Fiche de révision : Métamorphisme et géodynamique interne

📋 Plan du Cours

1. Définition et principes du métamorphisme
2. Structures et textures métamorphiques
3. Protolithe et séquences métamorphiques
4. Thermodynamique des réactions métamorphiques
5. Géothermomètres et géobaromètres
6. Faciès métamorphiques et anatexie
7. Métamorphisme régional et gradients
8. Chemins pression-température-temps
9. Hydrothermalisme de la lithosphère océanique
10. Métamorphisme et histoire géodynamique

📖 1. Définition et principes du métamorphisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme : Ensemble des transformations à l’état solide d’une roche préexistante, appelée protolithe, sous l’effet d’une modification de pression et/ou de température, sans modification de sa composition chimique globale excepté les fluides.
• Paragenèse : Association de minéraux stables et à l’équilibre dans un domaine donné de pression et de température.
• Faciès métamorphique : Eskola, début du XXe — Ensemble de roches de compositions chimiques différentes contenant des minéraux formés dans un même intervalle étroit de pression et de température.

📝 Points essentiels

• Les associations minéralogiques des roches métamorphiques sont métastables lorsqu’elles sont observées à l’affleurement.

💡 Astuce mémo

Variation de P/T → instabilité minérale → recristallisation

📖 2. Structures et textures métamorphiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Linéation : Correspond à des alignements parallèles d’éléments minéraux ou structuraux formant des structures linéaires, généralement selon l’axe X d’allongement maximal.

★ À maîtriser

• La schistosité et la foliation sont des structures planaires qui se forment dans le plan XY de la déformation, perpendiculaire à l’axe Z de plus fort raccourcissement.

• Un métagabbro peut conserver sa texture grenue initiale tout en présentant de nouveaux minéraux métamorphiques, comme la glaucophane et la lawsonite.

Compléments

• Un micaschiste présente fréquemment une schistosité, tandis qu’un gneiss présente une foliation.

💡 Astuce mémo

Schistosité et foliation : plans ; linéation : ligne

📖 3. Protolithe et séquences métamorphiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Protolithe : Roche initiale qui subit les transformations métamorphiques.

★ À maîtriser

📌 Une roche métamorphique est paradérivée si son protolithe est sédimentaire et orthodérivée si son protolithe est magmatique.

• Les quatre principales séquences métamorphiques sont:
  • la séquence basique
  • la séquence pélitique
  • la séquence granitique
  • la séquence carbonatée

Compléments

• Un orthogneiss provient d’un granite métamorphisé, tandis qu’un paragneiss provient d’une pélite métamorphisée.

📖 4. Thermodynamique des réactions métamorphiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Polymorphes : Minéraux de même composition chimique mais de structures cristallines différentes.

📝 Points essentiels

📌 À pression et température données, l’équilibre métamorphique est atteint lorsque l’enthalpie libre G de l’association minérale est minimale.

• Lorsqu’une roche change de conditions de pression et de température, les minéraux du protolithe deviennent instables et sont remplacés par un assemblage plus stable dans les nouvelles conditions.

📌 Le quartz et la coésite sont deux polymorphes de composition SiO2, mais la coésite est stable à des profondeurs supérieures à 90 km alors que le quartz est stable jusqu’à environ 90 km.

💡 Astuce mémo

P/T changent → G n’est plus minimale → nouvel assemblage stable

📖 5. Géothermomètres et géobaromètres

★ À maîtriser

📌 Les transformations présentant une faible variation de volume et une forte variation d’entropie constituent des géothermomètres, tandis que celles présentant une faible variation d’entropie et une diminution du volume constituent des géobaromètres.

📐 Formule — Pour le couple grenat-biotite, le coefficient de partage s’écrit $K_d = \frac{(Mg/Fe)_{grenat}}{(Mg/Fe)_{biotite}}$.

• Le géobaromètre GASP utilise les variations d’aluminium dans les solutions solides du plagioclase et du grenat pour estimer la pression des métapélites.

Compléments

• Le couple biotite-grenat est un bon géothermomètre car son coefficient de distribution Kd varie linéairement avec la température.

• La microsonde permet de mesurer ponctuellement la composition quantitative d’une phase minérale sur des volumes de l’ordre de quelques microns cubes.

💡 Astuce mémo

Géothermomètre : entropie ; géobaromètre : volume

📖 6. Faciès métamorphiques et anatexie

🔑 Notions clés & Définitions

• Anatexie crustale : Fusion partielle de la croûte continentale pouvant se produire dans certaines conditions métamorphiques.
• Migmatite : Roche métamorphique issue d’une anatexie crustale partielle et constituée d’un mélange de parties granitiques et de parties gneissiques ou micaschisteuses.

📝 Points essentiels

📌 Dans une migmatite, le leucosome correspond au mobilisat granitique issu de la fusion, tandis que le mélanosome correspond au restat solide riche en minéraux ferromagnésiens, principalement la biotite.

• Les principaux faciès métamorphiques étudiés sont:
  • les schistes verts
  • les amphibolites
  • les granulites
  • les schistes bleus
  • les éclogites

📌 Un métagabbro placé dans le faciès éclogite devient une éclogite, tandis qu’une argile placée dans ce même faciès donne une roche différente, comme un gneiss.

📖 7. Métamorphisme régional et gradients

🔑 Notions clés & Définitions

• Métamorphisme de contact : Métamorphisme thermique local développé autour d’une intrusion magmatique, sur une extension de quelques centimètres à quelques kilomètres.

★ À maîtriser

• Dans les Alpes occidentales, le métamorphisme augmente des domaines externes situés à l’ouest vers les domaines internes situés à l’est et correspond à un gradient HP-BT.

📌 Le gradient BP-HT est caractérisé par une forte élévation de température et peut aboutir à l’anatexie, tandis que le gradient HP-BT est caractérisé par une forte pression et une faible température et n’aboutit jamais à l’anatexie.

Compléments

• Autour du pluton de Flamanville, l’auréole de métamorphisme de contact s’étend sur 500 m à 1 km et transforme les roches encaissantes en cornéennes et en schistes.

• Le gradient HP-BT, ou gradient franciscain, est fréquent dans les contextes de subduction et présente un gradient géothermique inférieur à 15 °C/km. — Miyashiro, années 60

💡 Astuce mémo

BP-HT → MP-HT → HP-BT

📖 8. Chemins pression-température-temps

🔑 Notions clés & Définitions

• Chemin P-T-t : Décrit l’évolution de la pression et de la température d’une roche en fonction du temps au cours de son histoire métamorphique.

★ À maîtriser

📌 Le trajet prograde correspond généralement à l’augmentation de la pression et de la température lors de l’enfouissement, tandis que le trajet rétrograde correspond à la diminution de la pression et de la température lors de l’exhumation.

• La succession des paragenèses permet de reconstituer un chemin P-T-t en ordonnant les assemblages minéralogiques selon leur chronologie relative.

Compléments

• Dans un métagabbro du Queyras, l’actinote du faciès schistes verts est antérieure à la glaucophane du faciès schistes bleus, ce qui témoigne d’un enfouissement prograde.

📌 Les réactions rétrogrades sont souvent incomplètes, car la baisse de température, la diminution de la déformation et la perte d’eau ralentissent les réajustements minéralogiques.

💡 Astuce mémo

Enfouissement prograde → pic métamorphique → exhumation rétrograde

📖 9. Hydrothermalisme de la lithosphère océanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Serpentinisation : Altération hydrothermale d’une péridotite qui produit une serpentinite constituée majoritairement de minéraux du groupe de la serpentine.

📝 Points essentiels

• La lithosphère océanique formée à l’axe des dorsales acquiert un faciès schistes verts sous l’effet de son interaction avec l’eau de mer.

• L’hydrothermalisme océanique hydrate les minéraux de la lithosphère et provoque des échanges d’ions avec l’eau de mer lors de sa circulation dans les roches fracturées.

• Lors de l’albitisation des plagioclases, le sodium est incorporé dans les plagioclases calciques de la croûte océanique tandis que le calcium est libéré dans le fluide.

💡 Astuce mémo

Circulation d’eau de mer → hydratation et échanges ioniques

📖 10. Métamorphisme et histoire géodynamique

📝 Points essentiels

• Une éclogite est une roche basaltique ou gabbroïque métamorphisée dans le faciès éclogite et contenant du grenat et de l’omphacite.

📌 La réaction coronitique $Grt + Cpx + Q = Hbl + Pl$ autour des grenats traduit une diminution de l’intensité du métamorphisme et une rétromorphose.

• Lorsqu’une croûte océanique subduite atteint successivement les faciès schistes bleus puis éclogite, elle peut ensuite être exhumée et rééquilibrée dans le faciès amphibolite lors de son réchauffement et de sa remontée.

• Les roches métamorphiques permettent de reconstituer un contexte géodynamique en combinant leurs paragenèses, leurs chemins P-T-t et les gradients métamorphiques régionaux.

📊 Tableaux de synthèse

Principaux gradients métamorphiques