Tectono-metamorphic evolution of shallow crustal levels within active volcanic arcs. Insights from the exhumed Basal Complex of Basse-Terre (Guadeloupe, French West Indies)

Abstract

In order to decipher the tectono-metamorphic evolution of shallow crustal levels of the active volcanic arc of the Guadeloupe archipelago (Lesser Antilles) we present new geochemical, geochronological, mineralogical and structural investigations of the so-called Basal Complex, the oldest and most eroded volcanic complex of Basse-Terre in Guadeloupe. Based on geochemical and mineralogical criteria we propose an updated geological map of this northern area of Basse-Terre. Using 40 Ar– 39 Ar geochronology we demonstrate first that the eroded “Gros Morne” of Deshaies belong to the Basal Complex, and second that this complex is characterized by 4.3 to 2 Ma old volcanism. Structural analysis reveals a long-lived deformation history with the development through time of N80-N100 schistose zones; N110-N140 and N160-N10 oriented hydrothermal breccias and N140-N150 brittle normal faults. The boundary between the Basal Complex and the southernmost Septentrional Chain corresponds to a series of faults with N 150° and N 50° main directions. Detailed mineralogical and petrological investigations, including thermodynamic modeling, allow the identification of three phases of post-magmatic mineralogical transformations with first a high-temperature stage under Greenschist to sub-Greenschist facies conditions (0.6–2 kbar for 250–300 °C), a re-equilibration under Zeolite facies conditions and finally a sub-surface alteration. The consistency between P–T conditions of metamorphism and the present day measured geothermal gradient demonstrates that the metamorphic pattern is the record of hydrothermal fluids circulation during building and cooling of the Lesser Antilles magmatic arc. The tectono-metamorphic evolution recognized in the Basal Complex enables us to propose a conceptual model for heat and fluid transport within shallow crustal levels of the Guadeloupe active volcanic arc. Afin de décrypter l’évolution tectono-métamorphique des niveaux crustaux peu profonds de l’arc volcanique actif de l’archipel de la Guadeloupe (Petites Antilles), nous présentons de nouvelles investigations géochimiques, géochronologiques, minéralogiques et structurales du Complexe Basal, le plus ancien et le plus érodé des complexes volcaniques de Basse-Terre en Guadeloupe. Sur la base de critères géochimiques et minéralogiques, nous proposons une carte géologique actualisée de cette zone nord de la Basse-Terre. En utilisant la géochronologie 40 Ar– 39 Ar nous démontrons d’abord que le « Gros Morne » érodé de Deshaies appartient au Complexe Basal, ensuite que ce complexe est caractérisé par un épisode volcanique actif entre 4,3 et 2 Ma. L’analyse structurale révèle une histoire de déformation significative avec le développement dans le temps de zones schisteuses N80-N100, de brèches hydrothermales orientées N110-N140 et N160-N10 et de failles normales N140-N150 majoritairement. La limite entre le Complexe Basal et la Chaîne Septentrionale correspond à une série de failles dont les directions principales sont N 150° et N 50°. Des études minéralogiques et pétrologiques détaillées, incluant la modélisation thermodynamique, permettent d’identifier trois phases de transformations minéralogiques post-magmatiques avec d’abord un épisode de haute-température dans des conditions de faciès de Schistes-Verts à sub-Schistes-Verts (0,6–2 kbar pour 250–300 °C), un rééquilibrage sous conditions de faciès à Zéolites et finalement une altération de sub-surface. La cohérence entre les conditions P–T du métamorphisme et le gradient géothermique mesuré aujourd’hui démontre que ce métamorphisme témoigne de la circulation des fluides hydrothermaux pendant la construction et le refroidissement de l’arc magmatique des Petites Antilles. L’évolution tectono-métamorphique reconnue dans le Complexe Basal nous permet de proposer un modèle conceptuel de transport de la chaleur et des fluides à l’intérieur des niveaux crustaux peu profonds de l’arc volcanique actif de la Guadeloupe.