MÉTAMORPHISME ET GÉODYNAMIQUE

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.

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.

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[...]