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par yasser.geo Jeu 30 Aoû - 1:57Les roches métamorphiques(séance réalisée en collaboration avec Véronique Savary, Université de Picardie Jules verne)
Définition du métamorphismeLe 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.Les conditions du métamorphisme - Les types de métamorphismeLe 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).
Domaine température-pression du métamorphisme. E = épizone; M = mésozone ; C = catazone
(notez que la catazone correspond au domaine de fusion des roches saturées en eau.
Le domaine à gauche de l'épizone est le domaine de la diagenèse
La nature de la roche initialeLa roche initiale est appelée protolithe; 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, voir infra).Les modifications dûes au métamorphisme
Modifications texturales 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).
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 [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien].Modifications minéralogiques
Réaction minéralogique, paragénèse et assemblageLes minéraux stables dans la roche initiale subissent des réactions chimiques qui font apparaître de nouvelles associations de minéraux, appelées paragénèsesEx. : 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 ([Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]) de formule générale SiAl2O5 (andalousite, disthène, sillimanite).
IsogradeSur le terrain, il est possible de "suivre" la réaction chimique. On observe d'abord des roches présentant la paragénèse muscovite + quartz; puis, on observe des roches sans muscovite, mais avec feldspath potassique et andalousite. On a alors passé la limite des roches avec muscovite et des roches sans muscovite. On appelle isograde cette limite sur le terrain. On appelle isograde moins (-), un isograde de disparition d'un minéral et isograde plus (+) un isograde d'apparition d'un minéral.Dans l'exemple ci-dessus, l'isograde Mu(-) correspond à l'isograde FK(+) et And(+).
Exercice :
Quatre échantillons ont été prélevés sur le terrain (A, B, C et D; voir carte).
On observe les minéraux suivants :
Les faciès métamorphiquesUn faciès métamorphique regroupe les paragénèses minérales caractéristiques d'un domaine pression-température déterminé. 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.
Les gradients métamorphiquesOn 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 :
Les différents gradients métamorphiques
<blockquote style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 'Times New Roman'; font-size: medium; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; ">Les séquences métamorphiques</blockquote> 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 :
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 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 ...
<blockquote style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 'Times New Roman'; font-size: medium; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; ">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.</blockquote>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 :
La glaucophane :
L'épidote :
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Définition du métamorphismeLe 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.Les conditions du métamorphisme - Les types de métamorphismeLe 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).
- On distingue le dynamo-métamorphisme qui 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 de impacts de météorite
- Le métamorphisme de contact est dû essentiellement à l'effet de la température. Il se développe dans les roches encaissantes autour des masses magmatiques chaudes
- Entre les deux se développe le métamorphisme régional, qui est lié à des facteurs géodynamiques
Domaine température-pression du métamorphisme. E = épizone; M = mésozone ; C = catazone
(notez que la catazone correspond au domaine de fusion des roches saturées en eau.
Le domaine à gauche de l'épizone est le domaine de la diagenèse
La nature de la roche initialeLa roche initiale est appelée protolithe; 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, voir infra).Les modifications dûes au métamorphisme
Modifications texturales 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 |
Réaction minéralogique, paragénèse et assemblageLes minéraux stables dans la roche initiale subissent des réactions chimiques qui font apparaître de nouvelles associations de minéraux, appelées paragénèsesEx. : 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 ([Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]) de formule générale SiAl2O5 (andalousite, disthène, sillimanite).
IsogradeSur le terrain, il est possible de "suivre" la réaction chimique. On observe d'abord des roches présentant la paragénèse muscovite + quartz; puis, on observe des roches sans muscovite, mais avec feldspath potassique et andalousite. On a alors passé la limite des roches avec muscovite et des roches sans muscovite. On appelle isograde cette limite sur le terrain. On appelle isograde moins (-), un isograde de disparition d'un minéral et isograde plus (+) un isograde d'apparition d'un minéral.Dans l'exemple ci-dessus, l'isograde Mu(-) correspond à l'isograde FK(+) et And(+).
Exercice :
Quatre échantillons ont été prélevés sur le terrain (A, B, C et D; voir carte).
On observe les minéraux suivants :
- B et D : quartzarénite dolomitique
- A et C : roche métamorphique à diopside et quartz
- Etablir la réaction chimique.
- Quel est le minéral en excès.
- Localiser l'isograde d'apparition du diopside sur la carte.
- elle est un vecteur de chaleur
- elle est un vecteur de matière
- elle diminue le point de fusion des roches qui peuvent atteindre plus tôt l'état fondu (anatexie).
 | Les fluides anciens dans les roches métamorphiques peuvent être caractérisés par l'étude des inclusions fluides. Il s'agit de micro-cavités (<10-50 µm) des minéraux ayant piégé un petit volume de fluide présent dans la roche. |
Les droites de stabilité des alumino-silicates sont représentées; les trois droites se recoupent approximativement à 600°C et 5 kbar.
Les gradients métamorphiquesOn 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<blockquote style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 'Times New Roman'; font-size: medium; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; ">Les séquences métamorphiques</blockquote> 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
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 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 ...
<blockquote style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 'Times New Roman'; font-size: medium; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; ">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.</blockquote>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 |
 Glaucophane en LPNA |  Glaucophane en LPA |
 Epidote en LPNA |  Epidote en LPA (le "manteau d'Arlequin") |
- Kornprobst, J. (1994) : Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique. Masson, 224 p.
- McKenzie : Atlas des roches métamorphiques (photographies des minéraux et roches du métamophisme)
