacement and the cooling of Mont-Louis granite, in order to better constrain the tectonic evolution of the Hercynian belt in the Pyrenees. Hence, UPb dating on zircons and 40Ar/39Ar analyses on hornblende, biotite and K-feldspar were performed.
2 Geological setting and samples selection
The Mont-Louis granite is a composite east–west elongate calc-alkaline pluton [11] which covers an area of about 660 km2 (Fig. 1), classified as a ‘massif supérieur’ [4]. It can be divided in three units. The eastern unit is a 1.5 to 3 km thick laccolith emplaced between a floor of Canigou type gneissic rocks (Dome of Bouillouse) and in Early Palaeozoic Conflent rocks [3]. The central part constitutes a north dipping, 7–8 km thick prismatic body. The western part forms a north dipping ‘bubble’ (named also Andorra granite), intrusive in a sedimentary sequence grading up to Devonian [31]. Leucogranites were emplaced later in east–west cracks.
Two cogenetic samples were selected in the eastern basal part of pluton at the coordinate points (extensive Lambert zone II) x=587.5, y=1731.8, and z=1400 m for ML1 and x=569.7, y=1730.1 and z=2320 m for ML6 (Fig. 1). ML1 is a granodiorite with quartz, biotite (XMg=0.39–0.42), plagioclase (An 43–57), K-feldspar, actinolitic hornblende (XFe=0.41–0.47), zircon, apatite and opaque. ML6 has a granodioritic composition without hornblende.
3 Analytical results
3.1 UPb dating on zircons
Analyses were performed on the CAMECA IMS 1270 ion-probe of CRPG (Nancy, France), following the technique outlined in [12], within the framework of the INSU national ion-probe service. Fourteen analyses were made on ML1 and ten on ML6 zircons. They are reported in a 207Pb/206Pb vs. 238U/206Pb Tera-Wasserburg reverse Concordia diagram [33], as advocated for Phanerozoic rocks [10]. For ML1 (Fig. 2), the lower intercept of straight line with a common lead origin at 300 Ma (207Pb/206Pb=0.8618±0.01 in the Stacey–Kramer model [32]) yields an age of 305.8±8.4 Ma (MSWD=0.38). Ten analyses on ML6 zircons (Fig. 2) yield an age of 305±6.3 Ma (MSWD=1.3), consistent, within error margins, with the age obtained on ML1 zircons. Given the similarity of these two ages and the cogenetic character of these two samples, the analyses were combined on a same diagram. An average zircon UPb age of 305±5 Ma (MSWD=0.73) is thus determined for the eastern unit of Mont-Louis pluton (Fig. 2).
3.2 40Ar/39Ar dating
Single grain 40Ar/39Ar analyses were performed on hornblende and biotite from ML1 at Montpellier (UMR Dynamique de la Lithosphère) using a continuous laser probe and a protocol described in [25]. The step heating of a ML1 hornblende yields ages increasing in the first five percent of degassing from about 120 Ma to an integrated age of 299.8±2.9 Ma for six steps that represent about 81% of total 39Ar released (Fig. 3). The age spectrum of ML1 biotite yields also an age increase in the first ten percent of degassing from 250.7±24.7 Ma to a plateau age of 292.6±2.8 Ma on eight steps for 90% of the 39Ar release (Fig. 3).
40Ar/39Ar analysis of ML1 K-feldspar bulk separate was performed at UMR Magmas et Volcans of Clermont-Ferrand University (France) following the technique outlined in [2]. The progressive degassing yields a highly discordant spectrum (Fig. 3), as classically described for K-feldspar [24]. The ages are increasing more or less regularly from a minimum at 48.2±0.8 Ma to a maximum at 300.4±3 Ma with a sub-plateau at about 295–300 Ma.
4 Interpretation and discussion
Considering the high closure temperature for UPb in zircon [9], the age at 305±5 Ma obtained on the Mont-Louis pluton probably reflects its igneous emplacement age in the Lower Palaeozoic sedimentary series. It is consistent with recent UPb zircon on the Pyrenean granitoids [27,29]. It is also in agreement with an UPb zircon age of 306±4 Ma obtained on the Aigoual–Saint-Guiral–Liron pluton [8] in the southern Cevennes, which belongs, in the same way as the Pyrenees, to the southern flank of the Hercynian belt [21]. These results allow us to definitely reject the former RbSr Permian ages that led us to consider the Pyrenean granites as post-tectonic intrusives. The origin of the rejuvenation of the RbSr system remains conjectural. It could be the consequence of either the circulation of hydrothermal fluids and partial leaching of Sr, the non-cogenetic character of the samples plotted on whole-rock isochrons [13,14], or the overprint of Alpine metamorphism and deformation in the studied samples is also possible.
According to Hartevelt [17] and Laumonier [18], the Early Hercynian deformations in the eastern Pyrenees most probably occurred at the Visean–Namurian boundary (ca. 325 Ma). Therefore, the 305±5 Ma age of the Mont-Louis pluton does not fit the hypothesis of an Early Hercynian syntectonic granite [6]. It is mostly coeval with dextral-wrenching during Late Hercynian phases [15,18].
The hornblende and biotite closure temperatures for the 40Ar/39Ar chronometer are respectively close to 550±50 °C [34] and 325±25 °C [16]. The ages of 299.8±2.9 Ma and 292.6±2.8 Ma obtained on these two minerals are thus considered as cooling ages after the Mont-Louis granite intrusion. Comparing UPb and 40Ar/39Ar thermochronological data yields a cooling rate of about 30 °C/Ma (Fig. 4) for a period extending from Late Westphalian (ca. 305 Ma) to Late Stephanian (ca. 290 Ma). A monazite UPb age (Tc=650–700 °C [28]) of 302±2 Ma (Alexandrov et al., pers. com.) is also consistent with that cooling history (Fig. 4). This fast cooling is probably related to the emplacement of a thin laccolithic body in upper crustal epizonal formations.
The ML1 K-feldspar age spectrum has the same discordant diffusion pattern as those previously given by K-feldspar collected in the northern part of the Millas granite [1], and in the central part of Saint-Laurent granite [22]. This age spectrum is interpreted as recording a progressive closure of the mineral from about 300 and 150 °C [20], which can be modelled by the Multi-Domain Diffusion theory [19] in order to obtain information on the thermal history of the granite in this temperature range. The consistency of maximum ages close to 300 Ma with those given by biotite and amphibole indicates that fast cooling prevailed after the magmatic emplacement until about 290 Ma (Fig. 4). Then, the granite experienced an important decrease in cooling rate for a period between 290 and 60 Ma, i.e. less than 1 °C/Ma (Fig. 4). Assuming a normal geothermal gradient, the cooling pattern suggests that the rocks stayed at a depth comprised between 8 and 6 km during this long period that started when the epizonal country schists reached thermal equilibrium with the Mont-Louis pluton. The final exhumation of these rocks occurred only during the Alpine events s.l. as recorded by fission tracks and (U–Th)/He ages [22,23]. This exhumation type contrasts with that recorded by the Cevennes granodioritic plutons which reached the surface before the Triassic, probably during Late Stephanian and Permian times [7]. This important difference of cooling histories between plutons probably sharing a common origin in two external zones of the Hercynian belt will have to be explained, as regarding their different geodynamical evolution.
Acknowledgements
Helpful comments from C. Pin and J.-L. Bouchez improved the presentation of this paper. The INSU National Service of Ion Probe staff (CRPG, Nancy) is acknowledged for their help during the UPb analyses. Part of analyses was supported by BRGM (Orléans) within the framework of the France 1/50 000 geological map program.