LES ROCHES METAMORPHIQUES : TEMOINS DE L'EVOLUTION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE DANS LE TEMPS ET DANS L'ESPACE. BOUR Ivan CFA-UNICEM

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1 LES ROCHES METAMORPHIQUES : TEMOINS DE L'EVOLUTION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE DANS LE TEMPS ET DANS L'ESPACE BOUR Ivan CFA-UNICEM

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3 Introduction et définitions I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique, A. Tectonique descriptive et mécanique de déformation structurale des roches, B. Niveaux structuraux, C. Notions de gradient géothermique et de pression au sein de l écorce terrestre II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation, A. Définition d'une texture et structure d'une roche cristalline B. La schistosité C. La foliation III. Les séries métamorphiques, du protolythe à la roche recristallisée, IV. Les faciès métamorphiques et trajet P-T d'une roche, V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques, Exemple sur la chaine alpine

4 Introduction et définitions Le domaine du métamorphisme Les roches métamorphiques sont issues de la transformation à l état solide d une roche préexistante (volcaniques, sédimentaires ou métamorphiques) causée par : L élévation de la température et/ou de la pression, La présence de fluides*, La cristallisation de nouveaux minéraux (néoformés), L acquisition de textures et structures sous l influence de conditions physiques et/ou chimiques différentes de celles auxquelles la roche s était formée. Le métamorphisme se forme selon des intervalles de pression-température bien définis : Au-delà de la diagenèse : > ~200 C, Avant la fusion partielle de la roche : 700 à 1000 C en fonction de p(h2o), En liaison très forte avec la déformation tectonique (structuration).

5 Introduction et définitions Pourquoi les roches recristallisent-elles? Dans le cas d une roche amenée à grande profondeur devient plus dense et son volume va diminuer. La mécanique des minéraux les rend pas compressibles, les minéraux peu denses et stables en surface, sont remplacés, en profondeur, par des minéraux de densité supérieure, La recristallisation se fait à l'état solide. La transformation minéralogique dépend des modifications de la pression, de la température et de la nature des fluides, lorsque la profondeur change minéralogie de la roche en est affectée. La taille, l arrangement, l orientation et la chimie des grains (les minéraux) modifiés : nouvelle organisation minérale, modification texturale du fond cristallin.

6 Introduction et définitions Pourquoi les roches recristallisent-elles? Métamorphisme Evolution minéralogique et texturale d une roche Exemple : 2minéraux (à l'équilibre) A et B, à P0-T0 et portée dans de nouvelles conditions P1-T1. Paragenèse = association minéralogique Dans ce contexte, A et B ne sont plus stables et disparaissent et une nouvelle phase minérale stable C cristallise. assemblage (ou l association) de minéraux à l équilibre chimique dans une roche dépend de la composition chimique ainsi que des conditions de P et T minéraux et assemblages de minéraux stables dans des intervalles de P et T (état d équilibre) minéraux sont en contact sans réagir entre eux lorsque les conditions P-T changent, l'assemblage de minéraux d'une roche change

7 Intensité déformation I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique A- Tectonique descriptive et mécanique de déformation structurale des roches Prenons l exemple de couches sédimentaires. - se déposent parallèlement à des plans horizontaux si la région de dépôt n'est pas perturbée par la tectonique locale mais simplement exondée les couches sont déformées après leur dépôt avec un basculement des couches, si la déformation s'accentue : apparition des plissements puis des fractures de divers types. + sous des conditions P-T plus poussées, la déformation cassante laissera la place à une déformation ductile accompagnée de modifications minéralogiques et un nouvel arrangement des minéraux.

8 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique A- Tectonique descriptive et mécanique de déformation structurale des roches Deux principaux types de contraintes peuvent être cités : La compression : elle correspond à des forces convergentes et peut être coaxiale ou non La tension : les contraintes divergent et ont pour effet d'étirer la roche et les minéraux qui la constituent Comportement du matériau aux contraintes tectoniques lorsqu il est soumis à une compression ou à une tension.

9 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique A- Tectonique descriptive et mécanique de déformation structurale des roches 2 modalités de déformation de la roche s observent au niveau de la forme et de l arrangement des grains entres eux - Isotrope : les forces exercées sur un solide sont égales dans toutes les directions. La pression lithostatique est isotrope. - Anisotrope : les forces exercées sur un solide sont différentes en intensité selon la direction. La déformation tectonique, dans le cas d une compression peut être représentée sous forme d un aplatissement des matériaux modification de la géométrie et la structure des minéraux. Correspondance entre arrangement atomique des matériaux déformés et les ellipsoïdes des contraintes. La composante verticale σ1 est la plus importante et génère un aplatissement vertical (A), tandis qu en B, σ3 est dominant et provoque un aplatissement horizontal. Les ellipsoïdes de contraintes permettent de représenter la direction dans l espace et l intensité des contraintes tectoniques.

10 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique A- Tectonique descriptive et mécanique de déformation structurale des roches Les contraintes tectoniques sont accompagnées de 3 autres paramètres majeurs de déformations tels que : La Température et pression : augmentent avec la profondeur dans la croûte terrestre : surface = cassante, en profondeur = plastique Le temps : si temps court = comportement cassant ; si temps long = comportement plastique (notion de fluage). La composition de la roche (ou paragénèse) : Les roches sont cassantes de nature (calcaires, les grès, les granites), d'autres plutôt plastiques (roches argileuses). Evolution du style de déformation de la roche en fonction de la température et de la pression lithostatique

11 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique A- Tectonique descriptive et mécanique de déformation structurale des roches L intensité de la déformation d une roche et de ces constituants minéralogiques est indissociable du degré de compétence. Une roche dite compétente est relativement peu déformable (failles ou flexion) tandis qu'une roche incompétente est facilement déformable et subit une modification intime : anisotropie d'origine tectonique (foliation, schistosité). Degré de compétence ou degré de facilité à la déformation en fonction des catégories de roches.

12 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique B- Niveaux structuraux Des niveaux structuraux segmentent la croûte terrestre dans son épaisseur et caractérisent plusieurs styles de déformations de la roche allant : d un style cassant à un style ductile associés avec une intensité de déformation et de transformation chimique croissant avec la profondeur Le comportement de la roche à la déformation, dépendant de sa rhéologie, évolue au fur et à mesure de l enfouissement de celle-ci en profondeur (conditions P-T croissantes). Les différents niveaux structuraux de l écorce terrestre caractérisés par différents styles et intensités de déformations (modifié d après Mattauer, 1998). L identification des différentes variétés de structures permet de repositionner l échantillon dans les premières dizaines de kilomètres de profondeur jusqu à sa mise à l affleurement.

13 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique C. Notions de gradient géothermique et de pression au sein de l écorce terrestre La pression et la température, sans compter le temps et la composition chimique des constituants de la roche, sont les principaux facteurs qui contrôlent leurs modifications physico-chimiques. Importance de tenir compte du gradient géothermique pour reconstituer les températures en profondeur en s appuyant sur l identification des minéraux. Gradient géothermique correspond à l'augmentation de la température depuis la surface vers les profondeurs de la Terre L augmentation de température en fonction de la profondeur est en moyenne de 0,03 C par m. il existe des zones thermiques où le gradient est irrégulier et peut-être beaucoup plus fort ou plus faible

14 I. Contexte de déformation et de transformation minéralogique C. Notions de gradient géothermique et de pression au sein de l écorce terrestre La surface de l Europe de l Ouest (entre la péninsule ibérique et la Pologne) émet un flux de chaleur contrasté compris entre 30 et 150 mw/m² et correspond à un gradient géothermique variant de 12 à plus de 60 C/km environ. Des relations apparaissent entre la distribution du flux géothermique et les grandes structures géologiques.

15 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation A. Définition d'une texture et structure d'une roche cristalline L étude de la structure et de la texture d un échantillon de roche permet de comprendre le contexte géodynamique de toute une région géologique. La description d une roche passe par sa description visuelle et notamment par l agencement des différents grains (c'est-à-dire les minéraux) entres eux dans un volume 3D. Deux aspects sont à prendre en considération : La texture : correspond à tout type d'arrangement entre les minéraux d'une roche (dépend également de la taille des minéraux), visible notamment à l échelle microscopique La structure : correspond à tout type d'organisation de la roche à n'importe quelle échelle Reconnaissance de la texture (A) et de la structure (B) de roches cristallines. Exemple d un granite d anatexie (A) et d un gneiss folié (B).

16 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation B. La schistosité La roche se débite sous forme d un feuilletage plus ou moins serré acquis sous l influence des contraintes tectoniques et les minéraux suivent une orientation préférentielle facilement décelable par le biais des micas blancs (muscovite). La roche subit ce type de déformation à des profondeurs supérieures à 5000 m correspondant au niveau structural moyen de la croûte.

17 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation B. La schistosité feuilletage plus ou moins serré acquis sous l influence des contraintes tectoniques. La disposition des minéraux met en évidence les plans de schistosité. Les minéraux en feuillet, notamment la muscovite, sont orientés parallèlement au plan de schistosité. Ce type de déformation se manifeste par un feuilletage bien parallèle, à espacement centimétrique ou millimétrique. Il est dû à un écrasement de la roche Idéalement la schistosité se dispose perpendiculairement à la direction de raccourcissement tectonique

18 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation B. La schistosité feuilletage plus ou moins serré acquis sous l influence des contraintes tectoniques. Mise en place de la schistosité en partant d une roche sédimentaire caractérisée par sa stratigraphie originelle (S0) avec l apparition progressive de la surface S1 correspondant au plan de schistosité disposé perpendiculairement à la direction de raccourcissement tectonique (B). Idéalement la schistosité se dispose perpendiculairement à la direction de raccourcissement tectonique

19 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation B. La schistosité Le feuilletage peut correspondre : au plan d'aplatissement de la matière (schistosité de flux), au développement d'innombrables microfailles ou microplifailles qui se superposent à une déformation continue appréciable, au développement conjoint des deux mécanismes superposés. Caractérisation des structures plicatives HP dans les Schistes lustrés du Queyras.

20 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation B. La schistosité Feuilletage parallèle, à espacement centimétrique ou millimétrique schistosité et orientation des minéraux perpendiculairement à la direction de raccourcissement tectonique + composante cisaillante. Interprétation plus rigoureuse des charnières de plis : alternance de flancs longs et de flancs courts (dissymétrie de flanc au niveau des plis mise en place de détachements en failles inverses avec des plis d entraînement.

21 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation Schistes des Cévennes Lentilles de quartz B. La schistosité Successions de plis centimétriques avec intercalations de lentilles de quartz au niveau des charnières Veinules de quartz Poches de quartz allongées selon la schistosité Successions de plis centimétriques avec intercalations de lentilles de quartz au niveau des charnières

22 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation C. La foliation La foliation est un stade de déformation de la roche et de transformation minéralogique plus poussée par rapport à la schistosité vu précédemment. Ce stade s opère à des gammes de profondeurs (supérieures à 8000 m) et donc de températures plus importantes dans le niveau structural inférieur de la croûte. correspond à une structure visible où à la schistosité s ajoute une différentiation pétrographique entre les lits (aspect rubané)

23 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation C. La foliation structuration en plans distincts avec une structure marquée par l'orientation préférentielle de minéraux et une différenciation pétrographique nette, aboutissant à l'alternance de feuillets de composition minéralogique différente Redistribution des minéraux dans la roche caractérisant des plans de foliation

24 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation C. La foliation Les niveaux clairs sont composés par des minéraux quartzo-feldspathiques (plagioclase, feldspaths, quartz), tandis que les niveaux sombres sont plutôt constitués de minéraux ferromagnésiens tels que les pyroxènes ainsi que les amphiboles et les biotites (mica noir). Orientation préférentielle de minéraux et différenciation pétrographique nette, aboutissant à l'alternance de feuillets de composition minéralogique différente

25 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation C. La foliation

26 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation Orthogneiss oeillé C. La foliation Orthogneiss oeillé avec zone de texture plus fine (leucosome - liquide de fusion) entourée de biotite Orthogneiss oeillé avec foliation caractéristique

27 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation C. La foliation Paragneiss

28 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation Synthèse

29 II. Modification texturale et structurale de la roche et des minéraux suite à la déformation Synthèse Plan de foliation

30 III. Les séries métamorphiques, du protolythe à la roche recristallisée Il se développe une suite bien spécifique de minéraux ceux-ci deviennent des indicateurs du degré de métamorphisme qu'à subit la roche.

31 III. Les séries métamorphiques, du protolythe à la roche recristallisée Suite minéralogique Au cours de son enfouissement (augmentation P-T), une suite de transformations minéralogiques vont se succéder et une série métamorphique peut être définie Cas d un sédiment argileux déposé dans un bassin océanique et qui est amené au cours de son histoire géologique à être enfoui à de grandes profondeurs dans un contexte de formation de chaîne de montagne. Noter le degré croissant de la cristallisation sur cette suite métamorphique : augmentation de la taille des minéraux résultants texture d avantage cristalline

32 III. Les séries métamorphiques, du protolythe à la roche recristallisée Suite minéralogique Au cours de son enfouissement (augmentation P-T), une suite de transformations minéralogiques vont se succéder et une série métamorphique peut être définie

33 III. Les séries métamorphiques, du protolythe à la roche recristallisée Au cours de son enfouissement (augmentation P-T), une suite de transformations minéralogiques vont se succéder et une série métamorphique peut être définie Selon le degré de métamorphisme et donc d enfouissement, les transformations structurales et minéralogiques de la roche ne sont pas les mêmes. L intensité de la déformation, de la recristallisation et du réarrangement minéralogique est fonction de la profondeur d enfouissement et de la température.

34 III. Les séries métamorphiques, du protolythe à la roche recristallisée Suite minéralogique Au cours de son enfouissement (augmentation P-T), une suite de transformations minéralogiques vont se succéder et une série métamorphique peut être définie Il se développe une suite bien spécifique de minéraux. A partir de la paragénèse résultant du métamorphisme, il est possible dans la majorité des cas de remonter à la roche originelle (protolithe = roche mère), avant que celle-ci ait subit des transformations minéralogiques

35 IV. Les faciès métamorphiques et trajet P-T d une roche Suite minéralogique En jouant sur les facteurs pression et température, on peut définir plusieurs sortes de métamorphismes, auxquelles correspondent des transformations minéralogiques différentes : Haute température/basse pression (HT/BP), Haute température/haute pression (HT/HP), Avec de nombreux cas intermédiaires. C R Le domaine P-T est découpé en " faciès métamorphiques " permet de regrouper des roches soumises à des intervalles de P et T donnés, indépendamment de leur composition chimique. M = courbe d'anatexie C R Métam. de contact Métam. régional

36 IV. Les faciès métamorphiques et trajet P-T d une roche Suite minéralogique L identification de ces faciès métamorphiques permet de tracer une évolution régulière dans le diagramme P-T: on parle de gradient métamorphique. Les 3 domaines en grisé (HP-BT, MP-HT et HT-BP) matérialisent les évolutions métamorphiques régionales C R Le domaine P-T est découpé en " faciès métamorphiques " permet de regrouper des roches soumises à des intervalles de P et T donnés, indépendamment de leur composition chimique. M = courbe d'anatexie C R Métam. de contact Métam. régional

37 IV. Les faciès métamorphiques et trajet P-T d une roche Suite minéralogique Le trajet P-T (enfouissement-exhumation) d une roche est qualifié par les termes prograde et rétrograde : C R Evolution prograde : P-T en hausse, la déformation est intense et l eau, libérée par les réactions de déshydratation, est disponible, conditions favorables à la réalisation des réactions, associations minérales des roches sont constamment réajustées, réactions complètes : les roches ne gardent, en général, pas trace de leur histoire antérieure.

38 IV. Les faciès métamorphiques et trajet P-T d une roche Suite minéralogique Le trajet P-T (enfouissement-exhumation) d une roche est qualifié par les termes prograde et rétrograde : C R Evolution rétrograde : Cas ou la roche est ramené vers la surface : exhumation, les processus de la recristallisation sont plus lents que les variations P-T, réactions partielles : les roches conservent généralement le témoignage des conditions maximales qu'elles ont atteinte, effets de la déformation restreints et localisés : l eau nécessaire aux réactions n est plus disponible.

39 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Cas du massif du Queyras L identification de la paragénèse et des conditions de recristallisation des minéraux sur différents points géographiques des Alpes conduisent à la reconstitution de l intensité du métamorphisme et des profondeurs d enfouissement du soubassement européen en subduction. Série d échantillons prélevé selon un axe transversale à l arc alpin. L étude de la paragenèse de roches échantillonnées à l échelle de plusieurs massifs apporte une nouvelle information au niveau du gradient de la déformation tectonique. Cas des méta sédiments et méta ophiolites Extrait Carte géologique 1/ de la France BRGM

40 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Méta-ophiolites Chemin métamorphique Méta-sédiments Association : -sédiments -gabbros -basaltes -péridotites serpentinisées Fragments de lithosphère océanique emballés dans des sédiments le tout métamorphisé

41 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Cas des Schistes lustrés

42 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Schistes lustrés : système schisteux très plissé sur différentes échelles (cm à décimétrique). Le sens de cisaillement peut être déterminé grâce aux directions des charnières de plis. La schistosité générale des schistes présentent une inclinaison d ensemble vers l Ouest. Feuilletage parallèle, à espacement centimétrique ou millimétrique schistosité et orientation des minéraux perpendiculairement à la direction de raccourcissement tectonique + composante cisaillante. Interprétation plus rigoureuse des charnières de plis : alternance de flancs longs et de flancs courts (dissymétrie de flanc au niveau des plis mise en place de détachements en failles inverses avec des plis d entraînement.

43 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine 1-Schistes lustrés Chemin métamorphique Schwartz, 2000

44 Carte géologique de la partie centrale du VISO Schwartz, 2000 Peu de méta-sédiments par rapport aux méta-ophiolites

45 Assemblage minéralogique dans un métagabbro V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Schwartz, cpx+pl+eau = glaucophane 2- pl+eau+ox = lawsonite+albite PARAGENESE à gl+lws+al faciès des SCHISTES BLEUS de Basse-Température P = 9 à 11 kbars T = 250 à 400 C Caractérise les conditions P-T des Schistes lustrés

46 Assemblage minéralogique dans un métagabbro V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Estimation des conditions Pression - Température PARAGENESE à gl+lws+al faciès des SCHISTES BLEUS de Basse-Température P = 9 à 11 kbars T = 250 à 400 C Caractérise les conditions P-T des Schistes lustrés

47 Assemblage minéralogique dans un métagabbro V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Conditions métamorphiques Chemin métamorphique Assemblage minéralogique dans un métagabbro Schwartz, 2000 PARAGENESE à Glaucophane + grenat + quartz + jadéite + zoisite (Pyroxène + Plagioclase) + Glaucophane (Pyroxène + Plagioclase) + Grenat + Jadéite + H 2 O Extrait Carte géologique 1/ de la France BRGM

48 Assemblage minéralogique dans un métagabbro V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Schwartz, 2000 PARAGENESE à grt + qz + gl + jd + zo faciès des ECLOGITES P = 12 à 20 kbars T = 400 à 550 C Caractérise les conditions P-T des ophiolites du VISO

49 Assemblage minéralogique dans un granite éclogitisé V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique 1-Croûte continentale 2-Structure en dome 3-Présence de COESITE grenat coesite 50 m

50 Assemblage minéralogique dans un granite éclogitisé V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Croûte continentale Schwartz, Paragénèse à grenat avec COESITE faciès des ECLOGITES de très haute pression P > 25 kbars T > 550 C Caractérise les conditions P-T des massifs cristallins internes

51 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Diagramme pression-température des zones de stabilité de différentes phases minérales surimposées sur les domaines de gradient métamorphique et série de microphotographies interprétées de roches métamorphiques prélevées dans le massif du Queyras et du Viso (Alpes françaises et italienne)

52 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Mise en évidence du sens de subduction et la délimitation d unités structurales. Un gradient métamorphisme selon un axe est-ouest est souligné avec un métamorphisme plus poussé vers les régions de l Est 3 roches caractérisant 3 domaines P-T découpés en " faciès métamorphiques" Déformation et enfouissement plus important vers l Est Chemin métamorphique d après Mattauer, 1998

53 D après Nicollet, 1999 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique L identification de ces faciès métamorphiques permet de tracer une évolution régulière dans le diagramme P-T gradient métamorphique. renseigne directement sur le trajet P-T d une roche et donc sur le contexte géodynamique qu une région a subit au cours de son histoire. Existence d une paléo-zone de subduction caractérisée par des conditions HP-BT (haute pression basse température) fermeture de l'océan liguro-piémontais

54 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Existence d une paléo-zone de subduction caractérisée par des conditions HP-BT (haute pression basse température) fermeture de l'océan liguro-piémontais

55 V. V. Reconstitution de la tectonique régionale à partir des transformations minéralogiques Exemple sur la chaine alpine Chemin métamorphique Schéma de la paléozone de subduction alpine (-45 Ma) dans les Alpes occidentales Existence d une paléo-zone de subduction caractérisée par des conditions HP-BT (haute pression basse température) fermeture de l'océan liguro-piémontais

56 La relation entre cinétique de réaction et déformation C'est un problème de vitesse de réactions (cinétique). La vitesse d'une réaction métamorphique dépend de plusieurs facteurs qui sont : la chimie de la roche ; la texture de la roche : un basalte (roche magmatique à texture fine) présentera une cinétique de réaction beaucoup plus rapide qu'un gabbro (roche magmatique de même chimie que le basalte mais à texture grenue) ; le déformation associée : si l'échantillon subit une déformation, la cinétique des réactions augmente (la diffusion des atomes entre les minéraux étant alors facilitée).