Flow of partially molten crust controlling construction, growth and collapse of the Variscan orogenic belt: the geologic record of the French Massif Central

We present here a tectonic-geodynamic model for the generation and flow of partially molten rocks and for magmatism during the Variscan orogenic evolution from the Silurian to the late Carboniferous based on a synthesis of geological data from the French Massif Central. Eclogite facies metamorphism of mafic and ultramafic rocks records the subduction of the Gondwana hyperextended margin. Part of these eclogites are forming boudins-enclaves in felsic HP granulite facies migmatites partly retrogressed into amphibolite facies attesting for continental subduction followed by thermal relaxation and decompression. We propose that HP partial melting has triggered mechanical decoupling of the partially molten continental rocks from the subducting slab. This would have allowed buoyancy-driven exhumation and entrainment of pieces of oceanic lithosphere and subcontinental mantle. Geochronological data of the eclogite-bearing HP migmatites points to diachronous emplacement of distinct nappes from middle to late Devonian. These nappes were thrusted onto metapelites and orthogneisses affected by MP/MT greenschist to amphibolite facies metamorphism reaching partial melting attributed to the late Devonian to early Carboniferous thickening of the crust. The emplacement of laccoliths rooted into strike-slip transcurrent shear zones capped by low-angle detachments from c.345 to c.310Ma is concomitant with the southward propagation of the Variscan deformation front marked by deposition of clastic sediments in foreland basins. We attribute these features to horizontal growth of the Variscan belt and formation of an orogenic plateau by gravity-driven lateral flow of the partially molten orogenic root. The diversity of the magmatic rocks points to various crustal sources with modest, but systematic mantle-derived input. In the eastern French Massif Central, the southward decrease in age of the mantle- and crustal-derived plutonic rocks from c.345Ma to c.310Ma suggests southward retreat of a northward subducting slab toward the Paleotethys free boundary. Late Carboniferous destruction of the Variscan belt is dominantly achieved by gravitational collapse accommodated by the activation of low-angle detachments and the exhumation-crystallization of the partially molten orogenic root forming crustal-scale LP migmatite domes from c.305Ma to c.295Ma, coeval with orogen-parallel flow in the external zone. Laccoliths emplaced along low-angle detachments and intrusive dykes with sharp contacts correspond to the segregation of the last melt fraction leaving behind a thick accumulation of refractory LP felsic and mafic granulites in the lower crust. This model points to the primordial role of partial melting and magmatism in the tectonic-geodynamic evolution of the Variscan orogenic belt. In particular, partial melting and magma transfer (i) triggers mechanical decoupling of subducted units from the downgoing slab and their syn-orogenic exhumation; (ii) the development of an orogenic plateau by lateral flow of the low-viscosity partially molten crust; and, (iii) the formation of metamorphic core complexes and domes that accommodate post-orogenic exhumation during gravitational collapse. All these processes contribute to differentiation and stabilisation of the orogenic crust. Nous presentons dans ce papier un modele geodynamique-tectonique pour la genese et le fluage des roches partiellement fondues et le magmatisme au cours de l'evolution orogenique Varisque du Silurien au Carbonifere superieur base sur une synthese des donnees geologiques du Massif Central Francais. La subduction de la marge du Gondwana hyper-etiree est enregistre par des roches mafiques et ultramafiques affectees par un metamorphisme en facies eclogitique. Ces eclogites forment pour certaines des boudins-enclaves dans des migmatites felsiques avec des reliques de facies granulitique de HP retrogradees en facies amphibolitique, ce qui atteste de la subduction de la marge continentale suivie d'une relaxation thermique et d'une decompression. Nous proposons que la fusion partielle a HP ait declenche le decouplage mecanique entre la plaque plongeante et les unites continentales partiellement fondues. Ceci a permis l'exhumation de ces roches gravitairement instables qui ont entraine sur leur passage des blocs de lithosphere oceanique et de manteau sous-continental. Les donnees geochronologiques disponibles sur les migmatites de HP contenant des eclogites indique une mise en place diachronique de nappes du Devonien moyen au Devonien Superieur. Ces nappes ont chevauche un assemblage de metapelites et d'orthogneiss affectees par un metamorphisme de MP/MT allant du facies schistes verts a amphibolite atteignant localement la fusion partielle et attribue a l'epaississement crustal du Devonien superieur au Carbonifere moyen. La mise en place de laccolithes enracines dans des zones de cisaillement decrochantes et surmontes de detachements a faible pendage de c. 345 a c.310Ma est synchrone de la propagation vers le Sud du front de deformation Varisque marque par le depot de sediments detritiques dans les bassins d'avant-pays. Nous attribuons ces elements a la croissance horizontale de la ceinture Varisque associee a la formation d'un plateau orogenique par fluage lateral de la racine orogenique partiellement fondue sous l'effet de la force gravitaire. La diversite des roches magmatiques temoigne d'une variete des sources crustales avec une contribution relativement modeste mais systematique de magmas issus du manteau. Dans la partie Est du Massif Central Francais, la decroissance vers le Sud des ages de mise en place des magmas derives a la fois du manteau et de la croute suggere le retrait d'un panneau plongeant vers le Nord vers la bordure libre constituee par la Paleotethys et situee au Sud de la ceinture Varisque. La destruction de la chaine Varisque a la fin du Carbonifere est principalement le resultat de l'effondrement gravitaire accommode par l'activation de detachements a faible pendage et l'exhumation-cristallisation de la racine orogenique partiellement fondue formant des domes d'echelle crustale a c oe ur de migmatites de BP entre c.305 et 295Ma, concomitante au fluage lateral des unites de la zone externe de la chaine. Les derniers magmas extraits de la zone de fusion partielle forment des dykes et des laccolithes mis en place dans des detachements a faible pendage laissant derriere eux une croute inferieure constituee de l'accumulation de granulites refractaires de composition felsique a mafique. Ce modele met en valeur le role primordial de la fusion partielle et du magmatisme sur l'evolution tectonique-geodynamique de la ceinture orogenique Varisque. En particulier, la fusion partielle et le transfert de magma (i) declenchent le decouplage mecanique entre le panneau plongeant et les unites subductees, permettant ainsi l'exhumation de ces dernieres, (ii) favorisent le developpement d'un plateau orogenique par fluage lateral de la croute partiellement fondue de faible viscosite sous l'effet de la gravite, (iii) conduisent a la formation de metamorphic core complex et de domes qui accommodent l'exhumation post-orogenique au cours de l'effondrement gravitaire de la chaine. Tous ces processus contribuent a la differenciation et a la stabilisation de la croute orogenique.