Chapitre 2 : Le métamorphisme et sa relation avec la tectonique des plaques

Introduction

La modification des conditions de pression et de température auxquelles les roches sont exposées peut entraîner une modification de la structure et de la composition de ces roches à l’état solide, donnant de nouvelles roches appelées roches métamorphiques. 

• Quelles sont les caractéristiques structurales et minéralogiques des roches métamorphiques ?
• Quelle est la relation entre le métamorphisme et la dynamique des plaques ?

I – Données de terrain sur les roches métamorphiques

1 – Étude d’une carte géologique d’une région de collision

La figure suivante représente une carte géologique de la région qui appartient aux Alpes. 

Q-1 – Quels sont les types de formations rocheuses dans la zone étudiée ?
Q-2 – Quelles sont les déformations tectoniques associées aux roches métamorphiques et quelle est leur signification ?

R-1 – Les types de formations rocheuses observées dans la zone étudiée sont : 

• Roches ignées : Granit et Diorite.
• Roches métamorphiques : schistes, micaschistes, quartzites, gneiss, amphibolites et éclogites.

 

R-2 – On observe sur la carte la présence de plusieurs failles associées à des roches métamorphiques. La présence de ces déformations indique qu’elles sont soumises à des contraintes tectoniques (forces de compression), ce qui indique que le métamorphisme est lié à la tectonique des plaques. 

2 – Caractéristiques structurales et minéralogique des roches métamorphiques

La figure suivante présente des schémas de lames microscopiques de roches métamorphiques (schiste vert, Micaschiste et Gneiss). 

Le tableau suivant montre la composition chimique de l’argile et de quelques roches métamorphiques 

	Argile	Schiste	Micaschiste	Gneiss
SiO2	68.3	60.2	64.88	69.68
Al2O3	14.75	20.9	14.63	14.58
FeO3	4.75	2.8	6.41	4.26
MgO	1.71	0.85	2.79	1.63
CaO	0.83	0.55	1.68	1.61
Na2O	2.95	2.45	2.73	3.25
K2O	3.17	4.1	3.35	2.93
H₂O	4.5	4.05	2.28	1.13

Q-1 – Comparez les microstructures et la composition des 3 roches.
Q-2 – Comparez entre la composition chimique des roches présentées par le tableau, et proposez une hypothèse sur l’origine des roches métamorphiques.

R-1 – 

• Schiste : roche à texture schisteuse constituée par des feuillets plus ou moins minces, ondulés, suivant lesquels les minéraux constitutifs de la roche sont orientés parallèlement les uns par rapport aux autres.
• Micaschiste : roche à texture schisteuse et foliée présentant une alternance de feuillets de composition différente dont les délimitations sont visibles entre les lits. (lits sombres à biotites et lits clairs à quartz et feldspath)
• Gneiss : roche à texture foliée, difficile à cliver, caractérisé par une alternance de lits sombres constitués de minéraux de micas et de lits clairs constitués par des minéraux de quartz et feldspath.

 

R-2 – Les roches argileuses ont la même composition chimique de ces roches métamorphiques. En effet, on peut supposer que ces dernières sont le résultat de transformation des roches argileuse soumises à des conditions de T et P croissantes. 

II – Les facteurs du métamorphisme

1 – La mise en évidence des conditions du métamorphisme

a – Influence de la pression

Expérience : Dans un cylindre à piston et avec des ouvertures rectangulaires à sa base, un mélange d’argile et de cristaux laminaires de mica est soumis à une haute pression appliquée par le piston. La figure suivante présente des schémas de l’expérience et de ces résultats. 

Q – Que peut-on déduire de l’analyse de ces résultats ?

R – Analyse : On constate que les minéraux de micas sont alignés selon des plans parallèles. Ce sont les plans de la schistosité (perpendiculaires à la direction de la force de pression).

Conclusion : La pression change la structure des roches métamorphiques à l’état solide, et conduit à l’apparition de la structure schisteuse (schistosité). 

b – Influence de la température

Données expérimentales :
Lorsque l’argile est soumise à une haute température, on obtient des minéraux issus de réaction chimique irréversibles (Ex : la poterie).
Winkler a étudié l’effet de l’augmentation de la température sur l’argile, les résultats sont représentés par la figure suivante. 

Q – Que peut-on conclure de ces résultats ?

R – Ces expériences montre que lorsque la température augmente, la roche solide subit des transformations irréversibles.
La composition minéralogique de la roche change par l’apparition de nouveaux minéraux et la disparition d’autres.
 

Donc, la température est un facteur qui induit des transformations dans la roche dans son état solide.
Exemple : La réaction de la transformation de la Kaolinite en Andalousite à 570C
Définition du métamorphisme : C’est l’ensemble des changements structurels et minéralogiques qui se produisent sur une roche préexistante (sédimentaire ou magmatique) par l’action de la pression et de la température ou des deux. Le métamorphisme s’effectue à l’état solide de la roche. 

2 – Les conditions de métamorphisme dans la nature

La figure suivante présente les courbes des géothermes continental, océanique et dans la dorsale océanique. 

Q – Analysez la figure.

R – Les courbes montre que plus, on s’enfonce sous la terre, plus la température augmente, en moyenne l’augmentation est de 3C tous les 100 m, c’est le gradient géothermique moyen. Ce gradient n’est pas constant, car il existe, par exemple, des régions où la température augmente plus rapidement avec l’augmentation de la profondeur (dorsal océanique).
La pression augmente aussi avec la profondeur, c’est la pression lithostatique qui est due au poids des roches et la pression hydrostatique qui est due à la pression des fluides.

Remarque : En plus de la pression des roches et de la pression des fluides, les roches (principalement dans les zones de convergence) peuvent être soumises à des contraintes tectoniques supplémentaires résultant de la tectonique des plaques. 

III) Notion du minéral indicateur et faciès métamorphique

1) Notion du minéral indicateur et séquence métamorphique

Pour comprendre la notion du minéral indicateur et de la séquence métamorphique, on propose l’étude des données suivantes 

• Données 1 :

Le tableau 1 suivant présente la composition minéralogique de 3 échantillons de roches A, B et C prises d’une même région. 

Tableau 1	Roche A	Roche B	Roche C
Quartz	+	+	+
Chlorite	+
Muscovite (Mica blanc)	+	+
Biotite (Mica noir)		+	+
Feldspath			+
Andalousite		+
Sillimanite			+

Q-1 – Déterminez la composition minéralogique de chaque roche.

Q-2 – Déterminez les changements observés lors : 

• Du passage de la roche A à la roche B.
• Du passage de la roche B à la roche C.

1.  

Q-3 – Déduisez, en justifiant votre réponse, le phénomène qu’ont connu ces roches.
La figure 2 donne la séquence métamorphique des roches argileuses Et sa composition minéralogique.
 

• Données 2 :

Un mélange de silicates d’alumines a été soumis à des conditions de température et de pression variables et croissantes, et on a pu déterminer les conditions de l’apparition et les domaines de stabilités des 3 minéraux : Andalousite, Disthène et Sillimanite. Ces minéraux ont la même formule chimique : Al2O(SiO4).
Les résultats sont représentés dans la figure suivante : 

Q-4 – Analysez ce graphique 

• Données 3 :

La figure suivante donne la séquence métamorphique des roches argileuses Et sa composition minéralogique. 

Q-5 – Que peut-on déduire de l’analyse de ce tableau (2).

Q-6 – En se basant sur toutes les données précédentes, proposez une définition Pour le concept de métamorphisme, le minéral indicateur et la séquence métamorphique

R-1 – La composition minéralogique de : 

• La roche A : Quartz, chlorite et muscovite.
• La roche B : Quartz, muscovite, biotite et andalousite.
• La roche C : Quartz, Biotite, Feldspath et Sillimanite.

 

R-2 – Les changements observés lors du : 

• Passage de la roche A à la roche B : Disparition de la chlorite et apparition de l’andalousite et de la biotite
• Passage de la roche B à la roche C : Disparition de la muscovite et de l’andalousite, et apparition de la sillimanite et des feldspaths.

 

R-3 – Le changement de composition minéralogique des roches A, B et C, avec la disparition de minéraux et l’apparition d’autres lors du passage d’une roche à une autre, indique que la région étudiée a subi le phénomène du métamorphisme.

R-4 – On constate que chaque minéral a des conditions de température et de pression bien déterminées pour qu’il soit en état stable et que lorsque ces conditions changent, il se transforme en autre minéral. Les conditions de stabilité pour chaque minéral constituent donc son domaine de stabilité, et les lignes qui bordent les champs de stabilités représentent les conditions nécessaires pour la réaction minéralogique de la transformation d’un minéral à un autre.

R-5 – D’après les tableaux, on constate que, sous l’influence de la température et de la pression : 

• Les roches métamorphiques se succèdent progressivement selon le degré du métamorphisme.
• Chaque roche est caractérisée par la présence d’un ou plusieurs minéraux bien déterminés.
• Les roches subissent un métamorphisme durant lequel on passe d’une association déterminée des minéraux à une autre, c-à-d qu’il y a eu disparition de certains minéraux et apparition d’autres plus stables.

 

R-6 – Définitions : 

• Minéral indicateur : minéral qui ne peut être stable que dans des conditions précises de pression et de température, son domaine de stabilité est réduit. La présence de minéral indicateur dans une roche métamorphique témoigne des conditions de sa formation.
• Séquence métamorphique : Est un ensemble de roches métamorphiques, à des degrés différents, reconnues comme issues d’un même type de roche.

2 – Faciès métamorphique

La figure suivante donne les différents faciès métamorphiques Pour la roche d’origine basalte ou gabbro. 

Q-1 – Analysez la figure sachant que le schiste Vert, schiste bleu et amphibolite et l’éclogite ont une composition chimique similaire.
Q-2 – Donnez une définition précise faciès métamorphique et de la série métamorphique.

R-1 – On constate qu’il y a une Variation dans la composition du schiste vert, schiste bleu, amphibolite et éclogite, c’est-à-dire que chaque faciès est caractérisé par une association déterminée de minéraux. Cette variation dépend des conditions de Pression et de Température de la formation de la roche.

R-2 – Faciès métamorphique : Association déterminée de minéraux caractéristiques qui permet de définir les conditions de pression et de température qui régnait lors de la formation de la roche métamorphique indépendamment de sa composition chimique.
Série métamorphique : c’est la succession de faciès métamorphiques qui traduisent l’évolution de la roche lors d’un métamorphisme. Exemple : 

• Gabbro → faciès de schiste bleu → faciès d’éclogite.
• Argile→ faciès de schiste vert →faciès d’amphibolite.

IV – Les types de métamorphisme et leur relation avec la tectonique des plaques

1 – Les domaines du métamorphisme dans la nature

La figure suivante illustre les 3 domaines de métamorphisme observés dans la nature.
 

Q – Analysez la figure et déterminez les 3 types de métamorphisme.

R – Le type de métamorphisme est basé sur l’influence des facteurs du métamorphisme (P et T), et sur la nature du processus géologique responsable du métamorphisme observé. Généralement, on peut distinguer entre 3 types : 

• Métamorphisme de contact (ou thermique) : Ce métamorphisme essentiellement lié à l’élévation de la température (HT-BP), il survient au contact des roches magmatiques. Dans la nature, ce métamorphisme est bien caractérisé par la formation des auréoles de métamorphisme de contact, qui entourent la roche magmatique.
• Métamorphisme dynamique (de subduction) : Ce métamorphisme principalement lié à l’élévation de la pression (BT-HP). Il survient dans les zones d’enfouissement (subduction) où se produit une élévation de pression alors que la température reste faible.
• Métamorphisme thermodynamique ou général (régional) : Ce métamorphisme lié à l’élévation de la pression et de la température (HT-MP). Le métamorphisme régional forme de grandes régions métamorphiques dans les zones de collisions.

2 – Exemples

a – Métamorphisme dynamique (BT-HP)

L’étude de trois échantillons de roches R1, R2 et R3 appartenant à la chaîne de montagne d’Oman a permis d’obtenir les résultats du tableau suivant.
 

Échantillons de roches	Condition de formation
	Pression en GPa	Température en C
R1	0.3	320
R2	0.8	420
R3	1.6	530

Le diagramme pression-température de la figure suivante montre les domaines de stabilité de quelques associations minéralogiques et les différents faciès métamorphiques. 

Q-1 – Déterminez les faciès métamorphiques auxquels appartiennent chacune des roches R1, R2 et R3.
Q-2 – Déterminez les transformations minéralogiques lorsqu’on passe de la roche R1 à la roche R2, et de la roche R2 à la roche R3.
Q-3 – Déduisez le type de métamorphisme dans cette région et le phénomène géologique qui y est responsable, justifiez votre réponse.

R-1 – Le faciès métamorphique auquel appartient : 

• La roche R1 est le faciès du schiste vert.
• La roche R2 est le faciès du schiste bleu.
• La roche R3 est le faciès de l’éclogite.

 

R-2 – 

• Lors du passage de la roche R1 vers la roche R2 on observe la disparition de la chlorite et de l’actinote et l’apparition du glaucophane.
• Lors du passage de la roche R2 vers la roche R3 on observe la disparition du glaucophane et l’apparition de la jadéite et du grenat.

 

R-3 – Les roches R1, R2 et R3 ont subi un métamorphisme de haute pression et de basse température (métamorphisme dynamique), car le passage du faciès du schiste vert au schiste bleu puis à l’éclogite est accompagné par une forte augmentation de la pression avec une température faible.
Le phénomène géologique responsable de ce type de métamorphisme est la subduction. 

b – Métamorphisme régional (HT-MP)

Le document présente la carte géologique simplifiée d’une région située dans la chaîne de Pyrénées, avec la répartition de certains minéraux index. 

Q-1 – À partir des données du document 1, déterminez les changements minéralogiques lorsqu’on passe de la zone Zb à la zone Zd, et lorsqu’on passe de la zone Ze à la zone Zf.
Le document 2 présente les domaines de stabilité des minéraux en fonction des conditions de la pression et de la température, avec l’emplacement des points R1, R2, R3 et R4 qui représentent successivement les conditions dans lesquelles se sont formées les roches prélevées des zones Zb, Zd, Ze et Zf. 

Q-2 – À partir du document 2, expliquez les changements minéralogiques lorsqu’on passe de la zone Zb (zone de formation de la roche R1) à la zone Zd (zone de formation de la roche R2) et lorsqu’on passe de la zone Ze (zone de formation de la roche R3) à la zone Zf (zone de formation de la roche R4).
Lors la formation d’une chaîne de montagne, différents types de métamorphisme ont lieu selon les conditions de pression et de température. Le document 3 présente ces différents types de métamorphisme. 

Q-3 – À partir du document 2, déterminez les valeurs minimales et les valeurs maximales de pression et de température qu’a connue la zone étudiée (lorsqu’on passe de R1 à R4).
Q-4 – Grâce au document 3, déduisez le type de métamorphisme subi par les roches de la zone étudiée du massif d’Agly. Justifiez votre réponse

R-1 – Les changements minéralogiques : 

• Lorsqu’on passe de Zb à Zd : apparition de la Cordiérite.
• Lorsqu’on passe de Ze à Zf : disparition de la Muscovite et apparition du Feldspath potassique.

 

R-2 – Explication des changements minéralogiques : 

• Lorsqu’on passe de Zb à Zd : P et T augmentent pour atteindre le domaine de stabilité de la Cordiérite et de l’Andalousite ce qui a permis l’apparition de ces deux minéraux.
• Lorsqu’on passe de Ze à Zf : P et T continuent d’augmenter jusqu’à dépasser le domaine de stabilité de la Muscovite qui disparaît, et atteindre le domaine de stabilité du feldspath potassique qui apparaît.

 

R-3 – Conditions de P et T : 

• Température minimale 420 °C (température de formation de la roche R1).
• Température maximale 680 °C (température de formation de la roche R4).
• Pression minimale 0.3 GPa (pression de formation de la roche R1).
• Pression maximale 0.45 GPa (pression de formation de la roche R4).

 

R-4 – Ces roches ont subi un métamorphisme thermodynamique. Car, la projection, sur le document 3, des valeurs minimales et maximales de P et T dans lesquelles se sont formées les roches de la zone étudiée (P de 0.3 Gpa à 0.45 Gpa) et (T de 420 à 680 °C) se situent dans le domaine du métamorphisme thermodynamique