(changement) – forme Transformation à l'état solide d'une roche ...
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Rhéo <strong>–</strong> logie = écoulement <strong>–</strong> théorie<br />
La science des déformations des matériaux<br />
Méta <strong>–</strong> morphisme = après (<strong>changement</strong>) <strong>–</strong> <strong>forme</strong><br />
<strong>Transformation</strong> <strong>à</strong> l’état <strong>solide</strong> d’une <strong>roche</strong>
Le cycle des <strong>roche</strong>s<br />
• Nous avons déj<strong>à</strong> vu comment une <strong>roche</strong> peut se<br />
désagréger et s’altérer, et donner des sédiments qui<br />
vont <strong>forme</strong>r des <strong>roche</strong>s sédimentaires.<br />
• Nous avons aussi vu qu’une <strong>roche</strong> peut fondre<br />
partiellement et donner un magma, qui va cristalliser<br />
dans un réservoir en donnant des <strong>roche</strong>s plutoniques ou<br />
s’épancher en surface en donnant des <strong>roche</strong>s<br />
volcaniques.<br />
• Il nous reste <strong>à</strong> voir comment une <strong>roche</strong> peut se<br />
trans<strong>forme</strong>r en une autre <strong>à</strong> l’état <strong>solide</strong>, c’est-<strong>à</strong>-dire sans<br />
s’altérer et sans fondre, <strong>à</strong> cause d’un <strong>changement</strong> de sa<br />
température ou de la pression qui s’exerce sur elle.<br />
• Ce <strong>changement</strong> de morphologie (de <strong>forme</strong>) ou<br />
métamorphisme donne des <strong>roche</strong>s métamorphiques.
• Nous aurons ainsi fait le tour du cycle des <strong>roche</strong>s, tous les<br />
phénomènes qui permettent aux <strong>roche</strong>s de naître, de vivre<br />
et de mourir en donnant naissance <strong>à</strong> de nouvelles <strong>roche</strong>s.
Le métamorphisme de contact<br />
• Nous allons décrire quelques-unes des situations qui donnent<br />
lieu <strong>à</strong> du métamorphisme. Le premier exemple en est un de<br />
métamorphisme local. C’est celui qui résulte de la cuisson<br />
des <strong>roche</strong>s qui a lieu tout autour d’une intrusion de magma.<br />
• La zone transformée <strong>forme</strong> une auréole de métamorphisme<br />
qui enveloppe le pluton. On trouve une telle auréole autour du<br />
mont Royal.<br />
• On appelle protolite (proto <strong>–</strong> lite = avant <strong>–</strong> <strong>roche</strong>) la <strong>roche</strong><br />
originale qui a été transformée. Les protolites, dans le cas du<br />
mont Royal, sont le calcaire de Trenton et le shale d’Utica.<br />
• Le calcaire se trans<strong>forme</strong> en marbre : au lieu d’avoir, par<br />
exemple, des tests de calcite cimentés par de fins cristaux de<br />
calcite, on se retrouve avec une mosaïque de cristaux de<br />
calcite <strong>à</strong> peu près tous de la même taille et sans orientation<br />
particulière. On dit que la <strong>roche</strong> a une texture granoblastique<br />
(grano <strong>–</strong> blastique = grain <strong>–</strong> élément = composé de grains).
• Le marbre prend diverses couleurs selon les impuretés<br />
présentes dans le calcaire d’origine. Son grain est toujours<br />
moyen ou grossier. On voit donc les cristaux <strong>à</strong> l’œil nu.<br />
Cela donne parfois au marbre l’aspect du sucre et on parle<br />
alors de texture saccharoïde (un cas particulier de la<br />
texture granoblastique).<br />
Texture<br />
granoblastique<br />
d’un marbre<br />
(Morin Heights)
• Le shale donne une <strong>roche</strong> <strong>à</strong> texture granoblastique au grain<br />
fin ou invisible. On appelle cornéenne (les arêtes minces<br />
ayant un aspect de corne) toute <strong>roche</strong> métamorphique<br />
granoblastique <strong>à</strong> grain fin.<br />
• Les cornéennes ont donc des compositions minéralogiques<br />
variées, mais elles ont en commun une grande dureté<br />
(difficiles <strong>à</strong> rayer), une grande résistance <strong>à</strong> l’altération et une<br />
cassure conchoïdale. Elles sont exclusives au<br />
métamorphisme de contact.<br />
Cornéenne grise «rouillée» des intrusions<br />
du mont Royal et du mont Saint-Bruno
Question<br />
Ce dyke qui traverse le calcaire de Trenton le long du<br />
boulevard Camilien-Houde, sur le mont Royal, permet<br />
d’observer <strong>à</strong> petite échelle l’influence de l’intrusion principale.<br />
Voyez-vous des signes de métamorphisme de contact ?<br />
Pouvez-vous nommez le protolite et la <strong>roche</strong> métamorphique ?<br />
Réponse : On voit une fine<br />
bande de couleur blanche qui<br />
borde le dyke. Le protolite, le<br />
calcaire de Trenton, a été<br />
transformé en marbre par la<br />
chaleur.
Le métamorphisme d’enfouissement<br />
• Contrairement au métamorphisme local, le métamorphisme<br />
régional affecte les terrains sur une grande épaisseur et une<br />
grande étendue. Le métamorphisme d’enfouissement en est<br />
un exemple.<br />
• Il a lieu quand un bassin de sédimentation (un creux)<br />
s’enfonce au fil du temps et que les sédiments s’empilent sur<br />
10 ou 20 km de haut. Un bassin s’enfonce d’abord <strong>à</strong> cause<br />
de mouvements du couple lithosphère-asthénosphère et un<br />
peu aussi <strong>à</strong> cause du poids des sédiments qui s’accumulent.<br />
Érosion<br />
Bassin<br />
sédimentaire<br />
Enfouissement<br />
progressif<br />
enfoncement
• L’enfouissement progressif des sédiments <strong>à</strong> la base de la<br />
pile provoque d’abord leur transformation en <strong>roche</strong><br />
cohérente (diagenèse). Ces <strong>roche</strong>s vont ensuite se<br />
métamorphiser parce qu’elles vont connaître une pression<br />
et une température croissantes.<br />
• En effet, la pression augmente avec la profondeur parce<br />
que la colonne de <strong>roche</strong> <strong>à</strong> supporter est de plus en plus<br />
haute. De même, puisque la Terre est plus chaude au<br />
centre qu’en surface (sources de chaleur internes), la<br />
température augmente, selon l’endroit, de 10 <strong>à</strong> 60 °C par<br />
km de profondeur.<br />
• Cette transformation métamorphique a lieu sans<br />
déformation mécanique ou plissement de la <strong>roche</strong> et elle<br />
donne, comme le métamorphisme de contact, des <strong>roche</strong>s<br />
granoblastiques.<br />
• Le calcaire devient du marbre, la dolomie du marbre<br />
dolomitique, le grès du quartzite, le basalte de<br />
l’amphibolite, etc.
Le quartzite<br />
• Le quartzite est une <strong>roche</strong> dont<br />
le constituant principal est le<br />
quartz. Il peut aussi contenir du<br />
feldspath, du mica, etc.<br />
• Il ressemble aux grès de quartz,<br />
mais il est formé de cristaux<br />
intimement liés (texture<br />
granoblastique) et non de grains<br />
cimentés les uns aux autres.<br />
• L’enfouissement donne un<br />
quartzite de texture massive,<br />
sans traces de déformation<br />
mécanique de la <strong>roche</strong><br />
(minéraux plats ou orientés,<br />
ségrégation des minéraux).<br />
Quartzite du mont Edith<br />
Cavell (Rocheuses)
Le métamorphisme orogénique<br />
• Le métamorphisme orogénique est le<br />
métamorphisme régional qui résulte de<br />
l’enfouissement des <strong>roche</strong>s qui accompagne<br />
toujours la formation d’une chaîne de montagnes.<br />
• Les <strong>roche</strong>s subissent alors une augmentation de<br />
température et de pression, comme dans le<br />
métamorphisme d’enfouissement. De plus, elles<br />
peuvent subir des déformations et des plissements.<br />
• La pression pousse sur une <strong>roche</strong> dans toutes les<br />
directions et elle la force <strong>à</strong> se contracter. Si on<br />
ajoute en plus une compression (ou une traction),<br />
qui n’agit que dans une direction, la <strong>roche</strong> va aussi<br />
s’aplatir (ou s’étirer). Cela influence donc la façon<br />
dont les minéraux vont se réorganiser et les<br />
produits du métamorphisme.<br />
pression<br />
compression
Exemple d’enfouissement<br />
et d’exhumation de <strong>roche</strong>s<br />
(celles en rose et en beige)<br />
dans une zone de<br />
subduction.<br />
Alexandre Chemenda :<br />
http://wwwgeoazur.unice.fr/PERSO/ch<br />
emenda/
Exemple de <strong>roche</strong>s métamorphiques aplaties
Un peu de rhéologie Science des déformations<br />
• L’aplatissement (ou l’étirement) de certaines <strong>roche</strong>s qui<br />
a lieu dans le métamorphisme orogénique exige que ces<br />
<strong>roche</strong>s soient ductiles. Voyons ce que cela signifie.<br />
• Quand on applique des forces sur une <strong>roche</strong> et qu’elle<br />
se dé<strong>forme</strong> faiblement, la déformation n’est pas<br />
permanente et elle disparaît quand on enlève les forces.<br />
On dit que la déformation est élastique.<br />
• Les tremblements de terre se produisent quand un<br />
massif <strong>roche</strong>ux déformé élastiquement casse et que les<br />
morceaux de part et d’autre de la cassure reprennent<br />
leur <strong>forme</strong> brutalement.<br />
Roche intacte<br />
Force<br />
Déformation<br />
élastique<br />
Après la rupture
Question<br />
Voyez-vous la rupture dans le sol créée par un tremblement<br />
de terre ? Dans quel sens la <strong>roche</strong> de part et d’autre de la<br />
rupture a-t-elle bougé ?<br />
Réponse : Les deux hommes se trouvent sur le sommet d’un<br />
monticule que la rupture a découpé en deux. Chacun se serait<br />
déplacé vers la gauche de l’autre lors de la rupture.<br />
Photo USGS :<br />
http://quake.wr.usgs.gov/research/geology/mongolia98/previous.html
• Quand on pousse la déformation élastique trop loin, la <strong>roche</strong><br />
peut faire deux choses. Elle peut casser, comme dans<br />
l’exemple du tremblement de terre. On dit d’un matériau qui<br />
ne montre pas de déformation après avoir cassé qu’il est<br />
fragile. Le verre et l’acier d’un couteau de chasse sont<br />
fragiles <strong>à</strong> la température ambiante.<br />
• Elle peut aussi commencer <strong>à</strong> se dé<strong>forme</strong>r de façon<br />
permanente ou plastique. On dit d’un matériau capable de<br />
subir une grosse déformation plastique avant de casser qu’il<br />
est ductile. La ductilité est donc l’opposé de la fragilité. La<br />
pâte <strong>à</strong> modeler et l’acier de structure sont ductiles <strong>à</strong> la<br />
température ambiante.<br />
Cette <strong>roche</strong> était<br />
ductile quand elle a<br />
été plissée.
Déformation plastique<br />
Forces appliquées<br />
Déformation<br />
élastique<br />
Fragile (séisme)
La transition fragile-ductile<br />
• Les <strong>roche</strong>s se comportent un peu comme le verre. Près de<br />
la surface de la terre, elles sont froides, fragiles et rigides.<br />
Plus elles sont en profondeur, plus elles sont chaudes,<br />
ductiles et molles.<br />
• Si on comprime une strate de <strong>roche</strong> relativement fragile et<br />
rigide, la <strong>roche</strong> ne se dé<strong>forme</strong> pas de façon intime, mais la<br />
strate finit par casser ou par plier (par le jeu d’une multitude<br />
de cassures).<br />
• Mais, si on comprime une strate de <strong>roche</strong> ductile et molle, la<br />
<strong>roche</strong> elle-même se dé<strong>forme</strong> (par aplatissement-glissement),<br />
et la strate ne fait que subir et montrer ces <strong>changement</strong>s.<br />
• Dans une situation donnée, cette transition d’un<br />
comportement fragile <strong>à</strong> un comportement ductile a lieu pour<br />
chaque type de <strong>roche</strong> <strong>à</strong> une profondeur qui lui est propre. Il<br />
n’est donc pas rare de voir les deux comportements l’un <strong>à</strong><br />
côté de l’autre : <strong>roche</strong> fragile qui a cassé et <strong>roche</strong> ductile qui<br />
s’est déformée.
Réponse fragile <strong>à</strong> une<br />
compression : chaque strate<br />
a conservé son épaisseur et<br />
a plié en cassant et en<br />
glissant sur les autres<br />
strates.<br />
Réponse ductile <strong>à</strong> une<br />
compression : l’épaisseur<br />
varie le long de chaque<br />
strate et les strates ne sont<br />
pas cassées.<br />
Photo W. B. Hamilton,<br />
USGS
Question<br />
Strate de<br />
grès<br />
Cette ancienne <strong>roche</strong><br />
sédimentaire a été<br />
comprimée alors qu’un<br />
type de strate était rigide<br />
et l’autre mou. Qui est<br />
qui ? Comment le savezvous<br />
?<br />
Partie d’une photo de<br />
Pierre Thomas, site<br />
Planet-Terre<br />
Strate de shale<br />
Réponse : Les strates de grès fragiles ont conservé leur<br />
épaisseur et ont cassé. Elles ont pu fléchir parce que le shale<br />
ductile s’est ajusté <strong>à</strong> leur <strong>forme</strong> : les strates de shale ont donc<br />
maintenant une épaisseur variable. (Les lignes dans le shale<br />
sont une schistosité créée par l’aplatissement <strong>–</strong> voir après.)
Roches métamorphiques feuilletées<br />
• Le métamorphisme orogénique donne des marbres, des<br />
quartzites, des amphibolites… et aussi des <strong>roche</strong>s<br />
métamorphiques dont la texture montre des traces<br />
d’aplatissement (ou d’étirement) ductile. Leurs minéraux<br />
sont en effet orientés ou séparés en bandes.<br />
• Nous allons décrire une série de telles <strong>roche</strong>s qui naissent<br />
de la transformation des <strong>roche</strong>s sédimentaires détritiques <strong>à</strong><br />
grain fin, les shales et les siltstones.<br />
• Avec l’accroissement de la température et de la pression,<br />
on obtient successivement de l’ardoise, du schiste et du<br />
gneiss.<br />
• Dans l’ardoise, les argiles se trans<strong>forme</strong>nt en micas<br />
minuscules qui se développent perpendiculairement <strong>à</strong> la<br />
direction de la compression. Cet arrangement parallèle des<br />
micas permet de débiter l’ardoise en plaques de surface<br />
assez lisse, qu’on utilise pour recouvrir les toits dans<br />
beaucoup de pays.
Ardoise<br />
Photo du U.S. Geological Survey :<br />
http://pubs.usgs.gov/of/2002/of02-437/gallery.htm<br />
compression
• Dans le schiste, la transformation est poussée plus loin. Les<br />
micas et autres minéraux en feuillets ou en baguettes<br />
deviennent visibles <strong>à</strong> l’œil nu et donnent <strong>à</strong> la <strong>roche</strong> un aspect<br />
de croûte de tarte feuilletée.<br />
• Souvent, certains nouveaux minéraux sont beaucoup plus<br />
gros que les autres, les grenats notamment, et le schiste a<br />
une texture porphyroblastique. C’est la cousine<br />
métamorphique de la texture porphyrique des <strong>roche</strong>s ignées.<br />
grenat<br />
Texture<br />
porphyroblastique<br />
d’un schiste<br />
mica
Schistosité<br />
• Le feuilletage très particulier des ardoises et des schistes<br />
se nomme schistosité de flux. La schistosité se développe<br />
<strong>à</strong> peu près perpendiculairement <strong>à</strong> la direction de<br />
compression et elle accompagne l’aplatissement de la<br />
<strong>roche</strong>. La <strong>roche</strong> se comporte en effet comme la crème<br />
d’un mille-feuille qui s’écoule (ou flue) par les côtés quand<br />
on pèse sur la pâtisserie.<br />
Belle schistosité qui a été<br />
ultérieurement plissée
• Quand des lits d’une <strong>roche</strong> rigide s’intercalent entre des lits<br />
ductiles qui développent une schistosité de flux, les lits<br />
fragiles doivent accommoder le raccourcissement par flexion.<br />
Cette flexion se fait au prix d’une multitude de fractures qui<br />
<strong>forme</strong>nt parfois un réseau organisé qui donne un clivage de<br />
fracture. Entre les fractures, la <strong>roche</strong> n’est pas transformée ;<br />
la schistosité, elle, affecte la <strong>roche</strong> intimement.<br />
• La schistosité de flux et le clivage de fracture créent de<br />
nombreux chemins qu’utilise l’eau pour se déplacer dans un<br />
massif <strong>roche</strong>ux.<br />
Clivage de fracture du lit<br />
fragile (les fractures sont<br />
remplies de calcite blanche)<br />
pli<br />
Schistosité du lit ductile<br />
Photo de Maurice Gidon, site Geol-Alp
Le gneiss Lit clair Lit sombre<br />
• Dans le gneiss, les nouveaux<br />
minéraux formés sont gros,<br />
comme dans un granite <strong>à</strong> grain<br />
grossier. Parce qu’il y a une<br />
séparation de ces minéraux, le<br />
feuilletage prend la <strong>forme</strong><br />
d’une alternance de lits clairs<br />
(quartz, feldspaths) et de lits<br />
sombres (micas, amphiboles).<br />
On parle dans ce cas de<br />
foliation (comme dans unifolié,<br />
le drapeau canadien <strong>à</strong> une<br />
feuille d’érable). La foliation,<br />
comme la schistosité, est<br />
perpendiculaire <strong>à</strong> la direction<br />
de compression.
Question<br />
Schistosité<br />
www.geology.ohio-state.edu<br />
Dans quel direction la <strong>roche</strong><br />
a-t-elle été comprimée pour<br />
fléchir ainsi ? Cela a-t-il eu<br />
lieu en surface ? Voyez-vous<br />
une schistosité qui<br />
accompagne le pli ?<br />
Réponse : Les lignes<br />
parallèles sont le signe d’un<br />
aplatissement de la <strong>roche</strong><br />
(schistosité). Ces lignes et la<br />
<strong>forme</strong> du pli nous permettent<br />
de trouver le sens de la<br />
compression. La schistosité<br />
nous dit aussi que la <strong>roche</strong><br />
était ductile lors du<br />
plissement, donc située <strong>à</strong><br />
quelques km de profondeur.
• La série ardoise-schiste-gneiss s’arrête avec le gneiss parce<br />
que la <strong>roche</strong> commence <strong>à</strong> fondre partiellement si sa<br />
température augmente encore. On obtient alors une<br />
migmatite (= <strong>roche</strong> mélangée).<br />
• Une partie de la <strong>roche</strong> est formée du gneiss d’origine. L’autre<br />
partie, toujours plus claire, est un granite issu de la fusion du<br />
gneiss et du lent refroidissement du liquide ainsi formé.<br />
Migmatite<br />
Zone qui a ramolli<br />
et qui s’est plissée<br />
= gneiss<br />
Zone qui a fondu,<br />
puis cristallisé =<br />
granite<br />
La migmatite
Le métamorphisme cataclastique<br />
• Comme dernier exemple, nous considérons le<br />
métamorphisme local qui a lieu <strong>à</strong> la frontière entre deux<br />
blocs <strong>roche</strong>ux qui glissent l’un contre l’autre : zone de faille<br />
ou base d’une nappe de charriage.<br />
• La <strong>roche</strong> coincée entre les deux blocs peut se faire<br />
progressivement broyer, si elle est fragile. La cimentation<br />
des débris donne alors un type de brèche qu’on nomme<br />
<strong>roche</strong> cataclastique. Clastique signifie formé de débris et<br />
cata devrait vous faire penser <strong>à</strong> catastrophe.<br />
• Si elle est ductile, la <strong>roche</strong> coincée entre les deux blocs va<br />
plutôt se trans<strong>forme</strong>r en mylonite. Dans ce cas, la <strong>roche</strong> ne<br />
se casse jamais, mais ses minéraux se réorganisent et lui<br />
permettent de se dé<strong>forme</strong>r. Il faut penser que cela a lieu <strong>à</strong><br />
chaud, avec une forte pression qui empêche la <strong>roche</strong> de se<br />
séparer.<br />
• Mylonite vient du mot grec pour moulin (mill en anglais),<br />
pour rappeler son origine. C’est une <strong>roche</strong> dure qui<br />
possède, comme le gneiss, une foliation.
Couche de <strong>roche</strong> broyée<br />
Nappe de charriage
Affleurement de mylonite. Notez la foliation.<br />
Photo : Rocks of NW Scotland par Waters, Lamb et McAvoy :<br />
http://www.earth.ox.ac.uk/~oesis/nws/nws-home.html