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Rhéo – logie = écoulement – théorie
La science des déformations des matériaux
Méta – morphisme = après (changement) – forme
Transformation à l’état solide d’une roche
Le cycle des roches
• Nous avons déjà vu comment une roche peut se
désagréger et s’altérer, et donner des sédiments qui
vont former des roches sédimentaires.
• Nous avons aussi vu qu’une roche peut fondre
partiellement et donner un magma, qui va cristalliser
dans un réservoir en donnant des roches plutoniques ou
s’épancher en surface en donnant des roches
volcaniques.
• Il nous reste à voir comment une roche peut se
transformer en une autre à l’état solide, c’est-à-dire sans
s’altérer et sans fondre, à cause d’un changement de sa
température ou de la pression qui s’exerce sur elle.
• Ce changement de morphologie (de forme) ou
métamorphisme donne des roches métamorphiques.
• Nous aurons ainsi fait le tour du cycle des roches, tous les
phénomènes qui permettent aux roches de naître, de vivre
et de mourir en donnant naissance à de nouvelles roches.
Le métamorphisme de contact
• Nous allons décrire quelques-unes des situations qui donnent
lieu à du métamorphisme. Le premier exemple en est un de
métamorphisme local. C’est celui qui résulte de la cuisson
des roches qui a lieu tout autour d’une intrusion de magma.
• La zone transformée forme une auréole de métamorphisme
qui enveloppe le pluton. On trouve une telle auréole autour du
mont Royal.
• On appelle protolite (proto – lite = avant – roche) la roche
originale qui a été transformée. Les protolites, dans le cas du
mont Royal, sont le calcaire de Trenton et le shale d’Utica.
• Le calcaire se transforme en marbre : au lieu d’avoir, par
exemple, des tests de calcite cimentés par de fins cristaux de
calcite, on se retrouve avec une mosaïque de cristaux de
calcite à peu près tous de la même taille et sans orientation
particulière. On dit que la roche a une texture granoblastique
(grano – blastique = grain – élément = composé de grains).
• Le marbre prend diverses couleurs selon les impuretés
présentes dans le calcaire d’origine. Son grain est toujours
moyen ou grossier. On voit donc les cristaux à l’œil nu.
Cela donne parfois au marbre l’aspect du sucre et on parle
alors de texture saccharoïde (un cas particulier de la
texture granoblastique).
Texture
granoblastique
d’un marbre
(Morin Heights)
• Le shale donne une roche à texture granoblastique au grain
fin ou invisible. On appelle cornéenne (les arêtes minces
ayant un aspect de corne) toute roche métamorphique
granoblastique à grain fin.
• Les cornéennes ont donc des compositions minéralogiques
variées, mais elles ont en commun une grande dureté
(difficiles à rayer), une grande résistance à l’altération et une
cassure conchoïdale. Elles sont exclusives au
métamorphisme de contact.
Cornéenne grise «rouillée» des intrusions
du mont Royal et du mont Saint-Bruno
Question
Ce dyke qui traverse le calcaire de Trenton le long du
boulevard Camilien-Houde, sur le mont Royal, permet
d’observer à petite échelle l’influence de l’intrusion principale.
Voyez-vous des signes de métamorphisme de contact ?
Pouvez-vous nommez le protolite et la roche métamorphique ?
Réponse : On voit une fine
bande de couleur blanche qui
borde le dyke. Le protolite, le
calcaire de Trenton, a été
transformé en marbre par la
chaleur.
Le métamorphisme d’enfouissement
• Contrairement au métamorphisme local, le métamorphisme
régional affecte les terrains sur une grande épaisseur et une
grande étendue. Le métamorphisme d’enfouissement en est
un exemple.
• Il a lieu quand un bassin de sédimentation (un creux)
s’enfonce au fil du temps et que les sédiments s’empilent sur
10 ou 20 km de haut. Un bassin s’enfonce d’abord à cause
de mouvements du couple lithosphère-asthénosphère et un
peu aussi à cause du poids des sédiments qui s’accumulent.
Bassin
sédimentaire
Enfouissement
progressif
enfoncement
• L’enfouissement progressif des sédiments à la base de la
pile provoque d’abord leur transformation en roche
cohérente (diagenèse). Ces roches vont ensuite se
métamorphiser parce qu’elles vont connaître une pression
et une température croissantes.
• En effet, la pression augmente avec la profondeur parce
que la colonne de roche à supporter est de plus en plus
haute. De même, puisque la Terre est plus chaude au
centre qu’en surface (sources de chaleur internes), la
température augmente, selon l’endroit, de 10 à 60 °C par
km de profondeur.
• Cette transformation métamorphique a lieu sans
déformation mécanique ou plissement de la roche et elle
donne, comme le métamorphisme de contact, des roches
granoblastiques.
• Le calcaire devient du marbre, la dolomie du marbre
dolomitique, le grès du quartzite, le basalte de
l’amphibolite, etc.
Le quartzite
• Le quartzite est une roche dont
le constituant principal est le
quartz. Il peut aussi contenir du
feldspath, du mica, etc.
• Il ressemble aux grès de quartz,
mais il est formé de cristaux
intimement liés (texture
granoblastique) et non de grains
cimentés les uns aux autres.
• L’enfouissement donne un
quartzite de texture massive,
sans traces de déformation
mécanique de la roche
(minéraux plats ou orientés,
ségrégation des minéraux).
Quartzite du mont Edith
Cavell (Rocheuses)
Le métamorphisme orogénique
• Le métamorphisme orogénique est le
métamorphisme régional qui résulte de
l’enfouissement des roches qui accompagne
toujours la formation d’une chaîne de montagnes.
• Les roches subissent alors une augmentation de
température et de pression, comme dans le
pression
métamorphisme d’enfouissement. De plus, elles
peuvent subir des déformations et des plissements.
• La pression pousse sur une roche dans toutes les
directions et elle la force à se contracter. Si on
ajoute en plus une compression (ou une traction), compression
qui n’agit que dans une direction, la roche va aussi
s’aplatir (ou s’étirer). Cela influence donc la façon
dont les minéraux vont se réorganiser et les
produits du métamorphisme.
Exemple d’enfouissement
et d’exhumation de roches
(celles en rose et en beige)
dans une zone de
subduction.
Alexandre Chemenda :
http://wwwgeoazur.unice.fr/PERSO/ch
emenda/
Exemple de roches métamorphiques aplaties
Un peu de rhéologie Science des déformations
• L’aplatissement (ou l’étirement) de certaines roches qui
a lieu dans le métamorphisme orogénique exige que ces
roches soient ductiles. Voyons ce que cela signifie.
• Quand on applique des forces sur une roche et qu’elle
se déforme faiblement, la déformation n’est pas
permanente et elle disparaît quand on enlève les forces.
On dit que la déformation est élastique.
• Les tremblements de terre se produisent quand un
massif rocheux déformé élastiquement casse et que les
morceaux de part et d’autre de la cassure reprennent
leur forme brutalement.
Force
Roche intacte
Déformation
élastique
Après la rupture
Question
Voyez-vous la rupture dans le sol créée par un tremblement
de terre ? Dans quel sens la roche de part et d’autre de la
rupture a-t-elle bougé ?
Réponse : Les deux hommes se trouvent sur le sommet d’un
monticule que la rupture a découpé en deux. Chacun se serait
déplacé vers la gauche de l’autre lors de la rupture.
Photo USGS :
http://quake.wr.usgs.gov/research/geology/mongolia98/previous.html
• Quand on pousse la déformation élastique trop loin, la roche
peut faire deux choses. Elle peut casser, comme dans
l’exemple du tremblement de terre. On dit d’un matériau qui
ne montre pas de déformation après avoir cassé qu’il est
fragile. Le verre et l’acier d’un couteau de chasse sont
fragiles à la température ambiante.
• Elle peut aussi commencer à se déformer de façon
permanente ou plastique. On dit d’un matériau capable de
subir une grosse déformation plastique avant de casser qu’il
est ductile. La ductilité est donc l’opposé de la fragilité. La
pâte à modeler et l’acier de structure sont ductiles à la
température ambiante.
Cette roche était
ductile quand elle a
été plissée.
Forces appliquées
Déformation
élastique
Déformation plastique
Fragile (séisme)
La transition fragile-ductile
• Les roches se comportent un peu comme le verre. Près de
la surface de la terre, elles sont froides, fragiles et rigides.
Plus elles sont en profondeur, plus elles sont chaudes,
ductiles et molles.
• Si on comprime une strate de roche relativement fragile et
rigide, la roche ne se déforme pas de façon intime, mais la
strate finit par casser ou par plier (par le jeu d’une multitude
de cassures).
• Mais, si on comprime une strate de roche ductile et molle, la
roche elle-même se déforme (par aplatissement-glissement),
et la strate ne fait que subir et montrer ces changements.
• Dans une situation donnée, cette transition d’un
comportement fragile à un comportement ductile a lieu pour
chaque type de roche à une profondeur qui lui est propre. Il
n’est donc pas rare de voir les deux comportements l’un à
côté de l’autre : roche fragile qui a cassé et roche ductile qui
s’est déformée.
Réponse fragile à une
compression : chaque strate
a conservé son épaisseur et
a plié en cassant et en
glissant sur les autres
strates.
Réponse ductile à une
compression : l’épaisseur
varie le long de chaque
strate et les strates ne sont
pas cassées.
Photo W. B. Hamilton, USGS
Question
Strate de
grès
Cette ancienne roche
sédimentaire a été
comprimée alors qu’un
type de strate était rigide
et l’autre mou. Qui est
qui ? Comment le savezvous ?
Partie d’une photo de
Pierre Thomas, site
Planet-Terre
Strate de shale
Réponse : Les strates de grès fragiles ont conservé leur
épaisseur et ont cassé. Elles ont pu fléchir parce que le shale
ductile s’est ajusté à leur forme : les strates de shale ont donc
maintenant une épaisseur variable. (Les lignes dans le shale
sont une schistosité créée par l’aplatissement – voir après.)
Roches métamorphiques feuilletées
• Le métamorphisme orogénique donne des marbres, des
quartzites, des amphibolites… et aussi des roches
métamorphiques dont la texture montre des traces
d’aplatissement (ou d’étirement) ductile. Leurs minéraux
sont en effet orientés ou séparés en bandes.
• Nous allons décrire une série de telles roches qui naissent
de la transformation des roches sédimentaires détritiques à
grain fin, les shales et les siltstones.
• Avec l’accroissement de la température et de la pression,
on obtient successivement de l’ardoise, du schiste et du
gneiss.
• Dans l’ardoise, les argiles se transforment en micas
minuscules qui se développent perpendiculairement à la
direction de la compression. Cet arrangement parallèle des
micas permet de débiter l’ardoise en plaques de surface
assez lisse, qu’on utilise pour recouvrir les toits dans
beaucoup de pays.
Ardoise
compression
Photo du U.S. Geological Survey :
http://pubs.usgs.gov/of/2002/of02-437/gallery.htm
• Dans le schiste, la transformation est poussée plus loin. Les
micas et autres minéraux en feuillets ou en baguettes
deviennent visibles à l’œil nu et donnent à la roche un aspect
de croûte de tarte feuilletée.
• Souvent, certains nouveaux minéraux sont beaucoup plus
gros que les autres, les grenats notamment, et le schiste a
une texture porphyroblastique. C’est la cousine
métamorphique de la texture porphyrique des roches ignées.
grenat
Texture
porphyroblastique
d’un schiste
mica
Schistosité
• Le feuilletage très particulier des ardoises et des schistes
se nomme schistosité de flux. La schistosité se développe
à peu près perpendiculairement à la direction de
compression et elle accompagne l’aplatissement de la
roche. La roche se comporte en effet comme la crème
d’un mille-feuille qui s’écoule (ou flue) par les côtés quand
on pèse sur la pâtisserie.
• Quand des lits d’une roche rigide s’intercalent entre des lits
ductiles qui développent une schistosité de flux, les lits
fragiles doivent accommoder le raccourcissement par flexion.
Cette flexion se fait au prix d’une multitude de fractures qui
forment parfois un réseau organisé qui donne un clivage de
fracture. Entre les fractures, la roche n’est pas transformée ;
la schistosité, elle, affecte la roche intimement.
• La schistosité de flux et le clivage de fracture créent de
nombreux chemins qu’utilise l’eau pour se déplacer dans un
Photo de Maurice Gidon, site Geol-Alp
massif rocheux.
Clivage de fracture du lit
fragile (les fractures sont
remplies de calcite blanche)
pli
Schistosité du lit ductile
Le gneiss
• Dans le gneiss, les nouveaux
minéraux formés sont gros,
comme dans un granite à grain
grossier. Parce qu’il y a une
séparation de ces minéraux, le
feuilletage prend la forme d’une
alternance de lits clairs (quartz,
feldspaths) et de lits sombres
(micas, amphiboles). On parle
dans ce cas de foliation (comme
dans unifolié, le drapeau
canadien à une feuille d’érable).
La foliation, comme la
schistosité, est perpendiculaire à
la direction de compression.
Grain grossier
Question
Dans quel direction la roche
a-t-elle été comprimée pour
fléchir ainsi ? Cela a-t-il eu
lieu en surface ? Voyez-vous
une schistosité qui
accompagne le pli ?
Réponse : Les lignes
parallèles sont le signe d’un
aplatissement de la roche
(schistosité). Ces lignes et la
forme du pli nous permettent
de trouver le sens de la
compression. La schistosité
nous dit aussi que la roche
était ductile lors du
plissement, donc située à
quelques km de profondeur.
La migmatite
• La série ardoise-schiste-gneiss s’arrête avec le gneiss parce
que la roche commence à fondre partiellement si sa
température augmente encore. On obtient alors une
migmatite (= roche mélangée).
• Une partie de la roche est formée du gneiss d’origine. L’autre
partie, toujours plus claire, est un granite issu de la fusion du
gneiss et du lent refroidissement du liquide ainsi formé.
Migmatite
Zone qui a ramolli
et qui s’est plissée
= gneiss
Zone qui a fondu,
puis cristallisé =
granite
Le métamorphisme cataclastique
• Comme dernier exemple, nous considérons le
métamorphisme local qui a lieu à la frontière entre deux
blocs rocheux qui glissent l’un contre l’autre : zone de faille
ou base d’une nappe de charriage.
• La roche coincée entre les deux blocs peut se faire
progressivement broyer, si elle est fragile. La cimentation
des débris donne alors un type de brèche qu’on nomme
roche cataclastique. Clastique signifie formé de débris et
cata devrait vous faire penser à catastrophe.
• Si elle est ductile, la roche coincée entre les deux blocs va
plutôt se transformer en mylonite. Dans ce cas, la roche ne
se casse jamais, mais ses minéraux se réorganisent et lui
permettent de se déformer. Il faut penser que cela a lieu à
chaud, avec une forte pression qui empêche la roche de se
séparer.
• Mylonite vient du mot grec pour moulin (mill en anglais),
pour rappeler son origine. C’est une roche dure qui
possède, comme le gneiss, une foliation.
Correction !
Faille normale de faible pente
Couche de roche broyée
Affleurement de mylonite. Notez la foliation.
Photo : Rocks of NW Scotland par Waters, Lamb et McAvoy :
http://www.earth.ox.ac.uk/~oesis/nws/nws-home.html