Le Métamorphisme : roches, pression et température (1)

Eclogite de Dora MairaLa roche contient de nombreux grenats qui présentent des enclaves de coésite en cours de transformation en quartz. Ce métamorphisme rétrograde s’accompagne d’une augmentation de volume qui fait éclater le grenat.

La transition coésite-quartz témoigne de conditions de pression de l’ordre de 3 GPa

De la coésite au quartz dans une éclogite

Les polymorphes de la SilicePour la même formule chimique, SiO2, il existe, selon les conditions thermodynamiques, plusieurs espèces minérales différentes. On parle de polymorphes.

Le Métamorphisme : roches, pression et température (2)La «fourchette» des silicates d’alumine

Les silicates d’alumineA la formule générale Al2SiO5 correspondent trois minéraux différents, trois façons différentes de cristalliser cette espèce chimique. Ce sont le disthène, l’andalousite et la sillimanite. On dit que ce sont trois polymorphes.

Les domaines de stabilitéIls sont séparés par des segments de droites, l’ensemble étant concourant en un point triple.

Les trois domaines représentent les conditions de pression et température pour lesquelles telle ou telle espèce est stable.

Les droites séparant les domaines sont les ensembles de couples (P,T) pour lesquels deux espèces co-existent en équilibre (= droites d’équilibre univariant) .

Le point triple représente le couple (P,T) pour lequel les trois espèces de silicate d’alumine co-existent en équilibre (= point d’équilibre invariant).

Le Métamorphisme : roches, pression et température (3)Des roches entièrement cristallisées...

La structure granoblastiqueCette structure caractérise certaines roches métamorphiques exemptes de figures de déformation (on les trouvera par exemple dans des contextes de thermo-métamorphisme). En contexte de déformation, on observera des textures granoblastiques orientées, par exemple.

L’intime intrication des minéraux est la marque d’une cristallisation intense qui a gagné la totalité de la roche. Aucun minéral n’est automorphe et tous s’interpénètrent souvent à la manière de pièces de puzzle ; c’est là la marque d’une cristallisation qui ne s’est pas faite à partir d’un magma, mais bien à l’état solide.

Structuregranoblastique

Structuregranoblastique orientée

Le Métamorphisme : roches, pression et température (4)

Des couronnes réactionnelles

Eclogite à grenat.Sur cet échantillon, on observe, à fort grossissement, une couronne de Hornblende (Hb) et de Plagioclase (Pl) qui se forme aux dépends d’un grenat (Gt) et d’un pyroxène (Omph., pour omphacite).

La structure «chevelue» de la couronne souligne le caractère très intriqué, très intime de l’interpénétration entre les quatre espèces en présence. Il s’agit là d’une réaction chimique, au ralenti, que l’on peut observer en lame mince.

C’est bien entendu le caractère solide de ces transformations qui impose cette extrème lenteur des réactions.

Texture symplectiqueOn nomme symplectique cette structure en chevelu complexe qui caractérise les réactions du métamorphisme.

Le Métamorphisme : roches, pression et température (5)Métamorphisme de contact à Sélestat (1)

Extrait de la carte géologique de Sélestat 1/50 000Des schistes de Villé aux Cornéennes, la composition chimique globale des roches est constante

Le Métamorphisme : roches, pression et température (6)Métamorphisme de contact à Sélestat (2)

Taille des cristauxLe graphe représente la dimension des cristaux de Calcite (C) dans un marbre et la dimension de cristaux de quartz (Q) dans une cornéenne en fonction de la distance au massif granitique.

Variations pétrologiquesEvolutions des abondances relatives de différents minéraux siliceux (Q), FerroMagnésiens, SilicoAlumineux et Ferreux selon l’éloignement au massif granitique

Le diagramme P,TSur ce diagramme, on a placé les conditions de stabilité de certains minéraux. On y voit que dans ce cas c’est surtout la température qui gouverne les changements de domaine.

Le Métamorphisme : roches, pression et température (7)Métamorphisme général dans le massif de l’Arize

Le Métamorphisme : roches, pression et température (8)Pressions et températures dans l’Arize

Gradient métamorphiqueLes différents assemblages minéralogiques observés sur le terrain ainsi que les isogrades identifiées permettent de définir des domaines dans un diagramme P,T.

Sont particulièrement bien contraintes les positions de l’apparition et de la disparition de l’andalousite, de l’apparition de la sillimanite, des feldspaths potassiques et des migmatites.

Ces différentes position peuvent être synthétisées en un «gradient métamorphique» qui exprime une variation d’intensité du métamorphisme.

Ce gradient métamorphique renseigne le géologue sur le type d’événement à incriminer (ici, une collision), mais il est essentiel de garder à l’esprit que le gradient métamorphique N’EST PAS le gradient géothermique et N’EST PAS le «chemin» suivi par une quelconque roche.

Le Métamorphisme : roches, pression et température (9)Relations entre métamorphisme et déformation

Déformationimposée

P et T

Raccourcissement de 0% Raccourcissement de 80%

P et T faibles(T < 150 °C)

(P < 0,15 Gpa)

rien failles ou plis isopaques

P et T moyennes(T = 200 °C)

(P = 0,25 Gpa)

rien plis anisopaques

P et T fortes(T = 300 °C)

(P = 0,35 Gpa)

-apparition de cristaux de séricite et muscovite non orientés

- plis anisopaques- apparition de cristaux de

séricite et de muscovite tous parallèles

- schistosité

Le Métamorphisme : roches, pression et température (10)Importance relative du déviateur tectonique

Un ordre de grandeur entre déviateur et pressionDans les conditions classiques d’enfouissement d’un matériau dans de la croûte continentale, les pressions mises en jeu s’expriment en 108 Pa (dixièmes de GPa ou centaines de MPa) et jusqu’à un peu plus de 109 Pa.

En revanche, un déviateur tectonique ne dépasse généralement pas les quelques 107 Pa.

De ces considérations, il faut donc retenir que le déviateur, lors d’une orogenèse n’est responsable que de la structure des roches métamorphiques. Les transformations minéralogiques sont le fait de l’enfouissement d’un matériel (avec, par conséquent, augmentation de P et de T). Il n’existe pas de «formidable pression tectonique» qui échauffe les roches ou qui les pressurise au point de les transformer...

σT << σ3