Métamorphisme, grandes lignes

Les roches métamorphiques :

Definitions et notions de base 

1er cours (12/01/15)

anne.verlaguet@upmc.fr

Tour 46-00, 3e étage

Ouvrage utile : Nicollet (2010) : Métamorphisme et géodynamique

Introduction

• Qu’est-ce qu’une roche métamorphique ?

C’est un assemblage de minéraux particuliers avec des structures de déformation. Il existe des roches extrêmement variées tant par leur forme, que par leur couleur, mais surtout par leur chimie : quelques une seront plus proches de la chimie des roches sédimentaires, d’autres issues du métamorphisme acide ou encore basique, etc.

Chaque minéral présentera des conditions de pression et température différentes. Faisons un rappel sur les différents types de roches existants :

- Tout d’abord, on a les roches magmatiques : elles sont issues du magma de la fusion partielle du manteau (principalement), puis de l’évolution  de ce magma par cristallisation fractionnée ;

- On a également les roches sédimentaires : elles sont issues des particules provenant de l’érosion et de l’altération de tout type de roches, puis de leur transports, dépôts et accumulation ;

- Enfin, on a les roches métamorphiques, qui se forment via des processus de re-cristallisation, et des transformations à l’état solide (pas de fusion partielle). Il peut arriver toutefois que certaines roches métamorphiques subissent une fusion partielle, en profondeur.

Tous ces types de roche peuvent être entraînés dans de nouvelles conditions de pression (P) et température (T), les menant à devenir des roches métamorphiques. Les roches magmatiques et métamorphiques se forment à l’intérieur de la Terre (roches endogènes). Les roches sédimentaires se forment elles à la surface de la Terre (roches exogènes).

1. Roches métamorphiques : Définition, caractérisations, utilité pour le géologue. 

1. Définition :

Métamorphisme : Transformation de roches à l’état solide sous l’effet de variations de pression-température (+/- fluide).

• Les minéraux seront stables en fonction des conditions de paramètres physico-chimiques.
• Exemple avec les Kaolinites (argiles) : c’est un minéral hydraté, stable en surface. Au-delà de 290°C, il n’est plus stable et se transforme alors en Pyrophilite (Prl) : C’est une réaction prograde. → On a des modifications chimiques + réseau cristallin  pour minimiser l’énergie interne (la nature aime économiser son énergie). La plupart des réactions progrades sont des réactions de déshydratation. La réaction inverse se nomme réaction rétrograde.
• Limite du métamorphisme : On commence à la diagenèse, et on finit à l’anatexie : Le métamorphisme s'étend d'environ 200°C (limite entre diagenèse et métamorphisme) et la limite de fusion des roches (l'anatexie).
• Plus une roche est hydratée, plus sa température de fusion partielle est faible on aura donc un solidus faible, non trop éloigné de l’axe des ordonnées (solidus = degré potentiel de la fusion) (cf graphe).
• Les minéraux blancs tels le Quartz fondent plus facilement que les minéraux ferro-magnésiens.
• Les minéraux blancs, s’ils fondent (partiellement) dans la roche et se recristallisent dedans, aboutiront à la formation de migmatique.

1. Contexte géodynamique de formation des roches métamorphiques

Où se produit le métamorphisme ?

• Dans les zones de convergence (enfouissement des roches → subduction, collision…) : On les retrouve dans les orogènes (chaîne alpine, Massif central essentiellement en France) → Métamorphisme régional.
• Sur le plancher océanique (hydratation) : Composé de basaltes contenant des minéraux stables anhydres issus de la cristallisation fractionnée. Or, l’eau de mer va venir les déstabiliser, les forçant ainsi à une transformation en minéraux plus stables : Les pyroxènes, par exemple, anhydres, instables avec de l’eau de mer deviendront de l’amphibole, ou autre. Ici,  les transformations ne sont pas P et/ou T dépendantes : seule l’eau est responsable. → Hydrothermalisme.
• Autour de batholites : Roches subissant une propagation de flux de chaleur due à l’arrivée d’un magma = transfert de chaleur du magma vers les minéraux extérieurs.

→ Métamorphisme de contact.

        Le métamorphisme est TOUJOURS lié à la tectonique des plaques, avec une perturbation du géotherme, des isothermes. [pic 1]

Les roches sont de mauvais conducteurs thermiques : dans les zones de subduction, la plaque plonge plus vite que les isothermes ne s’équilibrent.  En revanche, dans les zones de collision, les isothermes ont un peu plus de temps pour se rééquilibrer.

1. Présentation des roches métamorphiques : Métastabilité

Pourquoi les minéraux formés à haute pression (HP) ou haute température (HT) sont préservés en surface ?

• Une roche mère en surface a subit un chemin prograde vers la profondeur, puis revient en surface via un chemin rétrograde d’exhumation : un tel chemin devrait donc nous permettre de retourner à la roche mère. Or, ce n’est pas le cas : le chemin rétrograde, où ont lieu les réactions inverses du chemin prograde, ne se fera pas de manière complète car non favorable à la cinétique.

[pic 2]

• Les réactions métamorphiques incomplètes conduiront à des roches métastables en surface.
• L’eau libérée dans le chemin prograde peut aller hydrater des roches en cours d’exhumation, de manière chenalisée. Ce sont grâce à ces réactions incomplètes qu’on a des roches en surface avec des indications de profondeur.

1. Utilité pour le géologue

          Pourquoi étudier les roches métamorphiques ?

Ces roches sont comme des « sondes » sur les processus profonds. On a accès aux conditions P-T, aux indications des processus géodynamiques, et aux indications d’exhumation des roches. Ce sont également les seuls vestiges géodynamiques étant plus vieux que 200 Ma.

                  [pic 3]

                Les roches métamorphiques sont complexes ! Leur lithologie est fonction de différents paramètres : Chimie (χ), Pression (P), Température (T), Temps (t), Fluide, et ε.

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