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Cambro–Ordovician ferrosilicic magmatism along the northern Gondwana margin: constraints from the Cézarenque–Joyeuse gneiss complex (French Massif Central)

Le magmatisme ferrosiliceux cambro–ordovicien de la marge Nord du Gondwana : nouvelles contraintes issues de l’étude du complexe gneissique de la Cézarenque–Joyeuse (Massif Central français)

¹ Université de Lorraine, CNRS, CRPG, F-54000 Nancy, France
² ETH Zürich, Department Erdwissenschaften, Institute for Geochemistry and Petrology, Clausiusstrasse 25, CH-8092 Zürich, Switzerland
³ CNRS, Observatoire Midi-Pyrénées, Géosciences Environnement Toulouse, 14 avenue E. Belin, F-31400 Toulouse, France

^* Corresponding author: simon.couzinie@univ-lorraine.fr

Received: 25 August 2021
Accepted: 3 June 2022

Abstract

It is well-acknowledged that the northern margin of the Gondwana supercontinent was affected by a major magmatic event at late Cambrian (Furongian) to early Ordovician (Tremadocian–Floian) times. However, an accurate assessment of its extent, origin, and significance is partly hampered by the incomplete characterization of the numerous gneiss massifs exposed in the inner part of the Variscan belt, as some of them possibly represent dismembered and deformed Furongian–Lower Ordovician igneous bodies. In this study, we document the case of the “Cézarenque–Joyeuse” gneiss complex in the Cévennes parautochthon domain of the French Massif Central. The gneisses form decametre- to kilometre-thick concordant massifs interlayered within a pluri-kilometric sequence of mica- and quartz schists. They encompass two main petrological types: augen gneisses and albite gneisses, both typified by their blue and engulfed quartz grains with the augen facies differing by the presence of centimetre-sized pseudomorphs after K-feldspar and the local preservation of igneous textures. Whole-rock geochemistry highlights that many gneisses have magmatic ferrosilicic (acidic with anomalously high FeO_t and low CaO) compositions while others are akin to greywackes. Collectively, it is inferred that the bulk of the Cézarenque–Joyeuse gneisses represents former rhyodacite lava flows or ignimbrites and associated epiclastic tuffs. Volumetrically subordinate, finer grained, and strongly silicic leucogneisses are interpreted as microgranite dykes originally intrusive within the volcanic edifices. LA–ICP–MS U–Pb dating of magmatic zircon grains extracted from an augen gneiss and a leucogneiss brackets the crystallization age of the silicic magmas between 486.1 ± 5.5 Ma and 483.0 ± 5.5 Ma which unambiguously ties the Cézarenque–Joyeuse gneisses to the Furongian–Lower Ordovician volcanic belt of SW Europe. Inherited zircon date distributions, Ti-in-zircon and zircon saturation thermometry demonstrate that they formed by melting at 750–820 °C of Ediacaran sediments. Zircon Eu/Eu* and Ce/Ce* systematics indicate that the melts were strongly reduced (fO₂ probably close to the values expected for the iron–wüstite buffer), possibly because they interacted during ascent with Lower Cambrian black shales. This would have enhanced Fe solubility in the melt phase and may explain the peculiar ferrosilicic signature displayed by many Furongian–Lower Ordovician igneous rocks in the northern Gondwana realm. We infer that crustal melting resulted from a combination of mantle-derived magma underplating in an intracontinental rift setting and anomalously elevated radiogenic heat production within the Ediacaran sedimentary sequences.

Résumé

Un important évènement magmatique a affecté la marge Nord du Gondwana de la fin du Cambrien (Furongien) au début de l’Ordovicien (Trémadocien–Floien). Afin de préciser son extension géographique et de mieux contraindre son origine et sa signification géodynamique, il est essentiel de caractériser finement les nombreux massifs de gneiss affleurant dans les zones internes de la chaîne Varisque, certains d’entre eux représentant probablement d’anciens corps magmatiques cambro-ordoviciens. Cet article présente de nouvelles données sur les gneiss dits de la « Cézarenque » ou de « Joyeuse » qui affleurent dans le domaine para-autochtone cévenol du sud du Massif Central français. Ces gneiss forment des massifs concordants dans la schistosité régionale, d’une épaisseur variant de la dizaine de mètres à plusieurs kilomètres, intercalés dans une épaisse séquence de mica- et quartz-schistes. Les deux types pétrographiques principaux sont un gneiss oeillé et un gneiss albitique, tous deux caractérisés par la présence de « phénocristaux » de quartz bleus d’origine magmatique, les gneiss oeillés se distinguant par leurs pseudomorphes centimétriques de feldspath potassique. Les compositions chimiques en roche totale démontrent que de nombreux gneiss ont des compositions magmatiques et se rattachent aux séries ferrosiliceuses (acides, anormalement riches en FeO_t et pauvres en CaO). A contrario, certains gneiss albitiques ont des compositions qui les rapprochent de grauwackes. L’ensemble de ces observations suggère que les gneiss de Cézarenque–Joyeuse représentent d’anciennes coulées (pyroclastiques ou laviques) rhyodacitiques et leurs produits de remaniements proximaux. Un rare faciès de leucogneiss, subordonné en volume, correspondrait à d’anciens microgranites originellement intrusifs dans les édifices rhyodacitiques. Les datations U–Pb par LA–ICP–MS de grains de zircons extraits d’un gneiss oeillé et d’un leucogneiss indiquent que les magmas ont cristallisé entre 486,1 ± 5,5 et 483,0 ± 5,5 Ma, affiliant de fait les gneiss de Joyeuse–Cézarenque à la chaîne volcanique d’âge Furongien–Ordovicien Inférieur d’Europe de l’Ouest. La gamme d’âge des zircons hérités et la teneur en Ti des zircons magmatiques indiquent que les liquides proviennent de la fusion à 750–820 °C de sédiments d’âge Ediacarien. Les ratios Eu/Eu* et Ce/Ce* des grains de zircon démontrent que ces liquides étaient fortement réduits (fO₂ proche du tampon fer–wustite), potentiellement à la suite de leur interaction en route vers la surface avec les sédiments riches en matière organique du Cambrien Inférieur. Ce caractère réduit a pu augmenter la solubilité du fer dans les liquides et expliquerait de fait le caractère ferrosiliceux. Cet évènement de fusion partielle de la croûte continentale est vraisemblablement lié au sous-placage de magmas basiques dans un contexte de rift intracontinental et à la production de chaleur radiogénique anormalement élevée des séquences sédimentaires édiacariennes.