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Métamorphisme avec Anne Carole depooter...

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Métamorphisme : Partie de Mme De Pooter Introduction : A) Généralités et définitions Définition : le Métamorphisme est l'ensemble des transformations métamorphiques subit par une roche lorsqu'elle est soumise a des pressions et température différentes de celle d'origine (initial : on parle du ptotolithe). Le métamorphisme est l'ensemble des transformations métamorphiques subit par une roche à l'état solide, transformation aussi bien chimique que structurale et ces transformations dépendent des conditions de pression et température qui varient. Dans aucun cas il n'y a fusion (roche fondent / Fusion des roches) sinon il s'agit du magmatisme mais il y a dissolution des minéraux entièrement ou partiellement et recristallisation des minéraux. Cette roche initiale (métamorphique, magmatique, sédimentaire) s'appelle un protolithe. Toutes les transformations se font à l'état solide, transformation aussi bien chimique que structurale et ces transformations dépendant des conditions de pression et température qui varient. Ce sont des phénomènes de dissolutions (les minéraux se dissolvent) dans les fluides (eau) circulant et recristallisé par la suite. La pression entraîne la dissolution des minéraux. L'eau sous forte pression et température devient un très fort solvant et permet de fortes réactivité des minéraux. Dans aucun cas il y a fusion (roche fondent / Fusion des roches) sinon il s'agit du magmatisme mais il y a dissolution des minéraux entièrement ou partiellement et recristallisation des minéraux sous l’effet de la température et de la pression. Schéma 1

Fondant : matériel qui facilite la fusion d’autres matériaux Paragenèse : terme valable uniquement en métamorphisme = c’est la composition minéralogique d’une roche métamorphique Quand on passe du métamorphisme au domaine du début de la fusion = anatexie (domaine d'une fusion commençante, donc la fin du métamorphisme, début du magmatisme) la courbe de fusion est franchie dans le métamorphisme.

C’est un phénomène majoritairement crustal. On obtient des roches qui sont à la fois est marquée par du métamorphisme et du magmatisme par exemple du migmatite de composition granodioritite/gneiss), ou bien une amphibolite. Ce sont des roches à moitié fondue. L’anatexie est la fusion partielle des roches crustales sous l’effet de la pression. Métamorphisme de contact a lieu lorsque du magma chaud (roche chaude) , (basaltique très chaud 1200°C et granitique pas très chaud 600 - 650°C) entre en contact avec d'autres roches (sédimentaires ou métamorphique : roche crustale donc croûte de nature granitognésique).

L’auréole de métamorphisme de contact imprègne les roches déjà mises en place Comment faire remonter des roches à l’état solide ? Par l’érosion avec une compensation isostatique. Schéma 2

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Rétrograde : la pression et la température diminue donc la profondeur diminue, c'est un phénomène d'érosion et de compensation isostatique donc la roche remonte.

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Prograde : Un des deux paramètres (pression et température) ou les deux augmentent (la profondeur augmente) donc la roche s'enfonce dans la croûte.

Le pluton de granite (recoupe les terrains) monte car la densité est plus faible que celui de l'encaissant car c'est une roche fondue. La roche corénéenne est formée par le métamorphisme de contact. Les variations de pression et température sont incomplètes dans les deux sens. Ces variations peuvent se faire dans les 2 sens. Tout n'est pas métamorphisé par exemple. Quand on a un minéral qui se forme à grande profondeur, s'il remonte, la pression et la température change donc normalement le minéral change mais il ne le fait pas car la remontée est trop rapide (le changement pression température aussi). Les argiles sont les seuls minéraux stables à la surface de la Terre (c'est le sous sol : la roche mère). La terre (les champs) on parle de complexe argilo humique. L'argile en Picardie s'appelle le LEUS.

Balstèse : synthèse de minéraux du métamorphisme et le minéraux du métamorphisme est un blastes. Les Gros minéraux sont des Porphyrobastes (équivalent phénocristaux en magmatisme). Équivalent de la mésostase (magmatisme), c’est le fond de la roche = matrice en métamorphisme Fantôme de cristaux, minéraux reliques, clastes kù(non métamorphisé).

Le métamorphisme est un témoin des mouvements verticaux de la lithosphère. Schéma 1 La lithosphère à des mouvements horizontaux : tectonique, mais aussi verticaux : métamorphisme. Il faut donc comprendre la lithosphère au cours du temps. Il faut donc remonter à la nature du protolithe (roche initiale, d’origine), il faut connaître la roche d'origine. Cela suppose que le protolithe ne se fasse pas détruire dans son intégralité = condition pour le métamorphisme régionale : il y a conservation de la chimie des roches, mais variation de la Pression et de la Température.

Paragenèse : c'est la minéralogie de la roche métamorphique. Quelle est la paragenèse de la roche correspond à ? Quels sont les minéraux compris dans cette roche ?

Attention !!! Paragenèse de la protolite ne marche que si elle est déjà une roche métamorphique ! Grenat : dans roche métamorphique (exception : péridotite à grenat)

Page 0, schéma : Isochimie : Conservation de la chimie des roches (conservation protolite), même composition chimique dans la roche métamorphique. Stable en Pression-température 2.

Page 1 - Eclogite : venant de la subduction du massif central (Limousin), on peut voir des auréoles, qui sont des auréoles réactionnelles. Dans les parties claires de la lame (fond), c’est du plagioclase. Au centre du minérale, il y a des chances que ça soit le minéral relique (qui est le minéral central) Fe-Mg.

Minéral relique : en train de se dissoudre et de se recristalliser Pyroxène en train de se métamorphiser et de faire de nouveaux cristaux : grenat + plagioclase = paragénèse de la granulite (très haute pression). Sur le schéma on voit un gabbro : plagioclase + pyroxène. Le pyroxène se solubilise en produisant 2 minéraux : le grenat ( noir) : minéral isotrope, et en blanc il y a le nouveau plagioclase = Paragenèse de la granulite (roche chaude / éclogite: roche froide)

Le pyroxène est attaqué à la périphérie

Attention !!! Les plagioclases sont des solutions solides : - (Gabbro : plagioclase calcique + pyroxène (roche sombre) + parfois de l’olivine - (Granite : plagioclase sodique + quartz (roche claire) -

Schiste vert

Biotite : minéral hexagonal (pseudohexagonal) : vert car entièrement chloritisée et à pris la place de la biotite : fantôme. Processus de métamorphisme : la chlorite à prie la place de la biotite. La partie de biotite "marron" est un minéral relique/fantôme.

La Chlorite est un minéral de métamorphisme qui n’appartient pas à l’échelle de Newton (teinte de polarisation) : n'est ni 1er ordre, ni 2ème ordre... teinte de polarisation aberrante : couleur bronze (verdâtre) (LPNA), et bleu nuit (LPA), se cristallise à partir de minéraux ferromagnésiens. C’est une roche avec mésostase (fond microcristalline sombre) donc lave + quartz = rhyolite. Une rhyolite contient : plagioclase + orthose + biotite (ou muscovite = micas) + quartz

B) Rappels 1) Pression Page 1, document B : Pour une croûte fine (CO) : pression très inférieure à 10 kbar Croûte mince (CC) : 35 km de profondeur, pression environ 10 kbar Croûte chaîne de montagne : épaisse, 100 km (ex : Himalaya) : pression de 30 kbar. Entre 30 et 100 km pour environ 30Kbar. À la base d'une croute continentale épaisse (montagne): 30Kbar Variation de pression de la surface jusqu'au noyau de la Terre : 500 GPa P=(rho).g.z = presque une droite En fonction de la couche : µ varie en fonction de la composition du minéraux donc µ varie. Souvent en surface : kbar / noyau : GPa Attention : connaître certain chiffre : surface de la Terre.

2) Température Page 2, document A : montre l'évolution de la Température en fonction de la profondeur : le géotherme est une courbe qui n’est pas mesurée mais calculée (virtuelle sauf pour les 15 premiers km) : variation de la T° en fonction de la température : 30°C par kilomètres, (pour les 15 premiers km) = 30°C/km.

Solidus : début de fusion (courbe de début de fusion), ici solidus basique saturé en eau Condition de P° et T° de subduction : condition géothermique d’une subduction : T° en dessous et P° audessus du géotherme terrestre, (donc température froide mais pression qui est forte). La subduction à une pression plus forte mais une température inférieur au géotherme moyen. Le CO qui plonge : ne fond pas en principe, mais se métamorphisme seulement quand c’est une subduction froide !! , elle peut fondre lorsque la subduction est chaude. Solidus anhydre sur Terre Page 2, document B : isotherme au niveau d’une zone de subduction Au niveau d’une zone de subduction les isothermes s’infléchissent (plongeant). Flux moyen terrestre : 80 mW/m² (loin d’une zone de subduction, loin d’une zone volcanique) Isotherme : 1000°/800° : descend jusque 300 km = subduction froide sur le schéma car 300 km à 800°C À la base de la lithosphère c'est 100 voire 200 km si elle est épaisse à 1300°C, 800mW/m² (?)

3) Les limites du métamorphisme Page 2, document C : utilisation de minéraux, Certaines méthode permettent de savoir si le minéraux sont cristallisés ou non : La définition du métamorphisme est la même que pour la diagenèse mais la diagenèse concerne les roches sédimentaires (compaction/recristallisation). Quand commence le métamorphisme ? Le métamorphisme commence arbitrairement en utilisant les minéraux : température entre 150 °C - 250°C au dessus de 2Kbar. Correspond à la cristallisation par exemple de la Laumontite (qui est une zéolite).

Page 2, document D et E : Pic d’analyse de diffraction aux rayons X : permet de voir la position des atomes dans l’espace et de reconstituer les molécules dans l’espace. Donc par diffraction permet de vérifier la pureté et la qualité d’un échantillon (ex : Or / Pyrite... --> les pics seront différents). Le pic correspondent à Argile : cristallinité de l'Illite est une observation que l'on peut faire pour observer la limite du métamorphisme. Cristallinité de l'illite évolue en fonction de différente zone : diagenèse : analyse l'Indice de Cristalliné IC de 2 à 6 : - Anchizone : faciès zéolite - Epizone : faciès schistes verts - Diagenese : IC de l’Illite fort - Anchizone : IC de l’Illite moyen : faciès zéolithe - Epizone : IC faible : l’illite commence à se solubiliser : faciès schiste vert : métamorphisme Diphractogramme d'un micas : se réalise au dépend de l'illite : dans diagenèse pas présent/ dans l’épizone il est bien cristallisé = évolution de la diagenèse.

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Processus du métamorphisme

Page 3, document A :modification des conditions thermodynamiques  transformations minéralogiques (la température et pression changent). Potentiels mécaniques : transformation géométrique : étude des déformations, (s'appelle sigma) = rotation, faille cisaillante, variation de volume.... Potentiels chimiques : transformations chimiques : mésastomatose. Difficile d’étude car pas de conservation de la chimie des minéraux, ce sont les fluides qui circulent qui modifient la composition chimique des roches. Peu étudié car nous verrons le métamorphisme régionale (potentiel thermodynamique).

I-Modification du potentiel mécanique (sigma) A) Mécanique de la déformation 1) Notion de contrainte Contrainte : une contrainte s’exprime comme une pression (sigma = F/S = P). mais il y a des différences majeurs : - Une pression est une force qui s’applique perpendiculairement à la surface F et homogène - Une contrainte s’applique non perpendiculairement, sur une surface non homogène et la surface S unitaire tend vers 0 (S est alors un point) Un régime des contraintes est défini dans les 3 directions, région de l’espace : sigma1, sigma 2, sigma 3. Il est représenté sous la forme de 3 sigmas. 2) Ellipsoïde des contraintes et ellipsoïde des déformations

(Un ellipsoïde = forme de ballon de rugby) Les 3 contraintes dans l’espace définissent l’ellipsoïde des contraintes Page 3, document B : Parmi les 3 contraintes, il y a une contrainte maximale : sigma 1 et une minimale : sigma 3. L’ensemble des contraintes n’est pas forcément homogène. L’ellipsoïde des contraintes correspond à l’ensemble des forces qui s’appliquent sur un échantillon de roche. Il peut être décomposé en 2 régimes de contraintes : - Un régime où l’ensemble des contraintes est isotrope (figure D): on obtient une sphère de contraintes car les contraintes sont toutes égales. Dans la nature cela est assez rare : cela correspond à la pression lithostathique. Elle peut être représentée sous la forme d’une sphère de contrainte et elle correspond à la pression exercée par la colonne de roche située au-dessus de l’échantillon (plus elle est profonde, plus elle est forte). Elle peut conduire à une variation de volume, mais elle n’entraîne pas de déformation. Il y a une réaction de compression mais l‘échantillon ne change pas de forme. Les pressions, les contraintes exercées sont toujours centripètes. Comparaison : pâte à pizza : pour garder la pâte en boule il faut tourner la pâte pour exercer des pressions dans toutes les directions : cela correspond à la pression lithostathique. Impossible qu’une des contraintes n’est plus dans le même sens que les autres : car sinon la planète exploserait ! -

Le deuxième régime correspond aux contraintes anisotropes (figure D): cela n’existe que s’il y a des déformations. Cette ellipsoïde des contraintes correspond aux contraintes utiles aussi appelées contraintes déviatoriques. Cette ellipsoïde représente la déformation : différence entre sigma 1 et sigma 3 : sigma 1 – sigma 3, cela donne le déviateur des contraintes . Lorsque sigma 2 = sigma 3 : la déformation est dite régulière.

Ce sont des représentations dans l’espace : utile en cartographie. Ellipsoide des déformations (différents des contraintes).

3) Déformation progressive •

Déformation continue

Dans une déformation, tous les couples de points infiniment voisin dans l’état initial reste infiniment voisin dans l’état final = déformation continue La déformation continue homogène = dans la déformation continue homogène, toutes les droites restent des droites. 2 cas Page 4 : - L’aplatissement (figure A) : ex : un carré devient un rectangle. Les angles sont conservés, les cercles deviennent des ellipses. Cela s’appelle du Pure Shear (= cisaillement pur). Déformation coaxiale : déformation se fait selon un axe. (Exemple : un pressoir infini) Au niveau des contraintes : sigma 3 est plus faible que sigma 1. L’aplatissement se fait donc dans la direction de sigma 3. Et sigma 3 et sigma1 sont sur le même axe respectivement. -

Déformation non coaxiale (figure B) = cisaillement simple (simple shear), c’est une déformation rotationnelle. Dans ce cas, le rectangle devient un parallélogramme : les angles ne sont pas conservés (il y a des couples de forces ). Les sigmas ne sont pas sur le même axe et donc ne peuvent être placés car tournent dans le temps (couple de force non coaxial).

Déformation continue hétérogène = pas d’angle et pas de droites conservées. Il y a la plupart du temps, il y a plus que des couples de force : trio de force de plus. Toutes ces déformations sont ductiles. Elles se situent dans la lithosphère. •

Déformation discontinue

La déformation est cassante, elle n’est donc pas ductile. Vers 15 km, on passe à de la déformation non cassante. La déformation cassante est donc au-dessus de 15 km.

Page 4, figure 1 : plan de fracturation commence à apparaître. Limite cassant/ ductile  déformation hétérogène continue (à la limite du continu) Figure 2 : schistosité du flux (car elle est fine) et onde de pression (forme comme un œil = trace blanche). Si on considère une déformation coaxiale, on peut placer les contraintes. Les ondes de pressions sont relativement symétriques cela permet de dire que c’est relativement coaxial. (Sur la droite de l’image, cisaillement discontinu ?). Figure 3 : lame Bélemnites du Lias Alpin. Deux comportements : la marne à une déformation continue alors que le rostre de bélemnite présente une déformation discontinue. Même si les deux sont allongés, déformation d’allongement. Croissance de cristaux de calcite entre les rostres qui poussent dans le sens de l’allongement. L’allongement se fait dans la direction de la croissance des cristaux de calcite donc sigma3 est parallèle à l’allongement (mais si les rostres ne sont plus cylindriques alors torsion, rotation …) On peut mesurer l’allongement avec la croissance de calcite l’allongement : (L1 – L0) / L0 × 100 = % coefficient d’allongement Variation rapportée en pourcentage L1 = taille du rostre avec les cristaux de calcite, allongement L0 = taille du rostre (sans les cristaux de calcite), seulement cristaux noir o l’on calcule a taille en additionnant les différentes cristaux de rostre. Figure 4 : banc calcaire, même comportement que le rostre de Bélemnite. Dans le banc de calcaire il y a des fentes de tensions : ils ont été étirés mais les calcaires ont un comportement cassant ils ont dits compétents/ alors que les marnes ont un comportement ductile. Figure 5 : déformation discontinue. Présence d’olivine : incolore, teinte de polarisation 2nd ordre (LPA), craquelures, relief moyen, iddingsité). La roche est un ensemble d’olivine. Bande d’olivine ont été déplacés : impression que le cristal est en mouvement (en rose, suit les stries) : il fait un plis-faille. Kink-band : c’est un faux pli, les bandes sont cassées et se déplace les unes par rapport aux autres. Figure 6 : kink band : impression de plis mais bandes cassées Page 5, Figure 1 : succession de terrains : exemple : des bancs calcaires (bancs compétents) de différentes épaisseurs. Entre I et J première cassure. Par la suite la cassure progresse, dû à de la compression. La faille progresse et devient un régime de chevauchement. Une deuxième faille apparaît et une troisième, etc... Cela s'appelle de la propagation de faille. Dans ce cas-là, des Kink se développent qui génèrent un pli faille. Dans le domaine cassant les plis ne sont pas des vrais plis mais des plis failles. Au cœur du pli il y a une accumulation de matière, épaississement des bancs au cœur synclinal. Kink = bande décalé par des failles. D'où le nom Kink band. Page 5, Figure 2 : a) parallèlement aux bandes de terrain donc Kink band est régulier b) non parallèle donc le kink est décalé  cas le plus courant dans la nature

4) Comportement mécanique des roches (des matériaux) C'est la rhéologie. C'est de la mécanique de déformation des matériaux.

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La courbe d'élasticité/plasticité

Page 6, Figure 1 : Régime de contrainte déformant à un échantillon de roche (quel que soit le type de contrainte : extension, compression) :

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Le matériau réagit au départ avec un comportement élastique (ex : le rebond élastique de la lithosphère): comportement élastique = c'est une déformation faible obtenue pour une contrainte utile (= anisotrope) forte. Déformation réversible.

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Passé le seuil d'élasticité on arrive dans le domaine plastique : pour obtenir une déformation, la contrainte utile peut être faible. Une petite contrainte génère une grande déformation et cette déformation n'est pas réversible. La déformation n'est pas nulle et donc permanente.

- Seuil de rupture : casse, au bout d'un moment Ce mécanisme marche pour une faille en cours de formation : déformation plastique des terrains avant la formation de la faille et de l'emmagasination de l'énergie.

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Courbe de Byerlee

Courbe utilisée pour modéliser le comportement de la lithosphère. En laboratoire, on travaille sur des échantillons que l'on juge représentatif de la lithosphère, on travaille sur des cristaux de quartz pour la croûte (pour remplacer les granites): ces cristaux sont des modèles analogique ressemblant à la lithosphère et...