1 Introduction

Within the southern part of the French Variscan Belt (French Massif Central, Pyrenees) numerous metamorphic gneiss domes occur: Montagne Noire, Canigou, Aston... These gneisses are overlain by the Lower Palaeozoic schists and marble series, and have been interpreted as a granitic Precambrian basement [2,13,23]. However, Ordovician ages determined for the Canigou gneisses [11,12] indicate clearly that a better knowledge of the absolute age of the granite protolith is required to understand both the stratigraphy and further Variscan nappe tectonics. The aim of this work is to determine whether the gneisses constitute a Precambrian basement or must be considered as Ordovician laccoliths.

We focussed our interest on the Axial Zone (AZ) of the Montagne Noire (southern French Massif Central) and we present new U–Pb age determinations for the main type of augen orthogneisses.

2 Geological setting

3 Samples and analytical procedure

The MN 7 sample was collected in the southern laccolith of the ‘Gorges d'Héric’ (Figs. 1–3) and the sample MN 15 (Pont-de-Larn orthogneiss) has been collected in the core of the AZ, on the D 112 road to the north of Mazamet (Fig. 1).

4 Results

4.1 MN 15 (Pont-de-Larn orthogneiss) (Table 1, Fig. 4A)

In a Concordia diagram, five unabraded and one mechanically abraded [28] fractions of needle zircons define a discordia line, with an upper intercept of 452±8 Ma and a lower intercept of −36±71 Ma (MSWD=1.02) while the weighted average of ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb ages for these fractions is 456±3 Ma (MSWD=0.76). The concordant position of the abraded fraction (No. 6) at 454±1 Ma indicates a reliable Ordovician age.

Tableau 1

Résultats analytiques U–Pb pour les zircons de l'orthogneiss du Pont-de-Larn (MN 15) et l'orthogneiss des gorges d'Héric (MN 7). Les rapports isotopiques sont corrigés de la discrimination de masse (0,1%/amu pour le Pb et U), de la contribution du traceur et des blancs. Le Pb commun initial est déterminé d'après le modèle à deux stades de Stacey et Kramers [52]. Les erreurs sur les rapports isotopiques sont données en %. Aig. : aiguille, Plat : Tabulaire type S4 ou S5, Transp : transparent, Incol : incolore, Moyen: 100–150 μm de long, Petit : 80–100 μm de long

U–Pb analytical results for zircons from samples MN 15 and MN 7. Isotopic ratios are corrected for mass discrimination (0.1%/amu for Pb and U), isotopic tracer contribution and blanks. Initial common Pb is determined using the Stacey and Kramers [52] two-step model. The errors on the isotope ratios are quoted in %. Aig.: needle, Plat: flat, S4 or S5 type, Transp: transparent, Incol: colourless, Moyen: size 100–150 μm, Petit: size 80–100 μm

Echantillon	Poids	Concentrations (ppm)	206PB/204Pb	Rapport atomique	Age apparent (Ma)
	(mg)	U	Pb	mesuré	206Pb∗/238U	207Pb∗/235U	207Pb∗/206Pb∗	206Pb∗/238U	207Pb∗/235U	207Pb∗/206Pb∗
MN 15 : orthogneiss du Pont-de-Larn
Z 1 : Aig, Moyen, Transp, Incol	0,065	296,2	17,4	3653	0,06136 ± 0,21	0,47508 ± 0,34	0,056156 ± 0,25	384	395	457 ± 6
Z 2 : Aig, Moyen, Transp, Incol	0,021	460,3	29,3	843	0,06317 ± 0,34	0,48868 ± 0,61	0,05610 ± 0,48	395	404	456 ± 11
Z 3 : Aig, Moyen, Transp, Incol	0,024	608,3	36,7	1097	0,06138 ± 0,23	0,47475 ± 0,42	0,05609 ± 0,33	384	395	456 ± 7
Z 4 : Aig, Petit, Transp, Incol	0,049	425,7	25,7	3905	0,06360 ± 0,18	0,49105 ± 0,28	0,05600 ± 0,20	397	406	452 ± 5
Z 5 : Aig, Petit, Transp, Incol	0,044	299,3	19,1	3484	0,06683 ± 0,25	0,51732 ± 0,40	0,05614 ± 0,30	417	423	458 ± 7
Z 6 : Aig, Ab, Petit, Transp, Incol	0,010	369,9	26,0	558	0,07289 ± 0,57	0,56178 ± 0,68	0,05589 ± 1,50	454	453	448 ± 33
MN 7 : orthogneiss des gorges d'Héric
Z 1 : Plat, Transp, Incol, 3 grains	0,008	2099	121	3068	0,5963 ± 0,29	0,45916 ± 0,51	0,05585 ± 0,40	373	384	446 ± 9
Z 2 : Plat, Transp, Incol, 3 grains	0,007	1953	111,5	1751	0,06018 ± 0,33	0,46473 ± 0,61	0,05600 ± 0,49	377	387	452 ± 11
Z 3 : Plat, Transp, Incol, 3 grains	0,006	1510	77,5	1467	0,5443 ± 0,54	0,42060 ± 1,01	0,056046 ± 0,81	342	356	454 ± 18

5 Discussion

6 Conclusions

Le Sud de la chaı̂ne Varisque en France (Massif central, zone axiale des Pyrénées) est caractérisé par des dômes gneissiques métamorphiques : Montagne noire, Canigou, Aston..., où affleurent, sous les terrains cambro-ordoviciens, les roches les plus profondes et réputées les plus anciennes, des micaschistes, probablement protérozoı̈ques avec quelques lentilles de marbre et une grande quantité d'orthogneiss œillés dérivés de granites (Fig. 1). Ces orthogneiss sont généralement situés sous les séries de micaschistes et marbres du Paléozoı̈que inférieur. Ceci a conduit les auteurs à proposer une lithostratigraphie du Sud de la chaı̂ne Varisque, dans laquelle les orthogneiss constituent un substratum granitique précambrien « socle sous sa couverture sédimentaire paléozoı̈que ». La géométrie de ce contact « socle/couverture » dans les dômes du Canigou et de la Montagne noire a conduit les auteurs à imaginer une tectonique en nappes, avec plis couchés de style pennique de grande ampleur [2]. La vergence de ces plis de socle a été très discutée ; elle est souvent contradictoire avec celle des nappes reconnues dans les sédiments paléozoı̈ques [13,22]. L'âge absolu des granites transformés en orthogneiss lors de la tectonique varisque constitue donc une donnée primordiale. Représentent-ils un socle plus ancien que les micaschistes, avec un contact stratigraphique à l'origine entre micaschistes et orthogneiss ? Ou bien des laccolites intrusifs dans les micaschistes ? Un âge Ordovicien des orthogneiss du Canigou [11,12] remet en question la notion de socle pour ces orthogneiss. Il était donc fondamental de confronter ces âges avec ceux des orthogneiss (non datés par la méthode U–Pb) de la zone axiale (ZA) de la Montagne noire pour élargir le problème à l'ensemble du Sud de la chaı̂ne Varisque.

La Montagne noire, située dans la partie externe méridionale de la chaı̂ne Varisque, est connue pour sa structure en nappes à vergence sud, d'âge Viséo-Namurien [1,38]. La ZA de la Montagne noire sépare deux unités structurales représentées par les versants sud [1] et nord [8], dont les caractéristiques sont l'existence de nappes à vergence sud pour la première et d'une structure en écailles pour la seconde.

La ZA se présente sous la forme d'un double dôme gneissique anatectique de direction ENE–WSW, composé pour l'essentiel par l'association de gneiss feldspathiques œillés et de micaschistes. L'ensemble est intrudé par des granites anatectiques alumineux et de nombreux filons de pegmatite associés [22,50] (Fig. 1).

Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer la formation de ce dôme : (1) zone décrochante ductile à fluage horizontal dans la croûte profonde [41] ; (2) instabilité diapirique [6,10,19,20,22,50] ; (3) anticlinal dû à un serrage post-nappe [1,9,37,40] ; (4) dôme gneissique extensif stéphano-permien, exhumé par une zone de cisaillement ductile en faille normale vers le nord [7,17,18,31,56]. Certains auteurs, comme Soula et al. [51], font intervenir plusieurs de ces processus pour expliquer la formation de ces dômes.

La série paléozoı̈que de la Montagne noire, datée paléontologiquement, est constituée par des carbonates d'âge Cambrien inférieur, puis par des sédiments clastiques d'âge Cambrien moyen et Ordovicien inférieur. Elle se serait déposée sur la marge nord du Gondwana [42,48]. Les sédiments de l'Ordovicien supérieur et du Silurien sont absents, sauf dans les écailles des monts de Faugère (Fig. 1). Le Dévonien inférieur repose en discordance angulaire de 10–20° sur l'Ordovicien, cette discontinuité ayant été interprétée comme le reflet d'un événement orogénique [57]. Les âges U–Pb sur des fractions de zircons détritiques provenant de paragneiss et micaschistes ainsi que les âges Rb–Sr sur roches totales des roches métamorphiques de la ZA, compris entre 445±10 Ma et 417±35 Ma, ont été interprétés comme l'indice d'un métamorphisme calédonien [21].

Les données sur l'âge des protolithes des gneiss de la ZA sont peu nombreuses et montrent des valeurs variables, selon les méthodes, entre le Protérozoı̈que supérieur et le Cambrien [15,24,25]. Ces résultats ont été obtenus sur des échantillons de gneiss de natures extrêmement différentes. L'étude des faciès orthodérivés [5] a permis de souligner l'existence de deux types d'orthogneiss bien distincts dans la ZA : (1) les orthogneiss œillés alcalins de type Nages-Plaisance, intrusifs dans des faciès paradérivés (ce type a été daté à 530 Ma par la méthode Rb/Sr [25,26] et U–Pb [15,32]) ; (2) les orthogneiss granodioritiques à mégacristaux de feldspaths d'affinité calco-alcaline, de type La Planésie–Héric–Pont-de-Larn, qui sont les plus répandus dans la ZA. Si leur origine magmatique (granodiorite) semble admise [5], l'âge du protolithe de ces orthogneiss, ainsi que leur relation avec les métasédiments qui leur sont associés, restent très controversés, ce qui pose un problème d'interprétation lithostratigraphique. Deux principales hypothèses ont été proposées pour expliquer leur origine : (1) il s'agirait de témoins granitiques appartenant à un vieux socle granitique d'âge Briovérien à Infracambrien, réactivé lors de l'orogenèse varisque, et les métasédiments représenteraient une couverture paléozoı̈que transgressive sur ce socle granitique [13,14] ; (2) il s'agirait de granitoı̈des antéhercyniens ou syntectoniques de la phase précoce varisque d'âge Carbonifère ou des granites antérieurs à la tectonique varisque, mais d'âge Paléozoı̈que inférieur et, dans ce cas-là, les métasédiments encaissants représenteraient un matériel antérieur à leur mise en place [5]. Des âges ont été obtenus sur ces orthogneiss par la méthode Rb–Sr sur roches totales autour de 410–440 Ma [54].

Dans un premier temps, nous nous sommes uniquement intéressés aux orthogneiss du groupe 2, les orthogneiss de type La Planésie–Héric–Pont-de-Larn, afin de lever l'indétermination quant à l'âge précis du socle dans la ZA.

L'échantillon MN 7 a été prélevé dans le laccolithe sud des gorges d'Héric, à 100 m du lieudit Le-Pont-des-Soupirs (Figs. 1 et 2). L'échantillon MN 15 a été prélevé au cœur de la ZA, le long de la route D 112 au nord de Mazamet, au lieudit Pont-de-Larn (Fig. 1). Ces deux orthogneiss sont similaires sur les plans pétrographique et structural. Ce sont des orthogneiss granodioritiques, à mégacristaux de feldspath potassique. Ils sont affectés par une forte foliation mylonitique à fort pendage sud et portant une linéation d'allongement sub-horizontale et proche d'est–ouest (Fig. 3).

L'étude des zircons des deux orthogneiss sous loupe binoculaire a permis d'observer des populations de zircons très hétérogènes, la plupart des cristaux présentant une composante héritée nette. Cependant, il a été possible, pour les deux échantillons, de séparer des fractions de zircons caractéristiques d'une origine magmatique (zircons en aiguille pour MN 15 et zircons tabulaires de type S4 ou S5 [49] pour MN 7) et ne présentant pas de cœur hérité.

Les analyses U–Pb sur zircons par la méthode conventionnelle (ID–TIMS) ont été effectuées dans le laboratoire « Magnas et Volcans » (UMR 6524) (université Blaise-Pascal, Clermont-Ferrand) selon le protocole décrit par Paquette et Pin [43]. Le blanc total en Pb était compris entre 5 et 10 pg, le blanc d'U étant négligeable. Les ellipses d'erreur (2σ) et les calculs de régression sont déterminés à partir des programmes PbDat 1.24 et Isoplot/Ex 2.49 [33,34]. Tous les résultats sont donnés à 95 % de niveau de confiance. Les constantes de désintégration utilisées pour le système U–Pb sont celles déterminées par Jaffey et al. [27] et recommandées par l'IUGS [53].

La population de zircons en aiguille (longueur ⩾10× largeur ; granulométrie=80–150 μm) extraite de l'orthogneiss du Pont-de-Larn (MN 15) peut être rattachée à un développement tardif lors de la séquence de cristallisation au cours de l'histoire magmatique. Ces zircons sont parfaitement transparents, incolores et présentent toutefois, très souvent, une ligne d'inclusions à l'intérieur des grains. L'ensemble des points reportés dans un diagramme concordia présente des taux de discordance variable (8 à 16 %) et définissent un alignement dont les intersections avec la courbe concordia permettent de déterminer les âges suivants : 452±8 Ma et −36±71 Ma (MSWD=1,02) ainsi que la moyenne pondérée calculée sur les âges ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb de 456±3 Ma (MSWD=0,76). La granulométrie la plus fine (80–100 μm) a perdu le moins de Pb (Fig. 3, Tableau 1). La position concordante à 454±1 Ma (moyenne des âges ²⁰⁷Pb/²³⁵U et ²⁰⁶Pb/²³⁸U) de la fraction abrasée (n° 6), selon la technique de Krogh [28], confirme l'âge à 456±3 Ma (Tableau 1, Fig. 4A).

En ce qui concerne l'orthogneiss des gorges d'Héric, trois fractions, composées chacune de trois zircons tabulaires de type S4 et S5 [49], transparents et incolores, ont pu être analysées. Elles possèdent des teneurs en Pb et en U de l'ordre de 100 et 1500–2000 ppm, respectivement (Tableau 1). Ces trois fractions s'alignent suivant une discordia définie par un intercept supérieur à 449,5±7,9 Ma et un intercept inférieur à 0±25 Ma (MSWD=0,53) et elles présentent un taux de discordance compris entre 16 et 25 % (Fig. 4B), qui est lié à une absence d'abrasion et associé aux teneurs en U élevées. La moyenne pondérée sur les âges ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb de ces trois fractions est de 450±6 Ma (MSWD=0,54). Ces trois points analytiques s'alignent avec les données de l'orthogneiss du Pont-de-Larn, nous permettant de définir une discordia composite, avec des intercepts supérieur et inférieur respectivement à 454±8 et 1±53 (MSWD=1,3). La similitude remarquable des âges ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb des neuf fractions nous permet de calculer une moyenne pondérée de 455±2 Ma (MSWD=0,99) (Fig. 4C).

La datation de l'orthogneiss du Pont-de-Larn et de l'orthogneiss des gorges d'Héric par la méthode conventionnelle U–Pb sur zircon a donné respectivement un âge de 456±3 Ma et 450±6 Ma, que nous devons considérer en toute rigueur comme des âges minima. La position concordante d'une fraction abrasée ainsi que la similitude des âges ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb de l'ensemble des fractions analysées sont en bon accord avec l'interprétation d'un âge de mise en place qui serait celui du protolithe des gneiss. Nous proposons donc que l'ensemble des gneiss granodioritiques de la ZA se soient mis en place autour de 450–460 Ma ; ceci est en accord avec l'origine proposée par Bard et Loueyit [5]. Cet âge de mise en place ordovicien obtenu sur les orthogneiss calco-alcalins du Sud de la chaı̂ne Varisque serait donc favorable à un modèle « laccolites intrusifs » et confirmerait la non-existence des nappes « penniques » (cf. Section 1).

Il est intéressant de noter que le métamorphisme principal BP–HT de la ZA, daté par la méthode Ar/Ar sur micas à 320–300 Ma [35] et pouvant aller jusqu'à l'anatexie (330–290 Ma par U–Pb et Rb–Sr [26,32,40]) n'a pas été enregistré par le système U–Pb des zircons, comme l'atteste la position concordante d'une des fractions analysées.

La datation U–Pb sur zircon de ces deux orthogneiss nous a permis de mettre en évidence la présence d'un événement magmatique ordovicien (450–460 Ma) dans un des dômes métamorphiques du Sud de la chaı̂ne Varisque. Des âges U–Pb comparables ont été trouvés dans d'autres dômes, notamment dans le Canigou (zone axiale des Pyrénées) [11,12], l'Ollo de Sapo [55], dans le Nord-Ouest de la péninsule Ibérique [29], mais aussi dans la Sierra de Guadarrama (centre de l'Espagne) [55]. Dans le reste du Massif central français, des âges ordoviciens ont été également obtenus en U–Pb et Rb–Sr sur de nombreux orthogneiss (e.g., [16]), ainsi que sur des roches ignées acides et basiques [45].

Parmi ces orthogneiss pré-varisques, on peut associer une lignée franchement alcaline, comme les orthogneiss du Cellier [4], à hyperalcaline, comme les gneiss d'Alter Pedroso dans le Sud du Portugal [29] ou les orthogneiss peralcalins de Galice [47], à un épisode de rifting qui a annoncé l'ouverture des océans varisques [39,44] et, dans un contexte plus général, à une tectonique extensive ordovicienne [3,36,46]. Les orthogneiss que nous avons datés font partie d'un groupe d'orthogneiss granitiques, d'affinité calco-alcaline. Certains auteurs les interprètent comme pouvant représenter des témoins d'un arc magmatique continental, développé lors des stades précoces qui conduiront à la séparation d'Avalonia et de Gondwana, permettant la création de l'océan Rhéique [55]. Dans le contexte général de la chaı̂ne hercynienne, l'Ordovicien sur la marge nord du Gondwana correspondrait plutôt à une période d'extension qu'à une période de convergence. Ce n'est qu'au Silurien que l'on trouve les premiers indices de subduction, exprimés en particulier par le métamorphisme précoce de haute pression que l'on trouve dans l'ensemble de la chaı̂ne Varisque [30,40].