Polyphased rare-element magmatism during late orogenic evolution: geochronological constraints from NW Variscan Iberia

Magmatisme à métaux rares polyphasé au cours de l’évolution tardi-orogénique : contraintes géochronologiques depuis le NO de l’Ibérie varisque

¹ BRGM, Georesources Division, ISTO, UMR 7327, 3 avenue Claude Guillemin, B.P.6009, 45060 Orléans Cedex 2, France
² Université d’Orléans, ISTO, UMR 7327, 45071 Orléans, France
³ Department of Earth Sciences, University of Western Cape, Cape Town, South Africa
⁴ GEUS, Østervoldgade 10, DK-1350 Copenhagen K, Denmark
⁵ Department of Geosciences, Environment and Spatial Planning, Faculty of Sciences, University of Porto, Porto, Portugal
⁶ ICT (Institute of Earth Sciences), Porto pole, Portugal
⁷ Fortescue Metals Group, Perth, Australia
⁸ Manitoba Geological Survey, 360-1395 Ellice Av., Winnipeg, MB, Canada

^* Corresponding author: j.melleton@brgm.fr

Received: 13 March 2020
Accepted: 28 September 2021

Abstract

Rare-element granites and pegmatites represent important sources of raw materials for “clean, green and high technologies”, such as lithium and tantalum, for example. However, mechanisms of rare-element granites and pegmatite’s origin are still far from being fully understood. Several rare-element pegmatite fields and a rare-element granite are known in the Variscan realms located in Iberia (Spain and Portugal), enhancing the interest of this area for studying the formation of these extremely fractionated melts. In situ U-Pb dating by LA-SF-ICP-MS of columbite-group minerals from rare-element granites and pegmatites of the Iberian Variscan belt provides new constraints on the generation of rare-element melts. Three events have been recognized: (i) Emplacement of the Argemela rare-element granite, in the Central Iberian Zone (CIZ), with an age of 326 ± 3 Ma; (ii) Emplacement of rare-element pegmatites from the Galicia-Trás-os-Montes Zone (GTOMZ), at an average age of 310 ± 5 Ma; (iii) Emplacement of rare-element pegmatites in the CIZ and in the southern GTOMZ at about 301 ± 3 Ma. These two last events are coeval with the two peaks of ages for the late orogenic magmatism at ca. 308 Ma and 299 Ma, and all dated rare-element pegmatites clearly emplaced during the late-orogenic evolution of the Variscan belt. Contemporaneous fields of rare-element pegmatites are arranged in belts following those formed by similar granitoid suites. Pegmatite fields from both the GTOMZ and the CIZ reveal a southward propagation of ages of emplacement, which matches the observed propagation of deformation, metamorphism and magmatism in the two different geotectonic zones. Existence of three successive rare-element events in the Iberian Massif argues against the involvement of lower crustal HP-HT metamorphism in the generation of rare-element melts. Possible sources of rare-element-enriched melts are more likely located in the middle to upper crust, as are the major components of granitic magmatism. Analyses of U and Pb isotopes from columbite-group minerals are very robust and reproducible, making them good candidates for dating ore deposits related to peraluminous magmatism as well as REE- and Nb-bearing deposits.

Résumé

Les granites et pegmatites à métaux rares représentent des ressources importantes en matières premières minérales utilisées par les technologies de la transition énergétique et de la télécommunication, comme le lithium ou le tantale. Cependant, les processus géologiques à leur origine sont encore peu compris. Plusieurs champs de pegmatites et un granite à métaux rares sont connus dans les formations varisques de l’Ibérie (Espagne et Portugal), ce qui en fait une aire d’étude d’intérêt pour l’étude de la formation de ces magmas extrêmement différenciés. La datation U-Pb in situ par LA-SF-ICP-MS des minéraux du groupe de la colombite extraits de granites and pegmatites à métaux rares de la chaine varisque ibérique apporte de nouvelles contraintes sur la genèse des magmas à métaux rares. En effet, trois événements distincts ont été reconnus : (i) La mise en place du granite à métaux rares d’Argemela dans la zone centre ibérique (CIZ) à 326 ± 3 Ma ; (ii) La mise en place de pegmatites à métaux rares dans la zone de Galice-Trás-os-Montes (GTOMZ), à un âge moyen de 310 ± 5 Ma ; (iii) La mise en place de pegmatites à métaux rares dans la CIZ et le sud de la GTOMZ à environ 301 ± 3 Ma. Ces deux derniers événements sont contemporains des deux pics de magmatisme tardi-orogénique à environ 308 Ma and 299 Ma. Toutes les pegmatites à métaux rares datées au cours de cette étude se sont mises en place durant l’évolution tardi-orogénique de la chaine varisque. Les champs de pegmatites à métaux rares contemporains sont organisés en ceintures similaires à celles des suites de granitoïdes. Les champs de la GTOMZ et de la CIZ montrent une propagation vers le sud des âges de mises en place, ce qui est cohérent avec la propagation observée pour la déformation, le métamorphisme et le magmatisme dans les deux domaines géotectoniques. L’existence de trois épisodes successifs de magmatisme à métaux rares dans le massif ibérique est un argument contre la participation de processus métamorphiques de hautes pressions et hautes températures infracrustaux dans la genèse des magmas à métaux rares. Leurs sources possibles sont plus probablement localisées dans la croute moyenne à supérieure, comme le magmatisme granitique contemporain. Les analyses des isotopes de l’uranium et du plomb des minéraux du groupe de la colombite sont robustes et reproductibles, ce qui en fait un excellent outil pour la datation des gisements à métaux rares.