Permian fluid circulation and deformation along a crustal-scale shear zone in the Montagne Noire gneiss dome (southern French Massif Central)

Circulation de fluides et déformation permiennes le long d'une zone de cisaillement à l'échelle crustale dans le dôme gneissique de la Montagne Noire (sud du Massif Central français).

¹ Geosciences Montpellier, Campus Triolet, Université de Montpellier, CNRS, 34095 Montpellier cedex 5, France
² UMR 6249 Chrono-environnement, Université de Bourgogne-Franche-Comté, France
³ Department of Earth and Environment Sciences, University of Minnesota − Twin Cities, Minneapolis, MN 55455, USA
⁴ Laboratoire Magmas et Volcans (CNRS-UMR 6524), Campus Universitaire des Cézeaux, 63178 Aubière Cedex, France
⁵ Geology department, College of William and Mary, Williamsburg, VA 23185, USA
⁶ Institute of Earth Sciences, University of Lausanne, Switzerland
⁷ School of Geosciences, University of Sydney, Sydney, NSW, Australia

^* e-mail: francoise.roger@umontpellier.fr

Received: 12 January 2024
Accepted: 21 April 2025

Abstract

U-Th-Pb LA-ICPMS (Laser Ablation − Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) has the power to elucidate the timing of metamorphism, deformation, migmatization, and plutonism. The Montagne Noire Variscan gneiss dome (southern French Massif Central) has been extensively studied, but interpretations of geochronology data remain highly debated. In tribute to Jean-Louis Paquette’s work, we first present the results of the last 10 yr of reflection on our knowledge of the Montagne Noire dome, highlighting the various contributions of LA-ICPMS U-Th-Pb geochronology. Then, based on new structural, petrological and U-Th-Pb data obtained in the southeastern part of the Montagne Noire Axial Zone (MNAZ), in “Les Gorges d’Héric” valley, we provide new insight into the structure and strain partitioning in this region and propose the existence of a crustal-scale dextral shear zone that we name the “Gorges d’Héric Shear Zone” (GHSZ). The LA-ICPMS U-Th-Pb age on monazite, obtained on a pegmatite cross-cutting vertical structures on the southern margin of the GHSZ, constrains the end of ductile deformation at ca. 295 Ma in that part of the shear zone. Further north, a localized deformation corridor is accompanied by significant fluid circulation recorded in retrogressed metamafic lenses. Petrographic observations reveal a complex mineralogical evolution characterised by the formation of garnet, amphibole, orthopyroxene, and secondary spinel, interpreted as the product of fluid-driven mineral reactions. Potassium metasomatism is responsible for the development of syn-kinematic biotite. The final retrograde stage is marked by the development of amphibole + chlorite assemblages and late serpentinization reactions. U-Th-Pb results obtained on zircon grains highlight a long and complex geological history. Three age populations have been identified and associated with: (1) the magmatic protolith emplacement likely to be linked to early Paleozoic event(s), (2) the existence of a ca. 315 Ma event interpreted as a high-grade metamorphic imprint and (3) a last corresponding to most of the zircon U-Pb data gives a concordia age of 280.6 ± 2.5 Ma, interpreted as the age of zircon (re)crystallization during localized deformation and aqueous fluid circulation along the GHSZ, probably related to the well-known early Permian regional volcanic episode. Within the GHSZ, the geochronological dataset spans the period from 320 Ma to 280 Ma, suggesting that this is a significant structure.

Résumé

La technique U-Th-Pb par LA-ICPMS (Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) couramment utilisée en géochronologie, permet d’élucider la chronologie du métamorphisme, de la déformation, de la migmatisation et du plutonisme. Le dôme de gneiss varisque de la Montagne Noire, situé dans la partie méridionale du Massif Central français, est l’un des dômes métamorphiques les plus étudiés au monde. En hommage au travail de Jean-Louis Paquette, nous commencerons par présenter les résultats des dix dernières années de réflexion sur notre compréhension du dôme de la Montagne Noire, en mettant en lumière les diverses contributions de la géochronologie U-Th-Pb par LA-ICPMS. Ensuite, sur la base de nouvelles données structurales, pétrologiques et U-Th-Pb obtenues dans la partie sud-est de la Zone Axiale de la Montagne Noire (MNAZ), dans les Gorges d’Héric, nous apportons un nouvel éclairage sur la structure et le partitionnement de la déformation dans cette région, et suggérons l’existence d’une zone de cisaillement dextre à l’échelle crustale que nous nommons la “Zone de Cisaillement des Gorges d’Héric” (GHSZ). L’âge LA-ICPMS U-Th-Pb sur monazite, obtenu sur une pegmatite qui recoupe les structures verticales sur la marge méridionale de la GHSZ, contraint la fin de la déformation ductile à environ 295 Ma dans cette partie de la zone de cisaillement. Plus au nord, au Gouffre du Cerisier, un couloir de déformation localisée s’accompagne d’une circulation de fluides significative, enregistrée dans des lentilles de métamafiques rétromorphosées. Les observations pétrographiques révèlent une évolution minéralogique complexe, caractérisée par la formation de grenat, d’amphibole, d’orthopyroxène et de spinelle secondaire, et qui est interprétée comme le résultat de réactions minérales induites par des fluides. Un métasomatisme potassique est responsable du développement de la biotite syn-cinématique. Le stade rétrograde final est marqué par la formation d’assemblages amphibole + chlorite, ainsi que par des réactions tardives de serpentinisation. Les résultats U-Th-Pb obtenus sur les zircons de cette roche métamafique métasomatisée mettent en évidence une histoire géologique longue et complexe. Les âges préservent des évènements hérités avec (1) la mise en place du protolithe magmatique liée à des événements paléozoïques précoces et (2) l’existence d’un événement métamorphique de haute température daté à environ 315 Ma. La majorité des données U-Th-Pb obtenues donnent un âge concordia de 280.6 ± 2.5 Ma, interprété comme l’âge de la (re)cristallisation du zircon lors de la déformation localisée et de la circulation de fluides aqueux, probablement en lien avec l’épisode volcanique régional bien connu du Permien inférieur. Au sein de la GHSZ, les données géochronologiques couvrent la période de 320 Ma à 280 Ma, suggérant ainsi qu’il s’agit d’une structure significative.