MÉTAMORPHISME ET GÉODYNAMIQUE

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La dynamique de notre planète est conditionnée depuis son origine par son évolution thermique : c’est la dissipation de l’énergie thermique qui fait fonctionner la machine Terre. Volcanisme et flux de chaleur sont des exemples manifestes de transferts de la chaleur des profondeurs du globe vers la surface, associés au lent refroidissement de notre planète. De même, l’expansion des fonds océaniques et la dérive des continents qui en résulte sont les conséquences de vastes mouvements de convection dans le manteau dont le moteur est l’énergie thermique. Les parties superficielles de la Terre sont entraînées vers les profondeurs mantelliques tandis que des roches enfouies à grande profondeur peuvent être exhumées à la surface. Quelles profondeurs et quelles températures atteignent ces roches ? La température augmente avec la profondeur : cette augmentation est matérialisée par la courbe « géotherme » sur un diagramme température-profondeur-pression. Ces variations de profondeur et de température provoquent dans les roches des modifications minéralogiques qui se réalisent à l’état solide et sont qualifiées de métamorphiques.

Diagramme pression-température (P-T) dans le métamorphisme

Dessin : Diagramme pression-température (P-T) dans le métamorphisme

Cette figure représente l’étendue du domaine du métamorphisme dans l’espace pression-profondeur-température, faciès métamorphiques et gradients métamorphiques. Les conditions extrêmes sont caractérisées par le métamorphisme d’ultrahautes pressions (UHP) délimité par le champ de... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dans cet article, nous définirons d’abord le métamorphisme et la répartition des roches métamorphiques. Nous envisagerons ensuite les causes et les processus pétrogénétiques qui en permettent la réalisation. Cela permettra de comprendre pourquoi et comment les roches recristallisent et, par conséquent, d’estimer la température et la profondeur atteintes par une roche à partir de l’assemblage de minéraux qui la constitue.

Les roches métamorphiques informent donc sur la situation thermique du globe et ses perturbations, à différentes époques de son histoire. Pour illustrer cela, nous présenterons un modèle simplifié de l’évolution thermique de la lithosphère, enregistré par les roches métamorphiques, au cours d’un cycle orogénique. Enfin, nous verrons que le métamorphisme peut nous apporter des informations sur le refroidissement de la Terre depuis le début de son histoire.

Définition du métamorphisme et des roches métamorphiques

Le métamorphisme regroupe l’ensemble des transformations minéralogiques et structurales que subissent les roches lorsque la température, la pression, la nature des fluides (principalement H2O et CO2) et la composition chimique changent. Il résulte de ces transformations un changement des minéraux de la roche, c’est-à-dire une recristallisation. Par opposition aux roches magmatiques qui dérivent de la cristallisation de magmas de silicates fondus, cette recristallisation se fait à l’état solide. Le métamorphisme dit prograde (c’est-à-dire lié à une augmentation de température et/ou de pression) s’accompagne généralement d’une perte de fluide. Néanmoins, en première approximation, on le considère comme isochimique : il ne génère pas (ou peu) de modifications de composition chimique. Lorsque les modifications chimiques sont importantes, on parle de métasomatisme. Le métamorphisme dit rétrograde (lié à une diminution de température et/ou de pression) nécessite généralement un gain de fluide.

Exemples de recristallisation de roches métamorphiques

Photographie : Exemples de recristallisation de roches métamorphiques

Ces deux roches ont une composition chimique voisine, mais sont pourtant bien différentes. Celle de gauche est un gabbro à clinopyroxène (sombre) et plagioclase (clair). La roche de droite est une éclogite à omphacite (vert) et grenat (rose). L’éclogite provient du métamorphisme à... 

Crédits : Christian Nicollet

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Le diagramme profondeur-température (P-T) montre que, comme la température, la pression augmente aussi avec la profondeur. La composante majeure de la pression est la pression lithostatique – force exercée en un point par le poids des roches sus-jacentes. Celle-ci est isotrope, c’est-à-dire qu’elle est identique dans toutes les directions. À cette pression lithostatique peut s’ajouter une contrainte orientée lorsque les plaques qui constituent la lithosphère se rapprochent ou s’éloignent. On définit alors un déviateur des contraintes par rapport à la pression lithostatique dans ces zones orogéniques. Les contraintes sont différentes selon la direction dans l’espace et on définit un ellipsoïde de contraintes qui est responsable de la déformation des roches. Le déviateur des contraintes est fonction de la « plasticité » des matériaux, de leur rhéologie : plus une roche est ductile (déformable), plus faible est le déviateur des contraintes. Cette rhéologie varie en fonction de la température. Aussi, les roches métamorphiques qui sont chaudes sont ductiles, et le déviateur des contraintes nécessaire pour les déformer ne dépasse pas quelques centaines de bars, restant faible par rapport à la pression lithostatique.

En conséquence, lorsque la pression est quantifiée à partir de l’assemblage minéralogique d’une roche métamorphique, c’est essentiellement la pression lithostatique, donc la profondeur, qui est estimée. Toutefois, le déviateur des contraintes favorise la recristallisation métamorphique, en jouant un rôle sur la cinétique de réaction. Il est aussi responsable de l’apparition de la schistosité ou foliation, surface d’aplatissement de la matière dans les roches déformées de manière ductile.

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Diagramme pression-température (P-T) dans le métamorphisme

Diagramme pression-température (P-T) dans le métamorphisme
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Exemples de recristallisation de roches métamorphiques

Exemples de recristallisation de roches métamorphiques
Crédits : Christian Nicollet

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Relations entre géothermes, trajets PTt et gradient métamorphique

Relations entre géothermes, trajets PTt et gradient métamorphique
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Trajets PTt caractéristiques de contextes géodynamiques différents

Trajets PTt caractéristiques de contextes géodynamiques différents
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Écrit par :

  • : professeur des Universités à l'université Blaise-Pascal de Clermont-Ferrand

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Christian NICOLLET, « MÉTAMORPHISME ET GÉODYNAMIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/metamorphisme-et-geodynamique/