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Annales Geophysicae, 7, (6), 1989, p. 579-594. L. SVALGAARD, Geomagnetic activity: dependence on solar wind parameters, in Coronal holes and high speed wind streams, J. B. ZIRKER éd., Colorado Ass. Univ. Press, Boulder, 1977, p. 371-432. J.-P. L. : CNRS-INSU, 94107 Saint-Maur Cedex, France; P. A. S. : Observatoire de Paris, Section de Meudon, 92195 Meudon Principal Cedex, France. Géochimie et géochronologie isotopiques/ isotopie Geochemistry and Geochronology Datation U/Pb sur zircon et géochimie isotopique Sr et Nd du volcanisme permien des Pyrénées occidentales (Ossau et Anayet) Louis BRIQUEU et Christophe INNOCENT Résumé Plusieurs populations de zircons ont été extraites d'une rhyolite peralumineuse et d'une acide à biotite composant les deux premières phases magmatiques du volcanisme du Pic du Midi d'Ossau (Pyrénées occidentales). Dans un diagramme Concordia, leur étude isotopique U/Pb permet de confirmer avec précision l'âge autunien de mise en place de volcanisme (272 à 278 Ma). Toutefois quelques zircons extraits de la rhyolite définissent une discordia inverse entre 305 et 1 750 Ma. Les deux cycles volcaniques présentent, tant en Sr qu'en Nd, des signatures isotopiques initiales comparables et fortement empreintes d'une composante crustale. Ultérieurement, le volcanisme évolue vers un pôle de plus en plus alcalin dont les caractéristiques isotopiques deviennent typiquement mantelliques (cycles de l'Anayet). U/Pb zircon dating and Sr and Nd isotope characteristics of Permian volcanism in the Western Pyrenees: the Ossau and Anayet massif Abstract — Several zircon populations have been extracted from a peraluminous rhyolite and from a dacite which are the rock types characterizing the first two volcanic phases of the Pic du Midi d'Ossau (Eastern Pyrenees). Using a Concordia diagram, their U/Pb isotopic study confirms that volcanism started in the Autunian age (272 to 278 My). These two volcanic cycles display initial Sr and Nd isotopic signatures which are comparable, and show a strong crustal imprint. Volcanism subsequently evolves towards an increasingly alkaline composition and the corresponding isotopic characteristics are compatible with a depleted asthenospheric mantle source. Abridged English Version — The European Variscan chain is characterized by a large calc-alkaline magmatism located in Permian basins resulting from the late orogenic extension. Bixel
isotopiques deviennent typiquement mantelliques (cycles de l'Anayet). U/Pb zircon dating and Sr and Nd isotope characteristics of Permian volcanism in the Western Pyrenees: the Ossau and Anayet massif Abstract — Several zircon populations have been extracted from a peraluminous rhyolite and from a dacite which are the rock types characterizing the first two volcanic phases of the Pic du Midi d'Ossau (Eastern Pyrenees). Using a Concordia diagram, their U/Pb isotopic study confirms that volcanism started in the Autunian age (272 to 278 My). These two volcanic cycles display initial Sr and Nd isotopic signatures which are comparable, and show a strong crustal imprint. Volcanism subsequently evolves towards an increasingly alkaline composition and the corresponding isotopic characteristics are compatible with a depleted asthenospheric mantle source. Abridged English Version — The European Variscan chain is characterized by a large calc-alkaline magmatism located in Permian basins resulting from the late orogenic extension. Bixel (1988) recognized five successive volcanic episodes in the Pyrenees. Only the first, fourth and fifth episodes can be observed in the Arago-Bearnais basin (fig. 1). The first episode constitutes the Ossau calc-alkaline cauldron (Bixel et al., 1983). It is composed of two successive magmatic cycles. The first one consists of biotite-bearing peraluminous rhyolites and almandine-bearing dacites. The second one consists of a typical calc-alkaline suite with andesitic basalts, andesites and dacites. Later, the fourth and fifth episodes erupted in the adjacent Anayet area. The calc-alkaline lavas of the fourth episode were emplaced into the Namurian to Westphalian formations as sills and laccoliths. The fifth volcanic episode is represented by lava flows consisting of alkali basalts (Cabanis and Le Fur-Balouet, 1989). RESULTS. First cycle. Zircons extracted from a peraluminous rhyolite are divided into three different populations: (i) completely rounded minerals, (ii) S-type minerals in Pupin and Turco's classification (1972) and (iii) G and P-type magmatic minerals. U/Pb experimental points (table I) corresponding to rounded and S-type minerals define a reverse discordia (fig. 2) which yields upper and lower intercept ages of 1,750 ±48 My and 305 ±27 My, respectively. These crustal zircons are the first evidence for the existence of proterozoic
biotite-bearing peraluminous rhyolites and almandine-bearing dacites. The second one consists of a typical calc-alkaline suite with andesitic basalts, andesites and dacites. Later, the fourth and fifth episodes erupted in the adjacent Anayet area. The calc-alkaline lavas of the fourth episode were emplaced into the Namurian to Westphalian formations as sills and laccoliths. The fifth volcanic episode is represented by lava flows consisting of alkali basalts (Cabanis and Le Fur-Balouet, 1989). RESULTS. First cycle. Zircons extracted from a peraluminous rhyolite are divided into three different populations: (i) completely rounded minerals, (ii) S-type minerals in Pupin and Turco's classification (1972) and (iii) G and P-type magmatic minerals. U/Pb experimental points (table I) corresponding to rounded and S-type minerals define a reverse discordia (fig. 2) which yields upper and lower intercept ages of 1,750 ±48 My and 305 ±27 My, respectively. These crustal zircons are the first evidence for the existence of proterozoic continental crust in the western part of the Pyrenees. The analytical data on magmatic zircons define a normal discordia. The upper intercept yields an Autunian age as expected from field relationships (278 ± 5 My). The Sr/Nd isotope systematics applied to this sample demonstrate that these felsic lavas are clearly derived from the crust (initial ɣ Nd ranges from 7 to -10). Note présentée par Jean DERCOURT. 0764-4450/93/03160623 $ 2.00 Académie des Sciences Second cycle. — An abundant population of zircons has been extracted from dacite which corresponds to the common facies of the calc-alkaline ring dyke structure of the Ossau massif. In the concordia diagram (fig. 2), all analyzed fractions are concordant and define an age of 272 ±3 My. This age is not significantly different from the age of the first magmatic cycle. It confirms the Autunian age for these magmatic events. The calc-alkaline Ossau volcanic suite also shows crustal Nd and Sr isotopic characteristics: Initial ɛ Nd ranges from -2.7 to -9.4, and initial 87 Sr ranges from +54 to +90 (Innocent, 1989). These values are directly comparable with those of Variscan granitoid intrusions from the Pyrenean area (Ben Othman et al., 1984, Bickle et al., 1988).
derived from the crust (initial ɣ Nd ranges from 7 to -10). Note présentée par Jean DERCOURT. 0764-4450/93/03160623 $ 2.00 Académie des Sciences Second cycle. — An abundant population of zircons has been extracted from dacite which corresponds to the common facies of the calc-alkaline ring dyke structure of the Ossau massif. In the concordia diagram (fig. 2), all analyzed fractions are concordant and define an age of 272 ±3 My. This age is not significantly different from the age of the first magmatic cycle. It confirms the Autunian age for these magmatic events. The calc-alkaline Ossau volcanic suite also shows crustal Nd and Sr isotopic characteristics: Initial ɛ Nd ranges from -2.7 to -9.4, and initial 87 Sr ranges from +54 to +90 (Innocent, 1989). These values are directly comparable with those of Variscan granitoid intrusions from the Pyrenean area (Ben Othman et al., 1984, Bickle et al., 1988). Thus, the location of either volcanism or plutonism may be tectonically controlled: the volcanism was emplaced in fault-basins, and plutons in epizonal metamorphic massifs (Rey, 1992). The isotopic compositions of the Anayet andesite (fourth episode) and the Anayet alkali basalt (fifth episode) indicate a derivation from a depleted-type mantle reservoir. Initial ɛ Nd are +3.7 and +7.4, respectively. Comme la totalité de la chaîne varisque, le domaine pyrénéen est affecté, au Stéphanien-Permien, par une tectonique distensive post-orogénique qui crée des bassins d'effondrement dans lesquels se déposent des séries détritiques, au sein desquelles s'intercalent cinq épisodes volcaniques (Bixel, 1988). Trois sont présents dans le bassin arago-béarnais situé dans la partie occidentale de la chaîne. L'épisode 1 est constitué par l'édifice en « cauldron » du pic du Midi d'Ossau proprement dit (Bixel et al., 1983). Deux cycles magmatiques s'y succèdent. Le premier est peralumineux et se compose de rhyolites à quartz, biotite et plagioclase et de dacites à grenat, minéral également présent dans le faciès rhyolitique. La muscovite, abondante dans ce même faciès, pourrait être secondaire et liée à une phase hydrothermale tardive. Le second épisode est calco-alcalin. Il est constitué d'une série de différenciation qui s'étend des basaltes andésitiques aux
Initial ɛ Nd are +3.7 and +7.4, respectively. Comme la totalité de la chaîne varisque, le domaine pyrénéen est affecté, au Stéphanien-Permien, par une tectonique distensive post-orogénique qui crée des bassins d'effondrement dans lesquels se déposent des séries détritiques, au sein desquelles s'intercalent cinq épisodes volcaniques (Bixel, 1988). Trois sont présents dans le bassin arago-béarnais situé dans la partie occidentale de la chaîne. L'épisode 1 est constitué par l'édifice en « cauldron » du pic du Midi d'Ossau proprement dit (Bixel et al., 1983). Deux cycles magmatiques s'y succèdent. Le premier est peralumineux et se compose de rhyolites à quartz, biotite et plagioclase et de dacites à grenat, minéral également présent dans le faciès rhyolitique. La muscovite, abondante dans ce même faciès, pourrait être secondaire et liée à une phase hydrothermale tardive. Le second épisode est calco-alcalin. Il est constitué d'une série de différenciation qui s'étend des basaltes andésitiques aux dacites. Les épisodes 4 et 5 constituent le secteur adjacent de l'Anayet (fig. 1). Ils sont respectivement de nature calco-alcaline et alcaline (Cabanis et Le Fur-Balouet, 1989). L'étude entreprise a un double objectif : 1) la datation par la méthode U/Pb sur zircon des différentes phases du volcanisme de l'Ossau; 2) leur caractérisation isotopique (Sr et Nd). I. GÉOCHRONOLOGIE U/Pb SUR ZIRCON. — Les zircons ont été extraits d'une rhyolite de la première phase de l'épisode Ossau et d'une dacite à biotite appartenant à la deuxième phase magmatique de la caldéra, où les dacites représentent le type pétrographique dominant du cycle calco-alcalin. (a) La rhyolite peralumineuse : les zircons de cette rhyolite appartiennent à trois populations typologiquement différentes. Quelques rares zircons sont totalement dépourvus de face indexable. D'autres sont de « type crustal » : types S7 et S1 dans la classification de Pupin et Turco (1972). Certains d'entre eux présentent des cœurs hérités. D'autres enfin, sont d'origine magmatiques (types G 1, G 3 et PI). Les zircons de type S forment la population numériquement la plus abondante. Les données U/Pb sont consignées dans le tableau I. Dans le diagramme Concordia (fig. 2), ces trois populations délivrent des informations chronologiques
2) leur caractérisation isotopique (Sr et Nd). I. GÉOCHRONOLOGIE U/Pb SUR ZIRCON. — Les zircons ont été extraits d'une rhyolite de la première phase de l'épisode Ossau et d'une dacite à biotite appartenant à la deuxième phase magmatique de la caldéra, où les dacites représentent le type pétrographique dominant du cycle calco-alcalin. (a) La rhyolite peralumineuse : les zircons de cette rhyolite appartiennent à trois populations typologiquement différentes. Quelques rares zircons sont totalement dépourvus de face indexable. D'autres sont de « type crustal » : types S7 et S1 dans la classification de Pupin et Turco (1972). Certains d'entre eux présentent des cœurs hérités. D'autres enfin, sont d'origine magmatiques (types G 1, G 3 et PI). Les zircons de type S forment la population numériquement la plus abondante. Les données U/Pb sont consignées dans le tableau I. Dans le diagramme Concordia (fig. 2), ces trois populations délivrent des informations chronologiques différentes quoique complémentaires. Les populations de zircons magmatiques définissent une droite discordia normale dont l'intersection supérieure avec la courbe concordia permet une première détermination de l'âge de la mise en place de la rhyolite : 278 ± 5 Ma. Les zircons crustaux définissent une discordia inverse, caractéristique d'une histoire multi-épistodique. L'intersection inférieure de la discordia et de la concordia fournit une date de 305 ±27 Ma qui correspond, aux marges d'erreur près, à l'âge fourni par les zircons magmatiques. L'intersection supérieure fournit un âge de 1 750 ±48 Ma. Des témoins indirects de l'existence de protolites d'âge protérozoïque, souvent fournis par l'étude isotopique des zircons extraits de formations métamorphiques, étaient déjà connus dans les segments varisques orientaux des Pyrénées (Delaperrière et Soliva, 1992). Les zircons du faciès peralumineux de l'Ossau prouvent que de tels protolites anciens sont également présents dans la partie occidentale de la chaîne, ne serait-ce que sous l'expression de zircons détritiques présents dans les formations métasédimentaires dont résulte ce magma peralumineux par fusion partielle. (b) Tous les zircons de la dacite à biotite sont de nature magmatique (types G et P) sans aucun témoin d'une composante crustale héritée. Dans le diagramme concordia (fig. 2) les points expérimentaux
L'intersection inférieure de la discordia et de la concordia fournit une date de 305 ±27 Ma qui correspond, aux marges d'erreur près, à l'âge fourni par les zircons magmatiques. L'intersection supérieure fournit un âge de 1 750 ±48 Ma. Des témoins indirects de l'existence de protolites d'âge protérozoïque, souvent fournis par l'étude isotopique des zircons extraits de formations métamorphiques, étaient déjà connus dans les segments varisques orientaux des Pyrénées (Delaperrière et Soliva, 1992). Les zircons du faciès peralumineux de l'Ossau prouvent que de tels protolites anciens sont également présents dans la partie occidentale de la chaîne, ne serait-ce que sous l'expression de zircons détritiques présents dans les formations métasédimentaires dont résulte ce magma peralumineux par fusion partielle. (b) Tous les zircons de la dacite à biotite sont de nature magmatique (types G et P) sans aucun témoin d'une composante crustale héritée. Dans le diagramme concordia (fig. 2) les points expérimentaux relatifs aux fractions analysées sont concordants, ce qui suffit à déterminer de façon précise l'âge de cet épisode magmatique effusif : 272 ±3 Ma. Néanmoins, compte tenu du recouvrement des marges d'erreur, il n'est pas possible de discriminer chronologiquement les deux cycles magmatiques du massif de l'Ossau lequel s'est effectivement mis en place à la fin de l'Autunien. Ces âges U/Pb obtenus sur une des phases calco-alcalines effusives sont directement comparables aux âges (souvent obtenus par Rb/Sr) des plutons calco-alcalins qui jalonnent la chaîne (Michard-Vitrac et al., 1980, Ben Othman et al., Alibert et al., 1988, Debon et Zimmerman, 1988, Bickle et al., 1988). II. GÉOCHIMIE ISOTOPIQUE DU STRONTIUM ET DU NÉODYME. — Les compositions isotopiques de plusieurs échantillons représentatifs de tous les faciès de chacun des cycles magmatiques ont été mesurées. Nous ne donnons ici que les données relatives aux échantillons dont ont été extraits les zircons, ainsi qu'à deux échantillons représentatifs des phases volcaniques ultérieures de l'Anayet (tableau II). Les compositions isotopiques des magmas peralumineux sont typiquement crustales (E. Nd compris entre 7 et 10). Ce résultat est en bon accord avec l'hypothèse suivant laquelle ce type de magmatisme résulte de la fusion de matériaux métasédimentaires. Plus surprenant,
mis en place à la fin de l'Autunien. Ces âges U/Pb obtenus sur une des phases calco-alcalines effusives sont directement comparables aux âges (souvent obtenus par Rb/Sr) des plutons calco-alcalins qui jalonnent la chaîne (Michard-Vitrac et al., 1980, Ben Othman et al., Alibert et al., 1988, Debon et Zimmerman, 1988, Bickle et al., 1988). II. GÉOCHIMIE ISOTOPIQUE DU STRONTIUM ET DU NÉODYME. — Les compositions isotopiques de plusieurs échantillons représentatifs de tous les faciès de chacun des cycles magmatiques ont été mesurées. Nous ne donnons ici que les données relatives aux échantillons dont ont été extraits les zircons, ainsi qu'à deux échantillons représentatifs des phases volcaniques ultérieures de l'Anayet (tableau II). Les compositions isotopiques des magmas peralumineux sont typiquement crustales (E. Nd compris entre 7 et 10). Ce résultat est en bon accord avec l'hypothèse suivant laquelle ce type de magmatisme résulte de la fusion de matériaux métasédimentaires. Plus surprenant, par contre, est le fait que le cycle calco-alcalin de l'Ossau présente lui aussi des compositions isotopiques initiales du Sr et du Nd fortement empreintes d'une composante crustale. Les compositions isotopiques initiales de ce volcanisme sont comprises entre -2,7 et 9,4 pour le e Nd, et entre + 59 et +90 pour le E. Sr (Innocent, 1989). La composante mantellique, si elle existe, est totalement oblitérée par la composante crustale. Ces compositions isotopiques sont comparables à celles des plutons calco-alcalins tardihercyniens de la région et à celles des témoins du socle granulitique (Pin, 1986). Par contre, les deux cycles magmatiques ultérieurs de l'Anayet ont des signatures isotopiques différentes de celles des laves de l'Ossau, la composante mantellique y étant clairement exprimée. Leurs e. Nd, sont tous deux positifs, successivement +3,7 et +7,4 (tableau II). TABLEAU II Concentrations en Rb, Sr, Sm et Nd et compositions isotopiques du Sr et Nd (actuelles et initiales) de quelques échantillons caractéristiques des volcanismes permis du bassin arago-béarnais. Rb, Sr, Sm and Nd concentrations, measured and initial Sr and Nd isotopic compositions of some characteristic samples of the Permian volcanism in the western Pyrenees. Rb Sr 87Rb/ 87Sr/ Sm Nd 147Sm/ 143Nd/ Échantillon (ppm) (ppm)
+90 pour le E. Sr (Innocent, 1989). La composante mantellique, si elle existe, est totalement oblitérée par la composante crustale. Ces compositions isotopiques sont comparables à celles des plutons calco-alcalins tardihercyniens de la région et à celles des témoins du socle granulitique (Pin, 1986). Par contre, les deux cycles magmatiques ultérieurs de l'Anayet ont des signatures isotopiques différentes de celles des laves de l'Ossau, la composante mantellique y étant clairement exprimée. Leurs e. Nd, sont tous deux positifs, successivement +3,7 et +7,4 (tableau II). TABLEAU II Concentrations en Rb, Sr, Sm et Nd et compositions isotopiques du Sr et Nd (actuelles et initiales) de quelques échantillons caractéristiques des volcanismes permis du bassin arago-béarnais. Rb, Sr, Sm and Nd concentrations, measured and initial Sr and Nd isotopic compositions of some characteristic samples of the Permian volcanism in the western Pyrenees. Rb Sr 87Rb/ 87Sr/ Sm Nd 147Sm/ 143Nd/ Échantillon (ppm) (ppm) 86Sr 86Sr E. Sr (ppm) (ppm) 144Nd 144Nd F NH; OSS 88 S 100 169 1,704 0,71855 107,1 2,2 8,2 0,1698 0,51203 -10 OSS88, 82 353 0,669 0,71105 59,2 6,2 31,5 0,1279 0,51186 -9,4 ANA 88-3 b 50 802 0,179 0,70752 36,8 5,4 23,2 0,1401 0,51287 7,4 ANA88-2a. CONCLUSION. Dans le bassin arago-béarnais, durant le Permien, le magmatisme évolue depuis un pôle peralumineux d'origine crustale vers un magmatisme du type alcalin en passant par une phase volumétriquement importante de nature typiquement calco-alcaline. Le fonctionnement d'une subduction, bien que parfois évoqué du fait même de la nature calco-alcaline de ce volcanisme, n'est pas compatible avec le régime tectonique de la zone pyrénéenne au cours de son évolution tardi-varisque (Matte, 1986). Pour ces mêmes raisons structurales (Matte et Mattauer, 1987), le contexte ne saurait être celui d'un rift continental (Wickam et Oxburgh, 1986). Plusieurs hypothèses alternatives sont avancées pour rendre compte de l'évolution tardi-orogénique de la chaîne varisque. L'une fait appelà la réactivation en régime transtensif de l'accident tectonique majeur (Arthaud et Matte, 1977). Dans ce cas, les bassins dans lesquels se mettent en place ces volcanismes seraient du type « pull-apart ». Dans les premiers stades de formation et d'évolution de
le bassin arago-béarnais, durant le Permien, le magmatisme évolue depuis un pôle peralumineux d'origine crustale vers un magmatisme du type alcalin en passant par une phase volumétriquement importante de nature typiquement calco-alcaline. Le fonctionnement d'une subduction, bien que parfois évoqué du fait même de la nature calco-alcaline de ce volcanisme, n'est pas compatible avec le régime tectonique de la zone pyrénéenne au cours de son évolution tardi-varisque (Matte, 1986). Pour ces mêmes raisons structurales (Matte et Mattauer, 1987), le contexte ne saurait être celui d'un rift continental (Wickam et Oxburgh, 1986). Plusieurs hypothèses alternatives sont avancées pour rendre compte de l'évolution tardi-orogénique de la chaîne varisque. L'une fait appelà la réactivation en régime transtensif de l'accident tectonique majeur (Arthaud et Matte, 1977). Dans ce cas, les bassins dans lesquels se mettent en place ces volcanismes seraient du type « pull-apart ». Dans les premiers stades de formation et d'évolution de tels bassins, les processus de fusion affectent soit la base de la croûte, soit le manteau lithosphérique sous-jacent. Dans un second stade, l'amincissement de la croûte est tel que la composante crustale dans les magmas est de moins en moins importante et finit même par être inexistante ou négligeable. L'évolution du magmatisme permien du bassin arago-béarnais rendrait compte alors d'une évolution temporelle des bassins dans un régime tectonique transtensif. Dans d'autres modèles d'évolution tardi-orogénique de la chaîne varisque, les bassins stéphaniens résultent de grands décrochements à composante normale, qu'ils soient dus à la montée d'un dôme gneissique (Van Den Driessche et Brun, 1992) ou à l'écoulement gravitationnel de la chaîne (Malavieille et al., 1990). Dans cette dernière hypothèse, après la phase de compression et d'épaississement crustal, la relaxation des contraintes se traduit par un amincissement du manteau lithosphérique. Les processus de fusion, induits par la remontée asthénosphérique, affectent la base de la croûte, l'extrusion des magmas étant liée à l'effondrement gravitationnel de la croûte amollie de ce fait (Rey, 1992). Dans l'un ou l'autre cas (bassin « pull-apart » ou effondrement), les processus tectoniques qui permettent la remontée des magmas sont nécessairement d'échelle lithosphérique, puisque dans le tout dernier stade