Le métamorphisme et sa relation avec la tectonique des plaques

1/ Les caractéristiques structurales et minérales des roches métamorphiques au niveau des zones de collision:

  1- 1 – Donnés géologiques de terrain:

Document 1: Une carte géologique simplifiée de la région Bas Limousin au niveau des Alpes Françaises.

1 – A partir du document 1, décrivez la répartition des roches dans cette région
Alpine.

1 – On observe des terrains fortement fracturées avec un affleurement de roches métamorphiques qui s’imbriques avec des roches magmatiques.

  1- 2 – les caractéristiques structurales et minérales:

Pour la mis en évidence des caractéristiques structurales et minérales des roches métamorphiques au niveau des zones de collision, on propose d’étudier les documents suivants:

Document 1: Des échantillons des roches métamorphiques au niveau des zones de collision

http://www.dstu.univ-montp2.fr

Document 2: Dessins de lames minces de ces roches métamorphiques observées au microscope polarisant

Schiste
Micaschiste – mi : mica – q : quartz – st : staurotide (d’après J. Jung).
Gneiss fin – fp : feldspath – mi : micas – q : quartz (d’après J. Jung).

– La schistosité: Feuilletage présenté par certaines roches distinct du plan de stratification, et selon lequel elles peuvent se débiter en lames plus ou moins épaisses et régulières.

 – La foliation: Structure visible dans certaines roches où, à la schistosité, s’ajoute une différenciation pétrographique entre des lits formant ainsi des feuillets.

1 – En exploitant les documents 1 et 2, dégagez les caractéristiques structurales et minérale de ces roches métamorphiques.

1- La lame mince du schiste montre des lits très minces à séricite et chlorite et petits grains détritiques; la schistosité marquée par l’orientation des minéraux micacés, est légèrement replissée.

Le micaschiste se distingue par des grains plus grossier, une schistosité et foliation marquées, la présence des micas, du quartz visible à l’œil nu et d’autres minéraux.

le gneiss est une roche dont la foliation est bien marquée par l’alternance de bandes grenues composées de quartz et feldspath, et de bandes micacées de muscovite et de biotite. Les paillettes de mica sont généralement orientées parallèlement à la foliation

1- 3 – Composition chimique de ces roches métamorphiques:

Pour étudier la composition chimique de certaines roches métamorphiques au niveau des zones de collision, on propose le document 3:

Document 3: Composition chimique de ces roches métamorphiques en %:

silicates d'alumine (SiO2+Al2O3)

1 – Comparez la composition chimique de ces roches métamorphiques.

2 – Proposez une hypothèse pour expliquer ces résultats

1 – Les roches étudiées se ressemblent chimiquement, surtout en ce qui concerne les silicates d’alumine (SiO2+Al2O3). On observe aussi la diminution de la teneur en eau lorsqu’on passe du schiste au gneiss.

2 – Puisque ces roches ont à-peu-près la même composition chimique mais diffèrent par leurs structure et la composition minéralogique, on peut supposer qu’elles résultent de la transformation d’une même roche initiale soumise à des conditions différentes (pression et température).

2/ Les caractéristiques structurales et minérales des roches métamorphiques au niveau des zones de subduction:

Les roches métamorphiques au niveau des zones de subduction actuelles se trouvent dans des endroits humainement inaccessibles, mais on peut les étudier après leur exhumation (retour en surface) dans les régions de collision précédée par une ancienne subduction.  

  2- 1 – Donnés géologiques de terrain:

Document 4:  répartition de l’intensité du métamorphisme dans les Alpes franco-italiennes.

http://freesvt.free.fr/data/partie5/CollisionnActivite.pdf

A partir du document 4,

1 – décrivez la répartition des roches dans cette région Alpine.

2 – Déduisez le sens de la subduction.

1 – On observe des domaines plissés avec un affleurement de roches métamorphiques qui s’imbriquent avec l’ophiolite. La répartition géographique des roches métamorphiques révèle une zonation très nette du métamorphisme dans les alpes. Le degré de métamorphisme est croissant d’ouest en est.

2 – on a un passage progressif de roches du type schiste vert à des schistes bleus, puis à des éclogites. C’est donc d’ouest en est, que s’est effectuées la subduction.

2- 2 – les caractéristiques structurales et minérales:

Pour la mis en évidence des caractéristiques des roches métamorphiques au niveau des zones de subduction, on propose d’étudier les documents suivants:

Document 5:  Observations des échantillons de roches métamorphiques au niveau des zones de collision

http://briancon-nous-voila.over-blog.fr/article-13946894.html

Document 6: 

Le tableau 1 donne la composition chimique approximative de ces roches métamorphiques en %:

 Le tableau 2 donne la composition chimique approximative du basalte et gabbro ophiolitique

1 – Comparez la composition minéralogique et chimique de ces roches métamorphiques.

2 –  Proposez une hypothèse pour expliquer ces résultats.

1 – Les roches étudiées ont une composition minéralogique différente mais ont approximativement la même composition chimique, qui est très proche de celle du basalte et gabbro ophiolitique.

2 – Puisque ces roches ont à-peu-près la même composition chimique mais diffèrent par leur composition minéralogique, on peut supposer qu’elles sont issues des transformations des roches de la lithosphère océanique.

 

3/ Les facteurs du métamorphisme:

Pour la mise en évidence de certains facteurs de métamorphisme, on propose d’étudier les documents suivants:

Document 7: L’expérience de Daubrée

Document 8: Quelques réactions chimiques subies par un minéral argileux au cours d’une montée en température.

Document 9: Domaine de stabilité des minéraux métamorphiques (les silicates d’alumine Al2SiO5)

1 – A partir du document 7, décrivez l’expérience et le résultat obtenu.

2 – Déduisez l’effet de la pression sur les roches.

3 – A partir du document 8, déduisez l’effet de la température sur les roches.

4 – A partir du document 8, déduisez l’effet de la pression et la température sur les minéraux.

5 – Précisez l’importance de la présence de l’un de ces minéraux dans une roche donnée.

1 – On observe que la pression a conduit à une orientation des paillettes de mica(schistosité) perpendiculairement à l’orientation des contraintes.
2 –
 la pression a permet l’apparition de la structure schisteuse, donc elle est un facteur qui change la structure des roches métamorphiques.

3 – On observe que l’augmentation de la température a conduit à la déshydratation et la transformation minéralogique, donc elle est un facteur qui change la minéralogie des roches métamorphiques.

4 – On observe que chaque minéral n‘est stable que dans un domaine précis de pression et de température, et en dehors de ce domaine se forme un nouveau minéral plus stable dans les nouvelles conditions thermodynamiques.

Donc la pression et la température permettent la transformation d’un minéral stable dans un domaine en un autre minéral stable dans de nouvelles conditions thermodynamiques.

5 – Vu que ces minéraux se forment à une pression et une température déterminées, ils permettent donc de reconstituer les conditions de formation des roches qui le contiennent, d’ou on les nomme minéraux indicateurs ou minéraux index.

4/ Les facteurs du métamorphisme dans le globe terrestre:

Les principaux facteurs du métamorphisme sont:

 – La température:

Quand on s’enfonce dans le globe terrestre la température augmente avec la profondeur; cette variation de températures en fonction de la profondeur représente le gradient géothermique. En moyenne, la température augmente de 3°C tous les 100 mètres dans la croûte continentale mais la valeur du gradient géothermique varie beaucoup en fonction des zones terrestres.

http://www.didier-pol.net/68ags69.gif

– La pression:

 Elle est subdivisée en:

  • Pression lithostatique qui est la pression exercée sur une roche, par les roches qui la surmontent. Cette pression est fonction de la densité des roches et de la profondeur à laquelle elle s’exerce.

  • Pression de contrainte: 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 orientée et engendre des déformations et l’apparition de nouvelles structures à différentes échelles.

– La présence de fluides: (principalement H2O et CO2), ils accélèrent les réactions de transformations minérales et les échanges de matière.

 5/ Définition du métamorphisme:

Le métamorphisme est l’ensemble des processus qui induisent des modifications minéralogiques et texturales d’une roche, à l’état solide, sous l’effet de la température, de la pression et des fluides. Ces transformations entraînent une réorganisation des éléments dans les roches et, de ce fait, un changement des minéraux de ces roches: on dit qu’il y a recristallisation.

Le métamorphisme peut affecter des roches sédimentaires ou magmatiques ou métamorphiques préexistantes.

L’ensemble de roches métamorphiques obtenues à partir de la même roche-mère, à des degrés différents, représente une séquence métamorphique. Le tableau suivant illustre les grands types de séquences:

6/ Notion de facies métamorphique:

Document 10: Evolution minéralogique d’une roche constituée de deux minéraux A et B, à P0-T0 et portée dans de nouvelles conditions P1-T1

christian.nicollet.free.fr

Document 11:Graphiques indiquant les domaines de stabilité de différentes associations minérales.

image issue de la banque de schéma SVT publiée par Alain Gallien

Document 12: Exemples d’équations des réactions qui se produisent lorsqu’on passe d’une zone de stabilité à une autre.
Plagioclase + pyroxène +eau ==> hornblende
Plagioclase + hornblende + eau==> chlorite + actinote
Plagioclase + chlorite==> glaucophane  + eau
Plagioclase + glaucophane ==> grenat + jadéite +eau

Document 13: La classification actuellement en vigueur est la classification en faciès métamorphiques, formulée en 1914 par le pétrographie finlandais P. Eskola :

Le domaine P-T est découpé en  » faciès métamorphiques « . Cette notion permet de regrouper des roches soumises à des intervalles de P et T données, indépendamment de leur composition chimique. Les noms des faciès correspondent aux noms des roches de composition basaltique, métamorphisées dans les intervalles PT définis pour ces faciès.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Metamorphic_facies_FR.svg

1 – A partir du document 10, décrivez l’évolution minéralogique en fonction des conditions thermodynamiques.

2 – Que peut on déduire des documents 11 et 12.

3 – A partir du document 13 et des données précédentes, Proposez une définition au facies métamorphique.

1 – On observe qu’à P0-T0 la roche constituée de deux minéraux A et B, mais quand on passe à de nouvelles conditions P1-T1. les minéraux A et B ne sont plus stables ensembles et sont remplacés par l’association de A + C. La transformation se fait par le biais de la réaction A+B=C. Pendant que la réaction se réalise, les néocristaux C se développent, en couronnes, aux limites des minéraux précoces.

2 – Les associations de minéraux qui constituent une roche sont stables dans certaines conditions de pression et de température uniquement. Si  ces conditions sont modifiées, les minéraux réagissent entre eux pour former de nouvelles associations minérales, stables dans ces nouvelles conditions. Ces réactions de transformation minérale sont appelées réactions métamorphiques.

3 – Un faciès correspond à une association déterminée de minéraux caractéristique des conditions de pression et de température qui régnaient lors de la formation de la roche.

Cependant, l’appartenance d’une roche métamorphique à un faciès donné n’implique pas nécessairement qu’elle ait la composition de la référence basique.

Exemple: une basalte porté à 20 km de profondeur à 550°C devient une amphibolite, ce qui donne le nom au faciès, mais un gneiss à deux micas (plagioclases, quartz, feldspath potassique) appartient aussi faciès amphibolites bien qu’il ne contienne pas d’amphiboles.

Chaque faciès métamorphique est donc défini par une gamme de P et de T° et par la présence de minéraux index (minéraux ayant un champ de stabilité (P,T) restreint).

7/ Les types de métamorphisme:

On distingue

http://masterpro-ere.u-bourgogne.fr/sessions/images/stories/M1/L1_CM4-Metamorphisme.pdf

Le métamorphisme thermique ou de contactC’est un métamorphisme qui se produit à faible profondeur(BP – HT) et ceci lorsque le magma en traversant des roches sédimentaires leurs fait subir au contact des phénomènes de cristallisation. L’action du magma intrusif se fait sentir dans les zones limitées et concentriques appelées auréole de métamorphisme.

Entre les deux se développe:

Source : Introduction à la géologie des ressources minérales

Le métamorphisme dynamique: Qui est dû à l’effet de la haute pression et la basse température (HP – BT). Se rencontre dans un contexte tectonique de subduction ou d’obduction ou de métamorphisme d’enfouissement.

Le métamorphisme dynamothermique: Ce métamorphisme affecte de grandes régions. Il est à la fois contrôlé par des augmentations importantes de pression et de température(HP– HT). Se rencontre dans un contexte tectonique lors d’un orogène. Métamorphisme des racines de chaînes de montagnes.

Source : Introduction à la géologie des ressources minérales

 9/ Le trajet Pression-Température-temps(PTt ):

Document 14: Le trajet Pression-Température-temps(PTt ) du gabbro de la lithosphère océanique:

http://christian.nicollet.free.fr/page/CO/PTCO.html

Px: pyroxène, Pl: plagioclase, V: vapeur, Hbl: Hornblende, Glc: Glaucophane, Jd: Jadeite, Ep: Epidote, Lws: Lawsonite, Gt: Grenat, Q: Quartz,

Cpx: Clinopyroxène,   SV: Schiste vert, SB: Schiste bleu

1 – A partir du document 14, Retracez l’historique des transformations subies par un gabbro depuis son éloignement de l’axe de la dorsale et montrez que les réactions du métamorphisme suggèrent un processus de subduction, de collision et d’amincissement crustal.

1 – Un gabbro cristallisant au niveau de la dorsale océanique, se refroidit lentement en s’éloignant de celle-ci (Echantillon 1). D’autre part, les circulations de vapeur d’eau sont abondantes. En conséquence, ces roches recristallisent et sont métamorphisées. Au point 2, le métagabbro montre le passage, au cours du refroidissement, dans le faciès amphibolite, puis au point 3, dans le faciès Schistes Verts : la roche, à l’intérieur de la plaque refroidie, est équilibrée dans les conditions du Géotherme moyen. 
Le (méta)gabbro entraîné dans la zone de subduction, montrera une minéralogie typique du faciès Schistes Bleus (Echantillon 4), puis du faciès Eclogite (Echantillon 5). Lorsque la lithosphère océanique est subductée en totalité , la croûte des marges continentales peut entrer en collision. L’éclogite peut être incorporée dans cette collision. 
Au début de la collision, lorsque la croûte continentale est sous -charriée sous la portion de croûte océanique éclogitisée, cette dernière est ramenée vers la surface tandis que le gradient thermique évolue vers de plus hautes T. La pression exercée sur l’éclogite diminue tandis que celle-ci se réchauffe : la roche s’équilibre dans les conditions du faciès amphibolite (Echantillon 6) 
Lorsque le mouvement de convergence s’interrompt, la croûte continentale épaissie est en déséquilibre gravitaire. Elle va s’amincir afin de revenir à l’épaisseur normale d’une croûte d’une lithosphère stable. Des échantillons profonds sont ramenés à la surface.

Sitographie:1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 . 8 9 – 10 –11 –12

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