CHAPITRE LES ROCHES METAMORPHIQUES

CHAPITRE IV
LES ROCHES METAMORPHIQUES
A. GENERALITES
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
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. Le
métamorphisme se situe donc entre la diagenèse (transformation des sédiments en roche sous
faible température et pression) et la fusion des roches ou anatexie.
Selon la nature des 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).
B. LES FACTEURS DU METAMORPHISME
1. La température et le gradient géothermique
La température augmente avec la profondeur et/ou la mise en plce de roches magmatiques.
Cet accroissement de la température se fait selon un grdient géothermique qui varie en
fonction des zones :
-
Près de la surface, sa valeur moyenne est de l’ordre de 1°C/33 mètres ou 30 °C/Km ;
Il varie en fonction de la zone orogénique et de la proximité des corps magmatiques ;
Il est faible dans les zones de subduction (10°C/Km et moins) et fort lors de l’activité
magmatique (100 °C/Km et plus).
Le gradient géothermique est mesuré dans les puits naturels ou artificiels ou alors évalué en
surface par la mesure du flux thermique. Ce flux représente la quantité de chaleur traversant
une surface donnée en un temps donné. Il s’exprime en µcal/cm²/s ou unité de flux thermique
(UFT) ou en watts/m²/s.
La limite inférieure correspondant au métamorphisme peut être fixée vers 200-230 °C. Les
premiers minéraux qui apparaissent sont souvent mal cristallisés (chlorites, zéolihtes) et sont
de petite taille peu ou pas étudiables au microscope : c’est pourquoi cette limite ne peut être
fixée de façon nette.
La limite supérieure correspond à la température de fusion des principaux types de magmas
peut être située vers :
-
500 à 800 °C pour les magmas granitiques en présence d’eau ;
100 à 1500 °C pour les magmas basaltiques (pauvres en silice) ;
2. La pression : la pression lithostatique, l’enfouissement et les contraintes latérales
Elle est fonction de la densité des roches, de la profondeur (pression lithostatique) et peut en
outre être augmentée du fait des contraintes (pressions orientées).
On peut en première approximation, considérer qu’il existe :
- pour de vastes domaines de l’écorce continentale, un état de contrainte non orientée de type
hydrostatique. La pression est alors déterminée pour une profondeur donnée par le poids de
la colonne des roches sus-jacentes.
Exemple : Pour une densité moyenne de l’écorce continentale de 2.7, la pression lithostatique
atteint 270 bars à 1 Km (1000 m d’eau = 100 bars et 2.7 fois 100 = 270).
- Lorsque les roches sont rigides, il existe des contraintes orientées qui se traduisent par des
ruptures ou des déformations plastiques (fig.).
Fig. :
Cela permet dans ces conditions, pour une température donnée, la cristallisation de certains
minéraux, et très souvent, leur orientation selon des plans définis, d’où l’aspect particulier
feuilleté des roches métamorphiques cristallophyliennes.
C. LA TEXTURE DES ROCHES METAMORPHIQUES
Selon le type et l’intensité ou 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).
I. La schistosité
Elle correspond à un feuilletage plus ou moins serré présenté par certaines roches, acquis
sous l’influence de contraintes tectoniques, distinct de la stratification, et selon lequel elles se
débitent en lames plus ou moins épaisses et régulières.
La schistosité se développe d’autant mieux que le grain de la roche est plus fin.
Si une déformation se produit dans des conditions ne permettant pas la cristallisation ou la
recristallisation des minéraux, les roches acquièrent une nouvelle schistosité. Si cette
dernière est oblique sur une surface existant auparavant, une linéation d’intersection
apparaît (fig.).
Les minéraux déformés par un pli sont antérieurs à ce pli. Ceux qui se superposent à une
déformation lui sont postérieurs (fig.).
Il est ainsi possible de reconstituer l’histoire d’une roche ou d’une formation et de replacer
les épisodes métamorphiques par rapport aux épisodes tectoniques.
II. La foliation
La foliation est une structure visible dans certaines roches métamorphiques où, à la
schistosité, s’ajoute une différenciation pétrographique entre des lits formant ainsi des
feuillets, d’où en section un aspect rubané.
D. LES CONDITIONS PHYSIQUES DU METAMORPHISME
En ce qui concerne donc le métamorphisme, on note qu’aux variations de la température et
de la pression avec la profondeur, peuvent aussi s’ajouter des variations horizontales dues
aux changements régionaux du gradient géothermique et des pressions. Il en résulte une
grande variété de climats métamorphiques caractérisés par :
-
Une apparition ou une disparition de certains minéraux selon la composition
chimique des roches ;
Des associations spécifiques de minéraux ou faciès minéraux.
Les principales distinctions peuvent être faites soit selon les isogrades et les zones du
métamorphisme soit selon les faciès minéraux.
I. Selon les isogrades et les zones du métamorphisme
Une zone correspond à un volume de terrain présentant un certain degré de métamorphisme.
Sur une carte, les limites de ces zones sont des isogrades ou courbes d’égale intensité de
transformation que l’on nomme en général, d’après un minéral.
Exemple : l’isograde « chlorite – » correspond à la disparition de la chlorite au passage dans
une zone de plus fort degré. L’isograde « biotite+ » correspond à l’apparition de la biotite.
II. Selon les faciès minéraux
Un faciès minéral est défini par l’association de certains minéraux ou paragenèse
caractérisant le chimisme d’une roche et le degré de métamorphisme qu’elle a subi.
L’étude expérimentale a permis de délimiter plus ou moins bien les champs de température et
de pression où un minéral est stable, et de déterminer, lorsque la température et/ou la
pression varient, les réactions chimiques, avec apparition de nouveaux minéraux.
Les travaux du Finlandais P. Eskola ont permis de classer les principaux faciès minéraux,
souvent divisés en sous faciès, sur lesquels on s’accorde actuellement. Ce système de
classification est plus général en ce sens que les facteurs P et T sont nettement individualisés
et ne sont pas systématiquement liés à la profondeur. On regroupe dans un même faciès les
roches, quelque soit leur composition, qui ont subi le métamorphisme dans des conditions
physiques voisines.
Ainsi, une roche appartiendra au « faciès des amphibolites » si ses minéraux indiquent les
pressions et les températures de ce faciès, alors même que, pour des raisons de chimisme, elle
ne contient pas d’amphibole.
On passe ainsi de la notion de faciès métamorphique à celle de faciès minéral.
E. LES GRANDS TYPES DE METAMORPHISME
Deux grands types de métamorphisme produisent la majorité des roches métamorphiques : le
métamorphisme de contact et le métamorphisme régional. Un troisième type dit
métamorphisme de choc ou dynamométamorphisme est plus restreint.
1. Le métamorphisme de contact
Le métamorphisme de contact est celui qui se produit dans la roche encaissante au contact
d'intrusifs. Lorsque le magma encore très chaud est introduit dans une séquence de roches
froides, il y a transfert de chaleur et cuisson de la roche encaissante aux bordures.
Les minéraux de cette roche sont transformés par la chaleur et on obtient une roche
métamorphique. On appelle cette bordure transformée, une auréole métamorphique.
2. Le métamorphisme général ou régional
Le métamorphisme régional est celui qui affecte de grandes régions. Il est à la fois contrôlé
par des augmentations importantes de pression et de température. C'est le métamorphisme
des racines de chaînes de montagnes. Le métamorphisme régional produit trois grandes
transformations: une déformation souvent très poussée de la roche, le développement de
minéraux dits métamorphiques et le développement de la foliation métamorphique. Dans ce
dernier cas, les cristaux ou les particules d'une roche ignée ou sédimentaire seront applatis,
étirés par la pression sous des températures élevées et viendront s'aligner dans des plans de
foliations; c'est la foliation métamorphique caractéristique de ce type de métamorphisme.
3. Le métamorphisme de choc
Le métamorphisme de choc est celui produit par la chute d'une météorite à la surface de la
planète. Le choc engendre des températures et des pressions énormément élevées qui
transforment les minéraux de la roche choquées, des températures et des pressions qui sont
bien au-delà de celles atteintes dans le métamorphisme régional.
F. LA CLASSIFICATION DES ROCHES METAORPHIQUES
- Les schistes et les micaschistes
. Le schiste métamorphique est une roche sédimentaire provenant d'une argile qui, sous
l'action de la pression et de la température, a acquis un débit régulier en plans parallèles que
l'on appelle plans de schistosité.
Parmi les schistes notables, l'ardoise, très plane et de schistosité marquée, se débite en
fines dalles servant à la couverture des toitures.
. Un micaschiste est une roche métamorphique à forte transformation constituée
principalement de minéraux en feuillets, ou phyllosilicates tels que des micas, de la chlorite
ou du talc. Généralement, les micaschistes contiennent aussi du quartz ou des feldspaths ainsi
que des minéraux accessoires tels que des amphiboles (hornblende, glaucophane par
exemple) ou des grenats. On parle alors de micaschistes à amphiboles ou de micaschistes à
grenats.
Comme les schistes, moins métamorphiques, les micaschistes sont caractérisés par un
feuilletage (schistosité ou foliation selon le degré de métamorphisme) très marqué résultant
des déformations ductiles tectoniques de la roche.
La plupart des micaschistes viennent du métamorphisme de roches sédimentaires
pélitiques telles que des argiles.
L'augmentation des conditions de pression et de température sur les micaschistes
entraîne l'apparition de gneiss. Les minéraux du gneiss sont plus gros et ont donc mieux
cristallisé. Cela est dû en partie à l'énergie, plus importante, qui leur était disponible.
- Les cipolins
De l'italien cipolla (oignon), un cipolin est une roche métamorphique calcaire composée
de petites veines de serpentine d'où un débit en pelure.
- Les gneiss
Le gneiss est une roche métamorphique contenant du quartz, du mica, des plagioclases et
parfois du feldspath, tous suffisamment gros pour être identifiés à l'œil nu.
La foliation, toujours présente, est parfois marquée par l'alternance de petits lits clairs et
de fins niveaux plus sombres (on parle alors de litage métamorphique).
Les lits clairs sont constitués principalement de quartz, de plagioclases et de feldspath.
Ils ont une structure granoblastique. Les lits sombres sont micacés avec la présence
éventuelle d'amphiboles. Ils ont une structure lépidoblastique.
Cette structure en feuillets ou lits est généralement due à une déformation ductile qui
s'est produite en même temps que le métamorphisme. Les plans ainsi définis sont appelés
foliation, et correspondent au plan d'aplatissement de la roche. Celle-ci a souvent été étirée
en même temps qu'aplatie (un peu comme un métal dans un laminoir). On observe alors une
linéation d'étirement, marquée par l'allongement des minéraux, sur les plans de foliation.
Un gneiss œillé est un gneiss dans lequel des phénocristaux de feldspath sont conservés
ou ont recristallisé. C'est souvent le signe qu'il s'agit d'un orthogneiss.
On trouve généralement des gneiss dans les parties profondes, érodées, des chaînes de
montagnes.
Fig : Un gneiss oeillé
Fig : Un gneiss rubané
Le tableau qui suit présente les types de roches les plus courants en fonction du degré de
métamorphisme.