The sapphirine-bearing rocks in contact with the Lherz peridotite body: New mineralogical data, age and interpretation

Les roches à saphirine au contact du corps de péridotites de Lherz : nouvelles données minéralogiques, âge et nouvelle interprétation

¹ Univ Rennes, CNRS, Géosciences Rennes, UMR 6118, 35000 Rennes, France
² Laboratoire de Géologie de l’ENS, UMR 8538, ENS–CNRS, PSL Research University, 24, rue Lhomond, 75005 Paris, France
³ Université de Toulouse, CNRS, GET, IRD, OMP, 14, avenue Edouard Belin, 31400 Toulouse, France
⁴ Laboratoire Insulaire du Vivant et de l’Environnement, Université de la Nouvelle Calédonie, BPR4, 98851 Nouméa cedex, France

^* Correspondence: jessica.uzel@univ-rennes1.fr

Received: 28 December 2018
Accepted: 5 November 2019

Abstract

Sapphirine-bearing rocks are described in the Aulus Basin (Ariège, France) in a contact zone between the Lherz peridotitic body and Mesozoic metasediments which underwent the Pyrenean Cretaceous high-temperature, low-pressure metamorphic event (Monchoux, 1970, 1972a, 1972b). Sapphirine crystals occur in layered clastic deposits characterized by an uncommon suite of Al-Mg-rich minerals. A detailed petrographic study of sixteen samples representative of the diversity of the Lherz sapphirine-bearing rocks is presented. These rocks include breccias and microbreccias with various compositions. Some samples are composed of polymineralic clasts and isolated minerals that derive from regionally well-known protoliths such as ultramafic rocks, meta-ophites, “micaceous hornfels”, and very scarce Paleozoic basement rocks. Nevertheless, a large portion of the sapphirine-bearing clastic suite is composed of mono- and polymineralic debris that derive from unknown protolith(s). We define a "sapphirine-bearing mineral suite” (SBMS) composed of monomineralic debris including: sapphirine + enstatite + aluminous spinel + Mg-amphiboles + Ca-amphiboles + kornerupine + accessory minerals (apatite, diopside, rutile, serpentine, smectite, tourmaline, vermiculite and a white mica). We highlight the dominance of metamorphic Keuper clastic materials in the studied rocks and the presence of inclusions of anhydrite and F-, Cl-, Sr-rich apatite in minerals of the Al-Mg-rich suite. The brecciated texture and the presence of unequivocal sedimentary features suggest that the sapphirine-bearing rocks were mechanically disaggregated and then experienced winnowing in underwater conditions with poor mixing between the different sources. We measured U-Pb rutile age data in order to provide constraints on the age of (one of) the protolith(s) of those clastic deposits. The obtained age (98.6 + 1.2 Ma) is interpreted as the age of metamorphism of this protolith of the SBMS. Previous works interpreted the Lherz sapphirine-bearing rocks as crustal protoliths modified at depth along the contact with the ultramafic rocks of the Lherz body during their ascent towards shallower depths. These new data imply: (i) an Upper Triassic to Lower Jurassic origin for the main protolith of the sapphirine-bearing rocks; (ii) the metamorphism of this protolith along an active hot crust–mantle detachment during Cenomanian times with the involvement of metasomatic, brine-type fluids; and (iii) its brecciation during the exhumation of the material due to the evolution of the detachment, followed by subsequent sedimentary reworking of the metamorphic material.

Résumé

Des roches contenant de la saphirine ont été décrites dans le Bassin d’Aulus (Ariège, France), au sein d’une zone de contact entre le corps de péridotites de Lherz et les métasédiments mésozoïques affectés au Crétacé par un métamorphisme de haute température et de basse pression (Monchoux, 1970, 1972a, 1972b). La saphirine se trouve dans des dépôts clastiques lités caractérisés par une association minérale rare, riche en Al et Mg. Nous présentons ici les résultats de l’étude pétrographique détaillée de 16 échantillons représentatifs de la diversité des roches à saphirine de Lherz. Ces brèches et microbrèches sont constituées de clastes monominéraux et polyminéraux de composition variable. Les protolithes de certains de ces clastes sont aisément identifiables : roches ultramafiques, méta-ophites, « cornéennes micacées », socle paléozoïque. Néanmoins, une grande partie des roches à saphirine est composée de débris mono- et polyminéraux dont le ou les protolithes sont inconnus dans la région et restent à identifier. Ces protolithes énigmatiques sont nécessairement composés des minéraux de l’ensemble que nous appelons « assemblage minéralogique à saphirine » (sapphirine-bearing mineral suite : SBMS) et qui comprend les espèces suivantes : saphirine + enstatite + spinelle alumineux + Mg-amphiboles + Ca-amphiboles + kornérupine + minéraux accessoires (apatite, diopside, rutile, serpentine, smectite, tourmaline, vermiculite et mica blanc). Nous mettons en évidence la présence d’inclusions d’anhydrite et d’apatite riche en F, Cl et Sr dans les espèces minérales du SBMS, ainsi qu’une proportion dominante d’éléments clastiques issus du métamorphisme de roches du Keuper dans l’ensemble des échantillons étudiés. La texture bréchique ainsi que la présence de figures sédimentaires dans les roches à saphirine montrent que leur(s) protolithe(s) a (ont) été soumis à un processus de désagrégation mécanique suivi du vannage des clastes en milieu aqueux. Un faible mélange entre les différentes sources est établi par la composition lithologique des roches étudiées. Une étude géochronologique par la méthode U-Pb sur rutile a été réalisée afin d’apporter des contraintes sur l’âge d’une (ou de la) source de ces dépôts clastiques. L’âge obtenu (98,6 + 1,2 Ma) est interprété comme l’âge du métamorphisme de ce protolithe du SBMS. Les roches à saphirine ont jusqu’à présent été interprétées comme du matériel crustal modifié en profondeur au contact des roches ultramafiques du corps de Lherz lors de leur remontée vers la surface. Les nouvelles contraintes géologiques apportées par cette étude impliquent : (i) l’origine triasique supérieure à jurassique inférieure du protolithe principal des roches à saphirine ; (ii) le métamorphisme de ce protolithe en présence de saumures le long d’un détachement croûte-manteau actif et chaud au Cénomanien ; et (iii) sa bréchification au cours de la remontée du matériel associée au fonctionnement du détachement, suivie du remaniement sédimentaire ultérieur de ce matériel métamorphique.