Les associations minéralogiques indicatrices de pression et de température

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Le métamorphisme comme réponse à un changement de conditions

Une roche est un assemblage minéral stable dans un domaine donné de pression et de température. Si ces conditions changent, l'assemblage n'est plus le plus stable thermodynamiquement et la roche se transforme. Ces transformations se font à l'état solide, sans passage par un liquide, ce qui distingue le métamorphisme du magmatisme.

La roche de départ s'appelle le protolithe. Le métamorphisme est en première approximation isochimique pour les éléments majeurs peu mobiles : les mêmes atomes se réorganisent en minéraux différents. Seuls les fluides, eau et dioxyde de carbone, entrent et sortent notablement. Une réaction métamorphique typique consomme des minéraux hydratés et libère de l'eau lorsque la température augmente, et fait l'inverse lorsqu'une roche est hydratée à basse température.

Deux paramètres dominent. La température accélère les réactions et favorise les minéraux anhydres et les grands cristaux. La pression favorise les minéraux denses, c'est-à-dire ceux dont le volume molaire est le plus faible, avec des cations en coordinence plus élevée.

Thermodynamique, cinétique et métastabilité

Une réaction métamorphique est à l'équilibre le long d'une courbe du plan pression-température. Quand la réaction ne fait intervenir qu'un seul degré de liberté, on parle de réaction univariante, et sa courbe d'équilibre est une ligne. D'un côté de cette ligne, l'assemblage de gauche est stable, de l'autre côté l'assemblage de droite. C'est cette propriété qui fonde toute la thermobarométrie.

La thermodynamique dit ce qui devrait se produire, la cinétique dit ce qui se produit effectivement. Les réactions à l'état solide sont lentes, car elles supposent la diffusion d'atomes dans des cristaux. Elles sont fortement accélérées par la présence de fluides et par la déformation, qui multiplie les surfaces réactives. À basse température et en l'absence de fluide, une réaction peut ne pas avoir lieu du tout.

Il en résulte que les associations minéralogiques des roches métamorphiques que nous observons en surface sont métastables. Elles ne sont pas à l'équilibre dans les conditions de surface, mais elles s'y conservent parce que la cinétique est trop lente. C'est une chance pour le géologue : sans cette métastabilité, aucune éclogite ne parviendrait à l'affleurement. En pratique, la transformation lors du retour vers la surface, appelée rétromorphose, est souvent partielle et se lit sous forme d'auréoles de minéraux de basse pression autour de minéraux de haute pression.

Paragenèses et faciès métamorphiques

Une paragenèse est l'ensemble des minéraux qui ont cristallisé ensemble et sont en équilibre entre eux. Une même roche peut contenir plusieurs paragenèses successives, ce qui est précisément l'information exploitée dans le chapitre suivant.

Un faciès métamorphique est un domaine du plan pression-température. Les roches d'un même faciès ont subi des conditions comparables, mais elles n'ont pas la même paragenèse si leur protolithe diffère. Les faciès dont il faut situer approximativement les limites sont au nombre de cinq.

Le faciès schistes verts occupe les basses à moyennes températures, environ 300 à 500 degrés, et les pressions faibles à modérées. Son nom vient de la couleur verte donnée par la chlorite, l'actinote et l'épidote dans les roches basiques.

Le faciès amphibolite occupe les températures moyennes à élevées, environ 500 à 700 degrés, pour des pressions modérées. Dans une roche basique, la paragenèse associe hornblende et plagioclase.

Le faciès granulite occupe les hautes températures, au-delà d'environ 700 à 750 degrés. Les minéraux hydratés y sont largement déstabilisés au profit d'assemblages anhydres à pyroxènes, plagioclase et grenat.

Le faciès schistes bleus correspond à des hautes pressions pour des températures relativement basses, typiquement au-delà de 0,6 à 0,8 gigapascal pour moins de 500 degrés. Il est marqué dans les roches basiques par le glaucophane, amphibole sodique bleutée.

Le faciès éclogite correspond aux très hautes pressions, au-delà d'environ 1,2 à 1,4 gigapascal. Une éclogite est faite de grenat rouge et d'omphacite verte, pyroxène sodique, sans plagioclase, ce dernier étant instable à ces pressions.

À ces cinq faciès s'ajoute le domaine de haute température et très basse pression, celui du métamorphisme de contact, où se forment les cornéennes.

Le rôle du protolithe

Le protolithe fixe la chimie, donc les minéraux possibles. C'est l'idée que les élèves oublient le plus souvent.

Un protolithe basique, gabbro ou basalte, donne selon les conditions un métagabbro à chlorite et actinote en faciès schistes verts, une amphibolite à hornblende et plagioclase en faciès amphibolite, un métagabbro à glaucophane en faciès schistes bleus, et une éclogite à grenat et omphacite en faciès éclogite. C'est la série la plus utilisée pour suivre un enfouissement, car la suite de réactions y est bien marquée.

Un protolithe pélitique, argile ou siltite, donne avec l'augmentation de température un schiste, puis un micaschiste riche en micas avec une schistosité très nette et souvent des grenats, puis un gneiss à lits clairs quartzo-feldspathiques alternant avec des lits sombres micacés, et enfin une migmatite. Dans ces roches, les minéraux index classiques apparaissent dans l'ordre chlorite, biotite, grenat, staurotide, puis les silicates d'alumine.

Un protolithe carbonaté donne un marbre, roche à calcite recristallisée en grains jointifs, à éclat saccharoïde, effervescente à l'acide.

Un protolithe gréseux quartzeux donne un quartzite. Sa reconnaissance macroscopique n'est pas exigible, contrairement à celle des micaschistes, gneiss, métagabbros, amphibolites, éclogites, migmatites et marbres.

Déformation et recristallisation

Le métamorphisme s'accompagne très souvent de déformation, car les deux se produisent dans les mêmes contextes. La schistosité est un débit planaire acquis par la roche. La foliation est le litage minéralogique visible dans les gneiss.

Le lien entre déformation et croissance minérale se lit en lame mince. Si les minéraux allongés, micas et amphiboles, sont orientés parallèlement à la schistosité, la croissance est contemporaine de la déformation. Si un grand cristal, un grenat par exemple, contient des inclusions dont l'alignement est oblique sur la schistosité extérieure, il a crû pendant une phase antérieure et la schistosité s'est ensuite réorganisée autour de lui. Si un minéral recoupe la schistosité sans être déformé, il est postérieur. Ces critères sont la base de la chronologie relative des paragenèses.

Géothermomètres et géobaromètres

Trois familles d'outils permettent de quantifier les conditions.

Les réactions univariantes fournissent directement une position dans le plan pression-température. On reporte toutes ces courbes sur un même graphique, ce qui constitue une grille pétrogénétique. L'observation d'une paragenèse permet alors de délimiter un domaine, l'intersection des contraintes données par chaque réaction présente ou absente.

Les minéraux index sont des minéraux dont le champ de stabilité est étroit. Les trois polymorphes du silicate d'alumine sont l'exemple type. L'andalousite est stable à basse pression, le disthène à haute pression, la sillimanite à haute température. Comme ils ont la même composition chimique, leur présence ne dépend que des conditions et non de la chimie du protolithe, à condition que la roche soit suffisamment alumineuse. Leur diagramme se réduit à trois champs séparés par trois courbes concourantes en un point triple.

La distribution d'un élément entre deux phases fournit des thermomètres et des baromètres fins. Le partage du fer et du magnésium entre grenat et biotite dépend fortement de la température et peu de la pression, ce qui en fait un bon géothermomètre. Une réaction impliquant un fort changement de volume molaire dépend fortement de la pression et peu de la température, ce qui en fait un bon géobaromètre. Discuter de la pertinence d'un outil, c'est donc regarder l'orientation de sa courbe dans le plan pression-température : une courbe presque verticale est un thermomètre, une courbe presque horizontale est un baromètre.

Les compositions nécessaires se mesurent point par point sur la lame, in situ, par microsonde électronique. Il faut savoir que cette possibilité existe, le détail de la technique n'étant pas exigible. L'intérêt est de pouvoir analyser séparément le cœur et la bordure d'un même cristal zoné, donc deux instants différents de l'histoire.

De l'anatexie aux migmatites

Quand la température franchit le solidus de la roche, la fusion partielle commence : c'est l'anatexie crustale, qui fait le lien avec le magmatisme. La présence d'eau abaisse fortement ce solidus, si bien que l'anatexie peut débuter vers 650 à 700 degrés en conditions hydratées.

Une migmatite est une roche métamorphique issue d'une anatexie partielle. Elle présente une alternance à l'échelle centimétrique de lits clairs, quartzo-feldspathiques, qui correspondent au liquide cristallisé, et de lits sombres riches en biotite et parfois en grenat, qui correspondent au résidu réfractaire. Les lits clairs présentent souvent des formes plissotées ou en poches, témoignant du caractère mobile du liquide. La migmatite est donc littéralement la transition entre roche métamorphique et roche magmatique, et son existence explique la production de granites d'anatexie dans les racines des chaînes de montagnes.

Le métamorphisme hydrothermal de la lithosphère océanique

La lithosphère océanique formée à l'axe des dorsales est chaude et fracturée. L'eau de mer y pénètre, se réchauffe, et circule en convection. Elle réagit avec les roches basiques et provoque un métamorphisme de faible degré qui les amène dans le faciès schistes verts. Les pyroxènes et les plagioclases calciques sont remplacés par de la chlorite, de l'actinote, de l'albite et de l'épidote. La roche est donc hydratée, et cette hydratation est capitale : c'est l'eau ainsi stockée dans les minéraux qui sera libérée bien plus tard lors de la subduction et déclenchera la fusion partielle du manteau.

Cette interaction réalise aussi un tri géochimique. Les échanges portent notamment sur le sodium et le magnésium. L'eau de mer cède du magnésium à la roche et lui prend du calcium, et des échanges de sodium accompagnent l'albitisation des plagioclases. La composition de l'eau de mer est ainsi régulée sur le long terme par ce passage à travers la croûte océanique. Les processus à l'origine des fumeurs noirs et des sulfures métalliques associés sont hors programme.

Exemples et ordres de grandeur

Pour convertir une pression en profondeur, on retient qu'un dixième de gigapascal correspond à environ 3,5 kilomètres dans la croûte. Une éclogite formée à 1,5 gigapascal a donc été enfouie à plus de 50 kilomètres, une roche du faciès schistes bleus à 0,8 gigapascal à environ 28 kilomètres.

Le point triple des silicates d'alumine se situe aux alentours de 500 degrés et de 0,4 gigapascal, soit une quinzaine de kilomètres. Le solidus hydraté d'une croûte continentale se situe vers 650 à 700 degrés.

Les schémas à savoir refaire sont d'abord le plan pression-température avec les cinq faciès placés en champs, la profondeur en second axe, et les trois gradients typiques tracés en droites depuis l'origine. Ensuite, le diagramme des trois polymorphes du silicate d'alumine avec son point triple. Enfin, un schéma de lame mince de métagabbro montrant une auréole d'amphibole autour d'un cœur de pyroxène, qui illustre à lui seul la réaction incomplète et la métastabilité.

Méthodes et savoir-faire

Analyser et exploiter les représentations cartographiques du métamorphisme, en repérant les figurés propres aux terrains métamorphiques et les isogrades.

Exploiter des données de lames minces, les minéraux étant légendés, pour reconnaître une paragenèse, repérer les relations d'inclusion et identifier les couronnes réactionnelles.

Exploiter des données reliant déformation et recristallisation, en utilisant l'orientation des minéraux par rapport à la schistosité pour dater relativement leur croissance.

Identifier à l'œil nu les roches métamorphiques exigibles, en s'appuyant sur la texture, la présence ou non d'une schistosité ou d'une foliation, la couleur et les minéraux visibles.

Situer approximativement les limites des cinq faciès dans le plan pression-température.

Discuter la pertinence du choix d'un géobaromètre ou d'un géothermomètre, à partir de l'orientation de la courbe d'équilibre.

Exploiter des données de thermométrie et de barométrie chimiques, en reliant une composition mesurée à une condition de formation.

Utiliser une grille pétrogénétique fournie pour encadrer les conditions subies par une roche.

Interpréter des documents montrant l'association métamorphisme et anatexie crustale, en particulier une migmatite.

Exploiter des documents montrant les échanges chimiques entre lithosphère océanique et eau de mer.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

Le plan pression-température avec les cinq faciès et l'axe des profondeurs. C'est le schéma central du chapitre, il doit être tracé de mémoire avec des ordres de grandeur cohérents.

L'argument de métastabilité, énoncé proprement : la roche observée en surface n'est pas à l'équilibre, elle est préservée par une cinétique trop lente, et la rétromorphose incomplète en est la trace.

La suite des paragenèses d'un protolithe basique le long d'un enfouissement, du métagabbro à chlorite et actinote jusqu'à l'éclogite, avec les minéraux de chaque étape.

La suite des roches issues d'un protolithe pélitique, du schiste au gneiss puis à la migmatite, avec les minéraux index.

Le diagramme des trois silicates d'alumine et l'explication de son intérêt, une composition unique donc une dépendance aux seules conditions.

Le critère qui distingue un bon thermomètre d'un bon baromètre, avec le raisonnement sur la pente de la courbe.

La description d'une migmatite, avec l'interprétation des lits clairs et des lits sombres.

Le mécanisme de l'hydrothermalisme océanique, l'acquisition du faciès schistes verts, le stockage d'eau et sa conséquence dans la subduction.

Deux pièges. Ne pas confondre faciès et paragenèse : le faciès est un domaine de conditions, la paragenèse est un assemblage qui dépend aussi du protolithe. Ne pas interpréter l'absence d'un minéral comme une preuve directe, elle peut résulter d'une chimie de protolithe inadaptée ou d'une réaction bloquée cinétiquement.

Notions et mécanismes clés

• Protolithe : roche avant métamorphisme. Il fixe les éléments disponibles, donc la liste des minéraux possibles.
• Isochimie : en première approximation, la composition en éléments majeurs peu mobiles est conservée. L'eau et le dioxyde de carbone entrent ou sortent. Exception au programme : le métamorphisme hydrothermal océanique échange aussi du magnésium, du calcium et du sodium avec l'eau de mer.
• Paragenèse : minéraux qui ont cristallisé ensemble et sont en contact sans figure de réaction entre eux.
• Faciès : domaine du plan pression-température. Il ne dépend pas de la roche.
• Réaction univariante : équilibre qui se traduit par une courbe dans le plan pression-température. Quand on change de côté de la courbe, on change d'assemblage.
• Réaction de déshydratation : un minéral hydraté donne un minéral anhydre plus de l'eau quand la température monte. Sa courbe est en général raide.
• Grille pétrogénétique : ensemble de courbes univariantes tracées sur un même diagramme. On l'utilise pour encadrer des conditions.
• Minéral index : minéral à champ de stabilité étroit. Son apparition ou sa disparition signe une condition.
• Polymorphes : minéraux de même formule et de structures différentes. Exemples : andalousite, disthène et sillimanite, ou calcite et aragonite, ou quartz et coésite.
• Isograde : ligne cartographique d'apparition d'un minéral index. Elle représente une surface de conditions équivalentes.
• Métastabilité : un assemblage persiste hors de son domaine de stabilité parce que la réaction est trop lente.
• Rétromorphose : transformation lors de l'exhumation. Elle est souvent partielle, faute d'eau et de chaleur.
• Couronne réactionnelle : auréole d'un minéral néoformé autour d'un minéral ancien. Le cœur est plus ancien que la bordure.
• Porphyroblaste : grand cristal métamorphique, souvent un grenat, qui a englobé des inclusions en croissant.
• Coefficient de partage : rapport des teneurs d'un élément entre deux minéraux en équilibre. Il varie avec la température ou la pression.
• Zonation : variation de composition du cœur à la bordure d'un cristal. Elle enregistre plusieurs instants.
• Solidus : température de début de fusion d'une roche. La présence d'eau l'abaisse.
• Tri géochimique hydrothermal : la croûte océanique gagne de l'eau, du magnésium et du sodium. Elle perd du calcium au profit de l'eau de mer.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi la pression fabrique des minéraux denses. Augmenter la pression déplace l'équilibre vers l'assemblage de plus petit volume, par le principe de modération vu en chimie. Les minéraux de haute pression sont donc plus denses : le disthène par rapport à l'andalousite, la jadéite plus le quartz par rapport à l'albite, le grenat par rapport au plagioclase. Le plagioclase, peu dense, disparaît dès le faciès éclogite.

Pourquoi la pente d'une courbe dit thermomètre ou baromètre. La pente d'une courbe d'équilibre vaut le rapport de la variation d'entropie à la variation de volume de la réaction. C'est la relation de Clapeyron, vue en physique-chimie pour les changements d'état. Elle s'utilise ici qualitativement. Une réaction d'échange fer-magnésium ne change presque pas de volume : sa courbe est presque verticale et elle mesure la température. Une réaction à fort changement de volume donne une courbe peu pentue : elle mesure la pression.

Pourquoi le pic métamorphique se conserve. À la montée en température, les réactions de déshydratation libèrent de l'eau qui s'échappe. La roche du pic est donc sèche. Au retour, les réactions inverses exigent de l'eau et se font à plus basse température : ce sont deux raisons de les bloquer. La rétromorphose reste alors localisée aux bordures des cristaux et aux zones fracturées, où l'eau circule.

Du basalte de dorsale à l'éclogite. L'hydrothermalisme hydrate le basalte en faciès schistes verts. Dans la subduction, la roche passe en faciès schistes bleus à glaucophane, puis en faciès éclogite. À chaque étape, elle perd de l'eau et gagne en densité. L'eau libérée hydrate le manteau sus-jacent et abaisse son solidus. L'éclogite, plus dense que le manteau, entretient la traction de la plaque plongeante.

De la migmatite au granite. Dans une croûte épaissie, la température dépasse le solidus hydraté vers 650 à 700 degrés. Un liquide granitique se forme entre les grains, se rassemble en lits clairs, puis peut migrer. La migmatite est le lieu de production. Le granite d'anatexie est le liquide extrait et remonté.

Exemples et références à connaître

1. Le triplet andalousite, disthène, sillimanite. Le point triple se situe vers 500 degrés et 0,4 gigapascal. Les densités sont d'environ 3,15 pour l'andalousite, 3,25 pour la sillimanite et 3,6 pour le disthène, ce qui explique que le disthène soit le polymorphe de haute pression.
2. La réaction albite donne jadéite plus quartz. C'est un géobaromètre classique, franchi vers 1,2 à 1,5 gigapascal selon la température. Elle explique l'omphacite des éclogites.
3. Quartz et coésite. La coésite, silice de très haute pression, apparaît au-delà d'environ 2,5 gigapascals, soit plus de 80 kilomètres. Christian Chopin l'a décrite dans le massif alpin de Dora-Maira en 1984. C'est la preuve qu'une croûte continentale peut descendre très profond et remonter.
4. Le couple grenat-biotite. C'est le géothermomètre d'échange fer-magnésium de référence. Quand la température monte, le grenat s'enrichit en magnésium par rapport à la biotite.
5. Le baromètre grenat, silicate d'alumine, plagioclase, quartz. Trois anorthites donnent un grossulaire, deux disthènes et un quartz. La réaction perd beaucoup de volume, d'où une courbe peu pentue.
6. George Barrow, fin du dix-neuvième siècle, Highlands écossais. Il cartographie les zones successives à chlorite, biotite, grenat, staurotide, disthène et sillimanite. C'est l'origine des isogrades.
7. Pentti Eskola, géologue finlandais, au début du vingtième siècle. Il fonde la notion de faciès. Il observe que des roches de chimies différentes, placées dans les mêmes conditions, adoptent des paragenèses reproductibles.
8. Les Alpes occidentales en travaux pratiques. Les métagabbros à glaucophane du Queyras et les éclogites du Mont Viso illustrent la subduction. L'ophiolite du Chenaillet, peu métamorphisée mais hydrothermalisée, illustre le faciès schistes verts océanique.
9. Ordres de grandeur. Environ 3,5 kilomètres par dixième de gigapascal dans la croûte. Gradient continental moyen de 25 à 30 degrés par kilomètre. Une chlorite contient environ 12 pour cent d'eau en masse, une amphibole environ 2, un grenat ou un pyroxène presque rien.
10. Densités. Gabbro vers 3,0, éclogite vers 3,4 à 3,5, manteau vers 3,3. L'éclogitisation rend la croûte océanique, d'abord plus légère que le manteau, plus lourde que lui.

Techniques

Lire une lame mince légendée

Réflexe en quatre temps. Lister les minéraux. Repérer ceux qui se touchent sans figure de réaction : c'est une paragenèse. Repérer les couronnes et les inclusions : c'est une chronologie. Le cœur est plus ancien que la bordure, l'inclus plus ancien que l'englobant. Attribuer enfin un faciès à chaque paragenèse.

Mini-exemple. Un cœur de clinopyroxène est entouré de hornblende brune, elle-même bordée de chlorite. On lit trois temps. Le pyroxène est magmatique. La hornblende relève du faciès amphibolite. La chlorite relève du faciès schistes verts. La roche s'est refroidie, et chaque réaction est restée incomplète.

Utiliser une grille pétrogénétique fournie

Chaque minéral présent place la roche d'un côté d'une courbe. Chaque minéral absent mais chimiquement possible donne une contrainte plus prudente. On hachure l'intersection des demi-plans.

Mini-exemple. Une roche alumineuse contient de l'andalousite et de la cordiérite, sans disthène ni sillimanite. L'andalousite impose une pression inférieure à environ 0,4 gigapascal et une température inférieure à la courbe andalousite-sillimanite. On conclut à un métamorphisme de basse pression, compatible avec une auréole de contact.

Identifier une roche à l'œil nu

Clé en trois questions. La roche est-elle litée ? Est-elle effervescente à l'acide ? Quels minéraux sont visibles ?

• Sans litage et effervescente : marbre.
• Débit en feuillets brillants de micas : micaschiste.
• Lits clairs et sombres réguliers : gneiss.
• Lits clairs irréguliers, plissotés, en poches : migmatite.
• Roche sombre à amphibole noire et plagioclase blanc : amphibolite.
• Grenat rouge dans une pâte vert pomme : éclogite.
• Texture grenue de gabbro avec minéraux verts ou bleutés : métagabbro.

Choisir entre thermomètre et baromètre

Regarder la courbe, pas le nom de la réaction. Une courbe proche de la verticale mesure la température. Une courbe proche de l'horizontale mesure la pression. Une courbe oblique ne donne qu'une relation entre les deux, qu'il faut croiser avec un second outil.

Mini-exemple. La courbe andalousite-sillimanite est raide : c'est un thermomètre à basse pression. La courbe andalousite-disthène est peu pentue : c'est un baromètre.

Convertir et placer

Diviser la pression en gigapascals par 0,1, puis multiplier par 3,5 pour obtenir des kilomètres. Rapporter la température à la profondeur pour obtenir un gradient apparent.

Exemple : 0,8 gigapascal et 450 degrés donnent 28 kilomètres, donc environ 16 degrés par kilomètre. C'est un gradient froid de subduction. Le gradient se discute au chapitre suivant : ici, on se contente de placer le point.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes