UE Géodynamique et matériaux Les roches métamorphiques: que nous disent-elles? Semestre S2-2016 https://perso-sdt.univ-brest.fr/~jacdev/ Jacques DEVERCHERE UBO-IUEM Docs: G. Chazot et C. Nicollet Plan 1. Introduction: Métamorphisme, définition intérêt 2. Pression, Température, degré de métamorphisme (répartition, vérité de terrain) 3. Métamorphisme: Pourquoi, comment (lien avec la déformation et la géodynamique gradients métamorphiques) 4. Transformations et réactions minéralogiques (processus isochimique transformations polymorphiques, réactions minéralogiques: paragenèses - exemples) 5. Principales séries métamorphiques (faciès métamorphiques, métamorphismes locaux et régionaux: HP-BT, MP, BP-HT) 6. Intensité du métamorphisme (degrés, séquences) 7. Chronologie et datations 1
1. Introduction Métamorphisme: transformations à l'état solide lorsque T, Pression lithostatique (PL) et Pression fluide (PF) changent En conséquence, métamorphisme = informations sur l ETAT THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE (et son histoire) ( flux de chaleur, sources et transferts de chaleur ; isothermes et géothermes ; instabilités thermiques dans la L (modifications thermiques au cours d'un épaississement./amincissement). Comment obtenir ces informations? Par l observation des roches affleurant à la surface de la Terre qui ont été exhumées les roches «méta» sont des "fossiles thermiques". Voir site de C. NICOLLET: http://christian.nicollet.free.fr/ 2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme 2
2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme -> Transmission des «pressions» dans les roches: les contraintes contrainte moyenne σm à partir des 3 contraintes principales : σm = 1/3 (σ1 + σ2 + σ3) avec σ1 > σ2 > σ3 Contrainte déviatorique ou déviateur des contraintes = σ - σm Contrainte différentielle = σ1 - σ3 2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme -> Stratification rhéologique et niveaux structuraux: Supérieur Cisaillement Moyen Flexion Inférieur Aplatissement, écoulement Métamorphisme M. Mattauer, Montpellier 3
Exemple de variations des niveaux structuraux dans les chaînes - Sans schistosité: Jura, Bétiques, - Avec schistosité, épizone: Pyrénées, Caucase, Coupe Vue en 3D Chaîne symétrique M. Mattauer, Montpellier Zones externes - Avec schistosité, zones plus profondes: Alpes, Himalaya, MA Zones internes M. Mattauer, Montpellier Souvent: forte dissymétrie -> Vergences -> Conditions de formation Limites entre niveaux structuraux très variables -> la profondeur ne joue pas seule 2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme Répartition des isothermes dans la lithosphère La dynamique du globe est responsable des perturbations des isothermes! 4
2. Pression, température: contrôle du degré de métamorphisme Déformation et transformations minérales sont intimement liées, de l échelle microscopique à l échelle du paysage «Vérité» de terrain: c est la collecte de données sur le terrain qui permet d abord d accéder à cette histoire des roches par l analyse P-T fossilisée 3. Métamorphisme: Pourquoi, comment? Trajet Pression - Température - temps (P - T - t) d une roche métamorphique gradient métamorphique Trajectoires P-T-t des roches R épaississement et amincissement d une chaîne de montagne dans la croûte continentale 1. Convergence -> Chemin prograde: mauvaise conductivité thermique -> trajet proche de l axe P 2. convergence s'interrompt: les roches se réchauffent et commencent à remonter (le géotherme augmente et dépasse GLs, le géotherme dans la Lithosphère stable) 3. Lorsque la remontée s'accentue, P et T diminuent ensemble 5
3. Métamorphisme: Pourquoi, comment? Au cours du trajet prograde (P et T augmentent), les roches modifient leur minéralogie en franchissant des réactions de déshydratation du type : H = A + V où H est un assemblage de minéraux hydratés, A de minéraux anhydres et V la phase vapeur (H2O). Au cours du métamorphisme rétrograde (T et P diminuent), de telles réactions sont franchies en sens inverse, mais la vapeur nécessaire à leurs réalisations n'est plus disponible : les associations minéralogiques de plus hautes T persistent. Ces associations minéralogiques nouvelles ou «paragenèses» matérialisent le gradient métamorphique (tirets verts). Les intersections entre les trajets P-T-t et les géothermes montrent que les roches n atteignent pas leurs pics en température au même moment. 3. Métamorphisme: Pourquoi, comment? Exemples de trajectoires P-T-t produites dans différents contextes géodynamiques Les portions en trait plein sont les seules susceptibles d être préservées par les paragenèses des roches. GLs : géotherme moyen à l'intérieur de la Lithosphère stable. Le Trajet P T t d'une roche est caractéristique du Contexte Géodynamique dans lequel cette roche s'est formée. 1 et 2 : roches au sommet de la croûte continentale chevauchée lors d'une collision continent - continent et remontant à des vitesses variables (v1>v2). 3: Roche à la base de cette même croûte. 4 : roche magmatique (basique) mise en place et refroidissant à la base d une croûte continentale en extension ou sous un arc insulaire. Un nouvel événement orogénique est nécessaire pour ramener les roches 3 et 4 à la surface. 5 : gabbro mis en place et refroidissant dans la croûte océanique. 6 : épaississement accompagné d intrusions magmatiques. 6
3. Le métamorphisme: Pourquoi, comment? Exemples de trajectoires P-T-t produites dans différents contextes géodynamiques (position des roches 1, 2, 3 et 6 sur cette figure correspond au pic en pression de leurs trajets respectifs dans le diagramme PT) Les gradients métamorphiques (métamorphisme régional) Roches: témoins de conditions variables, progressives, depuis les faibles degrés jusque, parfois, les conditions de l anatexie ->évolution régulière dans le diagramme P-T = gradient métamorphique. 3 domaines (HP-BT, MP-HT et HT- BP) = évolutions métamorphiques régionales les plus fréquentes A = Anatexie : limite entre le domaine des transformations à l'état solide du métamorphisme et celui du magmatisme: les roches commencent à fondre (commun dans le cas du métamorphisme de MP - HT et BP HT) Aucun de ces gradients ne coïncide avec le géotherme moyen d'une lithosphère stable (GLs). Cela signifie que ces gradients ne se sont pas formés dans les conditions de cette lithosphère stable: ils apparaissent dans différents contextes géodynamiques. Le gradient métamorphique HP-BT indique que lorsque la pression (c est à dire la profondeur) augmente, la température reste faible. C est l inverse dans le cas du gradient métamorphique de HT-BP. Lignes noires = champs de stabilité des 3 silicates d alumine : disthène (K), sillimanite (S) et andalousite (A). Leur succession est différente dans le cas d un gradient de MP, avec (K), puis (S) quand T augmente et dans le cas d un gradient de BP avec (A), puis (S). 7
4. Transformations et réactions minéralogiques 4A. Métamorphisme: un processus «isochimique» Les processus métamorphiques peuvent être considérés, en première approximation, comme isochimiques: ils ne modifient pas la composition chimique des roches (à l exception, toutefois, des fluides). Ainsi, un banc de calcaire initialement intercalé dans des marnes, donne, après métamorphisme, un banc de marbre (M) intercalé dans des amphibolites (A). 8
4B.Transformations polymorphiques modifications de la structure d'un minéral sans changement de sa composition minéralogique Cas des silicates d'alumine (alumino-silicates) Al 2 SiO 5 Disthène Sillimanite Andalousite Relation entre la Composition Chimique et la Composition Minéralogique d'une Roche Métamorphique : la Règle des Phases de Gibbs (relation mathématique simmple reliant le nombre de minéraux et le nombre de constituants chimiques de la roche) 4C. Réactions minéralogiques Phase A + Phase B = Phase A + Phase B = Phase C Phase C + Phase D évolution métamorphique prograde: disparition, apparition de minéraux, mais nombre constant M = nombre de phases physiquement distinctes : minéraux (et phase vapeur) 9
4D. Quelques transformations minérales NaAlSi 2 O 6 + SiO 2 = NaAlSi 3 O 8 Jd Qtz Ab 10
Autres exemples de nouvelles associations de minéraux = paragénèses MgSiO 3 + CaAl 2 Si 2 O 8 = CaMgSi 2 O 6 + Al 2 SiO 5 En Anorthite Diopside Andalousite 4 (Mg,Fe)SiO 3 + CaAl 2 Si 2 O 8 = Opx Plag (Mg,Fe) 3 Al 2 Si 3 O 12 + Ca(Mg,Fe)Si 2 O 6 + SiO 2 Gnt Cpx Qtz Autre réaction chimique classique: Déshydratation Muscovite + quartz -> feldspath potassique + andalousite + H 2 O Suivi sur le terrain de la réaction chimique: On observe d'abord des roches présentant la paragénèse muscovite + quartz; puis, on observe des roches sans muscovite, mais avec feldspath potassique et andalousite. On a alors passé la limite des roches avec muscovite et des roches sans muscovite. On appelle isograde cette limite sur le terrain. + - KAl 2 Si 3 AlO 10 (OH) 2 + SiO 2 = KAlSi 3 O 8 + Al 2 SiO 5 + H 2 O Ms Qtz Kfs Sill W 11
Décarbonatation CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 Cal Qtz Wo But: regrouper des roches avec des paragenèses différentes mais soumises à des intervalles de P et T données, indépendamment de leur composition chimique Les noms des faciès correspondent aux noms des roches de composition basaltique, métamorphisées dans les intervalles PT correspondants 5. Principales séries métamorphiques Pour raisonner dans le vaste espace P-T, il faut faire des subdivisions A. Faciès métamorphiques 12
Zéolite Schiste vert Granulite Amphibolite Schiste Eclogite bleu Différents faciès métamorphiques pour un basalte en fonction des conditions de pression et de température. 5. Principales séries métamorphiques B. Les métamorphismes locaux (dynamo-méta. et méta. thermique) Le métamorphisme de contact : résultat de la redistribution de la chaleur depuis les parties profondes (par convection-libération de la chaleur latente de crist.-conduction) Les faciès du métamorphisme de contact (ou métamorphisme thermique se développant à la périphérie d'un massif plutonique) sont: Corn AE : cornéenne à albite et épidote, Corn Hbl : cornéenne à hornblende, Corn Px : cornéenne à pyroxènes et grenat. 13
5. Principales séries métamorphiques C. Les métamorphismes régionaux Les faciès Schiste Bleu, Eclogite, Schiste Vert, Amphibolite et Granulite sont des faciès du métamorphisme régional. 1. Le métamorphisme HP-BT Localisation ( zones de convergence actives, récentes : océan-cont., cont.-cont. ; rares ds les orogènes anciens). Paragenèses - dans les métapélites (pas de biot., mais phengite ; minéral spécif. : carpholite ; à HP-"HT" les faciès SB et éclogite sont relayés par le "faciès" schistes blancs (à talc-ky). - dans la séquence Q-F (contrairement aux autres grdts méta., modification minéralogique significative avec : Jadéite, lawsonite, phengite.) - dans la séquence basique (association caractéristique dans le faciès Schistes Bleus : glaucophane - lawsonite (+ Chl, pheng., sphène, rutile, albite/jadéite) ; dans le faciès éclogite : omphacite - Grenat (+acc.) ; on définit 3 groupes d'éclogites). Exemple régional : les Alpes, du Queyras au Viso 5. Principales séries métamorphiques C. Les métamorphismes régionaux 2. Le métamorphisme MP Localisation dans les chaînes anciennes prétérozoïques et paléozoïques et plus rarement dans les chaînes plus récentes et archéennes. - lithologie variée (pélites, métabasites, etc.) depuis les faciès SV - Amph. et l'anatexie ; présence de reliques rares d'éclogites "B" (=HT) et métapéridotites. - paragenèses dans les métapélites et tracé du gradient méta : carte des isogrades, minéralogie des Gneiss à 2 Micas, à Grenat, à Disthène, à Staurotide, à Sillimanite, d'anatexie = tracé du gradient méta ; représentation des paragenèses dans un diagramme AFM.) - 1 mot sur les paragenèses des métabasites (réactions continues). Exemple régional : le dôme du Lévezou en Rouergue, MCF. 3. Le métamorphisme de BP-(HT) : Rares dans les chaînes récentes ; commun à l'archéen. - paragenèses dans les métapélites du faciès SV à l'anatexie et faciès granulite ; minéralogie ds les métapélites : 2 micas, andalousite, cordièrite, Sillimanite, disparition de la musc, anatexie, orthopyroxène (charnockite d'ansignan, Agly) Exemples régionaux : Massif de l'agly (Pyrénées), du Pilat-Velay (MCF) (surimposition d'un grdt de BP sur un grdt de MP). 14
6. Intensité du métamorphisme 15
6. Intensité du métamorphisme Exemples de caractéristiques types : marnes et basalte Séquences métamorphiques ensemble des roches métamorphiques, de degré variable, issu d'un même type de roche initiale caractérisé par une certaine composition chimique moyenne 6. Intensité du métamorphisme 16
6. Intensité du métamorphisme Séquences métamorphiques ensemble des roches métamorphiques, de degré variable, issu d'un même type de roche initiale caractérisé par une certaine composition chimique moyenne Minéraux en fonction du protolithe (roche initiale) et du faciès métamorphique 7. Chronologie et datations Paragenèse: - antécinématique - syncinématique - postcinématique 17
Méthodes de datation: nombreuses Le plus souvent: utilisation de méthodes radio-isotopiques Ex: couple Rb (rubidium) Sr (strontium) Couple K (Potassium) Ar (Argon) Couple Ar Ar Traces de fission sur Apatite Exemple des Alpes 18
Exemple des Alpes Conclusions Le métamorphisme témoigne d une Terre «vivante» Transformation à l état solide dépendant du protolithe,des conditions P-T et de la cinétique (vitesse) On définit des gradients, des réactions chimiques (- > paragenèses), des faciès (-> séries), une intensité (séquences), une chronologie (-> datation) Ceci permet une reconstitution de grands processus géodynamiques sur des Ma 19
Pour en savoir plus Ressources Web /ouvrages Cours Univ. Lille: http://cours-geosciences.univlille1.fr/cours/cours_metamorphisme/cours_metamorphisme.html Site Web C. Nicollet: http://christian.nicollet.free.fr/page/enseignement/licencemetam.html Site ENS Lyon: http://planet-terre.ens-lyon.fr/ Références bibliographiques : Kornprobst, J. (1994) : Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique. Masson, 224 p. McKenzie : Atlas des roches métamorphiques (photographies des minéraux et roches du métamophisme) 20