Le métamorphisme et les roches métamorphiques (1)

Ici une paroi rocheuse constituée d'orthogneiss près de Macugnaga (Italie), se forment par transformation à l'état solide de roches préexistantes; cette transformation se traduit par des changements de la composition minéralogique ou, au moins, de la structure des roches.

1.  Le Métamorphisme
a) Introduction
b) Les phénomènes métamorphiques et les facteurs du métamorphisme
1°.  Métamorphisme isochimique et métasomatisme
2°.  Température et pressions
c) Les différents types de métamorphisme

1. Le métamorphisme

a) Introduction

Les roches métamorphiques se forment par transformation à l'état solide de roches préexistantes magmatiques, sédimentaires ou déjà métamorphiques, par suite d'un changement des conditions physico-chimiques du milieu où elles se trouvent, sous l'influence de facteurs endogènes. Cette transformation se traduit par des changements de la composition minéralogique ou, au moins, de la structure des roches.

Les transformations qui se produisent dans les roches sous l'action de phénomènes exogènes, comme l'altération superficielle ou la cémentation par les eaux météoritiques, ne font pas partie du métamorphisme. Elles constituent une adaptation de la composition des roches aux conditions existant à la surface de la Terre et font donc partie du début du cycle sédimentaire.

La diagenèse des sédiments est également exclue de la définition du métamorphisme; ayant lieu à de très basses températures, elle en constitue la limite inférieure, qui peut être graduelle. La limite supérieure du métamorphisme est déterminée par la fusion des roches à très hautes températures, les transformations métamorphiques ayant lieu à l'état solide.

Les roches métamorphiques représentent certainement le constituant le plus important en volume de l'écorce terrestre dans les régions continentales. Sur une carte géologique du monde, on constate qu'elles affleurent principalement dans les boucliers continentaux anciens et dans les chaînes de montagnes récentes, occupant ainsi plus de la moitié de la surface des continents.  De plus, il est probable qu'elles ont une extension plus grande encore sous les bassins sédimentaires, à une profondeur de quelques kilomètres. On connaît également des roches métamorphiques dans les régions océaniques.

b) Les phénomènes métamorphiques et les facteurs du métamorphisme

Les phénomènes métamorphiques ne sont pas observables directement. On peut seulement les reconstituer d'après les caractéristiques des roches qui ont subi leur influence à de grandes profondeurs et qui affleurent actuellement à la surface terrestre, par suite de mouvements verticaux de surrection et de l'érosion des roches qui les surmontaient originellement.  D'après l'étude des roches métamorphiques, il paraît évident que le métamorphisme consiste essentiellement en une réorganisation des minéraux et de la structure des roches, en réponse à une variation des conditions physico-chimiques où elles se trouvent, principalement de la température et de la pression,  Les modifications des roches ont lieu entièrement a l'état solide et sont rendues possibles par l'existence de petites quantités de fluides intercristallins constitués principalement par de l'eau. Ils forment une fine pellicule, probablement discontinue, qui met en contact les différents minéraux composant la roche et permet l'échange d'ions ainsi que de groupes ioniques entre les réseaux cristallins, ce qui donne lieu aux réactions métamorphiques. Les minéraux originels de la roche disparaissent, et les éléments chimiques qui les formaient se réordonnent en de nouveaux réseaux cristallins pour former d'autres minéraux. Les réactions métamorphiques sont, en un certain sens, analogues aux réactions chimiques ayant lieu en solution, mais la quantité de solvant est très petite. Les phénomènes métamorphiques que nous avons considérés de manière simplifiée comme une série de réactions entre les minéraux d'une roche, rendues possibles par la présence d'une petite quantité d'eau interstitielle, ne produisent aucun changement de la composition chimique globale de la roche. A l'exception de l'eau et du gaz carbonique, les concentrations des autres constituants de la roche restent inchangées après le métamorphisme.

1°.  Métamorphisme isochimique et métasomatisme

Le métamorphisme proprement dit est donc un phénomène isochimique, à la différence du métasomatisme, au cours duquel a lieu un changement de la composition chimique globale de la roche par addition ou perte d'un ou plusieurs constituants, la composition de la roche métasomatique formée ne dépendant pas de la composition de la roche initiale.

2°.  Température et pressions

Les principaux minéraux qui constituent les roches sédimentaires ou les roches magmatiques ne sont pas chimiquement en équilibre entre eux, à la différence de ceux des roches métamorphiques qui tendent à un tel état. En effet, les minéraux des roches magmatiques se forment à des températures variables : les premiers, cristallisés à partir du magma fondu, ne sont pas en équilibre avec ceux qui sont cristallisés en dernier. En outre, excepté le quartz, tous ces minéraux se sont formés à haute température et ne sont plus stables aux températures existant à la surface terrestre ou à faible profondeur. De même, les roches sédimentaires élastiques sont composées de minéraux non stables entre eux puisqu'ils proviennent de roches formées dans des conditions qui peuvent être très différentes. Les roches sédimentaires d'origine chimique sont généralement composées de minéraux en équilibre, mais stables seulement dans les conditions de pression et de température très basses habituelles à la surface terrestre.

A l'exception des réactions diagénétiques, en dessous d'une certaine limite de température aucune réaction ne peut avoir lieu dans un temps géologique appréciable entre les différents minéraux de ces roches, même s'ils ne sont pas en équilibre, car les vitesses de réaction sont alors extrêmement petites. A partir d'environ 250 °C, ont lieu les premières réactions métamorphiques. Au cours de ces réactions, les minéraux néoformés à partir des minéraux originels de la roche tendent à être en équilibre chimique entre eux, au moins à l'échelle des grains cristallins, dans les conditions de température et de pression auxquelles ont lieu les réactions. Si ces conditions changent, l'association minérale peut, à son tour, devenir instable, et de nouveaux minéraux de métamorphisme se forment. La rapidité et l'importance des réactions augmentent pour des températures croissantes jusqu'à intéresser tous les minéraux de la roche, car le pouvoir dissolvant des fluides et la diffusion à l'état solide augmentent également en fonction de la température.  Souvent, les minéraux de métamorphisme ont un champ de stabilité très limité par rapport à la température et à la pression; une formation rocheuse initiale de composition lithologique uniforme, une formation argileuse, par exemple, peut acquérir durant le métamorphisme des compositions minéralogiques et structurales très différentes dans des régions voisines si celles-ci sont soumises à des conditions de température et de pression différentes. Seules les roches monominérales, comme les calcaires purs, les grès quartziques et les silex, sont stables dans des conditions variées de température et de pression; au cours du métamorphisme, leur composition minéralogique ne change pas, à moins que n'interviennent des apports métasomatiques d'autres substances.

La limite inférieure du métamorphisme est définie dans les roches pélitiques par le degré de cristallisation d'un minéral argileux, \'illite, déterminé par les méthodes de rayons X. Dans les roches de composition basique, cette limite inférieure est définie par l'apparition de certains minéraux zéolitiques.

La limite supérieure du métamorphisme est déterminée par la fusion des roches, le métamorphisme ayant lieu dans les roches à l'état solide. Cette limite est située entre 700 et 1 000 °C, suivant la composition chimique de la roche considérée et la présence ou l'absence d'eau.  L'augmentation de température nécessaire aux réactions métamorphiques peut être due à la présence locale d'intrusions magmatiques de très hautes températures (métamorphisme de contact), ou à l'enfouissement des roches à grande profondeur durant les phénomènes géologiques (métamorphisme régional).  L'augmentation de la température avec la profondeur, appelée gradient géothermique, est due à des causes qui ne sont pas clairement définies et qui dépendent de la constitution interne du globe terrestre.  On admet que des températures élevées règnent dans le noyau et le manteau, parties internes du globe terrestre, par suite de la formation de la Terre à de très hautes températures, ou en raison de réactions radioactives dégageant de la chaleur et ayant lieu principalement dans les parties profondes de la croûte terrestre continentale, composée essentiellement de roches éruptives et métamorphiques acides dans lesquelles sont concentrés les éléments radioactifs. Le gradient géothermique a d'abord été mesuré lors de sondages profonds. Actuellement, il est calculé par des méthodes analogues, mais plus précises, de mesure du flux de chaleur interne émis à la surface de la Terre. Le gradient géothermique moyen dans les régions superficielles de l'écorce est d'environ 3 °C pour une augmentation de la profondeur de 100 m, mais il est variable suivant la constitution profonde des différentes régions.  Dans les régions géotectoniques stables, c'est-à-dire les boucliers continentaux, le gradient géothermique est moindre (entre 1,5 °C et 2 °C pour 100 m), alors que dans les régions géotectoniques actives, il atteint des valeurs de plus de 6 °C pour 100 m. De plus, la température existant en un point de la croûte terrestre dépend également de la conductivité thermique des roches, de la transformation locale d'énergie mécanique en énergie thermique, etc.

Un autre facteur important du métamorphisme est la pression, ou plutôt les différents types de pression.

Le premier type, le plus évident, est la pression lithostatique, encore appelée pression de charge, due à la masse des roches et des sédiments sus-jacents à la roche considérée lors du métamorphisme.  Sa valeur dépend de la profondeur et de la densité des roches; l'augmentation moyenne de la pression lithostatique est d'environ 250 à 300 atmosphères par kilomètre. La pression lithostatique peut être considérée comme isotrope, c'est-à-dire comme ayant des valeurs égales dans toutes les directions.

Un autre type est constitué par les pressions orientées dues aux déformations orogéniques.  Elles sont anisotropes (leur intensité varie suivant les directions de l'espace considérées). Les pressions orientées sont toujours présentes dans le métamorphisme régional, contemporain des déformations orogéniques, alors qu'elles sont absentes dans le métamorphisme thermique de contact. L'existence de pressions orientées durant le déroulement des phénomènes métamorphiques détermine les structures orientées des roches du métamorphisme régional (schistosité, linéations), alors que les roches du métamorphisme de contact présentent des structures et des textures isotropes. Les pressions orientées influent également sur la composition minéralogique des roches, favorisant l'apparition de tel ou tel minéral métamorphique. Il est probable que les effets des pressions orientées se font sentir principalement à des profondeurs limitées. En effet, à très grande profondeur (plus de 20 km), les roches ont des comportements très plastiques du fait des températures très élevées, et la pression qu'elles subissent est essentiellement de type isotrope.  Dans beaucoup de réactions métamorphiques, un troisième type de pression joue également un rôle important : la pression de la phase fluide interstitielle, située entre les cristaux.  Dans le cas où les fluides interstitiels peuvent migrer librement dans les roches et communiquer avec la surface terrestre, la pression de la phase fluide est égale environ au tiers de la pression lithostatique; mais dans le cas où les fluides ne sont pas en communication avec la surface terrestre, elle peut être égale à la pression lithostatique; elle peut même, localement, être supérieure à celle-ci quand la phase fluide provient d'intrusions magmatiques voisines riches en eau, ou quand les réactions métamorphiques en cours provoquent la libération d'une phase fluide (eau ou gaz carbonique) hors des réseaux cristallins des minéraux.

Les températures auxquelles ont lieu les réactions métamorphiques faisant intervenir des phases fluides dépendent de la pression de celles-ci. En général, une réaction qui comporte la libération d'une phase fluide requiert une température d'autant plus forte que la pression de la phase fluide est plus grande. Les observations pétrographiques sur le métamorphisme de roches dont la composition varie d'un point à un autre, même sur de faibles distances comme c'est généralement le cas pou les roches sédimentaires, ont montré que les phases fluides ont souvent une diffusion limitée : la pression partielle de chacun de leurs constituants dépend de la quantité qui est libérée localement, et; ordinairement les divers constituants ne se mélangent pas dans des volumes très importants de roches. Cependant, globalement, le métamorphisme provoque, pour des températures croissantes, un appauvrissement des roches en eau et en gaz carbonique. A faible température, les minéraux métamorphiques néoformés sont des minéraux hydratés ou contenant des oxhydryles dans leur réseau cristallin; à haute température, les minéraux néoformés anhydres.

Dans les réactions métamorphiques ayant lieu à des températures d'environ 300 °C, seuls quelques minéraux préexistants dans la roche sont transformés. A des températures plus fortes, un pourcentage plus élevé de minéraux est affecté par les réactions, jusqu'à ce que, à partir d'une certaine limite, tous les minéraux de la roche prennent part aux réactions, de telle manière que la composition minéralogique de chaque roche représente un équilibre chimique entre tous ses constituants. Généralement, la composition minéralogique d'une roche reflète les valeurs les plus élevées atteintes par les températures et les pressions au cours du métamorphisme. Ces valeurs peuvent être évaluées, car il est possible de les reproduire et d'étudier en laboratoire un grand nombre de réactions métamorphiques.

Si l'élévation maximale de température n'a pas suffisante pour mobiliser tous les minéraux de la roche, il persiste dans la roche métamorphique des minéraux reliques. Il peut s'agir de minéraux qui se sont formés à très hautes températures durant la cristallisation de roches ignées et qui restent stables lors de l'élévation ultérieure de la température au cours du métamorphisme : on peut citer, par exemple, le plagioclase calcique des basaltes et des gabbros qui persiste dans les amphibolites produites par le métamorphisme de ces roches (reliques stables). Le quartz est un minéral relique stable qui persiste dans les roches provenant du métamorphisme des grès ; dans celles-ci, il est en excès par rapport aux autres minéraux avec lesquels il pourrait se combiner pour donner naissance à des minéraux néoformés. Le zircon est un minéral qui possède un champ de stabilité très étendu et qui n'est pas détruit même à des températures et des pressions très élevées.

Les reliques instables sont, au contraire, des minéraux à intervalle de stabilité thermique restreint, mais qui persistent dans des roches métamorphiques formées à des températures non comprises dans cet intervalle. Ce minéraux sont relativement fréquents dans le cas de roches faiblement métamorphiques où les réactions ne se sont pas entièrement effectuées, et dans les cas de métamorphisme rétrograde où ils se présentent souvent « blindés », c'est-à-dire entourés d'une enveloppe de produits d'altération qui a empêché l'accomplissement des réactions métamorphiques en isolant le cœur du cristal.

Puisque le métamorphisme représente un phénomène d'équilibre entre les constituants d'une roche et les conditions physiques du système, on peut se demander pourquoi les roches métamorphiques exposées à la surface terrestre par suite de phénomènes de dislocations et d'érosion ont conservé la composition minéralogique qu'elles avaient acquise dans des conditions de température et de pression très élevées existant dans les profondeurs de la croûte terrestre. Pourquoi cette composition n'a-t-elle pas changé lors de la diminution progressive de profondeur (et, par conséquent, de température et de pression) que les roches ont subie postérieurement? Les observations montrent que les roches métamorphiques conservent généralement la composition chimique correspondant à l'équilibre avec les températures et pressions maximales auxquelles elles ont été soumises. Cela s'explique d'une part par le fait que, lors du métamorphisme à hautes températures, les minéraux hydratés et ceux qui contenaient de l'eau combinée dans leur réseau cristallin sous forme d'oxhydryles se sont transformés en minéraux anhydres, et, d'autre part, par le fait que les petites quantités d'eau interstitielle à l'état de vapeur supercritique ont été expulsées presque complètement lors du métamorphisme. C'est pourquoi, lors de la diminution progressive de la température qui suit les phénomènes métamorphiques, du fait de l'absence de phase fluide, les minéraux formés à haute température ne peuvent généralement pas réagir entre eux pour produire d'autres minéraux stables à plus faible température. Il existe toutefois assez fréquemment des cas de métamorphisme rétrograde, c'est-à-dire de réactions entre minéraux stables à hautes températures pour former des minéraux stables à des températures inférieures. Ces réactions sont rendues possibles par l'apport, lors de la diminution de température, de petites quantités de fluides provenant d'intrusions magmatiques ou de phénomènes métamorphiques ayant lieu dans des régions voisines.

La présence de vapeur d'eau à l'état supercritique, dérivée des petites quantités d'eau présentes dans les interstices intercristallins des roches et en partie expulsée lors des réactions métamorphiques, rend possible les réactions accompagnées de phénomènes de dissolution et de diffusion ionique; ces réactions, peu claires encore dans le cas des vapeurs supercritiques, sont probablement analogues à celles qui se produisent dans les solvants liquides. La diffusion ionique est efficace, lors du métamorphisme, sur des distances très petites (de l'ordre du centimètre). En effet, les différences de composition originelle des roches soumises au métamorphisme se reflètent dans les différentes associations minéralogiques des roches métamorphiques, même sur des distances inférieures au centimètre. C'est pourquoi la stratification caractéristique des roches sédimentaires, c'est-à-dire la présence de niveaux de composition différente, est souvent bien conservée après le métamorphisme, particulièrement dans le cas où les pressions orientées n'ont pas atteint des valeurs élevées. On connaît des paragneiss où la stratification parallèle ou oblique des grès dont ils dérivent a été conservée, bien qu'ils soient constitués de minéraux complètement différents des minéraux originels. Ainsi, l'équilibre entre les minéraux composant une roche métamorphique ne se réalise-t-il que sur des distances petites, qui peuvent être parcourues par la diffusion ionique; ces distances augmentent légèrement avec l'élévation de température.

Les réactions métamorphiques se représentent graphiquement de manière analogue aux réactions chimiques, c'est-à-dire en écrivant l'ensemble des minéraux et des ses phases fluides prenant part à la réaction, et en les égalisant avec l'ensemble des minéraux et des substances fluides produits par la réaction. Au lieu d'écrire la formule chimique des minéraux aussi exprimée sous forme d'oxydes, on peut simplement écrire leur nom ainsi :

Comme dans toutes les réactions chimiques, il existe une température d'équilibre à laquelle les deux associations minérales sont stables en même temps; si la température augmente, l'équilibre se déplace vers l'association écrite à droite du signe d'égalité, ce qui s'indique par une flèche entre les deux associations minérales, et vice versa. Il se forme alors l'association minérale stable dans les conditions considérées, au détriment de l'autre association. La vitesse de réaction augmente avec l'élévation de température au-dessus de la température d'équilibre, jusqu'à ce que l'un des minéraux réagissant ait complètement disparu. La température d'équilibre varie en fonction de la pression, ou plutôt en fonction des trois types de pression qui ont été distingués. D'ordinaire, la température d'équilibre augmente avec la pression, surtout si, parmi les produits de la réaction, il existe des phases fluides (dans ce cas, on considère la pression de la phase fluide interstitielle). Cependant, pour quelques réactions métamorphiques, la température d'équilibre décroît avec l'élévation de la pression, lithostatique ou orientée.

c) Les différents types de métamorphisme

Les facteurs qui produisent les changements de composition minéralogique et de structure caractéristiques du métamorphisme, et qui sont essentiellement la température et les pressions, peuvent agir simultanément ou l'un d'eux peut prévaloir sur les autres, ce qui provoque des effets divers sur les roches. Ainsi, on distingue habituellement deux types principaux de métamorphisme : le métamorphisme thermique principalement dû à une élévation de température localisée autour d'une intrusion magmatique, et le métamorphisme régional dû à l'augmentation simultanée des températures et des pressions par suite de mouvements de dislocation et d'enfouissement de vastes zones de l'écorce terrestre.

Les différents types de métamorphisme se distinguent par leur localisation ainsi que par les structures et les compositions minéralogiques des roches correspondant à chaque type.

Dans le métamorphisme thermique, ou de contact, le facteur principal de la transformation des roches est une forte élévation de température, localisée dans l'auréole de contact qui entoure les intrusions magmatiques dans les niveaux relativement superficiels de l'écorce terrestre (jusqu'à quelques kilomètres de profondeur). La recristallisation des roches, due aux très fortes températures de l'intrusion, provoque l'apparition de nouveaux minéraux généralement de petite taille et non orientés. La température décroît au fur et à mesure qu'on s'éloigne du contact intrusif, ce qui donne lieu à la formation de différentes zones concentriques, caractérisées par des associations minérales et des degrés différents de recristallisation des roches. L'auréole de contact ne dépasse pas quelques centaines de mètres.

Le métamorphisme thermique est souvent associé à des phénomènes métasomatiques, c'est-à-dire à l'introduction dans les roches au contact de l'intrusion de substances provenant du magma et fixées dans les réseaux de quelques minéraux métamorphiques, ce qui provoque un changement de la composition chimique initiale de la roche. Quand ces réactions intéressent les minéraux de la roche magmatique elle-même, à peine consolidée, elles font partie de l'autométasomatisme, étudié avec les phénomènes magmatiques.

Dans le métamorphisme régional, les roches sont soumises à des augmentations de température et de pressions (lithostatique et orientée). Les pressions orientées déterminent une orientation de la texture et de la structure des roches. Les minéraux sont alignés ou aplatis dans un plan de schistosité, plan selon lequel les roches se rompent plus facilement. Ce type de métamorphisme se rencontre dans les zones orogéniques où les roches sont soumises à des pressions aboutissant à la surrection de chaînes de montagnes plissées.  Au contraire du métamorphisme de contact, le métamorphisme régional n'est pas en relation avec des intrusions magmatiques et s'étend sur des centaines ou des milliers de kilomètres carrés dans les chaînes de montagnes récentes et les boucliers continentaux anciens.

Durant le métamorphisme régional, les roches sont fréquemment soumises à différents épisodes de cristallisation superposés, pendant lesquels règnent des conditions physico-chimiques différentes.  Si ces épisodes de cristallisation ont lieu au cours d'un même cycle orogénique, il s'agit d'un métamorphisme polyphasé; s'ils ont lieu lors de deux cycles différents, on parle de poly-métamorphisme.

L'ultramétamorphisme est associé au métamorphisme régional et se rencontre dans les zones les plus profondes, là où agissent de très fortes températures provoquant une fusion partielle des roches, ou anatexie, et la formation de migmatites.  Celles-ci sont des roches mixtes dans lesquelles on observe des éléments de roches métamorphiques de couleur sombre et des bandes de matériel leucocrate magmatique, sans structure orientée, composé de quartz et de feldspath potassique. Le tamorphisme d'enfouissement désigne un ensemble de transformations minéralogiques et structurales que subissent les roches soumises à grande profondeur à de fortes pressions dues au poids des roches sus-jacentes, mais sans qu'interviennent des compressions orogéniques. Ce type de métamorphisme est peu répandu. On observe un passage très progressif entre les roches sédimentaires soumises seulement à la diagenèse et les roches métamorphiques.

Le métamorphisme dynamique, ou cataclastique, intéresse de faibles volumes de roches, situées à proximité de surfaces importantes de mouvements tectoniques (failles, charriage). Dans les roches ainsi soumises à des déformations intenses, les changements se traduisent surtout au niveau des structures et consistent en un écrasement des grains cristallins.  Les roches résultantes sont des mylonites. Cependant, dans certains cas, il peut aussi se produire des changements de la composition minéralogique des roches. Généralement, la température est très basse dans ce type de métamorphisme car celui-ci est limité aux niveaux supérieurs de l'écorce terrestre.

Au cours du développement d'une zone orogénique, les différents types de métamorphisme décrits précédemment peuvent avoir lieu. Le métamorphisme régional affecte des régions particulières de l'écorce terrestre où se sont généralement déposées d'épaisses séries sédimentaires, soumises par la suite à un flux de chaleur et à des compressions tectoniques. Lors des déformations de ces séries sédimentaires, plusieurs phases de cristallisations métamorphiques peuvent se succéder, donnant lieu à un métamorphisme polyphasé. Dans les parties les plus profondes, se forment des migmatites, En même temps, des intrusions granitiques se mettent en place dans les couches superficielles de l'écorce et provoquent la formation d'auréoles de contact. A la fin du cycle orogénique, les températures et les pressions diminuent; le métamorphisme régional devient rétrograde et les minéraux métamorphiques précédemment formés peuvent être en partie détruits.

 


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Luc Van Bellingen

 

 

 

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