Notice Aspect microscopique des roches métamorphiques ... - Pierron

NoticeAspect microscopiquedes rochesmétamorphiques (1)Réf. 18622Présentation1. IntroductionFace à l'introduction de nouveaux programmes de géologie dans les établissements d'enseignement secondaire,poussant de plus en plus à l'abstraction, aux recommandations qui nous sont faites de recourir autant que possible au"concret", et surtout aux problèmes financiers et matériels rencontrés par la plupart de nos laboratoires de SciencesNaturelles, force nous est de constater que le matériel d'étude et les documents exploitables individuellement au coursde séances de TP de géologie font défauts dans bon nombre d'établissements.Sans avoir la prétention de répondre à tous les besoins (en particulier en ce qui concerne les rochessédimentaires si originales sur le plan local), il nous est apparu que la réalisation de documents microphotographiquesde bonne qualité, pouvant compléter ou éventuellement se substituer à l'observation directe de lames minces aumicroscope polarisant (si peu accessible financièrement), combinés à quelques documents photocopiables adaptés,pouvaient, d'une certaine manière, pallier à certaines lacunes en matière de support pratique d'enseignement de lagéologie, tout en restant très abordables sur le plan financier.En nous gardant de rechercher à imposer une démarche pédagogique précise, nous avons cependant suggéré, çaet là, quelques idées d'exploitation, d'autres s'imposant d'elles-mêmes, de par la nature des documents : déterminationsimplifiée des minéraux à partir des 2 planches de références, dessins ou schémas d'interprétation, études comparatives,compléments à l'étude macroscopique d'échantillons etc..., l'exploitation des documents-élèves permettant un gain detemps et de facilité d'utilisation évidents.Il va de soi que, dans bon nombre de cas ces documents ne sauraient être considérés comme exhaustifs, etsurtout pas se substituer aux autres moyens d'étude dont disposent habituellement les géologues : il n'est pasconcevable, en tant que géologue, de ne s'intéresser qu'à l'aspect microscopique des roches pour obtenir unecompréhension globale des phénomènes géologiques.Notre souhait reste, avant tout, de contribuer à ce que nos collègues puissent trouver, à travers cette palette dedocuments, un matériel susceptible de les aider dans leur tâche, parfois peu évidente, de transmission de notionscomplexes à un public jeune et mal préparé mais également de montrer que l'observation microscopiques des rochesconstitue un moyen d'étude privilégié, permettant de reconstituer, au moins dans leurs grandes lignes, les étapes de lagenèse des roches.2. RemerciementsNous tenons à remercier les chercheurs de la Faculté de Géologie de NANCY I pour la gentillesse, ladisponibilité qu'ils nous ont témoignées pendant de nombreux mois, et sans lesquels la réalisation de cette série demicrophotographies n'aurait été possible.Réf. 186221

NOTICENos remerciements s'adressent tout simplement à M. le Professeur B.HAGUENAUER, à Mlle M.HANZO,MM. A.DESMET et M. DURAND, pour le prêt de lames minces de roches et les critiques constructives qu'ils ontformulées pour la partie consacrée aux roches sédimentaires et volcaniques.Enfin, ce long travail n'aurait jamais pu aboutir sans le soutien, les conseils et le dévouement constants de M.M.DESCHAMPS, qui a bien voulu relier la majeure partie du manuscrit et y apporter ses remarques enrichissantes etconstructives, et m'ouvrir les yeux sur la réalité géologique, qui dépasse très largement en complexité les tentatives desystématisation et de simplification qui parcourent nos ouvrages d'enseignement. Qu'il en soir très vivement remercié.H.C.Commentaires des diapositives1. Avertissement préalableContrairement aux diapositives 1 à 4, les microphotographies 5 à 8 ne correspondent pas à une même sériemétaphorique, mais à des exemples ponctuels agencés de manière à mieux faire appréhender la notion demétamorphisme régional. Le choix des lames minces a donc privilégié, dans ce cas précis, la didactique au profit de laréalité géologique, trop complexe dans les détails pour des élèves de collège. Nous sommes pleinement conscients desproblèmes et critiques que ce choix pourrait susciter, mais nous avons voulu garder à l'esprit que, dans ce domaineparticulier des Sciences de la Terre, il faut commencer par savoir rester accessible avant de pouvoir aborder desnotions complexes.2. Vues 1 à 4 : Illustration de metamorphisme de contactL'exemple choisi est celui du métamorphisme des schistes de Steige (Vosges) au contact du granite du Hohwald(Champ du Feu).2.1. Vue n° 1 : Schiste de Steige ou Schiste «Lie-de-vin» (L.POL) (×10)Roche constituée en grande partie de minéraux phylliteux et d'une faible proportion d'éléments quartzeux fins,ayant déjà subi un léger métamorphisme régional (en lumière naturelle, on pourrait distinguer une schistosité peumarquée, oblique par rapport au litage sédimentaire).2.2. Vue n° 2 : Schiste tacheté (L.POL) (×10)Schiste constitué en grande partie de micas blancs en très petits cristaux et de petites taches noirâtres composéesd'andalousite et de cordiérite ± altérées, colorées en noir par des matières charbonneuses. Les petits cristauxgéométriques noirs correspondent à de la magnétite. Les taches sombres augmentent en nombre et diamètre au fur àmesure où l'on s'approche du massif granitique.2.3. Vue n° 3 : Cornéenne (L.POL) (×10)Roche entièrement recristallisée, très dure, à cristaux de micas blanc et noir, de quartz, de cordiérite etd'andalousite (cristaux à l'état de trame) fortement engrenés et enchevêtrés, située au contact du granite. On peutencore distinguer quelques cristaux de magnétite ± disséminés.2.4. Vue n° 4 : «Granite» du Hohwald (L.POL) (×3)Granite intrusif à biotite, hornblende, plagioclases, orthose, et quartz. En réalité, il s'agit d'une granodiorite(= sorte de granite à quartz peu abondant et plagioclases nettement plus abondants que l'orthose).Réf. 186222

NOTICEDe ces quelques observations, il est possible de tirer une définition du métamorphisme de contact :Ensemble de transformations de la structure et de la composition minéralogique d'une roche, à l'état solide,sans apport ni départ de matière, sous l'action de la chaleur, et induisant l'apparition de minéraux stables auxnouvelles conditions imposées à la roche.3. Vues 5 à 8 : illustration du métamorphisme général3.1. Vue n° 5 : Pelite greseuse (L.POL) (×2)Roche sédimentaire détritique à grains fins, constituée essentiellement de minéraux argileux, de très petitsgrains de quartz et de micas. Cette roche présente une fine lamination horizontale, conséquence d'une sédimentationalternée d'éléments plus ou moins fins selon les périodes.3.2. Vue n° 6 : Micaschiste à 2 micas (L.POL) (×3)Roche métamorphique à grain moyen, à schistosité marquée (ne correspondant pas forcément à unestratification originelle), permettant un débit en lames au lamelles à l'échelle de l'échantillon.On peut reconnaître sur cette microphoto :- des cristaux de quartz abondants et irréguliers- des cristaux aplatis de biotite et de muscovite souvent juxtaposés.3.3. Vue n° 7 : Gneiss à sillimanite (L.POL) (×3)Roche métamorphique à grain moyen, à foliation nette caractérisée par une alternance de lits sombres riches enminéraux ferromagnésiens et de lits clairs à feldspaths et quartz.Dans cette vue, on peut reconnaître facilement :- Quartz et feldspaths regroupés dans les lits clairs- des cristaux de biotite de petite taille- des petits grenats- des gerbes très nettes de sillimanite constituant des alignements ± parallèles à la foliation.Remarque : Ce silicate d'alumine anhydre constitue un minéral-repère important (voir diagramme de stabilité desminéraux – index du métamorphisme)3.4. Vue n° 8 : Granite d'anatexie (L.POL) (×3)Roche magmatique grenue à Quartz, feldspaths-plagioclases et potassiques abondants, biotite, et muscovite (laprésence des 2 micas est l'un des critères de détermination des granites d'anatexie).Réf. 18622• La comparaison des microphotos 6 et 7 peut montrer plusieurs faits importants ; si l'on s'en tient auraisonnement simplifié suivant :1. ces 2 roches n'ont pas une structure homogène, donc ce ne sont pas des roches plutoniques.2. elles sont entièrement cristallisées : (pas de verre) ⇒ elles ne sont pas volcaniques.3. elles ne contiennent pas de fossiles, et ne semblent pas résulter du dépôt de particules détritiques ou de laprécipitation directe de sels dissous : ce ne sont pas des roches sédimentaires.(En revanche, les roches initiales appartiennent nécessairement à l'une de ces 3 catégories. Cependant,leur structure primitive a été totalement effacée par le métamorphisme).4. par contre, elles sont marquées par une foliation, les cristaux de micas, en particulier, étant disposés à platselon des plans parallèles. Cette orientation privilégiée selon un plan s'est faite sous l'action de4

NOTICEcontraintes dirigées perpendiculairement au plan de foliation. Ces contraintes ont dû s'exercer au momentde la formation des cristaux : la roche a donc subi un aplatissement à l'état solide : ces transformationssont vraisemblablement dues au métamorphisme.5. dans le gneiss, on observe des minéraux particuliers (grenats, sillimanite) absents des rochessédimentaires ou magmatiques, mais spécifiques des roches métamorphiques.⇒ Micaschiste et gneiss sont donc bien des roches métamorphiques.• Facteurs responsables de ce métamorphisme.L'observation d'une carte géologique de la France montre que les roches métamorphiques sont localisées dans lesmassifs montagneux; en particulier dans les massifs anciens profondément érodés : ceci indique qu'il existe un lienentre métamorphisme et orogenèse, autrement dit:- entre métamorphisme et déformation des roches- entre métamorphisme et enfouissement des roches.Les facteurs principaux de ce métamorphisme sont bien la pression et la température.1) La presion (P)L'enfouissement des roches les soumet à des fortes pressions lithostatiques, la pression augmentant avec laprofondeur (≈ 0,25 kbar par km). Mais cette pression de charge est la même dans toutes les directions de l'espace etne peut, par conséquent, être responsable de la foliation, car elle est isotrope. Elle est en revanche responsable destransformations minéralogiques : toute augmentation de P favorise les réactions qui tendent à faire diminuer levolume (voir exemple de réaction dans 2).La foliation de la roche est due à une croissance des minéraux selon une direction préférentielle liée auxcontraintes tectoniques.2) La température (T)Elle augmente en moyenne de 30° C par km de profondeur (avec des variations entre 10 et 50° C/km) et correspond augradient géothermique. L'enfouissement des roches conduit donc à leur échauffement. Toute augmentation detempérature favorise les réactions endothermiques (ex: déshydratation entraînant la disparition des minérauxhydroxylés).- Exemple classique de réaction chimique endothermique favorisée à la fois par l'augmentation detempérature de l'augmentation de pression.P et T ↑muscovite + quartz orthose + sillimanite + eau• Intensité du métamorphismeElle est donnée par des minéraux stables dans certains domaines de pression et température (= champs stabilité),comme les silicates d'alumine anhydres* : ANDALOUSITE – SILLIMANITE – DISTHENE.doc.3 Diagramme de stabilité des minéraux – index* dumétamorphisme5

NOTICEandalousiteT ↑sillimaniteAl 2 SiO 5 T ↓ Al 2 SiO 5Changement de minéralogie à chimisme (A→B)* La présence de tel ou tel minéral (index ou non) dans une roche permet d'affirmer que la roche a été soumise à destempératures et pressions auxquelles ce minéral est stable.* L'absence de ce même minéral indique :- soit que la roche n'a pas atteint le domaine de stabilité de ce minéral- soit que le chimisme de la roche n'était pas favorable à sa formation.• Le micaschiste et le gneiss représentent bien, dans le cas étudié ici, 2 étapes d'un métamorphisme croissant :- les minéraux argileux contribuent à la formation de biotite et muscovite.- l'association quartz-muscovite évolue en sillimanite et feldspath potassique, lorsque les conditionsphysiques deviennent plus draconiennes.A l'extrême, la roche gneissique subit d'abord une fusion partielle (migmatisation), puis plus poussée (anatexie) si lesconditions P et T sont favorables.doc.4 Evolution possible d'une roche argilo-gréseuse (sédimentaire) soumise à un métamorphisme croissantRéf. 18622• Les observations de terrain montrent parfois un passage continu entre certains termes de cette série :(argiles → schistes → micaschistes → gneiss → migmatites → granite d'anatexie) que l'on interprète comme destransformations progressives liées à l'enfouissement, donc avec augmentation de température et de pression. Cesobservations ont été recoupées par des expériences de laboratoire où des argilites, soumises à des T et R importantes,ont donné un mélange fondu de composition granitique.• L'anatexie peut être définie comme le processus par lequel des roches du métamorphisme général,contenant quartz et feldspaths, exposées à des températures (> 700°C) et pressions de plus en plus élevées, subissent6

NOTICEune fusion partielle donnant un liquide de composition granitique. La cristallisation lente de celui-ci donnera ungranite d'anatexie.Remarque 1 : La présence fréquente de minéraux d'origine métamorphique et d'enclaves gneissiques révèle l'origine dece type de granite.Remarque 2 : Lorsque la fusion reste limitée, on observe des roches très hétérogènes (migmatites) comportant unefraction d'aspect granitique, partiellement fondue puis recristallisée, et une fraction d'aspect gneissique (résidu plusréfractaire à la fusion).En résumé, la notion de métamorphisme pourrait être généralisée ainsi :Le métamorphisme correspond à l'adaptation minérale etstructurale des roches solides à des conditions physicochimiquesdifférentes de celles dans lesquelles elles setrouvaient initialement.4. Vues 9 à 12 : illustration du diagramme de stabilité des silicatesd'alumine anhydres (voir doc.3)4.1. Vue n° 9 : Andalousite (L.POL) (×10)Silicate d'alumine anhydre caractéristique des roches métamorphiques de température modérées et de bassespressions. Ce minéral est fréquent dans le métamorphisme de contact.On observe ici un cristal amiboïde (donc xénomorphe d'andalousite en position d'extinction, dans unmicaschiste.4.2. Vue n° 10 : Sillimanite (L.POL) (×25)En baguette (formant souvent des gerbes) : silicate d'alumine anhydre des roches métamorphiques de hautestempératures. Ce minéral ne présente qu'une seule direction de clivage.4.3. Vue n° 11 : Disthène (L.POL) (×10)Silicate d'alumine anhydre caractéristique des roches métamorphiques de haute pression – 2 directions declivages perpendiculaires.4.4. Vue n° 12 : détail de migmatite (L.POL) (×1)Roche à la limite des roches métamorphiques catazonales et des magmatiques. La genèse des migmatites estdue à un phénomène de fusion partielle : certaines parties de la roches fondent, donnant un magma de compositiongranitique (appelé mobilisat), alors que d'autres, enrichies en minéraux réfractaires (ferromagnésiens), restentsolides (= restite).En réalité, les migmatites s'identifient mieux à l'échelle de l'affleurement, et se reconnaissent par l'association d'uncomposant granitique et d'un composant gneissique.La microphotographie, à peine agrandie par rapport à la réalité, représente une migmatite affectée par unedéformation souple. Les lits clairs (quartz, feldspaths) constituent le mobilisat. Les lits plus sombres, riches en biotiteet silicates d'alumine constituent les restites.NOTETous les exemples utilisés ici concernent des roches d'origines sédimentaires, et plus précisément d'anciennes rochesargileuses (silico-alumineuse), mais il est nécessaire de garder présent à l'esprit que le métamorphisme de rochesd'origines ou de compositions différentes conduirait à des produits très différents (voir série n°2).7

NOTICERéf. 18622PIERRON Education - Parc Industriel Sud - Z.I. Gutenberg - 2, rue Gutenberg - B.P. 80609- 57206 SARREGUEMINES CEDEXTél. : 0 825 37 38 39 Fax : 03 87 98 45 91 - Courriel : education-france@pierron.fr - http://www.pierron.com8