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.
▤ – Métamorphisme Introduction – les processus métamorphiques
▤ – 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 – Madagascar – ===> –(⚑)-
▻ – Dans Wikipédia; un tableau plus complet.
… Protolithe – Wikipédia – : ===> –(⚑)–
Les roches – les constituants de la terre – Définitions :
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, 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.
◍ – Roche acide et roche basique :
On utilise très souvent le terme de « roche acide » et de « roche basique » dans la littérature et encore plus pendant les sorties géologiques. Cela permet de distinguer deux types de roches au comportements physico-chimiques différents.
Roche acide : est riche en Si > 65% et pauvre en Ca, en Mg, et en Fe – silicium, calcium, magnésium et fer.
Roche basique : est « pauvre » en Si – silicium < 55%, et riche en Ca, en Mg, et en Fe – silicium, calcium, magnésium et fer.
Rq : Les minéraux ferromagnésiens riches sont des minéraux silicatés, ils contiennent tous au moins un ion silicaté (SiO4)4- !
Roches intermédiaires : 55% < Si < 65%, et contiennent du Ca, Mg,t Fe – silicium, calcium, magnésium et fer.
Rq : Les minéraux ferromagnésiens contiennent du fer et du magnésium.
Exemples de roches :
…Roches acides : granites (r. magmatique plutonique***), schiste, gneiss, migmatites (r. métamorphique), rhyolite (r. magmatique plutonique).
Roches basiques : basalte (r. magmatique volcanique), gabbro (r. magmatique plutonique), amphibolites, éclogites (r. métamorphique)
Roches intermédieras : andésites (r. magmatique volcanique), granodiorites (r. magmatique plutonique),
Remarques concernant les roches acides, riches en silicium :
… Une roche acide, magmatique, métamorphique, sédimentaire, contient du quartz (SiO2).
Plus une magma est acide plus il possède une viscosité élevée.
… L’explosion de la Montagne Pelée, en 1902 : a été causée par la viscosité de la lave qui n’a pas pu s’échapper par la cheminée, qui était de composition de l’andésite, une roche intermédiaire 55% < Si < 65%.
… Les grandes coulées que l’on observe à la Réunion , aux îles Hawaï sont constituées de basalte, roche basique.
*** ◍ – Roches magmatiques : plutoniques et roches volcaniques:
Roche magmatique plutonique ; roche formée par cristallisation d’un magma dans une chambre magmatique
Roche magmatique volcanique ; roche formée par refroidissement rapide d’un magma à la surface de la croûte terrestre dans l’air ou dans l’eau.
◍ – 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)- ===> –(⚑)–
◍ – Plaque tectonique, croûte terrestre, lithosphère continentale et lithosphère océanique :
Une plaque tectonique est formée du manteau lithosphérique recouvert d’un ou plusieurs éléments de croûte continentale ou océanique.
… On peut dire que deux plaques tectoniques convergent, la plaque indienne a débuté la convergence vers la plaque eurasienne, il y a 140 millions d’années.
… En revanche, on dit que la lithosphère océanique de l’océan Téthys est entrée en subduction sous la lithosphère continentale de Eurasie du Sud-est, il y a 140 Ma. Et la lithosphère continentale de l’Inde est entrée en collision avec la lithosphère continentale de l’Eurasie, il y a 23 Ma.
▻ – Collision Inde-Asie – Wikipédia – – ===> –(⚑)–
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 transformations d’une roche en une roche métamorphique, sont réalisées à l’état solide, sans fusion, donc sans formation de magma. Cela se traduit par :
▻ – Une modification de la paragenèse, par :
… Apparition de nouveaux minéraux, dits néoformés,
… Disparition, totale ou partielle des minéraux instables dans les nouvelles conditions de T-P,
… Présence des minéraux pré-existants dans la roche initiale, non affectés par les réactions métamorphiques.
▻ – Une modification de la texture, c’est-à-dire la taille, la forme des cristaux, une roche à texture microgrenue, texture aplitique, texture coronitique, texture rapakivi, etc
▻ – Une modification de la structure, c’est-à-dire la disposition relative des minéraux, des minéraux, une structure foliée ou rubanée, avec alternance de lits clairs et de lits sombres. Les migmatites sont des roches rubanées ou foliées.
▻ – Structures et textures des roches métamorphiques – Saga-Géol – ===> –(⚑)–
Exemples ;…Texture aplitique : quartz et feldspaths seuls, en cristaux équigranulaires, formant un assemblage de taille millimétrique (roche hololeucocrate). Filon d’aplite _ ===> –(⚑)–
... Texture rapakivi et texture antirapakivi : feldspath potassique auréolé de plagioclases ou disposition inverse. Feldspaths à structure rapakivi _ ===> –(⚑)–
… Texture coronitique : texture réactionnelle entre minéraux différents formant une couronne. Voir image ci-dessous.
▻ – Texture des roches, pétrographie – Wikipédia – ===> –(⚑)–
◾ – 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
◾ – Schéma :
Métamorphisme et géodynamique – Christian Nicollet – Page 4 – Dunod
Pour revoir le schéma dans un autre onglet – -📸-
Rq : Sur le schéma, la texture a été modifiée, kes cristaux sont plus gros, la structure n’a pas changé.
◍ – 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.
… Peut-être observé au niveau des dorsales océaniques.
♦ Le métamorphisme de contact : extension limitée (quelques centimètres à quelques kilomètres), se développant autour d’une intrusion magmatique.
… Peut être observé dans les roches encaissantes des plutons de roches magmatiques.
♦ 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 minéralogique 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 – : ===> –(⚑)–
◍ – Remontée adiabatique :
Cela correspond à une diminution de la pression exercée sur les roches sans qu’elles perdent de la chaleur.
Des processus géodynamiques peuvent provoquer la remontée de roches métamorphiques de la base de la croûte, fortement »réchauffées » ,rapidement vers la surface, sans perte de chaleur, la température de la roche varie très peu.
En effet, les roches possède un coefficient de transmission thermique très faible, elles sont de très bons isolants.
Ainsi les roches peuvent atteindre leur point de fusion.
La remontée adiabatique s’applique aux roches de la croûte continentale dans le cadre de collision et des roches du manteau au niveau des dorsales océaniques.
.. Pour visionner le schéma dans un autre onglet –📸–
▻ – Les magmas primaires basaltiques issus de la fusion du manteau : Planet-Terre – ENS Lyon – ===> –(⚑)–
L’exemple donné dans ce schéma est celui d’une roche basique, appartenant au manteau asthénosphérique, qui recoupe le solidus sec des péridotites (roches du manteau).
Les principes du métamorphisme :
Le métamorphisme se réalise quand une roche 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 lithosphères continentales (L’Himalaya, les Alpes), ou ou de la subduction*** d’une lithosphère océanique sous une lithosphère continentale (les Andes et les Rocheuses).
La présentation est donc développée pour un environnement orogénique.
*** Une subduction est le passage d’une plaque tectonique sous une autre quand elles convergent l’une vers l’autre.
Remarque : très souvent la collision de deux lithosphères continentale est précédée de la subduction d’une lithosphère*** océanique sous une lithosphère continentale, correspondant à 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.
Ce schéma est utilisé pour illustrer le trajet P-T emprunté par une roche impliquée dans un collision, il indique l’évolution de la température et de la pression, pendant son périple jusqu’à l’exhumation.
Le temps n’est pas représenté sur ce diagramme, un paragraphe lui est résevé en fin de ce chapitre.
.. 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 correspond 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, et le domaine solide + liquide, il correspond à l’apparition de la première goutte de liquide magmatique quand, pour une pression donnée, la température augmente ou à la disparition de la dernière goutte quand la température diminue.
Le solidus marque la limite entre le domaine du métamorphisme et le domaine du magmatisme, avec fusion partielle des roches.
Le liquidus marque la limite entre le domaine solide + liquide et le domaine liquide, il correspond à la fusion du dernier cristal ou à l’apparition du premier cristal selon le sens des variations de la température et de la pression.
… 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.
… Le domaine de l’anatexie est situé entre le solidus et le liquidus.
◍ – 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, apparait sous la forme de trois minéraux polymorphes différents, selon les conditions de température et de pression auxquelles il cristallise.
On définit ainsi, 3 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 : Ces réactions métamorphiques sont introduites 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.
Il permet de différencier les trajet « Basse Pression » des trajets « Moyenne Pression« .
▻ – Polymorphes du silicate d’alumine – cahier-de-prépa –📸– ===> –(⚑)– –
▻ – Silicate d’alumine – Al2SiO5. – Wikipédia – ===> –(⚑)– –
▻ – Photos des trois polymorphes : 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, alors qu’elle impliquée dans la formation d’une chaîne de montagne.
… Le trajet représenté sur le schéma correspond à celui d’une roche (sédimentaire, argileuse) soumise à un métamorphisme qui la conduit au-delà du « solidus des granites hydratés », où se situe le domaine 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 affectées 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 temps :
Le temps est un élément important de dans les processus métamorphiques.
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 – Le domaine de Température des 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. Le domaine métamorphique couvre la formation de l’ardoise jusqu’à celle des gneiss.
◾ – 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 d’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 : NaAlSi3O8
… NaAl2(AlSi3O10)(OH)2 + SiO2 = NaAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O
Remarque : C’est la présence de l’ion 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.
… L’albitite ou plagiogranite est une roche qui contient beaucoup d’albite — lithothèque – ENS Lyon ===> –(⚑)–
◾ – 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.
Remarques : L’ardoise qui est une roche métamorphique dont le protolithe est une argile, est riche un minéral appartenant à la famille des muscovites, elle se formé à une température comprise entre 200 et 300 °C.
◍ – 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 acide 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, apparaîtra comme un gneiss migmatitique ou une migmatite.
◾ – Courbe c – Fusion d’une roche anhydre ou réaction de « fusion-déshydratation » :
◾ – protolithe acide :
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.
… K(Mg,Fe)3(OH,F)2Si3AlO10 + NaAlSi3O8 + Al2SiO5 + SiO2 = X2+3Y3+2[SiO44−]3 + (Ba,Ca,Na,K,NH4)(Al,B,Si)4O8 + liquide ***
… Lors de la réaction chimique, la biotite, minéral hydraté ion OH–) apporte l’eau nécessaire à la production de liquide magmatique.
… Cette réaction se réalise dans le domaine magmatique à des températures élevées, proche des 900 °C.
… Des réactions de ce type existent avec la muscovite, mais à une température moins élevée, vers 800 °C.
*** Grenat -X2+3Y3+ – pour les curieux : ▻ – Grenat – Wikipédia – ===> –(⚑)–
.◾ – Protolithe basique :
L’eau est apportée par les amphiboles, les biotites, minéraux ferromagnésiens hydraté, présents dans les roches métamorphiques basiques telles les amphibolites et métagabbros.
Rq : Les réactions de fusion concernant les roches basiques, se font à des températures encore plus élevées, au-dessus de 900 °C.
.◾ – Remontée adiabatique :
Des migmatites dont le température est de 750°C et situées à 20 km de profondeur peuvent être entraînées vers la surface par les processus géodynamiques qui se produisent dans la chaîne de montagne en cours de formation.
Ces roches peuvent, ainsi, atteindre la température de fusion de la biotite et démarrer leur fusion.
Rq : Cette trajectoire n’est pas reportée sur le schéma ci-dessus !
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, comme élément chimique intervenant dans une réaction métamorphique ou de fusion, et/ou comme élément physique liquide à l’état supercritique.
◍ – 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 déplacement des éléments (ion, atomes, etc.) détachés des cristaux des minéraux réactants vers les cristaux en cours de formation. Elle joue un rôle dans la cinétique de ces réactions.
▻ – Au niveau des réactions de fusion, elle joue le rôle de catalyseur, elle affaiblit les forces de cohésion entre les éléments d’un cristal, cela se traduit par la baisse du point de fusion (température à laquelle apparait la première goutte de magma).
— Pour en savoir plus : ▤ – Stabilité des cristaux
▻ – 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 de celui-ci dans une ou plusieurs chambres magmatiques où il cristallise selon des processus de cristallisation plus ou moins complexes.
◍ – 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 par les variations de la température et de la pression subies par la roche pendant son 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. Ou alors, la température diminuant, les réactions chimiques se réalisent beaucoup plus lentement et ne peuvent pas être réalisées entièrement.
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 présenté le trajet P-T des éclogites :
▻ – 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 lithosphère 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 rétromorphisme qui produit un nouvel assemblage de minéraux très spectaculaire – === –(⚑)–. éclogite non métamorphosée –📸– -éclogite rétromorphosée – –📸–
Note au relecteur rétromorphisme ou rétromorphose ou rétromométamorphisme ou métamorphisme rétrograde ???
Pour dictionnaire Dunod rétromorphose et rétromorphisme sont synonymes.
Elle est divisée en un certain nombre de plaques tectoniques, également appelées plaques lithosphériques.
▻ – 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. Voir 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, voir ci-dessus – Futura Sciences – –📸–
… Le quartz de système cristallin trigonal et de densité = 2,65, est « compacté », au cours du métamorphisme prograde, 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.
Dans ce cas, le cristal de coésite s’est formé en même temps qu’un cristal de grenat, mais en inclusion dans ce cristal de grenat.
A l’exhumation :
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, la croûte continentale s’enfonce rapidement sous d’autres parties de croûte, dans un milieu à haute température. Les pressions se transmettent instantanément à l’ensemble des roches. En revanche, la transmission de la chaleur à l’intérieur des volumes rocheux est un processus très lent (inertie thermique). Donc, au cours d’une orogenèse, l’augmentation de la température sera toujours plus lente que celle de la pression.
Globalement, on peut dire que les échanges thermiques sont plus lents que les phénomènes tectoniques : quelques millions d’années suffisent pour « enfoncer » la croûte océanique à 100 kilomètres de profondeur alors que quelques dizaines de millions d’années sont nécessaires pour un équilibrage thermique avec le milieu.
Mais comment la lithosphère se réchauffe-t-elle ? et quelles en sont les conséquences ?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 – === –(⚑)–
◾ – 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 distension. . 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, car 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, c’est la raison pour laquelle, la chaleur a des difficulté à s’évacuer.
Cette période peut être très longue et se dérouler sur plusieurs dizaines de millions 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 ont complètement disparues.
Alors peut apparaître, en plus des processus de disparition des reliefs abordés ci-dessus, un nouveau processus d’amincissement de la croûte plus efficace, à l’origine de nombreux processus d’anatexie.
Dans ce cas des failles normales se forment et provoquent un amincissement important de la lithosphère continentale provoquant une remontée du manteau asthénosphérique très chaud (1300 °C).
Alors les roches situées à la base de la croûte, fortement réchauffées sont soumises à une remontée adiabatique vers la surface et peuvent atteindre ainsi leur point de fusion.
Pour aller plus loin : ▤ – Dôme métamorphique et dôme migmatitique :
◾ – 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 :
Remarque : la fusion partielle se produit à très haute température, vers les 750 °C, correspondant, à cette pression, à la température de fusion de la biotite. Pendant la collision, il s’est produit une déchirure de la lithosphère qui a permis une remontée du manteau asthénosphérique très chaud (1300 °C), qui a réchauffé fortement les roches de la croûte situées au-dessus et provoqué la fusion partielle de celles-ci.
◾ – 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. Mais la roche métamorphique peut voir son chemin tranquille, bouleversé, prise dans des nouveaux processus géodynamiques progrades et rétrogrades caractéristique des dernières étape de l’orogenèse.
… Dans le Dôme métamorphique du Velay, se trouvent des roches impliquées dans deux épisodes métamorphiques, au cours de du même épisode orogénique.
C’est le cas du trajet n°1, correspondant à des roches situées en bordure du Dôme – –📸– – ▤ – Dôme migmatitique du Velay :
Séries ou séquences métamorphiques
Une série ou séquence métamorphique est une succession de roches métamorphiques formées au cours d’un métamorphisme prograde appliqué à un protolithe.
. Une série pélitique, dont le protolithe est une roche argileuse, est constituée de schistes, micaschistes et gneiss migmatitiques.
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 :
▻ – Le tracé du Gradient Métamorphique – Christian Nicollet : ===> –(⚑)–
▻ – Un autre exemple – Étude tectonique et pétrologique de la série métamorphique de Saint-Michel-Chef-Chef (Loire-Atlantique, France). – Tanguy JEAN -Université de Nantes – Page 14 — === –(⚑)–
Les paramètres de contrôle du métamorphisme
La stabilité d’un cristal est assurée tant que les forces de cohésion exercées sur les atomes sont supérieures aux forces de répulsion.
La stabilité d’un cristal dépend de plusieurs paramètres : la température, la pression, la présence de fluides.
Énergie d’interaction entre les élément d’un cristal
.. Pour rappeler le schéma de trajet dans un autre onglet : –📸– –
▻ – Au cœur des matériaux cristallins – Philippe Lours, Fabien Baillon 2.8. 19 mars 2024 – IMT, École des Mines d’Albi-Carmaux – ===> –(⚑)–
◍ – 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)
Deux facteurs externes au cristal, jouent un rôle fondamental dans la stabilité d’un cristal situé dans une roche, ce sont :
… La température : L’augmentation de température affaiblit la cohésion du cristal.
… La pression : la pression exerce une force physique qui s’ajoute aux autres forces d’attraction, de cohésion.
◍ – La Température :
La température, quand elle augmente, favorise la dislocation du cristal, les liens entre les atomes qui assurent sa cohésion sont brisés. 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 : ===> –(⚑)–
Pour en savoir plus : ▤ – 2.6 – Stabilité des cristaux
◾ – 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, entre 1 200 et 1 300 °C.
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 et peut générer des magmas qui sont regroupés dans des chambres magmatiques situées en base de croûte. Ces magmas très chauds -plus de 1000 °C- participent au réchauffement de la croûte qui s’amincit.
Rq : Les réactions de cristallisation sont exothermiques, elles libèrent de la chaleur.
◍ – La Pression :
◾ – La pression est une force physique, opposée aux forces de répulsion existant entre les éléments du cristal. Elle définit avec la température, les domaines dans lesquels une roche est stable.
Les trajets P-T présentés ci-dessus sont des exemples de réactions métamorphiques où ces deux paramètres interviennent.
◅ – Le cas des minéraux polymorphes présentés ci-dessus montrent bien l’impact des variations de la température et de la pression sur le domaine de stabilité d’un cristal.
◅ – Le cas de la remontée adiabatique des roches : quand elles remontent vers la surface à température pratiquement constante, elles atteignent ainsi leur point de fusion.
◾ – 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.
Quelques informations à propos de la vitesse des réactions de métamorphisme;
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. etc.
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**. ▻ – Chapitre 9 – Christian Nicollet.
* – Phase : dans le cadre de réactions métamorphiques, la phase est représentée par
— les minéraux, réactants ou réactifs, qui peuvent être anhydres (quartz) ou hydratés, (biotite, muscovite, etc.).
— L’eau libre, H2O, est une phase fluide, le CO2 représente aussi une phase fluide.
— Le liquide magmatique est aussi considéré comme une phase dans les réactions de fusion.
** – Minéraux anhydre : ou minéraux non hydraté tels que SiO2, le quartz, Al2O(SiO4), l’andalousite, ou sillimanite ou disthène,
Rq : Les réactions anhydres, en absence de phases hydratées réactantes se déroulent à très hautes températures.
◍ – Facteurs de contrôle de la réaction :
Remarque :: 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. Chapitre 9 – Christian Nicollet.
Remarque : Très souvent dans la littérature, on parle de « dissolution-recristallisation » pour définir les réactions métamorphiques.
◾ – 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’une 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. Chapitre 9 – Christian Nicollet.
* 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
***Métagabbro : Roche métamorphique dont le protolithe est un gabbro. Le gabbro est une roche magmatique, obtenue par cristallisation d’un magma basique issu de la fusion de roches du manteau.
◾ – 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. etc.
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. Chapitre 9 – Christian Nicollet.
◾ – 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. Chapitre 9 – Christian Nicollet.
▻ – 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.
Il existe deux raisons pour lesquelles, on peut observer des roches à l’état métastable :
◍ – Les éléments nécessaires à la réaction ne sont pas disponibles :
Très souvent, un ou plusieurs réactants nécessaires à ces réactions rétrogrades ne sont plus disponible :
……. Ils ont été mobilisés par d’autres réactions,
……. Ils se sont déplacés, c’est très souvent le cas où des fluides, très mobiles, sont générés par des réactions de métamorphisme de déshydratation – , H = A + V , où -V- représente la phase vapeur d’eau (H2O). Par exemple :
Réaction prograde est : Pg + Q = Ab + Als + H2O : Paragonite + Quartz = Albite + Al2SiO5 + H2O
La paragonite appartient à la famille des muscovites (micas blancs).
Réaction rétrograde est ; Ab + Als + H2O = Pg + Q
Après avoir migré, l’eau n’est plus disponible pour la réaction rétrograde inverse.
◍ – Les réactions de rétromorphisme sont lentes :
Les réactions de métamorphisme prennent beaucoup de temps et plus particulièrement, les réactions rétrogrades car la température décroit pendant qu’elles se réalisent..
Ci-dessous deux exemples pour illustrer cette notion d’état métastable :
◾ – La réaction est très très lente :
Le diamant : c’est un 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. A température ambiante, il se transforme en graphite, une autre forme cristalline du carbone, mais à une vitesse tellement lente, qu’on ne peut pas l’observer.
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 – ===> –(⚑)–
◾ – La réaction est lente, mais pas trop :
Il est possible, dans de rares cas, d’observer la roche avant d’être rétromorphosée.
C’est le cas des éclogites. Les éclogites sont des roches métamorphiques dont le protolithe est une roche basique telle que gabbro (r. plutonique) ou basalte (r. volcanique), présents dans une lithosphère océanique en subduction.
◽ – Telles qu’on peut les observer aujourd’hui après exhumation, après avoir été soumises à un métamorphisme rétrograde.
Photo – Christian Nicollet === –(⚑)–.
.
◽ – Telles qu’elles pouvaient être avant exhumation,
Cette roche n’est pas une éclogite, mais elle s’est formée dans les même conditions de température et de pression, et elle présente la particularité de posséder les deux minéraux qui interagissent pendant la rétromorphose : le grenat et la zoïsite qui est une amphibole.
Rq : Dans ce cas je ne suis pas trop sûr de moi !
Est-ce que la roche (skarn) présentée par C. Nicollet, donnerait le même résultat qu’une éclogite, après rétromorphose ???
L’été est l’occasion d’aller à la cueillette des éclogites fraîches pour renflouer les tiroirs des collections. Mais les éclogites non rétromorphosées ne courent pas les rues ! Dans le Alpes, on peut trouver ces roches au pied du Viso ou bien du côté du Cervin …
▻ – A la cueillette des Fruits Rouges …Eclogitiques – Christian Nicollet – === –(⚑)–.
▻ – A la cueillette des Fruits Rouges …Eclogitiques – Christian Nicollet – === –(⚑)–.
… on peut observer des éclogites non soumises à une rétromorphose .
▻ – Éclogite – Mindat.org- === –(⚑)–.
▻ -Éclogites et vignobles : exemples de la Vallée d’Aoste (Italie) et du Pays Nantais- Eduscol – Planet-Terre, ENS Lyon – === –(⚑)–.
▻ –Les éclogites et les gneiss de l’unité de métamorphisme de haute pression des Essarts – Avg85- === –(⚑)–.
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).
(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 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.
… 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.
… Christian Nicollet présente une série métamorphique qui se déroule dans le climat MP-MT.
Le protolithe est une métapélite, soumise à un métamorphisme qui prograde qui se termine, avant exhumation, dans le domaine des migmatites après avoir franchi le solidus hydraté du granite. Noter que l’on retrouve disthène et sillimanite.
▻ – Le tracé du Gradient Métamorphique – Christian Nicollet : ===> –(⚑)–
◾ – Rq : 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.
Mais, selon les auteurs, ces valeurs varient de 15 à 20%, en plus ou en moins !!!
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
