Le métamorphisme est le processus par lequel une roche déjà formée change de minéralogie, de texture et parfois de composition chimique, sans passer par un liquide magmatique. Ce premier chapitre pose la définition du métamorphisme, précise ses limites avec la diagenèse et l'anatexie, et introduit la notion de protolithe. Ces définitions reviennent systématiquement en début d'examen, souvent sous forme de question de cours ou de QCM.
1. Définition du métamorphisme
Étymologiquement, méta signifie changement et morphê la forme. Le métamorphisme désigne l'ensemble des transformations minéralogiques, texturales et structurales que subit une roche à l'état solide, en réponse à des changements de pression, de température et de déformation, éventuellement accompagnés d'un transport de matière par des fluides. Le caractère à l'état solide est le point essentiel de la définition : il distingue le métamorphisme du magmatisme, où la roche passe par un état fondu.
Ces transformations tendent à faire évoluer la roche vers un nouvel équilibre mieux adapté aux nouvelles conditions physiques. La roche métamorphique résultante garde souvent la trace, dans sa texture ou dans certains minéraux reliques, de la roche dont elle dérive : c'est ce qui permet au pétrologue de reconstituer son histoire.
2. Les limites du domaine métamorphique
Le métamorphisme occupe un domaine de pression et de température intermédiaire entre deux processus voisins. À basse température, la limite inférieure est fixée par la diagenèse, ensemble des transformations physico-chimiques qui affectent un sédiment lors de son enfouissement (compaction, cimentation, néoformation de minéraux argileux) et qui aboutissent à la roche sédimentaire consolidée. Le passage de la diagenèse au métamorphisme est graduel : il correspond conventionnellement à l'apparition des premiers minéraux authentiquement métamorphiques, comme les micas blancs bien cristallisés dans les ardoises.
À l'autre extrémité, la limite supérieure est fixée par le début de la fusion partielle, appelée anatexie. Lorsque la température devient suffisamment élevée, en particulier en présence d'eau, les minéraux les plus fusibles de la roche commencent à fondre : on quitte alors le domaine du métamorphisme pour celui du magmatisme. Les roches situées à cette frontière, mi-métamorphiques mi-magmatiques, sont appelées migmatites.
3. Le protolithe
On appelle protolithe la roche initiale, sédimentaire, magmatique ou même déjà métamorphique, à partir de laquelle se forme une roche métamorphique donnée. Le protolithe détermine en grande partie la composition chimique de la roche métamorphique, et donc les minéraux susceptibles de s'y former : une argile (métapélite) et un basalte (métabasite) évoluent vers des cortèges minéralogiques très différents sous les mêmes conditions de pression et de température, puisque le métamorphisme, dans son sens le plus courant, ne change pas la composition chimique globale de la roche.
4. Métamorphisme isochimique et allochimique
Dans la grande majorité des cas, le métamorphisme est dit isochimique (ou topochimique) : la composition chimique globale de la roche reste constante, seuls les minéraux se réorganisent pour former de nouvelles phases plus stables. Lorsque des fluides circulent en quantité importante et apportent ou exportent des éléments chimiques, on parle de métasomatose : le métamorphisme devient alors allochimique. Ce cas particulier, souvent lié à la circulation de fluides le long de zones de faille ou au contact d'intrusions, sera détaillé avec les variétés de métamorphisme.
5. Les agents du métamorphisme
Trois grands agents contrôlent le métamorphisme : la pression, la température et la déformation (contrainte non hydrostatique), auxquels s'ajoute le rôle des fluides qui catalysent les réactions et facilitent le transport de matière. Le chapitre suivant détaille chacun de ces facteurs et leur influence conjointe sur la nature des roches produites.
Ensemble des transformations minéralogiques, texturales et structurales subies par une roche à l'état solide, sous l'effet de changements de pression, de température et de déformation.
Roche initiale (sédimentaire, magmatique ou métamorphique) à partir de laquelle se forme, par métamorphisme, une roche métamorphique donnée.
Début de fusion partielle d'une roche métamorphique lorsque la température devient trop élevée pour le domaine du solide : elle marque la limite supérieure du métamorphisme.
| Diagenèse | Métamorphisme | Anatexie | |
|---|---|---|---|
| État de la roche | Sédiment en cours de consolidation | Roche solide, recristallisée | Début de fusion partielle |
| Températures | Faibles | Intermédiaires | Élevées |
| Processus dominant | Compaction, cimentation | Réactions à l'état solide | Fusion des phases les plus fusibles |
| Roches types | Roche sédimentaire consolidée | Ardoise, schiste, gneiss | Migmatite |
Diagenèse, métamorphisme et anatexie : les trois domaines à distinguer
- Le métamorphisme transforme une roche à l'état solide sous l'effet de la pression, de la température et de la déformation.
- Sa limite inférieure est la diagenèse ; sa limite supérieure est l'anatexie (début de fusion partielle).
- Le protolithe est la roche de départ : il conditionne la composition chimique et donc les minéraux possibles.
- Le métamorphisme isochimique conserve la composition globale ; la métasomatose (allochimique) l'altère par apport ou export d'éléments.
- Migmatite = roche à la frontière entre métamorphisme et magmatisme, partiellement fondue.
Les facultés marocaines demandent très souvent de définir le métamorphisme en une phrase complète (état solide, P-T, déformation) et de situer ses limites par rapport à la diagenèse et à l'anatexie. Piège classique : oublier de préciser « à l'état solide », qui est le critère qui distingue le métamorphisme du magmatisme. Sache aussi distinguer clairement protolithe (roche de départ) de roche métamorphique (roche d'arrivée).