Chapitre 6 Les Roches Métamorphiques [PDF]

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Chapitre 6 : les roches métamorphiques I- Introduction : Le métamorphisme: c’est l’ensemble des transformations minéralogiques et structurales, que subit une roche à l’état solide, sous l’effet de variation des conditions de pression et de température. Les roches métamorphiques: sont des roches d’origine magmatique ou sédimentaire qui ont été soumises à des conditions de pression (P) et température (T) différentes de celles de leur formation.

II- Les limites du métamorphisme : Le 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 (solidus sec et solidus hydraté). L’épizone, la mésozone et la catazone correspondent respectivement à des zones de faible, moyen et fort degré de métamorphisme.

III- Les facteurs du métamorphisme Les principaux sont la température et la pression. II.1- la température: L’augmentation de température a plusieurs origines, elle peut avoir lieu :

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- Par enfouissement : au sein de la croûte, la température augmente avec la profondeur. Le taux d’augmentation de T en fonction de la profondeur s’appelle le gradient géothermique. Il varie selon les régions et a une valeur moyenne de l’ordre de 30°C/km.

- Par La montée d’un pluton intrusif: qui libère de la chaleur et réchauffe les couches qui l’entourent (l’encaissant). II.2- la pression: La pression c’est la force appliquée par unité de surface (P=F/S), son unité est le Pascal 1Pa= 1N/m2. 1 bar= 105 pascal. L'augmentation de pression peut avoir différentes origines :  La pression lithostatique (ou de confinement): C’est la pression en un point exercé par le poids des roches sus-jacentes (P=h.d.g ) où h= profondeur, d=densité des roches, g=accélération de la pesanteur). On suppose généralement que la pression en un point est uniforme (comme la pression hydrostatique de l’eau), on dit que c’est une pression isotrope.  La pression tectonique (les contraintes tectoniques): C’est la pression orientée, exercée sur les roches par l’action des forces tectoniques. C’est une pression qui n’est pas homogène dans toutes les directions (elle est anisotrope), elle produit une déformation des roches (plissement, failles…).

Pression isotrope: Ex: pression lithostatique

Contrainte (pression) anisotrope. Ex: contrainte tectonique

IV- Les types de métamorphisme : Il existe deux principaux types de métamorphisme:  Le métamorphisme de contact (thermique), dû à une augmentation de la température,  Le métamorphisme régional ou général (dynamo-thermique) dû à une augmentation de la température et la pression; 2

Mais il existe également d’autres types de métamorphisme: - le métamorphisme d’impact (choc): dû à la chute des météorites - le métamorphisme hydrothermal de la croûte océanique qui se développe au niveau des dorsales océaniques suite à d’importantes circulations des eaux chaudes (hydrothermales). IV.1- le métamorphisme de contact (thermique): Il est dû essentiellement à l’augmentation de la température. Il se développe dans les roches encaissantes autour des masses magmatiques chaudes. Le métamorphisme de contact donne des transformations minéralogiques importantes, mais pas de transformations structurales. La zone métamorphisée est réduite et dessine une auréole de métamorphisme autour du magma refroidi.

Exemple de roches : la cornéenne, le marbre et le quartzite. IV.2- le métamorphisme général (régional): Il est dû à l’augmentation de la température et de la pression (métamorphisme dynamothermique). C’est un métamorphisme dû aux mouvements tectoniques compressifs qui ont lieu dans les zones de subduction et de collision. Il affecte de vastes régions (100aines de km2) et produit des transformations minéralogiques et structurales importantes

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V- Les transformations métamorphiques Les roches métamorphiques subissent des transformations qui sont globalement de deux types: minéralogique d'une part et structurale d'autre part.

V.1- Les transformations minéralogiques : Les minéraux stables dans la roche initiale subissent des réactions chimiques qui font apparaître une nouvelle association minéralogique appelée: la paragenèse minérale.

Une paragenèse est une association de minéraux à l’équilibre pour des conditions de pression et température données. Exemple : 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). La succession des réactions minéralogiques peut alors être représentée graphiquement par des grilles pétrogénétiques qui présentent des champs de stabilité (P-T) des minéraux, délimités par les lignes ou des courbes de réactions minéralogiques (apparition ou disparition de minéraux).

Des transformations polymorphiques peuvent avoir lieu au cours du métamorphisme, sont des modifications du système cristallin d’un minéral sans changement de sa composition 4

minéralogique : c’est le cas des silicates d’alumine de formule générale SiAl 2O5 (andalousite, disthène, sillimanite).

V.2- Les transformations structurales : Les roches du métamorphisme régional subissent des déformations sous l’action des contraintes. Ces contraintes entraînent la disparition de la structure originelle (la stratification) et l'apparition de nouvelles structures métamorphiques : c’est la schistosité et la foliation. La schistosité: correspond à des plans d’aplatissements perpendiculaires à la compression. Matérialisés par la dissolution, la réorientation des minéraux ou par la recristallisation de nouveaux minéraux métamorphiques. On distingue : -

Schistosité de fracture: ensemble de plans parallèles (en feuillets) qui résultent de fractures et plans de dissolution (ex: les schistes). Schistosité de flux: ensemble de plans parallèles (en feuillets) qui résultent de la recristallisation des nouveaux minéraux métamorphiques et l’étirement des anciens minéraux (ex: les micaschistes)

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La foliation : caractérisée par des minéraux métamorphiques sont de grande taille, avec alternance de bandes sombres (Biotite) et de bande claires (quartz + feldspaths). C’est l’exemple du gneiss.

En fonction de l’intensité de la déformation et du métamorphisme, on distingue plusieurs types de schistosité:

Plans se stratifications (S0) (Pélite)

Schistosité de fracture (S1) (Schiste)

Schistosité de flux (Micaschiste)

La foliation (Gneiss)

VI- Classification des roches métamorphiques Les critères permettant de classer et de nommer les roches métamorphiques sont variés et non uniformisés. Ils peuvent faire référence à : - La nature de la roche mère ( Ortho-: roche dérivée d’une roche magmatique, Para-: roche dérivée d’une roche sédimentaire : l’orthogneiss  provient d’un granite et le paragneiss : provient d’une pélite). - La structure de la roche - La composition minéralogique : la paragenèse minérale - Les conditions du métamorphisme (P-T) : le faciès métamorphique La classification actuelle est basée sur les faciès métamorphiques d'Eskola, elle groupe les roches, quelles que soient leur origine et leurs compositions chimiques, en faciès métamorphiques.

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VII- les faciès, les gradients et les séquences métamorphiques : VII.1- les faciès métamorphiques: C'est une classification universelle, proposée au debut du XX è siècle par le géologue finlandais Eskola. Elle a été établie, non plus à partir de la série alumineuse (pélitique), mais de la série basique (basalte et gabbro) où la variété minérale est plus grande. Il regroupe ainsi, dans un même faciès des roches qui ont subi un métamorphisme dans des conditions P-T voisines, quelle que soit leur composition. Un faciès correspond donc à un domaine défini de température et de pression. Cependant, l'appartenance d'une roche métamorphique à un faciès donné n'implique pas nécessairement qu'elle ait la composition de la référence basique. Exemple : un basalte porté à 20 km de profondeur à 550°C devient une amphibolite, ce qui donne le nom au faciès, mais un gneiss à deux micas (plagioclases, quartz, feldspath potassique) appartient  aussi faciès amphibolites bien qu'il ne contienne pas d'amphiboles. Un faciès métamorphique est un domaine de P et de T dans lequel on regroupe des roches métamorphiques de compositions différentes et ayant subi le métamorphisme dans des conditions de pression et de température voisines.

VII.2- Gradients (ou climats) métamorphiques: Les gradients métamorphiques expriment l’évolution de P et T, liée au type de métamorphisme et au contexte géodynamique. Cette classification a été élaborée dans les années 60 par Miyashiro à partir de l'étude des ceintures métamorphiques de l'arc japonais. Les variations relatives de la pression et de la température permettent de définir des "climats" métamorphiques et dans chaque climat on peut rencontrer tous les degrés de métamorphisme.

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 Le climat BP-HT (ou gradient d’Abukuma). Le gradient géothermique est fort : la température augmente très vite même pour une faible profondeur et aboutit souvent à l'anatexie. Les minéraux caractéristiques sont l'andalousite et la sillimanite. Il caractérise des zones où existe une forte source de chaleur, comme les rides médio-océaniques et les intrusions magmatiques (métamorphisme de contact).  Le climat MP-MT (ou gradient barrovien ou dalradien). Le gradient géothermique est moyen, Il aboutit souvent à l'anatexie et les minéraux caractéristiques sont le disthène et la sillimanite. Cette série correspond souvent à une tectonique type collision.  Le climat HP-BT (ou gradient franciscain). Le gradient géothermique est faible : la pression augmente sans élévation remarquable de la température. Les schistes bleus se forment souvent dans ce contexte qui n'aboutit jamais à l'anatexie. Ce climat s'observe souvent dans les contextes de subduction.

VII.3- Les séquences métamorphiques On appelle séquence, l'ensemble des roches métamorphiques, de degré variable, issu d'un même type de roche initiale caractérisée par une certaine composition chimique moyenne. Le tableau suivant illustre les grands types de séquences :

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