Mantle exhumation at magma-poor passive continental margins. Part I. 3D architecture and metasomatic evolution of a fossil exhumed mantle domain (Urdach lherzolite, north-western Pyrenees, France)

Exhumation du manteau au pied des marges passives pauvres en magma. Partie 1. Architecture 3D et évolution métasomatique du domaine fossile à manteau exhumé (lherzolite d’Urdach, Pyrénées NW, France)

¹ Université de Rennes, CNRS, UMR 6118 Géosciences Rennes, Campus de Beaulieu, 35000 Rennes, France
² Université de Montpellier, CNRS, Géosciences Montpellier, 34095 Montpellier, France
³ LIVE, Université de la Nouvelle-Calédonie, BPR4, 98851 Nouméa cedex, France
⁴ Institute of Earth Sciences, University of Lausanne, Géopolis, 1015 Lausanne, Switzerland
⁵ Université de Brest, CNRS, UMR 6538 Géosciences Océan, Institut Universitaire Européen de la Mer, place Nicolas-Copernic, 29280 Plouzané, France

^* Corresponding author: yves.lagabrielle@univ-rennes1.fr

Received: 10 January 2019
Accepted: 10 April 2019

Abstract

In two companion papers, we report the detailed geological and mineralogical study of two emblematic serpentinized ultramafic bodies of the western North Pyrenean Zone (NPZ), the Urdach massif (this paper) and the Saraillé massif (paper 2). The peridotites have been exhumed to lower crustal levels during the Cretaceous rifting period in the future NPZ. They are associated with Mesozoic pre-rift metamorphic sediments and small units of thinned Paleozoic basement that were deformed during the mantle exhumation event. Based on detailed geological cross-sections and microprobe mineralogical analyses, we describe the lithology of the two major extensional fault zones that accommodated: (i) the progressive exhumation of the lherzolites along the Cretaceous basin axis; (ii) the lateral extraction of the continental crust beneath the rift shoulders and; (iii) the decoupling of the pre-rift cover along the Upper Triassic (Keuper) evaporites and clays, allowing its gliding and conservation in the basin center. These two fault zones are the (lower) crust-mantle detachment and the (upper) cover décollement located respectively at the crust-mantle boundary and at the base of the detached pre-rift cover. The Urdach peridotites were exposed to the seafloor during the Late Albian and underwent local pervasive carbonation and crystallization of calcite in a network of orthogonal veins (ophicalcites). The carbonated serpentinized peridotites were partly covered by debris-flows carrying fragments of both the ultramafics and Paleozoic crustal rocks now forming the polymictic Urdach breccia. The mantle rocks are involved in a Pyrenean overturned fold together with thin units of crustal mylonites. Continent-derived and mantle-derived fluids that circulated along the Urdach crust-mantle detachment led to the crystallization of abundant metasomatic rocks containing quartz, calcite, Cr-rich chlorites, Cr-rich white micas and pyrite. Two samples of metasomatized material from the crust-mantle detachment yielded in situ zircon U/Pb ages of 112.9 ± 1.6 Ma and 109.4 ± 1.2 Ma, thus confirming the Late Albian age of the metasomatic event. The cover décollement is a 30-m thick fault zone which also includes metasomatic rocks of greenschist facies, such as serpentine-calcite association and listvenites, indicating large-scale fluid-rock interactions implying both ultramafic and continental material. The lowermost pre-rift cover is generally missing along the cover décollement due to tectonic disruption during mantle exhumation and continental crust elision. Locally, metasomatized and strongly tectonized Triassic remnants are found as witnesses of the sole at the base of the detached pre-rift cover. We also report the discovery of a spherulitic alkaline lava flow emplaced over the exhumed mantle. These data collectively allow to propose a reconstruction of the architecture and fluid-rock interaction history of the distal domain of the upper Cretaceous northern Iberia margin now inverted in the NPZ.

Résumé

Dans deux articles compagnons, nous décrivons la géologie et la minéralogie de deux massifs de péridotites serpentinisées représentatifs de la Zone Nord-Pyrénéenne (ZNP) occidentale, le massif d’Urdach (cet article) et le massif du Saraillé (article 2). Les péridotites ont été portées vers les niveaux crustaux supérieurs durant l’épisode de rifting pyrénéen crétacé qui a affecté la future ZNP. Elles sont associées à des sédiments métamorphiques pré-rift et à des lambeaux de croûte Paléozoïque déformée durant l’exhumation. En s’appuyant sur des descriptions de coupes géologiques et des analyses de minéraux à la microsonde, nous précisons la lithologie de deux failles extensives majeures qui ont permis : (i) la remontée des lherzolites sous l’axe du bassin ; (ii) l’extraction latérale de la croûte continentale sous les bordures du rift et ; (iii) le découplage et le glissement de la couverture pré-rift le long des évaporites et argiles du Keuper. Ces deux zones de faille sont le détachement croûte-manteau (inférieur) et le décollement de couverture (supérieur) situés respectivement à la limite croûte-manteau et à la base de de la série pré-rift glissée. Les péridotites d’Urdach ont été mises à l’affleurement sur le fond marin où elles ont subi une carbonatation interne partielle accompagnée de cristallisation de calcite dans un réseau de veines orthogonales (ophicalcites). Les serpentinites ont été recouvertes partiellement par la brèche d’Urdach formée d’écoulements de débris ultramafiques et paléozoïques. Les roches du manteau sont engagées avec de minces lentilles de mylonites crustales dans un pli deversé vers l’ouest. Des fluides d’origine mantellique et continentale ont circulé le long du détachement croûte-manteau et ont permis la cristallisation de roches métasomatiques renfermant : quartz, calcite, chlorite et mica riches en Cr, et pyrite. Deux échantillons de ces roches métasomatiques ont fourni des âges U/Pb in situ sur zircons de 112.9 ± 1.6 Ma et 109.4 ± 1.2 Ma confirmant ainsi l’âge Albien supérieur de cet événement métasomatique. Le décollement de couverture renferme aussi des roches métasomatiques (associations calcite-serpentine et listvénites), témoignant d’échanges fluide-roche à grande échelle à partir de matériel mantellique et crustal. La base de la couverture pré-rift a subi une troncature basale lors de l’exhumation du manteau et des résidus triasiques très déformés sont présents à la base de la série pré-rift décollée. Nous avons également découvert une coulée de lave sphérulitique alcaline mise en place sur le manteau exhumé. Cet ensemble de données sur le massif d’Urdach permet de proposer une reconstitution au Crétacé supérieur de l’histoire des fluides et de l’architecture du domaine distal de la marge nord ibérique aujourd’hui inversée dans la ZNP.