METAMORPHIC GEOLOGY

# METAMORPHIC GEOLOGY ## Objectifs et prérequis Ce chapitre vise à permettre à l'élève de comprendre les processus métamorphiques, leurs facteurs contrôlants, les différents types et degrés de métamorphisme, ainsi que leurs effets sur les roches. À l'issue de ce cours, l'élève sera capable de : - Définir le métamorphisme et distinguer ses différents types selon les conditions de pression, température et fluides. - Expliquer l'influence des facteurs (T, P, fluides, temps, composition initiale) sur le métamorphisme. - Identifier les limites du métamorphisme (diagenèse, anatexie) et classer les types de métamorphisme (contact, régional, dynamique, hydrothermal, etc.). - Décrire les effets du métamorphisme sur les roches minéralogiquement, texturalement et structurellement. - Classer les roches métamorphiques selon leur faciès, leur grade et leur texture. - Relier le métamorphisme à la tectonique des plaques, notamment dans les zones de subduction, de collision et d'accrétion. Prérequis : connaissances de base en minéralogie (minéraux silicatés, polymorphes), pétrologie ignée et sédimentaire, et principes de la tectonique des plaques. ## Introduction Le métamorphisme est le processus par lequel des roches préexistantes (protolithe) subissent des transformations minéralogiques, texturales et structurales en réponse à des changements de pression (P), de température (T) et de composition des fluides, sans fusion significative. Il se produit principalement dans la croûte terrestre et le manteau supérieur, sous des conditions où les roches restent solides. Ce chapitre explore les mécanismes, les facteurs, les classifications et les manifestations géologiques du métamorphisme, en lien étroit avec la tectonique des plaques. ## I. Métamorphisme : portée, processus et occurrence ### Définition et portée > Le métamorphisme est l'ensemble des transformations minéralogiques, texturales et structurales subies par une roche solide en réponse à des changements de pression, de température et de composition des fluides, sans fusion partielle significative. Le métamorphisme se produit généralement entre 150°C et 800°C, et entre 0,1 GPa et 1,2 GPa (équivalent à 3–40 km de profondeur). En dessous de 150°C, on parle de diagenèse ; au-dessus de 650–800°C selon la pression, commence l'anatexie (fusion partielle). ### Processus métamorphiques Les processus clés sont : - **Recristallisation** : réorganisation des minéraux sans changement chimique net (ex. : quartzite à partir de grès). - **Néocrystallisation** : formation de nouveaux minéraux stables aux nouvelles conditions P-T (ex. : formation de grenat à partir de boue argileuse). - **Diffusion solide** : déplacement d'ions à travers le réseau cristallin pour atteindre l'équilibre. - **Réaction de dévolatilisation** : libération de fluides (H₂O, CO₂) lors de la déshydratation ou décarboxylation de minéraux (ex. : décomposition de la micaschiste : muscovite + quartz → K-feldspath + sillimanite + H₂O). - **Échange ionique** : entre minéraux et fluides interstitiels. ### Occurrence géologique Le métamorphisme se produit dans : - Les ceintures orogéniques (collision de plaques : Himalaya, Alpes). - Les zones de subduction (fosses océaniques : Japon, Andes). - Les intrusions ignées (auréoles de contact autour des plutons). - Les dorsales océaniques (métamorphisme hydrothermal à basse température). - Les failles majeures (métamorphisme dynamique ou cataclasique). ### Exemple résolu : Identification du contexte métamorphique Un échantillon de roche contient du grenat, du staurotide et du kyanite. Quel est le contexte métamorphique probable ? **Solution** : L'association grenat-staurotide-kyanite est caractéristique du faciès amphibolite à haute pression. La présence de kyanite (stable à haute P) indique un métamorphisme régional de haute pression, typique d'une zone de subduction ou de collision continentale (ex. : Alpes occidentales). ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Une roche métamorphique montre des minéraux alignés en feuillets et contient du chlorite, du biotite et du muscovite. Quel est le grade métamorphique probable ? **Réponse** : Faible à moyen grade (faciès schiste vert à schiste bleu). La chlorite indique des températures < 350°C ; le biotite et muscovite sont stables jusqu'à ~450–500°C. **Exercice 2** : Pourquoi le métamorphisme ne se produit-il pas en surface terrestre malgré les variations de température ? **Réponse** : Parce que la pression est trop faible (< 0,1 GPa) pour permettre la recristallisation solide significative ; les processus dominants sont l'altération et l'érosion, non le métamorphisme. ## II. Facteurs influençant le métamorphisme ### Température (T) > La température contrôle la vitesse des réactions chimiques et la stabilité des minéraux selon la règle d'Arrhenius : k = A·e^(-Ea/RT). À basse T (< 300°C) : réactions lentes, métamorphisme limité à la néocrystallisation de minéraux argileux (smectite → illite). À moyenne T (300–500°C) : formation de micas, chlorite, grenat. À haute T (> 500°C) : formation de minéraux réfractaires (sillimanite, orthopyroxène, grenat almandin). Exemple : Dans une pelite, l'apparition du grenat marque ~450–500°C ; celle de la sillimanite, > 600°C. ### Pression (P) > La pression influence la densité des minéraux et favorise les phases à volume molaire plus faible (principe de Le Chatelier). - Pression confinante (P uniforme) : favorise la recristallisation isotropique (ex. : granoblastose dans le marbre). - Pression différentielle (σ₁ > σ₂ = σ₃) : provoque l'allongement des minéraux et la développement de foliation (ex. : schistosité dans les micaschistes). - Pression lithostatique : P = ρ·g·h (ρ = densité moyenne de la croûte ≈ 2700 kg/m³, g = 9,81 m/s²). Exemple : À 10 km de profondeur, P ≈ 0,27 GPa ; à 30 km, P ≈ 0,81 GPa. ### Fluides (H₂O, CO₂) > La présence de fluides augmente la mobilité ionique et accélère les réactions métamorphiques par dissolution-précipitation et transport de matière. - Fluide H₂O-dominant : favorise les réactions de déshydratation (ex. : chlorite → garnet + biotite + H₂O). - Fluide CO₂-dominant : favorise la décarboxylation (ex. : calcite + quartz → wollastonite + CO₂). - Faible activité des fluides : ralentit les réactions, peut préserver des métastases (ex. : granulites sèches). ### Temps (t) > Le métamorphisme nécessite un temps suffisant pour atteindre l'équilibre thermodynamique. - Métamorphisme de contact : rapide (10³–10⁵ ans) en raison de la forte gradient T. - Métamorphisme régional : lent (10⁶–10⁸ ans), permet l'équilibre complet. - Si le temps est trop court : métamorphisme incomplet (minéraux métastables préservés). ### Composition du protolithe > La composition chimique du rocher initial détermine quels minéraux peuvent se former. - Protolithe pelitique (riche en Al₂O₃, K₂O) : forme micas, grenat, staurotide, kyanite/sillimanite. - Protolithe basique (riche en Fe, Mg, Ca) : forme amphiboles, pyroxènes, grenat, épidote. - Protolithe calcaire : forme marbre, wollastonite, grenat grossulaire. - Protolithe quartzeux : forme quartzite (peu de changement minéralogique). ### Exemple résolu : Influence du protolithe sur les produits métamorphiques Deux roches subissent le même métamorphisme de faciès amphibolite (T ≈ 550°C, P ≈ 0,6 GPa) : - Roche A : pelite (argile) - Roche B : basalte **Produits attendus** : - Roche A : micaschiste (biotite, grenat, possiblement staurotide) - Roche B : amphibolite (hornblende, plagioclase, grenat) **Explication** : La pelite fournit Al, K pour les micas et le grenat ; le basalte fournit Ca, Fe, Mg pour l'hornblende et le grenat. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi une roche quartzeuse subit-elle peu de changement minéralogique lors du métamorphisme, même à haute T et P ? **Réponse** : Parce que le quartz est chimiquement stable sur un large intervalle de P-T et que le SiO₂ pur ne permet pas la formation de nouveaux minéraux sans apport d'autres éléments (Al, K, Fe, Mg). **Exercice 2** : Dans une zone de subduction froide, on observe du glaucophane et du jadéite. Quel facteur domine ici ? **Réponse** : La haute pression relativement basse température (faciès schiste bleu) domine, typique des zones de subduction où la plaque plonge rapidement sans chauffer suffisamment. ## III. Limites et types de métamorphisme ### Limites inférieure et supérieure > La limite inférieure du métamorphisme est la diagenèse (T < 150–200°C), où les changements sont dominés par la compaction et la cimentation. > La limite supérieure est l'anatexie (T > 650–800°C selon P), où commence la fusion partielle (migmatisation). Entre ces deux limites : métamorphisme proprement dit. ### Types de métamorphisme selon l'agent principal | Type | Agent dominant | Conditions P-T | Exemple géologique | Roche résultante | |------|----------------|----------------|--------------------|------------------| | Contact | Chaleur d'une intrusion ignée | Faible P, haute T locale (gradient élevé) | Auréole autour d'un granite | Hornfels, skarn | | Régional | Pression tectonique + chaleur | Haute P et T, gradient modéré | Chaînes de collision (Himalaya) | Gneiss, micaschiste, schiste | | Dynamique (cataclasique) | Contrainte différentielle (cisaillement) | Haute contrainte, T variable | Failles majeures (San Andreas) | Mylonite, cataclasite | | Hydrothermal | Fluides chauds chargés en ions | Basse à modérée P, haute T fluide | Dorsales océaniques, systèmes géothermaux | Chlorite, épidote, préhnite | | Métamorphisme de charge | Poids des sédiments superposés | Très basse P, basse T | Bassins sédimentaires profonds | Diagenèse avancée (ardosie) | ### Métamorphisme par pression vs température - **Métamorphisme de pression élevée** (HP) : typique des zones de subduction (ex. : Alpes occidentales, îles Mariannes). Minéraux : jadéite, glaucophane, lawsonite. - **Métamorphisme de température élevée** (HT) : typique des dorsales ou des intrusions (ex. : granulites du bouclier canadien). Minéraux : orthopyroxène, sillimanite, grenat almandin. - **Métamorphisme HT-HP** : rare, observé dans certaines zones de collision jeune (ex. : Alpes centrales). ### Exemple résolu : Classification d'un métamorphisme Un échantillon montre des minéraux alignés en bandes alternées de clair et foncé, avec du grenat, de la sillimanite et du quartz. Aucune trace de fusion. Quel type de métamorphisme ? **Solution** : Bandeaux minéralogiques (gneissose), haute T (sillimanite), présence de grenat → métamorphisme régional de haut grade (faciès granulite ou amphibolite supérieur). Pas de fusion → pas d'anatexie. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi le métamorphisme de contact produit-il rarement de la foliation ? **Réponse** : Parce que la pression est généralement faible et uniforme (confining pressure) autour de l'intrusion ; il n'y a pas de contrainte différentielle significative pour aligner les minéraux. **Exercice 2** : Une roche contient du lawsonite et du jadéite. Quel type de métamorphisme est-ce le plus probablement ? **Réponse** : Métamorphisme de haute pression, basse température (faciès schiste bleu), typique d'une zone de subduction jeune et froide. ## IV. Effet du métamorphisme sur les roches 1 : Minéralogique ### Transformation minéralogique > Le métamorphisme entraîne la néocrystallisation de minéraux stables aux nouvelles conditions P-T, souvent au détriment des minéraux du protolithe. Les réactions suivent l'équilibre thermodynamique : ΔG = ΔH - TΔS < 0 pour une réaction spontanée. Les minéraux indicateurs (ou minéraux de faciès) permettent de déduire les conditions P-T de formation. ### Exemples de réactions métamorphiques - Dans une pelite : - Muscovite + Quartz → K-feldspath + Sillimanite + H₂O (à ~600°C, P moyenne) - Chlorite + Muscovite → Biotite + Garnet + H₂O (à ~450°C) - Dans une roche basique : - Augite + Plagioclase → Hornblende + Épidote (faciès amphibolite) - Hornblende + Plagioclase → Orthopyroxène + Clinopyroxène + Plagioclase (faciès granulite, déshydratation) - Dans une roche calcaire : - Calcite + Quartz → Wollastonite + CO₂ (à ~400–500°C, faible P) - Dolomite + Quartz → Wollastonite + Periclase + CO₂ (à haute T) ### Minéraux indicateurs selon le protolithe | Protolithe | Minéral indicateur (faible grade) | Minéral indicateur (moyen grade) | Minéral indicateur (haut grade) | |------------|-----------------------------------|----------------------------------|----------------------------------| | Pelite | Chlorite, Muscovite | Biotite, Grenat | Staurotide, Kyanite/Sillimanite | | Basique | Chlorite, Épidote | Amphibole (Hornblende) | Pyroxène (Ortho-/Clino-) | | Calcaire | Calcite, Aragonite | Wollastonite | Grenat grossulaire, Diopside | | Quartzeux | Quartz (inchangé) | Quartz | Quartz | ### Exemple résolu : Détermination du grade à partir des minéraux Une pelite contient du chlorite, du muscovite et du biotite, mais pas de grenat. Quel est le grade ? **Solution** : Présence de chlorite et muscovite → faible grade ; apparition du biotite sans grenat → début du moyen grade (faciès schiste vert inférieur à schiste bleu). Pas de grenat → température probablement < 450°C. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi le grenat est-il un bon indicateur de température moyenne en métamorphisme pelitique ? **Réponse** : Parce que sa formation nécessite une réaction impliquant la consommation de micas et de chlorite, qui ne se produit qu'au-dessus de ~400–450°C, et qu'il est stable sur un large intervalle de P-T, ce qui en fait un indicateur robuste. **Exercice 2** : Une roche calcaire métamorphique contient du wollastonite et du calcite résiduel. Que peut-on déduire sur les conditions de formation ? **Réponse** : La réaction Calcite + Quartz → Wollastonite + CO₂ n'est pas allée à terme → température probablement inférieure à celle nécessaire pour la complète décarbonatation, ou activité de CO₂ élevée empêchant la réaction d'aller vers la droite. ## V. Effet du métamorphisme sur les roches 2 : Textural > La texture métamorphique décrit l'arrangement, la taille, la forme et l'orientation des minéraux dans la roche. Elle résulte des processus de recristallisation, de déformation et de néocrystallisation sous contrainte. ### Types de textures - **Foliée** : minéraux plats ou allongés alignés selon un plan (schistosité, gneissose). - *Schistosité* : alignement de micas, chlorite (ex. : micaschiste). - *Gneissose* : bandes alternées de minéraux clairs (quartz, feldspath) et foncés (mica, amphibole) (ex. : gneiss). - *Schistose* : texture intermédiaire, foliation bien développée mais moins bandée que le gneiss. - **Non-foliée** : minéraux de forme équidimensionnelle, pas d'orientation préférentielle. - *Granoblastose* : grains équidimensionnels, limites nettes (ex. : marbre, quartzite). - *Hornfelsique* : grains fins à moyens, aléatoires (ex. : hornfels de contact). - *Granulitique* : grains très équidimensionnels, souvent avec des coronas (ex. : granulite). ### Influence de la pression différentielle > Une contrainte différentielle (σ₁ > σ₃) favorise la dissolution des minéraux sous contrainte compressive et leur précipitation dans les zones de traction, entraînant l'alignement des minéraux plats ou allongés perpendiculairement à σ₁ (principe de pression de solution). Cela produit la foliation. ### Exemple résolu : Interprétation d'une texture Une roche montre des bandes claires (quartz-feldspath) de 2 mm de large, séparées par des couches sombres de biotite et de grenat de 0,5 mm. Quelle est la texture et quel type de métamorphisme suggère-t-elle ? **Solution** : Texture gneissose (bandes alternées). Présence de grenat et biotite dans les couches sombres → métamorphisme régional de moyen à haut grade. L'alignement indique une contrainte différentielle significative → métamorphisme dynamique ou régional sous pression dirigée. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi une hornfels de contact est-elle généralement non-foliée malgré des températures élevées ? **Réponse** : Parce que le métamorphisme de contact se produit sous pression confinante faible et uniforme ; il n'y a pas de contrainte différentielle significative pour aligner les minéraux, même si la température permet la recristallisation. **Exercice 2** : Une roche métamorphique présente des grains de quartz allongés dans une direction, avec des limites irréguliers et des traces de dissolution-reprecipitation. Quelle texture et quel processus cela suggère-t-il ? **Solution** : Texture linéaire ou étirée, suggestive d'un métamorphisme dynamique (cataclasique ou mylonitique) où la déformation plastique et la pression de solution ont entraîné l'allongement des minéraux dans le sens de l'étirement. ## VI. Effet du métamorphisme sur les roches 3 : Structural > Les structures métamorphiques sont les formes géométriques à l'échelle du centimètre au mètre résultant de la déformation ductile ou fragile pendant le métamorphisme. Elles comprennent les plis, les foliation, la ligneation, les boudins, les veines de pression et les pseudomorphoses. ### Principales structures - **Foliation** : plan de préférentialité d'alignement des minéraux (ex. : schistosité). - **Linéation** : alignement linéaire de minéraux ou d'objets (ex. : étirement de grenat, agrégats de quartz en rouleaux). - *Linéation d'étirement* : parallèle à la direction maximale d'extension. - *Linéation d'intersection* : intersection de deux plans de foliation. - **Pli** : courbure des couches métamorphiques ou sédimentaires. - *Pli plissé* : métamorphisme syn-kinématique (déformation pendant le métamorphisme). - *Pli plissé tardif* : déformation après métamorphisme. - **Boudins** : fragments de couches rigides séparés par du matériau plus ductile (ex. : boudins de quartz dans des schistes). - **Veines de pression** : remplissage de fractures par des minéraux (quartz, calcite) perpendiculaires à σ₃. - **Pseudomorphose** : un minéral remplace un autre tout en conservant sa forme cristalline externe (ex. : grenat remplaçant l'andalouse, ou serpentine remplaçant l'olivine). ### Exemple résolu : Interprétation d'une structure Dans un gneiss, on observe des veines de quartz orientées perpendiculairement à la foliation principale. Que signifie cela ? **Solution** : Les veines de pression se forment perpendiculairement à la contrainte minimale (σ₃). Si elles sont perpendiculaires à la foliation, cela indique que la foliation est parallèle à σ₁–σ₂ plan, et que σ₃ est perpendiculaire à la foliation → compression principale perpendiculaire à la foliation, extension dans le plan de la foliation. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi les pseudomorphoses sont-elles utiles en métamorphisme ? **Réponse** : Parce qu'elles permettent d'identifier des minéraux metastables ou des conditions P-T passées qui ne sont plus présentes, mais dont la forme est préservée (ex. : présence de pseudomorphose d'andalouse après grenat indique un passage du faciès schiste bleu au faciès amphibolite). **Exercice 2** : Une roche montre des boudins de feldspath dans une matrice de mica. Quel type de déformation cela suggère-t-il ? **Solution** : Déformation ductile sous contrainte différentielle : le feldspath, plus rigide, s'est fracturé en boudins tandis que la matrice micaïque s'est écoulée autour → métamorphisme régional avec déformation plastique. ## VII. Grade de métamorphisme et zone métamorphique ### Définition du grade > Le grade de métamorphisme désigne l'intensité du métamorphisme en termes de température et de pression atteinte, classé de très faible à très élevé. Il est déduit par l'assemblage minéralogique (minéraux indicateurs) et la texture. ### Échelle de grade (pelite comme référence) | Grade | Température approximative | Minéraux indicateurs clés | Roche typique | |-------|----------------------------|----------------------------|---------------| | Très faible | < 300°C | Chlorite, Muscovite, Illite | Ardosie, schiste vert faible | | Faible | 300–400°C | Chlorite, Biotite débutant | Schiste vert, phyllite | | Moyen | 400–550°C | Biotite, Grenat, Staurotide | Micaschiste, schiste bleu | | Élevé | 550–700°C | Grenat, Sillimanite, Kyanite | Gneiss, amphibolite | | Très élevé | > 700°C | Orthopyroxène, Sillimanite, Grenat almandin | Granulite | ### Zone métamorphique (faciès métamorphique) > Une zone métamorphique (ou faciès) est un volume de roche ayant subi des conditions P-T similaires, caractérisé par un assemblage minéralogique spécifique stable dans ces conditions. Le concept de faciès a été développé par Eskola (1915) et refined par Turner, Miyashiro, etc. ### Principaux faciès métamorphiques (échelle de pression moyenne) | Faciès | Plage P-T typique | Assemblage minéralogique caractéristique (pelite) | Roche typique | |--------|-------------------|--------------------------------------------------|---------------| | Zéolite | < 0,2 GPa, < 300°C | Zéolite, Laumontite | Métamorphisme très faible | | Préhnite-épidote | 0,2–0,4 GPa, 250–400°C | Préhnite, Épidote, Chlorite, Albite | Schiste vert | | Schiste vert | 0,3–0,6 GPa, 300–500°C | Chlorite, Actinolite, Albite, Épidote | Schiste vert | | Amphibolite | 0,4–1,0 GPa, 450–650°C | Amphibole (Hornblende), Plagioclase, Grenat | Amphibolite, Gneiss | | Granulite | 0,5–1,2 GPa, 650–800°C | Orthopyroxène, Clinopyroxène, Plagioclase, Grenat | Granulite | | Schiste bleu | 0,6–1,2 GPa, 200–500°C | Glaucophane, Jadeite, Lawsonite, Épidote | Schiste bleu | | Éclogite | > 1,2 GPa, 500–750°C | Jadeite (dans pyroxène), Grenat, Rutile | Éclogite | | Corneille (hornfels) | Variable P, haute T locale | Andalouse, Cordiérite, Grenat, Pyroxène | Hornfels | > Le faciès amphibolite est le plus courant dans les ceintures orogéniques régionales. > Le faciès granulite indique un métamorphisme de très haute température, souvent associé à l'anatexie. > Le faciès schiste bleu et éclogite sont typiques des zones de subduction froide. ### Exemple résolu : Détermination du faciès à partir d'un assemblage Une roche contient du grenat, de l'hornblende, du plagioclase et du quartz. Aucun pyroxène ni micaschiste apparent. Quel est le faciès métamorphique probable ? **Solution** : Présence d'hornblende (amphibole) + plagioclase + grenat → faciès amphibolite. Absence de pyroxène ortho ou clinopyroxène stable → température probablement < 650–700°C. Pas de micas → pas de faciès schiste vert inférieur. Réponse : faciès amphibolite. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi le faciès granulite est-il souvent associé à des migmatites ? **Réponse** : Parce que les températures du faciès granulite (> 650–700°C) sont suffisantes pour provoquer la fusion partielle des minéraux quartzo-feldpathiques, formant des leucosomes (migmatites) dans un mélanosome résiduel. **Exercice 2** : Une roche du faciès schiste bleu contient du glaucophane et du jadéite. Que peut-on inférer sur le gradient géothermique ? **Réponse** : Le faciès schiste bleu se forme à haute pression mais relativement basse température → gradient géothermique faible (< 10–15°C/km), typique d'une zone de subduction où la plaque plonge rapidement sans chauffer suffisamment. ## VIII. Textures et structures métamorphiques 1 : Textures de base ### Texture granoblastique > Texture où les minéraux sont de forme approximativement équidimensionnelle, avec des limites nettes et jointes triples à 120° (équilibre de surface). Caractéristique du métamorphisme de contact ou du métamorphisme régional sans déformation significative. Exemples : marbre (calcite), quartzite (quartz), hornfels. ### Texture schistose > Texture où les minéraux plats (micas, chlorite) sont fortement alignés selon un plan, donnant une éclat feuilleté et une tendance à se séparer en feuilles fines. Caractéristique du métamorphisme régional de moyen grade sous contrainte différentielle. Exemples : micaschiste, phyllite. ### Texture gneissique > Texture où il y a une séparation en bandes ou couches alternées de minéraux clairs (quartz, feldspath) et foncés (mica, amphibole, grenat). Résulte de la ségrégation minéralogique pendant le métamorphisme régional de haut grade sous déformation. Exemples : gneiss de orthogneiss ou paragneiss. ### Texture hornfelsique > Texture à grains fins à moyens, aléatoires, sans foliation, résultant du métamorphisme de contact rapide sous pression confinante. Exemples : hornfels de pelite (andalouse, cordiérite), hornfels de basique (pyroxène, amphibole). ### Exemple résolu : Identification de texture Une roche montre des grains de quartz et de feldspath de taille uniforme (~1 mm), avec des limites lisses et des jointes triples visibles au microscope. Aucune orientation préférentielle des micas. Quelle est la texture ? **Solution** : Texture granoblastique (équilibre de surface). Indicative d'un métamorphisme de contact ou régional sans déformation significative → probablement hornfels ou marbre/quartzite de haut grade sans contrainte différentielle. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi une quartzite métamorphique est-elle généralement granoblastique ? **Réponse** : Parce que le quartz est isotrope et résistant à la déformation plastique ; sous métamorphisme, il recrystallise en grains équidimensionnels pour minimiser l'énergie de surface, sans tendance à l'alignement sauf sous forte contrainte différentielle (rare dans les roches quartzeuses pures). **Exercice 2** : Une roche métamorphique présente des micas alignés en feuillets épais, avec des grains de quartz et de feldspath entre les feuillets. Quelle est la texture et quel processus suggère-t-elle ? **Solution** : Texture schistose. Suggère un métamorphisme régional de moyen grade avec contrainte différentielle suffisante pour aligner les micas, mais pas assez pour provoquer une ségrégation minéralogique en bandes (comme dans le gneiss). ## IX. Textures et structures métamorphiques 2 : Structures avancées ### Linéation > Une linéation est un alignement linéaire d'objets minéralogiques ou structuraux dans la roche, mesurable en azimuth et plongement. - *Linéation d'étirement* : objets allongés dans la direction de déformation maximale (ex. : grenats étirés, quartz en rouleaux). - *Linéation d'intersection* : intersection de deux plans de foliation (ex. : dans les plis renversés). - *Linéation de croissance* : cristaux allongés perpendiculairement à la foliation (ex. : staurotide, kyanite). ### Boudinage > Le boudinage est la segmentation d'une couche rigide en fragments séparés (boudins) par un matériau plus ductile, ressemblant à des saucissons. Se produit lorsque une couche compétente (ex. : quartz, feldspath) est entourée d'une matrice moins compétente (ex. : mica, chlorite) sous extension ductile. Les boudins peuvent être : - *Boudins réguliers* : formes cylindriques ou elliptiques. - *Boudins brisés* : fragments angulaires, indiquant une fragilisation. - *Boudins en œil-de-bœuf* : entouré d'un halo de matériau moins compétent. ### Veines de pression > Les veines de pression sont des remplissages de fractures par des minéraux (quartz, calcite, épidote) qui se forment perpendiculairement à la contrainte minimale (σ₃). Leur orientation indique la direction de σ₃ : si les veines sont verticales, σ₃ est horizontal ; si horizontales, σ₃ est vertical. ### Pseudomorphose > Une pseudomorphose est un minéral qui remplace un autre minéral tout en conservant la forme cristalline externe du minéral original. Exemples : - Grenat après andalousite (Al₂SiO₅) : indique un passage du faciès schiste bleu au faciès amphibolite. - Serpentine après olivine (Mg₂SiO₄) : métamorphisme hydrothermal des péridotites. - Muscovite après feldspath : altération, mais peut aussi apparaître en métamorphisme de faible grade. ### Exemple résolu : Interprétation d'une linéation et d'un boudinage Dans un gneiss, on observe des grenats allongés dans une direction N30E, plongeant à 20°, et des boudins de quartz orientés dans la même direction. Que peut-on déduire sur le sens de l'extension ? **Solution** : L'allongement des grenats et l'orientation des boudins de quartz indiquent la direction d'étirement maximal (X). Le sens de l'extension est donc N30E, plongeant à 20°. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi les veines de pression sont-elles souvent perpendiculaires à la foliation dans les roches métamorphiques régionales ? **Réponse** : Parce que la foliation est généralement parallèle au plan σ₁–σ₂ (plan de compression intermédiaire et maximale), donc perpendiculaire à σ₃. Les veines de pression se forment perpendiculaires à σ₃ → donc parallèles à la foliation ? Attendez : correction. > En réalité : les veines de pression se forment **perpendiculaires à σ₃**. Si la foliation est parallèle au plan σ₁–σ₂, alors σ₃ est perpendiculaire à la foliation. Donc les veines de pression, étant perpendiculaires à σ₃, sont **parallèles à la foliation**. Exemple : dans un micaschiste, foliation horizontale → σ₃ vertical → veines de pression horizontales (remplissant des fractures horizontales). Si les veines sont perpendiculaires à la foliation, alors σ₃ est parallèle à la foliation → ce qui est moins courant, sauf en cas de rotation des axes de contrainte. **Exercice 2** : Une pseudomorphose de grenat après andalousite est observée dans un micaschiste. Que cela indique-t-il sur l'évolution P-T ? **Réponse** : L'andalousite est stable à basse pression et température moyenne ; le grenat est stable à pression plus élevée. La pseudomorphose indique que la roche a subi une augmentation de pression (et possiblement de température) après la formation de l'andalousite, typique d'un métamorphisme régional progressif vers des conditions de plus haute pression (ex. : enfouissement dans une ceinture orogénique). ## X. Faciès métamorphiques > Les faciès métamorphiques sont des domaines de stabilité P-T définis par des assemblages minéralogiques caractéristiques, permettant de reconstruire l'histoire thermique et tectonique des roches. Ils sont représentés sur des diagrammes P-T (géothermes) et sont liés à des environnements tectoniques spécifiques. ### Diagramme P-T des faciès (schématique) - Axe X : Température (°C) - Axe Y : Pression (GPa) - Zéolite : bas gauche - Préhnite-épidote : bas-centre - Schiste vert : centre-bas - Amphibolite : centre - Granulite : haut-droite - Schiste bleu : haut-gauche (haute P, basse T) - Éclogite : très haut-gauche (très haute P, moyenne T) - Corneille (hornfels) : bande verticale à haute T, variable P (autour des intrusions) ### Exemple résolu : Localisation sur un diagramme P-T Un échantillon contient du grenat, de l'hornblende, du plagioclase et du quartz. Sur un diagramme P-T, où se situe probablement ce faciès ? **Solution** : L'assemblage hornblende-plagioclase-garnet-quartz est caractéristique du faciès amphibolite. Sur un diagramme P-T, cela correspond à une région centrale : P ≈ 0,4–1,0 GPa, T ≈ 450–650°C. ### Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Pourquoi le faciès éclogite est-il rarement préservé à la surface terrestre ? **Réponse** : Parce que l'éclogite est métastable à basse pression ; lors de l'exhumation, elle tend à se rétrograder en amphibolite ou schiste vert via des réactions comme : grenat + jadéite → amphibote + plagioclase + quartz. Sa préservation nécessite une exhumation très rapide (ex. : dans des nappes de subduction). **Exercice 2** : Deux roches ont le même assemblage minéralogique : grenat, biotite, muscovite, quartz. L'une est du faciès amphibolite, l'autre du faciès granulite. Comment les distinguer ? **Réponse** : Dans le faciès granulite, on s'attend à l'absence de biotite et muscovite (ils se décomposent à haute T : muscovite + quartz → K-feldspath + sillimanite + H₂O ; biotite peut réagir pour former orthopyroxène + grenat + liquide). Donc la présence de biotite/muscovite indique amphibolite ; leur absence, avec présence d'orthopyroxène ou de sillimanite, suggère granulite.