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Métamorphisme : l'essentiel de ce qu'il faut savoir

Mise à jour le 18/01/2018
Par Nathalie Pajon-Perrault
Cette page résume les connaissances à maîtriser sur le métamorphisme dans le cadre du programme de Terminale S.

  Les minéraux constituant des roches ne sont stables que dans des domaines définis de température (T) et de pression (P). Lors d'un cycle orogénique, les roches sont entraînées pour des raisons tectoniques vers la profondeur : il y a transformation des minéraux par réaction entre eux. De nouveaux assemblages apparaissent, typiques des conditions P-T rencontrées durant ce parcours : c'est le métamorphisme qui peut se définir comme l'ensensemble des modifications intervenant à l'état solide dans la composition minérale et dans la structure d'une roche soumise à des conditions de température et de pression différentes de celles où elle s'est formée.

- Les facteurs du métamorphisme : température - pression - composition chimique - temps.

- Les différents types de métamorphisme : hydrothermal - d'impact - de contact - régional - classification de Miyashiro

- Les transformations minéralogiques : réactions paramorphiques - réactions entre plusieurs minéraux - grilles pétrogénétiques

- L'intensité du métamorphisme : isogrades, faciès et climats (gradients) métamorphiques

- Les déformations métamorphiques : à l'échelle de l'échantillon - du minéral

- Classification et nomenclature des roches métamorphiques : en fonction du faciès pétrographique, du faciès métamorphique, des séquences métamorphiques.

- Le rétrométamorphisme

 

I - LES FACTEURS DE METAMORPHISME

Il existe 4 facteurs principaux : la température, la pression, le temps et la composition chimique.

La température est fonction de la profondeur ou est en liaison avec la poximité d'une chambre magmatique. On sait que l'énergie thermique provient du flux de chaleur de la planète, généré essentiellement par la désintégration d'éléments radioactifs (U, Th, K) très présents dans la croûte continentale : on considère que la température est de l'ordre de 800°C à la base de cette enveloppe.

Le gradient géothermique est dit "normal" (300°C / km) dans la croûte continentale, élevé (50°C / km) dans les zones tectoniquement actives et faible (aux alentours de 6°C / km) dans les anciens boucliers continentaux.

En principe, le domaine de métamorphisme s'étend en température de 50°/100°C à 650/700°C

La pression : on peut distinguer 3 "types" de pression s'exerçant sur une roche.

  • la pression lithostatique (PL) qui est la pression exercée sur une roche, par les roches qui la surmontent. Cette pression est fonction de la densité des roches et de la profondeur à laquelle elle s'exerce. Elle est isotrope, c'est à dire homogène dans toutes les directions et n'engendre donc pas de déformation.
  • les contraintes tectoniques (CT) : il s'agit de la pression exercée sur les roches par l'action des forces tectoniques, elle est liée aux chevauchements et aux processus orogéniques. Elle est donc anisotrope car elle n'est pas homogène dans toutes les directions de lespace : elle est orientée et engendre des déformations et l'apparition de nouvelles structures à différentes échelles.
  • la pression des fluides (Pf) : c'est la pression exercée au sein des pores des roches par les fluides. Elle dépend de la présence d'H2O et de CO2 qui peuvent être présents dans les interstices et libérés lors de réactions chimiques de déshydratation ou de décarboxylation. La Pf favorise la circulation de fluides, accélère les réactions de transformations minérales,les échanges de matière et abaissent la température de début de fusion des matériaux.

Fig.1  - Cours MasterPro - Université de Bourgogne

 

⇒ L'action combinée de ces 3 pressions engendre des transformations.

La composition chimique : Au cours du métamorphisme, la composition chimique peut :

- restées inchangée (à l'exception des teneurs en H2O et CO2) : il s'agit donc de transformations isochimiques qui ont lieu en "système fermé (métamorphisme isochimique)

ex : NaAlSi3O8   ---------->    NaAlSi2O6      +      SiO2

                                                                                                                   albite                            jadéite                quartz

- être sensiblement modifiées par apport d'éléments chimiques (Si, Al, Na, K, etc...) : ce sont donc des transformations allochimiques

ex : 3 CaMg(CO3)2    +    4 SiO2    +    H2O    ---------->    Mg3Si4O10(OH)2    +    3 CaCO3    +    3 CO2

                                                                     dolomite                 quartz                                                 talc                        calcite

Dans ce dernier cas, les fluides jouent un grand rôle : apport d'eau et départ de dioxyde de carbone. c'est souvent le cas dans le cadre de conditions de P et T peu élevées. Dans le métamorphisme prograde, l'eau est chassée des assemblages minéralogiques et des fuides minéralisés sont ainsi extraits des roches.

Le temps : c'est un facteur important car il faut que les conditions physico-chimiques soient modifiées durablement pour que les transformations minéralogiques et structurales aient le temps de se produire.

La plupart des minéraux sont métastables, c'est à dire qu'ils se mantiennent sans modifications sensibles en dehors de leur domaine de formation : c'est cette propriété qui permet d'observer à l'affleurement des paragenèses (*) d'origine profonde. Les réactions de formation des minéraux sont réversibles mais les réactions rétrogrades ne se produisent pas ou à des vitesses extrêmement faibles. La vitesse d'exhumation est donc un facteur essentiel de conservation des assemblages métamorphiques.

(*) Paragenèse : association de minéraux qui sont, ensemble, stables dans certaines conditions pression-température et qui caractérise le chimisme général de la roche.

II - LES DIFFERENTS TYPES DE METAMORPHISME

Le domaine du métamorphisme est borné par deux limites :

  • La diagenèse pour les basses températures : ensemble des processus transformant un dépôt sédimentaire en roche sédimentaire (compaction, dissolution, lithification)
  • L'anatexie pour les hautes températures : ensemble des processus par lesquels les roches métamorphiques subissent une fusion partielle.

Le métamorphisme d'impact (shock metamorphism) : il est la conséquence de la chute d'une météorite à la surface de la planète. Le choc engendre des températures et des pressions énormément élevées qui transforment les minéraux de la roche choquées, des températures et des pressions qui sont bien au-delà de celles atteintes dans le métamorphisme régional.

PlanetTerre : cas de l'astroblème de Rochechouart–Chassenon

Le métamorphisme hydrothermal  (seafloor metamorphism) : apport d'éléments chimiques par circulation de fluides

Le métamorphisme de contact : extension limitée (quelques centimètres à quelques kilomètres), se développant autour d'une intrusion magmatique.

Le métamorphisme régional (ou général) : constitue des formations étendues sur des dizaines ou des centaines de kilomètres.

   Fig.2

1) Le métamorphisme hydrothermal

Ce type de métamorphisme se caractérise par des transformation d'une roche originelle par apport d'éléments chimiques lié à la circulation de fluides. Il concerne essentiellement la lithosphère océanique. En effet, dès sa mise en place au niveau de la dorsale, la croûte subit de profondes transformations par un hydrothermalisme de haute température qui bouleverse les associations monérales initiales par hydratation et échanges d'ions en réponse à la circulation active de l'eau de mer dans ces roches très fracturées. Les phénomènes essentiels sont  le passage danns le faciès amphibolites puis schistes verst des gabbros et la serpentinisation des roches mantelliques jusqu'à des profondeurs importantes (probablement plusieurs kilomètres).

Il en résulte une modification chimique globale importante de la lithosphère océanique : augmentation globale de la teneur en eau par cristallisation des minéraux hydroxylés (amphiboles, chlorite) et augmentation de la teneur globale en Na, K, et Si.

2) Le métamorphisme de contact

Il s'agit de transformations liées aux intrusions magmatiques et qui sont donc imitées dans l'espace  (d'une dizaine de m² au km²). C'est principalement la température qui intervient ici, il y a peu de déformations liées à la pression (l'intrusion du magma peut toutefois, en "poussant" les terrains déjà en place, induire une schistosité). Il n'y a souvent qu'un réarrangement minéralogique, sans échange avec d'autres corps que la roche originalle (métamorphisme isochimique). La nature des transformations et leur intensité sont donc fonction de :

  • la nature du pluton
  • la distance par rapport au magma
  • la nature des roches originelles

Apparaît alors une auréole de métamorphisme où l'on observe une zonation des transformations autour de l'intrusion magmatique.

Dans l'environnement du pluton, les isothermes sont déformés et l e transfert de chaleur se fait par conduction.

 

 

Fig.3  -  Cliquer sur l'image pour l'agrandir

Source : Introduction à la géologie des ressources minérales

Bordas -1994

Fig.4  -  Cliquer sur l'image pour l'agrandir

Le granite de Flamanville (granite à amphiboles) est intrusif dans une série sédimentaire plissée constituée de schistes et de calcaires datés du Dévonien-Silurien. Au contact du granite, sur environ 150 à 200 mètres, les roches sédimentaires sont affectées de modifications texturales et minéralogiques : elles forment une auréole de métamorphisme.

A partir d'un affleurement de schistes et en se rapprochant progressivement du granites, on peut observer :

  • des schistes tachetés (nodules de cordiérite),
  • des schistes noduleux et micacés (apparition de micas et d'andalousite)
  • des cornéennes, roches dures, massives à grains fins et isotropes à cordiérite et andalousite.

Dans la majorité des cas, les roches métamorphiques de l'auréole ont globalement la même composition chimique que celles des roches sédimentaires dont elles proviennent. Il y a eu un simple réarrangement minéralogique, éventuellement accompagné de départ d'eau et de CO2.

L'apparition de minéraux nouveaux traduit les modifications des conditions physiques régnant au voisinage de l'intrusion. Dans ce cas, c'est principalement la chaleur dissipée par le corps magmatique en cours de refroidissement qui est responsable des modifications : il s'agit d'un thermométamorphisme.

Comme on l'a vu, ce type de métamorphisme peut engendrer des transformations chimiques mais les transformations structurales sont limitées.

PlanetTerre : Métamorphisme et tectonique dans l'encaissant du granite de Ploumanac'h

 

3) Le métamorphisme régional (ou général)

C'est le type de métamorphisme qui produit la plus grande quantité de roches métamoprhiques. Les transformations observées sont liées aux mouvements tectoniques, affectant de vastes régions (des centaines de kilomètres-carrés). Elles peuvent résulter :

  • l'enfouissement par subsidence (partie profonde d'épais bassins sédimentaires),  
  • l'empilement d'unités tectoniques crustales dans le cas d'orogenèse,             
  • la subduction d'une lithosphère océanique
  • la collision de lithosphère continentale.

Dans ce cadre, les transformations chimiques sont possibles mais limitées. Par contre, les transformations minéralogiques et structurales sont importantes : les recristallisations se font sous contraintes orientées. Des structures caractéristiques apparaissent (schistosité, foliation, linéation).

Un exemple de métamorphisme régional : le massif de l'Arize (Ariège - Carte de Saint Girons 1/50.000). Cet ensemble appartient à la zone structurale nord-pyrénéenne. Il est principalement constitué d'une série d'âge paléozoïque.

Fig.5  -  Source : Pomerol - "Eléménts de géologie"

- Légendes -

 

Carb : Carbonifère   /   Dév : Dévonien

Sil : Silurien           /    Ord : Ordovicien

Camb : Cambrien

 

1 : isograde d'apparition de la séricite (+), de la chlorite (+) et de la muscovite (+)

2 : isograde d'apparition de la biotite (+)

3 : isograde d'apparition de l'andalousite (+)

4 : isograde de disparition de la muscovite (-), de l'andalousite (-),

4 : isograde d'apparition de la sillimanite (+),  des feldspaths potassiques (+) et microcline (+)

En allant du nord vers le sud :

- la série (Silurien à Carbonifère) correspond à des roches sédimentaires peu ou pas transformées.

- dans les roches datées du Silurien contenant de nombreux fossiles (Trilobites, Brachiopodes...) commencent à apparaître des minéraux nouveaux (séricite, chlorite, muscovite) : les roches sont métamorphisées.

- Dans un complexe schisto-gréseux avec intercalations de bancs calcaires d'âge cambro-ordovicien, les minéraux cités ci-dessus sont toujours présents mais les fossiles ont disparu. Un peu plus au sud de cette zone, la structure des roches change de façon importante : elles sont formées de lits, de nature minéralogique différente, alternativement clairs (quartz) et sombres (ferro-magnésiens).

- Au-delà, de nombreux changements minéralogiques s'opèrent (voir disposition des isograde). Les feldspaths qui n'étaient que microscopiques dans les roches précédents se développent et deviennent visibles à l'oeil nu : les roches sont alors appelées des gneiss.

- Dans ces gneiss, l'apparition du microline correspond à un début d'anatexie. Cette zone comporte donc des migmatites.

Par rapport à l'exemple précédent, on peut donc noter des différences importantes : l'étendue de la zone métamorphique, l'architecture anisotrope des micaschistes et des gneiss, le passage progressif vers un phénomène de fusion.

III - LES TRANSFORMATIONS mineralogiques

 

Le métamorphisme se caractérise par :

  • la disparition de minéraux instables si la pression et la température varient,
  • l'apparition de minéraux stables, caractéristiques des nouvelles conditions (P,T)
  • la présence de minéraux originels.

1) Les transformations polymorphiques :

  Fig.6

Elles sont caractérisées par l'apparition d'un nouveau minéral de composition identique (même formule chimique) mais de structure cristalline différente.

L'exemple le plus simple est celui des silicates d'alumine : andalousite, disthène, sillimanite, tous de formule Al2SiO5 mais satble dans des conditions (P,T) différentes.

Andalousite

Source : UniCiel

Disthène - Sillimanite

Source : PlanetTerre - Droits réservés - © 2002 Véronique Gardien

Source : Photothèque C.Nicollet

2) Les réactions entre plusieurs minéraux

 

Sans fluide

♦ Minéral A     ---------->     Minéral B   +   Minéral C

ex :      Albite       ---------->     Jadéite      +   Quartz

           NaAlSi3O8                           NaAlSi2O6                  SiO2

♦ Minéral A   +   Minéral B     ---------->     Minéral C   +   Minéral D

ex : Enstatite   +   Anorthite     ---------->     Diopside   +   Silicate d'alumine

         MgSiO3                CaAl2Si2O8                             CaMgSi2O6                     Al2SiO5

Avec apport et/ou production de fluides

♦ Minéral A   +   Minéral B   +   H2O     ---------->     Minéral C   +   Minéral D   +   CO2

ex : Dolomite   +   Quartz   +   Eau     ---------->     Talc   +   Calcite   +   Diox. de Carbone

3[CaMg(CO3)2)]             4SiO2           H2O                  Mg3Si4O10(OH)2           3 CaCO3           3 CO2

 

♦ Minéral A   +   Minéral B     ---------->     Minéral C   +   Minéral C   +   H2O

ex : Albite   +   Glaucophane     ---------->     Grenat   +   Jadéite   +   Eau

  Si3AlO8Na    Na2(Mg,Fe)3Al2Si8O22(OH)2          Mg3Al2(SiO4)3   NaAlSi2O6     H2O

Ces transformations minéralogiques peuvent être observées à l'échelle de la lame mince sous la forme d'auréole réactionnelle

Le minéral originel, l'olivine ici, se situe au centre. L'orthopyroxène (type enstatite) se crée au dépend de l'olivine. De même, l'hornblende apparaît au dépend du clinopyraxène (type augite)

Fig.7  -  Cours MasterPro - Université de Bourgogne

         

Les minéraux néoformés constituent de nouvelles associations minéralogiques appelées paragenèse. Il s'agit donc d'une association de minéraux issus d'un même processus géologiques et stables simultanément dans une même gamme de conditions physico-chimiques (Pression et Température).

La succession des réactions minéralogiques peut alors être représentée graphiquement par des grilles pétrogénétiques qui présentent des champs de stabilité (P-T) des minéraux, délimités par les lignes ou des courbes de réactions minéralogiques (apparition et/ou disparition de phase minérale). Elles peuvent être plus ou moins complètes.

Les courbes d'équilibre univariants sont des droites. L'allure de ces courbes nous renseigne sur les paramètres P, T qui contrôlent ces réactions : si l'équilibre est très sensible à la pression, la courbe sera plus ou moins parallèle à l'axe des températures. Ce sera l'inverse pour la sensibilité aux températures.

 

Les courbes en traits rouges sont les trajets P-T pour les trois types de métamorphisme principaux de la classification de Miyashiro :

  • Climat de haute pression (jadéite-quartz)
  • Climat de pression intermédiaire (disthène-sillimanite)
  • Climat de basse pression (andalousite-sillimanite)

 

Fig.8  -  Source : Pomerol - "Eléménts de géologie" p.480

IV - l'intensite du metamorphisme

 

1) Les isogrades de métamorphisme

  Au début du siècle, Barrow et Tilley remarquent l'apparition successive, dans une série alumineuse, de certains minéraux en fonction de l'intensité du métamorphisme : chlorite, biotite, staurotide, disthène puis sillimanite. Ils les considèrent alors comme des minéraux repère dont l'apparition permet de définir une ligne d'égale intensité de métamorphisme ou isograde sur une carte. (voir fig.5)

2) La zonéographie métamorphique

Dans ce système, trois zones se succèdent, de plus en plus profondes.

Elles présentent un intérêt limité car elles ne fournissent acune indication sur les gradients géothermiques concernés (haute ou basse température, par exemple).

Ce système est utilisé en France sur les anciennes cartes au 1/80.000, il est très imprécis.

 

                  Fig.9  -  La zonéographie métamorphique

3) Les faciès métamorphiques

  C'est une classification universelle, proposée au debut du XXè siècle par le géologue finlandais Eskola, où pression et température sont nettement explicitées, quelle que soit la profondeur. Elle a été établi, non plus à partir de la série alumineuse, mais de la série basique où la variété minérale est plus grande. Il regroupe ainsi, dans un même faciès des roches qui ont subi un métamorphisme dans des conditions physiques voisines, quelle que soit leur composition. Un faciès correspond donc à un domaine défini de température et de pression. Cependant, l'appartenance d'une roche métamorphique à un faciès donné n'implique pas nécessairement qu'elle ait la composition de la référence basique.

Exemple : une basalte porté à 20 km de profondeur à 550°C devient une amphibolite, ce qui donne le nom au faciès, mais un gneiss à deux micas (plagioclases, quartz, feldspath potassique) appartient  aussi faciès amphibolites bien qu'il ne contienne pas d'amphiboles.

○ Faciès des zéolites (cristallinité de l'illite) : marque la transition entre diagenèse et métamorphisme (température inférieure à 300°C)

○ Faciès des cornéennes (à amphiboles, à pyroxènes) : caractéristique du métamorphisme de contact (température élevée, faible pression)

○ Faciès des schistes verts (zoïsite, épidote, albite) : basse température et faible pression

○ Faciès des schistes bleus (jadéite, glaucophane, lawsonite) = faciès barrovien : moyenne température et moyenne pression

○ Faciès des amphibolites (horneblende, plagioclases) : pressions élevées (2 à 3 kbar) et températures de 600 à 700°C, voisines de la fusion.

○ Faciès des granulites : (absence de micas, pyroxènes, sillimanite, disthène, grenat) : pression et températue élevées atteignant le domaine de l'anatexie.

○ Faciès des éclogites où basaltes et gabbros en une roche à pyroxène (ex : jadéite) et grenats : température élevée et pression considérable

○ Faciès des sanidinites (sanidine, corindon et formes de haute tempéraure de la silice) : faciès de haute température instantanée et pression très faible qui concerne des roches au contact des laves ou enclaves.

Répartition des principaux faciès métamorphiques en fonction de la température et de la pression

Fig.10  -  Source : Pomerol - "Eléménts de géologie" p.483

 Chaque faciès métamorphique est donc défini par une gamme de P et de T° et par la présence de minéraux index (minéraux ayant un champ de stabilité (P,T) restreint.

Faciès métamorphiques T (°C) P (Kbar) Minéraux index
Zéolite 50 - 200 < 4 Zéolite
Préhnite - Pumpellyite 100 - 300 < 5 Préhnite + Pumpellyite
Cornéenne 200 - 1000 < 2  
Schistes verts 300 - 500 2 - 8 Chlorite + Epidote + Actinote
Schistes bleus 100 - 500 4 - 14 Glaucophane + Epidote
Amphibolites 500 - 750 2 - 10 Hornblende + Anorthite
Eclogite 300 - 1000 8 < Pyrope (grenat) + Omphacite
Granulite 650 < 2 - 14 Hypersthène + Cordiérite
Sanidinites 900 > < 1 Sanidine

 

4) Les climats (ou gradients) métamorphiques 

  Cette classification a été élaborée dans les années 60 par Miyashiro à partir de l'étude des ceinture métamorphiques de l'arc japonais. Les variations relatives de la pression et de la température permettent de définir des "climats" métamorphiques qu'il ne faut pas confondre avec des intensités de métamorphisme car dans chaque climat om peut rencontrer tous les degrés de métamorphisme.

○ Le climat BP-HT (ou série Abukum-Rioké). Le gradient géothermique est fort : la température augmente très vite même pour une faible profondeur et aboutit souvent à l'anatexie. Les minéraux caractéristiques sont l'andalousite et la sillimanite.

○ Le climat MP-MT (ou série barrovienne). Le gradient géothermique est moyen, Il aboutit souvent à l'anatexie et les minéraux caractéristiques sont le disthène et la sillimanite. Cette série correspond souvent à une tectonique type collision.

○ Le climat HP-BT (ou série franciscaine). Le gradient géothermique est faible : la pression augmente sans élévation otable de la température. Les schistes bleus se forment souvent dans ce contexte qui n'aboutit jamais à l'anatexie. Ce climat s'observe souvent dans les contextes de subduction.

Il faut donc comprendre qu'une roche évoluera différemment selon le climat métamorphique. Par exemple, un basalte deviendra successivement schiste vert puis amphibolite, puis granulite en climat MP-MT mais deviendra schiste bleu puis éclogite en climat HP-BT.

Il est à noter qu'aucun des 3 gradients ne coïncide avec le géotherme moyen d'une lithosphère stabe (GLs) ce qui signifie que ces gradients ne sont pas apparus dans les conditions de lithosphère stable mais dans différents contextes géodynamiques.

Fig.11  -  Source : Cours C.Nicollet

5) Les trajets Pression-Tempétature-temps

  En réalisant des datations isotopiques sur des roches métamorphiques, on peut intégrer le temps sur les diagrammes P-T. On réalise alors des "chemins" pression-température-temps traduisant de façon visuelle l'évolution des séries métamorphiques dans les orogenèses.

Dans la figure ci-contre, 3 chemins P,T,t sont présentés :

En 1, on observe une évolution rapide vers les hautes pressions et basses températures (ex : éclogites) suivi par une retour sans réchauffement : on peut supposer que les unités profondes ont été exhumées rapidement.

En 2, on assiste à un début d'évolution semblable mais un retour par des conditions de plus fortes températures indiquant un réchauffement. Ceci n'est possible que si les roches ont pu se rééquilibrer thermiquement, ce qui suppose une remontée lente.

En 3, on observe une évolution de la température conduisant à une anatexie.

Fig.12  -  Source : Pomerol - "Eléménts de géologie"

GLs : géotherme moyen à l'intérieur de la lithosphère stable

-  Quelques exemples de trajets P-T-t produits dans différents contextes géodynamiques  -

Fig.13 et 14  -  Source : Cours C.Nicollet

  Voir animation "Les trajectoire Pression-Température-Temps"

Modèle simplifié de l'évolution thermique et mécanique d'une chaîne de montagnes résultats de la collision de 2 continents initialement séparés par un océan.

1 et 2 : Roches au sommet de la croûte continentale chevauchée lors d'une collision continent-continent et remontant à des vitesses variables (avec ici v1 > v2)

3 : Roche à la base de cette même croûte

4 : Roche magmatique (basique) mise en place et refroidissant à la base d'une croûte continentale en extension ou sous un arc insulaire. Un nouvel évènement orogénique est nécessaire pour ramener les roches 3 et 4 à la surface.

5 : Gabbro mis en place et refroidissant dans la croûte océanique.

6 : Epaississement acompagné d'intrusions magmatiques.

Les portions en trait plein de ces trajets sont les seules susceptibles d'être préservées par les paragenèses des roches. En conséquence, les portions préservées des trajets 3 et 4 permettent difficilement de faire la distinction entre les deux.

Le contexte d'enfouissement (cours actuel de Terminale S) :

"Au cours de l'enfouissement, les roches chevauchées s'enfoncent rapidement : la pression augmente régulièrement en fonction de la profondeur. Par contre, à cause de leur mauvaise conductivité thermique, les roches se réchauffent lentement. Ainsi, dans le diagramme P-T, elles suivent des trajets proches de l'axe des P.

Le géotherme (pointillés jaunes) se déplace vers vers les basses températures (t0).

Lorsque la convergence ralentit puis s'arrête, les roches se réchauffent alors qu'elles commencent à remonter (P diminue alors que T augmente encore) : le géotherme évolue vers de plus haites températures (t1, t2 puis t3) et dépasse GLs (géotherme de la lithosphère stable).

Lorsque la remontée s'accentue, P et T diminue ensemble.

 

Fig.15  -  Source : Cours C.Nicollet

 

V - LES DEFORMATIONS METAMORPHIQUES

 

1) A l'échelle de l'échantillon, le métamorphisme peut se traduire par une disparition de la structure originelle et l'apparition de nouvelles structures. A ce titre, il existe différents types de déformations structurales liées au métamorphisme.

La schistosité  (s1) La foliation

Dans une région affectée par un métamorphisme régionale, la stratification planaire initiale (notée S0) est rarement préservée. On assiste à une ré-orientation des grains suivant des plans parallèles (notés S1), perpendiculaires à la direction de compression des contraintes tectoniques. Cette réorientation est d'autant plus forte que les grains sont fins.

Cela donne lieu à un feuilletage plus ou moins serré selon lequel la roche peut se débiter en lames plus ou moins épaisses et régulières.

La schistosité se développe lorsque la déformation a dépassé un certain seuil et les plans de schistosité sont alors aprallèles au plan d'aplatissement.

Structure des roches dont les minéraux sont arrangés ou aplatis selon des plans parallèles. A la schistosité s'ajoute une différenciation pétrographique entre des lits formant ainsi des feuillets qui se superposent

Source : dictionnaire de géologie (Foucault-Raoult)

 

Source : http://davidsandra.pagesperso-orange.fr

Source : ulaval - Bourque

Source : http://classes.geology.illinois.edu

Pour aller plus loin... "Plans d'aplatissement, plans de schistosité et plans de cisaillement" (PlaneTerre)

 

2) A l'échelle des minéraux, on peut observer différents types de déformations :

 

Ainsi, à l'échelle du minéral, il est possible d'établir la chronologie des cristallisations des minéraux et des déformations structurales en observant leurs relations. Il est également possible de déterminer le sens des contraintes tectoniquespar l'analyse des texture et des structures.

 

Evolution de la forme d'un minéral et de la schistosité lors d'un cisaillement senestre

Grenat hélicitique syn-dunamique

Fig.16  -  Cours MasterPro - Université de Bourgogne

Vi -CLASSIFICATION ET NOMENCLATURE DES ROCHES METAMORPHIQUES

Contrairement à ce que l'on constate pour les roches magmatiques et sédimentaires, il n'existe pas de classification de référence pour les roches métamorphiques. En effet, le classement est beaucoup plus complexe car il faudrait pouvoir tenir compte : de la roche originelle, du type de métamorphisme, des compositions minéralogiques et chimiques et des facteurs du métamorphiques (dynamiques et/ou thermiques).

Afin de pouvoir malgré tout donner un nom à une roche métamorphique, la classification est basée sur la prise en compte concomitante du faciès prétrographique, du faciès métamorphique et de la séquence métamorphique.

1) En fonction du faciès pétrographique

On tient alors compte de l'agencement et de la nature des minéraux constituant la roche :

  Gneiss Granulite Amphibolite Eclogite Schiste Quarzite Marbre Migmatite Cornéenne
Minéraux dominants Feldspaths, Quartz Quartz, Grenats, Feldspaths Hornblende verte, Feldspaths Ca Grenat, Omphacite Mica, minéraux argileux Quartz Calcite, Dolomite Quartz, Feldspaths Variée
Grain Moyen à grossier Fin Moyen à grossier Fin à moyen Moyen à grossier Grossier Fin
Couleur Claire Claire vert sombre Sombre Sombre Claire Variée Hétérogène Foncée
Structure Foliation Foliation (rare) Schistosité, foliation Massive Schistosité Massive Foliation Massive
Type de métamorphisme Régional Régional ou de contact De contact

- Gneiss -

Lits clairs : quartz et feldspaths

Lits sombres : micas, amphiboles

Aspect : folié

- Migmatite -

Leucosome : partie granitoïdique

Mélanosome : partie gneissique

Aspect : folié

- Granulite -

Pauvre en minéraux hydratés

Rarement foliée

 

2) En fonction du faciès métamorphique

On tient alors compte du domaine Pression / Température dans lequel l'ensemble des minéraux sont susceptibles d'être stables simultanément pour nommer la roche. (voir fig. 10).

3) En fonction des séquences métamorphiques

Une séquence métamorphique rassemble l'ensemble des roches métamorphiques, de degré variable, issu d'un même type de roche originalle, caracérisé par une composition chimique donnée.

  Roches originelles Chimie Minéraux index Métamorphisme
Séquences Sédimentaires Magmatiques De contact Régional
Argilo-pélitique Argile   Al2O3

Min. argileux

Micas

Silicates d'alumine

Cordiérite  -  Grenats

Schiste,

Cornéenne

Micaschiste

Gneiss

Granulite

Quartzo-feldspathique

Grès

Grauwacke

Granite

Rhyolite

SiO2  -  Al2O3

NaO2  -  K2O

Phyllites

Grenats

Quartz  -  Feldspaths

Quartzite

Quartzite

Gneiss

Carbonatée

Calcaire

Dolomie

  CaO  -  MgO

Calcite  -  Dolomite

Epidote  -  Grenats Ca

Diopside  -  Feldspaths Ca

Marbre

Cipolin

Calcschiste

Marbre

Cipolin

Basique

Marne

Grauwacke

Basalte - Gabbro

Andésite - Diorite

CaO  -  MgO  -  FeO

Epidote  -  Amphiboles

Pyroxènes  -  Olivine

Cornéenne

Schiste

Amphibolite

Pyroxénite 

Eclogite

Exemple de la séquence pélitique :

     -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------->

Augmentation du degré de métamorphisme (enfouissement de la roche)

Faible Faible Moyen Moyen Fort Fort
Schistosité Schistosité Schistosité  +  Foliation Schistosité  +  Foliation Foliation Foliation
  Séricite Chlorite Muscovite + Biotite Biotite Début de fusion partielle
Schiste ardoisier Séricitoschiste Chloritoschiste Micaschiste Paragneiss Anatexite

VII - LE RETROMETAMORPHISME

Le rétrométamorphisme correspond à la transformation d'une roche métamorphique (par un métamorphisme ultérieur) dans un faciès minéral plus faible que celui de la roche de départ. (ex : une amphibolite donne une chlorite).

 

Reprenons l'exemple d'un contexte d'enfouissement puis de remontée de roches :

♦ Au cours du trajet prograde (augmentation de température mais surtout de pression), la minéralogie des roches est modifiée. Se produisent notamment des réactions de déshydratation du type :

H  =  A  +  V   où H est une ensemble de minéraux hydratés, A des minéraux anhydres et V la phase vapeur (H2O)

L'eau libérée par la roche, de moindre densité, remonte vers la surface.

♦ Au cours du métamorphisme rétrograde, lorsque la température diminue, de telles réactions peuvent être franchies en sens inverse mais l'eau nécessaire n'est plus disponible : les associations minérales de plus hautes températures persistent.

Ainsi, chaque roche rencontrée à la surface indique le plus souvent les conditions P-T maximales atteintes lors du métamorphisme prograde.

 

Fig.15  -  Source : Cours C.Nicollet

 

Un exemple de rétrométamorphisme dans les Alpes : "Métamorphisme et décollement de gypse" (PlaneTerre)

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