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Lateral variations of pressure-temperature evolution in non-cylindrical orogens and 3-D subduction dynamics: the Betic-Rif Cordillera example

Variations latérales de l’évolution pression-température dans les orogènes non cylindriques et dynamique 3-D de subduction, le cas de l’orogène bético-rifain

¹ Sorbonne Université, UMR 7193 CNRS-UPMC, Institut des Sciences de la Terre de Paris, 75005 Paris, France
² Université d’Orléans, UMR 7327, CNRS/INSU, BRGM, Institut des Sciences de la Terre d’Orléans, 45071 Orléans, France
³ University of Granada, Department of Geodynamics, Granada, Spain
⁴ M&U sas, Saint-Egrève, France

^* Corresponding author: laurent.jolivet@sorbonne-universite.fr

Received: 24 July 2020
Accepted: 17 February 2021

Abstract

The long-term Pressure-Temperature-time-deformation (P-T-t-d) evolution of the internal zones of orogens results from complex interactions between the subducting lithosphere, the overriding plate and the intervening asthenosphere. 2-D numerical models successfully reproduce natural P-T-t-d paths, but most orogens are non-cylindrical and the situation is far more complex due to 3-D pre-orogenic inheritance and 3-D subduction dynamics. The Mediterranean orogens are intrinsically non-cylindrical. Their 3-D geometry results from the complex shape of the Eurasian and African margins before convergence and from the dynamics of slab retreat and tearing leading to strongly arcuate belts. More than many other segments, the Betic-Rif belt is archetypal of this behavior. A synthesis of the tectonometamorphic evolution of the Internal Zones, also based on recent findings by our group in the framework of the Orogen Project (Alboran domain, including the Alpujárride-Sebtide and Nevado-Filábride complexes) shows the relations in space and time between tectonic and P-T evolutions. The reinterpretation of the contact between peridotite massifs and Mesozoic sediments as an extensional detachment leads to a discussion of the geodynamic setting and timing of mantle exhumation. Based on new ⁴⁰Ar/³⁹Ar ages in the Alpujárride-Sebtide complex and a discussion of published ages in the Nevado-Filábride complex, we conclude that the age of the HP-LT metamorphism is Eocene in all complexes. A first-order observation is the contrast between the well-preserved Eocene HP-LT blueschists-facies rocks of the eastern Alpujárride-Sebtide Complex and the younger HT-LP conditions reaching partial melting recorded in the Western Alpujárride. We propose a model where the large longitudinal variations in the P-T evolution are mainly due to (i) differences in the timing of subduction and exhumation, (ii) the nature of the subducting lithosphere and (iii) a major change in subduction dynamics at ∼20 Ma associated with a slab-tearing event. The clustering of radiometric ages obtained with different methods around 20 Ma results from a regional exhumation episode coeval with slab tearing, westward migration of the trench, back-arc extension and thrusting of the whole orogen onto the African and Iberian margins.

Résumé

L’évolution pressure-température-temps-déformation (P-T-t-d) des zones internes des orogènes résulte d’interactions complexes entre la lithosphère subduite, la plaque chevauchante et le manteau asthénosphérique. Les modèles numériques 2-D reproduisent assez bien les chemins P-T-t-d, mais les orogènes sont rarement cylindriques. L’héritage de la géométrie 3-D pré-orogénique et la dynamique 3-D de subduction rendent en effet la situation souvent plus complexe. Les orogènes méditerranéens sont intrinsèquement non cylindriques parce que la géométrie des marges africaines et eurasiennes avant la collision était également non cylindrique et parce que les panneaux lithosphériques en subduction ont changé de forme pendant le recul des fosses. Ils sont devenus plus étroits à la suite d’une série déchirures qui ont conduit à la formation d’arcs fortement pincés. L’orogène bético-rifain est emblématique de ce comportement, plus que tout autre segment. Une synthèse de l’évolution tectono-métamorphique des zones internes de cet orogène, en partie basée sur des observations récentes faites par notre groupe dans le cadre du programme Orogen, dans le Domaine d’Alboran (incluant les nappes des Alpujárride-Sebtide et des Nevado-Filábride) montre les relations dans l’espace et le temps entre la déformation et l’évolution P-T. Une réinterprétation du contact entre les massifs péridotitiques et les sédiments carbonatés mésozoïques dans la région de Ronda conduit à une discussion sur le calendrier et le mécanisme de l’exhumation du manteau. Nous montrons que l’âge du métamorphisme de subduction est partout éocène en nous appuyant sur de nouveaux âges ⁴⁰Ar/³⁹Ar dans les Alpujárride-Sebtide et sur une discussion des âges publiés dans les Nevado-Filábride. Une observation de premier ordre est le contraste marqué entre les unités à paragenèses de HP-BT bien préservées des Alpujárride-Sebtide orientales et centrales et les unités affectées par un métamorphisme plus jeune de HT-LP atteignant les conditions de l’anatexie dans l’ouest des Alpujárride-Sebtide. Nous proposons un modèle où les variations longitudinales de la forme des conditions P-T résultent principalement de : (i) différents calendriers de la subduction et de l’exhumation, (ii) la nature de la lithosphère subduite et (iii) un changement majeur de la dynamique de subduction il y a environ 20 Ma, associé à une déchirure du panneau plongeant. Le regroupement des âges radiométriques obtenus par différentes méthodes autour de 20 Ma dans toute la région résulte d’un épisode régional d’exhumation associé à la déchirure du panneau plongeant, la migration de la fosse vers l’ouest, l’extension arrière-arc et le chevauchement de l’ensemble de l’orogène sur les marges africaine et ibérique.