Métamorphisme et rhéologie

1. Rhéo – logie = écoulement – théorie La science des déformations des matériaux Métamorphisme et rhéologie Méta – morphisme = après (changement) – forme Transformation à l’état solide d’une roche

2. Le cycle des roches • Nous avons déjà vu comment une roche peut se désagréger et s’altérer, et donner des sédiments qui vont former des roches sédimentaires. • Nous avons aussi vu qu’une roche peut fondre partiellement et donner un magma, qui va cristalliser dans un réservoir en donnant des roches plutoniques ou s’épancher en surface en donnant des roches volcaniques. • Il nous reste à voir comment une roche peut se transformer en une autre à l’état solide, c’est-à-dire sans s’altérer et sans fondre, à cause d’un changement de sa température ou de la pression qui s’exerce sur elle. • Ce changement de morphologie (de forme) ou métamorphisme donne des roches métamorphiques.

3. Nous aurons ainsi fait le tour du cycle des roches, tous les phénomènes qui permettent aux roches de naître, de vivre et de mourir en donnant naissance à de nouvelles roches.

4. Le métamorphisme de contact • Nous allons décrire quelques-unes des situations qui donnent lieu à du métamorphisme. Le premier exemple en est un de métamorphisme local. C’est celui qui résulte de la cuisson des roches qui a lieu tout autour d’une intrusion de magma. • La zone transformée forme une auréole de métamorphisme qui enveloppe le pluton. On trouve une telle auréole autour du mont Royal. • On appelle protolite (proto – lite = avant – roche) la roche originale qui a été transformée. Les protolites, dans le cas du mont Royal, sont le calcaire de Trenton et le shale d’Utica. • Le calcaire se transforme en marbre : au lieu d’avoir, par exemple, des tests de calcite cimentés par de fins cristaux de calcite, on se retrouve avec une mosaïque de cristaux de calcite à peu près tous de la même taille et sans orientation particulière. On dit que la roche a une texture granoblastique (grano – blastique = grain – élément = composé de grains).

5. Le marbre prend diverses couleurs selon les impuretés présentes dans le calcaire d’origine. Son grain est toujours moyen ou grossier. On voit donc les cristaux à l’œil nu. Cela donne parfois au marbre l’aspect du sucre et on parle alors de texture saccharoïde (un cas particulier de la texture granoblastique). Texture granoblastique d’un marbre (Morin Heights)

6. Le shale donne une roche à texture granoblastique au grain fin ou invisible. On appelle cornéenne (les arêtes minces ayant un aspect de corne) toute roche métamorphique granoblastique à grain fin. • Les cornéennes ont donc des compositions minéralogiques variées, mais elles ont en commun une grande dureté (difficiles à rayer), une grande résistance à l’altération et une cassure conchoïdale. Elles sont exclusives au métamorphisme de contact. Cornéenne grise «rouillée» des intrusions du mont Royal et du mont Saint-Bruno

7. Question Ce dyke qui traverse le calcaire de Trenton le long du boulevard Camilien-Houde, sur le mont Royal, permet d’observer à petite échelle l’influence de l’intrusion principale. Voyez-vous des signes de métamorphisme de contact ? Pouvez-vous nommez le protolite et la roche métamorphique ? Réponse : On voit une fine bande de couleur blanche qui borde le dyke. Le protolite, le calcaire de Trenton, a été transformé en marbre par la chaleur.

8. Enfouissement progressif Érosion Bassin sédimentaire enfoncement Le métamorphisme d’enfouissement • Contrairement au métamorphisme local, le métamorphisme régional affecte les terrains sur une grande épaisseur et une grande étendue. Le métamorphisme d’enfouissement en est un exemple. • Il a lieu quand un bassin de sédimentation (un creux) s’enfonce au fil du temps et que les sédiments s’empilent sur 10 ou 20 km de haut. Un bassin s’enfonce d’abord à cause de mouvements du couple lithosphère-asthénosphère et un peu aussi à cause du poids des sédiments qui s’accumulent.

9. L’enfouissement progressif des sédiments à la base de la pile provoque d’abord leur transformation en roche cohérente (diagenèse). Ces roches vont ensuite se métamorphiser parce qu’elles vont connaître une pression et une température croissantes. • En effet, la pression augmente avec la profondeur parce que la colonne de roche à supporter est de plus en plus haute. De même, puisque la Terre est plus chaude au centre qu’en surface (sources de chaleur internes), la température augmente, selon l’endroit, de 10 à 60 °C par km de profondeur. • Cette transformation métamorphique a lieu sans déformation mécanique ou plissement de la roche et elle donne, comme le métamorphisme de contact, des roches granoblastiques. • Le calcaire devient du marbre, la dolomie du marbre dolomitique, le grès du quartzite, le basalte de l’amphibolite, etc.

10. Le quartzite Quartzite du mont Edith Cavell (Rocheuses) • Le quartzite est une roche dont le constituant principal est le quartz. Il peut aussi contenir du feldspath, du mica, etc. • Il ressemble aux grès de quartz, mais il est formé de cristaux intimement liés (texture granoblastique) et non de grains cimentés les uns aux autres. • L’enfouissement donne un quartzite de texture massive, sans traces de déformation mécanique de la roche (minéraux plats ou orientés, ségrégation des minéraux).

11. compression pression Le métamorphisme orogénique • Le métamorphisme orogénique est le métamorphisme régional qui résulte de l’enfouissement des roches qui accompagne toujours la formation d’une chaîne de montagnes. • Les roches subissent alors une augmentation de température et de pression, comme dans le métamorphisme d’enfouissement. De plus, elles peuvent subir des déformations et des plissements. • La pression pousse sur une roche dans toutes les directions et elle la force à se contracter. Si on ajoute en plus une compression (ou une traction), qui n’agit que dans une direction, la roche va aussi s’aplatir (ou s’étirer). Cela influence donc la façon dont les minéraux vont se réorganiser et les produits du métamorphisme.

12. Exemple d’enfouissement et d’exhumation de roches (celles en rose et en beige) dans une zone de subduction. Alexandre Chemenda : http://www-geoazur.unice.fr/PERSO/chemenda/

13. Exemple de roches métamorphiques aplaties

14. Un peu de rhéologie Science des déformations • L’aplatissement (ou l’étirement) de certaines roches qui a lieu dans le métamorphisme orogénique exige que ces roches soient ductiles. Voyons ce que cela signifie. • Quand on applique des forces sur une roche et qu’elle se déforme faiblement, la déformation n’est pas permanente et elle disparaît quand on enlève les forces. On dit que la déformation est élastique. • Les tremblements de terre se produisent quand un massif rocheux déformé élastiquement casse et que les morceaux de part et d’autre de la cassure reprennent leur forme brutalement. Force Déformation élastique Roche intacte Après la rupture

15. Réponse : Les deux hommes se trouvent sur le sommet d’un monticule que la rupture a découpé en deux. Chacun se serait déplacé vers la gauche de l’autre lors de la rupture. Question Voyez-vous la rupture dans le sol créée par un tremblement de terre ? Dans quel sens la roche de part et d’autre de la rupture a-t-elle bougé ? Photo USGS : http://quake.wr.usgs.gov/research/geology/mongolia98/previous.html

16. Quand on pousse la déformation élastique trop loin, la roche peut faire deux choses. Elle peut casser, comme dans l’exemple du tremblement de terre. On dit d’un matériau qui ne montre pas de déformation après avoir cassé qu’il est fragile. Le verre et l’acier d’un couteau de chasse sont fragiles à la température ambiante. • Elle peut aussi commencer à se déformer de façon permanente ou plastique. On dit d’un matériau capable de subir une grosse déformation plastique avant de casser qu’il est ductile. La ductilité est donc l’opposé de la fragilité. La pâte à modeler et l’acier de structure sont ductiles à la température ambiante. Cette roche était ductile quand elle a été plissée.

17. Forces appliquées Déformation élastique Fragile (séisme) Déformation plastique

18. La transition fragile-ductile • Les roches se comportent un peu comme le verre. Près de la surface de la terre, elles sont froides, fragiles et rigides. Plus elles sont en profondeur, plus elles sont chaudes, ductiles et molles. • Si on comprime une strate de roche relativement fragile et rigide, la roche ne se déforme pas de façon intime, mais la strate finit par casser ou par plier (par le jeu d’une multitude de cassures). • Mais, si on comprime une strate de roche ductile et molle, la roche elle-même se déforme (par aplatissement-glissement), et la strate ne fait que subir et montrer ces changements. • Dans une situation donnée, cette transition d’un comportement fragile à un comportement ductile a lieu pour chaque type de roche à une profondeur qui lui est propre. Il n’est donc pas rare de voir les deux comportements l’un à côté de l’autre : roche fragile qui a cassé et roche ductile qui s’est déformée.

19. Réponse fragile à une compression : chaque strate a conservé son épaisseur et a plié en cassant et en glissant sur les autres strates. Réponse ductile à une compression : l’épaisseur varie le long de chaque strate et les strates ne sont pas cassées. Photo W. B. Hamilton, USGS

20. Strate de grès Question Cette ancienne roche sédimentaire a été comprimée alors qu’un type de strate était rigide et l’autre mou. Qui est qui ? Comment le savez-vous ? Partie d’une photo de Pierre Thomas, site Planet-Terre Strate de shale Réponse : Les strates de grès fragiles ont conservé leur épaisseur et ont cassé. Elles ont pu fléchir parce que le shale ductile s’est ajusté à leur forme : les strates de shale ont donc maintenant une épaisseur variable. (Les lignes dans le shale sont une schistosité créée par l’aplatissement – voir après.)

21. Roches métamorphiques feuilletées • Le métamorphisme orogénique donne des marbres, des quartzites, des amphibolites… et aussi des roches métamorphiques dont la texture montre des traces d’aplatissement (ou d’étirement) ductile. Leurs minéraux sont en effet orientés ou séparés en bandes. • Nous allons décrire une série de telles roches qui naissent de la transformation des roches sédimentaires détritiques à grain fin, les shales et les siltstones. • Avec l’accroissement de la température et de la pression, on obtient successivement de l’ardoise, du schiste et du gneiss. • Dans l’ardoise, les argiles se transforment en micas minuscules qui se développent perpendiculairement à la direction de la compression. Cet arrangement parallèle des micas permet de débiter l’ardoise en plaques de surface assez lisse, qu’on utilise pour recouvrir les toits dans beaucoup de pays.

22. compression Ardoise Photo du U.S. Geological Survey : http://pubs.usgs.gov/of/2002/of02-437/gallery.htm

23. Dans le schiste, la transformation est poussée plus loin. Les micas et autres minéraux en feuillets ou en baguettes deviennent visibles à l’œil nu et donnent à la roche un aspect de croûte de tarte feuilletée. • Souvent, certains nouveaux minéraux sont beaucoup plus gros que les autres, les grenats notamment, et le schiste a une texture porphyroblastique. C’est la cousine métamorphique de la texture porphyrique des roches ignées. grenat Texture porphyroblastique d’un schiste mica

24. Schistosité • Le feuilletage très particulier des ardoises et des schistes se nomme schistosité de flux. La schistosité se développe à peu près perpendiculairement à la direction de compression et elle accompagne l’aplatissement de la roche. La roche se comporte en effet comme la crème d’un mille-feuille qui s’écoule (ou flue) par les côtés quand on pèse sur la pâtisserie.

25. Quand des lits d’une roche rigide s’intercalent entre des lits ductiles qui développent une schistosité de flux, les lits fragiles doivent accommoder le raccourcissement par flexion. Cette flexion se fait au prix d’une multitude de fractures qui forment parfois un réseau organisé qui donne un clivage de fracture. Entre les fractures, la roche n’est pas transformée ; la schistosité, elle, affecte la roche intimement. • La schistosité de flux et le clivage de fracture créent de nombreux chemins qu’utilise l’eau pour se déplacer dans un massif rocheux. Photo de Maurice Gidon, site Geol-Alp Clivage de fracture du lit fragile (les fractures sont remplies de calcite blanche) pli Schistosité du lit ductile

26. Le gneiss • Dans le gneiss, les nouveaux minéraux formés sont gros, comme dans un granite à grain grossier. Parce qu’il y a une séparation de ces minéraux, le feuilletage prend la forme d’une alternance de lits clairs (quartz, feldspaths) et de lits sombres (micas, amphiboles). On parle dans ce cas de foliation (comme dans unifolié, le drapeau canadien à une feuille d’érable). La foliation, comme la schistosité, est perpendiculaire à la direction de compression. Grain grossier

27. Réponse : Les lignes parallèles sont le signe d’un aplatissement de la roche (schistosité). Ces lignes et la forme du pli nous permettent de trouver le sens de la compression. La schistosité nous dit aussi que la roche était ductile lors du plissement, donc située à quelques km de profondeur. Schistosité Question Dans quel direction la roche a-t-elle été comprimée pour fléchir ainsi ? Cela a-t-il eu lieu en surface ? Voyez-vous une schistosité qui accompagne le pli ?

28. La migmatite • La série ardoise-schiste-gneiss s’arrête avec le gneiss parce que la roche commence à fondre partiellement si sa température augmente encore. On obtient alors une migmatite (= roche mélangée). • Une partie de la roche est formée du gneiss d’origine. L’autre partie, toujours plus claire, est un granite issu de la fusion du gneiss et du lent refroidissement du liquide ainsi formé. Migmatite Zone qui a ramolli et qui s’est plissée = gneiss Zone qui a fondu, puis cristallisé = granite

29. Le métamorphisme cataclastique • Comme dernier exemple, nous considérons le métamorphisme local qui a lieu à la frontière entre deux blocs rocheux qui glissent l’un contre l’autre : zone de faille ou base d’une nappe de charriage. • La roche coincée entre les deux blocs peut se faire progressivement broyer, si elle est fragile. La cimentation des débris donne alors un type de brèche qu’on nomme roche cataclastique. Clastique signifie formé de débris et cata devrait vous faire penser à catastrophe. • Si elle est ductile, la roche coincée entre les deux blocs va plutôt se transformer en mylonite. Dans ce cas, la roche ne se casse jamais, mais ses minéraux se réorganisent et lui permettent de se déformer. Il faut penser que cela a lieu à chaud, avec une forte pression qui empêche la roche de se séparer. • Mylonite vient du mot grec pour moulin (mill en anglais), pour rappeler son origine. C’est une roche dure qui possède, comme le gneiss, une foliation.

30. Correction ! Faille normale de faible pente Couche de roche broyée

31. Affleurement de mylonite. Notez la foliation. Photo : Rocks of NW Scotland par Waters, Lamb et McAvoy : http://www.earth.ox.ac.uk/~oesis/nws/nws-home.html