Activités en matière de recherche

"Aujourd'hui, on est trop spécialiste, on s'enfonce trop,
le microscope en main, sur une portion de tout.
Vous avez fait une oeuvre puissante, pleine d'imagination,
de logique et très morale. Il vous reste à en faire une autre
qui embrasse plus d'objets et ouvre plus d'horizons."

Hippolyte Taine, 1868


Le Manteau au Kerguelen - De La Micropétrologie à la NanoPétrologie - Madagascar et le Changement d'Echelle : le Sud et le Nord - Trajet PTt «Pétrographique» versus Trajet Thermique - La Géochronologie Ponctuelle- Les granulites d'UHT du craton de San Francisco, Etat de Bahia - Expérimentation à THT- De la difficulté de tracer un trajet PTt - Le métamorphisme océanique de l'ophiolite d'Oman - Les métamorphismes successifs de la croute océanique.- Un paléo-front de serpentinisation - Metarep, pour visualiser en 3D les tétraèdres ACF-S, etc. - Monazite et zircon, des géochronomètres complémentaires - Amphiboles et transfert de fluides- Dater un événement métamorphique.

Un enseignant chercheur est un spécialiste d'une partie de sa discipline. Rares sont, en effet, les humanistes capables de réaliser des travaux " pointus " sur différentes spécialités d'une discipline. Il est cependant nécessaire de savoir replacer son travail de spécialiste dans un contexte plus général. Quoi de plus dangereux qu'un travail de modélisateur ou d'expérimentaliste (ou autres !) déconnecté de la réalité géologique ! Et avec le temps, lorsque sa carrière avance, il y a le risque pour ce spécialiste de travailler de plus en plus sur de moins en moins !

C'est pourquoi j'ai toujours privilégié une approche pluridisciplinaire, à la fois théorique, expérimentale et naturaliste en m'associant pour cela aux différents collègues appropriés. C'est ce point de vue que je défends auprès des étudiants au cours de stage de terrain comme celui de Corse ou celui des Ophiolites alpines pour les chercheurs débutants en DEA, ou bien les étudiants en Thèse. Bien sûr, la Recherche avance grâce à des travaux très spécialisés et les thésards et les jeunes chercheurs sont les moteurs de cette dynamique. Mais je maintiens qu'il faut leur donner les moyens de replacer leur travail de pointe dans un contexte global sous peine d'en faire des pions de la Science, des " PoilsDeCutistes " que l'on exploite.

Mais que l'on ne se méprenne pas ! Si je me considère Géologue, je ne prétends pas tout connaître à la Géologie. Je ne connais pas grand chose en Sédimentologie, Paléontologie, Géophysique, etc. Je suis avant tout un Spécialiste. Un Spécialiste en Pétrologie des Roches Métamorphiques, avec une connaissance correcte de Géologie Structurale afin de pouvoir replacer dans l'espace géologique ces roches que j'étudie. Je suis capable de discuter avec mes collègues " Magmatologues ", …Tout cela paraîtra peut-être évident à certains. Et pourtant…

Pourquoi les Roches Métamorphiques ? L'évolution du globe terrestre est déterminée par son histoire thermique. Aussi, la connaissance de l'évolution thermique du globe, dans le temps et dans l'espace, est fondamentale. L'étude des roches métamorphiques est une des voies pour tenter de caractériser cette évolution.

Les enclaves du Manteau : Les associations minéralogiques des enclaves arrachées par les laves volcaniques sont des témoins précieux de l'évolution thermique de formations normalement inaccessibles : le manteau. M.Grégoire (de St Etienne) a étudié durant sa thèse un gisement exceptionnel, puisqu'il s'agit d'enclaves de la lithosphère océanique des Kerguelen. L'étude pétrologique et théorique que nous avons réalisé sur des granulites à saphirine montre que la croûte océanique peut s'épaissir par le bas, par stockage magmatique basi-crustal : a-t-on mis là le doigt sur un stade précoce de la genèse de la croûte continentale ? (Voir les travaux de Gregoire et al., 1994 et 1995)

Cependant, l'interprétation des roches métamorphiques en tant que témoins, "fossiles" thermiques, n'est pas simple : on sait que les "gradients métamorphiques" déduits de l'étude de telles roches ne coïncident pas directement avec les "géothermes" et qu'il est nécessaire de tracer l'évolution P-T au cours du temps. Ce sont les trajets P-T-t. Malheureusement, les roches ne conservent que des " flashs " de cette évolution continue. Une étude pétrographique soigneuse est indispensable pour interpréter ces flashs. Il ne nous faut pas hésiter pour cela à utiliser les outils modernes qui nous permettent de travailler à l'échelle nanoscopique. J'ai lancé cette idée il y a maintenant près de 10 ans en interprétant des structures coronitiques à l'échelle du Microscope Electronique à Balayage.                           Haut de la Page

MicroPétrologie et Trajectoires PT(t) … Dans le Haut Allier (Massif Central français), les textures coronitiques décrites dans les métabasites par Lasnier (1977) ont permis de proposer le modèle géodynamique classique de la chaîne hercynienne : collision après fermeture d'un océan. Les photos ci dessous montrent que le MEB peut

Au Microscope Optique (photo de gauche de Lasnier, 1977), les auréoles multiples d'orthopyroxène, hornblende et grenat (Opx, Hbb, G) montrent le remplacement d'une olivine (disparue) au contact du plagioclase (Pl) lors de la rééquilibration de ce métagabbro dans les conditions du faciès amphibolite. Une observation plus fine (photo de droite) met en évidence une étape tardive dans le faciès granulite avec une troisième génération de minéraux produite par la réaction Grenat + Hornblende = Orthopyroxène + Spinelle + Plagioclase + V.

prendre le relais du microscope optique lorsque celui ci a atteint ces limites. Les relations texturales entre minéraux observées à cette échelle permettent d'affiner le trajet PTt et ainsi, d'améliorer les modèles de l'évolution géodynamique de la collision varisque. (Nicollet et Lalhafi, 1993 ; Nicollet et al, 1993)                         Haut de la Page

Par la suite, conscient de la situation privilégié de notre équipe de Pétrologie Expérimentale, avec la proximité d'une microsonde électronique et d'un MEB, je suggérais que l'analyse des produits expérimentaux devaient être observés avec l'outil adéquat, encore plus performant, le MET. La thèse de François Faure en est une belle démonstration.

Du Thermométamorphisme aux Komatiites : Une façon originale d’aborder ces problèmes de la différenciation intracrustale a été, au cours du DEA de F. Faure (1996), d’étudier la fusion partielle dans les xénolithes remontés par les volcans (Faure et al, 1998a). L'étude est abordée à l'aide du microscope électronique à transmission, pour caractériser les mécanismes mis en jeu au cours de la fusion de l'enclave durant son ascension vers la surface : l'évaluation de la vitesse de remontée du magma basaltique a pu être réalisé grâce à une étude astucieuse des réactions de déstabilisation des orthopyroxènes de l'enclave. F. Faure montre, résultat remarquable, que les exsolutions dans les pyroxènes peuvent apparaître par décompression (Faure et al, 2001).

F. Faure a soutenu, en septembre 2001, sa Thèse au cours de laquelle il a étudie, au TEM, les morphologies de croissance rapide - squelettique ou dendritique - d'olivines fabriquées expérimentalement (Faure et al, 1998b) : "Les Textures de Croissance Rapide dans Les Roches Magmatiques Basiques et Ultrabasiques : Etudes Expérimentale et Nanoscopique". Il a montré que les textures à très petites échelles des roches volcaniques peuvent apporter des informations sur l'histoire thermique d'une roche, pourvu que l'on utilise les méthodes actuellement disponibles d'observation à petit échelle (Faure et al, 2000). Ses travaux expérimentaux trouvent une magnifique application, puisqu'ils ont permis d'envisager un nouveau modèle d'évolution des Komatiites en proposant un scénario cohérent à l'origine des spectaculaires textures Spinifex.

Le mûrissement de l’olivine dendritique (réalisée expérimentalement ; photo de droite) explique de manière satisfaisante la texture particulière des cristaux d’olivines de la couche B1 des komatiites (photo de gauche et dessin).                                                                                                            Haut de la Page


Mon principal objet naturel d'investigation est Madagascar où j'ai passé les 7 premières années de ma carrière, après ma thèse de 3ème cycle. Une expérience humaine extraordinaire, même si ce n'est pas les conditions idéales pour un jeune chercheur pour s'épanouir scientifiquement! Si je dois retenir une chose de cette longue expérience malgache, c'est doute l'aspect spectaculaire du changement d'échelle d'observation, en passant de l'échelle nanoscopique à l'échelle satellitale !

A Madagascar : de l'Image Satellitale à la Géochronologie Ponctuelle :

La chaîne Mozambicaine (entre 800 et 500 Ma) qui borde l'Afrique à l'Est, montre les caractéristiques d'une chaîne moderne, avec, en particulier des ophiolites dans sa partie Nord. Des éclogites de hautes températures sont également connues. Madagascar se situe sur la bordure Est de cette chaîne. Notre travail dans le Sud de l'île montre que cette région n'a conservé que la mémoire de la période ultime de l'orogène, caractérisée par des granulites de hautes températures.

 

Le Sud de Madagascar : La partie méridionale de Madagascar montre une coupe complète de la croûte depuis sa partie Nord où la Série Quartzo-Carbonatée (SQC), peu à pas métamorphique, surmonte une formation atteignant le faciès granulite dans l'extrême Sud. Au cours des 5 dernières années, nous avons réalisé une étude pluridisciplinaire dans cette région [par ex. thèse de Jean Emmanuel Martelat, 1998 et Rakotondrazafy, 1999 ; Martelat et al, 2000). Le champ de déformation finie à été établi sur une région de plus de 100 000 km2 par une analyse tectonique à différentes échelles, incluant l'étude de 20 images SPOT complétée par les investigations de terrain.

On montre que la croûte profonde, quoique amollie, ne se déforme pas de manière homogène. Les géométries observées résultent de la superposition de 2 phases de déformation D1 et D2. Des zones de cisaillement verticales majeures, de 30 km de large et de 300 km de long, et des zones mineures, de 5km de large et 100km de long, sont contemporaines de D2. Une étude des isotopes stables montre que les fluides sont canalisés par ces zones de cisaillement. Deux types d'infiltration de fluides sont identifiés : une à H2O dominant, dans les zones de cisaillement mineures ; une deuxième à CO2 dominant dans les zones de cisaillement majeures, démontrant que ces dernières sont enracinées dans le manteau, ce qui est confirmé par la géophysique (anomalies de Bouguer).

Si ces zones de cisaillement s’enracinent dans le manteau, cela signifie que la transition croûte - manteau ne constitue pas une hétérogénéité mécanique qui limiterait le développement de structures verticales. En fait, on montre, dans le Sud de Madagascar, que le contraste rhéologique entre différentes lithologies tend à s'estomper dans la croûte inférieure. Cette même constatation peut être faite à l'échelle de la lame mince : là encore le contraste rhéologique entre espèces minérales s’estompe. En conséquence, dans la croûte profonde, les zones de cisaillement ne montrent pas des textures "caractéristiques" des mylonites de la croûte superficielles, mais, au contraire, des textures granoblastiques, lesquelles ne sont pas des "textures de recuit post-tectoniques" (Martelat et al, 1999) !

Ces zones de cisaillement majeures délimitent des domaines où la foliation horizontale D1 forme des structures en dômes et bassins de plus en plus accentuées de l'est vers l'ouest, indiquant ainsi un fort gradient de déformation dans cette direction au cours de D2.
 

 
 

A l'approche des zones de cisaillement majeures, le litage tectonique horizontal D1, matérialisé par des granites stratoïdes, est affecté de plis cylindriques de grande amplitude. (Cette image satellitale, réalisé par le satellite SPOT, mesure 10 km de large).
 
 

Plus au Nord, dans la formation plus superficielle du SQC, cette géométrie est relayée par une tectonique en chevauchements et failles inverses.

Le schéma structural, réalisé par JE Martelat au cours de sa Thèse,du Sud de Madagascar montre des zones de cisaillement ductiles séparant des blocs avec des structures fermées. Les conditions P et T estimées à l'intérieur des blocs prouvent que ceux-ci sont exhumés différentiellement le long des cisaillements (en rose : granites). (ligne grisée : pourtour du Sud de Madagascar).

Des datations utilisant l'analyse ponctuelle de U-Th-Pb à la microsonde, méthode mise au point par Montel (1996, voir ci-dessous), indiquent, comme les méthodes conventionnelles, un âge Panafricain tardif dans l'extrême Sud. Les âges dans les zones de cisaillement sont systématiquement plus jeunes que dans les blocs, suggérant une localisation de la déformation en fin d'orogène (Nicollet et al, 1997).

Lors de la convergence du craton tanzanien et du craton de Dharwar, la croûte profonde malgache, amollie par les hautes températures, se déforme tardivement et toutes traces d'événements thermo-mécaniques antérieurs sont perdues. Au contraire, dans les zones plus superficielles du SQC, les épisodes plus précoces de la collision sont préservés.

Plus au Nord, la formation d'Andriamena a attiré mon attention …

  La formation d’Andriamena (N de Madagascar) :                                                    Haut de la Page

La région d'Andriamena est un site géologique d'intérêt économique pour Madagascar, avec un gisement important de chromite dans un complexe basique granulitique daté à 800 Ma (Guérrot et al, 1991). Je me suis intéressé cette formation, car les roches de cette région conservent la mémoire d'une évolution polycyclique (S. Foret, 1994, Nicollet et al, 1996). En effet, des analyses des monazites des roches, (couplées aux méthodes conventionnelles de datation) de ce secteur montrent que celles ci ont enregistré différents épisodes magmatiques et métamorphiques entre 2.5 Ga et 500 Ma. Une telle mémoire chronologique devrait nous apporter des informations pour la compréhension de l'histoire précoce de la chaîne.

Différents points importants sont abordés par Philippe Goncalves qui a effectué sa thèse dans cette région (Goncalves, 2002 ; texte complet au format pdf)

Grâce à une analyse d'images satellitalles très soigneuse, une mission, en août 99, a été très fructueuse. Malgré une couverture latéritique importante, un schéma structural cohérent a été produit, grâce à une analyse d'images satellitalles très soigneuse. Dans cette région, la tectonique Panafricaine est marquée par un raccourcissement horizontal Est-Ouest contemporain d'un régime de type diapirique. Ceci traduit localement le rôle des forces de volumes et leur interaction avec les forces aux limites dans la croûte inférieure au cours de l'orogenèse Panafricaine. On suggère que l'amollissement de la croûte inférieure, à hautes températures, pourrait favoriser des mécanismes convectifs dans celle-ci.(Goncalves et al., 2000a).

Sur la bordure Est de la Formation d'Andriamena, les dômes résultent d'un raccourcissement horizontal Est-Ouest contemporain d'un régime de type diapirique (20km de côté). C'est grâce à ces images satellitales SPOT qu'est réalisé le Schéma Structural ci-dessous. Celle-ci se situe dans le carré de droite de la figure ci-dessous.

               

Schéma Structural (et Coupe selon le trait) de la Formation d'Andriamena (cadre rouge sur la Carte de Madagascar) obtenu par l'analyse d'images satellitales complétée par l'observation de terrain.(Goncalves et al., 2000b et 2002).

Bloc diagramme en 3D montrant la Géométrie de la Formation d'Andriamena le long de la Coupe

Mais revenons au métamorphisme et aux trajets P-T-t. Je me suis plus spécialement intéressé, ces dernières années, au métamorphisme de très hautes températures (THT) qui permet de s'interroger sur la difficulté à retracer le trajet PTt. Le trajet déduit de l'observation pétrographique est-il significatif du trajet thermique réellement suivi par une roche ?     

Le métamorphisme de THT dans la formation d’Andriamena :                                          Haut de la Page

Les métasédiments sont affectés par un métamorphisme granulitique de très hautes T (900 - 1000°C) rééquilibré dans le faciès granulite de moyennes pressions, en conditions hydratées : 700°C, 0.6 GPa (Nicollet, 1988, Thèse d'Etat, Nicollet, 1990). Les paragenèses diagnostics de ces conditions sont spectaculaires : Saphirine + Q ; Orthopyroxène + Sill ; Spinelle + Q (Nicollet et al., 1991). Elles produisent, au cours de l'évolution rétrograde (passage des conditions des granulites de THT à celles de MP), des assemblages réactionnels complexes. Après une étude régionale à l'échelle de l'image satellitale, c'est à l'échelle du Meb que sont étudiées ces paragenèses :

L’observation en microscopie optique et au MEB d’une Granulite alumineuse de THT montre plusieurs générations de textures réactionnelles avec différentes échelles d'observation.

Ces nombreux assemblages réactionnels permettent de tracer dans le détail le trajet P, T, t suivant (Goncalves et al., 2000b, et 2001) :

Trajet PTt - déduit des observations pétrographiques - des Granulites alumineuses de la Formation d’Andriamena. Un stade de decompression isotherme (2) s'intercalle entre 2 stades de refroidissement isobares (stades 1 et 3)

    Des travaux préliminaires par la méthode ponctuelle U-Th-Pb sur monazite (S. Foret, 1994, Nicollet et al, 1997), complété par Philippe Goncalves (Goncalves et al., 2000b ; Goncalves et al, 2004), dans le cadre de sa thèse(Goncalves, 2002), ont montré que l'évolution des granulites de THT à celles de MP ne s'est pas faite dans un continuum, mais est totalement diachrone.

Ce diachronisme entre les 2 épisodes granulitiques représente le plus bel exemple d'application de la méthode ponctuelle U - Th - Pb.                                          Haut de la Page

La connaissance de l'évolution thermique de la lithosphère nécessite une bonne connaissance du paramètre temps (t). Or celui-ci est difficile à évaluer, en particulier lorsqu'il faut dater les différents stades de l'évolution métamorphique. Les méthodes conventionnelles sont lourdes et coûteuses. C'est pourquoi j'ai apporté ma contribution à la mise au point par JM Montel d'une méthode de datation ponctuelle de la monazite à la microsonde électronique (Montel et al., 1996). Cette méthode est peu coûteuse et rapide puisqu'il s'agit d'analyses élémentaires du Th et Pb sur lame mince sur un minéral relativement commun. De plus, elle présente l'avantage énorme de l'analyse ponctuelle en liaison avec une connaissance parfaite des relations texturales du (ou des) grain(s) analysé(s) avec la paragenèse de la roche.
Image en électrons rétrodiffusés et histogramme des âges d’une Monazite d’une granulite de THT partiellement rétromorphosée. Les inclusions permettent de faire le lien entre cristallisation de la monazite et paragenèse. Sur l’histogramme, les gaussiennes noires correspondent aux âges individuels (points sur la photo) et les bleus à la somme des gaussiennes pour une population définie statistiquement.

P. Goncalves a doublé son étude ponctuelle des monazites à la microsonde, en " position pétrographique ", avec les méthodes conventionnelles. Pour cela, Philippe Goncalves a combiné une analyse isotopique par ID-TIMS sur grains individuels extraits par micro-forage sur lame mince, après caractérisation à la microsonde électronique et au MEB (imagerie, composition chimique et datation U-Th-Pb).(Goncalves et al., 2001 ; Goncalves, 2002 ; Goncalves et al, 2004 ). Voir un exemple ci-dessous.

Les contraintes chronologiques, que l'on a placé le long de ce trajet PTt, remettent en question la validité de ce tracé. En effet, il est exclu que ce trajet se soit réalisé entre 2.5Ga et 770Ma, maintenant, pendant plus de 1.5 Ga, des conditions thermiques extrèmes, largement supérieure à celles du Géotherme Moyen. On en arrive à la conclusion que ce trajet " pétrographique " est (partiellement) fictif et ne coïncide pas avec le trajet thermique réellement suivi par les roches.


Trajet PTt «Pétrographique» versus Trajet Thermique.

Le diagramme ci-dessous est réalisé à partir des cristaux de monazite d'une granulite hydratée. Cette figure illustre bien l'interêt de combiner les différentes méthodes géochronologiques. Sur cette figure, les cristaux de monazite inclus dans les phases primaires anhydres (grenat, quartz) sont proches de l'intercept supérieur. Ceux inclus dans les phases secondaires hydratées (orthoamphibole, cordiérite) sont proches de l'intercept inférieur.

Diagramme concordia 206Pb/238U vs. 207Pb/235 obtenu avec des cristaux de monazites préalablement analysés à la microsonde en position pétrographique et extraits par micro-forage.
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Mais cette figure permet d'aller plus loin. En effet,une analyse soigneuse montre que cette discordia est, en fait, tracée avec quatre âges : 2.7Ga, 2.5Ga, 738Ma et 576Ma. On aurait envie de parler de "multi-cordia" ! L'âge le plus ancien - âge du protolithe des roches de THT ? - n'est caractérisé que par un seul cristal de monazite M'18, mais est confirmé par la datation des zircons. L'âge le plus récent est obtenu sur de minuscules surcroissances sur les cristaux de monazite.

Il ne reste plus qu'à retourner sur la lame mince pour mettre en évidence un nouvelle génération de minéraux liés à cet événement. La figure ci dessous montre une cartographie élémentaire, obtenue à la microsonde électronique, d'un grenat d'une granulite hydratée. Cette image met en évidence le caractère secondaire des surcroissances du grenat pauvres en ytrium.

Cartographie élémentaire et profil de l'Ytrium dans un grenat d'une granulite hydratée. Le coeur du grenat de couleur jaune est riche en Ytrium ; la teneur des surcroissances (bleues) est en dessous des limites de détection.

Le grenat 1, daté à 2.5Ga (grâce à des inclusions de monazites au coeur du cristal) s'est déstabilisé à 790Ma (réaction Gt+Q+V=Cord+Oamph) et recristallise (fonctionnemement inverse de la réaction) à 500Ma (?). Pour confirmer ce lien entre l'âge à 500Ma et la recristallisation du grenat, il faut maintenant chercher de petits cristaux de monazites dans ces surcroissances de grenat : affaire à suivre... Ce travail a fait l'objet du mémoire de Maîtrise (TER) de Loïc Roffet, (2002) sous la direction de Philippe.

Les granulites d'UHT du craton de San Francisco, Etat de Bahia, Brésil

Le contexte géodynamique des granulites de Ultra Hautes températures (> 900°C aux profondeurs crustales) est difficile à caractériser, car ces roches sont généralement préservées en boudins de petites dimensions dans des séries métamorphiques granulitiques moins chaudes. D'autre part, les conditions thermiques extrêmes enregistrées par ces roches sont difficiles à évaluer avec les thermobaromètres conventionnels. Pourtant, les recherches récentes utilisant des méthodes thermobarométriques spécifiques, montrent que ces roches sont relativement abondantes, au moins à l'époque Archéenne. Le craton de San Francisco, au Brésil, montre de vastes régions granulitiques. L'extension géographique importante de ces formations aide à leur interprétation géodynamique. Il est, ainsi suggéré que le métamorphisme d'UHT est lié, au moins dans certains cas, au transfert de chaleur lors de la mise en place de plutons charnockitiques : ce transfert de chaleur serait responsable d'une augmentation locale de la température au-dessus de la température maximale du métamorphisme granulitique régional. (Barbosa et al, 2006 ; Leite et al., 2009)
Le métamorphisme paléoprotérozoïque de UHT semble être un processus commun durant l'assemblage des supercontinents au précambrien. Haut de la Page

Expérimentation à THT :Des expériences menées sur des matériaux naturels à 1000°C et pression variable ont reproduit ces assemblages rares décrits ci-dessus, dans la formation d'Andriamena : Spinelle + Quartz ; Saphirine + Quartz ; Orthopyroxène + Sillimanite dont les domaines de stabilité sont mal connus. En fait, on montre que l'état d'oxydation du système est une variable importante qui favorise selon le cas, l'assemblage : Spinelle + Quartz ou au contraire Saphirine + Quartz.. Les implications sur les processus de la différenciation intracrustale sont évidentes, puisque dans ces conditions, les minéraux sont en équilibre avec un liquide granitique. (DEA de Savoye, 1994 ; Savoye et al, 1994)

Cette association Opx+Sill+Saph+Q+L est produite à 0.8GPa et 1020°C. La barre blanche mesure 100 m.

Les métanorites du Massif Central ou de la difficulté de tracer un trajet PTt :

Nous avons vu ci-dessus, sur l'exemple des granulites de THT d'Andriamena, que des assemblages réactionnels permettaient de tracer une portion de trajet PTt très détaillée, et qui semble pourtant totalement fictive ! Comment peut-on expliquer cela ? Les textures coronitiques relativement simples de deux métanorites du Massif Central, reliques de la croûte océanique antéhercynienne, nous apportent quelques éléments de réponses. Prenons plus précisement, l'exemple de la métanorite d'Arvieu dans le massif du Lévezou (Sud du Massif Central). Entre les minéraux magmatiques orthopyroxène et plagioclase se dévellopent différentes couronnes dont une, tout à fait exceptionnelle, est à hornblende, disthène auquels s'ajoutent parfois grenat et quartz.

Cette texture coronitique est le résultat de la réaction : Opx + Pl +V = Hb + Gt + Ky + Q. On peut tracer une grille pétrogénétique dans le système CaO, FeO, MgO, Al2O3, SiO2, H2O, système chimique approprié pour les compositions des métabasites. (Fig. ci-dessous). L'orientation de la réaction indique que cette couronne se forme logiquement par refroidissement (flèche rouge).


Grille pétrogénétique dans le système CFMASH appropriée aux compositions des métabasites. La flèche rouge est la façon la plus simple pour interpréter la texture coronitique de la photo précédente.

Pourtant, les données chronologiques ne sont pas compatibles avec un tel trajet PTt. En effet, le complexe gabbroïque s'est mis en place il y a 490 Ma, tandis que le métamorphisme à l'origine de la texture coronitique est daté à 410 MA. Il est exclus que la (méta)norite est mis 80 Ma pour se refroidir jusqu'aux conditions du métamortphisme (T~700°C - P~1GPa) !

Il est plus logique d'interpréter l'histoire de cette roche en deux étapes. Dans la première étape, la norite se met en place dans la croûte océanique (à la profondeur modéré de quelques kilomètres). Cette mise en place s'est, sans doute, faite dans des conditions anhydres. Dans cette première étape, la grille précédente n'est pas appropriée. Cette première étape doit être discutée avec une grille en conditions anhydres (CFMAS) :

Dans ce cas, la paragenèse magmatique Opx+Pl est préservée au cours du refroidissement de la norite dans la croûte océanique à 490 Ma.
C'est seulement dans une deuxième étape, au cours du stade précoce de la chaîne hercynienne, que la roche est enfouie, hydratée et métamorphisée. On revient alors à la grille (b) pour interpréter la fin du trajet PTt de la roche (flèche noire). On remarque alors que la texture coronitique à hornblende, disthène, grenat et quartz se forme sans que la réaction Opx + Pl +V = Hb + Gt + Ky + Q ne soit jamais croisée ! (Nicollet et Goncalvès, 2005)

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Le métamorphisme océanique d'une ride rapide : l'ophiolite d'Oman

Le métamorphisme dans l'ophiolite d'Oman est relativement discret, car la déformation, un paramètre important influant la cinétique de la recristallisation métamorphique, est limitée. Cependant, une température élevée avec une vitesse de refroidissement lente (en profondeur) et une hydratation, importante dans la partie supérieure de la croûte jusqu'au sommet du complexe du complexe gabbroïque, mais qui persiste jusqu'au moho sont autant de facteurs favorables à la recristallisation des gabbros. En conséquence, les roches du complexe gabbroïque enregistrent minéralogiquement et chimiquement leur trajet PTt rétrograde en température, lorsqu'elles se refroidissent dans la croûte :


Enregistrement minéralogique et chimique du refroidissement de quelques gabbros du complexe gabbroïque de l'ophiolite d'Oman.
La portion en trait continu du trajet est enregistré minéralogiquement.

Dans les gabbros isotropes et la racine du complexe filonien (les 2 trajets au niveau de la "Root zone"), la circulation hydrothermale est encore importante et l'amphibolitisation des roches est significative. La composition des amphiboles est un bon marqueur thermométrique. Cette amphibolitisation enregistre parfois les fluctuations thermiques de cette zone proche de la lentille magmatique (trajet en Z sur la figure ci-dessus).


L'amphibole verte (hblv1) a cristallisé précocement au cours du refroidissement de ce gabbro. Elle a recristallisé sous la forme d'un agrégat d'amphiboles brunes (hblb2) riches en titane. La couleur verte ou brune indique des teneurs respectivement moyennes ou élevées en titane, dont la concentration dans le minéral est fonction de la température de cristallisation de celui-ci. Dans le cas présent hblb2 a cristallisé à plus HT que hblv1 : elle témoigne d' un "recuit" de la roche.
Le trait blanc mesure 0.5 mm.

Dans la partie inférieure du complexe gabbroïque, les gabbros foliés et lités montrent des structures linéaires et planaires qui contrastent avec la texture magmatique ophitique des gabbros isotropes. Celles-ci sont acquises par déformation à l'état magmatique. Mais lorsque ces roches ont complétement cristallisé, elles se refroidissent très lentement et se trouvent dans le même champ de contraintes (en extension) de la lithosphère océanique en expansion. En conséquence, elles peuvent recristalliser et acquérir une texture granoblastique ; dans les gabbros-norites, les deux pyroxènes enregistrent de façon progressive le refroidissement (segments blancs sur la figure ci-dessus) et les roches deviennent des granulites à 2 pyroxènes, typiques du faciès granulite. Ainsi, il serait irréaliste de penser que les gabbros ont définitivement acquis leur texture et leur minéralogie lors de la cristallisation du magma à l'origine de ces roches.

Si l'eau en provenance de l'hydrosphère se fait rare sous les gabbros isotropes, elle est néammoins décelable jusqu'au moho, à tous les stades du refroidissement de la croûte, par la présence d'amphibole de hautes températures jusqu'à des minéraux de basses températures (trémolite, chlorite, ...). La composition des amphiboles, riches en Chlore confirmerait une telle interaction avec l'eau de mer jusqu'au Moho.

avec la participation de B. Debret et L. France. (Nicollet et al, 2010); voir le poster ? Haut de la Page

Les métamorphismes successifs dans la croûte océanique

Les métagabbros des Alpes montrent de superbes textures coronitiques lorsque les roches sont peu ou pas déformées durant l'orogène alpine. Ces roches, en boules déca à hectométriques dans les serpentinites et schistes lustrés, sont peu déformées, car la déformation est accommodée par les roches encaissantes très ductiles.


Métagabbros dans les schistes lustrés et serpentinites dans le Queyras

Certains métagabbros sont coronitiques, ...


Clinopyroxène à couronne de glaucophane ; le plagioclase est remplacé par la lawsonite

... d'autres ne montrent qu'une recristallisation limitée du plagioclase.


Clinopyroxène, sans couronne, en contact avec le plagioclase (partiellement recristallisé en albite + épidote). Le trait blanc mesure 0.3 mm. Voir aussi en LPA ?

Si ces roches ne sont pas déformées, seule la présence d'eau a pu favoriser leur recristallisation durant le métamorphisme de HP qui accompagnait la subduction de ces unités. L'eau dans ces roches magmatiques initialement anhydres, est introduite durant le refroidissement de la lithosphère océanique qui s'accompagne d'un métamorphisme océanique. Hornblende brune, verte, actinote, albite, épidote sont les principaux minéraux des paragenèses de ce métamorphisme de ride. Ainsi, le métamorphisme de HP est contrôlé par l'existence d'un métamorphisme océanique.


La formation d'une couronne de glaucophane est strictement contrôlée par l’existence préalable d’une coronitisation à hornblende brune/verte, laquelle est liée à une hydratation au stade du métamorphisme océanique

Ainsi un (méta)gabbro océanique contient ou non une couronne à hornblende ; le plagioclase est généralement transformé en un fin agrégat à épidote dans de l'albite. Pendant le métamorphisme de HP, la hornblende des gabbros coronitiques est rempacée par du glaucophane et le plagioclase par de la lawsonite : la majorité du sodium du plagioclase initial est incorporé dans l'amphibole bleue sodique. Les gabbros sans couronne de hornblende n'acquièrent pas de glaucophane (coronitique) ; dans le site du plagioclase, l'albite est faiblement recristallisée en jadéite. La lawsonite est généralement absente et l'épidote persiste : la stabilité relative de ces deux minéraux dépend de l'activité d'eau dans la roche.

avec la participation de E. Bruand, S. Schwartz, P. Goncalvès, J. Reby, C. Vergez. (Bruand, 2008, mémoire M2R ; Bruand et al, 2010)

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Un paléo-front de serpentinisation dans le massif ultrabasique éclogitisé de Lanzo

A l'Est des Alpes Occidentales, à proximité de la ville de Turin, le massif de Lanzo est une volumineuse portion de manteau de 25km de long sur 8 km de large associée à l'ouverture de l'océan alpin : le cœur du Massif montre la transition entre les lherzolites à spinelle vers les lherzolites à plagioclase qui pourrait indiquer le passage d'un manteau sous-continental à un manteau sous-océanique, au niveau d'une transition océan - continent.


La couronne blanche de plagioclase autour du spinelle noir montre la transformation de ces lherzolites à spinelle en lherzolites à plagioclase et indique l'exhumation de cette protion de manteau.

Ce manteau est subduit à une pression minimale de 2GPa. Les péridotites sont entourées d'une enveloppe de serpentinites. La présence d'ophicarbonates (métamorphisées) suggère que la serpentinisation peut être, pour partie (?), précoce et contemporaine de l'océanisation.

Le Pont de Toglie montre une belle coupe de ce front de serpentinisation. Péridotites, serpentinites, métagabbros, mylonites alternent. Ces roches ont enregistré les deux métamorphismes de cette lithosphère océanique : sur une centaine de mètres de large, gabbros et mylonite à porphyroclates de clinopyroxène et olivine, préservent une amphibole brune riche en titane, indiquant des températures proches de 1000°C, témoignant de la mise en place, syn-tectonique de ces gabbros ; le plagioclase est intact. Ce front de serpentinisation semble bien repésenter le paléo-Moho d'une croûte océanique générée au niveau d'une ride à vitesse d'expansion lente.


Mylonite de gabbro ; microphotographie en LPNA - le trait blanc mesure 1 mm.

A l'opposé, la roche ci-dessous est une métatroctolite coronitique ...


Remarquez la couronne de grenat autour des minéraux ferromagnésiens.

... dont les minéraux de HP (talc, disthène, grenat, omphacite) indiquent des pressions de l'ordre de 2 GPa, lors de la subduction.

Travail qui a fait l'objet de l'excellent mémoire 2010 de M2R et la thèse en 2013 de B. Debret ; (Debret, 2010, Mémoire M2R ; Debret et al, 2010, 2013, Thèse) et d'un article à JMG (Debret et al, 2013 ), avec la participation M. Andréani, S. Schwartz, C. Vergez, ainsi que de l'aide amicale de Marguerite Godard. Haut de la Page

Métarep, un programme pour visualiser en 3D les tétraèdres CMAS, ACF-S, ACF-N et AFM-K, AFM-S, AKF-S

Les métagabbros des Alpes ayant enregistrés les 2 métamorphismes successifs, océanique et de subduction, sont utilisés pour illustrer l'intérêt de la visualisation en 3D des diagrammes de représentation des paragenèses des roches basiques (et pélitiques). A partir d'un programme mis au point par L. France (France et al., 2009), il est proposé toute une série de représentations 3D des classiques diagrammes triangulaires des roches métamorphiques ACF et AFM, en faisant apparaître, grâce à ces tétraèdres, les variations d'un quatrième constituant chimique : S (SiO2), N (Na2O) ou K (K2O) (France et Nicollet, 2010).

Voir la page et téléchargez la nouvelle version de MetaRep.

Les trois paragenèses successives (magmatique, du métamorphisme océanique et du métamorphisme de subduction) d'un métagabbro du Queyras sont représentées dans les tétraèdres ACFS et ACFN (voir les animations en 3D ?)

en collaboration avec L. France.

Monazite et zircon, deux minéraux géochronomètres complémentaires

La recherche évolue grâce à la réflexion des chercheurs, à l'interprétation des données qu'ils ont acquises. Et la qualité et la précision de ces données augmentent avec l'amélioration rapide des outils d'acquisition, contribuant ainsi grandement à l'évolution de la recherche. La datation à partir de minéraux comme le zircon ou la monazite en donne un bel exemple. L'interprétation d'âges multiples obtenus par l'analyse de cristaux de ces minéraux extraits de poudres de roche était beaucoup moins aisée que de tels résultats obtenus par analyse ponctuelle, en position pétrographique dans les lames minces. Il y a 10 ans à peine, on obtenait rapidement à la microsonde électronique des âges par analyses ponctuelles élémentaires sur monazite en position pétrographique. Mais ces datations sont moins précises que celles obtenues par analyses isotopiques. Aujourd'hui, l'ICP-MS à ablation laser permet d'obtenir des âges isotopiques par analyses ponctuelles sur lames minces.

Dix ans après la thèse de Philippe Goncalves (2002) qui a utilisé la datation ponctuelle sur monazite pour dater les granulites de très hautes températures (THT) de la formation d'Andriamena (Madagascar), il paraissait assez logique de profiter de cette évolution de la technologie et de faire l'analyse ponctuelle des zircons ! Ce travail, qui a fait l'objet du TER (travail d'études et recherche en M1) de Julie Michaud (2012), montre, s'il en était besoin, la magnifique compémentarité de la géochronologie utilisant ces deux minéraux.

Je ne retriendrais de ce joli travail que l'étude de deux échantillons : une migmatite (éch. C-61) qui contient les reliques de roches de THT et la granulite hydratée An6e qui a enregistré les nombreux événements qui ont affectés la région.

La migmatite C61 est une métapélite avec un leucosome quartzo feldspathique et grenat et des mésosome/mélanoseme riches en minéraux alumineux, biotite, sillimanite, spinelle, etc. Les analyses des monazites à la microsonde effectuées par Philippe pendant sa thèse en 2002 indiquent sans ambiguité l'âge de la fusion partielle au Néoprotérozoïque à 736 Ma (figure ci-dessous). Ce résultat indiquait que la roche ne conserve pas la mémoire d'un évenement ancien ou ne l'a pas subi.

Les mesures faites à l'ICP-MS sur zircon indiquent , au contraire, l'âge du métamorphisme de THT qui a donc affecté la roche (figure de droite). Les points correspondants se situent vers l'intercept supérieur de la discordia tracée entre les 2 événements.


Datations ponctuelles d'une migmatite par analyse élémentaire à la microsonde électronique des monazites (à gauche) et par analyse isotopique à l'ICP-MS des zircons (à droite)

La granulite An6e conserve quelques minéraux précoces de la paragenèses de THT et les minéraux hydratées de la paragenèse rétrograde (encore dans les conditions du faciès granulite). Les deux figures ci-dessous repésentent les diagrammes discordia des monazites (à gauche) et des zircons (à droite). Sur les 2 figures, monazites et zircons se situent sur les mêmes combinaisons de discordia, avec les 4 âges déjà discutés par Philippe en 2002.


Datations ponctuelles des monazites (à gauche) et zircons (à droite) d'une granulite de THT. Le site pétrographique des cristaux est indiqué.

Sur les 2 figures, la position pétrographique des cristaux de monazites et zircons est indiquée : les cristaux hôtes quartz et grenat appartiennent à la paragenèse précoce de THT paléoprotérozoïque tandis que les 2 assemblages bt-crd-amph et qz/bt-crd-amph sont les assemblages rétrogrades néoprotérozoïques. Dans les 2 cas, le cristal du minéral chronomètre inclus dans le minéral précoce se situe, en général, en "position plus haute" sur la "discordia" (ou "multicordia" !) que le cristal inclus dans l'assemblage secondaire. Sans surprise, les monazites sont plus "basses" sur la "discordia" que les zircons. En conséquence, les monazites permettent de bien caractériser les âges jeunes de la "multicordia" tandis que les zircons caractérisent l'âge du métamorphisme de THT et du protolithe (?)

En résumé, on peut représenter l'évolution chronologique de la formation d'Andriamena par cette figure :


Cette "multicordia" est définie par la combinaison de 3 discordiae

Les zircons/monazites cristallisés dans le protolithe, à 2.7Ga, s'alignent, pendant le métamorphisme de THT à 2.5GA sur une discordia entre ces 2 âges. Pendant le métamorphisme à 738Ma, les cristaux sont "tirés" vers cet âge, dessinant le triangle brun. A 576Ma, quelques cristaux s'écartent de ce triangle brun et sont tirés vers cet âge.
Les points représentatifs des zircons/monazites se répartissent dans un quadrilatère délimité par ces 4 âges.

TER de Julie Michaud (2012) avec la participation de J.L. Paquette et P. Goncalves. Haut de la Page

Rôle des amphiboles dans le transfert des fluides dans la lithosphère océanique : Piégeage et libération des halogènes dans les métagabbros océaniques depuis l'océanisation jusqu'à la subduction.

Les magmas d'arc montrent un enrichissement en F, en Cl et en B relativement à d'autres magmas dérivés du manteau qui témoignent que les zones de subduction sont le lieu d'importants transferts élémentaires entre les enveloppes externes et internes de la Terre. Ces éléments apportés par des fluides provenant de la dévolatilisation de la lithosphère océanique subduite, contribuent à la fusion partielle du coin mantellique et au volcanisme d'arc. Ces éléments seraient des traceurs chimiques des fluides relâchés lors de la déshydratation de la plaque plongeante.

Piégeage des halogènes au cours de l'océanisation : Les minéraux primaires, anhydres, des roches magmatiques de la lithosphère océanique : clinopyroxène, plagioclase, +/- olivine, ilménite, ne contiennent pas ces éléments volatils. Au cours de leur refroidissement, ces roches sont métamorphisées si elles sont hydratées : gabbros, dolérites et basaltes cristallisent des amphiboles, de la chlorite, de l'épidote, du sphène et des minéraux de basses températures. Ainsi, des amphiboles, de composition variable en fonction de la température, cristallisent depuis le stade tardi-magmatique jusqu'aux basses températures ; elles incorporent variablement le F, Cl et le B. Il existe une corrélation inverse entre le F et le Cl depuis les hornblendes brunes de HT jusqu'aux amphiboles de BT : hornblendes vertes et actinote. De même, la transformation de l'ilménite en sphène au cours du métamorphisme océanique s'accompagne de l'incorporation notable d'halogènes.

Ces minéraux métamorphiques représentent donc des réservoirs de ces éléments qui sont transférés de la ride à la zone de subduction.

Libération des halogènes au cours de subduction   : En contexte de subduction, les minéraux du métamorphisme océanique et les minéraux magmatiques reliques sont remplacés par les minéraux du faciès Schistes Bleus, puis Eclogite : glaucophane, lawsonite, rutile, puis omphacite et grenat.
La transition amphiboles brunes/vertes en glaucophane, au début de la subduction s'accompagne d'une chute brutale des F, Cl et B dans une phase fluide pouvant métasomatiser le coin mantellique.


Analyses F-Cl des amphiboles et sphène des métamorphismes successifs d'un métagabbro du Queyras dans les conditions du faciès Schistes Bleus . Remarquez une chute brutale des concentrations en halogènes entre les amphiboles brun/vert du métamorphisme océanique et le glaucophane, témoin de la subduction.


Une seconde zone de libération des halogènes pourrait correspondre au passage des faciès Schistes Bleus - Eclogite qui est contrôlé par la réaction isograde glaucophane + épidote = omphacite + grenat + paragonite + quartz + vapeur, laquelle est responsable de la disparition massive du glaucophane, quoique ce minéral reste stable jusqu'à grande profondeur, mais en proportion modérée. La transformation progressive du sphène en rutile dans le faciès Schistes Bleus, jusqu'à la disparition complète du silicate à la transition avec le faciès éclogite, s'accompagne également d'une libération de F qui est totalement absent du rutile.

Les amphiboles constituent une famille de minéraux au rôle important dans le transfert de fluides et éléments à l'intérieur du globe en stockant, transportant et libérant les halogènes et certains FME tout le long du cycle de la lithosphère océanique. Il reste à déterminer comment ces éléments sont incorporés dans le coin mantellique et transportés jusqu'au site de la fusion partielle à l'origine du magmatisme d'arc.

TER (2013) et M2R (2014) de Fanny Cattani avec la participation de Ken Koga et Baptiste Debret. (Koga et al. 2014, Debret et al. 2015, et Nicollet et Cattani 2015) Haut de la Page

Datation d'un événement métamorphique

Dans le cadre de son mémoire de (M2R de 2015) Julie Noël a réalisé une analyse géochronologique sur monazite des gneiss pélitiques hercyniens du Haut Allier. Ces cristaux sont zonés chimiquement.

La datation in situ par LA-ICPMS permet de multiplier les mesures à l'échelle d'un cristal et de mettre en évidence également des zonations chronologiques.

Cette zonation d'âge dans un même cristal montre que le minéral chronomètre cristallise à différents temps du trajet PTt, lequel n'est pas un événement ponctuel mais bien étalé dans le temps !

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