Attention
en cours de relecture
et de modification !!!
Cette page est une introduction au métamorphisme, elle n’est pas complète, seuls les éléments utiles à l’étude de l’anatexie et des migmatites y sont présentés.
Métamorphisme Introduction – les processus métamorphiques :
Le métamorphisme est un ensemble de processus de transformation d’une roche en une autre à l’état solide, sans production de liquide silicaté ou magma, donc sans fusion.
▤ – Introduction de la page
▤ – Les roches – les constituants de la terre – Définitions
▤ – Le métamorphisme – qu’est-ce que c’est ?
▤ – Les principes du métamorphisme
▤ – Les réactions du métamorphisme et de la fusion
▤ – L’eau dont la présence est essentielle dans les réactions
▤ – Le trajet PTt d’une roche métamorphique
▤ – Le métamorphique prograde et rétrograde
▤ – Compléments d’information sur les trajets métamorphiques
▤ – Séries ou séquence métamorphiques
▤ – Les paramètres de contrôle du métamorphisme
▤ – L cinétique des réactions métamorphiques
▤ – L’état métastable d’un cristal
▤ – Les climats ou gradients métamorphiques
▤ – Pour continuer la balade sur le site : Géologie pour les Curieux
Le métamorphisme – introduction :
◍ – Documentation de référence :
Je me suis appuyé sur quelques documents pour développer cette page :
▻ – Métamorphisme : l’essentiel de ce qu’il faut savoir – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon : ===> –(⚑)–
… Ce document est indispensable, il fait du métamorphisme; une présentation complète, abordable et parfaitement compréhensible !
▻ – Roches métamorphiques : Traceurs de l’évolution thermique de la lithosphère (dans
l’espace et dans le temps) – le livre – Christian Nicollet – ===> –(⚑)– – Pour aller plus loin !
▻ – Les roches métamorphiques : témoins de l’évolution thermiques de la lithosphère dans le temps et dans l’espace – le site internet- Christian Nicollet : ===> –(⚑)–
▻ – Recueil de tous les documents, photos et schémas présents dans les pages de Christian Nicollet. Beaucoup !
… Figures et photos illustrant le site internet de – Christian Nicollet : ===> –(⚑)–
▻ – L’eau joue un rôle essentiel dans les réactions de métamorphisme et aussi dans les réactions de fusion des roches :
… L’eau, une matière extraordinaire ! Christian Nicollet – ===> –(⚑)–
▻ – Pour en savoir plus sur la classification des roches métamorphiques :
… Classification et nomenclature des roches métamorphiques Accesmad – Educmad – ===> –(⚑)–
Les roches – les constituants de la terre – Définitions :
Plus tard, ce pourra être une page à part !
Pour se familiariser avec le vocabulaire utilisé quand on parle de roches, en pétrographie.
◍ – Pétrographie :
Pétrographie : c’est le domaine de la géologie qui traite de la description détaillée des roches. Une roche peut être décrite par sa minéralogie, sa texture et ses structures internes. Cela inclut également les relations mutuelles et l’âge relatif des différents minéraux, textures et structures.. etc. Aquaportail. ===> –(⚑)–
La pétrographie : est la science ayant pour objet la description des roches, l’analyse de leurs caractères structuraux, minéralogiques et chimiques, et les relations de ces roches avec leur environnement géologique. ▻ – Pétrographie – Wikipédia – ===> –(⚑)–
◍ – Qu’est-ce qu’une roche :
Roche : Matériau constitutif des parties solides de la terre et des corps céleste. Les roches sont constituées d’un ou plusieurs minéraux cristallins ou vitreux. Elles sont souvent dures et cohérentes (pierres, cailloux), parfois plastiques (argiles gonflées d’eau) ou meubles (sables). Par extension, on y comprend aussi des matériaux visqueux ou liquides(hydrocarbures). etc. Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD).
Roche : nom féminin (bas latin rocca) :
1. Tout matériau, consolidé ou non, constitutif de la Terre, à l’exclusion des sols et des êtres vivants, formé d’un agrégat de minéraux et présentant une homogénéité de composition. (On classe les roches suivant leur mode de formation, leur composition chimique ou minéralogique, leurs propriétés mécaniques, etc.) Synonymes : roc – rocher
2. Matériau dur, fragmenté et provenant de la surface terrestre ; pierre, caillou.
3. Dans les carrières, dans un massif rocheux exploité, banc le plus dur.
4. Pierre la plus dure employée dans les constructions. Dictionnaire Larousse– ===> –(⚑)–
▻ – Les roches – Alloprof – ===> –(⚑)–
◍ – Minéral :
Minéral : Espèce chimique naturelle se présentant le plus souvent sous forme de solide à structure cristalline. etc. (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD).
Minéral, minéraux : nom masculin – (bas latin mineralis)
Solide naturel homogène, caractérisé par une structure atomique ordonnée et une composition chimique précise. Dictionnaire Larousse– ===> –(⚑)–
▻ – Les minéraux – Alloprof – ===> –(⚑)–
▻ – Le minéral – Aquaportail- ===> –(⚑)–
◍ – Espèce chimique :
L’espèce chimique : C’est un corps pur composé d’atomes, de molécules et d’ions. Elle est caractérisée par
◽ Sa formule chimique
Son aspect physique à la température et à la pression ambiante : il désigne la couleur, la forme ou encore de sont état – solide, liquide ou gazeux.
◽ Ses grandeurs physiques : il s’agit de sa solubilité, sa température de changement d’état, sa densité ou masse volumique.
Schoolmouv — ===> –(⚑)–
Exemples d’espèces chimiques :
… Espèce chimique moléculaire : l’eau H2O, le glucose – C6H12O6
… Espèce chimique ionique : les ions chlorure – Cl– – …. les ions sodium Na+
… Les composés ioniques – assemblage d’espèces chimique ioniques : Le chlorure de sodium NaCl ….. Le carbonate de magnésiumMgCO3.
◍ -Quartz – un minéral – une espèce chimique :
Le quartz : est un minéral du groupe des silicates**, sous-groupe des tectosilicates**, composé de dioxyde de silicium, ou silice, de formule chimique SiO2, avec des traces de différents éléments tels que Al, Li, B, Fe, Mg, Ca, Ti, Rb, Na, OH. Wikipédia.
▻ – Le quartz – Wikipédia – ===> –(⚑)– – Remarquer tous les paramètres qui définissent le quartz.
** silicates : Classe ou groupe de minéraux caractérisés par la présence de dioxyde de silicium (SiO2).
… Remarques – importance des silicates dans la croûte terrestre :
Les silicates constituent 97 % poids de la croûte terrestre, et plus de 90 % poids de la lithosphère– ▻ – Les silicates – Wikipédia – ===> –(⚑)– )
▻ – Le quartz – Mindat.org- ===> –(⚑)– – Remarquable par la qualité des informations.
………. – ===> –(⚑)– ▻– ===> –(⚑)– – Pour le plaisir des yeux..
◍ – Silice – une espèce chimique – composé ionique – oxyde de silicium – SiO2 :
La silice : Nom féminin – silice (latin silex, -icis)
Composé oxygéné du silicium, le dioxyde de silicium de formule SiO2, présent dans un grand nombre de minéraux, tels le quartz, la calcédoine, l’opale.
Larousse encyclopédique — ===> –(⚑)–
◍ – Le cristal :
Cristal : Un cristal est un solide dont les constituants (atomes, molécules ou ions) sont assemblés de manière régulière[1], par opposition au solide amorphe. Par « régulier », on veut généralement dire qu’un même motif est répété à l’identique un grand nombre de fois selon un réseau régulier, la plus petite partie du réseau permettant de recomposer l’empilement étant appelée une « maille ».
Wikipédia — ===> –(⚑)–
◍ – La paragenèse :
Paragenèse : Association de minéraux dans une roche donnée présentant une communauté d’origine et résultant de processus géologiques et géochimiques donnés. Dans les roches métamorphiques, ce terme désigne les associations de minéraux qui sont stables ensembles dans certaines conditions de températures et de pression et qui, en outre caractérise le chimisme général des roches. etc. (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD).
*** Voir faciès métamorphique.
◍ – Faciès métamorphique :
Faciès métamorphique : Catégorie dans laquelle on peut ranger des roches métamorphiques engendrées dans un certain domaine de pressions et de températures. Dans ce domaine se forment des paragenèse minérales stables, qui différent selon la composition chimique de la roche d’origine ou protolithe etc. (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD).
Le faciès des schistes verts, des micaschistes, gneiss, etc.
◍ – ◍ – Structure et texture d’une roche :
Structure et texture : En pétrographie, l’utilisation des termes structure et texture entraine souvent des ambiguïtés, ces termes ayant et souvent pris l’un pour l’autre.De façon générale, on emploie aujourd’hui, structure, pour désigner les arrangements visibles à l’œil nu et texture pour désigner seulement ceux qui sont visibles au microscope.Ainsi on parlera de structure rubanée ou foliée et de texture grenue ou microgrenue. etc. (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD). )
Remarque : c’est un sujet complexe, une présentation sur le terrain est plus efficace pour appréhender ces concepts. Pour en savoir plus sur schistosité, linéation, rubanement, litage, plissement, etc.
▻ – Les déformation métamorphiques – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon – ===> –(⚑)–
▻ – Géologie structurale – Robert Six – ===> –(⚑)–
▻ – La déformation ductile des roches – Atelier « Paléo » -Un atelier de géologie de l’UIAD (Université Inter-Ages du Dauphiné)- ===> –(⚑)–
Le métamorphisme – qu’est-ce que c’est ? :
◍ – Une définition du métamorphisme :
Métamorphisme : Transformation d’une roche à l’état solide du fait de variations de température et/ou de pression, avec cristallisation de nouveaux minéraux, dits néoformés, et acquisition de textures et structures particulières, sous l’influence de conditions physiques et/ou chimiques différentes de celles ayant présidé à la formation de la roche originelle. etc. (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD).
◍ – Les réactions métamorphiques :
◾ – Les réactions métamorphiques : les transformations métamorphiques d’une roche ‘ensemble de minéraux) en une antre roche, sont réalisées à l’état solide, sans fusion, donc sans formation de magma. Cela se traduit par :
▻ – Une modification de la minéralogie débouchant sur une nouvelle espèce minéralogique ou paragenèse, soit, par :
… Apparition de minéraux de nouveaux minéraux, dits néoformés,
… Disparition, totale ou partielle des minéraux instables dans les nouvelles conditions de T-P,
… Présence de minéraux pré-existants dans la roche initiale, ils sont non concernés par le réactions métamorphiques..
▻ – Une modification de la texture et de la structure et de la roche métamorphique. C’est-à-dire la taille des cristaux et de leur orientation et disposition dans la roche nouvelle.
◾ – Les réactions métamorphiques demandent du temps : les réactions se déroulent à des vitesse extrêmement faibles, c’est la raison pour laquelle des roches qui séjournent trop peu de temps dans un espace P/T spécifique d’une réaction ne sont pas affectées par celle-ci.
◍ – Les types de métamorphisme :
Le métamorphisme se produit dans différents contextes tectoniques et géodynamiques (collision, subduction, etc.), .
♦ Le métamorphisme d’impact (shock metamorphism) : il est la conséquence de la chute d’une météorite à la surface de la planète. Le choc engendre des températures et des pressions énormément élevées qui transforment les minéraux de la roche choquées, des températures et des pressions qui sont bien au-delà de celles atteintes dans le métamorphisme régional.
▻ – Planet-Terre : cas de l’astroblème de Rochechouart–Chassenon ===> –(⚑)–
♦ Le métamorphisme hydrothermal (seafloor metamorphism) : apport d’éléments chimiques par circulation de fluides
♦ Le métamorphisme de contact : extension limitée (quelques centimètres à quelques kilomètres), se développant autour d’une intrusion magmatique.
♦ Le métamorphisme régional (ou général) : constitue des formations étendues sur des dizaines ou des centaines de kilomètres.
… Il est lié aux orogenèses,dans le cas de subduction et de collision..
▻ – Métamorphisme : l’essentiel de ce qu’il faut savoir – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon : ===> –(⚑)–
Les exemples pris pour illustrer le métamorphisme sont pris dans le cadre d’une collision, c’est-à-dire dans un contexte de métamorphisme régional où se forment les migmatites.
◍ – Une définition – le protolithe :
Protolithe : Roche initiale qui a donné une roche métamorphique . (Dictionnaire de Géologie – Foucault A. et al., 2014, éd. DUNOD).
…… Cette notion concerne toute roche (nommée » parfois roche mère) qui subit une transformation de composition et/ou de structure, principalement dans les processus de métamorphisme. Cela peut être aussi employé pour désigner les roches de surface soumises aux processus de l’altération par les agents physiques et chimiques.
Ne pas oublier que le protolithe peut être une roche de nature magmatique, ou sédimentaire, ou métamorphique.
Par exemple :
__Une argile (le protolithe) est métamorphisée en ardoise, schiste, gneiss ou micaschiste,
__Un calcaire est métamorphisé en marbre.
Dans la page Wikipédia, vous découvrirez un tableau récapitulant pour les principales roches de la croûte continentale, les roches métamorphiques dans lesquelles elle peuvent être métamorphisées.
▻ – Protolithe – Wikipédia – : ===> –(⚑)–
Les principes du métamorphisme :
Le métamorphisme se réalise quand une roche, quelle que soit sa nature, sédimentaire, métamorphique ou magmatique, est soumise à des variations de température et/ou de pression.
Notre présentation concerne un métamorphisme régional qui se réalise dans le cadre d’un épaississement de la croûte continentale, résultant de la collision de deux croûtes continentales (L’Himalaya, les Alpes), ou ou de la subduction d’une croûte océanique sous une croûte continentale (les Andes et les Rocheuses).
La présentation est donc développée pour un environnement orogénique.
Remarque : très souvent la collision de deux croûtes continentale est précédée de la subduction d’une croûte océanique sous une croûte continentale, accompagnée de la fermeture d’un océan.
Ainsi l’orogenèse alpine a commencé par la fermeture de l’océan Téthys par subduction de la plaque eurasienne sous la plaque africaine.
Le schéma suivant ou diagramme P-T-t permet d’illustrer les notions fondamentales du métamorphisme.
.. Pour visionner le schéma dans un autre onglet –📸–
Nous observons sur ce diagramme :
◍ – L’axe des températures et l’axe des pressions :
Les coordonnées qui permettent de situer le protolithe au cours de son trajet métamorphique.
Les pressions sont exprimées en trois unités : Le GigaPascal – GPa, le kilobar -Kbar-, la profondeur correspondant approximativement à la pression exprimée d’ans une autre unité : 1 GPa, égal à 10 Kbar, équivalent à environ 33 km de profondeur
◍ – Le géotherme moyen de la croûte continentale :
Il représente la variation de la température de la croûte continentale en fonction de la profondeur. Il correspondant à celui d’une croûte d’épaisseur normale, stabilisée, de 30 km environ, comme sous nos pieds, dans le Massif Armoricain, avec des reliefs de faible hauteur.
… Au fur et à mesure de l’épaississement de la croûte, le géotherme remonte, la pente de la courbe devient moins forte, cela signifie que, pour une profondeur donnée, la température est plus importante.
◍ – Le solidus des granites hydratés – courbe a :
Cette courbe indique la valeur de la température à laquelle, pour une pression donnée, on observe le début de fusion d’un granite saturé en eau libre.
Rq : avant de franchir cette étape, le granite aura été, auparavant, métamorphisé en orthogneiss.
Les gneiss ou micaschistes franchissant cette limite deviennent des gneiss migmatitiques.
Cette courbe représente la limite entre le domaine « solide », domaine du métamorphisme et le domaine « solide/liquide », domaine du magmatisme, de l’anatexie ou fusion partielle
Le solidus marque la limite entre le domaine solide, où se produit le métamorphisme, et le domaine solide + liquide, où a lieu la fusion partielle avec apparition des premiers liquides magmatiques.
Le liquidus marque la limite entre le domaine solide + liquide, de la fusion partielle et le domaine liquide de la fusion totale, quand le dernier cristal a complètement fondu.
… Le liquidus, est situé en dehors du graphique car, la fusion totale du granite est réalisée à des conditions de température et de pression qui ne sont plus atteintes aujourd’hui dans la croûte continentale.
◍ – Les minéraux polymorphes du silicate d’alumine – courbe f :
Cette réaction métamorphique s’applique à une espèce minérale cristallisant avec une structure différente, selon les conditions de température et de pression.
Al2SiO5 – silicate d’alumine, c’est trois minéraux polymorphes, cristallisant dans des domaine P/T différents et séparés par 3 courbes P-T :
Andalousite <==> Sillimanite ; Andalousite <==> Disthène ou Kyanite ; Sillimanite <==> Disthène.
Cet équilibre est représenté sur le schéma par trois segments de droite qui se rejoignent en un point triple.
▻ – « La voilà donc cette andalousite qui des traits de son disthène a détruit l’harmonie ! Il en rosit, le traître ! », adaptation de deux vers de la tirade du nez de Cyrano de Bergerac (Edmond Rostand) à propos de disthènes se transformant en andalousites, massif des Maures (Var) – du Pierre Thomas – Eduscol – Planet-Terre ===> –(⚑)– –
… Pour rire d’un sujet sérieux !
Remarque : Cette réaction métamorphique est introduite dans ce chapitre car ces minéraux sont très présents dans les roches métamorphiques.
La présence d’un ou deux de ces polymorphes dans une roche métamorphique définit l’espace Pression/Température dans lequel cette roche s’est formée.
Un exemple est présenté dans le chapitre suivant consacré aux réactions du métamorphisme et de la fusion partielle.
▻ – Polymorphes du silicate d’alumine – cahier-de-prépa –📸– ===> –(⚑)– –
▻ – Silicate d’alumine – Al2SiO5. – Wikipédia – ===> –(⚑)– –
▻ – Disthène –📸– Andalousite –📸– Sillimanite –📸–
▻ – Pour de très belles photos de minéraux – penser au site : Mindat.org – ===> –(⚑)– –
◍ – Le trajet :
La courbe représentée sur le schéma, correspond à l’évolution de la température et de la pression auxquelles la roche est soumise au cours d’un métamorphisme.
… Le trajet représenté sur le schéma correspond à celui d’une roche (sédimentaire, argileuse) impliquée dans un métamorphisme qui la conduit au-delà du « solidus des granites hydratés », où se situent les domaines des migmatites et de l’anatexie.
… Remarque : beaucoup de roches métamorphiques, en fonction du chemin suivi pendant l’épaississement et le désépaississement de la croûte, ne sont jamais affectée par la fusion, soit :
… Elles n’atteignent jamais le domaine P-T de la fusion partielle.
… Elles restent trop peu de temps dans ce domaine pour que la fusion se déclenche.
… L’un des éléments indispensable à la réaction de fusion a disparu ou n’est plus disponible. Le plus souvent c’est l’eau libre qui manque.
C’est la raison pour laquelle, on peut observer des schistes et gneiss, en grandes quantités.
Les réactions du métamorphisme et de la fusion :
Ce nouveau schéma complète le précédent, par apport de nouvelles notions du métamorphisme.
.. Pour visionner le schéma dans un autre onglet –📸–
◍ – A – Réactions du métamorphisme :
Dans le domaine du métamorphisme, les réactions sont réalisées à des températures variant de 200-300 °C jusqu’600-650 °C, la roche n’a pas encore atteint son point de fusion.
◾ – Réaction métamorphique du type le plus fréquent :
Dans la croûte continentale, la majorité des réactions métamorphiques sont des réactions de déshydratation du type :
H = A + V
Dans laquelle -H- est un assemblage de minéraux hydratés, -A- de minéraux anhydres et -V- la phase vapeur d’eau (H2O). –
Christian Nicollet.
Un assemblage de minéraux dont un, au moins, est hydraté, est métamorphisé en un nouvel assemblage de minéraux anhydres, avec libération de l’eau, voir ci-dessous.
◾ – Courbe e – Réaction métamorphique : H = A + V — avec libération H2O :
Pg + Q = Ab + Als + H2O : Paragonite + Quartz = Albite + Al2SiO5 + H2O
… Als = Al2SiO5 = Andalousite ou Sillimanite ou Kyanite.
… La paragonite de formule NaAl2(AlSi3O10)(OH)2 appartient à la famille des muscovites, minéraux hydratés.
… Albite : Al2SiO5
… NaAl2(AlSi3O10)(OH)2 + SiO2 = NaAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O
Remarque : C’est la présence de lion hydroxyle _OH−_ qui donne au minéral sont qualificatif de minéral hydraté.
Remarque : Les minéraux hydraté, les plus courants appartiennent au groupe des micas -biotites et muscovites-, famille des amphiboles, groupe des chlorites, famille des serpentines, groupe de l’épidote, …
◾ – Réaction métamorphique — A = A — en absence d’eau :
Cette réaction n’est pas reportée sur le schéma c-dessus.
Un assemblage de minéraux anhydres, est métamorphisé en un nouvel assemblage de minéraux anhydres.
Ab = Jd + Q : Albite = Jadéite + Quartz
La jadéite est un minéral de la famille des pyroxènes que l’on retrouve dans les roches basiques.
… Cette réaction se réalise entre les deux points P/T suivants : 9 Kbar (30 km)/320°C – 17 Kbar (60 km)/600°C.
… Cela correspond à un métamorphisme de haute intensité.
◾ – Courbe b – Réaction métamorphique – formation de la muscovite et la biotite :
Ces minéraux résultent d’un métamorphisme, de basse intensité, appliqué à des argiles***, minéraux hydratés. Les argiles constituent l’élément principal des roches sédimentaires argileuses, de types argilites ou pélites.
*** Les argiles sont des minéraux hydratés, obtenus par altération chimique des feldspaths et des micas présents dans la roche altérée.
▻– LES ARGILES, genèse et utilisations Normale Sup – ===> –(⚑)–
▻ – Origine géologique des argiles.! Normale Sup – ===> –(⚑)–
▻– Les argiles – Coursgéologie – ===> –(⚑)–
▻ – Des minéraux argileux : GEOLOGYSCIENCE- ===> –(⚑)–
.Remarque : Les minéraux de la famille des micas, minéraux hydratés, les blancs telle la muscovite et les noirs telle la biotite jouent un rôle essentiel dans les réactions de fusion partielle des roches dans la croûte continentale.
◍ – B – Réactions de fusion partielle :
La roche a atteint son point de fusion partielle, elle quitte le domaine solide du métamorphisme pour entrer dans celui des migmatites et de l’anatexie, au-delà du solidus des granites hydratés dans un espace où les températures s’étalent de 600-650 °C jusqu’à 900-950 °C.
Les réactions de fusion sont développées dans la page réservée à ▤ – Anatexie
◾ – Courbe d : fusion d’une roche hydratée :
L’eau est libre, elle baigne la roche :
… Ab + Kfs + Q + Als + H2O = L : Albite + Feldspath potassique + Quartz +Al2SiO5 + H2O = Liquide silicaté ou magma.
… Als = Al2SiO5 ou silicate d’alumine = Andalousite ou Sillimanite ou Kyanite
… Cette courbe représente une réaction de fusion d’un assemblage de minéraux présents dans une roche hydratée, contenant de l’eau libre.
… Cette courbe peut se confondre avec la courbe qui représente le solidus hydraté du granite.
… Cette réaction se situe à la limite du domaine solide des roches métamorphiques du domaine solide + liquide des migmatites et de l’anatexie.
… Sans évolution croissante des conditions de température et de pression appliquées à la roche, celle-ci, une fois exhumée, apparait comme un gneiss migmatitique ou une migmatite.
◾ – Courbe c – Fusion d’une roche anhydre ou réaction de « fusion-déshydratation » :
L’eau est liée, elle est un composant chimique d’un minéral hydraté :
… Bt + Ab + Sil + Qtz = Grt + Kfs + L : Biotite + Sillimanite + Quartz = Grenat + Feldspath potassique + Liquide.
… Lors de la réaction chimique, la biotite, minéral hydraté apporte l’eau nécessaire à la production de liquide magmatique.
… Cette réaction se réalise dans le domaine magmatique à des température élevée, proche des 900 °C.
… Des réactions de ce type existent avec la muscovite, mais elles se réalisent à une température moins élevée, vers 800 °C.
… Quant aux amphiboles, ferromagnésiens hydraté, présents dans les roches métamorphiques basiques telles les amphibolites et métagabbros, les réactions de fusions se font à des températures encore supérieures, au-dessus de 900 °C.
Remarque – courbe c : Cette réaction est souvent présente dans le cas d’un métamorphisme appliqué à une roche de nature argileuse.
En étudiant la position de cette courbe c, par rapport à celles des polymorphes du silicates d’alumine, on mesure alors l’intérêt de la présence d’un de ces polymorphes pour déterminer l’espace P/T dans lequel la roche métamorphique s’est formée.
L’eau : élément essentiel dans les réactions du métamorphisme et de la fusion des roches :
L’eau intervient dans le métamorphisme et le magmatisme à différents niveaux, soit comme élément chimique et soit comme élément physique.
◍ – Où trouver l’eau dans une roche :
L’eau est présente dans les roches sous deux formes :
◾ – Libre – elle est extérieur aux cristaux, dans les pores de la roche ou microfissures formées à l’intérieur des cristaux ou dans les espaces inter-cristaux.
◾ – Liée aux minéraux hydratés – ce sont les minéraux argileux, la biotite, les muscovites, les amphiboles., … L’eau est un élément chimique composant du minéral, elle est présente sous forme d’un ou plusieurs radicaux « hydroxyle – « OH– « .
◾ – En inclusion dans les cristaux, tels le quartz et les feldspaths. Très difficile d’accès, elle joue un rôle négligeable.
◍ – L’eau dans les réactions – élément chimique :
Elle joue le rôle un élément chimique réactif ou produit dans les réactions du métamorphisme et réactif dans les réactions de la fusion telles que listées ci-dessus.
◍ – Le rôle joué par l’eau libre – élément physique :
▻ – Au niveau des réactions de métamorphisme, elle facilite le déplacements des éléments détachés des cristaux.
▻ – Au niveau des réactions de fusion, elle joue le rôle de catalyseur ou de fondant*** en abaissant la valeur du point de fusion (température à laquelle apparait la première goutte de magma).
▻ – D’autre part, dissoute dans le magma , elle influence la viscosité de celui-ci, donc sur la mobilité de ce dernier, pendant son transport depuis l’environnement du cristal où il s’est formé, jusqu’à l’accumulation dans une ou plusieurs chambres magmatiques où il cristallise selon des processus de cristallisation plus ou moins complexes.
*** Fondant : additif que l’on ajoute à un minerai (roche) afin d’en abaisser le point de fusion, il facilite la destruction de liaisons inter-atomiques.
◍ – Le rôle de l’eau – conclusion :
Donc, l’eau contrôle la température du solidus (apparition de la première goutte de magma), la cinétique des réactions, la composition chimique et minéralogique des roches, les déformations des cristaux (propriétés mécaniques), la formation des magmas et leurs comportements.
▻ – L’eau, une matière extraordinaire ! Christian Nicollet – ===> –(⚑)–
Bonne lecture !!!
▻ – L’eau, agent d’altération des roches – Eduterre – ENS Lyon – ===> –(⚑)–
Le trajet P-T-t d’une roche métamorphique :
Les trajets présentés correspondent au chemin qu’une roche située près de la surface pourrait effectuer quand elle est impliquée dans la formation d’une chaîne de montagnes.
.. Pour rappeler le schéma de trajet dans un autre onglet –📸–
◍ – Les étapes du trajet P-T-t :
Le trajet est constitué de quatre étapes, caractérisées parles variations de la température et de la pression subie par la roche dans sont périple dans un cycle orogénique.
▻ – 1 – Enfouissement des roches, pendant la formation des reliefs. caractérisé par une augmentation plus ou moins rapide de la pression et une augmentation lente de la température, en fonction du contexte géodynamique – subduction ou collision.
▻ – 2 – Stabilisation des reliefs après arrêt de la convergence, caractérisée par une diminution très faible de la pression et une augmentation continue de la température, la croûte se réchauffe.
… Seule l’érosion est active pendant cette étape. La durée de cette étape peut se mesurer en dizaines de millions d’années.
▻ – 3 – Amincissement de la croûte, caractérisé par une diminution importante de la pression, alors que la température de la roche reste relativement constante avant de diminuer en fin d’étape.
… D’abord réchauffée, la croûte est devenue malléable, ductile, alors des processus géodynamiques, sont mis en œuvre pour amincir cette croûte épaissie. Ils se poursuivent à l’étape suivante et peuvent parfois être amplifiés.
… Tout ceci est présenté dans la page : ▤ – Amincissement de la croûte – Disparition des reliefs
▻ – 4 – Exhumation des roches, caractérisée par diminution lente de la pression et de la température, c’est l’érosion qui poursuit son travail.
En fin de page, un chapitre développe ce sujet, les trajets P-T-t.
Métamorphisme prograde et rétrograde :
Les roches, pendant leur périple, sont soumises, au cours des trois premières étapes, à un métamorphisme avec des conditions de température et de pression de plus en plus sévères, on parle alors de métamorphisme prograde. Ensuite, lors de l’exhumation, la pression et la température diminuent, un autre métamorphisme peut se mettre en place et modifier les assemblages minéraux obtenus lors du métamorphisme précédent, on assiste alors à un métamorphisme rétrograde ou rétromorphose ou rétrométamorphisme.
…. Ce dernier est beaucoup plus rare car des produits issus du premier métamorphisme ont pu disparaître, c’est le cas de l’eau, libérée pendant la phase prograde, qui s’est déplacée. De plus, la température diminuant, les réactions chimiques se réalisent beaucoup plus lentement.
Pour les curieux, ci-dessous deux exemples assez spectaculaires de métamorphisme rétrograde :
◾ – Les éclogites :
Les éclogites sont un cas de rétromorphose spectaculaire par la « beauté » de la roche après métamorphisme rétrograde. Christian Nicollet a très bien présenté ce sujet dans la page
▻ – Le trajet PTt du gabbro – Christian Nicollet – === –(⚑)–
a – Une éclogite est une roche métamorphique dont le protolithe est une roche basique (un basalte – roche volcanique ou un gabbro – roche plutonique) appartenant à une plaque océanique entrée en subduction, sous une autre plaque tectonique , dans le cas de convergence..
b – Le protolithe basique subit un métamorphisme prograde quand la croûte océanique s’enfonce dans le manteau :
… Dès qu’il atteint une profondeur de 50 à 60 km et une température de 500°C environ, le schiste bleu formé auparavant est métamorphisé en éclogite.
c – L’éclogite a deux avenirs :
…. 1 – Soit elle continue de s’enfoncer avec la croûte océanique et elle disparaît dans le manteau où elle est digérée.
… 2 – Soit, dans une collision avec une plaque continentale, le morceau de croûte océanique où se trouve l’éclogite, est redirigé vers la surface. Ce phénomène est appelé obduction. Phénomène complexe, il est présenté dans la page ▤ – Migmatites et anatexie – contexte géodynamique
d – Pendant la remontée vers la surface, si elle n’est pas trop rapide, les éclogites subissent une rétromorphose qui produit un nouvel assemblage de minéraux très spectaculaire – === –(⚑)–.
▻ – Le trajet PTt du gabbro – Christian Nicollet – === –(⚑)–
▻ – A la cueillette des Fruits Rouges …Eclogitiques – Christian Nicollet – === –(⚑)–.
… on peut observer des éclogites non soumises à une rétromorphose .
▻ – Eclogite – Mindat.org – === –(⚑)– – === –(⚑)– : De très belles photos !!! –
▻ – Les éclogites et les gneiss de l’unité de métamorphisme de haute pression des Essarts -Avg85 – 8 mai 2011 Guide de l’excursion : Gaston Godard – – === –(⚑)–
▻ – Roche 8 : Les Éclogites de la Gerbaudière – Saint-Philbert-de-Bouaine (85) – Page 8 – – Avg85 – – === –(⚑)– – Contexte tectonique de l’exhumation des éclogites de la Gerbaudière.
Pour aller beaucoup plus loin :
▻ – Les grenats des éclogites du sud armorique – Alain ABREAL février 2009 – === –(⚑)–
◾ – La coésite et le quartz – un autre exemple de rétromorphose :
La silice (SiO2) possède plusieurs polymorphes, dont le quartz et la coésite. diagramme P-T–📸– Futura Sciences ===> –(⚑)–
La coésite se forme par métamorphisme prograde appliqué au quartz dans des conditions de pressions très fortes. La coésite, pendant l’exhumation, redevient du quartz après avoir subi un métamorphisme rétrograde.
… La coésite se forme dans une roche entrainée à grande profondeur (subduction d’une croûte océanique) et exposée à un métamorphisme de Haute Pression – 30 kbar, équivalent à une profondeur de 100 km environ et à une température de 0 à 800 °C (au-dessus de cette température on ne sait pas ce que devient le quartz : coésite ou stishovite ?) – Diagramme P-T – Futura Sciences – –📸–
… Le quartz de système cristallin trigonal et de densité = 2,65, est est « compacté », au cours du métamorphisme, en coésite de système cristallin monoclinique de densité = 2,92. Donc les cristaux de coésite occupent un espace plus petit que celui des cristaux de quartz dont ils ont dérivés.
… La coésite, pendant l’exhumation, redevient du quartz et devrait avoir totalement disparu de la roche rétromorphosée.
Mais sur le site de Dora Maira la rétromorphose n’est pas allée totalement à son terme.
La coésite s’est formée à l’intérieur d’un cristal de grenat à très haute pression.
A l’exhumation, le quartz, plus volumineux que la coésite, n’avait plus l’espace suffisant pour se développer entièrement à la place de celle-ci.
Dans ces inclusions, la transformation coésite = quartz a débuté, mais s’est interrompue, car la transformation implique une variation de volume considérable comme en témoignent les volumes molaires respectifs. Le début de la transformation et l’augmentation de volume qui en résulte sont responsables de la fracturation radiale du grenat. *** 3
Image –📸– Christian Nicollet – ===> –(⚑)–
▻ – Minéralogie du quartz – Futura Sciences – ===> –(⚑)– — Diagramme Pression-Température de la silice : image –📸–
▻ –*** 3 La Coésite de Dora Maira, ou , pourquoi les Roches Métamorphiques recristallisent-elles ? – Christian Nicollet : ===> –(⚑)– — La coésite en inclusion dans un grenat : image –📸–
▻ – Au cœur des matériaux cristallins – Philippe Lours, Fabien Baillon 2.8. 19 mars 2024 – IMT, École des Mines d’Albi-Carmaux – ===> –(⚑)–
▻ – *** 2 – Coésite – Wikipédia – ===> –(⚑)–
Compléments d’information sur les trajets :
Les trajets P-T-t retracent le chemin suivi par une roche impliquée dans une collision. Cela est noté cycle orogénique – ci-dessous une bonne illustration accessible de ce cycle orogénique :
▻ – – Vidéo – G4-12 – Schéma du cycle orogénique – BCPST-Véto Angers et agrégation SVT – === –(⚑)–
◾ – Étape n°1 – Épaississement de la croûte :
Lors d’une collision, des éléments de croûte continentale froide s’enfoncent rapidement dans un milieu à haute température. La pression exercée en un point de ce bloc rocheux évolue directement avec la profondeur à laquelle il se situe. Quant à la température en ce point, elle évolue très lentement à cause de l’inertie thermique due au très faible coefficient de transmission thermique des roches.
Globalement, on peut dire que les échanges thermiques sont plus lents que les phénomènes tectoniques : quelques millions d’années suffisent pour « enfoncer » la croûte*** à 100 kilomètres de profondeur alors que quelques dizaines de millions d’années sont nécessaires pour un équilibrage thermique avec le milieu.
*** Il s’agit d’une croûte océanique impliques dans une subduction.
Pendant cette étape, la chaleur provient essentiellement de la désintégration d’éléments radioactifs présents dans la croûte (238U, 235U, 40K).
▻ – Extension et disparition des reliefs / Quelques explications géodynamiques possibles – Plateforme ACCESS – Eduterre – ENS Lyon – Introduction – === –(⚑)–
◾ – Remarque – métamorphisme de haut degré sans atteindre une grande profondeur :
Pour atteindre le domaine de l’anatexie, le chemin PTt peut se réaliser à une profondeur relativement faible. C’est le cas de la série métamorphique de Gavarnie qui s’est effectuée à une profondeur de 10-12 km maximum.
… En effet, des roches de la série métamorphique contiennent de l’andalousite, se formant à basse pression et non du disthène ou kyanite., se format à plus haute pression.
▤ – Série métamorphique de Gavarnie :
◾ – Étape n°2- Amincissement lent de la croûte, la température toujours en hausse :
Les forces de convergences diminuent et restent en équilibre avec les forces de divergence . La croûte subit un amincissement sous l’action conjuguée de l’érosion en surface et et une délamination de la base des reliefs.
La température des roches continue à augmenter, la chaleur à l’intérieur d’une chaîne de montagne de taille importante, s’évacue difficilement:
La chaleur est davantage bloquée car la production de chaleur est supérieure à la dissipation par diffusion. La croûte s’échauffe donc et on assiste à une remontée de la limite lithosphère – asthénosphère (isotherme 1300 °C). La fusion partielle des matériaux en profondeur devient possible et on peut avoir la mise en place de granites. .
Ainsi :
La croûte continentale épaissie présente des propriétés physiques et thermiques qui se modifient : elle devient notamment plus malléable (ductile), ce qui permet sa déformation et son étirement..
▻ – Extension et disparition des reliefs / Quelques explications géodynamiques possibles – Plateforme ACCESS – Eduterre – ENS Lyon – Introduction – === –(⚑)–
… Rq : Les roches possèdent un coefficient de conductivité thermique très faible.
Cette période peut être très longue, plusieurs dizaines de milliers d’années.
Pour aller plus loin : ▤ – Amincissement de la croûte – Disparition des reliefs
◾ – Événement remarquable : – apparition de la première goutte de magma :
Cet événement se produit le plus souvent pendant l’étape 2.
Mais beaucoup de roches métamorphiques n’atteignent pas ce stade !!!
Les conditions de Température et de Pression auxquelles la roche métamorphique est soumise correspondent au solidus hydraté du granite.
A cette Pression et à cette Température,un gneiss ou un micaschiste deviennent un gneiss migmatitique, le quartz et les feldspaths fondent.
Dans ces conditions de Température et de Pression, la roche métamorphique quitte le domaine du métamorphisme pour entrer dans le domaine du magmatisme.
◾ – Étape n°3 – Amincissement rapide de la croûte, la pression diminue, la température reste à peu près constante :
Les forces de convergences à l’origine de la collision ont complétement disparu.
Cette étape n’apparaît que dans le cas où la croûte continentale a atteint une grande épaisseur et alors soumise à des forces de divergence.
Dans ce cas des failles normales se forment et provoque un amincissement important de la croûte continentale.
Alors que les roches situées à la base de la croûte, fortement réchauffées au contact du manteau asthénosphérique très chaud, se rapprochent rapidement de la surface, elles peuvent atteindre leur point de fusion.
… On appelle remontée adiabatique, ce type de mouvement ascendant de roches qui se traduit par une baisse « rapide » de la pression exercée, alors que la température reste quasi constante, la dissipation de chaleur reste très faible, les roches présentent un coefficient de conduction thermique, très faible.
C’est très souvent dans ce cas de figure que l’anatexie génère de grandes quantités de magma.
Pour aller plus loin : ▤ – Dôme métamorphique et dôme migmatitique :
◾ – Remarque : le trajet réel d’une roche n’est pas aussi simpliste;
Le trajet prograde d’une roche peut s’effectuer à des pressions relativement basses La roche métamorphique peut voir son chemin tranquille bouleversé, prise dans des nouveaux processus géodynamiques prograde apparus pendant l’orogenèse.
… Dans le Dôme métamorphique du Velay, se trouvent des roches impliquées dans deux épisodes métamorphiques, au cours de du même épisode orogénique.
Ce phénomène peut être observé dans le cas du Dôme du Velay:
C’est le cas du trajet n°1, correspondant à des roches situées en bordure du Dôme – –📸– – ▤ – Dôme migmatitique du Velay :
◍ – Série métamorphiques ou séquence métamorphique :
Séries ou séquences métamorphiques
Appliqué à un protolithe, pendant son périple, le métamorphisme prograde fait apparaître de nouvelles roches métamorphiques qui témoignent de conditions variables, progressives, depuis les faibles degrés jusque, parfois, les conditions de l’anatexie. Par exemple métapélites, schistes, micaschistes,etc.. Ces roches constituent une série métamorphique.
Selon l’endroit où elles sont situées dans la croûte, ces roches métamorphiques peuvent échapper à un métamorphisme de degré plus important et rester en l’état.
Le protolithe des migmatites est très souvent de de nature sédimentaire. Ces roches peuvent se retrouver en grande épaisseur et couvrir une surface importante. Lors d’une orogenèse, les ces roches peuvent être déformées par des plissements ou découpées en lanières s’empilant tectoniquement les unes sur les autres lors des chevauchements.
chaque unité ainsi formée est soumise à un gradient de température et de pression se traduisant par des assemblages minéralogiques différents qui définissent une série métamorphique.
Ainsi, après exhumation, il est possible d’observer des séries complètes ou avec lacunes.
… On retrouve à Gavarnie, un bel exemple de série métamorphique, sans lacune :
▻ – Voir page : ▤ – Série métamorphique de Gavarnie :
▻ – Un autre exemple – Étude tectonique et pétrologique de la série métamorphique de Saint-Michel-Chef-Chef (Loire-Atlantique, France). – Tanguy JEAN -Université de Nantes – === –(⚑)–
Les paramètres de contrôle du métamorphisme
Ce paragraphe fera peut-être l’objet d’une autre page : « Compléments du métamorphisme »
La stabilité d’un cristal est assurée tant que les forces de cohésion exercées sur les atomes entre eux sont supérieures aux forces de répulsion.
La stabilité d’un cristal dépend de plusieurs paramètres : la température, la pression, la présence de fluides et le temps.
◍ – La Stabilité d’un cristal :
Une structure moléculaire extrêmement bien organisée est le point commun de tous les cristaux. Tous les atomes (ou ions) d’un cristal sont agencés de sorte qu’un même motif se répète. *** 1
Les atomes, dans un cristal sont réunis par des liaisons électroniques soumises à des forces de cohésion et des forces de répulsion.
Deux facteurs externes au cristal, jouent un rôle fondamental dans la stabilité d’un cristal situé dans une roche, ce sont :
… a – La température : L’augmentation de température affaiblit la cohésion du cristal.
… b – La pression : la pression exerce physiquement une force physique qui s’ajoute aux autres forces de cohésion. Et cela intervient dans les deux sens, en compression et en dépression, le métamorphisme prograde ou rétrograde s’accompagne d’une compaction ou décompaction.
◍ – La Température :
La température, quand elle augmente, favorise la dislocation du cristal, les liens entre les atomes qui assurent sa cohésion sont brisés. Tous les atomes ainsi libérés peuvent alors entrer en réactions métamorphiques entre eux pour former de nouveaux minéraux stables à plus haute température.
◾ – Les sources de chaleur à l’intérieur de la croûte :
◅ – La température est fonction de la profondeur ou est en liaison avec la proximité d’une chambre magmatique. On sait que l’énergie thermique provient du flux de chaleur de la planète, généré essentiellement par la désintégration d’éléments radioactifs (U, Th, K) très présents dans la croûte continentale : on considère que la température est de l’ordre de 800°C à la base de cette enveloppe (1).
◅ – Le gradient géothermique est dit « normal » (30°C / km) dans la croûte continentale, « élevé« (50°C / km) dans les zones tectoniquement actives et « faible« (aux alentours de 6°C / km) dans les anciens boucliers continentaux (1).
◅ – En principe, le domaine de métamorphisme s’étend en température de 50°/100°C à 650/700°C. (1).
▻ – (1) Métamorphisme : l’essentiel de ce qu’il faut savoir – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon : ===> –(⚑)–
◾ – Le manteau, une autre source de chaleur :
Pendant les deuxième et troisième étapes du trajet P-T-t, on peut assister à des phénomènes géodynamiques qui provoquent un fort amincissement de la croûte continentale. Cela s’accompagne d’une remontée du manteau asthénosphérique, très chaud.
Ce phénomène est observé dans les dômes métamorphiques et les dômes migmatitiques.
▤ – Dôme métamorphique et dôme migmatitique :
◾ – La mise en place de plutons basiques à la nase de la croûte continentale :
La remontée du manteau asthénosphérique, mentionnée ci-dessus, est adiabatique, permettant aux roches du manteau d’atteindre leur point de fusion. Le magma ainsi généré est collecté dans des chambres magmatiques situées en base de croûte. Ce magma très chaud -plus de 1000 °C- participe au réchauffement de la croûte qui s’amincit.
◍ – La Pression :
◾ – La pression est une force physique, exercée sur un cristal, elle le comprime, elle est opposée aux forces de répulsion existant entre les constituants du cristal, elle assure la stabilité du cristal.
◅ – Quand elle diminue, les forces de répulsion des atomes deviennent prépondérantes, et des éléments se détachent de la structure cristalline.
◅ – Quand elle augmente, elle favorise le rapprochement des atomes et un cristal nouveau peut apparaître.
◅ – Ainsi, certains minéraux, dits polymorphes possèdent plusieurs formes cristallines selon la pression à laquelle ils se forment, tels que andalousite, sillimanite et disthène. Ils permettent de bien préciser le chemin PTt des roches qui contiennent un ou deux de ces minéraux.
Remarque importante : Ainsi une roche exposée à une pression qui diminue, tout en perdant très peu de chaleur, peut atteindre son point de fusion. Les réactions de fusion-déshydratation se réalisent très souvent dans cas qui correspond à une remontée adiabatique des roches.
◾ – On distingue trois types de pression :.
◅ – La pression lithostatique (PL) qui est la pression exercée sur une roche, par la colonne de roches qui la surmontent. Cette pression est fonction de la densité des roches et de la profondeur à laquelle elle s’exerce. Elle est isotrope, c’est à dire homogène dans toutes les directions et n’engendre donc pas de déformation., à part la compaction des roches
◅ – Les contraintes tectoniques (CT) : il s’agit de la pression exercée sur les roches par l’action des forces tectoniques, elle est liée aux chevauchements et aux processus orogéniques. Elle est donc anisotrope car elle n’est pas homogène dans toutes les directions de l’espace : elle est orientée et engendre des déformations et l’apparition de nouvelles structures à différentes échelles : failles , plis, schistosités, foliations…).
◅ – La pression des fluides (Pf) : c’est la pression exercée au sein des pores des roches par les fluides. Elle dépend de la présence d’H2O et de CO2 qui peuvent être présents dans les interstices et libérés lors de réactions chimiques de déshydratation ou de décarboxylation. La Pf favorise la circulation de fluides, accélère les réactions de transformations minérales, les échanges de matière et abaissent la température de début de fusion des matériaux.
▻ – Métamorphisme : l’essentiel de ce qu’il faut savoir – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon : ===> –(⚑)–
◾ – Pour aller plus loin dans la cristallisation :
▻ – Les Fondamentaux de la Cristallisation et de la Précipitation -Fabienne Espitalier, Fabien Baillon, Jacques Schwartzentruber, René David, Alain Gaunand, Michel Cournil, Ana Cameirão – 2.15 – 19 mars 2024 – – IMT, École des Mines d’Albi-Carmaux – ===> –(⚑)–
◍ – Le temps :
Le temps : La plupart des minéraux sont métastables ***, c’est à dire qu’ils se maintiennent sans modifications sensibles en dehors de leur domaine de formation : c’est cette propriété qui permet d’observer à l’affleurement des paragenèses (*) d’origine profonde. Les réactions de formation des minéraux sont réversibles mais les réactions rétrogrades ne se produisent pas ou à des vitesses extrêmement faibles. La vitesse d’exhumation est donc un facteur essentiel de conservation des assemblages métamorphiques.
(*) Paragenèse : association de minéraux qui sont, ensembles, stables dans certaines conditions pression-température et qui caractérise le chimisme général de la roche.
*** Voir paragraphe suivant –métastabilité d’un cristal-.
▻ – Métamorphisme : l’essentiel de ce qu’il faut savoir – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon : ===> –(⚑)–
La cinétique des réactions métamorphiques :
Ce chapitre est en cours de développement.
Avertissement : Les informations concernant ce chapitre proviennent du document de Christian Nicollet.
▻ – Chapitre 9 – Cinétique des réactions et préservation des roches métamorphiques – Métamorphisme et géodynamique – Dunod Paris 2010 – ISBN – 978-2-10-052258-2
▻ – Métamorphisme Et Géodynamique (BookFi) PDF– Christian Nicollet – ===> –(⚑)–
… Le contenu du livre sur internet.
◍ – Les réactions métamorphiques – schéma :
Ce chapitre s’appuie sur le document de Christian Nicollet :
▻ – Chapitre 9 – Cinétique des réactions et préservation des roches métamorphiques – Métamorphisme et géodynamique – Dunod Paris 2010 – ISBN – 978-2-10-052258-2
Schéma illustrant les réactions de métamorphisme.
Pour revoir le schéma dans un autre onglet – -📸-
◍ – Vitesse de réaction :
Les réactions ne se réalisent pas spontanément . …
La réalisation de la réaction dépend d’un état transitoire entre les éléments réactants et les éléments produits appelé « complexe d’activation« . En effet, ce complexe possède une énergie libre supérieure à celle des réactants. La différence d’énergie entre les deux est appelée énergie d’activation ou barrière d’énergie. Il faut donc fournir de l’énergie.
…
Remarquons que la barrière d’activation des réactions de déshydratation est faible, tandis que la variation d’entropie de ces mêmes réactions est élevé : ces réactions ont des vitesses élevées, contrairement aux réactions ne faisant intervenir que des phases* anhydres**.
** – C’est la raison pour laquelle ces réactions anhydres, en absence de phases hydratées réactantes se déroulent à très hautes températures.
* – Phase : dans le cadre de réactions métamorphiques, la phase est représentée par
— les minéraux, réactants ou réactifs, qui peuvent être anhydres, le quartz ou hydratés, biotite, muscovite, ….
— L’eau libre, H2O, est une phase fluide, ou tout autre fluide tel que CO2
— le liquide magmatique est aussi considéré comme une phase dans les réactions de fusion.
◍ – Facteurs de contrôle de la réaction :
Remarquons : Pour qu’une réaction se réalise, il faut tout d’abord qu’il y ait dissolution des phases réactantes et ensuite migration des éléments vers le site de recristallisation. Ceci suppose une diffusion intercristalline à travers le milieu solide cristallin et intercristallin, à la frontière des cristaux, avec ou sans phase fluide. Le regroupement des ions sur sur le site de recristallisation constitue le complexe d’activation.
Ensuite démarrent les processus de la cristallisation.
◾ – La vitesse de diffusion des éléments réactants :
La vitesse de diffusion cristalline est très faible dans la roche en milieu anhydre et très dépendante de la température :
A 400 °C, une couronne minéralogique, voir figure du milieu sur le schéma, d’un épaisseur millimétrique entre deux minéraux réactants, se forme en 1 million d’années environ. Il faut environ 100 fois moins de temps si la température est de 800 °C. De telles valeurs sont raisonnables pour expliquer les textures coronitique *** de métagabbros** peu hydratés.
La vitesse de diffusion à travers la couronne devient rapidement le facteur limitant la vitesse de réaction lorsque la couronne s’épaissit et que la température est basse – < 700 °C.
**Métagabbro : Roche métamorphique dont le protolithe est un gabbro.
*** Coronitisation : Réaction chimique à la périphérie d’un minéral donnant une couronne réactionnelle , lorsqu’elle se produit dans une réaction métamorphique en cours de cristallisation ou au cours de l' »altération superficielle d’un cristal. ___ ▻ – Dictionnaire de Géologie – Dunod – 8ème édition – 2014
Remarque : ce phénomène de coronétisation, peut être observé dans le Massif de Ploumanac’h, dans le Massif Armoricain : ▤ – 18– Les feldspaths à structure rapakivi
… Cela se produit quand un magna « acide », riche en silice, et un magma « basique », pauvre en silice mais riche en ferromagnésiens, se retrouvent, en même temps, à cristalliser dans la même chambre magmatique. On peut observer des feldspath potassiques, orthose -KAlSi3O8– ,enveloppés d’une couronne de feldspaths plagioclases, oligoclase -(Na,Ca)[Al(Si,Al)Si2]O8-. Le potassium est remplacé par du sodium et/ou du calcium.
Ce phénomène se produit quand les feldspaths potassiques en cours de cristallisation, sont éjectés du milieu acide pour finir de cristalliser dans le milieu basique où le potassium est absent, alors que le silicate d’alumine -Al2SiO3– est toujours présent en grande quantité.
Question au relecteur
Est-ce du métamorphisme ?
En est-il de même pour les ocelles de pyroxène ????
◾ – Le rôle dynamique joué par les fluides :
En présence d’eau, et à fortiori, si celle-ci se déplace (infiltration), la vitesse de diffusion (et de transport) devient très grande avec une « pénétration » des éléments de plusieurs kilomètres à 400 °C en quelques millions d’années.
…
Parmi les les différents fluides qui interviennent dans la nature, l’eau est celui qui contribue le plus à une augmentation significative de la vitesse de réaction. La dilution par le CO2 provoquerait une diminution significative de la solubilité des minéraux et de la concentration en éléments en solution; ce qui réduit d’autant la capacité du fluide à transporter ces éléments.
◾ – L’influence de la déformation des roches pendant le métamorphisme :
Pendant le métamorphisme, la roche métamorphique, pendant son périple, est soumise à des contraintes qui déforment la masse rocheuse. Cette déformation :
▹Permet et maintient la juxtaposition des grains réactants entre eux. … La déformation diminue les distances entre les minéraux réactants en disloquant la couronne qui les blinde.
▹Réduit la taille des cristaux réactants et augmente leur énergie libre, favorisant ainsi le franchissement de la barrière d’énergie.
▹Facilite la diffusion intergranulaire en favorisant la circulation des fluides dans les plans de foliation.
▻ – Métamorphisme et Thermodynamique – cahier-de-prépa.fr – ===> –(⚑)–
▻ – Énergie libre – Wikipédia – ===> –(⚑)– – Pour les très savant ou les très curieux !!!
▻ – Entropie – Wikipédia – ===> –(⚑)– – Pour les très savant ou les très curieux !!!
▻ – Mais au fond, qu’est-ce que l’entropie ? – Les Mines d’Albi – ===> –(⚑)– – Explication simple !!!
▻ – Qu’est-ce que l’entropie ? – Connaissance des énergie – ===> –(⚑)– – Pour les très savant ou les très curieux !!!
▻ – – Relation entre la Composition Chimique et la Composition Minéralogique d’une Roche Métamorphique : la Règle des Phases de Gibbs – Christian Nicollet Connaissance des énergie – ===> –(⚑)– – Pour les très savant ou les très curieux !!!
▻ – Chapitre 9 – Cinétique des réactions et préservation des roches métamorphiques – Métamorphisme et géodynamique – Dunod Paris 2010 – ISBN – 978-2-10-052258-2
État métastable des minéraux et des roches :
Ce paragraphe est en cours de développement.
Les minéraux sont stables dans les conditions de température et de pression où ils se sont formés. Mais ils peuvent se maintenir sans modifications sensibles en dehors de leur domaine de formation. Ils sont dans un état métastable.
Ci-dessous deux exemples pour illustrer cette notion d’état métastable, le cas du diamant qui est un minéral et celui des réactions de métamorphisme progrades et rétrogrades quand on passe d’une roche à une autre.
⋄ – Le changement d’état d’un minéral métastable est sous le contrôle de deux paramètres : la présence d’eau et les variations de la température. C’est le cas du diamant, cristal de carbone pur, utilisé en joaillerie qui s’est formé selon des processus complexes dans des conditions de température et de pression très élevées.
La majorité des diamants naturels se sont formés dans des conditions de très hautes températures et pressions à des profondeurs de 140 à 190 kilomètres dans le manteau terrestre. Leur croissance nécessite de 1 à 3,3 milliards d’années (entre 25 et 75 % de l’âge de la Terre). Les diamants sont remontés à la surface par le magma d’éruptions volcaniques profondes qui refroidit pour former des roches volcaniques contenant les diamants, les kimberlites ***.
*** – ▻ – Diamant – Wikipédia – ===> –(⚑)–
*** – Kimberlite – Wikipédia – ===> –(⚑)–
Dans les conditions atmosphériques normales, les diamants ne sont pas déstabilisés, seuls le feu et la dissolution dans des solvants non naturels, tels que la soude fondue et surtout le nitrate de potassium peuvent les détruire.
▻ – Recyclage du carbone et formation du diamant en zone de subduction : contraintes expérimentales – Audrey Martin – Université Blaise Pascal – Clermont-Ferrand – ===> –(⚑)–
▻ – Les diamants et leurs inclusions fluides : fenêtre sur le cycle des éléments dans le manteau terrestre – -Lucille Daver – Avril 2023 – Université du Québec à Montréal – chapitre 1 – ===> –(⚑)–
▻ – Le diamant artificiel – Contribution à l’étude du procédé de croissance de diamant par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde : contrôles optiques in situ et caractérisation des films élaborés – mars2018 – Fabien Benedi – Univertité Poincaré – Nancy – ===> –(⚑)–
▻ – Le diamant : une mine de propriétés remarquables – Reflets de la physique – David Eon, Étienne Gheeraert, Julien Pernot (julien.pernot@neel.cnrs.fr) et Étienne Bustarret Institut Néel (Univ. renoble Alpes, CNRS, Grenoble INP), 25 avenue des Martyrs, 38042 Grenoble Cedex 09 – ===> –(⚑)–
▻ – Comment détruire le diamant ?– Flux de connaissances – ===> –(⚑)–
▻ – Qu’est-ce qui peut détruire un diamant ?– Synonyme-du-mot.com – ===> –(⚑)–
⋄ – Les roches métamorphiques que l’on observe aujourd’hui, sont à l’état métastable, elles se trouvent dans un domaine P-T différent de celui où elles ont été formées par des processus de métamorphisme prograde.
… Quand la température augmente, la roche est métamorphisée en une autre correspondant à un domaine P-T métamorphique plus élevé, c’est ainsi que se forment les série métamorphiques.
… Quand la température diminue on peut assister un métamorphisme rétrograde où interviennent plusieurs facteurs :
… La présence de tous éléments nécessaires à la réalisation d’une réaction rétrograde permet le rétromorphisme quand la température diminue :
Mais très souvent un ou plusieurs réactants manquent pour la réalisation de cette réaction. Très souvent, c’est l’eau qui a été libérée par la réaction prograde qui n’est plus disponible, elle s’est déplacée.
… La température et le temps : dans le cas d’un métamorphisme rétrograde, si la température diminue diminue trop vite les réactions rétrogrades n’ont pas le temps de s’accomplir, c’est le cas des éclogites observées par Christian Nicollet. Voir ci-dessus dans le chapitre réservé à la rétromorphose.
▻ – A la cueillette des Fruits Rouges …Eclogitiques – Christian Nicollet – === –(⚑)–.
… on peut observer des éclogites non soumises à une rétromorphose .
Les climats ou gradients métamorphiques :
Une roche, soumise à un métamorphisme prograde génère une série de roches métamorphiques, définies par les variations de Température et de Pression qu’elle subit.
On distingue ainsi, trois séries de ce types, on les nomme climats ou gradients métamorphiques : Gradients des Basses Pressions, Moyennes Pressions et Hautes Pressions..
◍ – Les gradients – présentation :
◾ – Une présentation des climats ou gradients métamorphiques :
▻ – Les gradients métamorphiques – Christian Nicollet : –📸– – Le graphique :
Lorsque l’on se déplace dans une zone affectée par un métamorphisme régional, les différentes roches témoignent de conditions variables, progressives, depuis les faibles degrés jusque, parfois, les conditions de l’anatexie. Les conditions dont témoignent ces roches permettent de tracer une évolution régulière dans le diagramme P-T : on parle de gradient métamorphique. Les trois domaines colorés (HP-BT, MP-HT et HT-BP) matérialisent les évolutions métamorphiques régionales les plus souvent enregistrées par les roches du métamorphisme régional. Ce sont les principaux gradients métamorphiques (2) .
(2) ▻ – Les gradients métamorphiques – Christian Nicollet : ===> –(⚑)– – le texte
◾ – Une description des climats ou gradients métamorphiques vue par Planet-Terre :
Cette classification a été élaborée dans les années 60 par Miyashiro à partir de l’étude des ceinture métamorphiques de l’arc japonais. Les variations relatives de la pression et de la température permettent de définir des « climats » métamorphiques qu’il ne faut pas confondre avec des intensités de métamorphisme car dans chaque climat on peut rencontrer tous les degrés de métamorphisme.
○ Le climat BP-HT (ou série Abukum-Rioké). Le gradient géothermique est fort : la température augmente très vite même pour une faible profondeur et aboutit souvent à l’anatexie. Les minéraux caractéristiques sont l’andalousite et la sillimanite.
○ Le climat MP-MT (ou série barrovienne). Le gradient géothermique est moyen, Il aboutit souvent à l’anatexie et les minéraux caractéristiques sont le disthène et la sillimanite. Cette série correspond souvent à une tectonique type collision.
○ Le climat HP-BT (ou série franciscaine). Le gradient géothermique est faible : la pression augmente sans élévation notable de la température. Les schistes bleus se forment souvent dans ce contexte qui n’aboutit jamais à l’anatexie. Ce climat s’observe souvent dans les contextes de subduction.
Il faut donc comprendre qu’une roche évoluera différemment selon le climat métamorphique. Par exemple, un basalte deviendra successivement schiste vert puis amphibolite, puis granulite en climat MP-MT mais deviendra schiste bleu puis éclogite en climat HP-BT.
Il est à noter qu’aucun des 3 gradients ne coïncide avec le géotherme moyen d’une lithosphère stable (GLs) ce qui signifie que ces gradients ne sont pas apparus dans différents contextes géodynamiques(1).
Remarque sur Le climat BP-HT : Ce climat s’observe souvent dans le contexte du retour à l’équilibre de la croûte continentale.
(1) ▻ – Métamorphisme : l’essentiel de ce qu’il faut savoir – Nathalie Pajon-Perrault – Eduterre – ENS Lyon : ===> –(⚑)–
◾ – Un exemple de série métamorphique dans le domaine MP-MT
Le tracé du gradient métamorphique consiste à « placer » (qualitativement) sur le diagramme PT les cinq échantillons (3) .
(3) ▻ – Le tracé du Gradient Métamorphique – Christian Nicollet : ===> –(⚑)–
◍ – La position des climats métamorphiques par rapport au point triple des polymorphes du silicate d’alumine :
Les polymorphes du silicate d’alumine sont très souvent présents dans les roches métamorphiques, ils sont aussi un très bon indicateur du chemin métamorphique emprunté par les roches.
◾ – Les coordonnées du point triple :
… Les coordonnées du point triple des silicates d’alumine retenues dans cette présentation sont :
une pression de 4,5 Kbar environ (correspondant à une profondeur de 10 à 15 km) et une température légèrement supérieure à 550°C.
Rq : Selon les auteurs, ces valeurs varient de 15 à 20%, en plus ou en moins !!!
◾ – Les climats métamorphiques et le point triple :
… Le point triple est situé entre les deux climats BP et MP.
… La série de roches appartenant au climat MP-MT se distingue par la présence du disthène ou kyanite et de la sillimanite.
… C’est le cas de la série métamorphique présentée par Christian Nicollet où l’on retrouve du disthène dans l’échantillon 3 : ===> –(⚑)–
… La série de roches appartenant au climat BP-HT se distingue par la présence d’andalousite et de la sillimanite.
… C’est le cas de la série métamorphique de Gavarnie.
Pour Continuer la balade sur le site Géologie pour les Curieux :
◾ – L’anatexie :
… Pendant son périple, le protolithe atteint les conditions de température et de Pression où apparait, la première goutte de magma, quand elle entre dans le domaine du magmatisme :
▤ – Anatexie
◾ – Les migmatites :
… Les migmatites sont les témoins physiques du passage des roches métamorphiques dans le domaine du magmatisme, quand la première goutte de magma apparait :
▤ – Migmatites
◾ – Page principale :
▻▤ – Migmatites et anatexie – Introduction
