Roche métamorphique

La roche métamorphique est l'une des trois principales catégories de roches qui forment l'écorce terrestre, les deux autres sont les roches SÉDIMENTAIRES et IGNÉES. La roche métamorphique se caractérise par une transformation à l'état solide causée par la pression, la température et la déformation.

Grenat
Grenat riche en grossulaire provenant d'Asbestos, au Québec (avec la permission du Musée national des sciences naturelles).

Roche métamorphique

La roche métamorphique est l'une des trois principales catégories de roches qui forment l'écorce terrestre, les deux autres sont les roches SÉDIMENTAIRES et IGNÉES. La roche métamorphique se caractérise par une transformation à l'état solide causée par la pression, la température et la déformation. Le contenu MINÉRAL, les textures ou les structures d'origine, provenant d'un matériau originel sédimentaire ou igné sont modifiés, et la roche transformée possède les caractéristiques de pression, de température et de contrainte propres au processus métamorphique.

Les principaux facteurs de métamorphismes sont la température (T) et la pression (P). La recristallisation (transformation), fréquente à proximité des intrusions éruptives (remontées de magma sous la surface de la Terre) et provoquée par l'élévation de température, s'appelle « thermométamorphisme ». Lorsque la pression ou les forces mécaniques comme le cisaillement et le broyage le long d'une faille en sont la cause, il en résulte de la roche cataclastique (cassée en petites particules) ou mylonitisée (broyée). Ces roches se caractérisent par une forte diminution de la taille de leur grain. Lorsque la température et la pression agissent ensemble, les roches forment une toute nouvelle suite de minéraux et de textures (l'arrangement relatif des grains et des cristaux dans la roche). Ces processus surviennent à grande échelle dans les ceintures de montagnes qui se forment au lieu de rencontre de PLAQUES TECTONIQUES. Les roches métamorphiques qui en résultent se nomment parfois « dynamothermales » ou « métamorphiques régionales », en raison de leur présence sur des épaisseurs et des surfaces importantes.

Faciès des roches métamorphiques

Dans la nature, les conditions métamorphiques sont très diversifiées. La température peut varier entre moins de 100°C et plus de 1000°C, et la pression, entre quelques centaines de bars et plus de 150 000 bars. À l'intérieur de ces larges gammes de P-T, les roches recristallisent, formant de nouvelles associations minérales aux caractéristiques correspondantes à la P-T auxquelles elles ont été soumises. Cet ensemble de roches aux origines diverses, à la composition chimique distincte et contenant des minéraux formés à l'intérieur d'un intervalle restreint de P-T définissent le faciès de métamorphisme. Ces conditions de P-T varient graduellement, mais il est possible de reconnaître un nombre limité de faciès en se basant sur la présence ou l'absence de certains minéraux ou groupes de minéraux indicateurs. La frontière entre différents faciès de métamorphisme se trouve aux endroits où un certain groupe de minéraux a formé une nouvelle association caractéristique du nouveau faciès. Ces frontières entre faciès s'appellent isogrades de métamorphisme, ou lignes joignant des points de même faciès. Les roches qui ne contiennent pas les éléments chimiques nécessaires à la formation de minéraux indicateurs ne peuvent servir à reconnaître un faciès ou une frontière entre faciès.

Dans toute la gamme de degrés de métamorphisme, chaque type de roche d'origine sédimentaire ou ignée, selon sa propre composition chimique, produit des associations minérales caractéristiques qui permettent aux géologues de déduire les conditions de métamorphisme P-T. Ces minéraux « diagnostiques » diffèrent des minéraux de roches non métamorphiques. Ils résultent de réactions chimiques qui surviennent lorsque le changement de conditions déstabilise les minéraux d'origine, formés à basse température et à basse pression.

Types de faciès métamorphiques

La roche basaltique (une roche ignée) qui se métamorphose à basse température recristallise dans le faciès à zéolites à des températures inférieures à 225°C pour passer au faciès à prehnite et à pumpellyite avec une légère augmentation de pression et de température. Quand la température est supérieure à 275°C, la roche basaltique cristallise dans le faciès des schistes verts, nommé ainsi d'après la couleur de ses minéraux symptomatiques (le chlorite, l'actinolite et l'épidote). Au-dessus de 450°C environ, l'amphibole domine la minéralogie des roches du faciès des amphibolites. À une température dépassant 750°C, l'apparition d'orthopyroxène indique l'origine du faciès des granulites, nommé ainsi en raison de la texture granuleuse et grossière des roches.

Les roches basaltiques qui se métamorphosent à haute pression et à température relativement basse recristallisent (à basse température) dans le faciès des schistes bleus, nommé ainsi pour la spectaculaire glaucophane (amphibole bleue) qui se forme, et dans le faciès des éclogites (à température plus élevée). Les schistes bleus ne se retrouvent que dans les roches datant de 120 millions d'années. Ainsi, au Canada, elles se limitent à la Cordillère. Les écoglites aussi se restreignent généralement aux roches relativement jeunes. À ce jour, la seule exception se trouve dans le Bouclier canadien, dans le Nord de la Saskatchewan : les écoglites qu'on y a découverts récemment datent de l'archéen (plus de 2,5 milliards d'années). On reconnaît depuis qu'il se forme dans les zones de subduction, à des profondeurs extrêmes (où la pression dépasse les 150 000 bars), un nouveau faciès de roches métamorphiques à « pression ultra haute ». Les minéraux indicateurs de ce faciès sont des polymorphes de haute pression de minéraux communs. Lorsque la pression excède environ 17 kilobars, il se forme de la coésite plutôt que du quartz. Fait intéressant à noter, quand la pression excède 30 kilobars, il se forme des diamants microscopiques plutôt que du graphite.

 Les pélites ou mudstones, des roches riches en minéraux argileux et en feldspath, forment des minéraux métamorphiques importants et qui permettent aux géologues de déduire avec précision les conditions de P-T. Dans le faciès des schistes verts, la chlorite est l'un des premiers minéraux à se former. Elle est suivie de la biotite ou de la chloritoïde, puis du grenat. À basse température, le faciès des amphibolites se caractérise par l'andalousite, la cordiérite, puis la sillimanite. À une pression plus élevée, l'andalousite et la cordiérite font place à la staurolite et à la kyanite. Les pélites métamorphosées à la limite supérieure du faciès des amphibolites contiennent du feldspath potassique et de la sillimanite. De plus, elles contiennent des ségrégations de quartz et de feldspath, ce qui prouve qu'il y a eu cristallisation du granit en dissolution au moment de la fonte partielle de la pélite. À une température plus élevée, l'orthopyroxène apparaît dans le faciès des granulites. La série de spinelle, de quartz et saphirine et de quartz indique des températures plus hautes encore. Ces conditions surviennent rarement dans la croûte terrestre, mais on trouve plusieurs exemples d'associations de températures ultra élevées dans les zones granulitiques du Bouclier canadien précambrien.

Les calcaires et les dolomites impurs recristallisent en de très beaux marbres parsemés de divers silicates. Ces minéraux indiquent les conditions de P-T de formation et la composition des fluides métamorphiques (en grande partie des mélanges d'eau, de gaz carbonique et de méthane). Dans une séquence typique où la température va en augmentant, apparaît d'abord le talc, suivi de la trémolite, de la diopside, de la forstérite et de la wollastonite. D'importants dépôts à valeur économique se trouvent dans les skarns (du suédois, signifiant déchets stériles, marbre à texture grenue et grenatite) se formant autour des intrusions ignées où des fluides chauds pénètrent dans la roche calcaire encaissante.

Sous différents régimes tectoniques, il se produit des séquences distinctes de faciès métamorphiques sur un intervalle de température métamorphique. On reconnaît communément trois de ces séquences. À la frontière des plaques tectoniques convergentes, les roches de surface sont emportées rapidement à de grandes profondeurs, mais conservent leur température basse, menant ainsi à la formation d'une séquence de faciès de haute pression : faciès à zéolites, faciès des schistes à glaucophane et faciès des éclogites. À l'intérieur de la croûte continentale, près des zones de convergences de plaques tectoniques, la croûte s'épaissit et se réchauffe, ce qui mène à une séquence de faciès de pression moyenne : faciès des schistes verts, faciès des amphibolites (avec kyanite) et fusion partielle. À des profondeurs moins grandes dans l'écorce, dans des zones souvent associées aux intrusions éruptives et où le flux thermique est particulièrement intense, les conditions entraînent la formation d'une séquence de faciès de basse pression et de haute température qui se caractérisent par la séquence faciès des schistes verts, faciès des amphibolites (avec andalousite et cordiérite) et fusion partielle.

Le développement de thermomètres et de baromètres spécialisés (sensibles, respectivement, à la température et à la pression d'équilibre) calculent avec plus de précision le métamorphisme que l'observation des associations minérales. Un grand nombre de ces températures et pressions d'équilibre s'obtiennent directement au moyen d'expériences en laboratoire qui reproduisent les conditions de P-T des processus métamorphiques naturels. D'autres équilibres sont calculés grâce à une meilleure connaissance des propriétés thermodynamiques des minéraux. Avec ces calculs quantitatifs, combinés à des analyses pétrographiques ou texturales, les géologues sont en mesure de déterminer la séquence des conditions de P-T subies par une roche métamorphique sur une longue période de temps. Lorsque la pression maximale est atteinte, avant la température maximale, les processus d'épaississement de la croûte provoquent le métamorphisme. Les roches métamorphiques ayant atteint leur température maximale avant leur pression maximale se trouvent dans des milieux au flux thermique élevé, une grande partie de cette chaleur provenant souvent d'intrusions ignées.

Nomenclature des roches métamorphiques

Les roches métamorphiques portent des noms qui reflètent leur contenu minéral et leur degré de métamorphisme, ou faciès, mais aussi leur structure. Les roches qui se forment par thermométamorphisme ou métamorphisme de contact s'appellent cornéennes (de l'allemand horn, corne), par allusion à leur grain fin à cassure d'aspect corné. Ce type de roche se trouve en plusieurs endroits au Canada (près du corps minéralisé d'Amulet-Dufault dans la région de Noranda, au Québec) et dans le métamorphisme de contact des chaînes côtières de la Colombie-Britannique. Les gneiss (vieux mot allemand signifiant étincelle) sont des roches à grain grossier et à lits distincts constitués de minéraux de proportions diverses. Plusieurs gneiss se caractérisent par une foliation, soit des alignements de feuillets ou de couches de minéraux plats ou tabulaires (mica) ou de minéraux de forme allongée (hornblende).

Le schiste (du grec skhistos, qu'on peut fendre) est susceptible de se débiter en feuillets ou lames minces. Ce sont le mica et la chlorite qui lui donnent son aspect feuilleté. La phyllite (du grec phullas, lit de feuilles), une roche feuilletée à grain très fin, montre clairement l'alignement des plaques de minéraux, mais ses grains individuels se discernent difficilement à l'oeil nu. L'ardoise provient ordinairement de la pélite (shale ou boue consolidée) et se caractérise par un plan de clivage bien défini recoupant les couches de sédimentation originale. Les noms de textures cités plus haut s'appliquent à toutes les roches métamorphiques, peu importe leur composition ou leur nature originelle. Puisque n'importe quel type de roche peut se métamorphoser, divers adjectifs peuvent être accolés à leurs noms. La migmatite (du grec migma, mélange) est une roche métamorphique qui semble constituer un mélange, puisqu'une partie de son matériau s'est fusionné. Les gneiss migmatiques soumis à plusieurs épisodes de fort métamorphisme à haute température et pression sont fréquents dans le Bouclier canadien.

Les roches polymétamorphiques ont subi plusieurs épisodes de métamorphisme. Leur structure indique généralement leur évolution complexe. Des minéraux de périodes plus récentes se forment par-dessus les minéraux plus vieux, et la foliation provenant d'une période métamorphique plus ancienne peut se trouver à l'intérieur de porphyroblastes d'origine plus récente. Le porphyroblaste, un grain minéral formé à l'état solide dans une roche métamorphique, entoure et emprisonne des grains de minéraux formés précédemment.

Voir aussi RÉGIONS GÉOLOGIQUES.