Distribution spatiale des roches métamorphiques et variations temporelles des associations minéralogiques

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

La distribution spatiale des roches métamorphiques

À l'échelle régionale, les roches métamorphiques ne sont pas réparties au hasard. On observe des zones où les roches sont peu transformées, puis, en progressant dans une direction, des zones où apparaissent successivement de nouveaux minéraux, dans un ordre constant.

Une série métamorphique est cette succession de roches, issues de protolithes comparables, ayant subi des degrés de métamorphisme croissants. Sur le terrain et sur la carte, on trace des isogrades, lignes qui marquent l'apparition d'un minéral index donné. Le passage d'un isograde correspond au franchissement d'une réaction univariante, donc d'une condition de pression et de température.

La notion d'assemblage typomorphe complète cet outillage. Un assemblage typomorphe est un assemblage caractéristique, ressemblant à un type de roche bien identifié, qui permet de rattacher immédiatement un affleurement à un degré de métamorphisme. La juxtaposition cartographique de plusieurs assemblages typomorphes dessine la série et oriente le gradient.

Il faut rester prudent en interprétant une carte. Une juxtaposition de roches de degrés très différents peut résulter d'une zonation continue, mais aussi d'un contact tectonique qui accole deux unités d'histoires distinctes. La distinction se fait en regardant la géométrie des contacts, la continuité des formations et la présence d'une structure tectonique majeure.

Le gradient métamorphique et sa signification géodynamique

Un gradient métamorphique est la façon dont la température varie avec la profondeur, donc avec la pression, dans un domaine donné. Graphiquement, c'est la direction que dessinent dans le plan pression-température les conditions de formation des roches d'une même série.

Trois grands types sont à distinguer.

Un gradient de haute pression et basse température correspond à une pente très forte dans le plan pression-température, la pression augmentant beaucoup pour une faible élévation de température. Les roches traversent les faciès schistes bleus puis éclogite. Un tel gradient exige que du matériel froid descende vite, plus vite qu'il ne se réchauffe par conduction. C'est la signature d'une subduction, où une lithosphère refroidie plonge dans le manteau.

Un gradient intermédiaire, de type barrovien, traverse les faciès schistes verts puis amphibolite puis granulite. Il correspond à un géotherme voisin du géotherme continental moyen, un peu perturbé. C'est la signature de l'épaississement crustal d'une collision, où la croûte enfouie se réchauffe progressivement, notamment par la désintégration des éléments radioactifs qu'elle contient.

Un gradient de haute température et basse pression correspond à une pente faible, la température montant fortement à faible profondeur. Il suppose une source de chaleur locale ou une remontée d'isothermes : amincissement lithosphérique, contexte extensif, proximité d'une dorsale, ou intrusion magmatique.

Dans le cadre des Alpes, cette lecture est particulièrement démonstrative. Les zones les plus internes portent des témoins de haute pression et basse température, schistes bleus et éclogites, hérités de la subduction du domaine océanique. Les zones plus externes et certains massifs cristallins portent un métamorphisme de type intermédiaire lié à l'épaississement de la collision. La carte métamorphique des Alpes montre donc côte à côte des gradients différents, ce qui traduit des épisodes distincts et non un seul événement. Les datations révèlent en outre que les épisodes de haute pression ne sont pas contemporains d'une unité à l'autre, ce qui conduit à parler de diachronisme des subductions. Le programme ne demande pas la connaissance chronostratigraphique détaillée de ces événements.

Le métamorphisme de contact

La même méthode se transpose à plus petite échelle autour d'une intrusion. Une auréole de contact se dispose en couronnes concentriques autour du pluton, avec des isogrades eux aussi concentriques, les conditions les plus chaudes étant au contact.

Les caractères propres du métamorphisme de contact sont à connaître. Le gradient y est extrêmement fort, plusieurs dizaines à plusieurs centaines de degrés par kilomètre, puisque la source de chaleur est locale. La pression reste constante dans toute l'auréole, ce qui donne dans le plan pression-température une trajectoire quasi horizontale. Enfin, il n'y a pas de déformation associée : les roches produites, les cornéennes, sont dures, compactes, à grain fin et sans schistosité, contrairement aux roches du métamorphisme régional. L'extension de l'auréole renseigne sur le volume et la température de l'intrusion.

Les variations temporelles : le chemin pression-température-temps

Une roche métamorphique conserve souvent plusieurs paragenèses successives, car les réactions sont incomplètes. Chacune enregistre un instant de l'histoire. En les ordonnant, on reconstitue un trajet.

L'ordre relatif se lit en lame mince. Un minéral inclus dans un autre lui est antérieur. Une couronne réactionnelle qui entoure un minéral lui est postérieure et marque une transformation entamée puis bloquée. Une paragenèse qui recoupe une schistosité est postérieure à cette déformation. On dispose ainsi d'une chronologie relative des assemblages, que l'on convertit en conditions à l'aide des grilles pétrogénétiques et des thermobaromètres.

La chronologie absolue s'obtient en datant des minéraux appartenant à ces paragenèses, zircon, monazite ou micas selon le couple utilisé. Il faut garder à l'esprit qu'une méthode radiochronologique date la fermeture du système, donc le passage sous une température de fermeture propre au couple et au minéral. Croiser plusieurs couples de températures de fermeture différentes fournit ainsi plusieurs points du trajet de refroidissement.

Le chemin obtenu se trace dans le plan pression-température, les points étant ordonnés dans le temps. Il comporte deux types d'étapes. Les étapes progrades correspondent à une augmentation du degré de métamorphisme, généralement liée à l'enfouissement. Les étapes rétrogrades correspondent à une diminution, généralement liée à l'exhumation.

La forme du chemin est riche d'information. Dans un contexte de collision, on observe classiquement une boucle dans le sens des aiguilles d'une montre : enfouissement rapide avec forte montée en pression et faible réchauffement, puis réchauffement à pression à peu près constante pendant le séjour en profondeur, puis décompression accompagnée d'un refroidissement. Le point de pression maximale n'est alors pas le point de température maximale, et il est plus précoce. C'est le piège classique de l'exercice.

Un chemin de métamorphisme de contact est au contraire une trajectoire quasi horizontale, aller et retour en température à pression fixée.

Le chemin comme jauge de profondeur

Un chemin pression-température en fonction du temps constitue une jauge de profondeur dans l'histoire tectonique d'une unité crustale. La pression maximale, convertie en profondeur, donne l'enfouissement maximal atteint. La comparaison des pressions maximales d'unités voisines montre si elles ont été enfouies ensemble ou séparément, donc si leur assemblage est tectonique.

Les âges permettent en outre de calculer des vitesses. En divisant la variation de profondeur par la durée, on obtient une vitesse d'enfouissement ou d'exhumation, que l'on compare aux vitesses tectoniques connues. Une exhumation rapide est d'ailleurs nécessaire pour préserver les paragenèses de haute pression : un retour lent laisserait le temps aux réactions rétrogrades de s'accomplir, et l'éclogite serait entièrement transformée en amphibolite puis en roche du faciès schistes verts.

La nature des séries métamorphiques et la forme des chemins sont donc étroitement liées à l'histoire géodynamique, et c'est à ce titre que le métamorphisme est présenté comme un marqueur de la géodynamique interne.

Exemples et ordres de grandeur

Le géotherme continental moyen est de l'ordre de 25 à 30 degrés par kilomètre dans la croûte supérieure. Un gradient de subduction descend à moins de 10 degrés par kilomètre. Un gradient de haute température et basse pression dépasse 50 degrés par kilomètre, et une auréole de contact peut correspondre localement à bien davantage.

Une éclogite formée vers 1,5 à 2 gigapascals a été enfouie entre 50 et 70 kilomètres de profondeur. Une roche du faciès amphibolite d'une chaîne de collision correspond typiquement à 20 à 30 kilomètres.

Les vitesses d'exhumation déduites des chemins alpins sont de l'ordre de quelques millimètres par an, soit quelques kilomètres par million d'années. Une auréole de contact autour d'un pluton kilométrique s'étend sur quelques centaines de mètres à quelques kilomètres.

Trois figures sont à savoir décrire. Une carte simplifiée montrant des isogrades successifs et la direction du gradient, avec la position du protolithe le moins transformé. Un plan pression-température portant les cinq faciès et trois droites de gradient issues de l'origine, haute pression et basse température, intermédiaire, haute température et basse pression. Enfin un chemin en boucle horaire, avec le repérage séparé du pic de pression et du pic de température, la partie prograde et la partie rétrograde fléchées, et les paragenèses positionnées le long du trajet.

Méthodes et savoir-faire

Analyser et exploiter une carte géologique permettant l'étude d'une série métamorphique. On repère les figurés des terrains métamorphiques, on identifie les roches par la notice, on ordonne les degrés, on trace la direction d'augmentation du métamorphisme et on vérifie que les contacts sont compatibles avec une zonation continue.

Exploiter la juxtaposition d'assemblages typomorphes pour déterminer un gradient métamorphique, c'est-à-dire pour placer les conditions de chaque assemblage dans le plan pression-température et en tirer une direction.

Relier les principaux gradients à des contextes géodynamiques dans le cadre des Alpes, en associant haute pression et basse température à la subduction, gradient intermédiaire à l'épaississement de collision, et haute température et basse pression à un amincissement ou à une source de chaleur locale.

Exploiter des données illustrant le métamorphisme de contact, en utilisant la géométrie concentrique, la constance de la pression et l'absence de déformation.

Exploiter des données pétrogénétiques et structurales pour proposer un chemin pression-température en fonction du temps. La méthode est toujours la même : établir la chronologie relative des paragenèses en lame mince, convertir chaque paragenèse en domaine de conditions avec la grille pétrogénétique, placer les points dans l'ordre, puis ajouter les contraintes d'âge.

Exploiter des assemblages typomorphes et des chemins dans le cadre d'une histoire régionale, en comparant les chemins d'unités voisines pour discuter leur assemblage.

Utiliser l'évolution dans le temps des associations minéralogiques pour éclairer l'exemple d'une chaîne de montagnes en termes géodynamiques.

Savoir que les compositions minérales peuvent être mesurées in situ, à la microsonde, sans que le détail de la technique soit exigible.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

Le plan pression-température avec les faciès et les trois directions de gradient, tracé de mémoire et correctement orienté, la pression augmentant vers le bas si l'on porte la profondeur.

L'association de chaque gradient à un contexte, avec l'argument physique correspondant : plaque froide qui plonge, croûte épaissie qui se réchauffe lentement, isothermes remontés.

Les trois critères qui distinguent métamorphisme de contact et métamorphisme régional : géométrie concentrique, pression constante, absence de schistosité.

La méthode complète de construction d'un chemin, depuis les relations texturales jusqu'au tracé, avec l'énoncé explicite du sens de parcours.

Le tracé d'une boucle horaire de collision, avec le décalage entre pic de pression et pic de température et son explication par l'inertie thermique.

L'argument de l'exhumation rapide comme condition de préservation des paragenèses de haute pression.

La lecture d'une carte métamorphique régionale, avec la mise en évidence de gradients différents côte à côte et la conclusion en termes d'épisodes distincts.

Deux pièges à éviter. Ne pas confondre le degré de métamorphisme et la seule température : une éclogite est de haute pression et n'est pas forcément de haute température. Ne pas lire un chemin dans le mauvais sens, la partie prograde et la partie rétrograde devant être justifiées par la chronologie des paragenèses, jamais supposées.

Notions et mécanismes clés

• Minéral index : minéral dont l'apparition signale le franchissement d'une réaction métamorphique connue. Exemples : biotite, grenat, staurotide, disthène, sillimanite dans les pélites.
• Isograde : ligne cartographique qui joint les premiers points d'apparition d'un minéral index. Elle est la trace, sur la surface topographique, d'une réaction dans le plan pression-température.
• Zone métamorphique : bande de terrain comprise entre deux isogrades successifs. On la nomme d'après le minéral index qui y apparaît.
• Série de faciès : succession des faciès traversés par une même série métamorphique. Elle traduit le type de gradient.
• Gradient métamorphique de terrain : courbe qui relie, dans le plan pression-température, les conditions du pic atteintes par les roches d'une série. Ce n'est pas un géotherme instantané, car les roches n'atteignent pas forcément leur pic au même moment.
• Polymorphes du silicate d'alumine : andalousite à basse pression, disthène à haute pression, sillimanite à haute température. Leur point triple se situe vers 0,4 gigapascal et 500 °C environ. C'est un repère de pression très utilisé.
• Pic de pression et pic de température : deux points distincts d'un chemin. Le pic de métamorphisme doit toujours être précisé, en pression ou en température.
• Relations texturales : l'inclusion est antérieure à son hôte. La couronne réactionnelle est postérieure au minéral qu'elle entoure. La pseudomorphose remplace un minéral en gardant sa forme, elle est donc postérieure. La symplectite, fine intercroissance de deux minéraux, marque la déstabilisation rapide d'une phase, souvent lors d'une décompression.
• Porphyroblaste : gros cristal qui a poussé dans la roche solide. S'il englobe une schistosité, il est postérieur à cette schistosité. S'il est moulé par elle, il lui est antérieur.
• Rétromorphose : transformation rétrograde, souvent favorisée par l'apport d'eau et par la déformation.
• Température de fermeture : température sous laquelle un minéral cesse d'échanger les isotopes du couple radiochronologique considéré. L'âge obtenu date ce passage.
• Cornéenne : roche du métamorphisme de contact, massive, à grain fin, sans schistosité.
• Microsonde : mesure ponctuelle de la composition des minéraux en lame mince. On sait qu'elle existe, la technique n'est pas exigible.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi une subduction donne un gradient froid. La plaque qui plonge est une lithosphère déjà refroidie. Elle descend de plusieurs centimètres par an, alors que la chaleur ne diffuse que lentement par conduction. La pression suit donc la profondeur presque immédiatement, tandis que la température accuse un retard. Les roches traversent alors les schistes bleus puis les éclogites.

Pourquoi une collision donne une boucle horaire. L'épaississement crustal enfouit la croûte plus vite qu'elle ne se réchauffe, d'où une montée en pression presque sans réchauffement. Pendant le séjour en profondeur, la croûte épaisse se réchauffe par sa propre radioactivité et les isothermes se rééquilibrent, ce qui donne un réchauffement à pression à peu près constante. L'érosion et l'extension ramènent ensuite la roche vers la surface, avec décompression puis refroidissement. Le pic de pression précède donc le pic de température.

Pourquoi l'exhumation doit être rapide pour préserver une éclogite. Pendant la remontée, l'éclogite entre dans le domaine de stabilité de l'amphibolite puis dans celui des schistes verts. Si la remontée est lente et que de l'eau circule, les réactions rétrogrades ont le temps de s'accomplir. Seule une remontée rapide, souvent associée à une roche sèche, fige l'assemblage de haute pression.

Du repère de pression à la profondeur. La pression lithostatique vaut ρgh. Avec une masse volumique de 2 800 à 3 000 kilogrammes par mètre cube, un gigapascal correspond à environ 35 kilomètres. Une paragenèse datée devient ainsi un point profondeur-temps, et deux points donnent une vitesse.

De la carte au scénario géodynamique. Si les isogrades sont parallèles, réguliers et recoupent sans rupture les formations d'un même protolithe, la zonation est continue et indique un gradient unique. Si deux zones de gradients différents sont séparées par un contact anormal, les unités ont été enfouies séparément puis accolées. La carte des Alpes relève de ce second cas, avec plusieurs épisodes superposés.

Pourquoi le contact se lit à part. La source de chaleur est locale et la chaleur diffuse sur quelques centaines de mètres autour du pluton. La profondeur reste la même dans toute l'auréole, donc la pression aussi. Le pluton ne déforme pas l'encaissant de façon pénétrative, et la roche recristallise sans orientation préférentielle.

Exemples et références à connaître

1. Zones de Barrow, Highlands d'Écosse, fin du dix-neuvième siècle : chlorite, biotite, grenat, staurotide, disthène, sillimanite. Il s'agit de la série de référence du gradient intermédiaire. La présence de disthène puis de sillimanite, sans andalousite, situe la série au-dessus du point triple.
2. Akiho Miyashiro, années 1960 : notion de série de faciès et de ceintures métamorphiques appariées au Japon. La ceinture de Sanbagawa est de haute pression et basse température, celle de Ryoke-Abukuma de haute température et basse pression. Les deux ceintures sont parallèles à une zone de subduction, l'une côté fosse, l'autre côté arc.
3. Queyras : schistes lustrés à glaucophane et lawsonite, faciès schistes bleus. Ce sont des sédiments océaniques subduits.
4. Mont Viso : métagabbros éclogitiques à omphacite et grenat, issus d'une croûte océanique enfouie vers 2 gigapascals ou davantage. C'est le support classique des exercices de chemin.
5. Dora Maira : coésite en inclusion dans le grenat pyrope, découverte par Christian Chopin en 1984. La coésite est un polymorphe de haute pression de la silice. Sa présence prouve qu'une croûte continentale a été enfouie à plus de 90 kilomètres, puis exhumée. C'est un métamorphisme d'ultra-haute pression.
6. Chenaillet : ophiolite presque dépourvue de métamorphisme alpin de haute pression. Elle porte surtout une altération hydrothermale héritée du plancher océanique. Ce contre-exemple montre une lithosphère océanique qui a échappé à la subduction profonde.
7. Dôme lépontin, Tessin : métamorphisme de haute température postérieur aux épisodes de haute pression, au cœur de la chaîne. Il illustre la superposition de gradients différents dans le temps.
8. Flamanville, Cotentin : pluton granitique entouré d'une auréole de contact à cornéennes, avec cordiérite et andalousite. C'est l'exemple français type du métamorphisme de contact.
9. Ordres de grandeur des températures de fermeture, à citer avec prudence : zircon en uranium-plomb au-delà de 900 °C, amphibole en argon-argon vers 500 °C, muscovite vers 400 °C, biotite vers 300 °C. Ces valeurs dépendent de la taille des grains et de la vitesse de refroidissement.

Techniques

Lire une carte métamorphique en cinq gestes

Premier geste : isoler les terrains métamorphiques et identifier leur protolithe grâce à la notice. Deuxième geste : ordonner les roches par degré croissant. Troisième geste : tracer une flèche perpendiculaire aux isogrades, dirigée vers le degré le plus fort. Quatrième geste : placer chaque assemblage typomorphe dans le plan pression-température et relier les points pour obtenir le gradient. Cinquième geste : examiner chaque contact et décider s'il est progressif ou anormal.

Mini-exemple : une zone à andalousite passe à une zone à sillimanite sans jamais montrer de disthène. On en déduit un gradient qui passe sous le point triple, donc de basse pression et haute température.

Construire un chemin pression-température-temps

1. Lister les minéraux par génération, à partir des inclusions, de la matrice, puis des couronnes et des fissures.
2. Justifier chaque antériorité par une relation texturale nommée.
3. Placer chaque assemblage sous la forme d'un domaine, et non d'un point, sur la grille pétrogénétique.
4. Relier les domaines dans l'ordre et flécher le parcours.
5. Ajouter les âges au bon endroit, en tenant compte des températures de fermeture.
6. Nommer la partie prograde, le pic de pression, le pic de température et la partie rétrograde.

Le sens horaire se définit avec la température en abscisse et la pression croissante vers le haut. Si la pression est orientée vers le bas, la même boucle paraît tourner dans l'autre sens. Il faut donc toujours écrire la convention retenue.

Calculer une vitesse

On convertit chaque pression en profondeur, à raison d'environ 35 kilomètres par gigapascal. On divise ensuite l'écart de profondeur par l'écart d'âge. Un kilomètre par million d'années équivaut à un millimètre par an.

Mini-exemple : de 1,4 à 0,4 gigapascal en 5 millions d'années, la roche remonte de 35 kilomètres, soit 7 millimètres par an.

Plan de synthèse

Le sujet porte souvent sur le métamorphisme comme archive. On suit alors ce gabarit : lire dans l'espace, lire dans le temps, puis intégrer dans un scénario. Chaque partie doit s'appuyer sur un objet précis, carte, lame mince ou chemin, et non sur une liste de faciès.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes