LE MÉTAMORPHISME

Le métamorphisme

a lieu en profondeur, à l’intérieur 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

Principe général

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 augmentent, des réarrangements ioniques viennent perturber la structure de certains minéraux. Il y a alors métamorphisme.

Le métamorphisme 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 appelé Anchimétamorphisme.

Il s’agit en réalité des phénomènes qui se déroulent

au-dessus de 100° C et de 1 kb (= 1'000 bars)

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.

Les facteurs du métamorphisme

Les principaux sont la température et la pression, mais aussi l’action des fluides.

Température

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

par enfouissement : l'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 /60m), les zones actives ont au contraire un gradient élevé (10°C /100m), de même que les zones orogéniques fraîchement érodées où, par équilibre isostatique, le gradient géothermique s'est élevé.

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.

par intrusion magmatique : c'est le cas des métamorphismes de contact.

Pression

Le poids des roches impose une augmentation de la pression de  250 à 300 bars chaque fois qu'on s'enfonce de 1'000 mètres.

Cette pression est de type lithostatique, c'est-à-dire qu'elle s'exerce d'une manière identique dans toutes les directions de l'espace.

L'augmentation de la pression favorise la formation de minéraux denses. Ainsi, avec l'augmentation de la pression, le disthène, Al2SiO5, se développe au détriment de l'andalousite, qui a la même composition chimique mais qui est moins dense.

En plus de la pression lithostatique, les roches sont très souvent soumises à des pressions orientées dues aux poussées unidirectionnelles qui s'exercent sur les couches dans les zones de subduction.

Les pressions orientées provoquent la fissuration des roches.

Celle-ci favorise la circulation de fluides et facilite du même coup les transformations chimiques au sein de la roche.

Les pressions orientées sont aussi responsables de l'apparition de la schistosité, cette structure en feuillets qui caractérise de nombreuses roches métamorphiques.

Sous l'effet de la chaleur, l‘ H2O qui imprègne les roches ainsi que celle renfermée dans de nombreux minéraux, en particulier les argiles, les micas et les amphiboles, est libérée, devient active, facilitant et accélérant les échanges chimiques entre minéraux.

De même, le CO2 libéré par la dissociation des carbonates, facilite les déplacement chimiques au sein de la roche.

Par exemple, la réaction entre de la calcite et le quartz aboutit à la formation de wollastonite et libère du CO2 selon le schéma suivant

CaCO3       +             SiO2 ⇒ CaSiO3   +            CO2

Calcite  + quartz ⇒ wollastonite + dioxyde de carbone

Ce sont de nombreuses réactions de ce type qui modifient les assemblages minéralogiques

au sein d'une même roche.

Les constituants fluides jouent donc un rôle prépondérant dans ces transformations.

Sans eux, le métamorphisme serait presque inexistant.

Les différents types de métamorphismes

On  distingue 

               3 types de métamorphismes :

                                  Le choc engendre des températures et des pressions énormément élevées qui transforment les minéraux de la roches choquées.

Ex: le quartz se transforme en coesite

Figure dimpact météorite

                              

                                                                 Les roches sont généralement métamorphisées au contact d'un granite intrusif. C'est principalement la température qui intervient ici, il y a peu de déformation 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.

Lorsque le magma encore très chaud est introduit dans une séquence de roches encaissantes froides, il y a transfert de chaleur (les flèches) et cuisson de la roche encaissante aux bordures.

                                                                                          L'épaisseur de la zone affectée par le métamorphisme

varie d'une situation à l'autre :

-          au contact d'un mince filon, la roche encaissante ne sera affectée que sur quelques centimètres;

-           au contact d'un massif important elle pourra être transformée sur plus d'un kilomètre d'épaisseur.

 

•          Le métamorphisme régional :

Ce métamorphisme affecte des volumes de roches considérables, et les parties qui affleurent en surface s'étendent souvent sur des milliers de kilomètres carrés. Il est dû à l'enfouissement que subissent les roches qui sont entraînées dans les lents bouleversements qu'implique le fonctionnement d’une zone de subduction.

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.

Les cristaux ou les particules d'une roche magmatique ou sédimentaire seront aplatis, étirés par la pression sous des températures élevées et viendront s'aligner dans des plans de foliations; c'est la foliation métamorphique .

Les roches métamorphiques

Structure des roches métamorphiques

Les roches métamorphiques subissent souvent des déformations sous l’effet de la pression.

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 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 roche 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 minéraux, ou paragenèse.

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.

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.

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.

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 apparition de biotite, muscovite, staurotide, amphiboles et disthène.

•          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.

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.

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.

Les termes désignant une texture, ont aussi une valeur génétique, car les roches qu'ils décrivent correspondent à des conditions de métamorphisme particulières.

Exemples:

 Cornéenne

Roche à grain fin d'aspect corné, sans schistosité marquée, caractérisant le métamorphisme de contact.

 Phyllade

Roche à schistosité marquée, à grain fin non visible à l'oeil nu. Ce sont des roches de faible métamorphisme. L'aspect satiné est dû à l'abondance des minéraux micacés. La fissilité, c’est à dire de la tendance de la roche à se débiter selon une même direction, provient de l'alignement des minéraux tabulaires. Le minéral type est la chlorite.

Marbre

Roche granulaire à aspect saccharoïde, constituée de grains de calcite ou de dolomite, produite par métamorphisme de contact des calcaires ou des dolomies.

Skarn

Calcaire impur, métamorphisé au contact d'une intrusion magmatique avec apport silicaté important, renfermant de nombreux silicates de calcium : diopside, wollastonite, grenats calciques

Quartzite

Roche compacte presque entièrement constituée de grains de quartz soudés les uns aux autres.

Roches vertes

Terme général désignant les produits métamorphiques des roches basiques profondes ou volcaniques, dont la couleur verte est due aux minéraux ferro-magnésiens (pyroxène, amphibole, olivine, chlorite et serpentine).

Amphibolite

Roche constituée d'amphibole et de plagioclase, témoin d'un métamorphisme moyen à intense d'anciens gabbros ou basaltes.

Eclogite

Roche massive constituée de pyroxène vert et de grenat rouge, provenant d'anciens basaltes ou gabbros, caractérisant un métamorphisme de haute pression.

Schiste

Roche à grain fin à moyen, à schistosité marquée, renfermant de nombreux minéraux lamellaires orientés parallèlement les uns aux autres. Le quartz montre une tendance à se séparer des autres minéraux et à se disposer en lits fins. Ce sont des roches de métamorphisme moyen. Les minéraux types sont le quartz, la muscovite et la biotite.

Gneiss

Photos des quelques roches métamorphiques

Roche massive granulaire à schistosité marquée, dans laquelle des lits de minéraux lamellaires de teinte sombre (biotite, hornblende) alternent avec des lits constitués de minéraux de teinte claire (quartz, feldspath). Les gneiss sont l’aboutissement d’un métamorphisme très intense.

	Serpentinite