Le métamorphisme et sa relation avec la tectonique des plaques

I. Les caractéristiques structurales et minéralogiques des roches métamorphiques des zones de collision

Observations de roches métamorphiques des chaînes de collision

a) Observation à l'œil nu de trois roches métamorphiques dans des zones de collision (R1, R2 et R3) :

b) Observation au microscope polarisant de roches métamorphiques :

L'observation à l'œil nu des trois roches métamorphiques : schiste vert, micaschiste et gneiss, rencontrées dans la zone de collision, montre que ces roches présentent des structures différentes :

• Le schiste vert : Roche à structure schisteuse (minéraux alignés) caractérisée par le chlorite (minéral vert).
• Le micaschiste : Roche qui brille dont les minéraux forment des lits fins ce qui donne à la roche un aspect folié (Foliation) simple à cliver.
• Le gneiss : Roche qui se caractérise par une structure en foliation, non clivable, avec une alternance de lits clairs et de lits sombres (recristallisation et réorganisation des minéraux en bandes clairs et bandes sombres).

Comparons les microstructures et la composition des trois roches :

• Le schiste vert : c'est une roche qui a gardé le litage sédimentaire, elle présente des minéraux de séricite et de chlorite de petite taille, orientés selon la surface de stratification.
• Le micaschiste : c'est une roche dont les minéraux (biotite, muscovite et quartz) de taille moyenne, sont orientés selon un plan différent de celui de la stratification et forment des lits fins, ce qui donne à la roche un aspect folié simple à cliver.
• Le gneiss : c'est une roche fortement métamorphisée, dure, non clivable, formée d'une alternance de lits sombres (mica) et de lits clairs (feldspath et quartz).

Le caractère commun des roches métamorphiques et leur origine :

Les trois roches métamorphiques étudiées ont la même composition chimique générale. Ce sont des silicates d'alumine, elles ont donc la même origine (roche mère) et elles ont subi des conditions différentes de pression et températures.

Les roches argileuses (Silicate d'alumine), ont la même composition chimique que ces roches métamorphiques, donc on peut supposer que ces dernières sont le résultat de transformation des roches argileuses soumises à des conditions de \(T\) et \(P\) croissantes.

II. Les caractéristiques structurales et minéralogiques des roches métamorphiques des zones de subduction

1. Affleurement de roches métamorphiques témoins d'une ancienne subduction :

Dans la chaîne des Alpes (chaîne de collision) on observe une zonation dans la répartition des affleurements des roches métamorphiques sous forme de bandes parallèles : on passe du schiste vert au schiste bleu caractérisé par le glaucophane et l'épidote, puis à l'éclogite caractérisé par les grenats et la jadéite, qui s'associe aux ophiolites.

L'éclogite, contenant les grenats et la jadéite qui se forment dans des conditions de haute pression, témoigne d'une subduction qui a précédé la collision.

2. Caractéristiques structurales et minéralogiques des roches métamorphiques des zones de subduction :

Les roches métamorphiques des anciennes zones de subduction ont des structures et compositions minéralogiques différentes, ce qui indique que ces roches ont subi des degrés différents de pression et de températures :

• Les gabbros sont des roches plutoniques magmatiques dont la couleur principale est le vert foncé. Du point de vue minéralogique, ces roches comprennent plus de 50% de plagioclases. D'autres minéraux comme les pyroxènes, la biotite peuvent être également présents.
• Le schiste bleu ou schiste à glaucophane est une roche métamorphique caractérisée par la présence de glaucophane (couleur bleue) et de mica blanc.
• L'éclogite : est une roche métamorphisée dans les conditions extrêmes. Elle contient du grenat et la jadéite.

Les roches métamorphiques (Schiste bleu et éclogite) ont une composition chimique identique à celle du Gabbro (roche magmatique du complexe ophiolitique), donc l'origine de ces roches métamorphiques est le gabbro.

La chaîne alpine aurait donc été précédée par la disparition de l'océan alpin à la suite de la subduction d'une plaque tectonique en dessous d'une autre : les deux croûtes continentales sur les deux plaques se sont retrouvées en collision, conditions favorables à la formation des roches métamorphiques.

III. Les facteurs du métamorphisme

1. Mise en évidence des conditions du métamorphisme :

a) Action de la pression : Expérience de Daubrée

L'effet de la pression sur un mélange d'argile et de mica conduit à la formation d'une roche aux minéraux orientés (schistosité) perpendiculairement à l'orientation des contraintes. La pression est donc le facteur responsable de l'organisation et l'orientation des lamelles de mica.

La structure schisteuse donc apparue chez la roche métamorphique est due à la pression régnante dans les profondeurs.

b) Action de la température :

Si on soumet des roches argileuses à une pression stable avec une augmentation progressive de la température, de nouveaux minéraux apparaissent sans fusion de la roche. La température transforme donc la composition minéralogique des roches à l'état solide. En effet, certains minéraux deviennent instables dans les nouvelles conditions et se transforment en nouveaux minéraux stables dans ces conditions.

Équation de transformation :

$$ \underset{\text{Kaolinite}}{\mathrm{Al_4Si_4O_{10}(OH)_8}} \xrightarrow{\Delta} \underset{\text{Andalousite}}{2\mathrm{Al_2SiO_5}} + \underset{\text{Silice (Quartz)}}{2\mathrm{SiO_2}} + \underset{\text{eau}}{4\mathrm{H_2O}} $$

c) Action simultanée de la pression et de la température :

Expérimentalement on observe que chaque minéral apparaît de façon stable dans des conditions bien déterminées de pression et de température, le changement de ces conditions entraîne la disparition de certains minéraux qui deviennent instables, et l'apparition d'autres minéraux stables.

Quand une roche passe des conditions A aux conditions B, il y a apparition du disthène en premier et avec l'augmentation progressive de la température le disthène disparaît pour donner la sillimanite.

Chaque minéral se trouve stable dans certaines valeurs de pression et de température, l'ensemble de ces valeurs constitue le domaine de stabilité du minéral :

• Pour l'andalousite : \(P \leq 5 \text{ Kbar}\) et \(200^\circ\mathrm{C} \leq T \leq 700^\circ\mathrm{C}\) (Température et pression faible).
• Pour le disthène : \(5 \text{ Kbar} \leq P \leq 10 \text{ Kbar}\) et \(200^\circ\mathrm{C} \leq T \leq 600^\circ\mathrm{C}\) (Température faible et pression élevée).
• Pour la Sillimanite : \(P \leq 10 \text{ Kbar}\) et \(500^\circ\mathrm{C} \leq T \leq 700^\circ\mathrm{C}\) (Température élevée quel que soit la pression).

La présence de l'un de ces minéraux (Andalousite, disthène, sillimanite) dans une roche métamorphique permet d'indiquer les conditions de formation de cette roche (\(P\) et \(T\)), ces minéraux sont nommés indicateurs (ou index).

Le métamorphisme c'est l'ensemble des transformations minéralogiques et structurales à l'état solide, que connaissent les roches préexistantes sous l'effet de l'augmentation de la pression, ou de la température ou des deux facteurs.

2. Variation des conditions du métamorphisme dans la nature :

• Les roches de la lithosphère sont soumises à une pression qui est la somme de trois types de pression :
  • Pression des couches sus-jacentes qui varie selon la profondeur et la densité de ces couches.
  • Pression tectonique qui varie selon la nature des forces tectoniques (compression ou distension).
  • Pression des fluides interstitiels comme le \(CO_2\) et la vapeur d'eau.
• Dans la nature, la température augmente en fonction de la profondeur (gradient géothermique), la valeur de cette augmentation varie d'une zone à l'autre. Elle est faible dans les zones géologiquement stables et forte, dans les zones géologiquement actives.

Les minéraux constituant des roches ne sont stables que dans des domaines définis de température (\(T\)) et de pression (\(P\)).

Lors d'un cycle orogénique, les roches sont entraînées pour des raisons tectoniques vers la profondeur : il y a transformation des minéraux par réaction entre eux. De nouveaux assemblages apparaissent, typiques des conditions \(P-T\) rencontrées durant ce parcours : c'est le métamorphisme.

IV. La séquence, la série et le faciès métamorphiques

1. Notion de séquence métamorphique :

Avec l'augmentation de la température et de la pression (Intensité croissante du métamorphisme), les roches d'origine se transforment en nouvelles roches, ainsi que la disparition de certains minéraux et l'apparition d'autres.

Les séquences métamorphiques sont un ensemble de roches métamorphiques de différents degrés de métamorphisme, dont les compositions chimiques sont voisines, et étant issues d'une même roche initiale.

2. Notion de faciès et de série métamorphiques :

Selon les conditions de pression et de température on peut déterminer le domaine de stabilité d'un ensemble de minéraux, ce domaine s'appelle faciès métamorphique.

Si on applique les mêmes conditions sur d'autres roches, on obtient les mêmes minéraux ou des associations proches.

• Définition du faciès : Le faciès métamorphique est un assemblage de minéraux qui apparaissent dans une roche métamorphique dans un champ précis de température et de pression, cet assemblage dépend des conditions de métamorphisme (\(P\) et \(T\)) et pas de la nature de la roche mère. La présence de cet assemblage de minéraux dans une roche nous renseigne sur les conditions de formation de cette roche.
• Définition de la série métamorphique : Les séries métamorphiques correspondent à la succession de différentes roches métamorphiques le long d'un gradient pression/température.

V. Les domaines et types de métamorphisme

Légende du diagramme :
\(HT\ BP\) = Hautes Températures - Basses Pressions.
\(MP\ HT\) = Moyennes Pressions - Hautes Températures.
\(HP\ BT\) = Hautes Pressions - Basses Températures.
① = Faciès à schiste bleu.
② = Faciès à schiste vert.
③ = Faciès à amphibolites.
④ = Faciès à éclogites.
\(A\) = Andalousite ; \(D\) = Disthène ; \(S\) = Sillimanite
Trajet de l'évolution du métamorphisme d'une roche de la lithosphère océanique.
Trajet de l'évolution du métamorphisme d'une roche de la lithosphère continentale.

Une roche donnée suit une évolution dans le temps. Elle enregistre minéralogiquement les conditions de pression et de température, ce qui permet de tracer un gradient métamorphique :

Le métamorphisme dans les zones de subduction :

Dans les zones de subduction, les roches de la lithosphère océanique (basalte et gabbro) qui s'enfoncent sous la lithosphère continentale, subissent une forte augmentation de pression et, relativement, une faible augmentation de température. On parle d'un chemin de métamorphisme prograde. Dans ces conditions, la roche va se déshydrater et des minéraux de glaucophane apparaissent, elle se transforme en schistes bleus puis en éclogite caractérisée par le grenat et la jadéite.

Le métamorphisme dans ce cas est un métamorphisme dynamique.

Lorsque la convergence ralentit puis s'arrête, les roches se réchauffent alors qu'elles commencent à remonter (\(P\) diminue alors que \(T\) augmente encore). Lorsque la remontée s'accentue, \(P\) et \(T\) diminuent ensemble. On parle d'un chemin de métamorphisme rétrograde.

Le métamorphisme dans les zones de collision :

Dans les zones de collision les roches lithosphériques continentales subissent une forte augmentation de la pression et de la température, elles se transforment en schiste vert puis en amphibolites caractérisées par le disthène ou la sillimanite qui se forment dans des conditions de pression et de température moyennes à fortes. Dans ce cas on parle de métamorphisme thermodynamique.

Remarque : Le métamorphisme thermique : Au cours de la montée des magmas dans les fissures de la croûte océanique, les roches encaissantes sont soumises à une augmentation brutale de la température à basse pression on parle de métamorphisme thermique ou métamorphisme de contact.