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)

(températures trop faibles==> fusion )

origine magmatique(orthodérivée)

origine sédimentaire(paradérivée)

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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. 3

Ensemble des modifications de la:

- composition minéralogique,

- texture (ou microstructure)

opérées à l’état solide

Mécanismes du métamorphisme :

Roche préexistante portée dans des conditions différentes de celles de son milieu de formation

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Réactions minérales (déshydratation , décarbonatation) , recristallisation (dissolution, nucléation, croissance cristalline)

Depth,km

0

35

75

Oceaniccrust

Oceaniclithosphere

Métamorphismed’impact

MétamorphismeRégional (MP, HT) Métamorphisme régional (HP, BT)

Métamorphismede contact

Diagenèse)

Les différentes catégories de métamorphisme

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Métamorphismesous-marin (BP, BT)

Notion de faciès métamorphiques –

lien avec le gradient géothermique

Faciès : Ensemble de roches de compositions chimiques les plus variées qui se sont formées de façon stable durant le métamorphisme sous des conditions physico-chimiques données.

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diagenèse

Le domaine du métamorphisme est borné par 2 limites:- BT: diagenèse- HT: fusion

Nous allons en examiner deux grandes catégories

- Le métamorphisme dynamo-thermique (« général »,« régional »)

– recristallisation sous contraintes (zones actives de latectonique des plaques, orogènes = chaînes demontagnes )

– orientation des minéraux (schistosité/ foliation,linéations )

- Le métamorphisme thermique (« de contact »):

– recristallisation au contact d’ intrusions

– pas d'orientation des minéraux de la roche (pas decontraintes orientées)

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8

Les métamorphismes régionaux

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 elles-mêmes anisotropes (contraintes).

Pression (contrainte): kilobar (kb) ou 100 mégapascal (MPa)

roche originelle roche métamorphique± DT ± DP

± contraintestectoniques

contraintes tectoniques : anisotropes

minéraux orientés lors de leur cristallisation

structure orientée

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Les structures des roches des métamorphismes régionaux

Ellipsoïde des contraintes

s1

s1

Déviateur de contrainte: s1 – s3

s3s3 s3

s1

s1 Ellipsoïde des déformations

orientation préférentielle des minéraux dans un plan

± litage minéralogique= niveaux de composition minéralogique

SCHISTOSITÉ

ex : gneissniveau micacéniveau quartzo-feldspathique

Schistositécisaillement pur (aplatissement) et cisaillement simple

Foliation

aspects de la roche selon la section observée

!

11http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/schisto-cisaillt.xml

Schistosité et foliation

FOLIATION

LINÉATION MINÉRALEorientation préférentielle des minéraux selon une direction

linéations 1) intersection2) minérale3) étirement

Les linéations

axe de pli

linéation demicropli =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

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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

100°C

300°C

500°C

0

10

20km

T°C

Prof

10

20

100 300 500

Croûte

10 km

M N

N

M

Au contact d’une intrusion magmatique

Elévation de la température (P constante):

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Diffusion de la chaleur (conduction)

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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

Faciès des cornéennesRoches compactes, dures, non orientées (roche granoblastique)

Facies des schistes tachetéss’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

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Les principaux facies du métamorphisme de contact

20

Croissance cristalline dans une microstructure granoblastique

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Les roches métamorphiques

La constitution minéralogique dépend en grande partie de lacomposition chimique originelle.

Une roche constituée initialement par un grès siliceux pur nepeut donner autre chose qu’une recristallisation du quartzen l’absence d’apport extérieur.

Chaque roche sédimentaire produit donc une suite detransformations en fonction de l’intensité dumétamorphisme.

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Notion de séquence métamorphique

Les roches foliées :

Les ardoises : roches à grains fins et homogènes possédant une schistosité très marquée etrégulière du fait de la grande homogénéité du matériel et de l’absence d’une autre schistositéfortement sécante sur la première. Suppose une histoire tectonique simple (roches peutransformées). Equivalent d’un schiste de métamorphisme faible.

Les phyllades : « schiste à grains fins », roches surmicacées donc très « soyeuses » avecschistosité. Terme ambigu.

Les schistes : roches ayant acquis une schistosité sous l’influence de contraintestectoniques. 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 uneschistosité ± apparente avec des minéraux formant des nodules ou des taches. Par rapport aux cornéennes,l’effet thermique est moindre.

Le groupe silico-alumineux: schistes

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r. Sédimentaireprotolithepélite / argilite

r. faiblementmétamorphique

schiste vert

r. moyennementmétamorphique

micaschiste

PT

qz

argiles Al (K, Na)FeMg

séricitechlorite

qz

muscovitebiotite

staurotide(Si, Al, Fe, Mg)

Recristallisation permanente: transformations minéralogiques & structurales; croissance des cristaux

litage sédimentaire schistosité

PT

P atmT ~ 20 °C

réactions minéralogiques (isochimie)

P ~ 1,5 kbar (prof ~ 5 km)

T ~ 250 - 450 °C

schistosité

P ~ 5 kbar (prof ~ 15 km)

T ~ 500 - 650 °C

1 mm

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Le groupe silico-alumineux: micaschistes

Les gneiss : roches foliées à grains milli ou centimétriques,présentant une meilleure cohérence que les schistes. Roches richesen feldspaths (le quartz est commun mais pas obligatoire). Ondistingue :- 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 undomaine très vaste de température et pression explique larépartition très large de ces minéraux. La nature des autres minéraux(micas, amphiboles, pyroxènes...) traduit la composition de la rocheinitiale et les conditions physiques rencontrées.

Les leptynites sont un type particulier de gneiss dont lacomposition ne permet pas le développement d’une grandeproportion de micas.

Les granulites : roches résultant d’un métamorphismefort. Ce sont des roches à grains fins. Quartz et feldspaths sontdominants. Parfois hypersthène ou grenat sont présents.

Le groupe silico-alumineux: gneiss

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1 mm

r. magmatiquegranite

r. métamorphiquegneiss

biotite

f. alcalin

quartz

plagioclase

biotite(orientée)

feldspath(alc. + plagio)

quartz

structure équante(macrocristalline)

structure orientée = foliation(contraintes tectoniques

mêmes espèces minérales que dans le granite: micas, feldspaths, quartzmais soit héritées et très déformées (clastes) soit recristallisées (blastes)

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orthogneiss et paragneiss

orthogneiss

paragneiss

Sédiment → gneiss: formation de feldspathspar 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,

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 enchlorite 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 qued’une composition basaltique. Roches demétamorphisme élevé à cristaux de grenats roseset de pyroxènes verts bien visibles à l’oeil nu.

Epidote-quartz

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Le groupe ferro-magnésien: chloritoschistes, amphibolites, éclogites

amphibolite

éclogite

calcite bioclastique calcite recristallisée

Calcaire Marbre

Roches issues de roches carbonatées. (Origine sédimentaire des formationsdans lesquelles elles sont interstratifiées).

Les marbres : carbonates recristallisés ± autres minéraux Mg (forstérite,phlogopite, trémolite, actinote, talc). Grain variable. Roches tendres (rayablespar l’acier).

Anisotropie planaire absente ou difficile a voir (texture granoblastique).

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Le groupe carbonaté: marbres, calcaires métamorphiques

Grains de quartz quartz recristallisé

Anisotropie planaire absente ou difficile a voir. Métamorphisme régional ou de contact.30

Le groupe siliceux: grès quartzeux, quartzite

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Les textures (microstructures) 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.

32

Les textures des roches métamorphiques

33

calcaire métamorphique

texture granoblastique, hétérogranulaire

Chloritoschiste/sericitoschiste

34

texture lépidoblastique

35

amphibolite

texture nématoblastique

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Micaschiste à grenats

texture lépido-porphyroblastique

Souvent, association de plusieurs types de minéraux

termes composés- texture grano-lépidoblastique- texture grano-nématoblastique- texture grano-porphyroblastique

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

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Mylonites

Passchier and Trouw (1996) Microtectonics.

Springer-Verlag. Berlin

Augmentation

de l ’épaisseur

de la zone

Ultra-mylonite

Quartz en ruban

38

Texture mylonitique

claste

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Les minéraux des roches métamorphiques

ceux des roches magmatiques:- Quartz- Feldspaths alcalins- Plagioclases- Micas (muscovite, biotite)

minéraux spécifiques, dont :- phyllosilicateschlorite, phengite (séricite)

- silicates d ’alumine FeMgstaurotide, grenat,

cordiérite, chloritoïde…- silicates d ’alumine purs

andalousite, sillimanite, disthène

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Les minéraux des roches métamorphiques silico-alumineuses

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: andalousite

La sillimanite Al2SiO5

Forme des plages allongéesgris-nacré sur les échantillons. Prismes,baguettes, aiguilles, fibres .

Conditions de formation : minéral dehaute température. Surtout dans les gneisset micaschistes. Souvent associé à lacordiérite et au grenat. Rarement dans lemétamorphisme de contact.

42

Les polymorphes SiAl2O5: sillimanite

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: disthène

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Les polymorphes SiAl2O5: le diagramme de phases

Les grenats (cubiques) (SiO4)3(M3+2M2+

3)Sections ± arrondies. Brun à brun rougeTranslucide, éclat gras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les

roches

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Les grenats

La staurotide (Fe, Mg)2Al9Si4O22(O,OH)2

Cristaux allongés: prismes à base sub-hexagonale. Brun à brun rouge. Translucide, éclatgras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les roches. Mâcle en croixfréquente.

Altération : parfois en produits micacés.

Conditions de formation : forte pression et en dessus de 550°C. Minéral se rencontrantdans les micaschistes, gneiss.

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La staurotide

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 47

Les phyllosilicates

-Minérauxminéraux 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:1 – vos observations

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 migmatiques49

Ce que vous devez faire en travaux pratiques:2 – les échantillons à observer