Le métamorphisme et les roches métamorphiques Module : L1 Planète Terre 2015/2016 1
Roches endogènes roches magmatiques roches métamorphiques formées à l état solide à partir d une autre roche, magmatique ou sédimentaire (= roche originelle = protolithe) origine magmatique (orthodérivée) origine sédimentaire (paradérivée) (températures trop faibles ==> fusion ) 2
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
Mécanismes du métamorphisme : Roche préexistante portée dans des conditions différentes de celles de son milieu de formation Ensemble des modifications de la: - composition minéralogique, - texture (ou microstructure) opérées à l état solide Réactions minérales (déshydratation, décarbonatation), recristallisation (dissolution, nucléation, croissance cristalline) 4
Les différentes catégories de métamorphisme Métamorphisme d impact Métamorphisme Régional (MP, HT) Métamorphisme régional (HP, BT) Métamorphisme de contact Depth, km 0 35 Oceanic crust 75 Oceanic lithosphere Métamorphisme sous-marin (BP, BT) Diagenèse) 5
Notion de faciès métamorphiques lien avec le gradient géothermique diagenèse Le domaine du métamorphisme est borné par 2 limites: - BT: diagenèse - HT: fusion Faciès : Ensemble de roches de compositions chimiques les plus variées qui se sont formées de façon stable durant le métamorphisme sous des conditions physicochimiques données. 6
Nous allons en examiner deux grandes catégories - Le métamorphisme thermique («de contact»): recristallisation au contact d intrusions pas d'orientation des minéraux de la roche (pas de contraintes orientées) - Le métamorphisme dynamo-thermique («général», «régional») recristallisation sous contraintes (zones actives de la tectonique des plaques, orogènes = chaînes de montagnes ) orientation des minéraux (schistosité/ foliation, linéations ) 7
Les métamorphismes régionaux 8
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 ellesmêmes anisotropes (contraintes). Pression (contrainte): kilobar (kb) ou 100 mégapascal (MPa)
Les structures des roches des métamorphismes régionaux roche originelle ± DT ± DP ± contraintes tectoniques roche métamorphique contraintes tectoniques : anisotropes minéraux orientés lors de leur cristallisation Ellipsoïde des contraintes s 1 s 1 s 3 s 3 3 s 1 s 1 structure orientée Ellipsoïde des déformations Déviateur de contrainte: s 1 s 3 10
Schistosité et foliation SCHISTOSITÉ FOLIATION! aspects de la roche selon la section observée ex : gneiss niveau micacé niveau quartzo-feldspathique ± litage minéralogique = niveaux de composition minéralogique orientation préférentielle des minéraux dans un plan Schistosité Foliation cisaillement pur (aplatissement) et cisaillement simple http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/schisto-cisaillt.xml 11
Les linéations linéations 1) intersection 2) minérale 3) étirement LINÉATION MINÉRALE orientation préférentielle des minéraux selon une direction axe de pli linéation de micropli = 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
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. 14
Le métamorphisme de contact 15
Au contact d une intrusion magmatique Elévation de la température (P constante): Diffusion de la chaleur (conduction) 0 M N 100 300 500 T C Croûte N 10 100 C 10 300 C 20 km 10 km 500 C 20 Prof M 16
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. 17
Influence de la composition chimique du protolithe Diffusion chimique Réactions minérales 18
Les principaux facies du métamorphisme de contact Faciès des cornéennes Roches compactes, dures, non orientées (roche granoblastique) Facies des schistes tachetés s 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 19
Croissance cristalline dans une microstructure granoblastique 20
Les roches métamorphiques 21
Notion de séquence métamorphique La constitution minéralogique dépend en grande partie de la composition chimique originelle. Une roche constituée initialement par un grès siliceux pur ne peut donner autre chose qu une recristallisation du quartz en l absence d apport extérieur. Chaque roche sédimentaire produit donc une suite de transformations en fonction de l intensité du métamorphisme. 22
Le groupe silico-alumineux: schistes Les roches foliées : Les ardoises : roches à grains fins et homogènes possédant une schistosité très marquée et régulière du fait de la grande homogénéité du matériel et de l absence d une autre schistosité fortement sécante sur la première. Suppose une histoire tectonique simple (roches peu transformées). Equivalent d un schiste de métamorphisme faible. Les phyllades : «schiste à grains fins», roches surmicacées donc très «soyeuses» avec schistosité. Terme ambigu. Les schistes : roches ayant acquis une schistosité sous l influence de contraintes tectoniques. 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 une schistosité ± apparente avec des minéraux formant des nodules ou des taches. Par rapport aux cornéennes, l effet thermique est moindre. 23
Le groupe silico-alumineux: micaschistes Recristallisation permanente: transformations minéralogiques & structurales; croissance des cristaux r. Sédimentaire protolithe pélite / argilite r. faiblement métamorphique schiste vert r. moyennement métamorphique micaschiste qz P T P T 1 mm qz argiles P atm T ~ 20 C Al (K, Na) FeMg séricite chlorite réactions minéralogiques (isochimie) P ~ 1,5 kbar (prof ~ 5 km) T ~ 250-450 C muscovite biotite staurotide (Si, Al, Fe, Mg) P ~ 5 kbar (prof ~ 15 km) T ~ 500-650 C litage sédimentaire schistosité schistosité 24
Le groupe silico-alumineux: gneiss Les gneiss : roches foliées à grains milli ou centimétriques, présentant une meilleure cohérence que les schistes. Roches riches en feldspaths (le quartz est commun mais pas obligatoire). On distingue : - 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 un domaine très vaste de température et pression explique la répartition très large de ces minéraux. La nature des autres minéraux (micas, amphiboles, pyroxènes...) traduit la composition de la roche initiale et les conditions physiques rencontrées. Les leptynites sont un type particulier de gneiss dont la composition ne permet pas le développement d une grande proportion de micas. Les granulites : roches résultant d un métamorphisme fort. Ce sont des roches à grains fins. Quartz et feldspaths sont dominants. Parfois hypersthène ou grenat sont présents. 25
orthogneiss et paragneiss orthogneiss structure équante (macrocristalline) biotite f. alcalin r. magmatique granite r. métamorphique gneiss structure orientée = foliation (contraintes tectoniques feldspath (alc. + plagio) quartz quartz plagioclase 1 mm biotite (orientée ) mêmes espèces minérales que dans le granite: micas, feldspaths, quartz mais soit héritées et très déformées (clastes) soit recristallisées (blastes) paragneiss Sédiment gneiss: formation de feldspaths par réaction minérale de la muscovite. Formation de sillimanite 26
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, 27
Le groupe ferro-magnésien: chloritoschistes, amphibolites, éclogites Epidote-quartz 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 en chlorite 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 que d une composition basaltique. Roches de métamorphisme élevé à cristaux de grenats roses et de pyroxènes verts bien visibles à l oeil nu. amphibolite éclogite 28
Le groupe carbonaté: marbres, calcaires métamorphiques calcite bioclastique calcite recristallisée Calcaire Marbre Anisotropie planaire absente ou difficile a voir (texture granoblastique). Roches issues de roches carbonatées. (Origine sédimentaire des formations dans lesquelles elles sont interstratifiées). Les marbres : carbonates recristallisés ± autres minéraux Mg (forstérite, phlogopite, trémolite, actinote, talc). Grain variable. Roches tendres (rayables par l acier). 29
Le groupe siliceux: grès quartzeux, quartzite Grains de quartz quartz recristallisé Anisotropie planaire absente ou difficile a voir. Métamorphisme régional ou de contact. 30
Les textures (microstructures) des roches métamorphiques 31
Les textures 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
calcaire métamorphique texture granoblastique, hétérogranulaire 33
Chloritoschiste/sericitoschiste texture lépidoblastique 34
amphibolite texture nématoblastique 35
Micaschiste à grenats Souvent, association de plusieurs types de minéraux termes composés - texture grano-lépidoblastique - texture grano-nématoblastique - texture grano-porphyroblastique texture lépido-porphyroblastique 36
Mylonites 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 Passchier and Trouw (1996) Microtectonics. Springer-Verlag. Berlin Augmentation de l épaisseur de la zone 37
Texture mylonitique claste Quartz en ruban Ultra-mylonite 38
Les minéraux des roches métamorphiques 39
Les minéraux des roches métamorphiques silico-alumineuses ceux des roches magmatiques: - Quartz - Feldspaths alcalins - Plagioclases - Micas (muscovite, biotite) minéraux spécifiques, dont : - phyllosilicates chlorite, phengite (séricite) - silicates d alumine FeMg staurotide, grenat, cordiérite, chloritoïde - silicates d alumine purs andalousite, sillimanite, disthène 40
Les polymorphes SiAl 2 O 5 : andalousite 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 41
Les polymorphes SiAl 2 O 5 : sillimanite La sillimanite Al 2 SiO 5 Forme des plages allongées gris-nacré sur les échantillons. Prismes, baguettes, aiguilles, fibres. Conditions de formation : minéral de haute température. Surtout dans les gneiss et micaschistes. Souvent associé à la cordiérite et au grenat. Rarement dans le métamorphisme de contact. 42
Les polymorphes SiAl 2 O 5 : disthène 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 SiAl 2 O 5 : le diagramme de phases 44
Les grenats Les grenats (cubiques) (SiO 4 ) 3 (M 3+ 2 M2+ 3 ) Sections ± arrondies. Brun à brun rouge Translucide, éclat gras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les roches 45
La staurotide La staurotide (Fe, Mg) 2 Al 9 Si 4 O 22 (O,OH) 2 Cristaux allongés: prismes à base sub-hexagonale. Brun à brun rouge. Translucide, éclat gras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les roches. Mâcle en croix fréquente. Altération : parfois en produits micacés. Conditions de formation : forte pression et en dessus de 550 C. Minéral se rencontrant dans les micaschistes, gneiss. 46
Les phyllosilicates Phengites (séricite) (>250 C) Muscovite/biotite (>520 C). Paillettes à éclat vitreux - Muscovite [Si 3 Al] O 10 Al 2 (OH) 2 K - Biotite [Si 3 Al] O 10 (Fe,Mg) 3 (OH) 2 K Chlorite (> 250 C): Paillettes, couleur verdâtre de la roche [Si 3 Al] O 10 (Fe, Mg, Al) 6 (OH) 8 47
Ce que vous devez faire en travaux pratiques: 1 vos observations -Minéraux minéraux 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 48
Ce que vous devez faire en travaux pratiques: 2 les échantillons à observer 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 migmatiques 49