METAMORPHISME ET GEODYNAMIQUE

Preface de Jacques Kornprobst

Christian Nicollet

DUNOD I

TABLE DES MATIERES

Preface ,

Avant-propos

PARTIE I

METAMORPHISME ET PROCESSUS METAMORPHIQUES

Chap j t r e 1 • Le m e t a m o r p h i s m e : d e f i n i t i o n , l im i te s et variables

1.1 Definit ion du metamorph i sme

1.1.1 Recristallisation el equilibre

1.1.2 Preservation des roches metamorphiques et melaslabilile

1.2 Les l imites du metamorph i sme

1.2.1 Diagen^se el metamorphisme

1.2.2 La limite h hautes temperatures et anatexie

1.3 La temperature, la pression et les fluides dans le globe terrestre

1.3.1 Temperature et chaleur

1.3.2 Pression el profondeur

1.3.3 Les fluides

Chap i t r e 2 • Les r o che s m e t a m o r p h i q u e s : des m a r q u e u r s

des p e r t u r b a t i o n s t h e r m i q u e s et m e c a n i q u e s dans la l i t h o s p h e r e

2.1 Evolution PI, trajet PTt et geothermes

2.2 Pourquoi les roches recristall isent-elles ?

2.3 Le trajet PTt et le gradient metamorph ique

2.4 Trajets PTt et contextes geodynamiques

C h a p i t r e 3 • Les r oches m e t a m o r p h i q u e s : l o ca l i s a t i on , textures, s t r uc tu re s et c l a s s i f i c a t i o n

3.1 Local isation geographique des roches metamorph iques

3.1.1 Les diff^renis types de metamorphismes

3.1.2 Repartition des roches metamorphiques k la surface du globe

3.1.3 Repartition des roches metamorphiques sur un profil de la croflte

T a b l e de s ma t i e r e s

3.2 Cartographie du metamorph i sme-M ine raux index et Isogrades du metamorph i sme

3.3 Local isat ion des roches metamorph iques dans I'espace P-T

3.3.1 Les limites du metamorphisme et les facies metamorphiques

3.3.2 Les principaux gradients metamorphiques

3.4 Structures et textures

3.4.1 L a recristallisation dynamique

3.4.2 La recristallisation slatique

3.5 Structures et contraintes

3.5.1 Schistosite et foliation

3.5.2 Les lineations

3.6 Les principales textures des roches metamorph iques

3.7 Nomenclature des roches metamorph iques

Chap i t r e 4 • Re la t i ons c h r o n o l o g i q u e s ent re d e f o r m a t i o n et r e c r i s t a l l i s a t i o n m e t a m o r p h i q u e 45

4.1 Structure et relations chronolog iques cr i sta l l i sat ion-deformation 45

4.1.1 La chronologie des phases de deformation , 45

4.1.2 Relations chronologiques cristallisation-deformation , ; ; 47

4.1.3 L a dimension des structures 50

4.2 Un exemple de relation cr i sta l l i sat ion-deformation : le metamorph i sme hercynien au Cap Creus (Espagne) 51

4.3 Trajets PTt et chronologie 54

Chap i t r e 5 • Le ro le de la c o m p o s i t i o n c h i m i q u e s u r la m i n e r a l o g i e

des roches m e t a m o r p h i q u e s ' • 58

5.1 Les differentes sequences metamorphiques 58

5.2 La regie des phases ^ 60

5.3 La representation graphique des parageneses 61

5.3.1 Systeme a 2 constituants . . • . , 61

5.3.2 Syst&me h 3 constituants 62

5.3.3 Systfeme k n constituants - le diagramme A C F pour les roches

de la sequence basique ' 63

5.3.4 Systeme a n constituants - les diagrammes A " K F et A F M pour les roches de la sequence pelitique 67

5.3.5 Representation graphique des parageneses des faci&s metamorphiques 70

Chap i t r e 6 • Les reac t i on s m e t a m o r p h i q u e s 78

6.1 Interpretation thermodynamique sommaire d 'une reaction minera log ique 79

6.2 Reactions sol ide-sol ide entre mineraux anhydres 80

6.2.1 Reactions de transition polymorphique : les silicates d*atumine 80

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VIII

Table des matieres

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61

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6.2.2 Reactions d 'exsolulion

6.2.3 Reactions interminerales solide-solide entre mineraux anhydres

6.3 Reactions entre sol ide-sol ide hydrate ou reactions de devolatt l isat ion et l iberation de fluides

6.3.1 Eau, pente des reactions metamorphiques et r^tromorphose

6.3.2 Pression purtielle de fluide el champ de siabilite des phases hydratees el carbonatees

6.3.3 Infiltration de la phase vapeur ou systfcme ferm^ aux fluides exierieurs

6.4 Le metamorph i sme est-il i soch imique ?

6.4.1 Le quartz d'exsudalion •

6.4.2 Reactions de lessivage

Chap i t r e 7 • A n a l y s e g e o m e t r i q u e des reac t i on s m e t a m o r p h i q u e s et e l a b o r a t i o n d ' une g r i l l e pe t r o gene t i que

7.1 Systeme a un const ituant independant

7.2 Systeme a deux const ituants independants

7.3 Systeme a trois const ituants independants et e laborat ion d 'une gri l le petrogenetique

7.4 Systeme a plus de trois const ituants independants

Chap i t r e 8 • Les reac t i on s m e t a m o r p h i q u e s mu l t i v a r i a n t e s : t h e r m o m e t r i e et b a r o m e t r i e g e o l o g i q u e s

8.1 Reaction cont inue et reaction d i scont inue

8.1.1 La reaction continue Ch i + Ms = St + Bt + Qtz + V

8.1.2 La reaction continue Bt + Sil + Qtz = Grt + Kfs + V

8.2 Le pr incipe de la geothermobarometr ie

8.3 Un thermometre base sur la reaction d'echange fer-magnesium entre biotite et grenat

8.4 Un exemple de geothermobarometre base sur I 'equilibre cordierite = grenat + s i l l imanite + quartz + H jO

i 8.5

63 B

I 8.6

8.7 67 k

3 70 e &

i

78 i i i

78 i i i

ue 79

80

80

et geothermobarometr ie

8.7.1 Composition des inclusions fluides

8.7.2 Caracterisation des isochores et thermobarometrie

Chapitre 9 • Cinetique des reactions et preservation des roches metamorphiques

9.1 Qu'est-ce que la vitesse de reaction ?

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84

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DC

T a b l e de s mat i e re s

9.2 Quels sont les facteurs qu i controlent une reaction ? 125

9.2.1 La Vitesse de diffusion 125

9.2.2 L'influence de la pha.se vapeur 125

9.2.3 L' influence de la deformation 126

9.3 Metastabil ite des parageneses : I 'exemple des si l icates d 'a lumine 127

9.4 C inet ique de reaction et preservation des roches metamorph iques 130

Chap i t r e 10 • M i g m a t i s a t i o n et ana tex ie . 1 3 2

10.1 Def init ion des migmatites et de I 'anatexie 132

10.2 Or ig ines des migmatites 133

10.3 Fusion partielle des metapel ites 134

10.4 Migmatites, granites, charnockites et facies granul ite 135

10.4.1 Influence de I'eau sur la transition facias amphibolite-faci^s granulite

et anatexie 136

10.4.2 Migmatites et granites 138

10.4.3 Charnockites el gneiss chamockitiques 139

PARTIE II

METAMORPHISME ET GEODYNAMIQUE

Chap i t r e 11 * Le m e t a m o r p h i s m e de contact 145

11.1 L'aureole de contact de Tintrusion de Ballachulish 145

11.2 Diffus ion de la chaleur dans I 'encaissant et model i sat ion du metamorph i sme de contact , , 148

Chap i t r e 12 • Les m e t a m o r p h i s m e s de haute p r e s s i o n

et u l t ra -haute p re s s i on -ba s se t e m p e r a t u r e : I ' exemple a l p i n 1 52

12.1 Les Alpes : de la subduct ion a la col l i s ion 153

12.2 La carte metamorph ique des Alpes occidentales 154

12.3 L ithologies et associat ions mineralog iques types 156

12.4 Le metamorph i sme sur la transversale Queyras-Vtso-Dora Maira

dans les A lpes occidentales 161

12.5 Le metamorph i sme d'ultra-haute press ion (UHP) dans le monde 163

12.6 Exhumation des unites de HP-UHP 165 12.6.1 L 'evolution retrograde sur la transversale Queyras-Viso-Dora Maira 166 12.6.2 Des modules d'exhumation 169

12.7 Les reliques de HP dans le dome Lepontin, A lpes centrales 173

X

Table des matieres

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Chapitre 13 • Le metamorphisme de moyenne pression-haute temperature 1 77

177 13.1 La serie metamorphique de moyenne pression-haute temperature

du mass i f du Levezou

1 3.2 Le gradient metamorph ique de moyenne press ion : un coup de frein

a I 'enfouissement 181

13.2.1 Les reliques de H P et leur dvolution retrograde 182

13.2.2 De la subduction k la coll is ion 188

13.2.3 Rarete et pre.servaiion du facias des Schistes bleus dans les chaines anciennes ' '. 189

13.3 Sous-charriage et metamorph i sme inverse 190

Chapitre 14 • Le metamorphisme de basse pression-haute temperature dans les z o n e s de conve r gence 200

14.1 Arr iere-subduct ion et ceintures metamorph iques doubles 201

14.2 Hypercol l i s ion et domes migmatit iques dans la croute cont inentale mediane - la chaTne hercynienne d'Europe occidentate ^03

14.2.1 Le massif hercynien nord-pyreneen de I 'Agly , 204

14.2.2 Le massif du Pilat et ie dome anatectique du Velay 207

14.2.3 L a Montagne Noire : dome gneissique extensif ou anticlinal post-nappe ? 210

14.2.4 Vitesses d'exhumation el gradients metamorphiques 211

14.3 Le magmatisme infracrustal et les granulites tardives de moyenne pression de la croute inferieure - la zone d' lvree 213

14.3.1 Le magmatisme infracrustal el les granulites tardives de moyenne pression 213

14.3.2 Zone d' lvree et differencialion de la croute 213

14.4 Metamorph i sme d'ultra-haute temperature (UHT) 216

14.4.1 Les granulites de U H T de la formation d 'Andriamena (Madagascar) 218

Chapitre 1 5 - Metamorphisme de basse pression-haute temperature ] 52 dans les zones d'extension 223

153 15.1 Aminc i s sement l i thospher ique et dechirure crustale : le metamorph i sme

de la zone nord-pyreneenne 223

' I 15.1.1 La zone nord-pyren^enne ( Z N P ) : couloir d'amincissement lithospherique

156 ! au Cretace 223

^ 15.1.2 Le metamorphisme de basse pression dans la Z N P 225

I 15.1.3 La Z N P : metamorphisme et <<transtension » senestre intraconlinentale 228

163 I 1 5.2 Metamorph i sme oceanique et hydrothermal i sme dans la l ithosphere

I oceanique et dans les ophiol i tes 228

' ^ ^ 1̂ 15.2.1 Le metamorphisme oceanique au niveau des dorsales rapides 231

-3 15.2.2 Le metamorphisme oceanique au niveau des dorsales lenies 235

J 15.2.3 La semelle metamorphique des ophiolites 244

173 o 15.2.4 En conclusion 244

Table des matieres

Chapitre 16 • Les granulites et eclogites dans le manteau :

magmatisme Intra-mantellique et recyclage de la lithosphere oceanique 249

16.1 Mode de gisement des roches du manteau 249

16.2 Les xenol ithes du plateau oceanique des Ties Kerguelen : magmat i sme et metamorph i sme intra-mantel l ique 250

16.3 Les eclogites du manteau s upeheu r : cr istal l isat ion a haute pression d 'un magma basalt ique ou temoins des oceans englout is dans le manteau ? 252

Chapitre 1 7 • En guise de conclusion : evolution du metamorphisme

dans le temps 255

1 7.1 Un modele s impl i f ie d '^volut ion thermique d 'une chaTne de montagnes 256

1 7.2 Evolution du metamorph i sme au cours du temps 260

Annexe 265

1. Diagrammes A G F A ' K F 265

2. Abrevialions des mineraux d'apres Kretz (1983) et Feltes et Desmons (2007) 268

3. Formules structurales des principaux mineraux 269

4. Quelques assemblages mindralogiques caracl^risiiques

des principaux facies metamorphiques 271

References des articles et ouvrages cites dans le texte 272

Legendes completes des planches couleurs 280

Index 285

1 f •

La dynamique de la thermique. C'est la Terre. Volcanisme et mique interne du gl globe vers la surface, icctonique des pi: manteau dont le mor:

Pour nous ren^-' . differenis momc qui ont enregisr roches metamor tions min^ralogk b profondeur ch

variations de la I

L'objectif de e i revolution geod}-parties. La premioc sont responsables a Sous lenterons de CO dehors des seuies Comment intei lerme de trajet P-T cofttexte geody Borphiques : dia

Celle premiere diapitres sent ii •omenclatures des petrologue du les detainer dans les dologie qui nous • I I I lie. Le chapitre •etamorph iques

est ponde dans won lou partiell souhaite. le lecteur aiDsi pour le c' da chapitre 8 les outils presenies li^ionaux. pri

XII

SCIENCES SUP

Christian Nicollet

METAMORPHISME

ET G E O D Y N A M I Q U E

Cet ouvrage destine aux etudiants en Licence (L3) de Sciences de la Terre et de I'Univers et en Master, interessera egalement les candidats au Capes et a I'agregation de SVT.

Ce manuel explicite le phenomene du metamorphisme des roches, c'est-a-dire I'ensemble des transformations entrainant un rearran­gement a I'echelle atomique des elements d'une roche. Ces trans­formations sont provoquees par des changements de temperature, de pression ou de la nature des fluides.

Ce cours a pour objectif de relier les processus metamorphiques avec I'evolution geodynamique de la Terre. II se compose de deux parties.

• La premiere partie propose la definition et les causes du metamorphisme, ainsi que les processus petrogenetiques.

• A partir d'exemples regionaux et grace a I'etude de roches metamorphiques, la seconde partie fournit des interpretations geodynamiques aux processus evolutifs se produisant a I'interieur de la Terre.

Ce cours abondamment illustre et agremente d'un cahier couleur, propose aussi de nombreux exercices corriges. Des supplements sont proposes sur le Web.

6699615 CPMPUS METflnORPHIS

9 7821 do "545995

L I C E N C E M A S T E R D O C T O R A T

CHRISTIAN NICOLLET

est professeur a runiversite Bldise-F^scdl de Clermont-Ferrand.

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