Petrogenetic link between metasedimentary rocks, migmatites and granitoids in the Variscan basement of the Pontgibaud area, French Massif Central – implications for the crustal structure

Lien pétrogénétique entre roches métasédimentaires, migmatites et granitoïdes dans le socle varisque de la région de Pontgibaud, Massif Central Français - implications pour la structure crustale

¹ Géosciences Environnement Toulouse, CNRS, IRD, UT3, Observatoire Midi-Pyrénées, 14 av. E. Belin, 31400 Toulouse, France
² TLS Geothermics

^* Corresponding author: calimeria.carmo@get.omp.eu

Received: 10 November 2023
Accepted: 1 March 2025

Abstract

The architecture of the crust in the French Massif Central (FMC) is described as a nappe stack composed, from top to bottom, of the Upper Gneiss Unit (UGU), the Lower Gneiss Unit (LGU), and the Para-Autochthonous Unit (PAU), which are intruded by Carboniferous granitic plutons. In the Pontgibaud region, the Upper Gneiss Unit/Lower Gneiss Unit (UGU/LGU) attribution and the relationship between metamorphic and magmatic rocks are uncertain. This hinders both our understanding of the geodynamic processes that led to the construction of the Variscan orogenic belt, and a precise assessment of the deep geothermal potential of this high-heat flow area. Our field investigations document a metamorphic gradient with, from South to North, micaschists and paragneiss with a gently, dominantly southward–dipping foliation grading into migmatites that display a steeper foliation. A maximum late Ediacaran deposition age of sedimentary protoliths is determined from LA-ICPMS U–Pb dates of the youngest detrital zircon populations that range from 588.9 ± 7.1 to 571.8 ± 8.2 Ma. Equilibrium phase diagrams calculated for selected samples document a metamorphic gradient from 2.3– 5.3 kbar, and 570°–660°C, characterizing a mid- to low pressure-high temperature event dated from 357.6 ± 1.5 to 342.2 ± 4.6 Ma by LA-ICP-MS U–Pb analyses of metamorphic monazite. The contact between the metasedimentary rocks and migmatites is crosscut by peraluminous, cordierite-biotite-bearing Claveix and Gelles granitic plutons dated at 338.0 ± 7.3 Ma and 323.3 ± 9.7 Ma, respectively by U–Pb on zircon. The distribution of U–Pb dates and Lu–Hf isotopic compositions of detrital zircon in metamorphic rocks; the absence of HP mineral relics; the age of HT metamorphism of ca. 357–345 Ma; and the lack of a major mylonitic tectonic contact, which would typify the base of UGU, collectively support that the exposed crust of the Pontgibaud area corresponds to LGU metamorphic rocks. Moreover, the mineralogy, bulk chemistry and zircon Lu–Hf isotopic composition of the granites and migmatites are consistent with an origin by partial melting of LGU metasedimentary rocks. These data show that the Pontgibaud area exposes a section along a Carboniferous MP-LP/HT metamorphic gradient from micaschists to migmatites. Genesis and extraction of a large volume of granitic magma require higher temperatures (>800 °C) that were not reached by the exposed rocks. Accordingly, we propose that the local mid- and lower crustal levels are made of rocks with a similar protolith as those exposed at the surface, but affected by higher metamorphic grade and magma extraction.

Résumé

L’architecture de la croûte dans le Massif central français (FMC) est décrite comme un empilement de nappes composé, de haut en bas, de l’unité supérieure de gneiss (USG), de l’unité inférieure de gneiss (UIG) et de l’unité para-autochtone (UPA), qui sont intrudées par des plutons granitiques du Carbonifère. Dans la région de Pontgibaud, l’attribution USG/UIG et la relation entre les roches métamorphiques et magmatiques sont incertaines. Cela limite à la fois notre compréhension des processus géodynamiques qui ont conduit à la construction de la ceinture orogénique varisque, et une évaluation précise du potentiel géothermique profond de cette zone à flux de chaleur élevé. Nos résultats de terrain documentent un gradient métamorphique avec, du sud au nord, des micaschistes et des paragneiss avec une foliation légèrement inclinée vers le sud, passant à des metatexites et diatexites avec une foliation plus pentée. L’âge maximum de dépôt des protolithes sédimentaires à la fin est déterminé à partir des âges U–Pb obtenus par LA-ICP-MS avec des populations de zircons détritiques qui vont de 588.9 ± 7.1 à 571.8 ± 8.2 Ma. La modélisation thermodynamique des échantillons sélectionnés donne des conditions de 2.3 à 5.3 kbar et de 570° à 660°C, caractérisant un événement de basse pression-haute température daté par U–Pb (LA-ICP-MS) sur monazite métamorphique entre 357.6 ± 1.5 et 342.2 ± 4.6 Ma. Les roches métamorphiques sont intrudées, par les plutons granitiques peralumineux de Claveix et de Gelles, des granites à cordiérite et biotite, datés respectivement à 338.0 ± 7.3 Ma et à 323.3 ± 9.7 Ma par des analyses U–Pb sur zircon.

La distribution des âges U–Pb et des compositions isotopiques Lu–Hf du zircon détritique dans les roches métamorphiques, l’absence de reliques minérales HP, l’âge du métamorphisme HT d’environ 357-345 Ma et l’absence d’une structure majeure reconnue, qui caractériserait la base de l’USG, confirment collectivement que les micaschistes, les paragneiss et les gneiss migmatitiques de la région de Pontgibaud correspondent à l’UIG. De plus, la minéralogie, la chimie en roche totale et la composition isotopique Lu–Hf des zircons des granites sont compatibles avec une origine des roches plutoniques par fusion partielle des roches métasédimentaires de l’UIG. En conséquence, ces données montrent que la région de Pontgibaud expose une section le long d’un gradient métamorphique LP/HT du Carbonifère, allant des micaschistes aux migmatites. La genèse et l’extraction d’un grand volume de magma granitique nécessitent des températures plus élevées (>800°C) qui n’ont pas été atteintes par les roches exposées. Nous proposons donc que les roches métamorphiques locales de la croûte moyenne et inférieure ont un protolithe similaire à celui des roches exposées à la surface, mais de caractère résiduel après extraction de melt, et affecté par un grade métamorphique supérieur.