Chaînes de montagnes, déformations et métamorphisme

Les chaînes de montagnes sont la conséquence la plus spectaculaire de la convergence des plaques. Ce chapitre décrit les déformations des roches (plis, failles, nappes), les grands types de chaînes et leur place dans le cycle de Wilson, puis le métamorphisme, transformation à l'état solide des roches entraînées en profondeur. Ces notions concluent le module en reliant tous les chapitres précédents, et les schémas de plis et de failles sont des classiques des contrôles.

1. Les déformations des roches : plis et failles

Soumises à des contraintes tectoniques, les roches se déforment de deux manières. En déformation ductile (roches chaudes, en profondeur, contraintes lentes), elles se plissent : un anticlinal est un pli convexe vers le haut dont le cœur contient les couches les plus anciennes, un synclinal est concave vers le haut, avec les couches les plus récentes au cœur. On décrit un pli par sa charnière, ses flancs et son plan axial ; on distingue plis droits, déjetés, déversés et couchés selon l'inclinaison de ce plan. En déformation cassante (roches froides, en surface, contraintes rapides), elles se fracturent : une faille est une cassure avec déplacement des blocs. La faille normale (le toit descend) traduit une extension et délimite les rifts ; la faille inverse (le toit monte) traduit une compression ; le décrochement est un coulissage horizontal. Une faille inverse à faible pendage est un chevauchement ; un ensemble de terrains transporté sur plusieurs kilomètres au-dessus d'un autre constitue une nappe de charriage, typique des chaînes de collision comme le Rif.

2. Les grands types de chaînes de montagnes

Les chaînes récentes se rangent en trois types selon la limite convergente qui les engendre. Les chaînes de subduction se forment sur la marge continentale active au-dessus d'une plaque océanique plongeante : cordillères volcaniques à andésites et batholites de granodiorite, comme les Andes. Les chaînes d'obduction résultent du charriage d'un morceau de lithosphère océanique sur une marge continentale : la chaîne porte alors des ophiolites (péridotites, gabbros, basaltes en coussins), comme en Oman. Les chaînes de collision, enfin, naissent de l'affrontement de deux lithosphères continentales après disparition de l'océan intermédiaire : croûte doublée d'épaisseur, plis, chevauchements, nappes, métamorphisme et granites d'anatexie ; la suture ophiolitique marque l'emplacement de l'océan disparu. L'Himalaya (Inde-Eurasie) et les Alpes (Afrique-Europe) en sont les modèles. Au Maroc, le Rif appartient à la chaîne alpine, le Haut Atlas est une chaîne intracontinentale née de l'inversion d'un ancien rift, et la Meseta conserve les traces de la chaîne hercynienne, plus ancienne (environ 300 Ma).

3. Cycle de Wilson et isostasie

Le cycle de Wilson décrit la vie d'un océan et enchaîne les contextes étudiés dans le module : rift continental (extension, failles normales, volcanisme), océan naissant (mer Rouge) puis océan mature à dorsale et marges passives (Atlantique), démarrage d'une subduction sur une marge devenue active (Pacifique), fermeture de l'océan et collision des continents (Himalaya), enfin érosion de la chaîne et retour à l'état de plate-forme stable, prête pour un nouveau rift. L'isostasie explique le relief : la lithosphère flotte en équilibre sur l'asthénosphère, comme un iceberg sur l'eau. Une chaîne haute possède une racine crustale profonde (modèle d'Airy, jusqu'à 70 km sous l'Himalaya) ; lorsque l'érosion allège la chaîne, celle-ci se soulève par rééquilibrage isostatique, ce qui ramène progressivement en surface des roches formées en profondeur, les roches métamorphiques.

4. Le métamorphisme : définition et facteurs

Le métamorphisme est l'ensemble des transformations minéralogiques et structurales subies par 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. Il se situe entre la diagenèse (au-delà d'environ 200 °C) et l'anatexie, début de fusion vers 650 à 700 °C, qui produit les migmatites. Les facteurs sont la température (gradient géothermique, proximité d'un magma), la pression lithostatique liée à l'enfouissement, les contraintes tectoniques orientées, qui créent la schistosité et la foliation (orientation planaire des minéraux), et les fluides, qui facilitent les réactions. Chaque couple pression-température stabilise des minéraux caractéristiques, les minéraux index (chlorite, biotite, grenat, staurotide, disthène, sillimanite pour les roches argileuses), regroupés en faciès : schistes verts, amphibolites, granulites pour les gradients moyens ; schistes bleus (glaucophane) et éclogites (grenat + jadéite) pour la haute pression et basse température des zones de subduction.

5. Types de métamorphisme et roches métamorphiques

Le métamorphisme de contact (ou thermique) affecte, sur quelques mètres à quelques centaines de mètres, les roches encaissantes chauffées par une intrusion magmatique : il produit des cornéennes, roches dures et non foliées, dans une auréole autour du pluton. Le métamorphisme régional (ou dynamo-thermique) affecte de vastes régions dans les chaînes de montagnes, sous l'effet conjugué de la pression, de la température et des contraintes : il engendre des roches foliées. À partir d'une argile, on obtient avec l'intensité croissante l'ardoise (schistosité fine), le schiste, le micaschiste (micas visibles, grenat) puis le gneiss (alternance de lits clairs de quartz-feldspaths et sombres de micas) et enfin la migmatite. Un calcaire donne un marbre, un grès un quartzite, un basalte ou un gabbro une amphibolite puis, en subduction, un schiste bleu et une éclogite. Le métamorphisme de subduction, de haute pression et basse température, et le métamorphisme dynamique le long des failles (mylonites) complètent la liste. La roche mère (protolithe) se reconnaît à la composition chimique, conservée par le métamorphisme.