Roche métamorphique du facies schiste vert, folié © Samuele Papeschi, imaggeo.egu.eu
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Métamorphisme : qu'est-ce que c'est ?

DéfinitionClassé sous :Planète , Géologie , géochimie

Le métamorphisme est un processus essentiel en géologie. Il représente l'ensemble des transformations que subie une roche lorsqu'elle est soumise à une augmentation de pression et/ou de température.

Les roches que nous observons nous paraissent solides et durables. En réalité, elles ne sont stables que dans des domaines bien définis de pression et de température (P-T). Si ces conditions évoluent, les roches et les minéraux se transforment suivant un processus que l'on nomme métamorphisme. Cette transformation est très différente de la fusion, qui représente un changement d'état. Dans le cas du métamorphisme, les modifications se font à l'état solide, au sein même des minéraux et de la structure de la roche. Il s'agit principalement de recristallisations minéralogiques.

Les ingrédients du métamorphisme

Il existe différents types de métamorphismes. Chacun est associé à des variations de température, de pression, et/ou à un apport d'éléments chimiques. De manière général, quel que soit le contexte, s'il y une augmentation suffisante de la pression et de la température, le processus métamorphique entre en action. Ainsi, lorsqu'une importante quantité de sédiments s’accumule dans un bassin, les couches à la base vont subir une augmentation de la pression et de la température en lien avec l'enfouissement. Il s'agit du processus de diagenèse, qui est un processus métamorphique de basse température. Les sédiments vont ainsi se transformer en roche sédimentaires.

Cependant, la majorité des roches métamorphiques observables sont produite en lien avec des événements tectoniques affectant de vastes régions : empilement d'unités crustal en contexte orogénique (formation d’une chaîne de montagnes), subduction d'une plaque océanique, collision entre lithosphères continentales. Les roches qui se retrouvent piégées par ces mouvements tectoniques vont subir des augmentations de pression et de température énormes, induisant des recristallisations qui vont alors se faire sous contraintes orientées, imprimant dans la roche métamorphisée des déformations de type foliation, schistosité ou linéation.

Gneiss ayant enregistré un épisode de déformation lors du processus métamorphique © Huhulenik, Wikimedia Commons, CC by 3.0

Cependant, le processus métamorphique peut également avoir lieu sans qu'il y ait déformation tectonique ou enfouissement. C'est le cas du métamorphisme de contact, qui se produit lorsqu'une roche encaissante est réchauffée par l'arrivée d'une intrusion magmatique à proximité. L'arrivée de magma provoque une hausse de la température (mais pas de la pression), ce qui va « recuire » sans les faire fondre les roches environnantes. Autour de l'intrusion magmatique se crée donc une auréole de métamorphisme au sein de laquelle on observe une zonation des transformations, qui sont dans ce cas principalement des réarrangements minéralogiques. On parle de métamorphisme de contact.

Illustration du métamorphisme de contact © Salsero35, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Dans un contexte encore différent, on peut observer un processus métamorphique au niveau de la croûte océanique, en réponse à une intense activité hydrothermale. En effet, la croûte océanique, mise en place à l'axe de la dorsale, va se fracturer et laisser pénétrer l'eau de mer. En circulant en profondeur au sein de la croûte, cette eau va se réchauffer et modifier sa composition chimique pour devenir ce que l'on appelle un fluide hydrothermal. Au contact de ce fluide, les roches vont subir des transformations, en particulier par apport d'éléments chimiques. Les gabbros peuvent ainsi se transformer en amphibolites puis en schistes verts, alors que les péridotites du manteau vont se transformer en serpentinite. On parle de métamorphisme hydrothermal.

Enfin, un dernier type de métamorphisme s'observe lorsqu'il y a un impact météoritique. La chute d'une météorite à la surface de la Terre provoque un choc et une élévation brutale et phénoménale de la pression et de la température, ce qui transforme les minéraux d'une manière très caractéristique. On parle alors de métamorphisme d'impact.

De manière général, le domaine du métamorphisme s'étend sur des températures allant de 50°/100°C à 650/700°C.

La déformation lors du métamorphisme se voit également au niveau microscopique, comme ici sur cette vue au microscope d’un schiste à charoite © Bernardo Cesare, imaggeo.egu.eu

Les réactions métamorphiques

Lorsqu'une roche entre dans des conditions de pression et température qui s'écartent trop de leurs conditions de formation, les minéraux instables dans ces conditions P-T vont être remplacé par des minéraux stables caractéristiques de ces nouvelles conditions. Le nouveau minéral peut ainsi avoir la même composition chimique mais une structure cristalline très différente. C'est le cas par exemple de l'andalousite, du disthène et de la sillimanite, qui ont tous les 3 la même formule (Al2SiO5) mais qui sont stables dans des conditions P-T différentes. Mais il peut y avoir également des réactions entre plusieurs minéraux. Les champs de stabilité en pression et température des différents minéraux sont représentés dans des diagrammes pétrogénétiques.

Diagramme Pression-Température indiquant les différents types de métamorphismes et des domaines de stabilités de certains minéraux repères comme la chlorite, le plagioclase, la biotite, le grenat… © Salsero35, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

L'étude des roches métamorphiques renseigne sur le chemin parcouru par la roche d'origine. On parle alors de trajets P-T-t (Pression-Température-temps). En fonction de sa composition minéralogique, il est possible de savoir si la roche a subi une augmentation importante et rapide de la pression mais une faible augmentation de la température, ou l'inverse, et si son retour à la surface à été plutôt rapide (baisse de la pression et maintient d'une température haute) ou lent (diminution lente de la température et de la pression). Ces trajets P-T-t sont très utiles pour reconstruire l'histoire tectonique d'une région.

Quelques exemples de séquences métamorphiques

Tous les types de roches peuvent subir un métamorphisme. Ainsi, les schistes sont le résultat du métamorphisme d'une roche argileuse. Le marbre est le résultat de la transformation d'un calcaire. Le gneiss est une roche métamorphique issue de la transformation d'une roche riche en quartz, en mica et en feldspaths, comme les granites.

Schistes rouges © Arlette1, Wikimedia Commons, CC by-sa 3.0
Carrière de marbre en Italie (Carrare) © Reiner Flassig, Wikimedia Commons, domaine public
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