Roche métamorphique

Roche métamorphique, toute classe de roches résultant de l’altération de roches préexistantes en réponse à des conditions environnementales changeantes, telles que les variations de température, de pression et de contraintes mécaniques, et l’addition ou la soustraction de composants chimiques. Les roches préexistantes peuvent être des roches ignées, sédimentaires ou d’autres roches métamorphiques.

Le mot métamorphisme est tiré du grec pour « changement de forme”; les roches métamorphiques sont dérivées de roches ignées ou sédimentaires qui ont modifié leur forme (recristallisées) à la suite de changements dans leur environnement physique. Le métamorphisme comprend des changements à la fois dans la minéralogie et dans le tissu de la roche d’origine. En général, ces altérations sont provoquées soit par l’intrusion de magma chaud dans les roches environnantes plus froides (métamorphisme de contact), soit par des mouvements tectoniques à grande échelle des plaques lithosphériques terrestres qui modifient les conditions pression-température des roches (métamorphisme régional ; voir aussi tectonique des plaques). Les minéraux de la roche d’origine, ou protolithe, réagissent aux conditions changeantes en réagissant les uns avec les autres pour produire un nouvel assemblage minéral qui est thermodynamiquement stable dans les nouvelles conditions pression-température. Ces réactions se produisent à l’état solide mais peuvent être facilitées par la présence d’une phase fluide tapissant les joints de grains des minéraux. Contrairement à la formation de roches ignées, les roches métamorphiques ne cristallisent pas à partir d’une fusion de silicates, bien que le métamorphisme à haute température puisse entraîner une fusion partielle de la roche hôte.

Parce que le métamorphisme représente une réponse aux conditions physiques changeantes, les régions de la surface de la Terre où les processus dynamiques sont les plus actifs seront également des régions où les processus métamorphiques sont les plus intenses et facilement observés. La vaste région de la marge du Pacifique, par exemple, avec son activité sismique et volcanique, est également une zone dans laquelle les matériaux sont enterrés et métamorphosés intensément. En général, les marges des continents et des régions de construction de montagne sont les régions où les processus métamorphiques se déroulent avec intensité. Mais dans des endroits relativement calmes, où les sédiments s’accumulent à des vitesses lentes, des changements moins spectaculaires se produisent également en réponse aux changements de pression et de température. Les roches métamorphiques sont donc réparties dans toute la colonne géologique.

Comme la majeure partie du manteau terrestre est solide, des processus métamorphiques peuvent également s’y produire. Les roches du manteau sont rarement observées à la surface car elles sont trop denses pour s’élever, mais parfois un aperçu est présenté par leur inclusion dans des matériaux volcaniques. Ces roches peuvent représenter des échantillons d’une profondeur de quelques centaines de kilomètres, où des pressions d’environ 100 kilobars (3 millions de pouces de mercure) peuvent fonctionner. Des expériences à haute pression ont montré que peu de minéraux communs présents à la surface survivront en profondeur dans le manteau sans passer à de nouvelles phases à haute densité, dans lesquelles les atomes sont plus étroitement liés. Ainsi, la forme commune de SiO2, le quartz, avec une densité de 2,65 grammes par cm cube (1,53 onces par pouce cube), se transforme en une nouvelle phase, la stishovite, avec une densité de 4,29 grammes par centimètre cube (2,48 onces par pouce cube). De tels changements sont d’une importance critique dans l’interprétation géophysique de l’intérieur de la Terre.

En général, les températures augmentent avec la profondeur de la Terre le long de courbes appelées géothermies. La forme spécifique de la géothermie sous n’importe quel endroit de la Terre est fonction de son régime tectonique local correspondant. Le métamorphisme peut se produire soit lorsqu’une roche se déplace d’une position à une autre le long d’une seule géothermie, soit lorsque la géothermie elle-même change de forme. La première peut avoir lieu lorsqu’une roche est enterrée ou soulevée à une vitesse qui lui permet de maintenir l’équilibre thermique avec son environnement. Ce type de métamorphisme se produit sous les bassins sédimentaires qui s’affaissent lentement et également dans la plaque océanique descendante dans certaines zones de subduction. Ce dernier processus se produit soit lorsque du magma chaud pénètre et modifie l’état thermique d’une roche stationnaire, soit lorsque la roche est rapidement transportée par des processus tectoniques (par exemple, faille de poussée ou plissement à grande échelle) dans un nouveau régime profondeur-température, par exemple, dans des zones de collision entre deux continents (voir aussi faille et pli). Quel que soit le processus qui se produit, il en résulte qu’une collection de minéraux thermodynamiquement stables aux conditions initiales est placée dans un nouvel ensemble de conditions auxquelles ils peuvent ou non être stables. S’ils ne sont plus en équilibre les uns avec les autres dans les nouvelles conditions, les minéraux réagiront de manière à approcher un nouvel état d’équilibre. Cela peut impliquer un changement complet de l’assemblage minéral ou simplement un changement dans les compositions des phases minérales préexistantes. L’assemblage minéral résultant reflétera la composition chimique de la roche d’origine et les nouvelles conditions pression-température auxquelles la roche a été soumise.

Comme les compositions des protolithes et les conditions pression-température dans lesquelles ils peuvent être placés varient considérablement, la diversité des types de roches métamorphiques est importante. Beaucoup de ces variétés sont associées à plusieurs reprises les unes aux autres dans l’espace et le temps, ce qui reflète une uniformité des processus géologiques sur des centaines de millions d’années. Par exemple, les associations de roches métamorphiques qui se sont développées dans les Appalaches de l’est de l’Amérique du Nord en réponse à la collision entre les plaques lithosphériques nord-américaine et africaine au cours de l’ère Paléozoïque (il y a 541 à 252 millions d’années) sont très similaires à celles qui se sont développées dans les Alpes du centre-sud de l’Europe lors de la collision entre les plaques européenne et africaine qui s’est produite au cours des époques Mésozoïque et Cénozoïque (il y a 252 millions d’années à nos jours). De même, les roches métamorphiques exposées dans les Alpes sont grossièrement similaires aux roches métamorphiques du même âge dans l’Himalaya d’Asie, qui se sont formées lors de la collision continentale entre les plaques indienne et eurasienne. Les roches métamorphiques produites lors des collisions entre plaques océaniques et continentales de différentes localités du monde présentent également des similitudes frappantes (voir métamorphisme régional ci-dessous), mais sont nettement différentes des roches métamorphiques produites lors des collisions continent-continent. Ainsi, il est souvent possible de reconstituer des événements tectoniques du passé sur la base d’associations de roches métamorphiques actuellement exposées à la surface de la Terre.