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Métamorphisme et roches métamorphiques
Laurie Bougeois
ST3 - Polytech’ Paris UPMC
19 décembre 2014
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
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N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Un peu d’histoire...
◮ Jusqu’au 18ème siècle
roches cristallines (= magmatiques) roches sédimentaires
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N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Un peu d’histoire...
◮ Jusqu’au 18ème siècle
roches cristallines (= magmatiques) roches sédimentaires
◮ Fin 18ème - début 19ème siècle
James Hutton (Theory of the Earth, 1795) :observation en Écosse de roches issues dela transformation de roches magmatiques ousédimentaires au contact de granite ou debasalte
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N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Un peu d’histoire...
◮ Jusqu’au 18ème siècle
roches cristallines (= magmatiques) roches sédimentaires
◮ Fin 18ème - début 19ème siècle
James Hutton (Theory of the Earth, 1795) :observation en Écosse de roches issues dela transformation de roches magmatiques ousédimentaires au contact de granite ou debasalte
proposition d’un 3ème type de rochesrésultant de la transformation d’une desroches précédentes
⇒ Roches Métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Qu’est-ce qu’une roche métamorphique ?
◮ Le granite de Flamanville un exemple simple pour démontrer ce que sont les roches
métamorphiques
pluton granitique daté vers 350 – 330 Ma intrusif dans les séries sédimentaires du Paléozoïque
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N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Qu’est-ce qu’une roche métamorphique ?
◮ Le granite de Flamanville un exemple simple pour démontrer ce que sont les roches
métamorphiques
pluton granitique daté vers 350 – 330 Ma intrusif dans les séries sédimentaires du Paléozoïque
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Schiste à Andalousite
Grès argileux du Rozel
Contact Granite-Schistes
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Les roches métamorphiques
Définition
Le métamorphisme est la transformation à l’état solide des rochesentraînant la cristallisation de nouveaux minéraux (dit néoformés)et un changement de la structure.
Comment se produit la transformationQuels sont les facteurs à l’origine de celle-ci ?
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion d’isogrades de métamorphisme
Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isogradede la cordiérite
Courbe isogradede la sillimanite
Cordiérite
Sillimanite
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
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Clino-pyroxène
Plagioclase
Glaucophane
Muscovite+chlorite
Cordiérite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
◮ Réactions polymorphiques
changement de phase exemple des Silicates d’alumine Al2SiO5
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Disthène
Sillimanite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
◮ Réactions polymorphiques
changement de phase exemple des Silicates d’alumine Al2SiO5
9 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Andalousiteorthorombique
a=7.79Åb=7.90Åc=5.56Å
Sillimaniteorthorombique
a=7.48Åb=7.67Åc=5.77Å
Disthènetricliniquea=7.12Åb=7.85Åc=5.57Å
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
◮ Réactions polymorphiques
changement de phase exemple du système Quartz-Coésite SiO2
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Coésite
Quartz
Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
◮ Réactions isochimiques
changement de minéraux mais chimie globale de la roche conservée exemple : Grenat → Spinelle + Clinopyroxène
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Serpentine
Spinelle +Clinopyroxène
Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
◮ Réaction non isochimiques ou métasomatiques
modification de la chimie de la roche par un apport d’H2O exemple : Plagioclase + Clinopyroxène + H2O → Hornblende
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ClinopyroxèneHornblende
Plagioclase
Clinopyroxène
Hornblende
Plagioclase
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche empirique
Effet de la température
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Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isogradede la cordiérite
Courbe isogradede la sillimanite
Cordiérite
Sillimanite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche empirique
Effet de la pression
14 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Schiste à Andalousite
Grès argileux du Rozel
Basalte
Terre cuite
Argile
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche empirique
Effet de la circulation des fluides
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Muscovite+chlorite
Cordiérite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche empirique
Effet de la déformation
16 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche thermodynamique
Étapes d’une réaction métamorphique
Dissolution → Transport (diffusion) → Nucléation → Croissance
⇒ le processus le plus lent contrôle la vitesse de la réaction soitla diffusion.
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche thermodynamique
Paramètres contrôlant la vitesse de diffusion :La diffusion dans un solide est contrôlée par la loi de Fick
J = -DdCdx
Avec :J : Flux
C : concentrationx : distance
D : coefficient de diffusion→ détermine la vitesse surfacique de diffusion
Loi d’Aarhénius D=D0e−Q/RT
+ T est élevée ⇒ + la diffusion est efficaceDiffusion inefficace en dessous de 600◦C
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche thermodynamique
+ T est élevée ⇒ + la diffusion est efficaceDiffusion inefficace en dessous de 600◦C
Trajet prograde
T augmente
Trajet rétro
grade
T diminue
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
◮ Approche thermodynamique⇒ Mécanisme accélérant le métamorphisme
déformation : formations de plus petits grains → facilite la diffusion fluides : facilite le transport des éléments
Zone peu déforméepréservation de minéraux reliques
Zone très déforméeminéralogie à l'équilibre
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Nouvelle définition
Le métamorphisme est la transformation à l’état solide de rochesplacées dans des conditions de pression et de température diffé-rentes de celles qui existaient au moment de leur formation
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l’héritage chimique
⇒ Notion de protolithe
22 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l’héritage chimique
⇒ Notion de protolithe
22 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Biotite+Muscovite
Grenat
Biotite
Sillimanite
Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l’héritage chimique
⇒ Notion de protolithe
22 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Roches Minéraux caractéristiques
Pélitiques muscovite, biotite, chlorite, chloritoïde, silicates d'alumine, grenat, cordiérite
Basiques amphiboles, ortho et clinopyroxènes, grenat (Fe, Mg), épidote
Acides biotite, muscovite, chlorite, feldspath, cordiérite, grenat clinopyroxène
Péridotites ortho et clinopyroxènes, amphiboles, olivines, grenat, talc, serpentine, spinelle, plagioclase
Attention : il faut tenir compte des proportions !
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l’héritage chimique
⇒ Notion de Série paradérivée
Pélite
Schiste
Paragneiss Quartzite
Marbre
Calcaire
Grès
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l’héritage chimique
⇒ Notion de Série orthodérivée
Acide
Basique
Orthogneiss acide
Métabasite + nom de faciès
(schiste bleu, schiste vert etc.)
Ultramafique
Méta-ultramafique
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Classification des roches métamorphiques
◮ Les critères permettant de classer et de nommer les rochesmétamorphiques sont variés et non uniformisés. Il peuvent faireréférence à la :
Nature du protolithe
métagranite métabasalte métasédiment métapélite ...
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Classification des roches métamorphiques
◮ Les critères permettant de classer et de nommer les rochesmétamorphiques sont variés et non uniformisés. Il peuvent faireréférence à la :
Structure de la roche
micaschiste schiste bleu schiste vert gneiss œillé ...
26 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Classification des roches métamorphiques
◮ Les critères permettant de classer et de nommer les rochesmétamorphiques sont variés et non uniformisés. Il peuvent faireréférence à la :
Composition minéralogique
gneiss à andalousite micaschiste à grenat marbre à muscovite glaucophanite ...
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Genèse des roches métamorphiques- Bilan -
Les phénomènes métamorphiques sont relativement lents, d’où lapréservation de minéraux ou d’assemblages de minérauxmétastables, c’est-à-dire non à l’équilibre avec les conditions P –T environnantes.
La vitesse de transformation est activée par la température. Parconséquent lors d’une évolution avec augmentation detempérature (évolution prograde) seul les derniers assemblagesseront préservés. Par contre lors de la baisse de température(évolution rétrograde), les assemblages anciens seront préservés.
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Genèse des roches métamorphiques- Bilan -
La vitesse des transformations est fortement accélérée par ladéformation et les circulations de fluide.
La présence ou l’absence de certains minéraux est égalementcontrôlée par la chimie et la minéralogie initiale de la roche. Parconséquent certaines roches seront "plus parlantes" que d’autrescar elles exprimerons mieux le métamorphisme.
Les roches métamorphiques subissent une évolution au cours dutemps marquée par des transformations minéralogiques.
⇒ Nécessité d’évaluer les conditions P-T subies
28 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
29 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Approche expérimentale
◮ Différents dispositifs utilisés
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Approche expérimentale
◮ Cellule à enclume de diamant
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MicrofourMilieu transmetteurde P (Argon)
Rubis(mesure P par fluorescence)
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Zonéographie du métamorphisme
◮ Exemple des métapélites
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Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isogradede la cordiérite
Courbe isogradede la sillimanite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Zonéographie du métamorphisme
◮ Exemple des métapélites
32 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isogradede la cordiérite
Courbe isogradede la sillimanite
EPIZONEMESOZONE
ULTRAZONE
CATAZONE
ANCHIZONE
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
33 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
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Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Schistes vertExemple du Chenaillet et du Briançonnais
34 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Schistes bleusExemple de l’Île de Groix
35 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
ÉclogitesExemple de Saint-Philbert-de-Grand-Lieu
36 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Signification des limites entre faciès métamorphiques
37 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Aspect thermodynamique
◮ Équation de Clapeyron
∆G = ∆H − T∆S + P∆V
(équation simplifiée car la réaction se fait à l’état solide)
À l’équilibre :∆G = 0
P =∆S∆V
T −∆H∆V
Fonction affine qui représente la
courbe d’équilibre monovariant
= courbe de changement d’état
38 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Aspect thermodynamique
◮ Équation de Clapeyron
P =∆S∆V
T −∆H∆V
∆S ≫ ∆V
Bon géothermomètre
P
TEx. : transition staurotide-grenat
∆V ≫ ∆S
Bon géobaromètre
P
TEx. : transition coésite-quartz
39 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Grilles pétrogénétiquesPour une chimie basique
40 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Grilles pétrogénétiquesPour une chimie alumineuse
41 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Grilles pétrogénétiquesPour une chimie alumineuse
41 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse = assemblages minéralogiques à l’équilibre
42 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse = assemblages minéralogiques à l’équilibre
Exemple Faciès des amphibolites - Série alumineuse
42 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Staurotide + Disthène + Biotite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse = assemblages minéralogiques à l’équilibre
Exemple Faciès des amphibolites - Série basique
43 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Hornblende + Epidote + Plagioclase + Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse = assemblages minéralogiques à l’équilibre
44 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
MÉTABASITE METAPELITE
Schistes Verts alb + ep + chl + act +/- grt chl + ms + pl + and +/- grt +/- bt
Amphibolites hb + ep + pl + grt +/- cpx stau + dist ou sill + bt + grt +/- ms
Granulites opx + cpx + gft sill ou dist + fdK + grt +/- cord
Cornéennes hb ou act + pl +/- chl +/- cpx +/- opx cord + and ou sill + ms + bt + fdK +/- chl
Schistes Bleus glauc + law ou ep + pl phengite + chl + chld + dist + grt
Éclogites cpx (omphacite) + grt dist + phengite + grt + coesite
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Bilan méthodologie
45 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Reconnaissancepétrologique
Utilisation de la grillepétrogénétique
appropriée
Calculsthermobarométriques
Gl
Ep
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ À proximité des sources ponctuelles de chaleur :
Métamorphisme de contact
46 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
ContactBP-HT
Basse pression -Haute température
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ À proximité des sources ponctuelles de chaleur :
Métamorphisme de contact
46 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Cornéenne à andalousite
Basse pression -Haute température
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ À proximité des sources ponctuelles de chaleur :
Métamorphisme de contact Hydrothermalisme lié aux intrusions
46 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Skarn (Mexique)
Basse pression -Haute température
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques◮ Dans les zones d’extension
Métamorphisme de rifting Métamorphisme de dorsale Métamorphime près de failles normales syn à post-orogéniques
47 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Basse à moyenne pression -Haute température
Gradient ABUKUMA
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques◮ Dans les zones d’extension
Métamorphisme de rifting Métamorphisme de dorsale Métamorphime près de failles normales syn à post-orogéniques
47 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Basse à moyenne pression -Haute température
Gradient ABUKUMA
Granulite (grenat, disthène)
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ Dans les zones de convergence
Métamorphisme de collision
48 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Moyenne pression -Moyenne température
Gradient ABUKUMAGradient DALRADIE
N
CollisionMP-MT
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ Dans les zones de convergence
Métamorphisme de collision
48 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Moyenne pression -Moyenne température
Gradient ABUKUMAGradient DALRADIE
N
Amphibolite à disthèneet staurotide
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ Dans les zones de convergence
Métamorphisme de collision Métamorphisme de subduction
49 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Haute pression -Basse température
Gradient ABUKUMAGradient DALRADIE
N
Gra
dient F
RA
NC
ISC
AIN
SubductionHP-BT
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Localisation des roches métamorphiques
◮ Dans les zones de convergence
Métamorphisme de collision Métamorphisme de subduction
49 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Haute pression -Basse température
Gradient ABUKUMAGradient DALRADIE
N
Gra
dient F
RA
NC
ISC
AIN
Schiste bleu (glaucophane,épidote, grenat)
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
50 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Reconstitution des contextes de déformation
Relations entre contraintes et déformationcas du cisaillement simple
51 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Reconstitution des contextes de déformation
FoliationLinéation
52 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Reconstitution des contextes de déformation
◮ Chronologie relative métam-déformation
Minéraux anté-tectoniques
Crénulation
53 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Reconstitution des contextes de déformation
◮ Chronologie relative métam-déformation
Minéraux syn-tectoniques
Grenat hélicitique Cristallisation en zone d’ombre
54 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Reconstitution des contextes de déformation
◮ Chronologie relative métam-déformation
Minéraux post-tectoniques
Staurotide recoupant minéraux foliés
55 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Reconstitution des contextes de déformation
◮ Chronologie relative métam-déformation
Minéraux anté-tectoniques
Minéraux syn-tectoniques
Minéraux post-tectoniques
56 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Datation du métamorphisme
◮ Datation relative
Cas des auréoles de réaction
57 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Clino-pyroxène
Plagioclase
Glaucophane
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Datation du métamorphisme
◮ Datation relative
Cas des inclusions minérales
58 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
QuartzMuscovite
Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Datation du métamorphisme
◮ Datation relative
Cas de la composition chimique
59 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
% de Ca dans un Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Datation du métamorphisme
◮ Datation absolue
Températures de fermeture des systèmes isotopiques
60 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
U/Pb Zr
Rb/Sr Musc
TF Ap
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Datation du métamorphisme
Bilan
Obtention d’histoiresPression – Température – temps – déformation
◮ Vitesses de refroidissement, de réchauffement
◮ Vitesses d’enfouissement ou d’exhumation
◮ Vitesses et nature de la déformation
Reconstitution du contexte de formation (compression, extension,décrochant) et d’exhumation
61 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
Introduction Genèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Bilan
62 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques
N
