Le métamorphisme et les roches métamorphiques

Le métamorphisme et les roches
métamorphiques
Module : L1 Planète Terre
2015/2016
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Roches endogènes
roches magmatiques
roches métamorphiques
formées à l ’état solide à partir
d ’une autre roche, magmatique
ou sédimentaire (= roche
originelle = protolithe)
origine magmatique
(orthodérivée)
origine sédimentaire
(paradérivée)
(températures trop faibles
==> fusion )
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Facteurs du métamorphisme :
-Élévation de température, en fonction de la profondeur ou en
liaison avec une chambre magmatique (va dépendre de la
proximité de l’intrusion, de la température du magma, du volume
de l’intrusion)
-Élévation de pression : pression lithostatique (isotrope), +
contraintes tectoniques (pressions orientées)
-Présence de fluides: accélèrent les réactions des transformations
minérales, abaissent la température de début de fusion du
matériau.
-Force chimique (gradient de concentration) qui contrôle la
diffusion des éléments chimiques.
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Mécanismes du métamorphisme :
Roche préexistante portée dans des conditions différentes de
celles de son milieu de formation
Ensemble des modifications de la:
- composition minéralogique,
- texture (ou microstructure)
opérées à l’état solide
Réactions minérales (déshydratation , décarbonatation) ,
4
recristallisation (dissolution, nucléation, croissance cristalline)
Les différentes catégories de métamorphisme
Métamorphisme
d’impact
Métamorphisme
Régional (MP, HT) Métamorphisme régional (HP, BT)
Métamorphisme
de contact
Depth,
km
0
Oceanic
crust
35
Oceanic
lithosphere
75
Métamorphisme
sous-marin (BP, BT)
Diagenèse)
5
Notion de faciès métamorphiques –
lien avec le gradient géothermique
diagenèse
Le domaine du
métamorphisme est borné
par 2 limites:
- BT: diagenèse
- HT: fusion
Faciès : Ensemble de
roches de compositions
chimiques les plus variées
qui se sont formées de
façon stable durant le
métamorphisme sous des
conditions physicochimiques données.
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Nous allons en examiner deux grandes catégories
- Le métamorphisme thermique (« de contact »):
– recristallisation au contact d’ intrusions
– pas d'orientation des minéraux de la roche (pas de
contraintes orientées)
- Le métamorphisme dynamo-thermique (« général »,
« régional »)
– recristallisation sous contraintes (zones actives de la
tectonique des plaques, orogènes = chaînes de
montagnes )
– orientation des minéraux (schistosité/ foliation,
linéations )
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Les métamorphismes régionaux
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Les métamorphismes régionaux MP-HT et HP-BT
Subduction: HP-BT
collision: MP-HT
Dans les 2 types de métamorphisme
régional, les roches acquièrent une texture
anisotrope sous l’effet de pressions ellesmêmes anisotropes (contraintes).
Pression (contrainte): kilobar (kb) ou 100
mégapascal (MPa)
Les structures des roches des métamorphismes régionaux
± DT ± DP
roche originelle
± contraintes
tectoniques
roche métamorphique
contraintes tectoniques : anisotropes
minéraux orientés lors de leur cristallisation
Ellipsoïde des contraintes
s1
s3
s
3
s3
ss
1
1
structure orientée
Ellipsoïde des déformations
s1
Déviateur de contrainte: s1 – s3
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Schistosité et foliation
SCHISTOSITÉ
!
FOLIATION
aspects de la
roche selon la
section observée
ex : gneiss
niveau micacé
niveau quartzo-feldspathique
± litage minéralogique
= niveaux de composition minéralogique 
Schistosité
cisaillement pur (aplatissement) et
cisaillement simple
Foliation
orientation préférentielle
des minéraux dans un plan
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/schisto-cisaillt.xml
11
Les linéations
linéations
1) intersection
2) minérale
3) étirement
LINÉATION MINÉRALE
orientation préférentielle des
minéraux selon une direction
axe de pli
linéation de
micropli =
gauffrage
Les plis intrafoliaires
Les charnières des plis intrafoliaux
sont orthogonales suivant qu’ils sont
formés en régime de compression
ou non.
plis en fourreau
Croissance cristalline sous contrainte
Le porphyroblaste (grande taille) tourne sur
lui-même pendant sa croissance sous l’effet
du cisaillement.
La rotation est matérialisée
par les inclusions que le
porphyroblaste renferme.
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Le métamorphisme de contact
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Au contact d’une intrusion magmatique
Elévation de la température (P constante):
Diffusion de la chaleur (conduction)
M
N
100
0
300
500
T°C
Croûte
N
100°C
10
10
300°C
500°C
20
km
20
10 km
M
Prof
16
Organisation d’une auréole de contact
Effacement des
structures anisotropes
Auréole de contact: Métamorphisme proportionnel à la masse magmatique
et à sa température. Phénomène local.
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Influence de la composition chimique du protolithe
Diffusion chimique
Réactions minérales
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Les principaux facies du métamorphisme de contact
Faciès des cornéennes
Roches compactes, dures, non
orientées (roche granoblastique)
Facies des schistes tachetés
s’observent dans la zone plus externe où les
minéraux du métamorphisme se superposent
à l’ancienne stratification ou à une schistosité
liée à un métamorphisme régional.
Cornéenne à cordiérite
19
Croissance cristalline dans une microstructure granoblastique
20
Les roches métamorphiques
21
Notion de séquence métamorphique
La constitution minéralogique dépend en grande partie de la
composition chimique originelle.
Une roche constituée initialement par un grès siliceux pur ne
peut donner autre chose qu’une recristallisation du quartz
en l’absence d’apport extérieur.
Chaque roche sédimentaire produit donc une suite de
transformations en fonction de l’intensité du
métamorphisme.
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Le groupe silico-alumineux: schistes
Les roches foliées :
Les ardoises : roches à grains fins et homogènes possédant une schistosité très marquée et
régulière du fait de la grande homogénéité du matériel et de l’absence d’une autre schistosité
fortement sécante sur la première. Suppose une histoire tectonique simple (roches peu
transformées). Equivalent d’un schiste de métamorphisme faible.
Les phyllades : « schiste à grains fins », roches surmicacées donc très « soyeuses » avec
schistosité. Terme ambigu.
Les schistes : roches ayant acquis une schistosité sous l’influence de contraintes
tectoniques. Les schistes sont caractérisés par un débit ± facile en feuillets (plans de 1 à 10 mm).
Les recristallisations sont plus nettes ;
- séricitoschiste : teinte grise, surface nacrée, riche en séricite,
- micaschiste : micas très abondants (muscovite ou biotite). Métamorphisme faible à
moyen.
Ces schistes proviennent de la transformation de roches sédimentaires, elles dérivent
d’argiles et de pélites (roches sédimentaires à grains fins).
Cas particuliers des schistes tachetés : roche du métamorphisme de contact. Roche présentant une
schistosité ± apparente avec des minéraux formant des nodules ou des taches. Par rapport aux cornéennes,
l’effet thermique est moindre.
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Le groupe silico-alumineux: micaschistes
Recristallisation permanente: transformations minéralogiques & structurales;
croissance des cristaux
r. faiblement
r. moyennement
r. Sédimentaire
métamorphique
métamorphique
protolithe
schiste vert
micaschiste
pélite / argilite
qz
P
T
P
T
qz
1 mm
argiles
Al (K, Na)
FeMg
séricite
chlorite
muscovite
biotite
staurotide
réactions minéralogiques (isochimie)
P atm
T ~ 20 °C
litage sédimentaire
P ~ 1,5 kbar (prof ~ 5 km)
T ~ 250 - 450 °C
schistosité
(Si, Al, Fe, Mg)
P ~ 5 kbar (prof ~ 15 km)
T ~ 500 - 650 °C
schistosité
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Le groupe silico-alumineux: gneiss
Les gneiss : roches foliées à grains milli ou centimétriques,
présentant une meilleure cohérence que les schistes. Roches riches
en feldspaths (le quartz est commun mais pas obligatoire). On
distingue :
- les gneiss oeillés (terme désuet) à lentilles feldspathiques ou
quartzo-feldspathiques (clastes)
- le gneiss rubané : à lits quartzo-feldspathiques ou feldspathiques
alternant avec des lits riches en micas.
Ces roches résultent d’un métamorphisme moyen à fort.
La stabilité des tectosilicates (quartz, feldspaths) dans un
domaine très vaste de température et pression explique la
répartition très large de ces minéraux. La nature des autres minéraux
(micas, amphiboles, pyroxènes...) traduit la composition de la roche
initiale et les conditions physiques rencontrées.
Les leptynites sont un type particulier de gneiss dont la
composition ne permet pas le développement d’une grande
proportion de micas.
Les granulites : roches résultant d’un métamorphisme
fort. Ce sont des roches à grains fins. Quartz et feldspaths sont
dominants. Parfois hypersthène ou grenat sont présents.
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orthogneiss et paragneiss
r. magmatique
granite
orthogneiss
r. métamorphique
gneiss
structure orientée = foliation
(contraintes tectoniques
structure équante
(macrocristalline)
feldspath
(alc. + plagio)
biotite
quartz
f. alcalin
quartz
plagioclase
1 mm
biotite
(orientée
)
mêmes espèces minérales que dans le granite: micas, feldspaths, quartz
mais soit héritées et très déformées (clastes) soit recristallisées (blastes)
paragneiss
Sédiment → gneiss: formation de feldspaths
par réaction minérale de la muscovite.
Formation de sillimanite
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Le groupe silico-alumineux: migmatites
Fusion commençante: poches blanches de magma
cristallisant en quartz + feldspaths (leucosome).
Les biotites ne fondent pas. Elles s’accumulent
autour des poches (mélanosome),
Les poches de fusion finissent par
s’anastomoser formant des rubans
continus,
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Le groupe ferro-magnésien: chloritoschistes, amphibolites, éclogites
Epidote-quartz
A l’origine : sédiments marneux « impurs »
riches en Ca, Al, Fe, Mg ou roches ignées basiques
(basaltes).
On retrouve les cornéennes, les schistes
(chloritoschistes : roches verdâtres, riches en
chlorite avec fréquemment amphiboles et épidote,
talcschistes …).
Les amphibolites : équivalent des gneiss
(métamorphisme moyen à fort). Roches massives,
vert sombre, denses. Leur débit est en blocs.
Amphiboles (Hn) et plagioclases sont dominants (+
quartz, + grenat).
Les éclogites : Ne peuvent dériver que
d’une composition basaltique. Roches de
métamorphisme élevé à cristaux de grenats roses
et de pyroxènes verts bien visibles à l’oeil nu.
amphibolite
éclogite
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Le groupe carbonaté: marbres, calcaires métamorphiques
calcite bioclastique 
calcite recristallisée
Calcaire  Marbre
Anisotropie planaire
absente ou difficile a
voir (texture
granoblastique).
Roches issues de roches carbonatées. (Origine sédimentaire des formations
dans lesquelles elles sont interstratifiées).
Les marbres : carbonates recristallisés ± autres minéraux Mg (forstérite,
phlogopite, trémolite, actinote, talc). Grain variable. Roches tendres (rayables
par l’acier).
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Le groupe siliceux: grès quartzeux, quartzite
Grains de quartz  quartz recristallisé
Anisotropie planaire absente ou difficile a voir. Métamorphisme régional ou de contact.
30
Les textures (microstructures)
des roches métamorphiques
31
Les textures des roches métamorphiques
Classification basée sur deux facteurs : la taille relative des
cristaux et la forme des grains.
Quand l’essentiel des minéraux sont en grains (quartz, feldspaths,
carbonates) : texture granoblastique, isogranulaire ou
hétérogranulaire.
Quand la proportion de minéraux en feuillets (type micas) est
importante : texture lépidoblastique (schistes).
Quand les minéraux dominants sont en baguettes ou en prismes
(amphiboles, pyroxènes) : texture nématoblastique (amphibolites).
Si la roche est riche en porphyroblastes (cristaux de grande dimension
qui renferment généralement des inclusions assez nombreuses et qui ont
cristallisés dans une roche solide) : texture porphyroblastique.
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calcaire métamorphique
texture granoblastique, hétérogranulaire
33
Chloritoschiste/sericitoschiste
texture lépidoblastique
34
amphibolite
texture nématoblastique
35
Micaschiste à grenats
Souvent, association de plusieurs types
de minéraux
 termes composés
- texture grano-lépidoblastique
- texture grano-nématoblastique
- texture grano-porphyroblastique
texture lépido-porphyroblastique
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Mylonites
Texture lié à une déformation ductile : texture mylonitique. Les minéraux sont déformés
(extinctions onduleuses), fissurés, fracturés. Entre les éléments de grande taille, pâte plus
fine correspondant à un écrasement plus marqué de la roche
Passchier and Trouw (1996) Microtectonics.
Springer-Verlag. Berlin
Augmentation
de l ’épaisseur
de la zone
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Texture mylonitique
claste
Quartz en ruban
Ultra-mylonite
38
Les minéraux des roches
métamorphiques
39
Les minéraux des roches métamorphiques silico-alumineuses
ceux des roches magmatiques:
- Quartz
- Feldspaths alcalins
- Plagioclases
- Micas (muscovite, biotite)
minéraux spécifiques, dont :
- phyllosilicates
chlorite, phengite (séricite)
- silicates d ’alumine FeMg
staurotide, grenat,
cordiérite, chloritoïde…
- silicates d ’alumine purs
andalousite, sillimanite,
disthène
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Les polymorphes SiAl2O5: andalousite
L’andalousite. Ce minéral
quand il est automorphe présente
des sections perpendiculaires à
l’allongement qui sont presque
toujours carrées. Il peut
renfermer des inclusions
charbonneuses dans la variété
chiastolite.
Altération : facile en produits
micacés.
Conditions de formation :
faible pression
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Les polymorphes SiAl2O5: sillimanite
La sillimanite Al2SiO5
Forme des plages allongées
gris-nacré sur les échantillons. Prismes,
baguettes, aiguilles, fibres .
Conditions de formation : minéral de
haute température. Surtout dans les gneiss
et micaschistes. Souvent associé à la
cordiérite et au grenat. Rarement dans le
métamorphisme de contact.
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Les polymorphes SiAl2O5: disthène
Le disthène : Cristaux prismatiques, bleutés très caractéristiques macroscopiquement.
Altération : parfois en produits micacés.
Conditions de formation : forte pression. Minéral typique du métamorphisme régional
des roches pélitiques : micaschiste, gneiss.
43
Les polymorphes SiAl2O5: le diagramme de phases
44
Les grenats
Les grenats (cubiques) (SiO4)3(M3+2M2+3)
Sections ± arrondies. Brun à brun rouge
Translucide, éclat gras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les
roches
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La staurotide
La staurotide (Fe, Mg)2Al9Si4O22(O,OH)2
Cristaux allongés: prismes à base sub-hexagonale. Brun à brun rouge. Translucide, éclat
gras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les roches. Mâcle en croix
fréquente.
Altération : parfois en produits micacés.
Conditions de formation : forte pression et en dessus de 550°C. Minéral se rencontrant
dans les micaschistes, gneiss.
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Les phyllosilicates
Phengites (séricite) (>250°C)
Muscovite/biotite (>520°C).
Paillettes à éclat vitreux
- Muscovite [Si3 Al] O10 Al2 (OH)2 K
- Biotite [Si3 Al] O10 (Fe,Mg)3 (OH)2 K
Chlorite (> 250°C):
Paillettes, couleur verdâtre de la roche
[Si3Al] O10 (Fe, Mg, Al)6 (OH)8
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Ce que vous devez faire en travaux pratiques:
1 – vos observations
-Minéraux
minéraux hérités recristallisés: restés stables dans les
nouvelles conditions T et P.
minéraux néoformés: formés à partir des constituants
chimiques des minéraux n'ayant pas résisté à l'augmentation P et T.
- Structure/Texture
- Nom de la roche
- Type de métamorphisme
- Degré de métamorphisme (conditions P et T enregistrées)
- Protolithe
- Dessin indiquant le plan d’aplatissement et la direction
d’allongement quand elle est visible
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Ce que vous devez faire en travaux pratiques:
2 – les échantillons à observer
1) des roches métamorphiques « sub-monominérales »
Quartzites, marbres, amphibolites
2) des roches silico-alumineuses du métamorphisme thermique
(de contact)
Cornéennes
3) des roches métamorphiques de la séquence basique :
Chloritoschistes, Amphibolites
4) des roches de la séquence Si-Al (mét. régional)
• Paradérivée: Schistes ardoisiers, Séricito-chloritoschistes,,
Micaschistes à minéraux, Gneiss
• Orthodérivée Gneiss
5) des roches silico-alumineuses provenant de l'anatexie
. Gneiss migmatiques
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