G2 Les transformations minérales du métamorphisme
Connaissances de premier ordre indispensables Capacités exigibles
1. Les associations minéralogiques indicatrices de pression et de température
Une roche de composition donnée exposée à un changement de température et/ou de pression est le siège de transformations minéralogiques à l’état solide, ou transformations métamorphiques. Ces transformations se traduisent notamment par des couronnes réactionnelles ; elles sont fréquemment associées à des déformations qui les accélèrent.
Ces transformations sont régies par les lois de la thermodynamique et de la cinétique chimique, ce qui permet de calculer les conditions (P, T) de stabilité d’un minéral ou d’un ensemble de minéraux susceptibles de réagir entre eux. Lors d’un enfouissement, l’énergie interne du système augmente avec la pression et la température ; les minéraux du protolithe sont remplacés par d’autres plus denses et d’entropie plus élevée. C’est l’inverse lors d’une exhumation. La vitesse des réactions métamorphiques est en général plus rapide lors d’un enfouissement (métamorphisme prograde) que lors d’une exhumation (métamorphisme rétrograde). Si la vitesse de remontée est telle que les réactions métamorphiques qu’elle entraîne sont incomplètes, alors les minéraux stables à grande profondeur peuvent subsister à l’état métastable aux conditions de la surface.
Les assemblages minéralogiques formés dépendent de la nature de la roche originelle (protolithe).
Les faciès métamorphiques sont des domaines de l’espace pression-température. L’association de minéraux stables dans un faciès constitue une paragenèse à l’équilibre. Savoir situer approximativement les limites des principaux facies métamorphiques permet de replacer une roche dans un domaine (P,T) assez large.
Une approche plus précise peut être réalisée en utilisant des géobaromètres et des géothermomètres qui sont constitués par des réactions univariantes du métamorphisme, des minéraux index et par la distribution de certains éléments chimiques dans les phases minérales.
Dans certaines conditions, hydratées ou anhydres, le métamorphisme peut conduire à l’anatexie crustale.
Figure G2.1 + TP G2 et G3
- Identifier à l’œil nu des roches métamorphiques
- Exploiter et relier des données permettant de faire le lien entre déformation des roches et recristallisations
- Exploiter les données de documents photographiques TPG3 Carte de Rivesaltes
analyser et exploiter les représentations cartographiques du métamorphisme ;
Figure G2.4
- Situer approximativement les limites des principaux facies métamorphiques : schistes verts, amphibolites, granulites, schistes bleus, éclogites
TPG3 + divers exemples du cours
- Utiliser une grille pétrogénétique fournie Figure G2.5
- Discuter de la pertinence du choix d’un géobaromètre ou d’un géothermomètre ;
- Exploiter des données de thermométrie et barométrie chimiques Figure G2.6
- Utiliser un solidus quartz-albite-orthose pour discuter d’une possible fusion crustale
2. Distribution spatiale des roches métamorphiques et variations temporelles des associations minéralogiques
L’étude des différentes paragenèses présentes dans une roche métamorphique et leur datation (relative ou absolue) peut permettre de reconstituer un chemin P,T = f(t). Ce chemin fait apparaître des étapes progrades et des étapes rétrogrades, respectivement caractéristiques des conditions d’enfouissement et des conditions d’exhumation. Il permet de déterminer les conditions maximales atteintes par la roche, qui constituent son pic de métamorphisme. Un chemin P,T = f(t) constitue ainsi une jauge de profondeur dans l’histoire tectonique d’une unité crustale.
La distribution spatiale des roches métamorphiques à l’échelle régionale permet d’identifier des gradients de métamorphisme, indicateurs de l’évolution dans le temps d’un gradient géothermique local. Les mêmes méthodes peuvent être transposées à plus petite échelle dans le cadre du métamorphisme de contact. Il existe trois principaux gradients d’enfouissement : le gradient « haute pression » caractérise le contexte de subduction ; les gradients de haute température ou de pression intermédiaire, sont souvent associés respectivement aux phases précoce et tardive d’une collision.
La nature des séries métamorphiques et les reconstitutions de chemins P,T = f(t) sont étroitement liées à l’histoire géodynamique des chaînes de montagne. Dans les chaînes anciennes, on retrouve la signature métamorphique des différentes étapes allant de l’ouverture océanique à la subduction puis à la collision. Dans les Alpes occidentales, on retrouve surtout la signature de l’histoire océanique de la chaîne (ouverture, subduction).
Figure G2.7
- Exploiter des données pétrogénétiques et structurales pour proposer une hypothèse en terme de chemin P,T = f(t)
TP G3 Série de l’Agly (carte de Rivesaltes)
- Exploiter la juxtaposition d’assemblages typomorphes dans une série métamorphique
Figure G2.8
- Déterminer un gradient d’enfouissement Figure G2.9-
- Relier les principaux gradients à des contextes géodynamiques TP G3 Flamanville
- Exploiter des données illustrant le cas particulier du métamorphisme de contact
Figure G2.10 et chapitre G4
- Exploiter des assemblages typomorphes et des chemins P,T= f(t) dans le cadre d’une histoire régionale et dans celui de la géodynamique globale
- Utiliser l'évolution dans le temps des associations minéralogiques pour éclairer l’exemple d’une chaîne de montagne en termes géodynamiques
Travaux pratiques. Capacités exigibles
- analyse et exploitation d’une carte géologique laissée au choix permettant l’étude d’une série métamorphique TP G2 : Rivesaltes, série de l’agly
- analyse et exploitation de données montrant l’association métamorphisme – anatexie crustale TP G2 : Burzet, Sélestat
- Identification à l’œil nu des roches métamorphiques citées dans le § VII-B G2 : gneiss, micaschistes, migmatites / G3 éclogites, marbre - exploitation de photographies de lames minces, les minéraux étant annotés Cours
- exploitation de données permettant de faire le lien entre déformation des roches et recristallisations
- utilisation d’une grille pétrogénétique fournie - exploitation de données fournies de thermométrie et de barométrie chimiques Cours figure G2.5 - exploitation de données concernant une série métamorphique pour reconstituer un gradient géothermique d’enfouissement
TP G2 : série de l’Agly
- exploitation de données pétrogénétiques et structurales pour proposer une hypothèse en terme de chemin P,T = f(t) ; exploitation de ces résultats dans le cadre d’une histoire régionale et dans celui de la géodynamique globale
TP G3 : carte du métamorphisme alpin
- utilisation de l'évolution dans le temps des associations minéralogiques pour éclairer une histoire métamorphique ?
