Licence de Sciences de la Terre

Licence de Sciences de la Terre
LES ROCHES METAMORPHIQUES : TEMOINS DE L'EVOLUTION
THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE DANS LE TEMPS ET DANS L'ESPACE
J’insiste dans ce cours sur l’intérêt de l’étude des roches métamorphiques en tant que fossiles
de la situation thermique dans la lithosphère. La logique de l’exposé est de faire la démarche
scientifique permettant d’aboutir à un modèle thermo-mécanique d’une chaîne de montagnes.
INTRODUCTION
SITUATION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE
GENERALITES ET DEFINITIONS
LES PRINCIPALES SERIES METAMORPHIQUES
Le métamorphisme de contact
… et régionaux
MECANISMES DES TRANSFORMATIONS
METAMORPHIQUES
CONTEXTE GEODYNAMIQUE DU METAMORPHISME
TRAVAUX DIRIGES ET PRATIQUES
BIBLIOGRAPHIE
Les liens renvoient aux figures et photos.
INTRODUCTION : métamorphisme: transformations à l'état solide lorsque T, Pression
lithostatique (PL) et Pression fluide (PF) changent ; en conséquence, métamorphisme =
informations sur :
SITUATION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE : flux de chaleur, sources et
transferts de chaleur ; isothermes et géothermes ; les instabilités thermiques dans la L
(modifications thermiques au cours d'un épaississement amincissement).
Comment obtenir ces informations ? (les roches méta sont des "fossiles thermiques").
Pourquoi et Comment les roches recristallisent-elles ? Etude des paragenèses, tracés des
isogrades, des trajectoires PTt, gradient métamorphique.
GENERALITES ET DEFINITIONS :
Les Limites du Métamorphisme. Localisation et abondance des roches méta. (majorité de la
croûte (et L) ; produites dans tous les contextes géodynamiques ; à l'affleurement dans les
zones orogéniques)
Les principaux gradients métamorphiques, dans l'espace PT (différents du géotherme
moyen : témoignent donc de conditions anormales ; différentsfaciès méta.
Influence de la composition chimique ( règle des phases, représentation graphique,
Diagrammes ACF, A'KF, AFM) ; les différentes séquences.

Déstabilisation du grenat en cordiérite dans
un régime de déformation non coaxiale
Les textures (relations cristallisation-déformation ; chronologie
relative)
LES PRINCIPALES SERIES METAMORPHIQUES :
Les métamorphismes locaux (dynamo-méta. et méta. thermique) …
Le métamorphisme de contact :
Ex. de Ballachulish (l'auréole, les isogrades, les paragenèses, le tracé du grdt méta ds
l'espace PT)
Modélisation mathématique.
Métamorphisme de contact, résultat de la redistribution de la chaleur depuis les parties
profondes (par convection-libération de la chaleur latente de crist.-conduction) ; le gradient
méta. est différent du géotherme à t donné.
… et régionaux
1 - Le métamorphisme . de Hautes Pressions - Basses Températures : Ex. des Alpes
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.)
- ds la séquence basique (association caractéristique ds le faciès Schistes Bleus :
glaucophane - lawsonite (+ Chl, pheng., sphène, rutile, albite) ; dans le faciès éclogite :
omphacite - Grenat (+acc.) ; on définit 3 groupes d'éclogites).

Gradients transitionnels (de plussont bien caractérisables par les paragenèses : transition
faciès éclog. BT-HT réact. laws + Jd = Zoïsite + paragonite +H2O ; transition Faciès Schistes
Bleus - Schistes Verts ou Amphibolite, réac. laws.+ Ab = Zoï + Paragonite + H2O.)
2 - Le métamorphisme de PI : Ex. du Rouergue
Localisation ds les chaînes anciennes, mais également ds les chaînes plus récentes.
- lithologie (contrastée (pélites, métabasites, etc.) depuis le facièsSV - amph. - anatexie ;
présence de rares éclogites B, métapéridotites)
- paragenèses ds les métapélites : tracé du gradient méta (carte des isogrades, minéralogie
: Gneiss à 2 Micas, Grenat, Disthène, Staurotide, Sillimanite, anatexie = tracé du
gradient méta)
- 1 mot sur les paragenèses des métabasites (réactions continues).
3 - Le métamorphisme de BP-(HT) :
(Même localisation que précédemment)
Ex. de l'Agly (Pyrénées) (du facièsSV à l'anatexie et facièsgranulite ; minéralogie ds les
métapélites : 2 micas, andalousite, cordièrite, Sillimanite, disparition de la musc, Grenat,
anatexie = tracé du grdt ; comparaison avec les grdts du méta PI et contact : similitude avec ce
dernier, au moins jusqu'au moyennes T).
Ex. du Pilat-Velay (MCF) (surimposition d'un grdt de BP sur un grdt de PI ; contexte
structural)
Anatexie :
les migmatites, description origines, historique des expérimentations, migmatisation et
genèse des granites.
Le métamorphisme dans la croûte océanique. Quelques mots sur la
métasomatose.
MECANISMES DES TRANSFORMATIONS METAMORPHIQUES :

La règle des phases : relations nombre de phases - nbre de constituants chimiques.
Les réactions continues - discontinues sur l'exemple de Whetstone lake en Ontario :
succession de triangles AFM séparés par des réactions discontinues ; à l'intérieur des
triangles, la composition des phases changent : réactions continues.
Les différents types de réactions :
solide - solide : polymorphique, d'exsolution, interminérales entre phases pures, entre phases
solution solide.
solide - solide hydraté : importance, localisation et nature des fluides (fluides libres, notion
de pression partielle de fluide, fluides adsorbés, fluides liés) ; influence des fluides sur la
stabilité des mnx : l'effet tampon (système ouvert, syst. fermé), retour à Whetstone lake en
Ontario.
Evaluation, élaboration d'une grille pétrogénétique :
Méthodes géométriques de construction des diagrammes de phases : principe, syst. à un, puis
2 constituants.
Géothermo-barométrie.
Cinétique des réactions :
Métastabilité et Préservation des Paragenèses, l'exemple du Cap Creus ; vitesse de réaction
et complexe d'activation, les facteurs contrôlant la réalisation d'une réaction (dissolution,
migration, rassemblement sur le site de nucléation, nucléation, croissance ; vitesse de
diffusion, influence de la fluide, de la déformation) ; l'exemple de la métastabilité des
silicates d'alumine : "le dépassement de T" ; les solutions (catalyseur, assemblages
intermédiaires, nécessité d'un solvant)
CONTEXTE GEODYNAMIQUE DU METAMORPHISME :
Relations trajectoire PTt - grdt méta : en conclusion, que préserve-t-on d'une trajectoire PTt
et pourquoi ? Quelle est l'information la plus importante ? Diversité des trajets P T t.
Interprétation géodynamique du métamorphisme : le concept de ceintures doubles de
Miyashiro;
Evolution thermo-mécanique d'une chaîne : récapitulatif sur les observations des différents
grdts méta et proposition d'un modèle.
Le problème de la préservation des paragenèse de HP-BT ; variation du métamorphisme au
cours de l'histoire du globe.
La différenciation intracrustale.
Terrain : Evolution thermo-mécanique d'un contact majeur profond dans la chaîne
hercynienne : la fenêtre tectonique du Céloux (Ht Allier) (1 journée).
TRAVAUX DIRIGES ET PRATIQUES

(assurés par Valérie Bosse et Tahar Hammouda)
Travaux Dirigés : (7 séances de 3h)
Séances 1 et 2 - Représentation graphique des paragenèses métamorphiques.
Séances 3 et 4 - Analyse géométrique des relations des phases : élaboration d'une Grille
Pétrogénétique.
Séance 5 - Thermo-barométrie et Notions de Cinétique des Réactions.
Séances 6 et 7 - Modélisation de l'Evolution Thermique de la Lithosphère avec les logiciels
METAMOD et METAMORPH.
Travaux Pratiques : (5 séances de 3h) .
Séance 1 - Le métamorphisme de Moyennes Pressions - Hautes Températures : élaboration
du gradient métamorphique grâce à l'étude de lames minces de métapélites du dôme du
Levezou (Rouergue, Massif Central). Les conditions PT mises en évidence sont-elles
compatibles avec les conditions PT des reliques éclogitiques présentes dans le complexe
"leptyno amphibolitique"?
Séance 2 - Le gradient métamorphique de Hautes Pressions-Basses Températures : les
paragenèses dans les différentes lithologies.
Séance 3 - Elaboration de la trajectoire P T t d'un gabbro de la croûte océanique impliqué
dans une collision intra continentale.
Séance 4 - Métamorphisme de H T - BP et Cisaillements Ductiles (Cap Creus, Espagne) :
relation déformation et cinétique de cristallisation.On montre que les roches
métamorphiques enregistrent les conditions P-T aussi longtemps que la déformation se
poursuit dans des cisaillements tardifs.
Séance 5 - Le métamorphisme de Hautes - Températures (THT) - Basses Pressions et
exhumation tectonique (Pilat- Velay, Zone d'Ivrée, Madagascar, Thermométamorphisme).
BIBLIOGRAPHIE
Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique - 1994 - Kornprobst J.,
MASSON.
Métamorphisme - 1999 - Nicollet C., Encyclopedia Universalis. Voir l'article au format PDF.
Microtextures des Roches Magmatiques et Métamorphiques. JP Bard, MASSON.
Metamorphic Phase Equilibria and PressureTemperatureTime Paths - 1995 - Frank S. Spear,
Mineralogical Society of America MONOGRAPH