1. Le métamorphisme et les roches
métamorphiques
Module : L1 Planète Terre
2015/2016
1
2. Roches endogènes
roches magmatiques roches métamorphiques
formées à l ’état solide à partir
d ’une autre roche, magmatique
ou sédimentaire (= roche
originelle = protolithe)
(températures trop faibles
==> fusion )
origine magmatique
(orthodérivée)
origine sédimentaire
(paradérivée)
2
3. 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
4. Ensemble des modifications de la:
- composition minéralogique,
- texture (ou microstructure)
opérées à l’état solide
Mécanismes du métamorphisme :
Roche préexistante portée dans des conditions différentes de
celles de son milieu de formation
4
Réactions minérales (déshydratation , décarbonatation) ,
recristallisation (dissolution, nucléation, croissance cristalline)
6. Notion de faciès métamorphiques –
lien avec le gradient géothermique
Faciès : Ensemble de
roches de compositions
chimiques les plus variées
qui se sont formées de
façon stable durant le
métamorphisme sous des
conditions physico-
chimiques données.
6
diagenèse
Le domaine du
métamorphisme est borné
par 2 limites:
- BT: diagenèse
- HT: fusion
7. Nous allons en examiner deux grandes catégories
- 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 )
- Le métamorphisme thermique (« de contact »):
– recristallisation au contact d’ intrusions
– pas d'orientation des minéraux de la roche (pas de
contraintes orientées)
7
9. 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 elles-
mêmes anisotropes (contraintes).
Pression (contrainte): kilobar (kb) ou 100
mégapascal (MPa)
10. roche originelle roche métamorphique
± DT ± DP
± contraintes
tectoniques
contraintes tectoniques : anisotropes
minéraux orientés lors de leur cristallisation
structure orientée
10
Les structures des roches des métamorphismes régionaux
Ellipsoïde des contraintes
s1
s1
Déviateur de contrainte: s1 – s3
s3
s3 s3
s1
s1
Ellipsoïde des déformations
11. orientation préférentielle
des minéraux dans un plan
± litage minéralogique
= niveaux de composition minéralogique
SCHISTOSITÉ
ex : gneiss
niveau micacé
niveau quartzo-feldspathique
Schistosité
cisaillement pur (aplatissement) et
cisaillement simple
Foliation
aspects de la
roche selon la
section observée
!
11http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/schisto-cisaillt.xml
Schistosité et foliation
FOLIATION
12. LINÉATION MINÉRALE
orientation préférentielle des
minéraux selon une direction
linéations 1) intersection
2) minérale
3) étirement
Les linéations
axe de pli
linéation de
micropli =
gauffrage
13. Les plis intrafoliaires
Les charnières des plis intrafoliaux
sont orthogonales suivant qu’ils sont
formés en régime de compression
ou non.
plis en fourreau
14. 14
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.
17. 17
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.
18. 18
Influence de la composition chimique du protolithe
Diffusion chimique
Réactions minérales
19. 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
Les principaux facies du métamorphisme de contact
22. 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
Notion de séquence métamorphique
23. 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.
Le groupe silico-alumineux: schistes
23
24. r. Sédimentaire
protolithe
pélite / argilite
r. faiblement
métamorphique
schiste vert
r. moyennement
métamorphique
micaschiste
P
T
qz
argiles Al (K, Na)
FeMg
séricite
chlorite
qz
muscovite
biotite
staurotide
(Si, Al, Fe, Mg)
Recristallisation permanente: transformations minéralogiques & structurales;
croissance des cristaux
litage sédimentaire schistosité
P
T
P atm
T ~ 20 °C
réactions minéralogiques (isochimie)
P ~ 1,5 kbar (prof ~ 5 km)
T ~ 250 - 450 °C
schistosité
P ~ 5 kbar (prof ~ 15 km)
T ~ 500 - 650 °C
1 mm
24
Le groupe silico-alumineux: micaschistes
25. 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.
Le groupe silico-alumineux: gneiss
25
26. 1 mm
r. magmatique
granite
r. métamorphique
gneiss
biotite
f. alcalin
quartz
plagioclase
biotite
(orientée
)
feldspath
(alc. + plagio)
quartz
structure équante
(macrocristalline)
structure orientée = foliation
(contraintes tectoniques
mêmes espèces minérales que dans le granite: micas, feldspaths, quartz
mais soit héritées et très déformées (clastes) soit recristallisées (blastes)
26
orthogneiss et paragneiss
orthogneiss
paragneiss
Sédiment → gneiss: formation de feldspaths
par réaction minérale de la muscovite.
Formation de sillimanite
27. 27
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,
28. 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.
Epidote-quartz
28
Le groupe ferro-magnésien: chloritoschistes, amphibolites, éclogites
amphibolite
éclogite
29. calcite bioclastique calcite recristallisée
Calcaire Marbre
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).
Anisotropie planaire
absente ou difficile a
voir (texture
granoblastique).
29
Le groupe carbonaté: marbres, calcaires métamorphiques
30. Grains de quartz quartz recristallisé
Anisotropie planaire absente ou difficile a voir. Métamorphisme régional ou de contact.
30
Le groupe siliceux: grès quartzeux, quartzite
32. 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
Les textures des roches métamorphiques
36. 36
Micaschiste à grenats
texture lépido-porphyroblastique
Souvent, association de plusieurs types
de minéraux
termes composés
- texture grano-lépidoblastique
- texture grano-nématoblastique
- texture grano-porphyroblastique
37. 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
37
Mylonites
Passchier and Trouw (1996) Microtectonics.
Springer-Verlag. Berlin
Augmentation
de l ’épaisseur
de la zone
40. 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 minéraux des roches métamorphiques silico-alumineuses
41. 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 SiAl2O5: andalousite
42. La sillimanite Al2SiO5
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 SiAl2O5: sillimanite
43. 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 SiAl2O5: disthène
45. Les grenats (cubiques) (SiO4)3(M3+
2M2+
3)
Sections ± arrondies. Brun à brun rouge
Translucide, éclat gras, cassure conchoïdale rarement visible. Opaque et mat dans les
roches
45
Les grenats
46. La staurotide (Fe, Mg)2Al9Si4O22(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
La staurotide
47. Phengites (séricite) (>250°C)
Muscovite/biotite (>520°C).
Paillettes à éclat vitreux
- Muscovite [Si3 Al] O10 Al2 (OH)2 K
- Biotite [Si3 Al] O10 (Fe,Mg)3 (OH)2 K
Chlorite (> 250°C):
Paillettes, couleur verdâtre de la roche
[Si3Al] O10 (Fe, Mg, Al)6 (OH)8 47
Les phyllosilicates
48. -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:
1 – vos observations
49. 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
Ce que vous devez faire en travaux pratiques:
2 – les échantillons à observer
