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Métamorphisme et roches métamorphiques
LaurieBougeois
ST3 - Polytech" Paris UPMC
19 décembre 2014
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
2 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Un peu d"histoire...
Jusqu"au 18èmesiècle
?roches cristallines (= magmatiques) ?roches sédimentaires
3 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Un peu d"histoire...
Jusqu"au 18èmesiècle
?roches cristallines (= magmatiques) ?roches sédimentaires ?Fin 18ème- début 19èmesiècle ?James Hutton(Theory of the Earth, 1795) : observation en Écosse de roches issues de la transformation de roches magmatiques ou sédimentaires au contact de granite ou de basalte
3 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Un peu d"histoire...
Jusqu"au 18èmesiècle
?roches cristallines (= magmatiques) ?roches sédimentaires ?Fin 18ème- début 19èmesiècle ?James Hutton(Theory of the Earth, 1795) : observation en Écosse de roches issues de la transformation de roches magmatiques ou sédimentaires au contact de granite ou de basalte ?proposition d"un 3èmetype de roches résultant de la transformation d"une des roches précédentes ?Roches Métamorphiques
3 / 62
Métamorphisme et roches métamorphiques
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Qu"est-ce qu"une roche métamorphique?
Le granite de Flamanville
?un exemple simple pour démontrer ce que sont les roches métamorphiques ?pluton granitique daté vers 350 - 330 Ma ?intrusif dans les séries sédimentaires du Paléozoïque
4 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Qu"est-ce qu"une roche métamorphique?
Le granite de Flamanville
?un exemple simple pour démontrer ce que sont les roches métamorphiques ?pluton granitique daté vers 350 - 330 Ma ?intrusif dans les séries sédimentaires du Paléozoïque
4 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Schiste à
AndalousiteGrès argileux du Rozel
Contact
Granite-Schistes
IntroductionGenèse des roches métamorphiques Quantification Trajets PTt
Les roches métamorphiques
Définition
Lemétamorphismeest la transformation à l"état solide des roches entraînant la cristallisation de nouveaux minéraux (dit néoformés) et un changement de la structure.
Comment se produit la transformation
Quels sont les facteurs à l"origine de celle-ci?
5 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
6 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion d"isogrades de métamorphisme
Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isograde
de la cordiérite
Courbe isograde
de la sillimanite
Cordiérite
Sillimanite
7 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
8 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Clino-
pyroxènePlagioclase
Glaucophane
Muscovite+chlorite
Cordiérite
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
?Réactions polymorphiques ?changement de phase ?exemple des Silicates d"alumine Al2SiO5
9 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Disthène
Sillimanite
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
?Réactions polymorphiques ?changement de phase ?exemple des Silicates d"alumine Al2SiO5
9 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Andalousite
orthorombique a=7.79Å b=7.90Å c=5.56ÅSillimanite orthorombique a=7.48Å b=7.67Å c=5.77Å
Disthène
triclinique a=7.12Å b=7.85Å c=5.57Å IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
?Réactions polymorphiques ?changement de phase ?exemple du système Quartz-Coésite SiO2
10 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Coésite
Quartz
Grenat
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
?Réactions isochimiques ?changement de minéraux mais chimie globale de la roche conservée ?exemple : Grenat→Spinelle + Clinopyroxène
11 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Serpentine
Spinelle +
Clinopyroxène
Grenat
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Changements minéralogiques
Notion de réaction métamorphique
?Réaction non isochimiques ou métasomatiques ?modification de la chimie de la roche par un apport d"H2O exemple : Plagioclase + Clinopyroxène +H2O→Hornblende
12 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Clinopyroxène
Hornblende
Plagioclase
Clinopyroxène
Hornblende
Plagioclase
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche empirique
Effet de la température
13 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isograde
de la cordiérite
Courbe isograde
de la sillimanite
Cordiérite
Sillimanite
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche empirique
Effet de la pression
14 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Schiste à
AndalousiteGrès argileux du Rozel
Basalte
Terre cuite
Argile
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche empirique
Effet de la circulation des fluides
15 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Muscovite+chlorite
Cordiérite
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche empirique
Effet de la déformation
16 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche thermodynamique
Étapes d"une réaction métamorphique
Dissolution→Transport (diffusion)→Nucléation→Croissance ?le processus le plus lent contrôle la vitesse de la réaction soit ladiffusion.
17 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche thermodynamique
Paramètres contrôlant la vitesse de diffusion : La diffusion dans un solide est contrôlée par la loi de Fick
J = -DdCdxAvec :
J : Flux
C : concentration
x : distance
D : coefficient de diffusion
→détermine la vitesse surfacique de diffusion
Loi d"AarhéniusD=D0e-Q/RT
+ T est élevée?+ la diffusion est efficace
Diffusion inefficace en dessous de 600
◦C
18 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche thermodynamique
+ T est élevée?+ la diffusion est efficace
Diffusion inefficace en dessous de 600
◦C
Trajet progradeT augmente
Trajet rétrogradeT diminue
19 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Approche thermodynamique
?Mécanisme accélérant le métamorphisme ?déformation :formations de plus petits grains→facilite la diffusion ?fluides :facilite le transport des éléments
Zone peu
déformée préservation de minéraux reliques
Zone très
déformée minéralogie à l'équilibre
20 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Nouvelle définition
Lemétamorphismeest la transformation à l"état solide de roches placées dans des conditions de pression et de température diffé- rentes de celles qui existaient au moment de leur formation
21 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l"héritage chimique
?Notion de protolithe
22 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l"héritage chimique
?Notion de protolithe
22 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Biotite+Muscovite
Grenat
Biotite
Sillimanite
Grenat
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l"héritage chimique
?Notion de protolithe
22 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Attention : il faut tenir compte des proportions!
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l"héritage chimique
?Notion deSérie paradérivée
Pélite
Schiste
Paragneiss
Quartzite
Marbre
Calcaire
Grès
23 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Facteurs contrôlant le métamorphisme
Importance de l"héritage chimique
?Notion deSérie orthodérivée Acide
Basique
Orthogneiss acide
Métabasite + nom de faciès
(schiste bleu, schiste vert etc.)Ultramafique
Méta-ultramafique
24 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Classification des roches métamorphiques
Les critères permettant de classer et de nommer les roches métamorphiques sont variés et non uniformisés. Il peuvent faire référence à la :
Nature du protolithe
?métagranite ?métabasalte ?métasédiment ?métapélite
25 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Classification des roches métamorphiques
Les critères permettant de classer et de nommer les roches métamorphiques sont variés et non uniformisés. Il peuvent faire référence à la :
Structure de la roche
?micaschiste ?schiste bleu ?schiste vert ?gneiss oeillé
26 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Classification des roches métamorphiques
Les critères permettant de classer et de nommer les roches métamorphiques sont variés et non uniformisés. Il peuvent faire référence à la :
Composition minéralogique
?gneiss à andalousite ?micaschiste à grenat ?marbre à muscovite ?glaucophanite
27 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Genèse des roches métamorphiques
- Bilan - Les phénomènes métamorphiques sont relativement lents, d"où la préservation de minéraux ou d"assemblages de minéraux métastables, c"est-à-dire non à l"équilibre avec les conditions P -
T environnantes.
La vitesse de transformation est activée par la température. Par conséquent lors d"une évolution avec augmentation de température (évolution prograde) seul les derniers assemblages seront préservés. Par contre lors de la baisse de température (évolution rétrograde), les assemblages anciens seront préservés.
28 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
IntroductionGenèse des roches métamorphiquesQuantification Trajets PTt
Genèse des roches métamorphiques
- Bilan - La vitesse des transformations est fortement accélérée par la déformation et les circulations de fluide. La présence ou l"absence de certains minéraux est également contrôlée par la chimie et la minéralogie initiale de la roche. Par conséquent certaines roches seront "plus parlantes" que d"autres car elles exprimerons mieux le métamorphisme. Les roches métamorphiques subissent une évolution au cours du temps marquée par des transformations minéralogiques. ?Nécessité d"évaluer les conditions P-T subies
28 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
1. Introduction
2. Genèse des roches métamorphiques
3. Quantification des conditions du métamorphisme
4. Trajets Pression-Température-temps-déformation (PTtd)
29 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Approche expérimentale
Différents dispositifs utilisés
30 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Approche expérimentale
Cellule à enclume de diamant
31 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
MicrofourMilieu transmetteurde P (Argon)
Rubis(mesure P par fluorescence)
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Zonéographie du métamorphisme
Exemple des métapélites
32 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isograde
de la cordiérite
Courbe isograde
de la sillimanite Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Zonéographie du métamorphisme
Exemple des métapélites
32 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Migmatite
Gneiss
Métapélites
Courbe isograde
de la cordiérite
Courbe isograde
de la sillimanite
EPIZONEMESOZONEULTRAZONE
CATAZONE
ANCHIZONE
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
33 / 62
Métamorphisme et roches métamorphiques
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Schistes vert
Exemple du Chenaillet et du Briançonnais
34 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Schistes bleus
Exemple de l"Île de Groix
35 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Éclogites
Exemple de Saint-Philbert-de-Grand-Lieu
36 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de Faciès métamorphiques
Signification des limites entre faciès métamorphiques
37 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Aspect thermodynamique
Équation de Clapeyron
ΔG= ΔH-TΔS+PΔV
(équation simplifiée car la réaction se fait à l"état solide)
À l"équilibre :
ΔG=0
P=ΔSΔVT-ΔHΔV
Fonction affine qui représente la
courbe d"équilibre monovariant = courbe de changement d"état
38 / 62
Métamorphisme et roches métamorphiques
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Aspect thermodynamique
Équation de Clapeyron
P=ΔSΔVT-ΔHΔV
ΔS?ΔV
Bon géothermomètre P T
Ex. : transition staurotide-grenatΔV?ΔS
Bon géobaromètre P T
Ex. : transition coésite-quartz
39 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Grilles pétrogénétiques
Pour une chimie basique
40 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Grilles pétrogénétiques
Pour une chimie alumineuse
41 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Grilles pétrogénétiques
Pour une chimie alumineuse
41 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse= assemblages minéralogiques à l"équilibre
42 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse= assemblages minéralogiques à l"équilibre Exemple Faciès des amphibolites - Série alumineuse
42 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Staurotide + Disthène + Biotite
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTt
Notion de paragenèse
Paragenèse= assemblages minéralogiques à l"équilibre Exemple Faciès des amphibolites - Série basique
43 / 62Métamorphisme et roches métamorphiques?
Hornblende + Epidote + Plagioclase + Grenat
Introduction Genèse des roches métamorphiquesQuantificationTrajets PTtquotesdbs_dbs46.pdfusesText_46
[PDF] Nature et origine des roches métamorphiques infra - Archipel UQAM