Métamorphisme et roches métamorphiques

Métamorphisme et roches métamorphiques
La Terre est une planète géologiquement active. Très peu de terrains sont restés intacts
depuis leur formation. Ils subissent l'influence des phénomènes géologiques ultérieurs à leur
mise en place. Lors de cette remobilisation les roches vont être déformées, enfouies,
transformées. C'est le métamorphisme.
Le métamorphisme
Il a lieu en profondeur, dans les entrailles de la Terre. N'importe quelle roche peut être
métamorphisée. Ce peut être une roche sédimentaire, magmatique ou même une roche
métamorphique déjà existante. Selon la nature de la roche de départ on distingue :
 le para-métamorphisme : c'est une roche sédimentaire qui est métamorphisée
 l'ortho-métamorphisme : c'est une roche magmatique qui est métamorphisée
 le poly-métamorphisme : c'est une roche métamorphique qui est métamorphisée
Principe général
Plus on s'enfonce sous terre, plus la température ambiante augmente. En moyenne
l'augmentation est de 3°C tous les 100 mètres, c'est le gradient géothermique moyen. De
même la pression augmente avec la profondeur. Si à la surface une température de 1000°C
suffit à la fusion de la plupart des roches, en profondeur, cette valeur sera bien plus
importante. En effet la pression va s'opposer à la fusion.
Quand une roche s'enfonce, elle subit d'abord les phénomènes de la diagenèse puis au fur et à
mesure que la température et la pression augmente, des réarrangements ioniques viennent
perturber la structure de certains minéraux. Il y a alors métamorphisme.
Le métamorphisme correspond à l'intervalle existant entre la diagenèse des sédiments (faible
température et faible pression) et la fusion des roches (par anatexie). La transition entre
diagenèse et métamorphisme est appelé Anchimétamorphisme.
Ainsi le métamorphisme ne concerne que des roches solides. Malgré les transformations
minéralogiques et structurales que subit la roche, celle-ci reste toujours à l'état solide.
Des apports de liquide extérieur peuvent toutefois avoir lieu, entraînant la modification de la
composition chimique de la roche par métasomatose.
Les différents types de métamorphismes
On peut distinguer 3 types de métamorphismes :
 Le métamorphisme d'impact : il se forme lors de l'impact d'une météorite.
On y retrouve une forme de silice de très haute pression, la coésite, ainsi que des
phases vitreuses montrant une fusion.

Le métamorphisme de contact : Les roches sont métamorphisées au contact d'un
granite intrusif (ou discordant). C'est principalement la température qui intervient ici,
il y a peu de déformation liée à la pression. L'intrusion du magma, en poussant les
terrains déjà en place, peut toutefois induire une schistosité. Il n'y a souvent qu'un
réarrangement minéralogique sans échange avec d'autres corps que la roche originelle
(métamorphisme
isochimique).
C'est la chaleur du magma qui est responsable de la transformation des roches qui
l'entourent. La zone métamorphisée est réduite et dessine une auréole de
métamorphisme
autour
du
magma
refroidi.
Exemple : Le granite de Flamanville : on y observe des schistes sédimentaires, puis
des schistes tachetés (apparition de cordièrite), des schistes noduleux et micacés (il y a
perte de la structure orienté de la roche et apparition d'andalousite), et puis des
cornéennes (pas d'orientation préférentielle des micas et de l'andalousite) au contact du
granite.

Le métamorphisme régional : il correspond à des zones métamorphisées de plus de
10 km. On peut y observer une succession de terrains de plus en plus métamorphisés
de même qu'une schistosité de plus en plus poussée. Cela peut aboutir à un début de
fusion (Migmatite) voire même à une fusion complète de la roche (Anatectite). Le
granite obtenu est alors concordant (il n'y a pas de limite franche avec l'encaissant).
La principale cause de ce type de métamorphisme est d'origine tectonique. C'est
pourquoi les minéraux de ces roches métamorphiques sont souvent aplatis et orientés
le long des plans de foliation.
Les facteurs du métamorphisme
Les principaux sont la température et la pression, mais il en existe d'autres qu'il ne faut pas
négliger.
Température
Une augmentation de température se traduit par une perte d'eau. Cette augmentation a
plusieurs origines, elle peut avoir lieu :
 par enfouissement : l'augmentation se fait selon le gradient géothermique (3°C
/100m), mais il existe des variations selon les zones : les cratons, régions peu actives
du globe, appelées aussi boucliers, ont un gradient faible (1°C /100m), les zones
actives ont au contraire un gradient élevé (10°C /100m), de même que les zones
montagneuses fraîchement érodées où, par équilibre isostatique, le gradient
géothermique s'est élevé.

par friction : dans les zones de subduction, l'enfoncement d'une plaque froide entraîne
une chute des isothermes au niveau de la fosse océanique puis leurs remontées rapide.
L'échauffement provoque la libération d'eau par la croûte subductée.
Pour les autres phénomènes tectoniques (chevauchement, nappe, décrochement ), c'est
uniquement
les
zones
en
contact
qui
sont
affectées.
En ce qui concerne les obduction où c'est une croûte jeune et chaude qui recouvre une
croûte froide, le métamorphisme est rétrograde (l'intensité décroît avec la profondeur).

par intrusion magmatique : c'est le cas des métamorphismes de contact.
Pression
L'augmentation de pression peut avoir différentes origines :
 lithostatique : elle est due au poids des roches accumulées par subsidence
sédimentaire, par subduction ou par chevauchement et charriage. Elle entraîne une
compaction et la diagenèse. La pression lithostatique des sédiments (2,5 kilos pour
une colonne de 10 m sur 1cm2) ainsi que des phénomènes tectoniques permet
l'enfoncement des roches dans la croûte.

hydrostatique : C'est la pression des fluides (CO2, H2O). Elle intervient surtout lors
de leur libération.

pression de contrainte : Ce sont les pressions orientées par des phénomènes
tectoniques.
Facteurs chimiques
Généralement le métamorphisme est isochimique : les minéraux qui apparaissent se
forment à partir de la même composition de ceux de la roche d'origine (on ne tient pas
compte des pertes de fluides). Les roches formées de cette façon sont appelées ectinites.
En cas de métasomatose (remplacement d'éléments par d'autres), c'est le plus souvent l'eau
et le CO2 qui interviennent.
Facteurs déclenchants
Le métamorphisme n'est pas uniforme dans une roche, certaines zones peuvent ne pas le
subir (elles permettent d'ailleurs de servir de témoins). En effet les minéraux restent en
équilibre métastable tout au long du métamorphisme et seules les zones où il y a eu
déstabilisation se sont transformées. Pour des métamorphismes faibles, de basse
température, une déformation suffit à la déstabilisation, pour un métamorphisme de haute
température les roches ne sont conservées dans leur état d'origine que si il n'y a pas de
fluides.
Les roches métamorphiques
Structure des roches métamorphiques
Les roches métamorphiques subissent souvent des déformations. Ces contraintes entraînent
l'apparition de structures particulières dans la roche. On peut en distinguer 3 types qui se
succèdent avec l'intensité du métamorphisme :
 Une stratification qui est issue des phénomènes de sédimentation. Elle est
perpendiculaire aux forces en jeu (pression lithostatique). Elle concerne le débit de la
roche.

Une schistosité où la roche se débite en feuillets de même composition
minéralogique. Cette disposition apparait à partir de 5 km de profondeur. Elle peut
apparaître lors de la diagenèse (pression lithostatique) mais elle est souvent à relier
aux contraintes tectoniques. Le plus souvent la schistosité est perpendiculaire ou
oblique aux forces en jeu.

Une foliation où certains minéraux de la roches se transforment. Les nouveaux
minéraux qui apparaissent s'aplatissent et s'orientent selon la direction de la
schistosité. Ils peuvent se regrouper sous forme de lit. Le front de foliation serait
situé vers 10 Km de profondeur. (Micaschistes, gneiss).
Au cours du métamorphisme, une même roche subit des modifications minéralogiques.
Certains minéraux apparaissent, d'autres disparaissent. Or les minéraux n'apparaissent que
dans certaines conditions de températures et de pressions, ce que l'on appelle leur domaine
de stabilité. Pour éviter des erreurs d'interprétations en n'étudiant qu'un seul minéral, on a
défini des paragenèses. En fait on observe non pas un minéral, mais une association de
minéral, ou paragenèse.
Les séries métamorphiques
Au niveau du métamorphisme régional il est souvent possible de voir les différentes étapes
de transformation des roches. Ces étapes sont caractérisées par la formation de certains
minéraux dont la nature dépend de la roche de départ. Ainsi certaines roches sont
caractéristiques d'une série métamorphique (d'après Pomerol):
Roches sédimentaires
Roches ignées
Argiles ou
pélites
Grès
Calcaires
ou dolomies
Marnes
Granites
Gabbros
Phyllades
Schistes
Quartzites
Marbres
Chloritoschistes
et cipolins
Apparition
Micashistes
d'épidote
Micashistes à 2
micas
Gneiss à 2
micas
Leptynites Serpentinites
Amphibolites et
pyroxénites
Orthogneiss
Amphibolites et
pyroxénites
Leptynites à
cordiérites et
leptynites à
grenat
Classification des métamorphismes
On ne peut pas à proprement parler trouver une classification simple de roches
métamorphiques. Il s'agit plutôt de trouver ses conditions de formation.
Les isogrades
Ce sont des zones qui définissent un degré d'intensité dans le métamorphisme. Elles sont
caractérisées par l'apparition successive de certains minéraux. Par exemple dans la
succession chlorite, biotite, staurotide, disthène et sillimanite une zone où apparait la biotite
et la chlorite sera moins métamorphisée qu'une zone où apparaît aussi le staurotide.
Les zones de métamorphisme
Elles permettent d'établir une classification en fonction de l'intensité du métamorphisme
ramenée à la profondeur :
 L'anchizone : C'est la zone intermédiaire entre diagenèse et métamorphisme.
 L'épizone : Elle correspond au métamorphisme de basse pression et de température
faible (300 à 500°C). On y trouve de nombreux minéraux hydroxylés.




La mésozone : Elle caractérise un métamorphisme moyen, avec appartition de
biotite, muscovite, staurotide, amphiboles et disthène.
La catazone : Elle correspond à un métamorphisme intense. Température et pression
y sont élevées mais il y a peu de contraintes. Les minéraux que l'on y trouve sont la
sillimanite, l'andalousite, les grenats et les pyroxènes ainsi que des plagioclases.





Les faciès métamorphiques
Cette classification s'intéresse à l'ensemble des minéraux et non plus qu'aux
minéraux alumineux. Un faciès est un regroupement de minéraux possédant des
conditions de formations voisines et qui caractérisent plus ou moins la composition
de la roche.

MINERAUX
CARACTERISTIQUES
FACIES
Schistes vert
Albite, épidote
Amphibolite
Hornblende
Granulite
Pyroxène, grenat
Schistes bleus
Glaucophane, lawsonite
Eclogite
Pyroxène sodique, grenat
Ces faciès permettent de caractériser facilement une roche métamorphique et ainsi
de déterminer ses conditions de formation. Ils n'impliquent pas forcément la
présence du minéral pris en référence dans cette classification.
Les climats métamorphiques
Ils concernent la succession des étapes d'un métamorphisme. Selon son origine un
métamorphisme ne va pas évoluer de la même façon.
On peut considérer plusieurs climats métamorphiques. Ils sont définis selon :
 un métamorphisme de basse pression et haute température (Type Abukuma) :
Il est caractérisé par le passage Andalousite/Sillimanite et la fréquence de la
cordièrite. Il correspond à un gradient géothermique important (10°C /100m).
Ce climat concerne le métamorphisme de contact ou celui qui a lieu dans les zones
de friction.



un métamorphisme de pression et température moyennes (Type Barrowien) :
Il est caractérisé par le passage Disthène/Sillimanite et la fréquence du grenat. Il
correspond à un gradient géothermique normal (3°C /100m). (
Ce climat concerne le métamorphisme localisé dans les orogènes de collision.
un métamorphisme de haute pression : Caractérisé par la présence de schistes
bleus,
il
correspond
à
un
gradient
faible
(1°C
/100m).
Ce climat concerne le métamorphisme d'enfouissement, de subduction, ou
d'obduction.
Le métamorphisme peut être prograde (croissant), rétrograde (décroissant), ceci ne
concerne
que
la
même
phase
de
métamorphisme.
Le rétrométamorphisme correspond à la transformation d'une roche métamorphique (par
un métamorphisme ultérieur) dans un faciès minéral plus faible que celui de la roche de
départ.
(ex
:
une
amphibolite
donne
une
chlorite)
Si on regarde l'évolution des ophiolites alpines ont peut voir différents stades de
métamorphisme :
LES ROCHES METAMORPHIQUES
1. Définition du métamorphisme
Le 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.
2. Les conditions du métamorphisme - Les types de 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 (limites 1 et 2 du diagramme cidessous).

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 des
impacts de météorites



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
3. La nature de la roche initiale
La 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).
4. 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 nématoblastique
Texture granoblastique
Texture lépidoblastique
• 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 fluides.
• Modifications minéralogiques
Réaction minéralogique, paragénèse et assemblage
Les minéraux stables dans la roche initiale subissent des réactions chimiques qui
font apparaître de nouvelles associations de minéraux, appelées paragénèses.
Ex. : 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
(alumino-silicates)
de
formule
générale
SiAl2O5 (andalousite, disthène, sillimanite).
• L’isograde
Sur 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
1. Etablir la réaction chimique.
2. Quel est le minéral en excès.
3. Localiser l'isograde d'apparition du diopside sur la carte.
Réponse à l'exercice
• Les fluides
Dans la réaction traitée précédemment (Muscovite + quartz -> feldspath potassique +
andalousite + H2O), apparaît le constituant H2O, qui fait partie de la phase fluide
(réaction dedéshydratation). L'eau formée est un élément important dans le
métamorphisme car :



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.
5. Les faciès métamorphiques
Un 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.
6. Les gradients métamorphiques
On 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
7. Les séquences métamorphiques
On appelle séquence, l'ensemble des roches métamorphiques, de degré variable,
issu d'un même type de roche initiale caractérisé par une certaine composition
chimique moyenne. Le tableau suivant illustre les grands types de séquences :
8. quelques roches et minéraux du métamorphisme.
Amphibolite : roche verte sombre, formée essentiellement de deux minéraux la
hornblende et un plagioclase. Contient divers minéraux accéssoires. Les
amphibolites sont pour la plupart des métabasites (ortho-amphibolites), certaines
peuvent provenir de sédiments calcaires métamorphisés (ce sont alors des paraamphibolites).
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 ...
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.
Micaschiste : roche siliceuse et silicoalumineuse foliée issue de pélite argiloquartzeuse 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).
Photos de lames minces de quelques minéraux de métamorphisme.
1 Présentation
Métamorphisme : processus de modification minéralogique des roches sous l’effet d’une forte
augmentation de température et/ou de pression.
2 Définition et caractéristiques générales du métamorphisme
Le métamorphisme est un processus physico-chimique qui se produit lors d’une forte
augmentation de température (de quelques dizaines à quelques centaines de degrés Celsius)
et/ou de pression (de quelques atmosphères à quelques milliers d’atmosphères). Soumis à ces
efforts thermiques et mécaniques, les minéraux des roches se retrouvent en dehors de leur
domaine de stabilité. Leurs caractéristiques se modifient, entraînant la disparition de certains
minéraux et la création d’autres, pour former finalement une nouvelle roche : une roche
métamorphique (le grès, le gneiss, le marbre, par exemple).
Dans tous les cas, les roches métamorphisées restent à l’état solide durant le processus de
métamorphisme qui se produit sans fusion, uniquement par recristallisation (voir cristal). Le
métamorphisme se situe donc entre la diagenèse (transformation des sédiments en roche sous
faible température et pression) et la fusion des roches (on parle alors d’anatexie).
Selon le type et l’intensité (ou le degré) du métamorphisme subi, les roches métamorphiques
présentent diverses structures (ou textures) caractéristiques : la schistosité (roche en feuillets
mais avec la même composition minéralogique), la foliation (aplatissement et orientation des
minéraux recristallisés selon la direction de schistosité), le boudinage (déformation de la
roche avec apparition d’une schistosité) ou une structure œillée (recristallisation grossière de
certains minéraux, comme dans les gneiss).
Ces roches métamorphiques sont donc formées à partir de roches préexistantes, comme
l’origine du mot métamorphique le rappelle (en grec meta signifie après, et morphosis la
forme). Selon la nature de ces roches initiales, on parle de para-métamorphisme (roches
sédimentaires métamorphisées), d’ortho-métamorphisme (roches magmatiques
métamorphisées) ou de poly-métamorphisme (roches métamorphiques métamorphisées). Le
métamorphisme peut être isochimique (sans modification de la composition chimique) ou
allochimique (avec modification de la composition chimique).
3 Types de métamorphisme
L’origine de la formation des roches métamorphiques permet de distinguer plusieurs types de
métamorphisme : le métamorphisme de contact, le métamorphisme régional (ou général), le
métamorphisme d’impact (ou de choc) et le métamorphisme hydrothermal.
3.1 Métamorphisme de contact
Le métamorphisme de contact est principalement causé par une augmentation de température
(métamorphisme thermique). Ce type de métamorphisme se produit lorsqu’il y a un apport de
chaleur extérieur dû à une source magmatique, généralement l’intrusion d’un pluton
magmatique — grande masse de magma se refroidissant dans les profondeurs de la croûte
terrestre (voir intrusions magmatiques). La différence de température entre ce pluton chaud
(massif intrusif) et les roches encaissantes vont faire subir une transformation aux bordures de
ces dernières. La zone métamorphisée (appelée auréole de métamorphisme) s’étend de
quelques mètres à quelques centaines de mètres autour de l’intrusion. Une schistosité est
également perceptible.
3.2 Métamorphisme régional
Le métamorphisme régional (ou général) est dû simultanément à une augmentation de
température et de pression. Ce type de métamorphisme, lié à des phénomènes tectoniques
(création des chaînes de montagne), provient principalement des zones de subduction. La
zone métamorphisée s’étend sur des régions de plusieurs milliers de kilomètres (des massifs,
comme le Massif central) et sur de grandes profondeurs. Les roches métamorphiques sont
souvent aplaties et orientées le long des plans de foliation. De nouveaux cristaux
apparaissent : micas, grenats, andalousite, feldspaths, etc. Par exemple, les schistes se
transforment en micaschistes (micas blancs), puis en micaschistes à deux micas (blancs et
noirs), puis en micaschistes à andalousite, et enfin en gneiss. De l’anatexie (fusion partielle ou
totale des roches) peut apparaître ponctuellement.
3.3 Métamorphisme d’impact
Le métamorphisme d’impact (ou de choc) est quant à lui causé par une énorme et brutale
augmentation de pression (métamorphisme de pression). Ce type de métamorphisme, lié à des
chocs extrêmes et rares, provient généralement de la chute de corps célestes à la surface de la
Terre (impacts de météorites). La coésite, variété particulière de silice à très haute pression
que l’on retrouve dans les cratères d’impact, est caractéristique de ce type de métamorphisme.
De même, les impactites et les tectites sont des roches exceptionnelles, issues d’un
métamorphisme de choc.
3.4 Métamorphisme hydrothermal
Le métamorphisme hydrothermal apparaît lorsque des sources d’eau chaude (les geysers, par
exemple) réchauffent les roches en contact. Ce type de métamorphisme est très peu fréquent.
4 Intensité du métamorphisme
L’intensité (ou degré) du métamorphisme est caractérisée par des variations de pression et de
température, qui permettent d’identifier des « climats » métamorphiques à partir d’isogrades
(zones de même intensité repérées par des minéraux spécifiques dits minéraux marqueurs) et
des faciès métamorphiques (assemblages de minéraux).
4.1 Climats métamorphiques
La succession des étapes d’un métamorphisme permet de définir plusieurs climats
métamorphiques, caractérisés par des conditions de pression et de température identiques. Les
climats métamorphiques ne sont pas des intensités de métamorphisme car chaque climat peut
présenter tous les degrés de métamorphisme. On distingue trois principaux types de climats
métamorphiques :
– le climat métamorphique de basse pression et haute température (type Abukuma), lorsque le
gradient géothermique (augmentation naturelle de la température en fonction de la
profondeur) est très important (de l’ordre de 100 °C par km) ; ce climat, qui correspond à un
métamorphisme de contact, est caractérisé par la présence d’andalousite (climat typique de
Flamanville, en Normandie) ;
– le métamorphisme de pression et température moyennes (type Barrowien), en présence d’un
gradient géothermique normal (de l’ordre de 30 °C par km) ; ce climat, caractérisé par la
présence de grenat, correspond à une tectonique de type collision (comme dans le Massif
central, par exemple) ;
– le métamorphisme de haute pression et basse température (type Franciscain), caractérisé par
un gradient géothermique très faible (de l’ordre de 10 °C par km) ; ce climat correspond à une
tectonique de type subduction (comme dans les Alpes, par exemple) ; il est marqué par la
présence de schistes bleus.
4.2 Faciès métamorphiques
La notion de faciès métamorphique a été proposée par le géologue finnois Pentii Eskola en
1915. Un faciès métamorphique correspond à un assemblage de minéraux. Ces minéraux
caractérisent des conditions physico-chimiques identiques lors de la formation des roches. Cet
assemblage est indépendant de la composition chimique des roches. Les minéraux présents
dans les roches sont donc des minéraux marqueurs des conditions initiales de pression et de
température. Ainsi, chacun des faciès correspond à un domaine de pression et de température.
Par exemple, l’andalousite caractérise une basse pression, tandis que les grenats caractérisent
de hautes températures et pressions.
L’observation des minéraux de chaque faciès, notamment sur le terrain, fournit une méthode
simple et précise pour l’étude du métamorphisme, et plus précisément pour déterminer les
caractéristiques de la formation des roches métamorphiques. Ainsi, la connaissance des
minéraux métamorphiques permet de connaître les conditions de pression et température de la
formation des roches.
Les noms des faciès correspondent aux noms des roches de composition basaltique,
métamorphisées dans les conditions de température et de pression propres du faciès. Les
7 principaux faciès minéraux sont :
– le faciès à zéolites (analcime, heulandite, laumontite), caractéristique de faibles
températures et pressions ;
– le faciès des cornéennes (pyroxène, absence de grenat), qui correspond à de très faibles
pressions mais de fortes températures ; ce faciès est associé à un métamorphisme de contact ;
– le faciès des schistes verts (épidote, chlorite, actinote), caractéristique de faibles pressions
(100-900 MPa) et de températures moyennes (200-500 °C) ;
– le faciès des schistes bleus (glaucophane, épidote, actinote), caractéristique de pressions
moyennes (600-1 400 MPa) et de températures moyennes (200-500 °C) ;
– le faciès des amphibolites (plagioclase, hornblende), pour des pressions moyennes (2001 300 MPa) et des températures moyennes (400-800 °C) ;
– le faciès des éclogites (omphacite, grenat, jadéite, coésite), correspondant à de très hautes
pressions (de 900 à plus de 2 200 MPa) — autrement dit à de très grandes profondeurs — et à
des températures moyennes (300-1 200 °C) ;
– le faciès des granulites (pyroxène, grenat), caractéristique de très hautes températures
(supérieures à 700 °C) et de pressions moyennes (200-1 800 MPa).