L'univers de la géologie

Histoire de la Terre et de la vie – Actualités géologiques

Le système terrestre

Le métamorphisme

Schiste des Ardennes daté du Cambrien.

Plus on s’enfonce à l’intérieur de la Terre et plus les roches qui se trouvent au-dessus de soi exercent une pression élevée. Ce n’est pas difficile à comprendre. Quand on est à 1 000 m de profondeur, on a 1 000 m de roches qui pèsent sur soi. Cette pression est qualifiée de lithostatique, du grec lithos « pierre ». Je rappelle la définition précise de la pression : c’est la force agissant sur un corps par unité de surface. L’unité de force est le newton. L’unité de pression est le pascal, un pascal étant égal à une force d’un newton exercée sur une surface plane d’un mètre carré. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique moyenne est de 101 325 Pa ou de 1 013,25 hPa (hectopascals), ce qui a été défini comme une atmosphère. Cette unité est presque égale à un bar, lequel vaut 100 000 Pa. On utilise aussi, de manière plus parlante, le kilogramme par centimètre carré, kg/cm². Il faudrait préciser, mais on ne le fait généralement pas, qu’il s’agit d’un kilogramme-force : un poids et non une masse. La définition est 1 kg/cm² = 98 066,5 Pa. Ainsi, une atmosphère est égale à 1,013 25 bar ou à 1,033 kg/cm².

À l’intérieur de la croûte continentale, la pression lithostatique augmente d’un kilobar (kbar, 1 000 bars) tous les 3,5 à 4 km. Elle dépend évidemment de la densité des roches qui se trouvent au-dessus du point considéré. Cela fait qu’à un kilomètre de profondeur, on subit une pression comprise entre 254,7 et 291,3 kg/cm². Sous les océans, l’augmentation est d’un kbar tous les 3,3 km parce que les roches de la croûte océanique sont plus denses que celles de la croûte continentale.

Dans de telles conditions, comment font les mineurs pour creuser des galeries ? C’est parce que les roches qui servent de voûte opposent une résistance à cette pression. On peut les aider en faisant un soutènement. Il y a une profondeur, estimée à 5 km, au-delà de laquelle il n’est plus possible de creuser. La mine Tau Tona en Afrique du Sud atteint 3,9 km de profondeur. Au-delà de 5 km, il ne peut plus exister que des fissures dans les roches et des pores. Ce sont des vides entre les grains qui constituent ces roches. Ces grains sont des minéraux qui ont une structure cristalline, comme le granite, constitué de grains de quartz, de feldspath et de mica.

Les minéraux sont sensibles à la pression. Il existe des seuils au-delà desquels ils commencent à se transformer. À cela, s’ajoute la température, qui augmente elle aussi avec la profondeur. Sous les continents, elle s’accroît de 20 à 30 °C par kilomètre, mais il peut y avoir d’importantes variations locales. C’est le gradient géothermique. La transformation des roches sous l’effet de la pression et de la température s’appelle le métamorphisme. Il faut insister sur le fait que les roches ne fondent pas et que la transformation se fait donc à l’état solide. Les domaines de pression et de température qui sont classiquement considérés vont jusqu’à 14 kbar et 900 °C. Cette pression correspond à une profondeur minimale de 46 km.

Des expériences sont faites en laboratoire grâce à des appareils qu’on appelle des presses. Ils permettent de soumettre des échantillons à des pressions et des températures voulues et à regarder ce qu’ils deviennent. Un bon exemple est fourni par le silicate d’alumine Al₂SiO₅, qui peut exister sous trois formes, l’andalousite, la sillimanite et le disthène. Ils se distinguent par leurs structures cristallines, qui dépend de la pression et de la température auxquels ils ont été soumis. On dit que ce sont des polymorphes. À 5 kbar et 550 °C, ils peuvent tous les trois coexister. Si l’on augmente la pression, il ne reste plus que le disthène. Si l’on augmente la température, il ne reste plus que la sillimanite. Ainsi, la présence de disthène dans une roche implique qu’elle a été soumise à de hautes pressions. À des températures dépassant 700 °C et des pressions comprises entre 5 et 10 kbar, la muscovite (mica blanc) et le quartz réagissent pour former du feldspath potassique, de la sillimanite et un liquide silicaté.

Éclogite de Norvège. Wikimedia Commons, domaine public.

On peut ainsi comprendre que l’examen d’une roche métamorphique permet d’évaluer les pressions et les températures auxquelles elle a été soumise. Les plus fréquentes sont les schistes et les gneiss. Le marbre n’est autre que du calcaire métamorphisé. Je vais plutôt m’intéresser à une roche belle et rare, l’éclogite. L’échantillon de la photo provient de Norvège. Les cristaux rouges sont des grenats. Les minéraux verts sont des omphacites ; ils appartiennent la famille des pyroxènes. Tous sont des silicates, c’est-à-dire qu’ils sont constitués d’oxydes de silicium, comme la plupart des roches de la Terre, et contrairement au calcaire, qui est un carbonate. L’éclogite peut également contenir du quartz, un mica blanc appelé phengite, apparenté à la muscovite, ainsi que du disthène. La présence de ce dernier montre que l’éclogite a connu de hautes pressions. De fait, cette roche se forme à des pressions supérieures à 10 kbar et à des températures supérieures à 500 °C. Elle a la même composition chimique que le basalte et le gabbro, qui sont les roches des croûtes océaniques. Elles ont la particularité d’être assez pauvres en silice SiO₂, contrairement aux granites. Cela explique l’apparition du grenat, qui est également pauvre en silice. La présence du quartz, qui est de la silice cristallisée, provient de l’albite, un feldspath sodique. Il se décompose sous les hautes pressions en jadéite (un pyroxène plus connu sous le nom de jade) et en quartz.

Les éclogites proviennent de la subduction. Une plaque océanique s’enfonce sous une autre plaque, continentale ou océanique, à la vitesse de quelques centimètres par an. Sa croûte est soumise à des températures et surtout des pressions croissantes. Elle est d’abord métamorphisée en schiste bleu, puis en éclogite. La densité de cette roche est de 3,4 à 3,5. Elle est supérieure à celle de toutes les roches environnantes, si bien qu’elle s’enfonce sous son propre poids. Cela devient le moteur de la subduction. Mais il peut arriver qu’un événement tectonique fasse remonter cette croûte métamorphisée, si bien que les éclogites, enfouies à une profondeur minimale de 30 km, sont poussées vers la surface. Cela se produit rarement, c’est pourquoi ces roches sont peu fréquentes. On ne les trouve que dans les complexes ophiolitiques, c’est-à-dire aux endroits où une plaque océanique a été poussée sur un continent. Il y en a au mont Viso dans les Alpes italiennes, dans le massif des Hohe Tauern en Autriche, dans la Forêt Noire en Allemagne, en Norvège et en Californie.

Le trajet de ces roches est représenté dans le diagramme température-pression. C’est la courbe supérieure, qui aboutit à un domaine haute pression – basse température (High P, Low T). Elle frôle la limite inférieure du gradient géothermique parce que les zones de subduction sont les zones les plus « froides » de la croûte et du manteau supérieur. On a aussi représenté les domaines de stabilité du disthène (ou kyanite) Ky, de l’andalousite And et de la sillimanite Sill.

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