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1ère partie de l’épreuve Dossier. LE METAMORPHISME DANS LES ZONES DE SUBDUCTION LE METAMORPHISME DANS LES ZONES DE SUBDUCTION Niveau : Terminale S Extrait du programme : Documents : Document 1 : Trajet Pression Température temps - Alpes C. Nicollet, Métamorphisme et géodynamique Document 2 : Métamorphisme du manteau lithosphérique Séismes profonds Document 3 : Mécanismes d’exhumation C. Nicollet, Métamorphisme et géodynamique Document 4 – support concret : Exemple en France (Hercynien) Carte géologique de Groix au 1 :50000ème Echantillons associés Document 1 : trajets Pression – Température – temps des roches crustales (Alpes) Document 1 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Acquisition de ces données P-T-t ? - thermo-barométrie sur les assemblages minéralogiques à l’équilibre - thermochronologie = dater le passage d’isothermes (ex. Ar/Ar phengite) Interprétation du document : 3 unités structurales dans l’ordre sur une coupe W-E: - Les schistes lustrés (Queyras). Roches sédimentaires du prisme d’accrétion océanique très déformées, emballant des métabasites dans le faciès SB (voir figure 3, Bric Bouchet). Pic de métamorphisme : 1 GPa (40km), 400-500°C, atteint à 4550 Ma. - L’unité du Mont Viso. Roches basiques de la croûte océanique de l’océan Alpin. Pic de métamorphisme : 2,5 GPa (80km), 600°C, atteint vers 45 Ma. - L’unité de Dora Maira. Roches de UHP de la croûte continentale Européenne. Pic de métamorphisme : >3 GPa (100km), 700°C, atteint vers 30 Ma. Gradient géothermique : compris entre 4 et 8 °C/km = métamorphisme de HP-BT. Typique d’un métamorphisme de subduction (décrire subduction, invagination des isothermes, etc.). Histoire de la subduction dans les Alpes : - les + vieux témoins : 50 Ma, le prisme d’accrétion fonctionne - 40 Ma : CO enfouie jusqu’à au moins 80 km = subduction océanique - 30 Ma = fin de la subduction de l’Océan Alpin. La croûte continentale européenne entre en subduction = subduction continentale. - Ensuite : blocage et début de la collision. Questions : - comment ces roches sont-elles remontées à la surface après la subduction ? - dans les zones de subduction actives (Andes, Mariannes, Japon, Crète), voit-on ces roches de HP-BT à l’affleurement ? mécanismes d’exhumation (doc 3) Didactisation Faire construire aux élèves une partie de ce trajet P-T-t à partir des observations en lame mince sur des minéraux clé (glaucophane, jadéite, coésite). Document 2 : métamorphisme du manteau lithosphérique a – diagramme de phases de l’olivine et densité en fonction de la profondeur. b – structure des phases à une température de 1400°C. c – d – répartition des séismes dans la zone de subduction des Mariannes en carte et en coupe. Document 2 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) En général, dans ce genre de sujet, on oublie de traiter le métamorphisme du manteau lithosphérique lors de la subduction. Cependant, il existe des manifestations de ce métamorphisme. - - document 2 c – d : o expliquer la signification du plan Wadati- Benioff o séismes de surface (<300km) sont produits par les ruptures le long du plan de subduction & la déformation du slab cassant. o séismes profonds (300 – 700 km) : les roches sont ductiles = pas de rupture = pas de séismes. Or il y en a. document 2 a : o transitions de phase de l’olivine (80% du manteau) : à 400km, passage de la phase à la phase = saut de densité car la phase est + compacte. Si 80% de la roche se contracte, sismicité. o à 680 km, transition majeure : ol pérovskite + magnesiowüstite. Saut de densité conséquent o ces transitions de phase = métamorphisme sont supposées être la cause des séismes profonds. Didactisation Au niveau lycée, peut-on parler des transitions de phase dans le manteau ? Après tout, ce n’est pas plus compliqué que de parler du système and- sill – ky. Document 3 : Mécanismes d’exhumation des roches de HP-BT Document 3 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Dans la plupart des zones de subduction actives (Andes, Mariannes), on ne trouve pas de roches métamorphiques à l’affleurement. Elles se forment en profondeur, mais ne sont pas remontées jusqu’à la surface ou très peu. On trouve des SB dans la mer Egée, au dessus de la subduction de la Crète = associé à un mécanisme extensif de large échelles. exhumation des roches de HT-BP fait appel à plusieurs mécanismes Document 1 : la plupart de l’exhumation des roches de HP-BT se fait syn- subduction (avant 30 Ma dans les Alpes). Quels sont les mécanismes d’exhumation qui fonctionnent pendant la subduction ? Quels sont ceux qui sont liés à la collision alpine ? 1- fonctionnement du prisme d’accrétion a. cas des schistes lustrés du Queyras, et notamment du massif du Bric Bouchet. Les métabasites métamorphisées en faciès SB à la base du prisme sont arrachées au slab et intégrés au prisme. L’empilement sédimentaire dans le prisme par raclage fait remonter les roches de la base du prisme vers le sommet par des mouvements extensifs locaux. 2- chenal de serpentine (corner/ channel flow) syn- subduction a. le manteau situé juste au dessus du slab plongeant est hydraté = serpentines moins visqueuses. Le mouvement relatif de la lithosphère plongeante et du manteau anhydre entraîne une remontée des serpentines et des blocs de métabasaltes (éclogites) arrachés au slab, de 60 km de profondeur à la base du prisme. Le mécanisme 1 prend la relève ensuite. 3- cas de l’exhumation des roches de UHP a. cas particulier de la subduction continentale. Soit les blocs de CC éclogitisés sont remontés par le chenal de serpentine (mec 2), soit la CC légère se délamine et remonte par gravité. 4- cas de l’obduction a. on ne le traite pas ici, ce n’est pas de la subduction, les roches ne sont pas métamorphisées. 5- la mise à l’affleurement a. tous les processus décrits ci-dessus ne mettent pas les roches de HP-BT à l’affleurement. Au mieux, elles remontent au milieu du prisme d’accrétion. Il faut un mécanisme extensif de surface pour finir de mettre à l’affleurement ces roches. Peut se faire syn- subduction dans certains contextes (extension de back- arc). Dans les zones de collision, l’érosion finit le travail et met ces roches à l’affleurement. Didactisation Je ne pense pas que les mécanismes d’exhumation soient vus en lycée, mais on peut faire remarquer aux élèves qu’il est nécessaire de faire remonter les roches à la surface. Document 4 : Un exemple : île de Groix (Morbihan, France). 1- carte géologique de Groix au 1 :50000ème Secteur de l’île où sont localisées les roches de la pointe des chats. L’échantillon présenté est sélectionné dans une des deux zones entourée en rouge. Notice de la carte géologique au 1:25000, du BRGM. G désigne les glaucophanites à amphibole bleue et épidote. désigne les éclogites. 2- échantillons de roches provenant de la pointe des chats LPNA LPA... Document 4 : interprétations Interprétation scientifique (niveau Master) Localisation de l’île de Groix : dans le massif Armoricain. L’histoire tectono- métamorphique que l’on observe est ancienne = hercynien. Pointe des chats = secteur de l’île où sont localisées les roches métamorphiques formées dans les conditions de pression maximale. Elle est désignée par le terme zone I dans la notice de la carte. Carte géologique au 1:25000, du BRGM. G désigne les glaucophanites à amphibole bleue et épidote. désigne les éclogites. Les échantillons présentés montrent du glaucophane, et pas de jadéite = schistes bleus. On les a donc prélevés dans l’unité G. On peut s’aider du diagramme P-T du document 1 pour affirmer que ce faciès est HP-BT (gln = T<500°C, P~1.5 GPa). Du point de vue de la composition, les roches sont « basiques », issues de roches magmatiques ou de tufs volcaniques, remaniées et profondément transformées par les hautes pressions liées à une subduction, puis rétromorphosées jusqu’à la mise à l’affleurement. Approfondissement (issu du site Planet-terre) (http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-glaucophanitede-groix.xml) L'étude pétrologique des méta-basites et des méta-sédiments, dans lesquelles les roches de HP sont emballées, a montré des conditions de pression et de température qui correspondent respectivement à 16-18 kbar (environ 50 à 60 km de profondeur) et 450-500°C pour la partie orientale de l'île (Figure 1 : depuis l'ouest de Stanverec sur la côte nord à Locqueltas sur la côte sud), par exemple à la pointe des Chats où se trouvent les plus belles roches et la réserve naturelle. La partie occidentale de l'île montre des conditions un peu moindres avec 14-16 kbar (environ 45 à 55 km de profondeur) et 400 - 450 °C. Ces conditions correspondent au pic du métamorphisme c'est à dire aux conditions P et T enregistrées par les roches au maximum de leur enfouissement (Figure 5). Leur retour vers la surface s'est effectué sans augmentation de température (chemin isotherme) en passant par le faciès des schistes verts très bien exprimé dans les roches de l'ouest de l'île un peu moins bien à l'est (Figure 6). Toute la partie orientale de l'île permet d'observer de magnifiques schistes bleus et micaschistes dans ce même faciès sans voir (à l'exception de zones localisées) de rétromorphose en faciès schiste vert. C'est pour cela que la réserve naturelle a été créée dans ce secteur sur la côte sud. Ce n'est pas le cas dans le secteur occidental où là, le faciès schiste bleu n'est le plus souvent présent effectivement qu'à l'état de relique. Questions : - Dans quelles conditions/ contexte géodynamique ces roches ont-elles été métamorphisées ? = subduction. - Histoire enfouissement / exhumation ? (docs 1 & 3) - Roches affectées par ce métamorphisme ? (doc 2) Didactisation Document à exploiter en premier, comme document d’appel : on va sur le terrain et on observe un métamorphisme. En classe :
