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Refroidissement de la roche et métamorphisme

Dossier - Géologie : voyage dans le temps
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Pour connaître l'histoire de notre planète, le géologue doit savoir voyager dans le temps avec précision. La nature nous offre cette possibilité grâce aux chronomètres naturels, qui sont le résultat de la désintégration du noyau de certains atomes instables dans les roches.

  
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Que date-t-on exactement lorsque l'on calcule l'âge d'une roche ? La question peut surprendre mais elle est pleinement justifiée. En effet, voici un constat surprenant : différentes datations d'une même roche par des méthodes différentes, et sur des minéraux variés, peuvent donner des âges différents. En effet, cela peut correspondre à l'âge du refroidissement de la roche ou bien à celui du métamorphisme.

Si différentes datations peuvent donner des âges différents, cela ne veut pas dire que certaines méthodes ne marchent pas. Il n'y a rien de plus normal si cette roche est, par exemple, un énorme corps granitique qui s'est refroidi lentement en profondeur.

En effet, au cours du refroidissement de cette roche, le chronomètre naturel ne va commencer à fonctionner qu'à partir d'une certaine température au cours du refroidissement.

Que date-t-on lorsque l'on calcule l'âge d'une roche : l'âge de son refroidissement ou bien celui de son métamorphisme ? © Deavmi, CC by-nc 3.0

Refroidissement de la roche et cristallisation

Pour bien comprendre, aidons-nous des deux diagrammes ci-dessous. Celui du bas indique, dans sa partie gauche, le refroidissement de la roche au cours du temps. Pendant ce refroidissement, la roche se solidifie lentement, c'est-à-dire que les divers minéraux qui vont constituer cette roche cristallisent les uns après les autres.

Le diagramme du haut indique le comportement de l'isotope fils au fil du temps ; le diagramme du bas donne un aperçu de l'histoire thermique de la roche(refroidissement, crise thermique). © DR

Ce qu'il faut retenir, c'est qu'un minéral qui vient de cristalliser ne voit pas pour autant son chronomètre interne fonctionner. Pourquoi ? Tout simplement parce qu'une fois formé, l'élément fils du couple chronométrique ne reste pas dans le minéral.

En effet, la température est encore trop élevée : on dit que le système isotopique est « ouvert ». Celui-ci ne se ferme qu'à plus basse température, lorsque sa température de fermeture (indiquée sur le diagramme de l'histoire thermique) est atteinte.

C'est à ce moment-là, et pas avant, comme le montre le diagramme du haut, que s'accumule l'isotope fils dans le minéral.

Métamorphisme et roche métamorphisée

Cette notion essentielle en datation a une conséquence importante dans le cas où, par exemple, une roche est enfouie très profondément, comme c'est le cas lors de la formation des chaînes de montagne, par exemple les Alpes ou l'Himalaya. On dit que cette roche est métamorphisée. Pendant cette descente aux enfers, la température augmente.

Quelle est la conséquence pour le chronomètre ? Autrement dit, quel âge mesurera-t-on sur cette roche métamorphisée, lorsque plusieurs millions d'années plus tard, les géochronologistes vont vouloir la dater ? Mesureront-ils l'âge du métamorphisme ?

Âge du refroidissement de la roche ou âge du métamorphisme ?

Pour répondre, revenons à nos diagrammes qui montrent que trois cas de figure sont possibles pour un minéral et un couple chronométrique donnés :

Cas 1 : la température atteinte par la roche est inférieure à la température de fermeture (ou d'ouverture, c'est la même chose, mais dans l'autre sens) pour ce minéral. Rien ne se passe, le chronomètre continue à fonctionner comme si de rien n'était. L'âge mesuré sera celui de la formation initiale de la roche : aucune trace du métamorphisme pour ce minéral.

Cas 3 : plus simple que le cas 2, le cas 3 correspond à une situation où la température atteinte par notre minéral est bien au-dessus de la température de fermeture-ouverture du minéral. Le diagramme du haut de l'image montre que pendant cette « crise thermique », la totalité de l'isotope fils accumulé jusque-là s'échappe du minéral par diffusion. À la fin de l'évènement, le minéral « se referme » et le chronomètre reprend son comptage du temps. L'âge mesuré par le géochronologiste sera ici celui de l'évènement métamorphique, et toute trace de l'âge initial aura disparu !

Cas 2 : la température de la crise est intermédiaire, juste suffisante pour permettre une perte partielle de l'isotope fils. C'est le cas le plus problématique, car l'âge mesuré sera intermédiaire entre l'âge de refroidissement initial et l'âge du métamorphisme, c'est-à-dire que l'âge ne voudra rien dire. Comment s'en sortir dans ce cas ? Tout simplement d'une part en datant des minéraux différents d'une même roche, aux températures de fermeture-ouverture différentes, qui répondront donc de manière différente à la crise thermique, et d'autre part en utilisant des méthodes de datation différentes.