pétrogenèse des roches...

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Pétrogenèse des roches métamorphiques I. Objectifs généraux 1. Définitions des termes de base 2. Moteurs du métamorphisme 3. Types de métamorphismes 4. Modes de formation des roches métamorphiques 5. Structures des roches métamorphiques 6. Faciès métamorphiques 7. Séries métamorphiques 8. Nomenclatures des roches métamorphiques II. Principes et définitions a. Principes Plus on s'enfonce sous terre, plus la température ambiante augmente. En moyenne l'augmentation est de 3°C tous les 100 mètres, c'est le gradient géothermique moyen. De même la pression augmente avec la profondeur. Si à la surface une température de 1000°C suffit à la fusion de la plupart des roches, en profondeur, cette valeur sera bien plus importante. En effet la pression va s'opposer à la fusion. Quand une roche s'enfonce, elle subit d'abord les phénomènes de la diagenèse, puis au fur et à mesure que la température et la pression augmente, des réarrangements ioniques viennent perturber la structure de certains minéraux. Il y a alors métamorphisme. b. Définitions Le métamorphisme est l'ensemble des processus qui induisent des modifications minéralogiques et texturales d'une roche, à l'état solide et sous l'effet de la température, de la pression et des fluides. Il correspond à l'intervalle existant entre la diagenèse des sédiments (faible température et faible pression) et la fusion des roches (par anatexie). La transition entre diagenèse et métamorphisme est appelée Anchimétamorphisme. Ainsi le métamorphisme ne concerne que des roches solides. Malgré les transformations minéralogiques et structurales que subit la roche, celle-ci reste toujours à l'état solide. Des apports de liquide extérieur peuvent toutefois avoir lieu, entraînant la modification de la composition chimique de la roche par métasomatose. Le protolithe est la roche initiale qui a subit le métamorphisme. Elle peut être d'origine sédimentaire (roche paradérivée) ou ignée (roche orthodérivée). Lorsqu'il n'existe plus aucune indication de la nature de la roche intiale, il est parfois possible de l'identifier à partir de la composition chimique globale de la roche (à condition que les modifications chimiques ne soient pas trop importantes). Le métamorphisme a lieu en profondeur, dans les entrailles de la Terre. N'importe quelle roche peut être métamorphisée. Ce peut être une roche sédimentaire, magmatique ou même une roche métamorphique déjà existante. Selon la nature de la roche de départ on distingue : le para-métamorphisme : c'est une roche sédimentaire qui est métamorphisée, l'ortho-métamorphisme : c'est une roche magmatique qui est métamorphisée, le poly-métamorphisme : c'est une roche métamorphique qui est métamorphisée. Une roche métamorphique est une roche formée par la recristallisation (et généralement la déformation) de roches sédimentaires ou de roches magmatiques sous l'action de la température et de la pression qui croissent avec la profondeur dans la croûte terrestre ou au contact d'autres roches. Ces transformations se font à l'état solide, c'est-à-dire sans fusion de la roche (magmatisme). C'est grâce au changement des conditions initiales de température (et parfois de pression) que le métamorphisme se met en place. En effet, les composants chimiques perdent ou gagnent une molécule d'eau (H2O) ce qui entraîne une réorganisation chimique, et donc minéralogique, de la roche. Elles ont des caractéristiques très différentes selon leur composition, la température atteinte, la vitesse et la manière avec lesquelles elles refroidissent, ce qui donne plus de 700 variétés différentes de roches métamorphiques.

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Pétrogenèse des roches métamorphiques

I. Objectifs généraux

1. Définitions des termes de base 2. Moteurs du métamorphisme 3. Types de métamorphismes 4. Modes de formation des roches métamorphiques 5. Structures des roches métamorphiques 6. Faciès métamorphiques 7. Séries métamorphiques 8. Nomenclatures des roches métamorphiques

II. Principes et définitions a. Principes

Plus on s'enfonce sous terre, plus la température ambiante augmente. En moyenne l'augmentation est de 3°C tous les 100 mètres, c'est le gradient géothermique moyen. De même la pression augmente avec la profondeur. Si à la surface une température de 1000°C suffit à la fusion de la plupart des roches, en profondeur, cette valeur sera bien plus importante. En effet la pression va s'opposer à la fusion. Quand une roche s'enfonce, elle subit d'abord les phénomènes de la diagenèse, puis au fur et à mesure que la température et la pression augmente, des réarrangements ioniques viennent perturber la structure de certains minéraux. Il y a alors métamorphisme.

b. Définitions

Le métamorphisme est l'ensemble des processus qui induisent des modifications minéralogiques et texturales d'une roche, à l'état solide et sous l'effet de la température, de la pression et des fluides. Il correspond à l'intervalle existant entre la diagenèse des sédiments (faible température et faible pression) et la fusion des roches (par anatexie). La transition entre diagenèse et métamorphisme est appelée Anchimétamorphisme. Ainsi le métamorphisme ne concerne que des roches solides. Malgré les transformations minéralogiques et structurales que subit la roche, celle-ci reste toujours à l'état solide. Des apports de liquide extérieur peuvent toutefois avoir lieu, entraînant la modification de la composition chimique de la roche par métasomatose.

Le protolithe est la roche initiale qui a subit le métamorphisme. Elle peut être d'origine sédimentaire (roche paradérivée) ou ignée (roche orthodérivée). Lorsqu'il n'existe plus aucune indication de la nature de la roche intiale, il est parfois possible de l'identifier à partir de la composition chimique globale de la roche (à condition que les modifications chimiques ne soient pas trop importantes). Le métamorphisme a lieu en profondeur, dans les entrailles de la Terre. N'importe quelle roche peut être métamorphisée. Ce peut être une roche sédimentaire, magmatique ou même une roche métamorphique déjà existante. Selon la nature de la roche de départ on distingue :

le para-métamorphisme : c'est une roche sédimentaire qui est métamorphisée,

l'ortho-métamorphisme : c'est une roche magmatique qui est métamorphisée,

le poly-métamorphisme : c'est une roche métamorphique qui est métamorphisée.

Une roche métamorphique est une roche formée par la recristallisation (et généralement la déformation) de roches sédimentaires ou de roches magmatiques sous l'action de la température et de la pression qui croissent avec la profondeur dans la croûte terrestre ou au contact d'autres roches. Ces transformations se font à l'état solide, c'est-à-dire sans fusion de la roche (magmatisme). C'est grâce au changement des conditions initiales de température (et parfois de pression) que le métamorphisme se met en place. En effet, les composants chimiques perdent ou gagnent une molécule d'eau (H2O) ce qui entraîne une réorganisation chimique, et donc minéralogique, de la roche. Elles ont des caractéristiques très différentes selon leur composition, la température atteinte, la vitesse et la manière avec lesquelles elles refroidissent, ce qui donne plus de 700 variétés différentes de roches métamorphiques.

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III. Conditions du métamorphisme

Le métamorphisme s'étend d'environ 200°C (limite entre diagenèse et métamorphisme) et la limite de fusion des roches (l'anatexie). La limite supérieure est variable selon la teneur en eau de la roche (limites 1 et 2 du diagramme ci-dessous).

IV. Types de métamorphisme

On peut distinguer 3 types de métamorphismes :

a. Métamorphisme d'impact ou dynamo-métamorphisme: Il est dû à l'effet de la pression (roches intensément déformées avec relativement peu de néoformations de minéraux. Il s'agit de roches telles que les cataclasites ou les roches formées lors d’impacts de météorite. Il se forme lors de l'impact d'une météorite. On y retrouve une forme de silice de très haute pression, la coésite, ainsi que des phases

b. Métamorphisme de contact ou thermo métamorphisme : Il est dû essentiellement à l'effet de la température. Il se développe dans les roches encaissantes autour des masses magmatiques chaudes. Les roches sont métamorphisées au contact d'un granite intrusif (ou discordant). C'est principalement la température qui intervient ici, il y a peu de déformations liées à la pression. L'intrusion du magma, en poussant les terrains déjà en place, peut toutefois induire une schistosité. Il n'y a souvent qu'un réarrangement minéralogique sans échange avec d'autres corps que la roche originelle (métamorphisme isochimique). C'est la chaleur du magma qui est responsable de la transformation des roches qui l'entourent. La zone métamorphisée est réduite et dessine une auréole de métamorphisme autour du magma refroidi. Exemple : Le granite de flamanville : on y observe des schistes sédimentaires, puis des schistes tachetés (apparition de cordiérite), des schistes noduleux et micacés (il y a perte de la structure orienté de la roche et apparition d'andalousite), et puis des cornéennes (pas d'orientation préférentielle des micas et de l'andalousite) au contact du granite.

c. Métamorphisme régional ou thermo-dynamo-métamorphisme:

Il correspond à des zones métamorphisées de plus de 10 km. On peut y observer une succession de terrains de plus en plus métamorphisés de même qu'une schistosité de plus en plus poussée. Cela peut aboutir à un début de fusion (Migmatite) voire même à une fusion complète de la roche (Anatectite). Le granite obtenu est alors concordant (il n'y a pas de limite franche avec l'encaissant). La principale cause de ce type de métamorphisme est d'origine tectonique. C'est pourquoi les minéraux de ces roches métamorphiques sont souvent aplatis et orientés le long des plans de foliation.

V. Facteurs du métamorphisme

Les principaux sont la température et la pression, mais il en existe d'autres qu'il ne faut pas négliger.

a. Température

Une augmentation de température se traduit par une perte d'eau. Cette augmentation a plusieurs origines, elle peut avoir lieu :

i. par enfouissement :

Ll'augmentation se fait selon le gradient géothermique (3°C /100m), mais il existe des variations selon les zones : les cratons, régions peu actives du globe, appelées aussi boucliers, ont un gradient faible (1°C /100m), les zones

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actives ont au contraire un gradient élevé (10°C /100m), de même que les zones montagneuses fraîchement érodées où, par équilibre isostatique, le gradient géothermique s'est élevé.

ii.par friction :

Dans les zones de subduction, l'enfoncement d'une plaque froide entraîne une chute des isothermes au niveau de la fosse océanique puis leurs remontées rapide. L'échauffement provoque la libération d'eau par la croûte subductée. Pour les autres phénomènes tectoniques (chevauchement, nappe, décrochement ), c'est uniquement les zones en contact qui sont affectées. En ce qui concerne les obduction où c'est une croûte jeune et chaude qui recouvre une croûte froide, le métamorphisme est rétrograde (l'intensité décroît avec la profondeur).

iii.par intrusion magmatique :

C’est le cas des métamorphismes de contact.

b. Pression

L'augmentation de pression peut avoir différentes origines :

lithostatique : elle est due au poids des roches accumulées par subsidence sédimentaire, par subduction ou par chevauchement et charriage. Elle entraîne une compaction et la diagenèse. La pression lithostatique des sédiments (2, 5 kilos pour une colonne de 10 m sur 1cm2) ainsi que des phénomènes tectoniques permet l'enfoncement des roches dans la croûte.

hydrostatique : C'est la pression des fluides (CO2, H2O). Elle intervient surtout lors de leur libération.

pression de contrainte : Ce sont les pressions orientées par des phénomènes tectoniques.

c. Facteurs chimiques

Généralement le métamorphisme est isochimique : les minéraux qui apparaissent se forment à partir de la même composition de ceux de la roche d'origine (on ne tient pas compte des pertes de fluides). Les roches formées de cette façon sont appelées ectinites. En cas de métasomatose (remplacement d'éléments par d'autres), c'est le plus souvent l'eau et le CO2 qui interviennent.

d. Facteurs déclenchant

Le métamorphisme n'est pas uniforme dans une roche, certaines zones peuvent ne pas le subir (elles permettent d'ailleurs de servir de témoins). En effet les minéraux restent en équilibre métastable tout au long du métamorphisme et seules les zones où il y a eu déstabilisation se sont transformées. Pour des métamorphismes faibles, de basse température, une déformation suffit à la déstabilisation, pour un métamorphisme de haute température les roches ne sont conservées dans leur état d'origine que s'il n'y a pas de fluides.

Aussi, les modifications métamorphiques seront mesurées sur des diagrammes P-T. On constate que le métamorphisme intéresse la majorité de l'espace PT. Seul, le domaine à gauche de la figure, à HP, très BT n'est pas réalisé dans la nature, sur Terre. La diagenèse marque la limite, à BT, BP, du domaine " Faible Degré ". La courbe d'anatexie (M) indique la limite entre le domaine des transformations à l'état solide du métamorphisme et celui du magmatisme. Cette courbe d'anatexie indique les conditions au-delà desquelles les roches commencent à fondre en produisant un magma de composition granitique : les roches subissent une fusion partielle. Cette limite est mouvante, ce qui explique la présence de faciès métamorphique (zones entourées) à plus HT. Ces faciès du métamorphisme permettent de faire des subdivisions dans ce vaste domaine. Le géotherme moyen indique l'augmentation de la T en fonction de la profondeur à l'intérieur d'une plaque lithosphérique continentale.

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On remarque que les roches métamorphiques enregistrent généralement des conditions thermiques différentes de celles de ce géotherme moyen.

VI. Structure des roches métamorphiques

Les modifications dues au métamorphisme sont structurales, texturales et métasomatiques

a. Modifications structurales

Les roches métamorphiques subissent souvent des déformations. Ces contraintes entraînent l'apparition de structures particulières dans la roche. On peut en distinguer 3 types qui se succèdent avec l'intensité du métamorphisme :

Une stratification qui est issue des phénomènes de sédimentation. Elle est perpendiculaire aux forces en jeu (pression lithostatique). Elle concerne le débit de la roche.

Une schistosité où la roche se débite en feuillets de même composition minéralogique. Cette disposition apparait à partir de 5 km de profondeur. Elle peut apparaître lors de la diagenèse (pression lithostatique) mais elle est souvent à relier aux contraintes tectoniques. Le plus souvent la schistosité est perpendiculaire ou oblique aux forces en jeu.

Une foliation où certains minéraux de la roches se transforment. Les nouveaux minéraux qui apparaissent s'aplatissent et s'orientent selon la direction de la schistosité. Ils peuvent se regrouper sous forme de lit. Le front de foliation serait situé vers 10 Km de profondeur. (Micaschistes, gneiss).

Au cours du métamorphisme, une même roche subit des modifications minéralogiques. Certains minéraux apparaissent, d'autres disparaissent. Or les minéraux n'apparaissent que dans certaines conditions de températures et de pressions, ce que l'on appelle leur domaine de stabilité. Pour éviter des erreurs d'interprétations en n'étudiant qu'un seul minéral, on a défini des paragenèses. En fait on observe non pas un minéral, mais une association de minéral, ou paragenèse.

b. Modifications textures

Elles se manifestent par l'apparition de textures orientées (schistosité ou clivage, textures lépidoblastique ou nématoblastique) ou non (texture granoblastique) ou d'alternance de lits de minéralogie différente (foliation).

Texture lépidoblastique

Texture nématoblastique

Texture granoblastique

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c. Modifications chimiques (métasomatisme)

Elles s'expriment par une modification de la chimie globale de la roche. Ces modifications sont souvent dûes à des apports ou des départs par les fluides.

d. Modifications minéralogiques

Réaction minéralogique, paragénèse et assemblage

Les minéraux stables dans la roche initiale subissent des réactions chimiques qui font apparaître de nouvelles associations de minéraux, appelées paragénèses

Ex. : Muscovite + quartz -> feldspath potassique + andalousite + H2O

Cette réaction est une réaction de déstabilisation de la muscovite en présence de quartz et d'apparition de feldspath potassique et d'andalousite (ainsi que de l'eau).

L'ancienne paragénèse est donc : muscovite + quartz; la nouvelle paragénèse est feldspath potassique et andalousite. La réaction se développe jusqu'à épuisement de l'un des minéraux réactants (muscovite ou quartz; en général le quartz est plus abondant). A la fin, on se retrouve donc avec comme minéraux : feldspath potassique, andalousite (formés lors de la réaction) et quartz (en excès) ; l'ensemble de ces minéraux forme un assemblage (différent de la paragénèse, puisqu'il comprend aussi les minéraux en excès).

Les transformations polymorphiques sont des modifications de la structure d'un minéral sans changement de sa composition minéralogique : c'est le cas des silicates d'alumine (alumino-silicates) de formule générale SiAl2O5 (andalousite, disthène, sillimanite).

VII. Les séries métamorphiques Au niveau du métamorphisme régional il est souvent possible de voir les différentes étapes de transformation des roches. Ces étapes sont caractérisées par la formation de certains minéraux dont la nature dépend de la roche de départ. Ainsi certaines roches sont caractéristiques d'une série métamorphique (d'après Pomerol):

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Roches sédimentaires Roches ignées

Argiles ou pélites Grès Calcaires

ou dolomies Marnes Granites Gabbros

Phyllades

Marbres et cipolins

Micashistes

Apparition d'épidote

Schistes Quartzites

Chloritoschistes

Micashistes à 2 micas

Gneiss à 2 micas Leptynites Serpentinites Amphibolites et pyroxénites Orthogneiss Amphibolites et pyroxénites

Leptynites à cordiérites et leptynites à

grenat

VIII. Classification des métamorphismes On ne peut pas à proprement parler trouver une classification simple de roches métamorphiques. Il s'agit plutôt de trouver ses conditions de formation.

a. Les isogrades

Ce sont des zones qui définissent un degré d'intensité dans le métamorphisme. Elles sont caractérisées par l'apparition successive de certains minéraux. Par exemple dans la succession chlorite, biotite, staurotide, disthène et sillimanite une zone où apparait la biotite et la chlorite sera moins métamorphisée qu'une zone où apparaît aussi le staurotide.

b. Les zones de métamorphisme

Elles permettent d'établir une classification en fonction de l'intensité du métamorphisme ramenée à la profondeur :

L'anchizone : C'est la zone intermédiaire entre diagenèse et métamorphisme.

L'épizone : Elle correspond au métamorphisme de basse pression et de température faible (300 à 500°C). On y trouve de nombreux minéraux hydroxylés.

La mésozone : Elle caractérise un métamorphisme moyen, avec appartition de biotite, muscovite, staurotide, amphiboles et disthène.

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La catazone : Elle correspond à un métamorphisme intense. Température et pression y sont élevées mais il y a peu de contraintes. Les minéraux que l'on y trouve sont la sillimanite, l'andalousite, les grenats et les pyroxènes ainsi que des plagioclases.

c. Les faciès métamorphiques

Cette classification s'intéresse à l'ensemble des minéraux et non plus qu'aux minéraux alumineux. Un faciès est un regroupement de minéraux possédant des conditions de formations voisines et qui caractérisent plus ou

moins la composition de la roche. Les principaux faciès métamorphiques sont présentés dans la figure ci-dessous. Les droites de stabilité des alumino-silicates sont représentées; les trois droites se recoupent approximativement à 600°C et 5 kbar.

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Faciès Minéraux caractéristiques

Schistes verts Chlorite, épidote, albite

Amphibolite Albite, épidote, Hornblend

Granulite Pyroxène, grenat

Schistes bleus Glaucophane, lawsonite

Eclogite Pyroxène sodique, grenat

Ces faciès permettent de caractériser facilement une roche métamorphique et ainsi de déterminer ses conditions de formation. Ils n'impliquent pas forcément la présence du minéral pris en référence dans cette classification.

d. Les climats métamorphiques

Ils concernent la succession des étapes d'un métamorphisme. Selon son origine un métamorphisme ne va pas évoluer de la même façon.

On peut considérer plusieurs climats métamorphiques. Ils sont définis selon :

un métamorphisme de basse pression et haute température (Type Abukuma) : Il est caractérisé par le passage Andalousite/Sillimanite et la fréquence de la cordièrite. Il correspond à un gradient géothermique important (10°C /100m). Ce climat concerne le métamorphisme de contact ou celui qui a lieu dans les zones de friction.

un métamorphisme de pression et température moyennes (Type Barrowien) : Il est caractérisé par le passage Disthène/Sillimanite et la fréquence du grenat. Il correspond à un gradient géothermique normal (3°C /100m). ( Ce climat concerne le métamorphisme localisé dans les orogènes de collision.

un métamorphisme de haute pression : Caractérisé par la présence de schistes bleus, il correspond à un gradient faible (1°C /100m). Ce climat concerne le métamorphisme d'enfouissement, de subduction, ou d'obduction.

Le métamorphisme peut être prograde (croissant), rétrograde (décroissant), ceci ne concerne que la même phase de métamorphisme. 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) Si on regarde l'évolution des ophiolites alpines ont peut voir différents stades de métamorphisme :

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e. Limites du Métamorphisme.

Localisation et abondance des roches méta. (majorité de la croûte (et L) ; produites dans tous les contextes géodynamiques ; à l'affleurement dans les zones orogéniques)

Les facteurs contrôlant le métamorphisme sont essentiellement la pression (P) et la température (T). Aussi, les modifications métamorphiques seront mesurées sur des diagrammes P-T. On constate que le métamorphisme intéresse la majorité de l'espace PT. Seul, le domaine à gauche de la figure, à HP, très BT n'est pas réalisé dans la nature, sur Terre. La diagenèse marque la limite, à BT, BP, du domaine " Faible Degré ". La courbe d'anatexie (M) indique la limite entre le domaine des transformations à l'état solide du métamorphisme et celui du magmatisme. Cette courbe d'anatexie indique les conditions au-delà desquelles les roches commencent à fondre en produisant un magma de composition granitique : les roches subissent une fusion partielle. Cette limite est mouvante, ce qui explique la présence de faciès métamorphique (zones entourées) à plus HT. Ces faciès du métamorphisme permettent de faire des subdivisions dans ce vaste domaine. Le géotherme moyen indique l'augmentation de la T en fonction de la profondeur à l'intérieur d'une plaque lithosphérique continentale. On remarque que les roches métamorphiques enregistrent généralement des conditions thermiques différentes de celles de ce géotherme moyen.

Les principaux gradients métamorphiques, dans l'espace PT (différents du géotherme moyen : témoignent donc de conditions anormales ; différents faciès métamorphiques.

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f. Gradients métamorphiques

On appelle gradient l'augmentation de température en fonction de la profondeur (ou de la pression) :

gradient = (température en profondeur - température de surface)/profondeur

On distingue trois types de gradients dans la croûte :

le gradient Franciscain (F) : il est de basse température pour des fortes pressions. Il traverse souvent les faciès schistes bleus et éclogites. Il est souvent rencontré dans les chaînes de collision (<20°C/km)

le gradient Dalradien (D) : c'est le gradient "normal" (30-35°C/km). le gradient Abukuma (A) : il est de relativement haute température pour des pressions basses. Il caractérise des zones où existe une forte source de chaleur, comme les rides médio-océaniques par exemple (50-55°C/km).

Les différents gradients métamorphiques

Lorsque l’on se déplace dans une zone affectée par un métamorphisme régional, les différentes roches vont témoigner de conditions variables, progressives, depuis les faibles degrés jusque, parfois, les conditions de l’anatexie. Les conditions dont témoignent ces roches permettent de tracer une évolution régulière dans le diagramme P-T : on parle de gradient métamorphique. Les trois domaines colorés (HP-BT, MP-HT et HT-BP) matérialisent les évolutions métamorphiques régionales les plus souvent enregistrées par les roches du métamorphisme régional. On parle de gradients métamorphiques. Le gradient métamorphique de hautes

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pressions - basses températures (HP-BT) indique que lorsque la pression (c’est à dire la profondeur) augmente, la température reste faible. C’est l’inverse dans le cas du gradient métamorphique de hautes températures - basses pressions (HT-BP). L’augmentation de pression est modérée dans le cas du gradient métamorphique de moyennes pressions -hautes températures (MP-HT, encore appelé de pressions intermédiaires - hautes températures : PI-HT). On remarquez que le domaine de l’anatexie (dans lequel les roches commencent à fondre et dont la limite est matérialisée par la courbe M) n’est que difficilement atteint (à très grandes profondeurs) au cours d’un métamorphisme de HP, tandis qu’il est commun dans le cas des métamorphisme de MP - HT et BP - HT. Notez également que la succession des silicates d’alumine est différente dans le cas d’un gradient de MP, avec disthène (K sur la figure), puis sillimanite (S) lorsque la température augmente et dans le cas d’un gradient de BP avec andalousite (A), puis sillimanite. Enfin, il faut remarquer qu’aucun de ces gradients ne coïncident avec le géotherme moyen. Cela signifie que ces gradients ne se sont pas formés dans les conditions de la lithosphère stable. Les lignes noires délimitent les champs de stabilité des 3 silicates d’alumine : disthène (K), sillimanite (S) et andalousite (A).

Pour raisonner dans le vaste espace P-T, il est souhaitable de faire des subdivisions. C'est précisément le rôle du faciès métamorphique, une notion proposée par Eskola au début du siècle. Le domaine P-T est découpé en " faciès métamorphiques ". Une notion bien pratique qui permet de regrouper des roches soumises à des intervalles de P et T données, indépendamment de leur composition chimique. Les noms des faciès correspondent aux noms des roches de composition basaltique, métamorphisées dans les intervalles PT définis pour ces faciès. Ainsi, des amphibolites (de composition basaltique) et des métapélites (de composition de sédiments argileux) à sillimanite (le préfixe méta indique que la roche devant laquelle il se place est métamorphisée) sont rangées dans le faciès amphibolite. Les faciès du métamorphisme de contact (ou métamorphisme thermique se développant à la périphérie d'un massif plutonique) sont Corn AE : cornéenne à albite et épidote, Corn Hbl : cornéenne à hornblende, Corn Px : cornéenne à pyroxènes et Sanidinite. Les faciès Schistes bleus, Eclogite, Schistes verts, Amphibolite et Granulite sont des faciès du métamorphisme régional. M est la courbe d'anatexie

Influence de la composition chimique ( règle des phases, représentation graphique, exercice cartographique, Diagrammes ACF, A'KF, AFM ; voir ces diagrammes en 3D) ; les différentes séquences.

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Déstabilisation du grenat en cordiérite dans un régime de déformation non coaxiale

Les textures (relations cristallisation-déformation ; chronologie relative)

IX. LES PRINCIPALES SERIES METAMORPHIQUES

Parmi les roches métamorphiques, on trouve notamment :

les schistes et micaschistes

les cipolins

les gneiss

les granites d'anatexie, qui sont à la limite du métamorphisme et du magmatisme.

Roches d'origine :

Roches éruptives Roches sédimentaires

basaltes granites argiles marnes calcaires

sables et grès

roches métamorphiques : amphibolites orthogneiss

ardoises schistes micaschistes paragneiss

calcschistes amphibolites

marbres cipolins

quartzites

photographies :

gneiss

schiste

quartzite

a. métamorphisme de contact : Ex. de Ballachulish (l'auréole, les isogrades, les paragenèses, le tracé du grdt méta ds l'espace PT)

Modélisation mathématique.

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Métamorphisme de contact, résultat de la redistribution de la chaleur depuis les parties profondes (par convection-libération de la chaleur latente de crist.-conduction) ; le gradient méta. est différent du géotherme à t donné.

b. Le métamorphisme . de Hautes Pressions - Basses Températures : Ex. des Alpes

Localisation ( zones de convergence actives, récentes : océan-cont., cont.-cont. ; rares ds les orogènes anciens). Paragenèses dans les métapélites (pas de biot., mais phengite ; minéral spécif. : carpholite ; à HP-"HT" les faciès SB et éclogite sont relayés par le faciès schistes blancs (à talc-Ky). - dans la séquence Q-F (contrairement aux autres grdts méta., modification minéralogique significative avec : Jadéite, lawsonite, phengite.) - ds la séquence basique (association caractéristique ds le faciès Schistes Bleus : glaucophane - lawsonite (+ Chl, pheng., sphène, rutile, albite) ; dans le faciès éclogite : omphacite - Grenat (+acc.) ; on définit 3 groupes d'éclogites).

Gradients transitionnels (de plus sont bien caractérisables par les paragenèses : transition faciès éclog. BT-HT réact. laws + Jd = Zoïsite + paragonite +H2O ; transition Faciès Schistes Bleus - Schistes Verts ou Amphibolite, réac. laws.+ Ab = Zoï + Paragonite + H2O.)

c. Le métamorphisme de MP : Ex. du Rouergue

Localisation ds les chaînes anciennes, mais également ds les chaînes plus récentes. - lithologie (contrastée (pélites, métabasites, etc.) depuis le faciès SV - amph. - anatexie ; présence de rares éclogites B, métapéridotites) - paragenèses ds les métapélites : tracé du gradient méta (carte des isogrades, minéralogie : Gneiss à 2 Micas, Grenat, Disthène, Staurotide, Sillimanite, anatexie = tracé du gradient méta) ; ( représentation des paragenèses dans un diagramme AFM.) - 1 mot sur les paragenèses des métabasites (réactions continues).

d. Le métamorphisme de BP-(HT) :

(Même localisation que précédemment) Ex. de l'Agly (Pyrénées) (du faciès SV à l'anatexie et faciès granulite ; minéralogie ds les métapélites : 2 micas, andalousite, cordièrite, Sillimanite, disparition de la musc, Grenat, anatexie = tracé du grdt ; comparaison avec les grdts du méta PI et contact : similitude avec ce dernier, au moins jusqu'au moyennes T).

Ex. du Pilat-Velay (MCF) (surimposition d'un grdt de BP sur un grdt de PI ; contexte structural)

Anatexie :

les migmatites, description origines, historique des expérimentations, migmatisation et genèse des granites. Le métamorphisme dans la croûte océanique. Quelques mots sur la métasomatose.

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Les faciès métamorphiques

Les gradients métamorphiques

Les séquences métamorphiques

On appelle séquence, l'ensemble des roches métamorphiques, de dégré variable, issu d'un même type de roche initiale caractérisé par une certaine composition chimique moyenne. La tableau suivant illustre les grands types de séquences :

Travaux pratiques : quelques roches et minéraux du métamorphisme

Mini-glossaire des roches métamorphiques

Amphibolite : roche verte sombre, formée essentiellement de deux minéraux la hornblende et un plagioclase. Contient divers minéraux accéssoires. Les amphibolites sont pour la plupart des métabasites (ortho-amphibolites), certaines peuvent provenir de sédiments calcaires métamorphisés (ce sont alors des para-amphibolites).

Charnockite : variété de granulite à hypersthène et feldspath potassique.

Calcschiste : voir marbre

Chloritoschiste : voir micaschiste

Eclogite : métabasite formée de clinopyroxène omphacitique et grenat sans feldspath plagioclase. Les minéraux communs sont le qz, le disthène, les amphiboles, la zoïsite, le rutile et des sulfures (en minéraux accessoires).

Gneiss : roche siliceuse et silicoalumineuse foliée, à grand cristaux (mm). Minéralogie dominée par le quartz et les feldspath plus éventuellement d'autres phases minérales dépendant du chimisme initial et des conditions PT de la transformation du protolithe. Typiquement les lits de quartz et de feldspath (leucosome) sont séparés des lits plus micacés ou ferromagnésiens (mélanosome). Les micas sont présents mais beaucoup moins importants que dans un micaschiste.

Gneiss oeillé : cette roches contient des éléments feldspathiques et quartzofeldspathiques de grande dimension dispersés dans une matrice granolépidoblastique orientée à grain fin. Dans certains cas les "yeux" des gneiss oeillés sont des éléments antécinématique. Ces yeux sont soit : des porphyroclastes de feldspath potassique ou de plagioclase dérivant d'anciens phénocristaux de granitoïde dans ce cas la structure oeillée démontre son caractère orthodérivé du gneiss, des amandes quartzofeldspathiques plus ou moins effilées dérivant du boudinage syncinématique de filonnets granitiques anciennement inclus dans une métapélite migmatisée dans ce cas le gneiss oeillés sont des paradérivés.

Granulite : roche caractérisée à la fois par une structure plus ou moins équidimensionnelle de cristaux polygonaux et des minéraux indiquant un métamorphisme de très haute température; sa minéralogie ressemble à

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celle des roches magmatiques basiques, avec feldspath + pyroxène + amphibole.Migmatite : roche hybride composée de roche schisteue ou gneissique intimement liées à des veinules de matériaux quartzo-feldspathiques magmatique (leucosome)

Leptynite : gneiss leucocrates à grain fin pauvres en minéraux ferromagnésien hydratés (biotite, amphibole)

Marbre et calcschistes : métacalcaires. Les marbres dérivent des sédiments à dominante carbonatée. Outre la présence de calcite les minéraux exprimés dans les marbres sont la zoïsite (une épidote) le grossulaire (grenat calcique), la wollastonite, le diopside ...

NB: notons que dans l'industrie de la pierre le marbre est un terme beaucoup plus large désignant une roche succeptible d'avoir un poli suffisant pour l'utilisation ornementale. (la plupart des marres des marbriers sont des granitoïdes, des anorthosites et des serpentines.

Micaschiste : roche siliceuse et silicoalumineuse foliée issue de pélite argilo-quartzeuse dont la minéralogie est dominée par les micas (biotite ou muscovite) et le quartz caractérisé par l'alignement parallèle de cristaux moyens visible à l'oeil nu. Présence d'une foliation qui peut être très intense et marquée dans des lits formés par d'autres minéraux que les phyllosilicate. Présence également de chlorite phase phylliteuse pouvant devenir dominante donnant alors des chloritoschistes.

Schiste bleu : métabasite foliés gris lilas, sombre ; sa couleur bleue est due à la présence d'abondante amphibole sodique (bleu) glaucophane ou crossite.

Schiste tacheté : ces roches généralement associées au métamorphisme de contact sont caractérisées par des porphyroblastes de cordiérite et/ou d'andalousite altérés en produit phylliteux (mica blanc + chlorite dispersée dans une matrice fine granoblastique orientée).

Schiste vert : métabasite foliée, verte, riche en épidote + chlorite + actinote

Serpentinite : roche rougeâtre, foncée ou verte, composée essentiellement de serpentine. Elle est formée par hydratation de péridotites magmatiques ou métamorphiques (roches ultrabasiques riche en olivine).

Le grenat :

Grenat en LPNA

Grenat en LPA

La glaucophane :

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Glaucophane en LPNA

Glaucophane en LPA

L'épidote :

Epidote en LPNA

Epidote en LPA (le "manteau d'Arlequin")

Références bibliographiques :

1. Kornprobst, J. (1994) : Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique. Masson, 224 p.

2. McKenzie : Atlas des roches métamorphiques (photographies des minéraux et roches du métamophisme)