Enseignement de minéralogie-pétrographie

SÉANCE N°10


Les roches métamorphiques

(séance réalisée en collaboration avec Véronique Savary, Université de Picardie Jules verne)

Définition du métamorphisme Le métamorphisme est l'ensemble des processus qui induisent des modifications minéralogiques et texturales d'une roche, à l'état solide et sous l'effet de la température, de la pression et des fluides. Les conditions du métamorphisme - Les types de métamorphisme Le métamorphisme s'étend d'environ 200°C (limite entre diagenèse et métamorphisme) et la limite de fusion des roches (l'anatexie). La limite supérieure est variable selon la teneur en eau de la roche (limites 1 et 2 du diagramme ci-dessous).


limites

Domaine température-pression du métamorphisme. E = épizone; M = mésozone ; C = catazone
(notez que la catazone correspond au domaine de fusion des roches saturées en eau.
Le domaine à gauche de l'épizone est le domaine de la diagenèse

La nature de la roche initiale La roche initiale est appelée protolithe; elle peut être d'origine sédimentaire (roche paradérivée) ou ignée (roche orthodérivée). Lorsqu'il n'existe plus aucune indication de la nature de la roche intiale, il est parfois possible de l'identifier à partir de la composition chimique globale de la roche (à condition que les modifications chimiques ne soient pas trop importantes, voir infra). Les modifications dûes au métamorphisme  
Modifications texturales
    Elles se manifestent par l'apparition de textures orientées (schistosité ou clivage, textures lépidoblastique ou nématoblastique) ou non (texture granoblastique) ou d'alternance de lits de minéralogie différente (foliation).
 

Texture lépidoblastique

Texture nématoblastique

Texture granoblastique

Modifications chimiques (métasomatisme)     Elles s'expriment par une modification de la chimie globale de la roche. Ces modifications sont souvent dûes à des apports ou des départs par les fluides. Modifications minéralogiques  
Réaction minéralogique, paragénèse et assemblage
Les minéraux stables dans la roche initiale subissent des réactions chimiques qui font apparaître de nouvelles associations de minéraux, appelées paragénèses

Ex. : Muscovite + quartz -> feldspath potassique + andalousite + H2O

Cette réaction est une réaction de déstabilisation de la muscovite en présence de quartz et d'apparition de feldspath potassique et d'andalousite (ainsi que de l'eau).

L'ancienne paragénèse est donc : muscovite + quartz; la nouvelle paragénèse est feldspath potassique et andalousite. La réaction se développe jusqu'à épuisement de l'un des minéraux réactants (muscovite ou quartz; en général le quartz est plus abondant). A la fin, on se retrouve donc avec comme minéraux : feldspath potassique, andalousite (formés lors de la réaction) et quartz (en excès) ; l'ensemble de ces minéraux forme un assemblage (différent de la paragénèse, puisqu'il comprend aussi les minéraux en excès).

Les transformations polymorphiques sont des modifications de la structure d'un minéral sans changement de sa composition minéralogique : c'est le cas des silicates d'alumine (alumino-silicates) de formule générale SiAl2O5 (andalousite, disthène, sillimanite).

Isograde Sur le terrain, il est possible de "suivre" 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. On appelle isograde moins (-), un isograde de disparition d'un minéral et isograde plus (+) un isograde d'apparition d'un minéral.

Dans l'exemple ci-dessus, l'isograde Mu(-) correspond à l'isograde FK(+) et And(+).

Exercice :

Quatre échantillons ont été prélevés sur le terrain (A, B, C et D; voir carte).

On observe les minéraux suivants :

  1. Etablir la réaction chimique.
  2. Quel est le minéral en excès.
  3. Localiser l'isograde d'apparition du diopside sur la carte.
Réponse à l'exercice Les fluides Dans la réaction traitée précédemment (Muscovite + quartz -> feldspath potassique + andalousite + H2O), apparaît le constituant H2O, qui fait partie de la phase fluide (réaction de déshydratation). L'eau formée est un élément important dans le métamorphisme car :
Les fluides anciens dans les roches métamorphiques peuvent être caractérisés par l'étude des inclusions fluides. Il s'agit de micro-cavités (<10-50 µm) des minéraux ayant piégé un petit volume de fluide présent dans la roche.
Les faciès métamorphiques Un faciès métamorphique regroupe les paragénèses minérales caractéristiques d'un domaine pression-température déterminé. Les principaux faciès métamorphiques sont présentés dans la figure ci-dessous.
Les droites de stabilité des alumino-silicates sont représentées; les trois droites se recoupent approximativement à 600°C et 5 kbar.

Les gradients métamorphiques On appelle gradient l'augmentation de température en fonction de la profondeur (ou de la pression) :

gradient = (température en profondeur - température de surface)/profondeur

On distingue trois types de gradients dans la croûte :

Les différents gradients métamorphiques

Les séquences métamorphiques
    On appelle séquence, l'ensemble des roches métamorphiques, de dégré variable, issu d'un même type de roche initiale caractérisé par une certaine composition chimique moyenne. La tableau suivant illustre les grands types de séquences :

Mini-glossaire des roches métamorphiques

Amphibolite : roche verte sombre, formée essentiellement de deux minéraux la hornblende et un plagioclase. Contient divers minéraux accéssoires. Les amphibolites sont pour la plupart des métabasites (ortho-amphibolites), certaines peuvent provenir de sédiments calcaires métamorphisés (ce sont alors des para-amphibolites).

Charnockite : variété de granulite à hypersthène et feldspath potassique.

Calcschiste : voir marbre

Chloritoschiste : voir micaschiste

Eclogite : métabasite formée de clinopyroxène omphacitique et grenat sans feldspath plagioclase. Les minéraux communs sont le qz, le disthène, les amphiboles, la zoïsite, le rutile et des sulfures (en minéraux accessoires).

Gneiss : roche siliceuse et silicoalumineuse foliée, à grand cristaux (mm). Minéralogie dominée par le quartz et les feldspath plus éventuellement d'autres phases minérales dépendant du chimisme initial et des conditions PT de la transformation du protolithe. Typiquement les lits de quartz et de feldspath (leucosome) sont séparés des lits plus micacés ou ferromagnésiens (mélanosome). Les micas sont présents mais beaucoup moins importants que dans un micaschiste.

Gneiss oeillé : cette roches contient des éléments feldspathiques et quartzofeldspathiques de grande dimension dispersés dans une matrice granolépidoblastique orientée à grain fin. Dans certains cas les "yeux" des gneiss oeillés sont des éléments antécinématique. Ces yeux sont soit : des porphyroclastes de feldspath potassique ou de plagioclase dérivant d'anciens phénocristaux de granitoïde dans ce cas la structure oeillée démontre son caractère orthodérivé du gneiss, des amandes quartzofeldspathiques plus ou moins effilées dérivant du boudinage syncinématique de filonnets granitiques anciennement inclus dans une métapélite migmatisée dans ce cas le gneiss oeillés sont des paradérivés.

Granulite : roche caractérisée à la fois par une structure plus ou moins équidimensionnelle de cristaux polygonaux et des minéraux indiquant un métamorphisme de très haute température; sa minéralogie ressemble à celle des roches magmatiques basiques, avec feldspath + pyroxène + amphibole.Migmatite : roche hybride composée de roche schisteue ou gneissique intimement liées à des veinules de matériaux quartzo-feldspathiques magmatique (leucosome)

Leptynite : gneiss leucocrates à grain fin pauvres en minéraux ferromagnésien hydratés (biotite, amphibole)

Marbre et  calcschistes : métacalcaires. Les marbres dérivent des sédiments à dominante carbonatée. Outre la présence de calcite les minéraux exprimés dans les marbres sont la zoïsite (une épidote) le grossulaire (grenat calcique), la wollastonite, le diopside ...

NB: notons que dans l'industrie de la pierre le marbre est un terme beaucoup plus large désignant une roche succeptible d'avoir un poli suffisant pour l'utilisation ornementale. (la plupart des marres des marbriers sont des granitoïdes, des anorthosites et des serpentines.
Micaschiste : roche siliceuse et silicoalumineuse foliée issue de pélite argilo-quartzeuse dont la minéralogie est dominée par les micas (biotite ou muscovite) et le quartz caractérisé par l'alignement parallèle de cristaux moyens visible à l'oeil nu. Présence d'une foliation qui peut être très intense et marquée dans des lits formés par d'autres minéraux que les phyllosilicate. Présence également de chlorite phase phylliteuse pouvant devenir dominante donnant alors des chloritoschistes.

Schiste bleu : métabasite foliés gris lilas, sombre ; sa couleur bleue est due à la présence d'abondante amphibole  sodique (bleu) glaucophane ou crossite.

Schiste tacheté : ces roches généralement associées au métamorphisme de contact sont caractérisées par des porphyroblastes de cordiérite et/ou d'andalousite altérés en produit phylliteux (mica blanc + chlorite dispersée dans une matrice fine granoblastique orientée).

Schiste vert  : métabasite foliée, verte, riche en épidote + chlorite + actinote

Serpentinite : roche rougeâtre, foncée ou verte, composée essentiellement de serpentine. Elle est formée par hydratation de péridotites magmatiques ou métamorphiques (roches ultrabasiques riche en olivine).

Le grenat :
 

Grenat en LPNA

Grenat en LPA

La glaucophane :
 

Glaucophane en LPNA

Glaucophane en LPA

L'épidote :
 

Epidote en LPNA

Epidote en LPA (le "manteau d'Arlequin")

Références bibliographiques :
  1. Kornprobst, J. (1994) : Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique. Masson, 224 p.
  2. McKenzie : Atlas des roches métamorphiques (photographies des minéraux et roches du métamophisme)