Exercice 2 : Métamorphisme, anatexie et genèse des chaînes de montagnes

🌐 Énoncé du problème / Cadre d’étude

L’orogenèse varisque (ou hercynienne, Paléozoïque supérieur) a façonné le socle de l’Europe occidentale à la suite de la collision entre les paléocontinents Gondwana et Laurussia. Dans le Massif central français, les séries métapélitiques affleurent largement et portent les traces d’un enfouissement crustal majeur suivi d’une exhumation polyphasée couplée à des processus de fusion partielle (anatexie).

On s’intéresse à une transversale régionale où trois unités lithologiques métapélitiques contiguës (notées $\text{U}_1$, $\text{U}_2$ et $\text{U}_3$) ont été échantillonnées :

• Unité $\text{U}_1$ (Micaschistes supérieurs) : roche à foliation bien développée contenant l’assemblage : $\text{Quartz} + \text{Muscovite} + \text{Biotite} + \text{Grenat} + \text{Staurotide} + \text{Disthène} + \text{Plagioclase} \; (\text{An}_{20})$ L’observation microscopique montre des porphyroblastes de grenat à inclusions sigmoïdes de quartz en continuité avec la foliation externe $S_e$, et des prismes de disthène plissés au sein de la schistosité de crénulation.
• Unité $\text{U}_2$ (Gneiss à deux micas) : gneiss rubané dépourvu de staurotide, constitué de l’assemblage : $\text{Quartz} + \text{Biotite} + \text{Sillimanite} + \text{Feldspath potassique} + \text{Plagioclase} + \text{Grenat}$ La sillimanite se présente sous forme d’agrégats fibreux (« fibrolite ») moulant les porphyroblastes de feldspath potassique perthitique.
• Unité $\text{U}_3$ (Migmatites / Métatexites) : roche hétérogène présentant une ségrégation millimétrique à centimétrique entre :
  • des rubans clairs (leucosome) composés de : $\text{Quartz} + \text{Plagioclase} + \text{Feldspath potassique} \pm \text{Cordiérite}$ automorphe ;
  • des rubans sombres résiduels (mélanosome) riches en : $\text{Biotite} + \text{Sillimanite} + \text{Grenat} \pm \text{Ilménite}$.

Données thermodynamiques et pétrogénétiques

1. Équilibres des aluminosilicates ($\text{Al}_2\text{SiO}_5$) :
   • Point triple : $T_{\text{tr}} = 500\text{ }^\circ\text{C}$, $P_{\text{tr}} = 0{,}38\text{ GPa}$.
2. Réactions minérales remarquables (en milieu saturé ou sous-saturé en $\text{H}_2\text{O}$) :
   • (R1) $\text{Staurotide} + \text{Muscovite} + \text{Quartz} \rightleftharpoons \text{Grenat} + \text{Biotite} + \text{Al}_2\text{SiO}_5 + \text{H}_2\text{O}$
   • (R2) $\text{Muscovite} + \text{Quartz} \rightleftharpoons \text{Feldspath potassique} + \text{Sillimanite} + \text{H}_2\text{O}$ (en conditions sous-saturées sans liquide)
   • (R3) $\text{Muscovite} + \text{Quartz} + \text{Plagioclase} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Liquide silicaté}$ (Solidus du granite hydraté)
   • (R4) $\text{Muscovite} + \text{Quartz} + \text{Plagioclase} \rightleftharpoons \text{Feldspath potassique} + \text{Sillimanite} + \text{Liquide anatectique}$ (Fusion par déshydratation de la muscovite, $T \approx 680 \text{ à } 750\text{ }^\circ\text{C}$ pour $P > 0{,}4\text{ GPa}$)
   • (R5) $\text{Biotite} + \text{Sillimanite} + \text{Quartz} + \text{Plagioclase} \rightleftharpoons \text{Grenat} + \text{Cordiérite} + \text{Feldspath potassique} + \text{Liquide}$ ($T > 760\text{ }^\circ\text{C}$)
3. Constantes physiques :
   • Masse volumique moyenne de la croûte continentale : $\rho = 2\,750\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$.
   • Accélération de la pesanteur : $g = 9{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$.

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❓ Questions progressives

1. Relations de phases et métamorphisme prograde :

   • Déterminer le faciès métamophique de l’unité $\text{U}_1$.
   • Interpréter la disparition de la staurotide entre $\text{U}_1$ et $\text{U}_2$ à l’aide des réactions fournies.
   • Justifier la présence simultanée de feldspath potassique et de sillimanite dans $\text{U}_2$ et préciser si cette transition traduit une augmentation de pression ou de température.

2. Transition vers l’anatexie et genèse des migmatites :

   • Différencier l’anatexie par apport de fluide aqueux (fusion congruente/eutectique) de la fusion par déshydratation (fusion incongruente).
   • À partir des assemblages observés dans l’unité $\text{U}_3$, identifier la réaction d’anatexie mise en jeu. Justifier la présence de cordiérite dans le leucosome à des pressions modérées.

3. Analyse microstructurale et chronologie déformation/métamorphisme :

   • Analyser le caractère syn-cinématique, anté-cinématique ou post-cinématique des minéraux décrits dans l’unité $\text{U}_1$ (grenat sigmoïde, disthène plissé).
   • En déduire la dynamique tectonique associée à la phase de métamorphisme prograde.

4. Reconstitution géodynamique et quantification :

   • Les conditions thermobarométriques du pic de pression atteint par $\text{U}_1$ sont estimées à $P = 1{,}2\text{ GPa}$ et $T = 620\text{ }^\circ\text{C}$. Calculer la profondeur d’enfouissement correspondante $z_1$ (en $\text{km}$) en faisant l’hypothèse d’une pression lithostatique.
   • Les conditions enregistrées par les migmatites $\text{U}_3$ sont de $P = 0{,}5\text{ GPa}$ et $T = 750\text{ }^\circ\text{C}$. Calculer la profondeur $z_3$ et le gradient thermique moyen correspondant $G_3$ (en $\text{}^\circ\text{C}\cdot\text{km}^{-1}$).
   • Tracer l’allure du trajet $P-T-t$ (Pression-Température-temps) rétrograde parcouru par ces roches. Nommer le type de trajet obtenu et relier cette évolution aux processus tectoniques d’édification puis de démantèlement de la chaîne varisque (épaississement, relaxation thermique, extension tardi-orogénique).

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💡 Pistes & Indications méthodologiques

• Pour la question 1 : Mobiliser la grille pétrogénétique d’Eskola et les champs de stabilité des aluminosilicates ($\text{Al}_2\text{SiO}_5$ : andalousite, disthène, sillimanite). Une réaction continue ou discontinue libérant $\text{H}_2\text{O}$ se produit généralement lors d’un réchauffement prograde en métamorphisme régional barrovien.
• Pour la question 2 : Faire attention à la nature du protolithe métapélitique : la croûte profonde ne dispose généralement pas d’eau libre à haute température. La fusion crustale s’opère donc majoritairement par rupture thermique des minéraux hydroxylés (micas : muscovite puis biotite).
• Pour la question 3 : Utiliser les critères classiques de microtectonique : continuité foliation interne ($S_i$) / foliation externe ($S_e$), déformation plastique ou rupture des blastes, zones d’ombre de pression.
• Pour la question 4 : Appliquer la relation fondamentale de l’hydrostatique $P = \rho g z \implies z = \frac{P}{\rho g}$. Veiller scrupuleusement aux conversions d’unités ($\text{GPa} \to \text{Pa}$, $\text{m} \to \text{km}$). Le gradient thermique est défini par $G = \frac{T - T_0}{z}$ (prendre $T_0 \approx 0\text{ }^\circ\text{C}$ ou $20\text{ }^\circ\text{C}$ à la surface).

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📋 Corrigé détaillé pas à pas

1. Relations de phases et métamorphisme prograde

• Faciès métamorphique de $\text{U}_1$ : L’association minéralogique $\text{Disthène} + \text{Grenat} + \text{Staurotide} + \text{Biotite} + \text{Quartz}$ caractérise le faciès des amphibolites, plus particulièrement le sous-faciès de moyenne pression et moyenne à haute température (MP-MT, séquence dite barrovienne). Le disthène indique des pressions supérieures à la ligne d’équilibre avec l’andalousite et la sillimanite ($P > 0{,}4 \text{ à } 0{,}8\text{ GPa}$ pour $T \in [500\text{ }^\circ\text{C}, 650\text{ }^\circ\text{C}]$).

• Disparition de la staurotide : Dans les métapélites, la staurotide devient instable vers $600\text{ à }650\text{ }^\circ\text{C}$ en présence de quartz et de muscovite. Elle réagit selon la réaction univariante (R1) : $\text{Staurotide} + \text{Muscovite} + \text{Quartz} \rightleftharpoons \text{Grenat} + \text{Biotite} + \text{Al}_2\text{SiO}_5 + \text{H}_2\text{O}$ Dans l’unité $\text{U}_2$, l’absence de staurotide et l’apparition de sillimanite (forme stable de $\text{Al}_2\text{SiO}_5$ à plus haute température) montrent que la roche a franchi cette réaction prograde vers des températures plus élevées.

• Association $\text{Feldspath potassique} + \text{Sillimanite}$ : La présence conjointe de feldspath potassique et de sillimanite sans muscovite résiduelle majeure dans un gneiss indique le franchissement de la réaction de « second isograde de la sillimanite » : $\text{Muscovite} + \text{Quartz} \rightleftharpoons \text{Feldspath potassique} + \text{Sillimanite} + \text{H}_2\text{O}$ La pente de Clapeyron de cette réaction dans l’espace $(P, T)$ est positive ($\frac{\text{d}P}{\text{d}T} > 0$). Le passage de l’assemblage à muscovite à l’assemblage $\text{Kfs} + \text{Sil}$ traduit une augmentation de température (entrée dans le faciès des amphibolites de haut degré ou granulites de basse/moyenne pression).

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2. Transition vers l’anatexie et genèse des migmatites

• Types de fusion anatectique :

  • Fusion congruente (eutectique hydratée) : Elle requiert la présence d’une phase fluide libre riche en eau ($a_{\text{H}_2\text{O}} \approx 1$). La réaction type est : $\text{Qtz} + \text{Pl} + \text{Kfs} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Liquide}$ Le liquide formé a une composition granitique minimale dès $650\text{ }^\circ\text{C}$ à $0{,}5\text{ GPa}$. Cependant, la croûte moyenne à profonde est généralement anhydre (fluides libres absents ou sous-saturés).
  • Fusion par déshydratation (incongruente) : En l’absence de fluide interstitiel libre ($a_{\text{H}_2\text{O}} < 1$), la fusion se produit à plus haute température par déstabilisation thermique des minéraux hydroxylés (muscovite puis biotite). L’eau libérée par la déshydratation est immédiatement dissoute dans le magma néoformé : $\text{Hydraté}_1 + \text{Qtz} \pm \text{Pl} \rightleftharpoons \text{Anhydre}_{\text{résiduel}} + \text{Liquide}$

• Réaction d’anatexie pour l’unité $\text{U}_3$ : Dans $\text{U}_3$, le leucosome contient du feldspath potassique et de la cordiérite, tandis que le mélanosome renferme $\text{Biotite} + \text{Sillimanite} + \text{Grenat}$. Il s’agit de la déstabilisation de la biotite selon la réaction incongruente (R5) : $\text{Biotite} + \text{Sillimanite} + \text{Quartz} + \text{Plagioclase} \rightleftharpoons \text{Grenat} + \text{Cordiérite} + \text{Feldspath potassique} + \text{Liquide}$

  • Le leucosome cristallise le liquide anatectique enrichi en $\text{Si, Al, K, Na}$ lors du refroidissement, avec cristallisation magmatique de cordiérite automorphe.
  • Le mélanosome (résidu réfractaire ou restite) concentre les éléments ferromagnésiens n’ayant pas migré dans le liquide.
  • La cordiérite ($\text{Mg, Fe})_2\text{Al}_4\text{Si}_5\text{O}_{18}$ est un ferro-magnésien alumineux dont le volume molaire est grand : sa stabilité est restreinte aux basses et moyennes pressions ($P < 0{,}6\text{ GPa}$). Sa présence démontre sans ambiguïté que l’anatexie a eu lieu à faible à moyenne pression, lors d’une décompression ou dans une croûte chaude rééquilibrée.

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3. Analyse microstructurale et chronologie déformation / métamorphisme

• Analyse des blastes de l’unité $\text{U}_1$ :

  • Grenat sigmoïde : Les inclusions hélicitiques (en spirale / « en S ») de quartz dans les grenats, en continuité géométrique avec la foliation externe aplatie $S_e$, attestent une cristallisation contemporaine de la rotation du cristal sous déformation non coaxiale (cisaillement). Le grenat est donc syn-cinématique (syn-tectonique).
  • Disthène plissé : Les blastes de disthène soulignent une première surface de foliation $S_1$, mais sont affectés mécaniquement (plissement, extinction ondulante, ruptures fragiles) par la schistosité de crénulation $S_2$. Le disthène a donc cristallisé avant l’épisode de déformation $D_2$ : il est anté-cinématique vis-à-vis de $D_2$ (et potentiellement syn-$D_1$).

• Dynamique tectonique sous-jacente : La nucléation et la croissance syn-déformation de minéraux de haute et moyenne pressions (grenat, disthène) prouvent que la déformation ductile s’est produite pendant l’épaississement crustal majeur (phase d’empilement des nappes de charriage et de sous-charriage continental).

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4. Reconstitution géodynamique et quantification

• Calcul de la profondeur d’enfouissement $z_1$ : En régime lithostatique : $P_1 = \rho g z_1 \implies z_1 = \frac{P_1}{\rho g}$ Avec :

  • $P_1 = 1{,}2\text{ GPa} = 1{,}2 \times 10^9\text{ Pa}$
  • $\rho = 2\,750\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$
  • $g = 9{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$

  $z_1 = \frac{1{,}2 \times 10^9}{2\,750 \times 9{,}8} = \frac{1{,}2 \times 10^9}{26\,950} \approx 44\,527\text{ m} \approx 44{,}5\text{ km}$ La croûte continentale a donc subi un enfouissement profond compatible avec une racine crustale d’orogène de collision (épaisseur de croûte $> 50\text{ km}$).

• Calcul de la profondeur $z_3$ et du gradient thermique $G_3$ : Pour l’anatexie de l’unité $\text{U}_3$ ($P_3 = 0{,}5\text{ GPa}$) : $z_3 = \frac{0{,}5 \times 10^9}{2\,750 \times 9{,}8} \approx 18\,553\text{ m} \approx 18{,}6\text{ km}$ Le gradient géothermique moyen établi lors de l’anatexie (en considérant une température de surface $T_0 = 0\text{ }^\circ\text{C}$ pour simplifier) vaut : $G_3 = \frac{T_3 - T_0}{z_3} = \frac{750 - 0}{18{,}55} \approx 40{,}4\text{ }^\circ\text{C}\cdot\text{km}^{-1}$ Ce gradient ($\sim 40\text{ }^\circ\text{C}\cdot\text{km}^{-1}$) est très élevé par rapport au gradient géothermique continental moyen standard ($\sim 20 \text{ à } 30\text{ }^\circ\text{C}\cdot\text{km}^{-1}$) et témoigne d’une anomalie thermique crustale positive très marquée.

• Trajet $P-T-t$ et contexte géodynamique :

   P (GPa)
    ^
1.2 |       [Pic de Pression : U1 (Grt-Ky-St)]  (z ~ 44.5 km)
    |          \
1.0 |           \  Décompression quasi-isotherme
    |            \  (Exhumation tectonique rapide)
0.8 |             \
    |              v_0.6 |               --> [Pic de Température / Fusion : U3] (z ~ 18.6 km)
    |                   (Bt + Sil = Grt + Crd + Kfs + Liq)
0.4 |                    |
    |                    |  Refroidissement tardif
0.2 |                    v  (Rétromorphose)
    |----------------------------------------------> T (°C)
    0     200     400     600     800

1. Allure du trajet : Le chemin parcouru est horaire (sens des aiguilles d’une montre dans le diagramme $P-T$).
2. Interprétation géodynamique des étapes :
   • Étape 1 : Épaississement crustal précoce (Prograde en Pression) : Subduction intracontinentale et empilement de nappes. Les roches s’enfouissent rapidement jusqu’à $\sim 45\text{ km}$, atteignant le pic de pression ($1{,}2\text{ GPa}$, $620\text{ }^\circ\text{C}$, faciès amphibolite à disthène).
   • Étape 2 : Décompression quasi-isotherme et relaxation thermique : L’érosion et l’exhumation syn-convergence provoquent une baisse rapide de pression sans refroidissement immédiat (faible diffusivité thermique des roches silicatées). La diffusion de la chaleur produite par les radioéléments de la croûte épaissie ($\text{U, Th, K}$) engendre une relaxation thermique. La roche atteint son pic de température ($750\text{ }^\circ\text{C}$) à plus faible profondeur ($18{,}6\text{ km}$, $0{,}5\text{ GPa}$).
   • Étape 3 : Anatexie crustale et effondrement post-orogénique : À $P \approx 0{,}5\text{ GPa}$, la température franchit les courbes de fusion incongruente des micas. La production de liquides anatectiques affaiblit considérablement la rhéologie de la croûte (chute de viscosité de plusieurs ordres de grandeur). Incapable de soutenir le relief, la chaîne entre en extension tardi-orogénique (effondrement gravitaire), favorisant la remontée diapirique des dômes migmatitiques et la mise en place de granites d’anatexie.
   • Étape 4 : Refroidissement final : Retour vers la surface avec cristallisation complète des leucosomes et rétromorphose localisée (chloritisation des biotites, séricitisation des feldspaths).