Karamö, le prof virtuelLeçon 10 sur 19
Les roches métamorphiques
Je sais expliquer comment une roche se transforme à l'état solide sous l'effet de la température et de la pression, distinguer métamorphisme de contact et métamorphisme régional, et reconnaître les principales roches métamorphiques.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir le métamorphisme et ses facteurs (température, pression, fluides)
- Distinguer métamorphisme de contact et métamorphisme régional
- Décrire la série argile, schiste, micaschiste, gneiss, migmatite et d'autres transformations (grès en quartzite, calcaire en marbre)
- Calculer la température et la pression en profondeur à partir d'un gradient
Avant de commencer : Les leçons « Les roches », « Les roches magmatiques » et « Étude du granite » (cycle des roches, pluton, anatexie) ; en physique, la pression (P = ρ × g × h).
1Je découvre
Dans une carrière de la région de Macenta, Sékou observe une roche étonnante : des bandes blanches et des bandes noires, parfois tordues comme si la roche avait été pétrie comme de la pâte. Pourtant, elle est dure comme du granite. Son professeur lui explique que c'est un gneiss, et que cette roche était peut-être, il y a plus de deux milliards d'années, une simple couche d'argile ou un granite.
Plus tard, dans un livre sur les monts Nimba, Sékou lit que le minerai de fer de ces montagnes est un « quartzite ferrugineux », une roche transformée. Il se demande comment une roche peut changer de nature sans fondre, et pourquoi on la retrouve aujourd'hui en surface.
Qu'est-ce que le métamorphisme, quels facteurs le provoquent, et comment reconnaître les roches métamorphiques ?
2Je comprends
1. Définition du métamorphisme
Le métamorphisme (du grec méta, changement, et morphê, forme) est l'ensemble des transformations que subit une roche à l'état solide, sans fusion, lorsqu'elle est soumise à des conditions de température et de pression différentes de celles de sa formation.
La roche de départ s'appelle la roche mère (ou protolithe) ; la roche obtenue est une roche métamorphique. Au cours du métamorphisme :
- la composition chimique globale de la roche reste à peu près la même (à l'exception de l'eau et des gaz qui peuvent s'échapper) ;
- les minéraux changent : certains disparaissent, de nouveaux minéraux apparaissent, stables dans les nouvelles conditions (grenat, staurotide, disthène, sillimanite…) ;
- la texture change : les minéraux recristallisent, grossissent et, sous l'effet de la pression, s'orientent.
Si la température devient assez élevée pour que la roche commence à fondre, on sort du métamorphisme : c'est l'anatexie, qui mène au magmatisme.
2. Les facteurs du métamorphisme
La température. Elle augmente avec la profondeur : c'est le gradient géothermique, en moyenne de l'ordre de 30 °C par kilomètre dans la croûte continentale. Elle augmente aussi au voisinage d'un magma.
La pression. Une roche enfouie supporte le poids des roches qui la recouvrent : c'est la pression lithostatique, égale dans toutes les directions : P = ρ × g × h. Dans les chaînes de montagnes, s'ajoutent des contraintes orientées (compression dans une direction) qui aplatissent la roche et orientent ses minéraux.
Les fluides. L'eau chaude qui circule entre les grains accélère les réactions entre minéraux.
Le temps. Les transformations sont très lentes : des millions d'années.
Exemple
Calcule la température et la pression lithostatique à 15 km de profondeur. On prend : température en surface 25 °C, gradient 30 °C/km, masse volumique moyenne des roches 2 700 kg/m³, g = 10 N/kg.
Température : T = 25 + 30 × 15 = 25 + 450 = 475 °C.
Pression : P = ρ × g × h = 2 700 × 10 × 15 000 = 405 000 000 Pa.
P = 4,05 × 10^8 Pa, soit environ 4 000 fois la pression atmosphérique (environ 1 × 10^5 Pa).
À cette profondeur, une argile se transforme en micaschiste.
3. Les deux grands types de métamorphisme
Le métamorphisme de contact (ou thermique) se produit autour d'une intrusion de magma (un pluton de granite, par exemple). La chaleur du magma « cuit » les roches voisines. Il est dû surtout à la température, la pression restant faible. Il touche une zone de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres autour du pluton : l'auréole de métamorphisme. Les roches formées, appelées cornéennes, sont dures, à grain fin, non orientées (pas de pression dirigée).
Le métamorphisme régional (ou général) touche des régions entières, sur des centaines de kilomètres, surtout lors de la formation des chaînes de montagnes, quand les roches sont enfouies profondément et comprimées. Il est dû à la fois à la température et à la pression, avec des contraintes orientées. Les roches formées sont orientées : elles présentent une schistosité ou une foliation.
- Autour d'une intrusion de magma
- Surtout la température
- Zone limitée : auréole
- Roches non orientées (cornéennes)
- Sur de vastes régions (chaînes de montagnes)
- Température et pression
- Zone très étendue
- Roches orientées (schistes, gneiss)
4. Les textures des roches métamorphiques
- La schistosité : la roche se débite en feuillets plans et parallèles, dus à l'alignement des minéraux plats (micas) perpendiculairement à la compression. Exemple : le schiste, l'ardoise.
- La foliation : les minéraux se regroupent en lits alternés clairs (quartz, feldspaths) et sombres (biotite, amphibole). Exemple : le gneiss.
- La texture non orientée (granoblastique) : cristaux engrenés sans orientation, lorsque la roche est faite surtout d'un seul minéral ou qu'il n'y a pas de pression dirigée. Exemples : le quartzite, le marbre, la cornéenne.
5. Une série métamorphique : de l'argile au gneiss
Une même roche mère donne des roches différentes selon l'intensité du métamorphisme. Partons d'une argile (roche sédimentaire) enfouie de plus en plus profondément :
- 1Argile (roche sédimentaire) : minéraux argileux très fins
- 2Schiste ou ardoise : feuillets fins, micas microscopiques (métamorphisme faible)
- 3Micaschiste : feuillets brillants de micas visibles, parfois des grenats
- 4Gneiss : lits clairs (quartz, feldspaths) et sombres (biotite) alternés, gros cristaux
- 5Migmatite : début de fusion, filets de granite dans le gneiss ; au-delà, anatexie
Plus le métamorphisme est intense, plus les cristaux sont gros et plus apparaissent des minéraux de haute température. La présence de certains minéraux, dits minéraux index, indique l'intensité du métamorphisme : la chlorite (faible), la biotite, le grenat, puis la staurotide, le disthène et la sillimanite (fort).
6. D'autres transformations
| Roche mère | Roche métamorphique | Caractères |
|---|---|---|
| Grès (quartz) | quartzite | très dure, grains de quartz soudés et recristallisés, se casse à travers les grains |
| Calcaire (calcite) | marbre | cristaux de calcite engrenés, effervescence à l'acide |
| Argile | schiste, micaschiste, gneiss | feuillets puis lits |
| Basalte, gabbro | amphibolite | sombre, riche en amphibole |
| Granite | gneiss (orthogneiss) | lits clairs et sombres |
| Sédiment riche en fer et en silice (formation ferrifère rubanée) | quartzite ferrugineux (itabirite) | lits de quartz et d'oxydes de fer alternés |
Méthode
Pour reconnaître une roche métamorphique et retrouver sa roche mère :
- Je cherche une orientation : feuillets (schistosité), lits alternés (foliation), ou aucune.
- J'identifie les minéraux : micas, quartz, feldspaths, calcite, grenat, oxydes de fer.
- Je teste l'acide : effervescence = marbre (roche mère calcaire).
- J'estime l'intensité du métamorphisme : taille des cristaux, minéraux index.
- Je propose la roche mère en utilisant le tableau des transformations.
Exemple
Une roche dure, blanche, faite de grains de quartz soudés si fortement qu'elle se casse à travers les grains et non autour. Pas d'effervescence, pas de feuillets. Nomme-la et retrouve sa roche mère.
Pas d'orientation, un seul minéral (quartz) recristallisé : texture non orientée.
La cassure traverse les grains : ils sont soudés par recristallisation, et non par un ciment comme dans un grès.
C'est un quartzite ; sa roche mère est un grès quartzeux.
7. Les roches métamorphiques en Guinée
Une grande partie du sous-sol de Guinée forestière et de Haute-Guinée appartient à un socle ancien métamorphisé : gneiss, migmatites, micaschistes, amphibolites et quartzites. Ces roches racontent la formation de très anciennes chaînes de montagnes, aujourd'hui complètement arasées par l'érosion.
Les monts Nimba et la chaîne du Simandou contiennent des quartzites ferrugineux (itabirites), faits de lits de quartz et d'oxydes de fer (hématite, magnétite). Ils constituent d'importants gisements de fer. De même, les schistes de Haute-Guinée sont traversés de filons de quartz porteurs d'or.
3Je retiens
Je retiens
Métamorphisme : transformation d'une roche à l'état solide (sans fusion) sous l'effet de la température, de la pression et des fluides.
La composition chimique globale change peu ; les minéraux et la texture changent (recristallisation, nouveaux minéraux, orientation).
Métamorphisme de contact : autour d'un magma, surtout la température, roches non orientées (cornéennes) dans une auréole.
Métamorphisme régional : vastes régions, température et pression, roches orientées (schistosité, foliation).
Série de l'argile : schiste, micaschiste, gneiss, migmatite, puis anatexie ; grès donne quartzite ; calcaire donne marbre.
Gradient géothermique moyen : environ 30 °C/km ; pression lithostatique P = ρ × g × h.
En Guinée : gneiss et micaschistes du socle ; quartzites ferrugineux (fer) des monts Nimba et du Simandou.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le métamorphisme fait fondre la roche : il se fait à l'état solide ; la fusion (anatexie) marque sa limite.
- Confondre les couches d'une roche sédimentaire et la foliation d'un gneiss : les couches viennent du dépôt, les lits du gneiss de la recristallisation sous pression.
- Confondre grès et quartzite : le grès se casse autour des grains (ciment), le quartzite à travers les grains (recristallisation).
- Oublier de convertir les kilomètres en mètres dans P = ρ × g × h : h doit être en mètres pour obtenir des pascals.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis le métamorphisme et cite ses facteurs.
b) Qu'est-ce qu'une auréole de métamorphisme ?
c) Donne la différence entre schistosité et foliation.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Le métamorphisme est l'ensemble des transformations subies par une roche à l'état solide, sans fusion, sous l'effet de nouvelles conditions de température et de pression. Ses facteurs sont la température, la pression (lithostatique et orientée), les fluides et le temps.
b) C'est la zone de roches transformées par la chaleur d'une intrusion de magma, autour de celle-ci, sur quelques centaines de mètres à quelques kilomètres.
c) La schistosité est le débit de la roche en feuillets plans parallèles, dus à l'alignement des minéraux plats. La foliation est l'alternance de lits de minéraux clairs et de minéraux sombres, comme dans le gneiss.
2Exercice 2
Recopie et complète : roche mère, roche métamorphique.
a) calcaire → … ; b) grès → … ; c) argile → … → … → gneiss ; d) basalte → … ; e) sédiment rubané riche en silice et en fer → …
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a) marbre ; b) quartzite ; c) schiste, micaschiste ; d) amphibolite ; e) quartzite ferrugineux (itabirite).
3Exercice 3
Avec un gradient de 30 °C/km, une température de surface de 25 °C, ρ = 2 700 kg/m³ et g = 10 N/kg :
a) calcule la température et la pression à 20 km de profondeur ;
b) à quelle profondeur la température atteint-elle 700 °C ? (valeur à laquelle certaines roches commencent à fondre en présence d'eau)
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a) T = 25 + 30 × 20 = 25 + 600 = 625 °C. P = 2 700 × 10 × 20 000 = 540 000 000 Pa, soit 5,4 × 108 Pa.
b) 25 + 30 × h = 700, donc 30 × h = 675 et h = 675 ÷ 30 = 22,5 km.
4Exercice 4
On étudie les roches autour d'un pluton de granite. Au contact du granite, on trouve une roche très dure, sombre, à grain fin, non orientée. À 3 km du pluton, on trouve une argile normale.
a) Quel type de métamorphisme observe-t-on ? Justifie.
b) Nomme la roche au contact du granite et explique pourquoi elle n'est pas orientée.
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a) C'est un métamorphisme de contact : la transformation n'existe qu'au voisinage du pluton et disparaît à distance (l'argile est intacte à 3 km). Elle est due à la chaleur du magma.
b) C'est une cornéenne. Elle n'est pas orientée car le métamorphisme de contact est surtout thermique : il n'y a pas de pression dirigée pour aligner les minéraux.
5Exercice 5
(Type composition) Sékou a trouvé à Macenta un gneiss à lits clairs et sombres plissés. Rédige un paragraphe d'une douzaine de lignes expliquant l'histoire possible de cette roche depuis une argile, en utilisant : enfouissement, température, pression, recristallisation, micaschiste, foliation, érosion.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Exemple de réponse : À l'origine, une couche d'argile s'est déposée au fond d'un bassin. Recouverte par d'autres sédiments, puis prise dans la formation d'une chaîne de montagnes, elle a subi un enfouissement de plus en plus profond. La température et la pression ont augmenté, et la compression a été orientée. À l'état solide, les minéraux argileux ont recristallisé : l'argile est devenue un schiste à feuillets fins, puis un micaschiste aux micas bien visibles. Avec un métamorphisme encore plus intense, les minéraux se sont regroupés en lits clairs de quartz et de feldspaths et en lits sombres de biotite : c'est la foliation du gneiss. Les compressions ont plissé ces lits. Enfin, pendant des centaines de millions d'années, le soulèvement et l'érosion ont enlevé les roches qui recouvraient le gneiss, qui affleure aujourd'hui à Macenta.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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