Quantitative P–T–t–D Paths: A Key to decipher orogenic dynamics in the Variscan Aiguilles Rouges Massif (External Crystalline Massifs, Western Alps)

Chemins P–T–t–D quantitatif : une clé pour décrypter la dynamique orogénique du massif varisque des Aiguilles Rouges (massifs cristallins externes, Alpes occidentales)

¹ Université de Lausanne, Institute of Earth Sciences, Géopolis 4897, 1015 Lausanne, Switzerland
² Laboratoire Chrono-environnement (UMR 6249), Université Marie et Louis Pasteur, CNRS, 25030 Besançon, France
³ Géosciences Montpellier, Campus Triolet, Université Montpellier, CNRS, 34095 Montpellier Cedex 5, France
⁴ Institute of Geological Sciences, University of Bern, Baltzerstrasse 3, Bern 3012, Switzerland
⁵ Laboratoire Magmas et Volcans (CNRS-UMR 6524), Campus Universitaire des Cézeaux, 63178 Aubière Cedex, France
⁶ BRGM-French Geological Survey, 3 Avenue Claude Guillemin, 45100 Orléans, France

^* Corresponding author: jonas.vanardois@unil.ch
^† Deceased.

Received: 18 September 2023
Accepted: 15 April 2025

Abstract

This study investigates the P–T–t–D evolution of two metapelitic samples from the middle crust exposed in the Aiguilles Rouges Massif. Garnet compositional mapping, phase equilibrium modelling, zirconium-in-rutile thermometry, trace element geochemistry of garnet and monazite, and U-Pb LA-ICP-MS dating on monazite were used to better understand the tectonic and thermal history of the variscan External Crystalline Massifs. In the sample representing the upper-middle crust (AR736, southwestern part of the massif), using the preserved mineral assemblage in garnet inclusion (Grt + St + Bt + Ms + Qz + Pl + Rt) and garnet compositions, the prograde P–T path was constrained from ∼0.5–0.6 GPa and 550–625 °C to ∼0.76–0.82 GPa and 600–640 °C. The P–T conditions at the onset of this prograde evolution suggest a high geothermal gradient (∼30–35 °C/km) prior to the onset of crustal thickening. In the sample representing the lower-middle crust (AR14, central part of the massif), using the preserved mineral assemblage in garnet inclusion (Grt + Bt + Ms + Qz + Pl + Rt), the occurrence of sillimanite and ilmenite in the matrix and garnet compositions, a β-shaped P–T path characterised by a late temperature increase during exhumation was identified. Both samples recorded a retrograde P–T stage at ∼0.4 GPa and 545 °C, dated at 315–305 Ma. Microstructural analysis indicates dextral transcurrent deformation from the late crustal thickening stage to the exhumation phase. Comparison with previously published P–T paths from eclogitic lenses highlights the juxtaposition of middle and lower crustal domains during dextral transcurrent deformation. We propose a tectonic model in which the formation of supra-subduction volcano-sedimentary basins (∼350 Ma) is followed by crustal thickening between 350 and 340 Ma under a thermal gradient of ∼5–15 °C/km. The exhumation of the lower and middle crust took place in a transcurrent regime between 340 and 305 Ma. This prolonged transcurrent tectonic activity suggests that the numerous transcurrent shear zones in the Variscan belt are not merely late orogenic structures but played a significant role in the geodynamic evolution, particularly in the exhumation of the orogenic crust, from the end of continental collision to the closure of the Variscan orogeny.

Résumé

Cette étude examine l’évolution P–T–t–D de deux échantillons de métapélites provenant de la croûte moyenne du massif des Aiguilles Rouges. Des cartes compositionnelles de grenat, la modélisation des équilibres de phases, le thermomètre zirconium-in-rutile, la géochimie des éléments traces dans le grenat et la monazite, ainsi que la datation U-Pb par LA-ICP-MS sur monazite ont été utilisés pour mieux comprendre l’histoire thermique et tectonique des Massifs Cristallins Externes varisques. Dans l’échantillon représentant la croûte moyenne supérieure (AR736, partie sud-ouest du massif), à l’aide de l’assemblage minéralogique préservé dans les inclusions du grenat (Grt + St + Bt + Ms + Qz + Pl + Rt) et des compositions chimiques des grenats, le trajet P–T prograde a été contraint entre ∼0,5–0,6 GPa et 550–625 °C jusqu’à ∼0,76–0,82 GPa et 600–640 °C. Les conditions P–T au début de ce trajet suggèrent un gradient géothermique élevé (∼30–35 °C/km) avant le début de l’épaississement crustal. Dans l’échantillon représentant la croûte moyenne inférieure (AR14, partie centrale du massif), à l’aide de l’assemblage minéralogique préservé dans les inclusions de grenat (Grt + Bt + Ms + Qz + Pl + Rt), de la présence de sillimanite et d’ilménite dans la matrice et des compositions chimiques des grenats, un trajet P–T en forme de β, caractérisé par une augmentation tardive de la température durant l’exhumation, a été identifié. Les deux échantillons ont enregistré une phase rétrograde à ∼0,4 GPa et 545 °C et, datée entre 315 et 305 Ma. L’analyse microstructurale indique une déformation transcurrente dextre depuis la phase tardive d’épaississement crustal jusqu’à la fin de l’exhumation. La comparaison avec les trajectoires P–T publiées pour des lentilles éclogitiques met en évidence la juxtaposition de domaines de croûte moyenne et inférieure durant la déformation transcurrente dextre. Nous proposons un modèle tectonique dans lequel la formation de bassins volcano-sédimentaires suprasubduction (∼350 Ma) est suivie par l’épaississement crustal entre 350 et 340 Ma sous un gradient thermique d’environ ∼5–15 °C/km. L’exhumation de la croûte moyenne et inférieure s’est déroulée dans un régime transcurrent dextre entre 340 et 305 Ma. Cette activité tectonique transcurrente prolongée suggère que les nombreuses zones de cisaillements transcurrentes de la chaîne Varisque ne sont pas seulement des structures tardi-orogéniques mais ont joué un rôle significatif dans l’évolution géodynamique, en particulier dans l’exhumation de la croûte orogénique, depuis la fin de la collision continentale jusqu’à la fin de l’orogène Varisque.