Les métapélites, issues d'argiles métamorphisées, constituent le protolithe de référence pour étudier la progression du métamorphisme régional, car leur composition chimique riche en aluminium leur permet de développer une longue séquence de minéraux index successifs. Ce chapitre reprend en détail cette séquence, la compare à d'autres types de métamorphisme régional, et introduit le diagramme AFM utilisé pour représenter les paragenèses des métapélites.
1. Les métapélites : un protolithe argileux
Les métapélites dérivent de roches sédimentaires alumineuses (argiles, pélites) riches en minéraux argileux et en oxydes d'aluminium, de fer et de magnésium. Cette composition chimique particulière, pauvre en calcium et riche en aluminium par rapport aux métabasites, favorise la cristallisation d'une longue succession de minéraux index au cours du métamorphisme progressif, ce qui en fait le protolithe le plus utilisé pour cartographier des zones et des isogrades.
2. La séquence de Barrow
En reprenant le travail de terrain de George Barrow dans les Highlands écossais, la séquence classique de degré métamorphique croissant pour une métapélite s'établit ainsi : la roche sédimentaire argileuse (shale) devient d'abord une ardoise (apparition de la muscovite, mica blanc qui donne à la roche son éclat satiné), puis, en franchissant l'isograde de la chlorite, un schiste vert à chlorite. Avec l'augmentation du degré métamorphique apparaissent successivement la biotite, puis le grenat (almandin), la staurotide, le disthène et enfin la sillimanite, chacun marquant le franchissement d'un nouvel isograde et donc d'une nouvelle zone métamorphique.
Cette séquence chlorite → biotite → grenat → staurotide → disthène → sillimanite correspond à un gradient géothermique moyen, typique d'un métamorphisme régional de collision continentale : on parle de séquence ou de série barrovienne. Le passage d'une zone à l'autre s'accompagne en général d'une augmentation de la taille des grains et d'une transformation progressive de la texture, de la schistosité fine de l'ardoise à la texture porphyroblastique du micaschiste à grenat, puis au rubanement du gneiss.
3. Barrovien, Buchan et autres types de métamorphisme régional
Toutes les séquences métamorphiques régionales ne suivent pas le modèle barrovien. Le type Buchan (ou Abukuma, du nom d'une région japonaise), correspondant à un gradient géothermique plus élevé (P/T plus faible), fait apparaître préférentiellement l'andalousite et la cordiérite à basse pression, sans passer nécessairement par le disthène. La comparaison entre les deux séries repose essentiellement sur la stabilité relative des silicates d'alumine : le disthène caractérise les hautes pressions (type barrovien), l'andalousite les basses pressions (type Buchan), la sillimanite apparaissant dans les deux cas aux plus hautes températures.
4. Les silicates d'alumine comme géobaromètres
Le disthène (ou cyanite), l'andalousite et la sillimanite partagent tous trois la formule chimique Al₂SiO₅ mais possèdent des structures cristallines distinctes, chacune stable dans un domaine de pression et de température particulier : le disthène est stable aux hautes pressions, l'andalousite aux basses pressions et températures modérées, la sillimanite aux hautes températures. Ces trois minéraux sont donc de précieux indicateurs (géobaromètres et géothermomètres qualitatifs) des conditions atteintes par une roche métamorphique, et leur coexistence, rare, marque un point triple sur le diagramme pression-température.
5. Le diagramme AFM appliqué aux métapélites
Pour représenter les paragenèses des métapélites, riches en aluminium (A), fer (F) et magnésium (M), les pétrologues utilisent le diagramme AFM, une projection triangulaire simplifiée de la composition chimique de la roche et de ses minéraux. Ce diagramme, propre à chaque zone métamorphique (donc à chaque assemblage stable), permet de visualiser graphiquement quels minéraux peuvent coexister à l'équilibre pour une composition de roche donnée, et d'expliquer pourquoi deux métapélites de composition légèrement différente, soumises aux mêmes conditions P-T, peuvent développer des assemblages minéralogiques distincts.
Roche métamorphique issue d'un protolithe argileux (pélite), riche en aluminium, utilisée comme référence pour cartographier les zones et isogrades métamorphiques.
Groupe de trois polymorphes de formule Al₂SiO₅ (disthène, andalousite, sillimanite), chacun stable dans un domaine de pression et température distinct.
Portion de terrain délimitée par deux isogrades successifs, caractérisée par un assemblage minéral et un minéral index communs.
| Zone (minéral index) | Roche typique | Degré métamorphique |
|---|---|---|
| Chlorite | Schiste vert / ardoise | Très faible |
| Biotite | Schiste à biotite | Faible |
| Grenat | Micaschiste à grenat | Moyen |
| Staurotide | Micaschiste à staurotide | Moyen à élevé |
| Disthène | Micaschiste à disthène | Élevé |
| Sillimanite | Gneiss à sillimanite | Très élevé |
Séquence barrovienne des métapélites
- Séquence barrovienne des métapélites : chlorite → biotite → grenat → staurotide → disthène → sillimanite.
- Type barrovien (gradient moyen, disthène) vs type Buchan-Abukuma (gradient élevé, andalousite et cordiérite).
- Les trois silicates d'alumine Al₂SiO₅ (disthène, andalousite, sillimanite) sont des indicateurs de pression et température.
- Diagramme AFM (aluminium-fer-magnésium) : projection utilisée pour représenter les paragenèses stables des métapélites.
- Chaque zone métamorphique correspond à un assemblage minéral typique nommé d'après son minéral index.
Les examens de S5 demandent très souvent de reproduire de mémoire la séquence barrovienne complète des métapélites et de préciser quel silicate d'alumine domine dans un type barrovien versus un type Buchan. Piège classique : inverser disthène (haute pression) et andalousite (basse pression), ou oublier que la sillimanite apparaît dans les deux séries à haute température. Le diagramme AFM est parfois demandé sous forme de schéma simplifié à annoter.