Les premières phases d'édification du stratovolcan du Cantal (Massif central, France) entre 9,5 et 8,0 Ma : géologie et géochimie du secteur de l'Élancèze

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Recent cartography of the Élancèze area resulted in the identification of a residual ancient topographic relief comprised of basaltic and intermediate silica-saturated lavas partly covered by brecciated formations, emplaced during the first stage of

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  C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 332 (2001) 617–624 © 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservésS1251-8050(01)01592-0/FLA Géomatériaux / Geomaterials (Pétrologie / Petrology) Les premières phases d’édification du stratovolcan duCantal (Massif central, France) entre 9,5 et 8,0 Ma :géologie et géochimie du secteur de l’Élancèze Christelle Legendre a , ∗ , Martial Caroff  a , Hervé Leyrit b , Pierre Nehlig c , Denis Thièblemont c a UMR 6538 «Domaines océaniques», UBO, 6, av. Victor-Le-Gorgeu, BP809, 29285 Brest cedex, France b Institut géologique Albert-de-Lapparent, 13, bd de l’Hautil, 95092 Cergy-Pontoise cedex, France c BRGM, 3 av. Claude-Guillemin, BP 6009, 45060 Orléans cedex, FranceReçu le 11 janvier 2001;accepté le 2 mai 2001 Présenté par Claude Jaupart Abstract – First stage of the Cantal stratovolcano (Massif Central, France) constructionbetween 9.5 and 8.0 Ma: geology and geochemistry of the Élancèze area.  Recent cartographyof the Élancèze area resulted in the identification of a residual ancient topographic relief comprisedof basaltic andintermediatesilica-saturated lavas partly coveredbybrecciatedformations,emplacedduring the first stage of edification of the Cantal stratovolcano (9.5–8.0 Ma). The ancient relief hasbeen the subject of a specified petrological study. Although the corresponding mineralogical andgeochemical data are rather consistent with the assumption of a differentiation mainly governedby fractional crystallization, the study of some incompatible trace element diagrams suggests thatthis process cannot have occurred in closed-system. A model of crustal assimilation coupled withfractional crystallization involving an amphibole-bearing cumulate is proposed.  ©  2001 Académiedes sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS Cantal / petrography / geochemistry / fractional crystallization / crustal contamination / France Résumé –  Une nouvelle cartographie du secteur de l’Élancèze (hautes vallées de laJordanne et de la Cère) a permis de mettre en évidence l’existence d’un môle constitué d’unempilement de coulées, recouvert en partie par des formations essentiellement bréchiqueset édifié durant la première période de construction du stratovolcan cantalien (9,5–8,0 Ma).La plupart des caractéristiques minéralogiques et géochimiques des laves basaltiques etintermédiaires sursaturées en silice du môle lavique sont compatibles avec un modèle dedifférenciation principalement régie par un processus de cristallisation fractionnée. Lesévolutions des éléments en trace incompatibles (Th, Hf, Ta...) dans les laves intermédiairessuggèrent un fort fractionnement d’amphibole et une assimilation crustale couplée à lacristallisation.  ©  2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales ElsevierSAS Cantal/ pétrographie/ géochimie/ cristallisationfractionnée/ contaminationcrustale / France ∗ Correspondance et tirés à part.  Adresse e-mail : clegend@sdt.univ-brest.fr (C. Legendre). 617  C. Legendre et al. / C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 332 (2001) 617–624 Abridged version 1. Introduction Cantal, with a surface area of ca 2500 km 2 , is oneof the largest European stratovolcanoes. It is composedof volcaniclastic deposits and alkaline lavas representingthree major edification periods [1, 15, 18], namely theInfracantalian period ( >  9 . 0 Ma), the main stratovolcanobuilding phase (9.00–6.25 Ma) and the Supracantalianperiod (6.25–3.00 Ma).Lavas emplaced during the edification period of themain stratovolcano are well preserved in the Élancèzesector near the centre of Cantal. We present in this paperthe results of a recent cartography of this sector togetherwith a model of magmatic evolution of the correspondinglavas. 2. Geology and petrography Figure 1  depicts a new cartographic synthesis of theÉlancèze sector that complements Vatin-Pérignon’s [20]and Demange’s [8] works. The Mont Élancèze is princi-pally made up of a 500–600-m-thicklava pile boundedandpartly covered by breccias and pyroclastic flow deposits.A detailed mapping and a new sampling together with acompilation of previously published datations [1, 3, 4] of the Élancèze sector allow to distinguish several domainswell constrained in term of age (  figure 1 ). An ancient re-lief, corresponding to the Mont Élancèze–Puy de la Pochedomain, can be thus clearly individualized from youngerneighbouring formations.The studied lavas have been sampled in the two oldestdomains (Faillitoux and Mont Élancèze–Puy de la Poche).They correspond to basanites and silica saturated lavas(basalts, trachybasalts, basaltic trachyandesites and tra-chyandesites), following the nomenclature of Le Bas et al.([14]; TAS, total alkali silica;  figure 2 ). All of them dis-play a porphyritic texture with phenocrysts ranging from15 to 35%.The phenocrystic assemblages are shown in  table I  .Note the presence of microphenocrysts of hypersthene inthe basaltic trachyandesites and amphibole in the basaltictrachyandesites and trachyandesites. 3. Major and trace elements variations Twelve lavas were analysed by X-ray fluorescence(XRF) formajorelementsandbyinductivecoupledplasmamass spectrometry (ICP–MS) for trace elements ( table I  ).Ankaramitic basanites are characterized by low SiO 2 ,Al 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O, P 2 O 5  and high TiO 2 , Fe 2 O 3* , MgO,CaO contents (  figure 3 ,  table II  ). These compositions areprobably partly due to the accumulation of clinopyroxeneand olivine phenocrysts. Concentrations of TiO 2 , MgO,Fe 2 O 3* and CaO in basalts and trachyandesites decreasewith increasing SiO 2 , whereas Al 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O andP 2 O 5  have an opposite behaviour. Incompatible traceelements (e.g., Rb, Ce, Yb and Ta;  figure 3 ) increasetogether with Th. 4. Amphibole fractionation The regularity of the mineralogical and geochemicalvariations (  figure 3  and  table II  ) suggests that the evolutionofthe magmaticseries was mainlygovernedbya fractionalcrystallization process. The fact that the linear correlationsin the incompatible trace element versus Th diagrams (  fig-ure 3 ) do not intersect the srcin supports the hypothesisof either amphibole fractionation or open system differen-tiation (e.g., [22]). Increasing Th/Ta ratio together with sil-ica saturation in Élancèze lavas (  figure 4a ) is rather con-sistent with an amphibole fractionation model, as well asthe shape of the rare earth element bulk distribution coeffi-cient pattern,calculated usinglogarithmicdiagrams,whichis fairly similar to that of the Mururoa amphibole/liquidcorrespondingdistribution coefficients ([7];  figure 4b ).A fractional crystallization model was quantitativelytested for two differentiation stages ( 1 , from basalts tobasaltic trachyandesites and  2 , from the last ones totrachyandesites) using trace elements, mineral propor-tions taken from mass-balance calculations on major el-ements [5, 25] and distribution coefficients from Lemar- chandet al. [16].The results, shown in  figure 5a  for Th andTa, can explain the Th/Ta ratio increase but not the high Thcontents of the daughter magmas. 5. Evidence for contamination An AFC (assimilation coupled with fractional crystal-lization) process involving a continental crust componenthas been previously proposed to explain the compositionof the Cantalian intermediate and differentiated lavas [10,11, 24].The trend in the Hf/Th versus Ba/Th diagram of   fig-ure 5b  is consistent with the assimilation of a componentfrom the upper continental crust [19]. Indeed, the corre-spondingthree elements being ratherincompatibletowardsamphibole, the observed ratio variations cannot be ex-plained through a simple fractional crystallization model.The other way to explore the possibility of an AFC-typeoccurrence is to attempt to explain why the intermediatelavas of the Élancèze area have anomalously high Thcontentswith respect to the fractionalcrystallizationmodelprediction. Th content of the postulated contaminant canbe calculated through the AFC model of De Paolo [9].For  r  values ([rate of assimilation] / [rate of fractionalcrystallization]) varying from 0.1 to 0.5, the Th contentof the contaminant ranges from 167 to 18.5 ppm. Theseconcentrations correspond to various continental crustmaterial compositions [12, 23]. 618  C. Legendre et al. / C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 332 (2001) 617–624 1. Introduction Le stratovolcan du Cantal, dont la superficie ac-tuelle est de l’ordre de 2500 km 2 , est l’un des plusgrands édifices volcaniques européens. La réalisationd’une cartographie détaillée à 1 : 25000 et d’un grandnombre de datations a permis de définir trois grandespériodes principales d’édification : l’épisode infracan-talien jusqu’à 9,0 Ma, l’installation d’un système cen-tré de 9,00 à 6,25 Ma et, enfin, l’épisode supracan-talien de 6,25 à 3,00 Ma [1, 15, 18]. L’activité ini-tiale, dispersée, adonné naissance àdes coulées basal-tiques et basanitiques. Elle a précédé une activité cen-trée de nature trachyandésitique, trachytique et rhyo-litique [18]. Les témoins de ces premiers stades d’édi-fication sont particulièrement bien préservés au cœurdu Cantal, dans le secteur de l’Élancèze. Le but decette note est de proposer, à partir d’un échantillon-nage effectué au cours d’une nouvelle étude carto-graphique, une interprétation de l’évolution minéra-logique et géochimique des laves des premières pé-riodes d’évolution du Cantal. 2. Géologie Le secteur de l’Élancèze, situé entre les hautesvallées de la Jordanne et de la Cère, constitue l’un desrares vestiges du début de l’édification du stratovolcandu Cantal, traversé par des filons qui s’organisentselon deux directions de faiblesse régionale, celle duSillon Houiller (N 20–30) et celle de la Margeride(N 140–150).Nous proposons sur la  figure 1  une nouvelle syn-thèse cartographique réalisée dans le secteur, quifait suite aux travaux de Vatin-Pérignon [20] et De-mange [8]. Ce secteur se présente sous la forme d’unempilement essentiellement lavique d’environ 500–600 m, culminant au mont Élancèze (1571 m), recou-vert ou encadré par des formations bréchiques [15].Les coulées, dont l’épaisseur moyenne est de l’ordrede 20 à 30 m, ont été localement traversées pardes dômes de trachyandésite (roc du Chauve parexemple). Aucun contact par faille n’a été observédans la zone d’étude [15].L’étude géologique a permis de définir plusieursdomaines bien distincts (  figure 1 ), dont les laves ontété analysées [15]. Le domaine le plus ancien, ce-lui du Faillitoux, comprend trois coulées de basanitesankaramitiques datées à 9,53 Ma [1]. Le domainedu mont Élancèze–puy de la Poche, constitué ex-clusivement de coulées (basaltes, trachybasaltes, tra-chyandésites basaltiques ettrachyandésites), est daté à8,80 Ma [1]. Celui de Mandailles, daté à 8,00 Ma [1],réunit laves (trachyandésites principalement), dépôtspyroclastiques (coulées de scories et coulées cendro- Figure 1.  Carte géologique du secteur de l’Élancèze.  A  : basanitesankaramitiques de Faillitoux (9,53 Ma);  B  : coulées de l’Élancèze–puy de la Poche (8,8 Ma);  C  : coulées et dépôts pyroclastiques deMandailles (8 Ma);  D  : lahars ( >  7 , 68 Ma);  E  : coulées du Courpousauvage (7,68 Ma);  F : avalanche de débris de la vallée de laJordanne( >  7 Ma);  G  : avalanche de débris de la vallée de Tourcy ( >  7 Ma); H :lahars ( >  7 Ma); I :coulées etnuées ardentes duPertus (7,06Ma). Figure 1.  Geologic map of the Élancèze area.  A : ankaramiticbasanites of Faillitoux (9.53 Ma);  B : lava flows of Élancèze–Puyde la Poche (8.8 Ma);  C : lava flows and pyroclastic deposits of Mandailles (8 Ma);  D : lahars ( >  7 . 68 Ma);  E : lava flows of CourpouSauvage (7.68 Ma);  F : debris avalanche deposits of the Jordannevalley ( >  7 Ma);  G : debris avalanche deposits of the Tourcy valley( >  7 Ma);  H : lahars ( >  7 Ma);  I : lava flows and pyroclastic flows of Pertus (7.06 Ma). ponceuses) et dépôts de lahars. Le domaine du Cour-pou sauvage (7,68 Ma; [1]) expose un empilement la-vique, essentiellement trachyandésitique, reposant surdes dépôts de lahars. Viennent ensuite les avalanchesde débris des vallées de la Jordanne et de Tourcy, dontles âges de mise en place sont estimés à environ 7,4–6,9 Ma [3, 4]. Enfin, se mettent en place les nuées ar-dentes et les coulées (trachyandésites basaltiques) duPertus (7,06 Ma; [1]).La reconnaissance récente de dépôts d’avalanchede débris, de part et d’autre du domaine ancien dumont Élancèze–puy de la Poche, avait conduit àinterpréter, dans un premier temps, la zone commeun toréva (vaste mégabloc) glissé au sein d’unevaste caldeira d’avalanche ouverte vers le sud [13].Notre cartographie détaillée permet, au contraire, demontrer que l’ensemble mont Élancèze–puy de laPoche constitue un môle conservé entre deux secteursdéstabilisés : l’un dans la vallée de la Cère et l’autredans la vallée de la Jordanne [15]. 619  C. Legendre et al. / C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 332 (2001) 617–624 Tableau I.  Minéralogie des laves du secteur de l’Élancèze. Table I.  Mineralogy of the Élancèze lavas.Basanite Basalte Trachybasalte Trachyandésite basaltique TrachyandésiteOl Fo75-63 Fo84-63Cpx/Opx diopside augite augite augite/enstatite augiteFeldspath labrador labrador andésine andésineOx Fe–Ti tmt hil-tmt hil-tmt hil-tmt hil-tmtAmph en fantômes kaer, Mg-hast kaer, Mg-hastMica biotite ol  : olivine,  Cpx  : clinopyroxène,  Opx  : orthopyroxène,  ox Fe–Ti  : oxydes ferro-titanés ( hil  : hémo-ilménite,  tmt  : titano-magnétite),  amph  :amphibole ( kaer  : kaersutite,  Mg-hast  : hastingsite magnésienne). ol : olivine,  Cpx : clinopyroxene,  Opx : orthopyroxene,  oxFe–Ti : iron-titanium oxides ( hil : haemo-ilmenite,  tmt : titano-magnetite),  amph :amphibole ( kaer : kaersutite,  Mg-hast : magnesium hastingsite). 3. Pétrographie et minéralogie L’étude pétrographique est basée sur un échan-tillonnage de 45 laves peu altérées, en provenance del’ensemble du secteur de l’Élancèze. Les seuls pro-duits d’altération identifiés sont de la bowlingite etde la serpentine, dans les olivines des ankaramites, del’iddingsite, dans les olivines des basaltes et quelquesminéraux argileux, ainsi que de la calcite dans lamésostase des laves intermédiaires. Les laves étu-diées sont toutes porphyriques. Les basanites ankara-mitiques contiennent jusqu’à 35% de phénocristaux,les basaltes, les trachybasaltes et les trachyandésitesbasaltiques jusqu’à 15% et les trachyandésites jus-qu’à 20%.Le  tableau I   présente la nature des phénocristauxdes laves du secteur de l’Élancèze. L’olivine dispa-raît dès le niveau des trachybasaltes. L’augite se ren-contre depuis les basaltes jusqu’aux trachyandésites.Des microphénocristaux d’orthopyroxène ont été ob-servés dans quelques trachyandésites basaltiques. Lacomposition du plagioclase évolue régulièrement de-puis les basaltes jusqu’aux trachyandésites. La kær-sutite et l’hastingsite magnésienne coexistent dans leslaves intermédiaires et sont parfois associées à la bio-tite dans les trachyandésites. Le couple hémoilméniteet titanomagnétite est présent depuis les basanites jus-qu’aux trachyandésites. 4. Variation des éléments majeurs et entrace Parmi notre échantillonnage, douze laves des deuxdomaines les plus anciens du secteur du mont Élan-cèze (Faillitoux et mont Élancèze–puy de la Poche)ont été analysées pour les éléments majeurs et entrace au BRGM. Une sélection d’analyses est présen-tée dans le  tableau II   en fonction de la nature deslaves (  figure 2 ). Les éléments majeurs ont été doséspar fluorescence X, avec une erreur analytique esti- Figure 2.  Diagramme de discrimination alcalins–silice (TAS, Le Baset al. [14]). Figure 2.  Total alkali–silica discrimination diagram (TAS, Le Baset al. [14]). mée à 2%. Les éléments en trace ont été analysés parspectrométrie de masse avec plasma à couplage in-ductif (ICP–MS), l’erreur analytique estimée étant del’ordre de 10%.Lagammed’âge relativement étroite (1 , 5 ± 0 , 5Ma)des domaines étudiés ainsi que la clarté des relationsstratigraphiques justifient une analyse en terme de dif-férenciation, ce qui n’exclut toutefois pas la possibi-lité de la coexistence de plusieurs systèmes magma-tiques.Les diagrammes de variation de quelques élémentsmajeurs en fonction de la silice sont présentés sur la  figure 3 . Les basanites ankaramitiques se caractérisentpar des teneurs faibles en SiO 2 , Al 2 O 3 , Na 2 O, K 2 Oet P 2 O 5  et élevées en TiO 2 , Fe 2 O 3* , MgO et CaO.Ces compositions extrêmes sont vraisemblablementdues, au moins en partie, à l’accumulation d’olivinesetdeclinopyroxènes. Onobserve uneforte diminutiondes teneurs en TiO 2  (de 2 à 1,5%), MgO (de 7,5 à 620  C. Legendre et al. / C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 332 (2001) 617–624 Tableau II.  Analyses géochimiques (% pondéral d’oxyde pour leséléments majeurs, ppm pour les éléments en trace) des laves dusecteur de l’Élancèze. Table II.  Geochemical analyses of Élancèze lavas (weight % formajor elements, ppm for trace elements).Échantillon CL VI CL 10 CL III CL 5 CL 9Roche BN B TB TAB TASiO 2  43 , 88 50 , 47 49 , 19 53 , 22 58 , 29TiO 2  2 , 59 2 , 12 2 , 40 1 , 87 1 , 47Al 2 O 3  12 , 26 13 , 95 14 , 61 16 , 62 16 , 28Fe 2 O 3  6 , 37 5 , 27 6 , 76 6 , 04 5 , 54FeO 4 , 29 5 , 11 3 , 81 2 , 57 1 , 59MnO 0 , 16 0 , 15 0 , 20 0 , 17 0 , 15MgO 10 , 96 7 , 46 5 , 55 3 , 28 2 , 15CaO 13 , 11 8 , 51 9 , 08 7 , 21 5 , 15Na 2 O 1 , 99 3 , 06 3 , 44 4 , 09 4 , 31K 2 O 0 , 98 1 , 35 1 , 51 2 , 65 3 , 26P 2 O 5  0 , 30 0 , 38 0 , 48 0 , 58 0 , 64PF 2 , 29 1 , 41 2 , 39 1 , 25 0 , 58total 99 , 18 99 , 24 99 , 42 99 , 55 99 , 41Rb 24 42 41 75 101Sr 535 473 601 726 796Ba 303 321 352 540 661Sc 35 20 19 13 9V 294 163 202 187 101Cr 247 236 152 24 26Co 49 38 40 21 12Ni 149 147 137 9 9Y 23 , 0 21 , 0 25 , 5 35 , 0 39 , 5Zr 126 134 188 290 394Hf 3 , 8 4 , 6 5 , 4 7 , 4 10 , 5Nb 31 35 48 64 76Ta 1 , 8 2 , 0 2 , 8 3 , 7 4 , 7Th 3 , 1 4 , 6 6 , 5 10 , 7 16 , 0U 0 , 8 1 , 4 1 , 9 2 , 9 3 , 6La 28 26 39 61 90Ce 57 51 77 121 165Nd 31 27 40 55 70Sm 7 , 0 6 , 4 7 , 9 10 , 7 12 , 4Eu 3 , 1 1 , 6 2 , 3 2 , 7 3 , 3Gd 5 , 5 5 , 8 6 , 8 7 , 9 10 , 3Dy 4 , 3 4 , 6 4 , 8 5 , 9 7 , 2Ho 0 , 8 0 , 9 0 , 9 1 , 1 1 , 4Er 1 , 8 2 , 0 2 , 3 2 , 5 3 , 8Tm 0 , 3 0 , 3 0 , 3 0 , 4 0 , 6Tb 0 , 8 0 , 9 0 , 9 1 , 1 1 , 4Yb 1 , 5 1 , 5 1 , 9 2 , 4 3 , 6 BN  : basanite,  B  : basalte,  TB  : trachybasalte,  TAB  : trachyandésitebasaltique,  TA  : trachyandésite. BN : basanite,  B : basalt,  TB : trachybasalt,  TAB : basaltic trachyan-desite basaltique,  TA : trachyandesite. 2%), Fe 2 O 3* (de 11 à 7%) et CaO (de 8,5 à 5%),depuis les basaltes et les trachybasaltes jusqu’auxtrachyandésites basaltiques et trachyandésites quandSiO 2  augmente (de 50,5 à 58,3%), tandis que lesconcentrations en Al 2 O 3  (de 14 à 18%), Na 2 O (de 3 à4,5%), K 2 O (de 1 à 3%) et P 2 O 5  (de 0,4 à 0,6%) sonten constante croissance (  figure 3 ,  tableau II  ). Figure 3.  Diagrammes de variation de quelques éléments majeurs enfonction de SiO 2  et d’une sélection d’éléments en trace en fonctionde Th (mêmes figurés que sur la  figure 2 ). Ligne continue : droite decorrélation des laves basiques, des trachyandésites basaltiques et destrachyandésites;  r  = coefficient de corrélation. Figure 3.  Major elements variation diagrams versus SiO 2  andvariation diagrams of selected trace elements versus Th (symbols asin  figure 2 ). Solidline:correlation linebetween basalticlavas, basaltictrachyandesites and trachyandesites;  r  = correlation coefficient. Les diagrammes de variation des éléments en traceen fonction du thorium, classiquement choisi commeélément de référence, en raison de sa très forte in-compatibilité pour les principales phases minérales,sont également présentés sur la  figure 3 . Les élé-ments compatibles (Cr, Ni, Co) présentent des te-neurs très élevées dans les basanites ankaramitiques,du fait de l’abondance des clinopyroxènes et des oli-vines ( tableau I  ). Leurs concentrations, égalementélevées dans les basaltes et les trachybasaltes, dimi-nuent progressivement dans les trachyandésites ba-saltiques, puis dans les trachyandésites. D’une ma-nière générale, les teneurs en éléments en trace in-compatibles (comme par exemple Rb, Ce, Yb et Ta;  figure 3 ) augmentent conjointement avec les concen-trations en Th. Cependant, les corrélations linéaires 621
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