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LES ROCHES METAMORPHIQUES : TEMOINS DE L'EVOLUTION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE DANS LE TEMPS ET DANS L'ESPACE

J’insiste dans ce cours sur l’intérêt de l’étude des roches métamorphiques en tant que fossiles de la situation thermique dans la lithosphère. La logique de l’exposé est de faire la démarche scientifique permettant d’aboutir à un modèle thermo-mécanique d’une chaîne de montagnes.
 

INTRODUCTION
SITUATION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE 
GENERALITES ET DEFINITIONS 
LES PRINCIPALES SERIES METAMORPHIQUES 
Le métamorphisme de contact
… et régionaux
MECANISMES DES TRANSFORMATIONS METAMORPHIQUES 
CONTEXTE GEODYNAMIQUE DU METAMORPHISME

TRAVAUX DIRIGES ET PRATIQUES

BIBLIOGRAPHIE

Les liens renvoient aux figures et photos.

INTRODUCTION : métamorphisme: transformations à l'état solide lorsque T, Pression lithostatique (PL) et Pression fluide (PF) changent ; en conséquence, métamorphisme = informations sur :

SITUATION THERMIQUE DE LA LITHOSPHERE : flux de chaleur, sources et transferts de chaleur ; isothermes et géothermes ; les instabilités thermiques dans la L (modifications thermiques au cours d'un épaississement./amincissement).

Comment obtenir ces informations ? (les roches méta sont des "fossiles thermiques"). Pourquoi et Comment les roches recristallisent-elles ?

Notion de trajectoire PTt et de gradient métamorphique. La diversité des trajets P T t en fonction du contexte géodynamique.

GENERALITES ET DEFINITIONS :

Les Limites du Métamorphisme. Localisation et abondance des roches méta. (majorité de la croûte (et L) ; produites dans tous les contextes géodynamiques ; à l'affleurement dans les zones orogéniques)

Les principaux gradients métamorphiques, dans l'espace PT (différents du géotherme moyen : témoignent donc de conditions anormales)

Les différents faciès métamorphiques.

Influence de la composition chimique ( règle des phases, représentation graphique, exercice cartographique, Diagrammes ACF, A'KF, AFM ; voir ces diagrammes en 3D) ; les différentes séquences.

Quelques mots sur la métasomatose.
Déstabilisation du grenat en cordiérite dans un régime de déformation non coaxiale

Les textures (relations cristallisation-déformation ; chronologie relative)                                                             Haut de la Page

LES PRINCIPALES SERIES METAMORPHIQUES :

Les métamorphismes locaux (dynamo-méta. et méta. thermique) …

Le métamorphisme de contact :
Ex. de Ballachulish (l'auréole, les isogrades, les paragenèses, le tracé du grdt méta ds l'espace PT)

Modélisation mathématique.

Métamorphisme de contact, résultat de la redistribution de la chaleur depuis les parties profondes (par convection-libération de la chaleur latente de crist.-conduction) ; le gradient méta. est différent du géotherme à t donné.

… et régionaux

1 - Le métamorphisme . de Hautes Pressions - Basses Températures :

Localisation ( zones de convergence actives, récentes : océan-cont., cont.-cont. ; rares ds les orogènes anciens).

Paragenèses - dans les métapélites (pas de biot., mais phengite ; minéral spécif. : carpholite ; à HP-"HT" les faciès SB et éclogite sont relayés par le "faciès" schistes blancs (à talc-Ky).
                     - dans la séquence Q-F (contrairement aux autres grdts méta., modification minéralogique significative avec : Jadéite, lawsonite, phengite.)
                     - dans la séquence basique (association caractéristique dans le faciès Schistes Bleus : glaucophane - lawsonite (+ Chl, pheng., sphène, rutile, albite/jadéite) ; dans le faciès éclogite : omphacite - Grenat (+acc.) ; on définit 3 groupes d'éclogites).

Exemple régional : les Alpes, du Queyras au Viso

2 - Le métamorphisme de MP :

Localisation dans les chaînes anciennes prétérozoïques et paléozoïques et plus rarement dans les chaînes plus récentes et archéennes.

    - lithologie variée (pélites, métabasites, etc.) depuis les faciès SV - Amph. et l'anatexie ; présence de reliques rares d'éclogites "B" (=HT) et métapéridotites.
    - paragenèses dans les métapélites et tracé du gradient méta : carte des isogrades, minéralogie des Gneiss à 2 Micas, à Grenat, à Disthène, à Staurotide, à Sillimanite, d'anatexie = tracé du gradient méta ; représentation des paragenèses dans un diagramme AFM.)
    - 1 mot sur les paragenèses des métabasites (réactions continues).

Exemple régional : le dôme du Lévezou en Rouergue, MCF.

3 - Le métamorphisme de BP-(HT) :

Rares dans les chaînes récentes ; commun à l'archéen.

- paragenèses dans les métapélites du faciès SV à l'anatexie et faciès granulite ; minéralogie ds les métapélites : 2 micas, andalousite, cordièrite, Sillimanite, disparition de la musc, anatexie, orthopyroxène (charnockite d'Ansignan, Agly)

Exemples régionaux : Massif de l'Agly (Pyrénées), du Pilat-Velay (MCF) (surimposition d'un grdt de BP sur un grdt de MP).
Le métamorphisme dans la croûte océanique.                                                                                                                                                                                      Haut de la Page

Modélisation numérique des gradients métamorphiques de MP-HT et BP-HT

Anatexie :

les migmatites, description ; origines, historique des expérimentations, migmatisation et genèse des granites.

MECANISMES DES TRANSFORMATIONS METAMORPHIQUES :

 La règle des phases : relations nombre de phases - nbre de constituants chimiques.

Les réactions continues - discontinues sur l'exemple des métapélites de Whetstone lake en Ontario : succession de triangles AFM séparés par des réactions discontinues ; à l'intérieur des triangles, la composition des phases changent : réactions continues.

Les différents types de réactions :

solide - solide : polymorphique, d'exsolution, interminérales entre phases pures, entre phases solution solide.
solide - solide hydraté : importance, localisation et nature des fluides (fluides libres, notion de pression partielle de fluide, fluides adsorbés, fluides liés) ; influence des fluides sur la stabilité des mnx : l'effet tampon (système ouvert, syst. fermé) : retour à Whetstone lake en Ontario.

Evaluation, élaboration d'une grille pétrogénétique :

Méthodes géométriques de construction des diagrammes de phases : principe, syst. à un, puis 2 constituants.
Géothermo-barométrie.

Cinétique des réactions :
Métastabilité et Préservation des Paragenèses, l'exemple du Cap Creus ; vitesse de réaction et complexe d'activation, les facteurs contrôlant la réalisation d'une réaction (dissolution, migration, rassemblement sur le site de nucléation, nucléation, croissance ; vitesse de diffusion, influence de la fluide, de la déformation) ; l'exemple de la métastabilité des silicates d'alumine : "le dépassement de T" ; les solutions (catalyseur, assemblages intermédiaires, nécessité d'un solvant)

CONTEXTE GEODYNAMIQUE DU METAMORPHISME :

Le premier modèle d'interprétation géodynamique du métamorphisme : le concept de ceintures doubles de Miyashiro;

Répartition des différents gradients métamorphiques dans le tremps ; Problème de la préservation des paragenèse de HP-BT ; Evolution du métamorphisme au cours de l'histoire du globe :
Proposition d'un modèle d'Evolution thermo-mécanique d'une chaîne

Nature de la croûte continentale inférieure et différenciation intracrustale.

Terrain : Evolution thermo-mécanique d'un contact majeur profond dans la chaîne hercynienne : la fenêtre tectonique du Céloux (Ht Allier) (1 journée).                                                         Haut de la Page


TRAVAUX DIRIGES ET PRATIQUES

Travaux Dirigés : (7 séances de 3h)

Séances 1 et 2 - Représentation graphique des paragenèses métamorphiques.

Séances 3 et 4 - Analyse géométrique des relations des phases : élaboration d'une Grille Pétrogénétique.

Séance 5 - Thermo-barométrie et Notions de Cinétique des Réactions.

Séances 6 et 7 - Modélisation de l'Evolution Thermique de la Lithosphère avec les logiciels METAMOD et METAMORPH.

Travaux Pratiques : (5 séances de 3h).

Séance 1 - Le métamorphisme de Moyennes Pressions - Hautes Températures : élaboration du gradient métamorphique grâce à l'étude de lames minces de métapélites du dôme du Levezou (Rouergue, Massif Central). Les conditions PT mises en évidence sont-elles compatibles avec les conditions PT des reliques éclogitiques présentes dans le complexe "leptyno amphibolitique"? On replacera les quelques paragenèses des métapélites étudiées dans un diagramme AFM afin de noter que de nombreuses autres paragenèses sont possibles.

Séance 2 - Le gradient métamorphique de Hautes Pressions-Basses Températures : les paragenèses dans les différentes lithologies.

Séance 3 - Elaboration de la trajectoire P T t d'un gabbro de la croûte océanique impliqué dans une collision intra continentale. Voir le livre "A la recherche des océans disparus dans les montagnes françaises"

Séance 4 - Métamorphisme de H T - BP et Cisaillements Ductiles (Cap Creus, Espagne) : relation déformation et cinétique de cristallisation.On montre que les roches métamorphiques enregistrent les conditions P-T aussi longtemps que la déformation se poursuit dans des cisaillements tardifs.

Séance 5 - Le métamorphisme de Hautes - Températures (et Ultra Hautes Températures) - Basses Pressions et exhumation tectonique (Pilat- Velay, Zone d'Ivrée, Madagascar, Antarctique, Thermométamorphisme).


BIBLIOGRAPHIE

A la recherche des océans disparus dans les montagnes françaises - ou - Le trajet d'un gabbro de la croûte océanique - 2013 - Nicollet C. et Laverne C. Ed. Quae

Métamorphisme et Géodynamique - 2010 - Nicollet C.- DUNOD - (voir la Table des Matières ?)

Métamorphisme - 1999 - Nicollet C., Encyclopedia Universalis. Voir l'article au format PDF.

Microtextures des Roches Magmatiques et Métamorphiques - 1980 - JP Bard, Ed. MASSON.

Metamorphic Phase Equilibria and Pressure­Temperature­Time Paths - 1995 - Frank S. Spear, Mineralogical Society of America MONOGRAPH

Principles of Metamorphic Petrology - 2008 - R.H. Vernon and G.L. Clarke, Ed. Cambridge University Press

Petrogenesis of Metamorphic Rocks - 1994 - by K.Bucher and M.Frey, 6th Edition, Springer-Verlag

An Introduction to Metamorphic Petrology - 1989 - Bruce Yardley, Longman Earth Science series

Atlas des roches métamorphiques - 1995 - Yardley B.W.D., Mackenzie W.S., Guilford C. , 1995 , Ed. MASSON

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