MÉTAMORPHISME ET GÉODYNAMIQUE

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Évolution thermique d’une roche et trajet pression-température-temps (P-T-t)

Considérons un exemple simple d’épaississement d’une unité géologique : quelle est l’évolution de la température en fonction de la profondeur, laquelle est susceptible d’engendrer la recristallisation métamorphique des roches ? Cette unité géologique est sans dimension. Il pourrait s’agir d’une portion de croûte continentale. Soumise à des forces aux limites compressives, cette portion de croûte en situation de convergence s’épaissit par déformation continue (épaississement) et discontinue (chevauchement), créant un relief positif (chaîne de montagnes) et une racine. Lorsque les forces aux limites compressives ne s’exercent plus, cette croûte épaissie est en déséquilibre gravitaire et s’amincit pour retrouver les conditions d’équilibre qui sont celles du début.

Relations entre géothermes, trajets PTt et gradient métamorphique

Dessin : Relations entre géothermes, trajets PTt et gradient métamorphique

Les relations entre géothermes, trajets PTt et gradient métamorphique sont représentées durant l’épaississement et l’amincissement d’une portion de croûte continentale soumise à des forces compressives indiquées par les flèches. On suit le trajet de trois roches situées... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Sur la figure qui représente l’évolution de cette portion de la croûte terrestre, on suit le parcours de trois roches situées initialement à la surface de la croûte. Au cours de l’épaississement, ces roches, appartenant à l’unité inférieure sous-charriée, s’enfoncent rapidement à des profondeurs variables. La pression qui s’exerce sur elles augmente régulièrement et instantanément en fonction de la profondeur. La température augmentant à l’intérieur du globe, les roches se réchauffent. Comme les matériaux terrestres ont une mauvaise conductivité thermique, ce réchauffement se fait lentement au cours de l’enfouissement. Le trajet dans l’espace P-T ne suit donc pas le géotherme de la lithosphère stable (GLs), mais s’en écarte en se rapprochant de l’axe des pressions. Durant ce stade d’enfouissement et d’épaississement, le géotherme s’écarte de la GLs vers les basses températures (t0).

Lorsque la convergence s’interrompt, les roches ont atteint leurs maxima respectifs de profondeur, matérialisés sur le trajet dans le diagramme P-T par les pics en pression (PM). Lors de l’amincissement qui suit, la pression exercée sur les roches diminue ; cependant, leur température continue d’augmenter pour se rééquilibrer thermiquement avec l’environnement. En effet, la chaleur produite par désintégration des éléments radioactifs, abondants dans la croûte continentale, est plus importante dans cette croûte épaissie que dans la croûte d’épaisseur normale d’une lithosphère stable. Cette évolution s’accompagne d’un déplacement du géotherme vers les hautes températures. Celui-ci va dépasser le géotherme de la lithosphère stable (GLs) et évoluer vers les hautes températures (t1, t2, t3). Le trajet PTt de chaque roche passe par un pic en température (TM) au-delà duquel, l’exhumation se poursuivant, P et T diminuent ensemble jusqu’au retour à la surface des roches.

Trajets PTt caractéristiques de contextes géodynamiques différents

Dessin : Trajets PTt caractéristiques de contextes géodynamiques différents

Des exemples de trajets PTt caractéristiques de contextes géodynamiques variés sont représentés sur cette figure. La croûte océanique présente une ride (5) épaissie au niveau d’un plateau océanique (4). La croûte continentale est reliée à la croûte océanique au niveau d’une... 

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Les trajets qui viennent d’être décrits sont caractéristiques de l’évolution thermique dans une zone de convergence de type collision. D’autres trajets PTt sont caractéristiques de contextes géodynamiques différents. Sur une coupe simplifiée de la croûte terrestre, la croûte océanique présente une ride épaissie au niveau d’un plateau océanique… La croûte continentale est reliée à la croûte océanique au niveau d’une marge dite passive tandis que la croûte océanique s’enfonce sous la croûte continentale (subduction) au niveau d’une marge dite active, à la base de laquelle se mettent en place des magmas gabbroïques. La croûte continentale est épaissie dans une zone de chaîne de montagnes.

Les trajets de roches situées sur la zone de chevauchement sont équivalents à ceux décrits auparavant. Ils en diffèrent par leur parcours rétrograde qui dépend de leur vitesse respective d’exhumation. Plus l’exhumation est lente, plus la roche se réchauffe et atteint un pic en température TM élevé. Une roche située à la base de la même croûte chevauchée que les précédentes présente un trajet à peu près semblable aux deux précédents si ce n’est qu’il débute en profondeur, sur la courbe du géotherme GLS. Les magmas qui se mettent en place à différentes profondeurs dans les parties profondes de la croûte continentale ou d’un plateau océanique ou, à faible profondeur, à la ride, suivent des trajets de refroidissement isobare.

À la fin du trajet, les roches de la base de la croûte chevauchée et les gabbros sont inaccessibles à l’observation : un nouvel événement orogénique est nécessaire pour les reconduire à la surface. En effet, sauf cas exceptionnel, le géologue étudie les roches à l’affleurement à la surface du globe.

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

Diagramme pression-température (P-T) dans le métamorphisme
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Exemples de recristallisation de roches métamorphiques

Exemples de recristallisation de roches métamorphiques
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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 10 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/metamorphisme-et-geodynamique/