Les quatre documents qui suivent ont les mêmes axes : la température en abscisse, la pression en ordonnée, et à droite la profondeur qui lui correspond. On y lit dans les quatre cas ce que devient une roche placée dans ces conditions. Mais ils ne valent pas pour la même roche, leurs traits ne veulent pas dire la même chose, et on ne s'en sert pas de la même façon.
Comment s'en servir. Chaque diagramme est interactif. Promenez la souris dessus : un cadre affiche la température, la pression, la profondeur, et ce qui est stable en ce point. Passez sur une courbe : elle vous dit ce qu'elle porte. Les boutons ajoutent les informations une par une, dans l'ordre du raisonnement ; on peut les activer ensemble.
Une métapélite est une roche métamorphique issue d'un sédiment argileux. Elle est riche en aluminium et en potassium, ce qui lui permet de former beaucoup de minéraux différents. C'est ce qui fait l'intérêt de ce diagramme.
Ici, aucun champ n'est colorié. Chaque trait est une courbe de réaction : elle donne les conditions auxquelles se produit une réaction qui fait apparaître ou disparaître un minéral. Le domaine de stabilité d'un minéral est donc le demi-plan situé d'un côté de sa courbe. Ces demi-plans se recouvrent largement, et le domaine où s'est formée une roche est l'intersection des domaines de tous les minéraux qu'elle contient.
Certains traits font exception. Les trois courbes qui séparent andalousite, disthène et sillimanite ne sont pas des réactions entre minéraux différents : ce sont trois formes du même silicate d'alumine Al2SiO5. Et la courbe d'anatexie A est un solidus : au-delà, la roche n'est plus entièrement solide.
Les cinq gneiss R1 à R5 viennent du même dôme et dérivent du même sédiment de départ. Leurs assemblages ne peuvent donc pas différer par la composition : ils diffèrent par les conditions subies.
Cercles rouges : les cinq gneiss du dôme du Lévezou, chacun placé dans le domaine que lui impose son assemblage. La droite qui les joint est le gradient métamorphique de terrain du dôme : environ 1 000 °C par gigapascal, soit 28 °C par kilomètre d'enfouissement.
Trajets pression - température - temps reconstitués des cinq gneiss : R1 gris, R2 bleu, R3 vert, R4 violet, R5 ocre. Trait plein pour la branche prograde, tirets pour la branche rétrograde ; le losange marque le pic thermique, seul point du trajet qu'enregistre l'assemblage final. Chaque boucle est celle d'une roche et d'elle seule ; le gradient n'est le trajet d'aucune : il joint cinq pics atteints à cinq moments distincts.
Champs de stabilité des minéraux des métapélites, d'après C. Nicollet, 1978.
Chaque roche est d'abord placée dans le domaine que son assemblage impose. Les cinq points sont alignés : la droite qui les joint est le gradient métamorphique de terrain du dôme, environ 1 000 °C par gigapascal, soit 28 °C par kilomètre d'enfouissement. C'est le gradient d'une croûte épaissie, donc d'une collision : ici la chaîne varisque, vieille d'environ 300 millions d'années.
| Échantillon | Assemblage minéralogique | Zone du métamorphisme | Conditions lues sur le diagramme |
|---|---|---|---|
| R1 | plagioclase, quartz, biotite | zone à biotite | 435 °C ; 0,43 GPa ; 15 km |
| R2 | plagioclase, quartz, biotite, muscovite, grenat | zone à grenat | 495 °C ; 0,49 GPa ; 18 km |
| R3 | plagioclase, quartz, biotite, muscovite, grenat, staurotide, disthène | zone à staurotide, champ du disthène | 555 °C ; 0,55 GPa ; 20 km |
| R4 | plagioclase, quartz, biotite, muscovite, grenat, sillimanite | zone à sillimanite | 635 °C ; 0,63 GPa ; 23 km |
| R5 | plagioclase, quartz, biotite, muscovite, sillimanite ; leucosome clair et mélanosome sombre | anatexie : migmatite | 665 °C ; 0,66 GPa ; 24 km |
Le quartz et le plagioclase sont présents dans les cinq roches : ils viennent du sédiment de départ et ne renseignent sur rien. Ce sont les autres minéraux qui varient, et leur succession est ordonnée.
Le second bouton trace les trajets pression - température - temps des cinq roches. Attention : ils ne se lisent pas sur le diagramme. L'assemblage final ne donne que le pic ; le reste de la boucle est reconstitué à partir du contexte, un épaississement de la croûte suivi d'une érosion.
Un métagabbro est un gabbro de plancher océanique transformé. Sa composition, riche en calcium, en magnésium et en fer, pauvre en potassium, ne donne que peu de minéraux, et chacun est stable sur de vastes intervalles.
Ici les champs sont donc coloriés, nommés et jointifs : ce sont les faciès métamorphiques. Tout point du plan appartient à un faciès et à un seul, sauf le bord gauche du diagramme : des conditions aussi froides en profondeur ne sont jamais réalisées dans la nature. Un trait n'est plus l'apparition d'un minéral, mais le passage d'une association complète à une autre.
Le fond du diagramme porte aussi trois gradients géothermiques : celui d'une dorsale, celui d'une croûte continentale et ceux d'une zone de subduction. Ils n'appartiennent pas au même graphique que les champs. Les champs sont une propriété de la roche, établie en laboratoire ; les géothermes sont une propriété de la Terre. Si on peut les superposer, c'est uniquement parce qu'une pression se convertit en profondeur.
Deux gradients métamorphiques posés par hypothèse, d'après le contexte géodynamique seul. Pour l'expansion océanique, un gradient hydrothermal : quasi isobare, parcouru à température décroissante, commandé par l'apport d'eau. Pour la subduction du même plancher, un gradient haute pression - basse température, 300 °C par gigapascal. Aucun des deux ne descend au-dessous de 200 °C, faute de réactions assez rapides : le premier s'y achève, le second y commence.
G : gabbro. M1 : métagabbro à hornblende. M2 : à chlorite et actinote. M3 : à glaucophane. M4 : à grenat et jadéite. Les trois premières jalonnent le gradient hydrothermal, les deux autres le gradient HP-BT, chacune dans le champ que son assemblage impose : les deux hypothèses tiennent.
C : ophiolite du Chenaillet, en vert. Le trajet commence à l'axe de la dorsale, où le gabbro cristallise vers 1 100 °C sous 0,2 gigapascal ; le plancher s'en éloigne ensuite et refroidit, presque sans s'enfoncer. La convergence n'entraîne pas ce fragment en profondeur : la pression n'y dépasse pas 0,34 GPa, soit une dizaine de kilomètres, sous moins de 200 °C. En deçà de cette température les réactions sont trop lentes : la roche conserve l'assemblage des schistes verts acquis au plancher océanique. La température la plus élevée du trajet n'est donc pas au pic de pression, elle est à la dorsale.
Q : mont Queyras, en bleu. Même début océanique, commun aux trois massifs : ce sont trois fragments du même plancher. La lithosphère est ensuite entraînée en subduction. La branche prograde, en trait plein, s'enfonce dans le champ des schistes bleus jusqu'au pic marqué d'un losange, qui est le point M3 lui-même : 400 °C sous 1,33 GPa, soit 44 kilomètres. Les tirets sont la branche rétrograde, c'est-à-dire l'exhumation. Le pic est le seul point que le trajet ait en commun avec le gradient métamorphique.
V : mont Viso, en rouge. Même début océanique. La subduction y conduit plus profond qu'au Queyras : le pic, qui est le point M4, est atteint à 520 °C sous 1,73 GPa, soit 57 kilomètres, dans le champ des éclogites. La branche prograde fait passer la roche de l'assemblage des schistes verts, acquis au plancher océanique, à celui des schistes bleus puis à celui des éclogites : chacune de ces transformations est une déshydratation, et l'eau libérée gagne le manteau situé au-dessus du panneau plongeant.
Domaines de stabilité des minéraux d'un métagabbro : les faciès métamorphiques.
Ici, on ne peut pas faire comme au Lévezou. Les champs sont trop vastes : celui des éclogites occupe à lui seul 46 % du diagramme. Une roche isolée n'y fixe aucun point. De plus, les trois massifs sont distants de dizaines de kilomètres, et rien ne dit d'avance qu'ils appartiennent à un même gradient. On procède donc dans l'autre sens, en deux temps.
| Repère | Roche | Assemblage minéralogique | Faciès | Conditions | Où on la trouve |
|---|---|---|---|---|---|
| G | gabbro | plagioclase + pyroxène | association du champ des granulites | 1 100 °C 0,20 GPa 7 km | axe de la dorsale, océan alpin |
| M1 | métagabbro à hornblende | hornblende + plagioclase, pyroxène relique | amphibolites | 560 °C 0,26 GPa 9 km | croûte océanique, près de l'axe |
| M2 | métagabbro à chlorite et actinote | chlorite + actinote + plagioclase | schistes verts | 380 °C 0,28 GPa 9 km | croûte océanique, loin de l'axe ; c'est l'assemblage que conserve l'ophiolite du Chenaillet |
| M3 | métagabbro à glaucophane | glaucophane + plagioclase | schistes bleus | 400 °C 1,33 GPa 44 km | ophiolite du mont Queyras |
| M4 | métagabbro à grenat et jadéite | grenat + omphacite, solution solide de jadéite et de diopside | éclogites | 520 °C 1,73 GPa 57 km | ophiolite du mont Viso |
Les trois derniers boutons tracent le trajet pression - température - temps d'un massif à la fois. Chaque trajet commence à l'axe de la dorsale, où le gabbro cristallise vers 1 100 °C sous 0,2 gigapascal : les trois massifs sont des fragments du même plancher océanique et partent donc du même état. La première partie du trajet, le refroidissement du plancher qui s'éloigne de l'axe, leur est commune ; c'est ce qui leur arrive ensuite qui les sépare. D'ouest en est, la profondeur atteinte augmente : le Chenaillet n'a jamais été subduit, le mont Queyras a atteint 44 kilomètres et le mont Viso 57. C'est la trace de l'enfoncement de la lithosphère océanique européenne sous la plaque apulienne.
Un dernier point avant de passer à la suite : les deux premiers diagrammes ne couvrent pas du tout la même étendue de conditions.
La péridotite est la roche du manteau ; elle est composée d'olivine et de pyroxènes. Sur les deux diagrammes qui suivent, les champs ne sont plus des associations minérales mais des états de la matière : solide, solide + liquide, liquide.
Deux courbes les séparent. Le solidus sépare le domaine du solide de celui où coexistent solide et liquide : il donne, à chaque pression, la température de fusion partielle de la roche. Le liquidus donne celle à laquelle la fusion s'achève. Entre les deux courbes, la roche est pour partie liquide et pour partie solide. C'est un état, non un instant : la fusion partielle dure aussi longtemps que durent les conditions.
Trois géothermes sont portés. Sous un continent comme sous une plaine abyssale, la température qui règne dans le manteau est, à toute profondeur, inférieure à la température de fusion partielle de la péridotite sous la pression qu'elle subit : la roche est entièrement solide. Sous une dorsale, les conditions de pression et de température que donne le géotherme sont telles qu'entre 13 et 117 kilomètres de profondeur la température du manteau dépasse sa température de fusion partielle : la péridotite y est à l'état solide + liquide.
La péridotite qui remonte sous l'axe suit son propre géotherme : de 186 à 27 kilomètres, elle perd 5,0 gigapascals et seulement 273 °C. La remontée est presque adiabatique : c'est la chute de pression, et non un apport de chaleur, qui fait fondre la roche.
Sous l'axe, et là seulement, la température du manteau dépasse la température de fusion partielle de la péridotite : entre 13 et 117 kilomètres, celle-ci est à l'état solide + liquide. Le taux de fusion ne dépasse pas 12 % et le liquidus n'est jamais atteint : il se forme un liquide, qui s'échappe vers le haut, et il reste un résidu solide.
Conditions de pression et de température dans le manteau sous une dorsale, et domaine de fusion de la péridotite.
La péridotite qui remonte sous l'axe perd cinq gigapascals, mais à peine 273 °C. Elle ne se réchauffe donc pas : c'est sa température de fusion partielle qui, la pression tombant, passe au-dessous de la sienne. C'est la chute de pression, et elle seule, qui fait fondre la roche.
Le taux de fusion reste faible, 13 % au plus, et le liquidus n'est jamais atteint. Il se forme donc deux matériaux et non un seul : un liquide, qui s'échappe vers le haut et donnera le basalte et le gabbro de la croûte océanique, et un résidu solide appauvri, qui reste en place et constitue le manteau lithosphérique. C'est ce partage qui explique que la croûte océanique n'ait pas la composition du manteau dont elle est issue.
Ce dernier diagramme porte deux solidus pour une seule et même roche : celui d'une péridotite sèche, et celui d'une péridotite en présence d'eau. C'est le point qui le rattache aux trois autres : l'eau fait partie de la composition chimique, et changer la composition déplace les limites.
La température de fusion partielle de la péridotite sèche croît régulièrement avec la pression, de 1 170 °C en surface à 1 545 °C vers 60 kilomètres. Celle de la péridotite hydratée a une tout autre allure : elle chute jusqu'à 792 °C vers 40 kilomètres, avant de remonter lentement.
À 60 kilomètres, le manteau au-dessus du panneau plongeant est à 999 °C. La température de fusion partielle d'une péridotite sèche y vaut 1 545 °C : elle reste solide. Celle d'une péridotite hydratée n'est plus que de 874 °C : la même roche, aux mêmes conditions, fond partiellement.
Sous une dorsale, la péridotite sèche fond entre 7 et 28 kilomètres, par chute de pression. Dans une zone de subduction, elle ne fond jamais ; une péridotite hydratée, elle, fond au-delà de 39 kilomètres, sans qu'aucune chaleur ait été apportée. Ces profondeurs ne sont pas celles du diagramme précédent : les deux documents d'origine, tracés à des échelles différentes, ne s'accordent pas sur l'épaisseur de la zone de fusion ; ils s'accordent sur le mécanisme.
Conditions de fusion expérimentale des péridotites, sèches et hydratées.
À 60 kilomètres, le manteau situé au-dessus du panneau plongeant est à 999 °C. Une péridotite sèche y est solide, puisque sa température de fusion partielle vaut 1 545 °C. Une péridotite hydratée, placée exactement dans les mêmes conditions, fond partiellement : la sienne n'est plus que de 874 °C, soit 671 °C de moins.
D'où vient cette eau ? De la croûte océanique qui plonge. Chaque réaction de la branche prograde du diagramme précédent, schistes verts vers schistes bleus puis schistes bleus vers éclogites, est une déshydratation. L'eau libérée monte dans le manteau chevauchant et l'hydrate ; la température de fusion partielle des péridotites s'y effondre ; la fusion commence.
Ce n'est donc pas la chaleur qui déclenche le magmatisme de subduction, c'est l'eau. Le métamorphisme du diagramme 2 et le magmatisme du diagramme 4 sont les deux faces du même phénomène.
Sur un diagramme pression - température, trois lignes se ressemblent. Elles ne décrivent pas du tout la même chose.
Un géotherme donne la température qui règne à chaque profondeur, dans un contexte géodynamique donné et à un instant donné. C'est une propriété de la Terre : on le trace sans connaître aucune roche. Les diagrammes 2, 3 et 4 en portent.
Un gradient métamorphique de terrain joint les conditions maximales qu'ont enregistrées plusieurs roches aujourd'hui voisines. Ces maximums n'ont pas été atteints en même temps : ce n'est donc pas un géotherme. Il caractérise le métamorphisme d'une région.
Un trajet pression - température - temps est le chemin d'une seule roche au cours du temps. C'est une boucle : une branche prograde jusqu'au pic, puis une branche rétrograde, le retour vers la surface.
La différence entre les deux dernières tient en une phrase : on parcourt un gradient dans l'espace, en passant d'un échantillon au suivant ; on parcourt un trajet dans le temps, en suivant un seul échantillon. Il suit de là une règle simple : un gradient ne se construit jamais à partir d'une seule roche, et un trajet jamais à partir de plusieurs.
| Gradient métamorphique de terrain | Trajet pression - température - temps | |
|---|---|---|
| Il se construit à partir de | plusieurs roches aujourd'hui voisines | une seule roche |
| Un point représente | les conditions maximales atteintes par une roche différente | les conditions traversées par la même roche, à un moment différent |
| On le parcourt | dans l'espace : on passe d'un échantillon au suivant | dans le temps : on suit un seul échantillon |
| Sa forme | une ligne qui monte, sans retour | une boucle : branche prograde, pic, branche rétrograde |
| Ce que l'on en tire | le type de métamorphisme d'une région, et son intensité maximale | l'histoire d'une roche : enfouissement, pic, remontée |
Les deux notions se rejoignent en un point, et en un seul : le pic d'un trajet est l'un des points par lesquels passe le gradient. Sur le diagramme du Lévezou, activez les deux boutons ensemble : les cinq losanges tombent sur la droite rouge, et les boucles n'ont avec elle aucun autre point commun.
| Métapélites du Lévezou | Métagabbros des ophiolites | Fusion des péridotites | |
|---|---|---|---|
| Roche concernée | métapélite : un sédiment argileux métamorphisé | métagabbro : un gabbro de plancher océanique transformé | péridotite : la roche du manteau, sèche ou hydratée |
| Ce que porte un trait | une réaction : un minéral apparaît ou disparaît | une limite de faciès : toute l'association change | un changement d'état : solidus, début de fusion ; liquidus, fin de fusion |
| Les champs | non dessinés : ce sont des demi-plans qui se recouvrent, et le domaine d'une roche est leur intersection | dessinés, nommés, jointifs : ce sont les faciès métamorphiques | dessinés et jointifs, mais ce ne sont pas des associations minérales : ce sont des états de la matière |
| Comment on s'en sert | placer les roches, puis tracer le gradient qu'elles imposent | poser des gradients métamorphiques par hypothèse, puis y placer les roches pour les vérifier | poser un géotherme, et comparer la température du manteau à la température de fusion partielle de la péridotite |
| Ce que l'on trace dessus | un gradient métamorphique de terrain, puis cinq trajets pression - température - temps | deux gradients métamorphiques hypothétiques, puis trois trajets pression - température - temps | ni gradient métamorphique ni trajet : le géotherme suffit |
| Ce qu'il établit | un métamorphisme de collision, 28 °C par kilomètre : la croûte a été épaissie | une subduction, de 6 à 12 °C par kilomètre : la lithosphère océanique s'est enfoncée jusqu'à 57 km | la fusion du manteau par chute de pression sous une dorsale, et par apport d'eau en subduction |
Le diagramme à utiliser est commandé par la composition chimique de la roche étudiée, et par elle seule. Une métapélite, un métagabbro et une péridotite ne se lisent pas sur le même document. Et comme l'eau fait partie de la composition, une péridotite sèche et une péridotite hydratée non plus.