Polycyclic alpine orogeny in the Rhodope metamorphic complex: the record in migmatites from the Nestos shear zone (N. Greece)

Orogenèse alpine polycyclique dans le complexe métamorphique du Rhodope : enregistrement dans les migmatites de la zone de cisaillement du Nestos (Grèce)

¹ Université Rennes 1, CNRS, Géosciences Rennes UMR6118, OSUR, 35042 Rennes cedex, France
² Université Clermont-Auvergne, CNRS, IRD, OPGC, Laboratoire Magmas et Volcans, 63000 Clermont-Ferrand, France
³ Sofia University “St Kliment Ohridski”, 15 Tzar Osvoboditel, 1504 Sofia, Bulgaria
⁴ University of Milano, Earth Sciences Department, Via Mangiagalli 34, 20133 Milano, Italy

^* Corresponding author: pierre.gautier@univ-rennes1.fr

Abstract

The Rhodope Metamorphic Complex (RMC) is a high-grade crystalline massif located at the northern margin of the Aegean region. Numerous scenarios have been proposed for the evolution of the RMC during Alpine times. A debated issue is whether there has been a single protracted orogenic cycle since around the mid-Mesozoic or whether Alpine orogeny involved distinct episodes of subduction and crustal accretion. We describe a key outcrop located on the Nestos Shear Zone (NSZ), a major NNE-dipping top-to-SW shear zone characterized by an inverted metamorphic sequence. Structural and petrological data document the existence of two anatectic events. The first event, best preserved in decametric structural lenses, is pre-kinematic with respect to top-to-SW shearing and involved high-temperature “dry” melting. Zircon and monazite LA-ICPMS U-Th-Pb data indicate that this event occurred at ∼140 Ma. The second event is syn-kinematic with respect to top-to-SW shearing and involved lower-temperature water-assisted melting. Zircon and rutile LA-ICPMS U-Pb data indicate that this second event occurred at ∼40 Ma. During ongoing top-to-SW shearing and as late as ∼36 Ma, the rocks from the outcrop were at higher temperatures than the peak temperatures experienced by lower levels of the NSZ. This confirms the existence of the inverted metamorphic sequence and demonstrates that the NSZ was a major thrust at 36–40 Ma. The ∼100 Myr time laps between the two anatectic events encompasses the period from ∼115 to ∼70 Ma characterized by a gap in the geochronological record on the scale of the RMC (the Eastern Rhodope excluded). This ∼45 Myr gap likely reflects a period of tectonic quiescence between the mid-Mesozoic orogen and the Cenozoic one, attesting for polycyclic Alpine orogeny in the RMC. Unlike assumed in several geodynamic scenarios, the Alpine evolution of the RMC did not consist of a single orogenic cycle of Mesozoic age followed by Cenozoic crustal-scale extension triggered by mantle delamination. Polycyclic orogeny has resulted in a two-loop P-T-t path for the hangingwall unit of the NSZ. The Cenozoic P-T paths of this unit and the footwall unit merged while both units were being exhumed, a feature attributed to syn-thrusting extensional spreading of the main mass of the hangingwall unit above the NSZ.

Résumé

Le Rhodope est un complexe métamorphique de haut grade situé à la frange Nord de la région égéenne. De nombreux scénarios ont été proposés pour son évolution durant la période alpine. Une question débattue est de déterminer s'il n'y a eu qu'un seul cycle orogénique de longue durée depuis le milieu du Mésozoïque ou bien si l'orogenèse alpine a impliqué des épisodes distincts de subduction-accrétion crustale. Nous décrivons un affleurement-clé situé sur la « Nestos Shear Zone » (NSZ), une zone de cisaillement majeure inclinée au NNE et à vergence SW, caractérisée par une séquence métamorphique inverse. Les données structurales et pétrologiques documentent l'existence de deux événements anatectiques. Le premier, mieux préservé au sein de lentilles structurales décamétriques, est pré-cinématique vis-à-vis du cisaillement vers le SW et implique une fusion anhydre, de haute température. Les données U-Th-Pb obtenues par LA-ICPMS sur zircon et monazite indiquent que cet événement s'est produit vers 140 Ma. Le second événement est syn-cinématique vis-à-vis du cisaillement vers le SW et implique une fusion hydratée, de plus basse température. Les données U-Pb obtenues par LA-ICPMS sur zircon et rutile indiquent que ce second événement s'est produit vers 40 Ma. Durant le maintien du cisaillement vers le SW et jusqu'à ∼36 Ma, les roches de l'affleurement étaient à des températures supérieures aux températures maximales subies par les niveaux inférieurs de la NSZ. Ceci confirme l'existence de la séquence métamorphique inverse et démontre que la NSZ était un chevauchement majeur à 36–40 Ma. Le laps de temps de 100 Ma entre les deux événements anatectiques englobe la période comprise entre ∼115 et ∼70 Ma, caractérisée par une lacune dans l'enregistrement géochronologique à l'échelle du Rhodope (le Rhodope oriental exclu). Cette lacune de ∼45 Ma reflète probablement une période tectoniquement calme entre l'orogène du milieu du Mésozoïque et celui du Cénozoïque, attestant du caractère polycyclique de l'orogenèse alpine dans le Rhodope. Contrairement à l'hypothèse de certains scénarios, l'évolution du Rhodope ne s'est pas limitée à un seul cycle orogénique mésozoïque suivi au Cénozoïque par un épisode d'extension crustale déclenché par délamination du manteau. Du fait du caractère polycyclique de l'orogenèse, l'unité supérieure de la NSZ a suivi un chemin pression-température-temps comprenant deux boucles. Les segments pression-température cénozoïques de cette unité et de l'unité inférieure se sont rejoints alors que les deux unités étaient en cours d'exhumation. Ce fait est attribuable à l'extension par étalement gravitaire de la masse principale de l'unité supérieure, au-dessus de la NSZ, durant le mouvement chevauchant.