UE Géodynamique et matériaux - Perso-sdt

24/02/2016
UE Géodynamique et matériaux
Les roches métamorphiques: que nous disent-elles?
Semestre S2 - 2016
https://perso-sdt.univ-brest.fr/~jacdev/
Jacques DEVERCHERE
UBO-IUEM
Docs: G. Chazot et C. Nicollet
Plan
1. Introduction: Métamorphisme, définition intérêt
2. Pression, Température, degré de métamorphisme
(répartition, vérité de terrain)
3. Métamorphisme: Pourquoi, comment
(lien avec la déformation et la géodynamique – gradients métamorphiques)
4. Transformations et réactions minéralogiques
(processus isochimique – transformations polymorphiques, réactions minéralogiques:
paragenèses - exemples)
5. Principales séries métamorphiques
(faciès métamorphiques, métamorphismes locaux et régionaux: HP-BT, MP, BP-HT)
6. Intensité du métamorphisme (degrés, séquences)
7. Chronologie et datations
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1. Introduction
Métamorphisme: transformations à l'état
solide lorsque T, Pression lithostatique (PL)
et Pression fluide (PF) changent
En conséquence, métamorphisme = informations sur l’
ETAT THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE (et son histoire)
( flux de chaleur, sources et transferts de chaleur ; isothermes et géothermes ; instabilités
thermiques dans la L (modifications thermiques au cours d'un
épaississement./amincissement).
Comment obtenir ces informations ? Par l’observation des roches
affleurant à la surface de la Terre qui ont été exhumées
les roches « méta » sont des "fossiles thermiques".
Voir site de C. NICOLLET: http://christian.nicollet.free.fr/
2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme
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2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme
-> Transmission des « pressions » dans les roches: les contraintes
contrainte moyenne sm à
partir des 3 contraintes
principales :
sm = 1/3 (s1 + s2 + s3)
avec s1 > s2 > s3
Contrainte déviatorique ou
déviateur des contraintes =
s - sm
Contrainte différentielle =
s1 - s3
2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme
-> Stratification
rhéologique et niveaux
structuraux:
Supérieur
Cisaillement
Moyen
Flexion
Inférieur
Aplatissement, écoulement
Métamorphisme
M. Mattauer, Montpellier
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Exemple de
variations
des niveaux
structuraux
dans les
chaînes
- Sans schistosité:
Jura, Bétiques, …
Coupe
M. Mattauer, Montpellier
Vue en 3D
Chaîne symétrique
Zones
externes
- Avec schistosité,
épizone: Pyrénées,
Caucase, …
- Avec schistosité,
zones plus
profondes: Alpes,
Himalaya, MA …
Zones internes
M. Mattauer, Montpellier
Souvent: forte dissymétrie -> Vergences -> Conditions de formation
Limites entre niveaux structuraux très variables -> la profondeur ne joue pas seule
2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme
Répartition des isothermes dans la lithosphère
La dynamique du globe est responsable des perturbations des isothermes!
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2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme
• Déformation et
transformations
minérales sont
intimement liées, de
l’échelle
microscopique à
l’échelle du paysage
• « Vérité » de terrain:
c’est la collecte de
données sur le terrain
qui permet d’abord
d’accéder à cette
histoire des roches par
l’analyse P-T
fossilisée
3. Métamorphisme: Pourquoi, comment?
Trajet Pression - Température - temps (P - T - t) d’une roche métamorphique
gradient métamorphique
Trajectoires P-T-t des roches R
1.
épaississement et amincissement
d’une chaîne de montagne dans la
croûte continentale
2.
3.
Convergence -> Chemin prograde: mauvaise conductivité
thermique -> trajet proche de l’axe P
convergence s'interrompt: les roches se réchauffent et
commencent à remonter (le géotherme augmente et dépasse
GLs, le géotherme dans la Lithosphère stable)
Lorsque la remontée s'accentue, P et T diminuent ensemble
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3. Métamorphisme: Pourquoi, comment?
Au cours du trajet prograde (P et T augmentent), les roches modifient leur minéralogie en
franchissant des réactions de déshydratation du type : H = A + V où H est un assemblage de
minéraux hydratés, A de minéraux anhydres et V la phase vapeur (H2O).
Au cours du métamorphisme rétrograde (T et P diminuent), de telles réactions sont franchies
en sens inverse, mais la vapeur nécessaire à leurs réalisations n'est plus disponible : les
associations minéralogiques de plus hautes T persistent.
Ces associations minéralogiques
nouvelles ou « paragenèses »
matérialisent le gradient
métamorphique (tirets verts).
Les intersections entre les trajets P-T-t
et les géothermes montrent que les
roches n’atteignent pas leurs pics en
température au même moment.
3. Métamorphisme: Pourquoi, comment?
Exemples de trajectoires P-T-t
produites dans différents contextes
géodynamiques
Les portions en trait plein sont les seules susceptibles
d’être préservées par les paragenèses des roches.
GLs : géotherme moyen à l'intérieur de la Lithosphère
stable.
Le Trajet P T t d'une roche est caractéristique
du Contexte Géodynamique dans lequel cette
roche s'est formée.
1 et 2 : roches au sommet de la croûte
continentale chevauchée lors d'une collision
continent - continent et remontant à des
vitesses variables (v1>v2).
3: Roche à la base de cette même croûte.
4 : roche magmatique (basique) mise en place
et refroidissant à la base d’une croûte
continentale en extension ou sous un arc
insulaire. Un nouvel événement orogénique est
nécessaire pour ramener les roches 3 et 4 à la
surface.
5 : gabbro mis en place et refroidissant dans la
croûte océanique.
6 : épaississement accompagné d’intrusions
magmatiques.
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3. Le métamorphisme: Pourquoi, comment?
Exemples de trajectoires P-T-t produites dans
différents contextes géodynamiques
(position des roches 1, 2, 3 et 6 sur cette figure correspond au pic en pression de leurs
trajets respectifs dans le diagramme PT)
Les gradients métamorphiques
(métamorphisme régional)
Roches: témoins de conditions
variables, progressives, depuis les
faibles degrés jusque, parfois, les
conditions de l’anatexie
->évolution régulière dans le
diagramme P-T = gradient
métamorphique.
3 domaines (HP-BT, MP-HT et HTBP) = évolutions métamorphiques
régionales les plus fréquentes
A = Anatexie : limite entre le
domaine des transformations à
l'état solide du métamorphisme et
celui du magmatisme: les roches
commencent à fondre (commun dans le
cas du métamorphisme de MP - HT et BP – HT)
Aucun de ces gradients ne coïncide avec le géotherme
moyen d'une lithosphère stable (GLs). Cela signifie que
ces gradients ne se sont pas formés dans les conditions de
cette lithosphère stable: ils apparaissent dans différents
contextes géodynamiques.
Le gradient métamorphique HP-BT
indique que lorsque la pression
(c’est à dire la profondeur)
augmente, la température reste
faible. C’est l’inverse dans le cas du
gradient métamorphique de HT-BP.
Lignes noires = champs de stabilité
des 3 silicates d’alumine : disthène
(K), sillimanite (S) et andalousite
(A). Leur succession est différente
dans le cas d’un gradient de MP,
avec (K), puis (S) quand T augmente
et dans le cas d’un gradient de BP
avec (A), puis (S).
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4. Transformations et réactions minéralogiques
4A. Métamorphisme: un processus « isochimique »
Les processus
métamorphiques
peuvent être
considérés, en
première
approximation,
comme isochimiques:
ils ne modifient pas la
composition
chimique des roches
(à l’exception,
toutefois, des
fluides).
Ainsi, un banc de calcaire initialement intercalé dans des
marnes, donne, après métamorphisme, un banc de marbre (M)
intercalé dans des amphibolites (A).
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4B.Transformations polymorphiques
modifications de la structure d'un minéral sans changement de sa
composition minéralogique
Cas des silicates d'alumine
(alumino-silicates)
Disthène
Al2SiO5
Sillimanite
Andalousite
Relation entre la Composition Chimique et
la Composition Minéralogique d'une Roche
Métamorphique : la Règle des Phases de
Gibbs (relation mathématique simmple reliant
le nombre de minéraux et le nombre de
constituants chimiques de la roche)
4C. Réactions minéralogiques
Phase A + Phase B =
Phase A + Phase B =
Phase C
Phase C + Phase D
évolution métamorphique prograde: disparition, apparition de minéraux, mais nombre constant
M = nombre de phases physiquement distinctes : minéraux (et phase vapeur)
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4D. Quelques transformations minérales
NaAlSi2O6 + SiO2 = NaAlSi3O8
Jd
Qtz
Ab
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Autres exemples de nouvelles associations
de minéraux = paragénèses
MgSiO3 + CaAl2Si2O8 = CaMgSi2O6 + Al2SiO5
En
Anorthite
Diopside
Andalousite
4 (Mg,Fe)SiO3 + CaAl2Si2O8 =
Opx
Plag
(Mg,Fe)3Al2Si3O12 + Ca(Mg,Fe)Si2O6 + SiO2
Gnt
Cpx
Qtz
Autre réaction chimique
classique:
Déshydratation
Muscovite + quartz -> feldspath potassique +
andalousite + H2O
Suivi sur le terrain de 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.
+
-
KAl2Si3AlO10(OH)2 + SiO2 = KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O
Ms
Qtz
Kfs
Sill
W
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Décarbonatation
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
Cal
Qtz
Wo
5. Principales séries métamorphiques
But: regrouper des
roches avec des
paragenèses
différentes mais
soumises à des
intervalles de P et
T données,
indépendamment
de leur
composition
chimique
Les noms des
faciès
correspondent
aux noms des
roches de
composition
basaltique,
métamorphisées
dans les
intervalles PT
correspondants
Pour raisonner dans le vaste espace P-T, il faut faire des subdivisions
A. Faciès
métamorphiques
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Zéolite
Schiste
vert
Schiste
bleu
Granulite
Amphibolite
Eclogite
Différents faciès métamorphiques pour un basalte en fonction des
conditions de pression et de température.
5. Principales séries métamorphiques
B. Les métamorphismes locaux (dynamo-méta.
et méta. thermique)
• Le métamorphisme de contact : résultat de la redistribution de la
chaleur depuis les parties profondes (par convection-libération de la
chaleur latente de crist.-conduction)
• Les faciès du métamorphisme de contact (ou métamorphisme
thermique se développant à la périphérie d'un massif plutonique)
sont:
Corn AE : cornéenne à albite
et épidote, Corn Hbl :
cornéenne à hornblende,
Corn Px : cornéenne à
pyroxènes et grenat.
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5. Principales séries métamorphiques
C. Les métamorphismes régionaux
• Les faciès Schiste Bleu, Eclogite, Schiste Vert, Amphibolite et
Granulite sont des faciès du métamorphisme régional.
• 1. Le métamorphisme HP-BT
•
•
•
Localisation ( zones de convergence actives, récentes : océan-cont., cont.-cont. ;
rares ds les orogènes anciens).
Paragenèses - dans les métapélites (pas de biot., mais phengite ; minéral spécif. :
carpholite ; à HP-"HT" les faciès SB et éclogite sont relayés par le "faciès" schistes
blancs (à talc-Ky).
- dans la séquence Q-F (contrairement aux autres grdts méta.,
modification minéralogique significative avec : Jadéite, lawsonite, phengite.)
- dans la séquence basique (association caractéristique dans le faciès
Schistes Bleus : glaucophane - lawsonite (+ Chl, pheng., sphène, rutile,
albite/jadéite) ; dans le faciès éclogite : omphacite - Grenat (+acc.) ; on définit 3
groupes d'éclogites).
Exemple régional : les Alpes, du Queyras au Viso
5. Principales séries métamorphiques
C. Les métamorphismes régionaux
• 2. Le métamorphisme MP
•
•
•
Localisation dans les chaînes anciennes prétérozoïques et paléozoïques et plus rarement
dans les chaînes plus récentes et archéennes.
- lithologie variée (pélites, métabasites, etc.) depuis les faciès SV - Amph. et l'anatexie ;
présence de reliques rares d'éclogites "B" (=HT) et métapéridotites.
- paragenèses dans les métapélites et tracé du gradient méta : carte des isogrades,
minéralogie des Gneiss à 2 Micas, à Grenat, à Disthène, à Staurotide, à Sillimanite,
d'anatexie = tracé du gradient méta ; représentation des paragenèses dans un diagramme
AFM.)
- 1 mot sur les paragenèses des métabasites (réactions continues).
Exemple régional : le dôme du Lévezou en Rouergue, MCF.
• 3. Le métamorphisme de BP-(HT) :
•
•
•
Rares dans les chaînes récentes ; commun à l'archéen.
- paragenèses dans les métapélites du faciès SV à l'anatexie et faciès granulite ;
minéralogie ds les métapélites : 2 micas, andalousite, cordièrite, Sillimanite,
disparition de la musc, anatexie, orthopyroxène (charnockite d'Ansignan, Agly)
Exemples régionaux : Massif de l'Agly (Pyrénées), du Pilat-Velay (MCF)
(surimposition d'un grdt de BP sur un grdt de MP).
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6. Intensité du
métamorphisme
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6. Intensité du
métamorphisme
Séquences
métamorphiques
Exemples de caractéristiques types :
marnes et basalte
6. Intensité du métamorphisme
ensemble des roches
métamorphiques, de
degré variable, issu
d'un même type de
roche initiale
caractérisé par une
certaine composition
chimique moyenne
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6. Intensité du
métamorphisme
Séquences
métamorphiques
ensemble des roches
métamorphiques, de
degré variable, issu
d'un même type de
roche initiale
caractérisé par une
certaine composition
chimique moyenne
Minéraux en
fonction du
protolithe
(roche initiale)
et du faciès
métamorphique
7. Chronologie et datations
Paragenèse:
- antécinématique
- syncinématique
- postcinématique
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Méthodes de datation: nombreuses
Le plus souvent: utilisation de méthodes radio-isotopiques
Ex:
couple Rb (rubidium) – Sr (strontium)
Couple K (Potassium) – Ar (Argon)
Couple Ar – Ar
Traces de fission sur Apatite…
Exemple des Alpes
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Exemple des Alpes
Conclusions
• Le métamorphisme
• On définit des gradients,
témoigne d’une
des réactions chimiques (Terre « vivante »
> paragenèses), des
faciès (-> séries), une
• Transformation à
intensité (séquences), une
l’état solide
chronologie (-> datation)
dépendant du
protolithe,des
• Ceci permet une
conditions P-T et de
reconstitution de grands
la cinétique (vitesse)
processus
géodynamiques sur des
Ma
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Pour en savoir plus…
Ressources Web /ouvrages
Cours Univ. Lille:
http://cours-geosciences.univlille1.fr/cours/cours_metamorphisme/cours_metamorphisme.html
Site Web C. Nicollet:
http://christian.nicollet.free.fr/page/enseignement/licencemetam.html
Site ENS Lyon:
http://planet-terre.ens-lyon.fr/
Références bibliographiques :
Kornprobst, J. (1994) : Les roches métamorphiques et leur signification
géodynamique. Masson, 224 p.
McKenzie : Atlas des roches métamorphiques (photographies des
minéraux et roches du métamophisme)
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