Géologie physique

Tous les processus importants du métamorphisme que nous connaissons peuvent être directement liés aux processus géologiques causés par la tectonique des plaques. Les relations entre la tectonique des plaques et le métamorphisme sont résumées dans la figure 7.14 et plus en détail dans les figures 7.15, 7.16, 7.17 et 7.19.

La plupart des métamorphismes régionaux ont lieu au sein de la croûte continentale. Alors que les roches peuvent être métamorphisées en profondeur dans la plupart des régions, le potentiel de métamorphisme est le plus important dans les racines des chaînes de montagnes où il existe une forte probabilité d’enfouissement de roches sédimentaires relativement jeunes à de grandes profondeurs, comme le montre la figure 7.15. Un exemple serait la chaîne de l’Himalaya. À cette frontière convergente continent-continent, les roches sédimentaires ont été à la fois poussées jusqu’à de grandes hauteurs (près de 9 000 m d’altitude) et enfouies à de grandes profondeurs. Considérant que le gradient géothermique normal (le taux d’augmentation de la température avec la profondeur) est d’environ 30 ° C par kilomètre, les roches enfouies à 9 km sous le niveau de la mer dans cette situation pourraient être proches de 18 km sous la surface du sol, et il est raisonnable de s’attendre à des températures allant jusqu’à 500 ° C. Les roches métamorphiques qui s’y sont formées sont susceptibles d’être foliées en raison de la forte pression directionnelle des plaques convergentes.

Sur une dorsale océanique, la croûte océanique récemment formée de gabbro et de basalte s’éloigne lentement de la limite de la plaque (figure 7.16). L’eau dans la croûte est forcée de monter dans la zone proche de la source de chaleur volcanique, ce qui attire plus d’eau de plus loin, ce qui crée finalement un système convectif où l’eau de mer froide est aspirée dans la croûte, puis à nouveau sur le fond marin près de la crête. Le passage de cette eau à travers la croûte océanique à 200 ° à 300 ° C favorise des réactions métamorphiques qui transforment le pyroxène d’origine dans la roche en chlorite et en serpentine. Parce que ce métamorphisme a lieu à des températures bien inférieures à la température à laquelle la roche s’est formée à l’origine (~ 1200 ° C), il est connu sous le nom de métamorphisme rétrograde. La roche qui se forme de cette manière est connue sous le nom de pierre verte si elle n’est pas foliée, ou de pierre verte si elle l’est. Le chlorite ((Mg5Al) (AlSi3) O10 (OH) 8) et la serpentine ((Mg, Fe) 3Si2O5 (OH) 4) sont tous deux des « minéraux hydratés », ce qui signifie qu’ils contiennent de l’eau (sous forme d’OH) dans leurs formules chimiques. Lorsque la croûte océanique métamorphisée est subduite plus tard, la chlorite et la serpentine sont converties en nouveaux minéraux non hydratés (p. ex., grenat et pyroxène) et l’eau libérée migre dans le manteau sus-jacent, où elle contribue à la fusion du flux (chapitre 3, section 3.2).

Dans une zone de subduction, la croûte océanique est enfoncée dans le manteau chaud. Mais comme la croûte océanique est maintenant relativement fraîche, en particulier le long de la surface supérieure du fond marin, elle ne se réchauffe pas rapidement et la roche de subduction reste plusieurs centaines de degrés plus froide que le manteau environnant (Figure 7.17). Un type particulier de métamorphisme a lieu dans ces conditions de très haute pression mais de température relativement basse, produisant un minéral amphibole appelé glaucophane (Na2 (Mg3Al2) Si8O22 (OH) 2), qui est de couleur bleue et est un composant majeur d’une roche appelée blueschist.

Si vous n’avez jamais vu ou même entendu parler de blueschist, ce n’est pas surprenant. Ce qui est surprenant, c’est que tout le monde l’a vu! La plupart des blueschistes se forment dans les zones de subduction, continuent d’être subduites, se transforment en éclogite à environ 35 km de profondeur, puis finissent par s’enfoncer profondément dans le manteau — pour ne plus jamais être revus. Dans quelques endroits seulement dans le monde, où le processus de subduction a été interrompu par un processus tectonique, la roche blueschist partiellement subductée est revenue à la surface. L’un de ces endroits est la région autour de San Francisco; le rocher est connu sous le nom de Complexe franciscain (Figure 7.18).

Le magma est produit à des limites convergentes et s’élève vers la surface, où il peut former des corps de magma dans la partie supérieure de la croûte. De tels corps de magma, à des températures d’environ 1000 °C, réchauffent la roche environnante, entraînant un métamorphisme de contact (figure 7.19). Comme cela se produit à des profondeurs relativement faibles, en l’absence de pression dirigée, la roche résultante ne développe normalement pas de foliation. La zone de métamorphisme de contact autour d’une intrusion est très petite (typiquement des mètres à des dizaines de mètres) par rapport à l’étendue du métamorphisme régional dans d’autres contextes (des dizaines de milliers de kilomètres carrés).

Le métamorphisme régional a également lieu dans les chaînes de montagnes à arc volcanique, et en raison de la chaleur supplémentaire associée au volcanisme, le gradient géothermique est généralement un peu plus raide dans ces milieux (quelque part entre 40 ° et 50 ° C / km). Par conséquent, des degrés de métamorphisme plus élevés peuvent se produire plus près de la surface que dans d’autres régions (figure 7.19).

Une autre façon de comprendre le métamorphisme est d’utiliser un diagramme qui montre la température sur un axe et la profondeur (ce qui équivaut à la pression) sur l’autre (figure 7.20). Les trois lignes pointillées sur ce diagramme représentent les gradients géothermiques de la Terre dans différentes conditions. Dans la plupart des régions, le taux d’augmentation de la température avec la profondeur est de 30 ° C / km. En d’autres termes, si vous descendez 1 000 m dans une mine, la température sera d’environ 30 ° C plus chaude que la température moyenne à la surface. Dans la plupart des régions du sud du Canada, la température moyenne de surface est d’environ 10 ° C, donc à 1 000 m de profondeur, il fera environ 40 ° C. C’est une chaleur inconfortable, de sorte que les mines profondes doivent avoir des systèmes de ventilation efficaces. Ce gradient géothermique typique est illustré par la ligne en pointillés verts de la figure 7.20. À 10 km de profondeur, la température est d’environ 300°C et à 20 km, elle est d’environ 600°C.

Dans les zones volcaniques, le gradient géothermique est plutôt de 40 à 50 ° C / km, de sorte que la température à 10 km de profondeur est comprise entre 400 et 500 ° C. Le long des zones de subduction, comme décrit ci-dessus, la croûte océanique froide maintient des températures basses, de sorte que le gradient est généralement inférieur à 10 ° C / km. Les différents types de métamorphisme décrits ci-dessus sont représentés sur la figure 7.20 avec les mêmes lettres (a à e) utilisées sur les figures 7.14 à 7.17 et 7.19.

A titre d’exemple, si l’on regarde le métamorphisme régional dans des zones à gradients géothermiques typiques, on voit que l’enfouissement dans la plage de 5 km à 10 km nous place dans la zone minérale zéolite et argileuse (voir Figure 7.20), ce qui équivaut à la formation d’ardoise. A 10 km à 15 km, nous sommes dans la zone de schistes verts (où la chlorite se formerait dans la roche volcanique mafique) et des micas très fins se formeraient dans le mudrock, pour produire de la phyllite. À 15 km à 20 km, des micas plus gros se forment pour produire du schiste, et à 20 km à 25 km, des amphiboles, du feldspath et du quartz se forment pour produire du gneiss. Au-delà de 25 km de profondeur dans ce cadre, nous traversons la ligne de fusion partielle pour le granite (ou gneiss) avec de l’eau présente, et nous pouvons donc nous attendre à ce que de la migmatite se forme.