Le métamorphisme est-il isochimique ?

Nous considérons, en première approximation, que le métamorphisme est isochimique, c'est à dire qu'il ne s'accompagne pas de modifications de la composition chimique des roches. De telles approximations sont communes dans les sciences dites naturelles ! Ce n'est que dans le cas de modifications chimiques "flagrantes" que l'on parle de métasomatose ou métasomatisme.

On précise cependant que le métamorphisme est isochimique à l'exception des fluides. En effet, une définition du métamorphisme indique que celui-ci est un processus de déshydratation (ou plus généralement de dévolatilisation). Mais dans ce cas, l'eau qui circule au cours de cette déshydratation n'est, sans aucun doute, pas pure, mais dissout de nombreux éléments !

Le quartz d'exsudation

Les "Schistes des Cévennes"constituent une importante formation dans le Sud-Est du Massif Central.


        Ceux-ci sont faiblement métamorphisés dans les conditions du début du faciès Schistes Verts et montrent des lentilles de quartz d'exsudation. Ces lentilles sont globalement disposées dans le plan de schistosité, comme on le voit bien en s'approchant un peu plus de l'affleurement :

Mais elles sont parfois plissées ou bien obliques à la schistosité et la stratification, comme sur la photo ci-dessous. Ceci témoigne d'une formation de ces lentilles de façon continue au cours de la déformation.

Voir le dessin ?

        Déplacez la souris sur la photo pour voir le schéma interprétatif. Sur ce dessin, la stratification - plissée - est représentée en noir ; elle est formée d'une alternance gréso-pélitique dont la couleur varie dans les gris. Le quartz d'exsudation est représenté en jaune souligné de rouge. Le trait tirets verts matérialise le pli de la grosse lentille de quartz. On remarque que cette lentille et la stratification sont toutes les 2 plissées, mais sécantes entre elles. Ceci suggère que ce quartz s'est formé lorsque la stratification commençaità être déformée. Les petits niveaux de quartz, concordants avec la schistosité (qui est horizontale et plan axial du pli) se sont formés ultérieurement. Ceci démontre le développement en continu de ce quartz dans le plan de schistosité, au cours de la déformation.

Ce quartz est lié à la déformation et au métamorphisme. Dans les conditions du faciès Schistes Verts, l'eau libérée par les métapélites est abondante. Elle remonte depuis la profondeur vers la surface. En profondeur, cette eau a dissout certains éléments comme la silice. En effet, la solubilité des éléments dans l'eau augmente avec la température et la pression (cad la profondeur).

Solubilité de la silice en fonction de la température et la pression. (attention : les échelles sont logarithmiques) La solubilité dépend peu de la pression jusqu'à une température de 400°C.

En conséquence, la solubilité des éléments diminue lorsque cette eau remonte vers la surface. Sur la figure ci-dessus, la flèche rouge montre la teneur en silice dans l'eau libérée par une roche à 6kb - 600°C et qui remonterait à 2kb - 300°C. La concentration varie de 15g/kg-solution à 1 g/kg. : au cours de ce refroidissement - exhumation, l'eau, saturée en silice, précipite du quartz. C'est ainsi que se forment ces lentilles de quartz ; leur important volume dans ces schistes des Cévennes témoigne de transferts significatifs de matière.

Si le métamorphisme peut être considéré comme étant isochimique, il ne faut pas oublier qu'il s'agit d'une approximation...

Mais d'où vient la silice ? Litage tectonique (ou métamorphique) et transposition

Sur cet échantillon de schiste non métamorphique, on repère (la trace d')un litage sédimentaire (segment rouge) qui plonge vers la droite. Ce litage est marqué par de fins niveaux millimétriques clairs, car riche en quartz dans un matrice sombre riche en minéraux argileux. La roche est traversée par une schistosité pénétrative horizontale (segment jaune). Il apparait que celle-ci matérialise un litage, c'est à dire délimite des niveaux de lithologies différentes...


Cet échantillon mesure 4.5 cm de long. Le segment rouge est parallèle à la trace de la stratification et le segment jaune est parallèle à la trace de la schistosité. Le rectangle bleu localise la photo au microscope ci-dessous.

Observons au microscope ce qui se passe dans le rectangle bleu. La photo ci-dessous est prise à l'intersection du litage sédimentaire et du litage tectonique matérialisé par la schistosité. La stratification (en rouge) est localement plissotée (on dit "crénulée"). On remarque que le litage tectonique est marqué par une proportion de minéraux clairs (quartz)/minéraux sombres (argiles) élevée dans la zone où la stratification est crénulée.


Le grand côté de la photo mesure environ 0.5 cm; LPNA.

La déformation à l'origine du microplissement est aussi à l'origine de la schistosité-litage par dissolution différentielle du quartz (entre autres?), préférentiellement sur les flancs des plis, c'est-à-dire là où l'angle entre la stratification et la schistosité est le plus faible. Le processus apporte des modifications chimiques dans la roche ; les éléments dissous précipitent à proximité ou beaucoup plus loin où ils alimentent les quartz d'exsudation.

Ce processus a deux conséquences majeures : il est en train de se fabriquer dans la roche un nouveau litage qui, petit à petit, deviendra important tandis que le litage sédimentaire tend à disparaitre. On assiste à une transposition de surfaces. L'orientation de ce nouveau litage est totalement indépendante de celle du litage sédimentaire !

On conçoit sans difficulté qu'un tel mécanisme peut apporter de significatives modifications chimiques des roches. Il ne fait pas de doute que la silice n'est pas le seul élément mobile. A titre d'exemple, voici un calcul proposé par Etheridge et al. (1983) sur les modifications à l'échelle microscopique :

Le litage tectonique (ou métamorphique) ne doit pas être assimilé à un paléo-stratification !

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