(A) Le métamorphisme (généralités)

Le métamorphismeMétamorphisme Transformations minéralogiques et texturales, subies par une roche à l'état solide sous l'effet de l'augmentation de la température et / ou de la pression. (du grec méta : au-delà de et morphê : forme) est l’ensemble des transformations structurales et minéralogiques d’une roche à l’état solide (sédimentaireSédimentaire Qui est constitué de sédiment. ou magmatiqueMagmatique Roche issue de la cristallisation du magma.) appelée protolitheProtolithe Roche d'origine, à partir de laquelle s'est formée une roche métamorphique., sous l’effet de l’élévation de la température, de la pression et de la présence ou non de fluides, avec cristallisation de nouveaux minérauxMinéraux Espèces chimiques naturelles, se présentant le plus souvent sous forme de cristaux solides.. Le protolithe peut-être sédimentaire, magmatique, voire déjà métamorphiqueMétamorphique Adjectif qui qualifie une roche qui a subi le métamorphisme.. Dans ce dernier cas, il donnera alors une roche polymétamorphique. Les roches métamorphiques les plus simples se reconnaissent en observant l’échantillon, les plus complexes sont déterminables à partir d’une lame minceLame mince Ou plaque mince. Fragment de roche coupé en lamelle et collé sur une plaque de verre et aminci par usure, pour le rendre transparent, afin d'en permettre l'observation au microscope, d'une épaisseur autour de 30 microns., où sont visibles les minéraux spécifiques. Classiquement, on parle de métamorphisme pour les transformations correspondant à des températures supérieures à 200 ou 300°C selon les auteurs. En deçà, on invoque la diagenèse. Formellement, la limite supérieure en température du métamorphisme correspond à la fusion. Cette fusion partielle ou anatexie, du grec anatëksis : fusion, produit des roches appelées migmatites.

Il existe différents types de métamorphisme :

Le métamorphisme régional (ou général). Il affecte de vastes régions et est généralement associé à des déformations plus ou moins intenses. Il est caractéristique de nombreux environnements orogéniques. Historiquement, on ne distingue pas de source de chaleur pouvant en rendre compte. Dans le cadre moderne, il est souvent associé aux contextes de subductionSubduction Enfoncement d'une portion d'une lithosphère sous une autre, océanique ou continentale. ou de collisionCollision n. f. Du latin collisio : choc. Affrontement de deux plaques continentales résultant de la fermeture d’un domaine océanique intermédiaire, et s’accompagnant de déformations très importantes comme la formation de montagnes..
Le métamorphisme de contact (ou thermo-métamorphisme). Il est localisé en auréoles autour de roches magmatiques intrusives. La source de la chaleur est ici identifiable : la masse magmatique intrusiveIntrusive du latin intrudere : faire pénétrer de force. Roche magmatique fluide qui a pénétré dans une formation déjà constituée.. Son extension géographique est toujours limitée, au plus à plusieurs centaines de mètres. Communément, il n’est associé à aucune déformation. A l’intérieur d’une auréoleAuréole (de métamorphisme) Zone de roche métamorphisée (de quelques mètres à quelques centaines de mètres) visible en affleurement après érosion, autour d'intrusions granitiques. la pression peut être considérée constante.
Le métamorphisme de choc (ou métamorphisme d’impact). Exceptionnel, Il est provoqué par le choc extrêmement violent à grande vitesse, d’une grosse météorite sur la surface de la Terre (images 11 et 12). Les roches obtenues sont les impactites et les tectites (images 13 à 15).
Le métamorphisme hydrothermalHydrothermal Qui se rapporte aux circulations d'eaux chaudes liées à la fin d'une éruption volcanique, ou à celle de la cristallisation d'un magma, et aux sources qui peuvent éventuellement en résulter. (ou auto métamorphisme). Les transformations associées sont dues au moins partiellement, à la circulation de fluides hydrothermaux. En conséquence, il se distingue des autres types de métamorphisme par le fait que la composition initiale du protolithe peut être modifiée de manière significative. Il est particulièrement important au niveau des rides océaniques, où les basaltes se mettant en place sont immédiatement transformés sous l’action des circulations d’eau, activées par le gradient de température.

Les protolithes les plus courant et leurs correspondantes métamorphiques :

Roches sédimentaires :
–Calcaires (formellement purs) —————— marbres blancs
–Calcaires et dolomies ————————– marbres à minéraux
–Calcaires avec d’autres éléments ———–marbres colorés, cipolins, et calcshistes
–Grès ——————————– quartzites ou méta-Méta- Préfixe venant du grec et signifiant au-delà de, et impliquant une transformation. Placé devant un nom de roche, il précise que celle-ci a été métamorphisée. Ex. métabasalte ou métagranite, il désigne, pour ces exemples, toute roche issue de basalte ou de granite. Ceci, à condition que l'on puisse encore déterminer la roche d'origine. Pour cela, il faut que le métamorphisme ait été faible ou moyen.quartzites
–Conglomérats ——————————- méta-conglomérats
–Argiles et phyllites —————————- ardoises et schistes

Roches magmatiques :
–Granites et granitoïdes ———-gneiss, protogines, orthogneiss
–Diorites ———————————————– méta-diorites
–Gabbros ——————————————— méta-gabbros
–Basaltes ——————————————— méta-basaltes
–Rhyolites ——————————————— méta-rhyolites
–Péridotites ——————————————- serpentinites

On peut estimer les conditions de pression et de température, en fonction de la présence des différents minéraux qui composent ces roches. La pression ou pression lithostatique, est générée par la masse des roches situées au-dessus.

Les minéraux issus du métamorphisme résultent d’une réaction entre minéraux préexistants, et parfois fluides, circulant aux joints des grains. Les associations de minéraux se développant alors (paragenèseParagenèse Du grec paragenêsis : arrivé, présence. Association de minéraux dans une roche donnée, présentant une origine commune, et résultant de processus géologiques et géochimiques donnés. Dans les roches métamorphiques, ce terme désigne les associations de minéraux qui sont ensemble, et stables dans certaines conditions de Température et de Pression.), peuvent nous permettre de remonter aux conditions de formation de ceux-ci (Température et Pression). En ce sens, ils peuvent être spécifiques de conditions. Par contre de nombreux minéraux des roches métamorphiques ne sont pas spécifiques du métamorphisme, car présents également dans les roches magmatiques : quartzQuartz Minéral, tectosilicate composé principalement de silice (SiO2)., feldspaths, biotiteBiotite Phyllosilicate trioctaédrique (K (Fe, Mg)3 (Si3Al) O10(OH)2), mica noir, minéral à cristaux en feuillets facilement détachables les uns des autres. et muscoviteMuscovite Mica blanc. (KAl3Si3O10(OH)2). par exemple.

Nous donnons ici quelques exemples de minéraux :

Les silicates d’alumine au nombre de trois polymorphes : le disthène (Al₂SiO₅), l’andalousiteAndalousite De l'Andalousie : région d'Espagne. Minéral, nésosilicate d'alumine Al2SiO5, forme de haute température, basse pression. (Al₂SiO₅) et la sillimanite (Al2SiO5). On les rencontre dans différentes conditions du métamorphisme régional. La sillimanite traduit des hautes températures et le disthène reflète des hautes pressions. L’andalousite est le polymorphe de basse pression et moyenne température. Elle est classique dans les auréoles de contact.

Attention ces minéraux sont également connus dans différents granites, où leur origine n’est pas toujours bien établie. L’andalousite peut avoir une origine magmatique. Présente dans des pegmatites, elle serait alors d’origine hydrothermale. La cordiérite, (Al₃Mg₂AlSi₅O₁₈₎ avec des traces de Mn, Fe, Ti, Ca, Na et K.), est un minéralMinéral Espèce chimique naturelle, se présentant le plus souvent sous forme de cristal solide. métamorphique des milieux très alumineux où elle peut être associée aux silicates d’alumine (exemple dans les schistes dits tachetés du métamorphisme de contact). Comme ces derniers, elle est aussi présente dans des roches magmatiques différenciées, volcaniques ou plutoniques. Les grenats (de formule générale X₃Y₂(SiO₄)₃), se rencontrent dans tout le spectre des conditions métamorphiques. Leur composition est alors une variable importante à considérer : riches en almandins dans les métapelites de bas degré, jusqu’à des compositions très riches en pyrope dans les roches magnésiennes à très haute pression et basse température. Dans les roches dérivées de protolithes plus ou moins carbonatés, on trouve des grenats calciques, compris entre le grossulaire et l’andradite. Mais comme pour les minéraux précédents, il faut garder à l’esprit que de nombreuses roches magmatiques contiennent également des grenats, (généralement des roches différenciées à grenat ferreux et manganésifères). Les épidotes, (Ca₂(Fe,Al)Al₂(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH) avec des traces de magnésium et de manganèse (Mg et Mn), sont des minéraux chimiquement proches des grenats, et se rencontrent comme ces derniers, dans tous les champs du métamorphisme. Comme les grenats, leur composition change en fonction des conditions Température et de Pression. Moins connu est le fait que l’épidote peut être un minéral magmatique. La staurotide ((Fe,Mg,Zn,Co)_1,5-2Al₉(SiO₄)₄O₆(O,OH)₂ avec des traces de Ti, Cr, Mn, Co et Li.) est un minéral commun du métamorphisme de degré moyen, affectant des roches d’origine sédimentaire détritiques.

Les amphiboles présentent une grande flexibilité chimique, elles apparaissent dans de nombreuses conditions métamorphiques. ActinoteActinote Du grec Aktis, rayon. Amphibole calcique. et hornblendeHornblende Amphibole calcique. verte sont communes. La plus célèbre des amphiboles, véritablement métamorphique est le Glaucophane, amphiboleAmphibole Du grec amphibolos : ambigu, du fait de confusions possibles avec d'autres minéraux. Inosilicate à chaine double. Famille de minéraux en prismes plus ou moins allongés, en aiguilles ou en fibres, à section losangique, de couleur noirâtre, vert sombre à vert clair, brune, parfois bleu lavande ou gris bleuâtre. bleue caractéristique du métamorphisme de haute pression et de basse température (HP/BT) affectant du matériel de composition basaltique.

Les pyroxènes (formule générale XY(SiO₃)₂) peuvent être vus comme des équivalents non hydratés des amphiboles. Ils caractérisent des conditions plutôt de plus hautes températures que celles-ci. L’équivalent sodique du glaucophane est la jadéite (NaAlSi2O6), minéral de haute pression en présence de quartz. Dans les contextes de haute pression et de basse température (HP/BT), la jadéite forme avec le diopside (CaMgSi2O6) la solution solide correspondant à l’omphacite (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)Si₂O₆.). La Lawsonite (CaAl₂Si₂O₇(OH)₂•H₂O, avec des traces : Ti, Fe, Mn, Mg, Na, K, F.) est présente dans les schistes du métamorphisme général de haute pression et de basse température, accompagnant le glaucophane dans le métamorphisme alpin. C’est un minéral des roches métamorphiques de HP/Basse et moyenne température dérivée de roches magmatiques peu différenciées type basalte ou gabbro. Pour son apport à la compréhension du métamorphisme des chaines alpines, nous ajoutons la coésite (SiO₂). C’est un polymorphe de la siliceSilice Tectosilicate (SiO2) présentant différents polymorphes : opales, quartz, tridymite, cristobalite, coésite, stishovite. présente dans le métamorphisme de haute température et de très haute pression, vers 30 kb de pression, soit environ 100 km de profondeur. Ces occurrences sont très ponctuelles, mais réparties sur les grands ensembles orogéniques comme le montre la figure 16.

1) Quelques exemples de protolithes d’origine sédimentaire et de leurs roches métamorphiques correspondantes, les plus courantes : images 2 à 6.
2) Quelques exemples de protolithes d’origine magmatique et leurs roches métamorphiques correspondantes, les plus courantes : images 7 à 10.
3) Le métamorphisme d’impact ou métamorphisme de choc : images 11 à 16.

Photographes : Gérard Brusseaux et Juliette Thibiéroz (images 11 et 12, source extérieure bénévole).
Sources : Institut des Sciences de la Terre de Paris (ISTeP), Sorbonne Université, campus Pierre et Marie Curie, Paris, France ; et extérieure bénévole.

01 : diagramme pression/température. La figure de gauche présente les pressions croissant vers le haut, celui de droite vers le bas. Figures : Philippe Agard, Institut des Sciences de la Terre de Paris (ISTeP), Sorbonne Université, campus Pierre et Marie Curie, Paris.

02 : dolomie – marbreMarbre Pour un carrier, terme qui désigne toute roche ne présentant pas de grain et pouvant être polie. Pour un géologue, il s’agit d’une roche métamorphique dont la roche de base est carbonatée (ex. un calcaire). à minéraux.

03 : calcaireCalcaire Du latin calcarius. Roche sédimentaire carbonatée contenant au moins 50% de calcite et faisant effervescence au contact d'un acide dilué (Acide chlorhydrique à 10%). classique – marbre courant.

04 : argile – schiste.

05 : grès – quartzite (méta-quartzite).

06 : conglomérat – méta-conglomérat.

07 : graniteGranite De l'italien granito : grenu. Roche magmatique plutonique à texture grenue, composée de minéraux caractéristiques : quartz, micas (biotite, muscovite), et feldspaths (orthoses, plagioclases). – gneiss.

08 : péridotite – serpentinite.

09 : gabbro – méta-gabbro.

10 : rhyolite – méta-rhyolite.

11 : cratère Barringer (ou Canyon Diablo, à environ 60 km à l’Est du Grand Canyon du Colorado), USA, Arizona, créé par l’impact d’une grosse météorite de 50m de diamètre, à une vitesse estimée de 12,8 km/s. Il est d’un diamètre de 1200m et sa profondeur de 190m.

12 : cratère Barringer, vue rapprochée depuis la plate-forme d’observation touristique.

13 : tectite, ce sont des débris de roches terrestres fondues par l’impact de grosses météorites, et dispersés sur plusieurs milliers de km2.

14 : brècheBrèche De l'italien breccia : pierre cassée et de l'allemand brechen : briser. Toute roche formée pour 50% d'éléments anguleux et cimentés, supérieurs à 2 millimètres. (Brèches sédimentaires, tectoniques, volcaniques). d’impactite à très forte fusion, situé au centre de l’impact d’un astéroïde. La roche complètement fondue, est constituée d’une matriceMatrice Partie majoritaire et plus fine d'une roche englobant des éléments plus grands. Cette partie peut être composé de grains plus ou moins fins ou d'une masse indifférenciée. Elle se met en place lors de la sédimentation de la roche ce qui la différencie du ciment. vitreuseVitreuse Roche qui se rapporte à un verre, qui en a les propriétés, qui est entièrement ou en grande partie constituée de verre, synonyme de : hyaline. emprisonnant des fragments de roches. L’impact a eu lieu au début de l’ère secondaireSecondaire Synonyme : ère Mésozoïque (-251 à -65,5 millions d'années)., au TriasTrias Période la plus ancienne de l'ère secondaire (-251 à -199,6 millions d'années)., sur une surface de 20 km de diamètre. Origine de l’échantillon : lieu-dit de « Babaudus », qui est situé au centre du cratère de Rochechouart, (Haute-Vienne, France).

15 : verreVerre Du latin vitrum : verre. Magma ayant refroidi très rapidement sans cristalliser, donnant des laves (ex. : Obsidienne) qui peuvent contenir une proportion variable de minéraux. lybique. C’est un verre naturel de type tectite, que l’on trouve sur une grande partie du désert libyen (d’où son nom), ainsi qu’une partie du désert égyptien. Il est le résultat de la fusion de la coucheCouche Synonyme de strate, banc. Ensemble sédimentaire, compris entre deux surfaces de roches différentes et bien délimitées. superficielle du sableSable Sédiment détritique meuble formé de grains dont la majorité ont une taille comprise entre 2 mm et 63 µm., sous l’effet de l’explosion d’un astéroïde entrant dans l’atmosphère. Le sable a été soumis à une très haute température ainsi qu’à un taux de radiations atomiques très élevé. Il est tout à fait comparable à la Trinitite, ce verre issue de l’exposition de sable aux radiations d’une explosion atomique, lors d’un essai nucléaire. Cet échantillon vient d’Egypte.

16 : carte mondiale des terranes d’ultra haute pression. Le symbole rond plein indique les localités où la coésite est confirmée, le symbole rond ouvert montre les localités ou le métamorphisme d’ultra haute pression est déduit. Ne pas tenir compte ici des deux autres minéraux, non cités dans le texte ci-dessus. D’après Lio et coll. (2009).

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