Discovery of Variscan orogenic peridotites in the Pelvoux Massif (Western Alps, France)

Découverte de péridotites orogéniques varisques dans le massif du Pelvoux (Alpes occidentales, France)

¹ Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Univ. Gustave Eifel, ISTerre, 38000 Grenoble, France
² The Njord Centre, Department of Geoscience, University of Oslo, Oslo, Norway

^* Corresponding author: j.b.jacob@mn.uio.no

Received: 17 August 2022
Accepted: 14 December 2022

Abstract

Small bodies of mantle-derived peridotites and other ultramafic rocks are commonly found in exhumed lower crustal units of collisional orogens. They provide a direct record of the complex evolution of the upper mantle before and during an orogeny, and are therefore key markers of the geodynamic evolution of an orogen. We report here the discovery of such mantle-derived peridotites, which occur as fragmented enclaves in migmatites of the high-grade Variscan lower crust exposed in the Pelvoux Massif (external Western Alps). A wide petrographic diversity has been observed, from very fertile, garnet-bearing lherzolites, to more depleted spinel/chromite-bearing harzburgites. Thermobarometric calculations on a garnet lherzolite indicate an initial stage at 3.0–4.0 GPa and 970–1140 °C, followed by exhumation to 0.8–1.3 GPa and 800–850 °C, while the harzburgites do not show any evidence of equilibration in the garnet field. Petrological observations, whole-rock geochemistry and in situ mineral compositions suggest the peridotites have undergone a complex history prior to their incorporation in the lower crust during the Variscan Orogeny. They derive from a refractory mantle, which has experienced variable degrees of melt depletion, and has then been extensively refertilized. Cryptic metasomatism is observed in all samples. It is characterized by an enrichment in large-ion lithophile elements (LILE, in particular Cs, Rb, U and Pb) relative to high field strength elements (HFSE), in particular Nb and Ta. This cryptic metasomatism is presumably related to percolation of subduction-related fluids or melts in the mantle. In addition, modal metasomatism occurred in some samples, where crystallization of phlogopite, pargasite, chromite and apatite has been observed. This modal metasomatism resulted in significant enrichment in K₂O, P₂O₅ and Cr₂O₃ of the bulk rock, together with a strong enrichment in incompatible LREE relative to HREE. These geochemical characteristics are strikingly similar to that of syn-collisional, Mg–Cr–LILE rich mantle-derived (ultra)-potassic magmas such as durbachites and vaugnerites, which are ubiquitous in the Variscan metamorphic allochthons of Massif Central, external Alps, Vosges and Bohemian Massif. We therefore suggest that this metasomatism results from dynamic percolation of the peridotites by K₂O–P₂O₅–Cr₂O₃-rich melts from which the durbachites and vaugnerites are primarily derived. These geochemical characteristics are in line with whole-rock Nd isotopic compositions, which indicate enrichment of the mantle by a continental crust component, presumably related to Variscan subductions. This evolution is consistent with that of other Variscan peridotites in the Eastern Alps (Ulten) and the Bohemian Massif, where multiple metasomatic episodes related to melts or fluids released in Variscan subduction zones have been documented.

Résumé

Les unités de croûte inférieure exhumées au sein des orogènes collisionnels contiennent fréquemment des petits corps de péridotite et d’autres roches ultramafiques. Ces roches sont des marqueurs clés de l’évolution géodynamique d’un orogène, car elles fournissent un enregistrement direct de l’évolution du manteau avant et au cours des phases orogéniques. Nous rapportons ici la découverte de péridotites orogéniques au sein d’unités de croûte inférieure varisque, dans le massif du Pelvoux (Alpes occidentales externes). Celles-ci se présentent sous forme d’enclaves fragmentées, emballées dans des migmatites. On observe une grande diversité pétrographique, allant de lherzolites à grenat très fertile à des harzburgites à spinelle/chromite plus appauvries. Les estimations thermobarométriques effectués sur une lherzolite à grenat indiquent un stade initial à 3,0–4,0 GPa et 970–1140 °C, suivi d’une exhumation à 0,8–1,3 GPa et 800–850 °C, tandis que les harzburgites ne montrent aucune trace d’équilibration dans le champ du grenat. Les observations pétrographiques, les données géochimiques sur roche totale et les compositions minérales in situ indiquent que les péridotites ont enregistré une histoire complexe, précédant leur incorporation dans la croûte inférieure au cours de l’orogenèse Varisque. Elles dérivent de domaines mantelliques réfractaires, qui ont subi différents degrés de fusion partielle avant d’être refertilisés. Un métasomatisme cryptique est observé dans tous les échantillons. Il est caractérisé par un enrichissement en éléments lithophiles (en particulier en Cs, Rb, U, Pb) par rapport aux HFSE (High Field Strength Elements), en particulier Nb et Ta. Ce métasomatisme est vraisemblablement lié à la percolation de fluides / liquides silicatés issu d’un zone de subduction. Par ailleurs, on observe dans certains échantillons un métasomatisme modal, caractérisé par la cristallisation de phlogopite, de pargasite, de chromite et d’apatite ainsi que par un fort enrichissement en LREE (Light Rare Earth Elements) incompatibles par rapport aux HREE (Heavy Rare Earth Elements). Ces caractéristiques géochimiques sont très similaires à celles des durbachites et des vaugnérites, des séries de roches magmatiques mantelliques (ultra)-potassiques riches en Mg–Cr–LILE, mises en place au Carbonifère moyen à supérieur dans les unités métamorphiques allochthones du massif central, des Vosges, du massif de Bohème, ainsi que dans le socle varisque des Alpes externes. Ceci suggère l’existence d’un lien génétique entre les durbachites et vaugnérites et le métasomatisme modal observé dans les enclaves. Ce dernier pourrait ainsi être lié à la percolation dans le manteau des magmas primaires riches en K₂O–P₂O₅–Cr₂O₃ dont sont issues les durbachites. Ces caractéristiques géochimiques sont en accord avec les compositions isotopiques en Nd, qui indiquent un enrichissement du manteau par du matériel issu de la croûte continentale, vraisemblablement lié aux subductions varisques. Cette évolution est cohérente avec celle d’autres péridotites varisques dans les Alpes orientales (Ulten) et dans le massif de Bohème, où des épisodes métasomatiques liés à la percolation des fluides / liquides magmatiques mantelliques issus des zones de subduction varisques est bien documentée.