Petrogenesis and tectonic-magmatic context of emplacement of lepidolite and petalite pegmatites from the Fregeneda-Almendra field (Variscan Central Iberian Zone): clues from Nb-Ta-Sn oxide U-Pb geochronology and mineral geochemistry

Pétrogenèse et contexte tectonique-magmatique de mise en place des pegmatites à pétalite et lépidolite de la ceinture de la Fregeneda-Almendra (Zone centrale ibérique de la Chaîne varisque) : aperçu de la cristallochimie et de la géochronologie U-Pb des oxydes de Nb-Ta-Sn

¹ Georessources, UMR 7359, Université de Lorraine, CNRS, Nancy 54000, France
² BRGM, F-45060 Orléans, France
³ ISTO, UMR 7327, Université d’Orléans, CNRS, BRGM, F-45071 Orléans, France

*e-mail: christophe.ballouard@univ-lorraine.fr

Received: 24 June 2023
Accepted: 3 October 2023

Abstract

The Fregeneda-Almendra pegmatite field of the Iberian Massif represents a typical expression of peraluminous rare-metal magmatism that occurred over western Europe at the end of the Variscan orogeny. It is the host for two main types of Li-mineralized intrusions, identified at the scale of the Variscan belt, including petalite- or spodumene-rich pegmatites, as well as Li-mica-rich pegmatites, for which the origin of mineralogical-chemical differences is not yet understood. Here, we provide cassiterite and columbite-group mineral (CGM) U-Pb ages along with oxide, mica and phosphate mineral compositions for Li-pegmatites from the Fregeneda-Almendra field in order to assess their petrogenesis and tectonic-magmatic context of emplacement. U-Pb geochronology indicates that petalite-rich and Li-mica-rich pegmatites were mostly emplaced sub-synchronously from 315 ± 6 to 308 ± 6 Ma, during strike-slip deformation and granitic magmatism within an anatectic dome bounding the pegmatite field. U-Pb data and pegmatite geographic zonation suggest that Li-pegmatites were sourced from buried equivalents of leucogranites and migmatites from the dome. Li-pegmatites experienced a complex crystallization including K-feldspar, petalite, topaz, Nb-Ta-Fe-Mn-rich cassiterite, amblygonite-group minerals (AGM) and CGM as early magmatic phases, followed by lepidolite for Li-mica-rich pegmatites. At the magmatic-hydrothermal transition, notably leading to the formation of Nb-Ta-Mn-Fe-poor cassiterite hosting CGM inclusions, earlier minerals were resorbed by muscovite and albite. A later F-rich hydrothermalism is locally reflected by zinnwaldite overgrowths on muscovite. Cassiterite, CGM and micas from petalite-rich pegmatites show lower Mn/Fe ratios and higher Ti contents, along with lower Zr-Ga contents for cassiterite, than that from Li-mica-rich pegmatites. Such behavior is consistent with a magmatic differentiation process whereby Ti content decreased and the degree of Mn-Fe geochemical fractionation and solubilities of Ga and Zr increased in the melts, possibly in relation with high fluorine activity. In Li-mica-rich pegmatites, AGM equilibrated with a melt with up to 2 wt% F, similar to that in equilibrium with lepidolite (1–3 wt%). In petalite-rich pegmatites, the relatively high F concentration of the melts equilibrated with AGM (≤ 1.5 wt% F) contrasts with the liquid equilibrated with muscovite (< 0.5 wt% F). This can be accounted for by muscovite crystallization after the exsolution of a F-rich aqueous phase at the magmatic-hydrothermal transition. Relatively similar F contents in the initial melts of petalite- and Li-mica-rich pegmatites support the hypothesis that the stability of lepidolite does not only involve high F but also a low H₂O/F activity ratio. For the Fregeneda-Almendra Li-mica-rich pegmatites, this could be explained by a decrease of melt H₂O solubility due to a relatively low pressure of emplacement.

Résumé

Le champ de pegmatites de la Fregeneda-Almendra représente une expression typique du magmatisme peralumineux à métaux rares de la fin de l’orogenèse varisque. Il est l’hôte de deux principaux types d’intrusions minéralisées en Li incluant des pegmatites à pétalite ou spodumène, et à micas lithinifères (mica-Li), dont l’origine des différences cristallochimiques est mal comprise. Nous fournissons ici des âges U-Pb sur cassitérite et minéraux du groupe de la colombite (coltan) ainsi que la composition des oxydes, micas et phosphates de ces pegmatites afin d’évaluer leur pétrogenèse et leur contexte de mise en place. La géochronologie U-Pb indique que les pegmatites à pétalite et à mica-Li se sont mises en place de manière sub-synchrone de 315 ± 6 à 308 ± 6 Ma, lors d’une déformation en décrochement et du magmatisme granitique dans un dôme anatectique délimitant le champ de pegmatites. Les âges et la zonation géographique des pegmatites suggèrent que les leucogranites et migmatites du dôme représentent des équivalents de leur source. Les pegmatites à Li enregistrent une cristallisation complexe comprenant : feldspath-K, pétalite, topaze, cassitérite riche en Nb-Ta-Fe-Mn, minéraux du groupe de l’amblygonite (MGA) et coltans comme phases magmatiques précoces, suivies du lépidolite pour les pegmatites à mica-Li. À la transition magmatique-hydrothermale, conduisant notamment à la formation de cassitérite pauvre en Nb-Ta-Mn-Fe, les minéraux précoces ont été résorbés par la muscovite et l’albite. Un hydrothermalisme tardif riche en F est reflété par des surcroissances de zinnwaldite sur la muscovite. Les oxydes et les micas des pegmatites à pétalite présentent des rapports Mn/Fe et des teneurs en Zr et Ga plus faibles ainsi que des teneurs en Ti plus élevées que ceux des pegmatites à mica-Li. Ceci est cohérent avec un processus de différenciation magmatique durant lequel la teneur en Ti a diminué, et le fractionnement de Mn-Fe et les solubilités de Zr et Ga ont augmenté dans le liquide, possiblement en relation avec une augmentation de l’activité en F. Dans les pegmatites à mica-Li, les MGA étaient équilibrés avec un liquide silicaté contenant jusqu’à 2%pds de F, similaire à celui en équilibre avec le lépidolite (1–3%pds). Dans celles à pétalite, la concentration en F relativement élevée du liquide équilibré avec l’AGM (≤ 1,5%pds F) contraste avec celui équilibré avec la muscovite (< 0,5%pds F). Ceci peut s’expliquer par la cristallisation de la muscovite après l’exsolution d’une phase aqueuse riche en F. Des teneurs en F relativement similaires dans les liquides initiaux des pegmatites à pétalite et mica-Li suggèrent que la stabilité du lépidolite n’implique pas seulement une activité élevée en F mais aussi une faible activité en H₂O relative au F. Pour les pegmatites à mica-Li de la Fregeneda-Almendra, ceci pourrait s’expliquer par une diminution de la solubilité de l’H₂O dans le liquide parent due à une pression de mise en place relativement faible.