Hydrothermal Dolomites in the Early Albian (Cretaceous) Platform Carbonates (NW Spain): Nature and Origin of Dolomites and Dolomitising Fluids

Dolomies hydrothermales présentes dans les carbonates de la plate-forme albienne précoce (Crétacé; NO de l’Espagne) : nature et origine des dolomies et des fluides dolomitisants

M.M. Shah^1,3⋆, F.H. Nader¹, D. Garcia², R. Swennen³ and R. Ellam⁴

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
² Centre SPIN – ENSMSE, Département GENERIC, 158 cours Fauriel, 42023 Saint-Étienne - France
³ Department of Earth and Environmental Sciences, K. U. Leuven, Celestijnenlaan 200E, 3001 Heverlee - Belgium
⁴ Scottish Universities Environmental Research Centre, Rankine Avenue, East Kilbride, G75 0QF - United Kindom
e-mail : mumtaz-muhammad.shah@ifpen.fr - fadi-henri.nader@ifpen.fr - garcia@emse.fr - rudy.swennen@ees.kuleuven.be - rob.ellam@glasgow.ac.uk

^⋆ Corresponding author

Abstract

This study documents the temporal and lateral variation in petrographic and geochemical signatures of fault-related dolomite bodies in the Ranero and El-Moro areas (Karrantza valley, Cantabrian mountains; NW Spain). These dolomite bodies are hosted in Albian carbonates, which were deposited in the Basque-Cantabrian Basin as a result of an intense rift-related subsidence with associated faulting along various orientations. Fluid circulations generated replacive and cement dolomites, paragenetically followed by various calcite cements. Petrography, mineralogical and geochemical investigations (XRD, ICP, XRF, stable and Sr isotopes) helped in distinguishing hydrothermal stages. Two major dolomite facies were observed according to their Fe-content. Early dolomites are ferroan and replace limestone more significantly than the later, non ferroan dolomites. Dolomites are generally stoichiometric (49.76 to 51.59 M% CaCO₃) and exhibit a broad range of depleted δ¹⁸O values (–18.7 to –10.5‰ V-PDB), which may indicate multiphase dolomitisation and/or different degrees of recrystallisation. Decreasing δ¹⁸O values correlate with decreasing Fe content in dolomites. In the Ranero area, dolomites show less slightly depleted δ¹³C values (–0.15 to +2.13‰ V-PDB) relative to the host limestone δ¹³C signature, while these values are substantially more depleted in El-Moro area (down to –2.18‰ V-PDB). Hydrothermal calcites predating dolomitisation show less depleted δ¹⁸O values (–14.15 to –12.1‰ V-PDB) than postdolomitisation calcite (–18.1‰ V-PDB). Sr isotope data suggest that the fluids interacted with siliciclastic lithologies (sandstone, shale). The dolomite fabric is variably altered through dedolomitisation and cataclastic deformation. Dolomitisation occurred in at least two main episodes. A first episode of pervasive ferroan dolomitisation probably resulted from compactional dewatering of basinal fluids from the nearby Basque trough and hydrodynamic fluid flow along the faults/fractures in the Albian carbonate platform. Subsequently, a second episode of very hot and localised dolomitisation may be related to igneous activity and convective flow.

Résumé

La présente étude décrit les variations temporelle et spatiale des signatures pétrographiques et géochimiques des corps dolomitiques liés aux failles dans les régions de Ranero et El-Moro (vallée de Karrantza, montagnes cantabriques; NO de l’Espagne). Ces corps dolomitiques se trouvent dans les carbonates albiens, déposés dans le bassin Basque-Cantabrique suite à une subsidence intense liée au rift comportant un système de failles associé suivant des orientations diverses. Des circulations de fluides ont généré des dolomies de remplacement et de cimentation, paragénétiquement suivies de divers ciments calcitiques. Des travaux de pétrographie, minéralogie et géochimie (DRX, ICP, XRF, isotopes stables de O/C et du Sr) ont aidé à distinguer les étapes hydrothermales. Deux faciès majeurs de dolomies ont été observés selon leur teneur en Fe. Les dolomies précoces sont ferrifères et remplacent le calcaire de façon plus significative que les dolomies non-ferrifères tardives. Les dolomies sont généralement stoechiométriques (de 49,76 à 51,59 % en moles de CaCO₃) et présentent une large plage de valeurs de δ¹⁸O (de –18,7 à –10,5 ‰ V-PDB), ce qui pourrait indiquer une dolomitisation à phases multiples et/ou des degrés différents de recristallisation. Les valeurs de δ¹⁸O décroissantes se trouvent en corrélation avec la diminution de la teneur en Fe dans les dolomies. Dans la région de Ranero, les dolomies présentent des valeurs de δ¹³C légèrement moins réduites (de –0,15 à  +2,13 ‰ V-PDB) que la signature de δ¹³C du calcaire hôte, tandis que ces valeurs sont nettement plus réduites dans la région de El-Moro (jusqu’à – 2,18 ‰ V-PDB). Les calcites hydrothermales antérieures à la dolomitisation présentent des valeurs de δ¹⁸O moins réduites (de –14,15 à –12,1 ‰ V-PDB) que la calcite post-dolomitisation (–18,1 ‰ V-PDB). Les données isotopiques du Sr suggèrent une interaction entre les fluides et les lithologies silicoclastiques (grès, schiste). La texture dolomitique est altérée de façon variable par la dédolomitisation et la déformation cataclastique. La dolomitisation s’est produite en au moins deux épisodes principaux. Un premier épisode de dolomitisation envahissante ferrifère résulte probablement d’une déshydratation de compactage des fluides du bassin de la dépression Basque proche et de l’écoulement de fluide hydrodynamique le long des failles/fractures dans la plate-forme de carbonates albienne. Par la suite, un second épisode de dolomitisation très chaude et locale peut être relié à l’activité magmatique et au flux de convection.