Le terme métamorphisme signifie littéralement transformation de la forme ou de la nature. En géologie, il désigne l'ensemble des processus par lesquels une roche préexistante évolue sous l'effet de nouvelles conditions physico-chimiques qui diffèrent de celles dans lesquelles elle s'est initialement formée. Cette transformation se déroule principalement en profondeur, mais elle peut également intervenir à faible profondeur dans certaines situations particulières, notamment au voisinage des intrusions magmatiques ou lors de circulations hydrothermales. Le métamorphisme se distingue de l'altération superficielle, qui intervient généralement dans des conditions de basse température et de pression, et de la fusion magmatique, qui produit un liquide.

Le métamorphisme intervient dans une gamme très étendue de conditions. Les températures peuvent aller approximativement de quelques centaines de degrés Celsius jusqu'à des valeurs dépassant parfois 800 ou 900 °C dans les domaines de très haut grade, tandis que les pressions varient de quelques dizaines de mégapascals à plusieurs gigapascals. Les limites entre diagenèse, métamorphisme et fusion ne sont pas parfaitement abruptes. Elles correspondent plutôt à des domaines progressifs dans lesquels les réactions minéralogiques et les transformations structurales deviennent de plus en plus importantes.

Le protolithe joue un rôle fondamental dans la nature de la roche métamorphique obtenue. Une roche argileuse, un grès, un calcaire, un basalte ou un granite ne réagissent pas de la même manière aux mêmes conditions de température et de pression. La composition initiale contrôle en effet les minéraux susceptibles d'être stables dans les nouvelles conditions. Ainsi, une roche argileuse peut évoluer vers une ardoise puis un schiste et finalement un gneiss, tandis qu'un calcaire peut donner un marbre. Un basalte peut produire différentes roches métamorphiques, notamment des schistes verts, des amphibolites ou des éclogites selon les conditions de pression et de température.

Le métamorphisme est principalement contrôlé par quatre facteurs : la température, la pression, les contraintes différentielles et les fluides. La température augmente généralement avec la profondeur, mais son gradient varie selon le contexte géodynamique. La pression augmente également avec la profondeur, tandis que les contraintes tectoniques peuvent produire des pressions dirigées très différentes de la pression lithostatique. Les fluides accélèrent ou permettent certaines réactions minéralogiques et peuvent également modifier la composition chimique des roches.

La température augmente la vitesse des réactions chimiques et permet la formation de minéraux qui ne sont pas stables à basse température. Une roche enfouie progressivement dans la croûte peut ainsi subir une succession de transformations minéralogiques. Les minéraux formés à basse température disparaissent progressivement et sont remplacés par des phases stables à température plus élevée.

La pression possède également une influence considérable. La pression lithostatique correspond à la pression exercée par le poids des roches sus-jacentes. Elle augmente avec la profondeur et favorise notamment la formation de minéraux dont la structure possède un volume molaire plus faible. Certaines phases minérales deviennent ainsi stables à de fortes pressions alors qu'elles sont absentes des roches formées à faible profondeur.

Il faut distinguer la pression lithostatique des contraintes différentielles. Dans un milieu soumis à une pression identique dans toutes les directions, les effets sur la forme des cristaux peuvent être relativement différents de ceux produits par une contrainte orientée. Les contraintes différentielles sont particulièrement importantes dans les zones de déformation tectonique. Elles peuvent provoquer l'aplatissement, l'orientation préférentielle et la recristallisation des minéraux, donnant naissance à des textures anisotropes telles que la schistosité ou la foliation.

Les fluides constituent un autre facteur majeur du métamorphisme. Les principaux fluides impliqués sont l'eau et le dioxyde de carbone, auxquels peuvent s'ajouter d'autres espèces dissoutes. Les fluides augmentent la mobilité des éléments chimiques et facilitent les réactions entre les minéraux. Ils peuvent circuler dans les fractures, les pores et les interfaces entre grains. Dans certains systèmes, ils entraînent une véritable modification de la composition chimique de la roche, processus appelé métasomatose.

Les réactions métamorphiques sont principalement des réactions à l'état solide. Elles comprennent des transformations polymorphiques, des réactions de déshydratation, des réactions de décarbonatation, des réactions d'échange ionique et des réactions impliquant des fluides. Une transformation polymorphique correspond au passage d'un minéral à une autre structure cristalline de même composition chimique. Le cas du système silice est particulièrement classique, avec différentes formes polymorphiques comme le quartz et la coésite, cette dernière étant stable à des pressions beaucoup plus élevées.

Les réactions de déshydratation sont particulièrement importantes dans les zones de subduction. Certains minéraux hydratés deviennent instables lorsque la température et la pression augmentent et libèrent de l'eau. Cette eau migre vers les roches sus-jacentes et peut provoquer la fusion partielle du manteau. Le métamorphisme des plaques subductées participe donc indirectement à la production des magmas des arcs volcaniques.

Les réactions de décarbonatation peuvent également libérer du dioxyde de carbone. Elles interviennent notamment lorsque des roches carbonatées sont soumises à des températures et pressions élevées. Les transformations métamorphiques constituent ainsi un élément du cycle géologique du carbone, au même titre que la sédimentation carbonatée, la subduction et le dégazage magmatique.

Une caractéristique fondamentale du métamorphisme est la recristallisation. Les minéraux préexistants peuvent se dissoudre partiellement puis recristalliser sous forme de nouveaux grains plus adaptés aux conditions de température et de pression. La roche reste alors globalement solide, mais sa texture évolue profondément. Les cristaux peuvent grossir, se réorienter ou être remplacés par de nouvelles associations minéralogiques.

Le degré métamorphique correspond approximativement l'intensité des conditions de température et de pression auxquelles une roche a été soumise. On distingue classiquement un métamorphisme de faible degré, de degré moyen et de degré élevé. Cette classification reste relative, car une roche peut être soumise à une température élevée à faible pression ou à une pression très élevée à température modérée. La notion de degré métamorphique doit donc être complétée par l'analyse du chemin pression-température-temps suivi par la roche.

Les faciès métamorphiques constituent un outil plus rigoureux pour relier les assemblages minéralogiques aux conditions de pression et de température. Un faciès métamorphique correspond à un domaine de conditions P-T dans lequel une association minérale donnée est stable pour une composition chimique déterminée. Les principaux faciès comprennent notamment les faciès zéolite, préhnite-pumpellyite, schistes verts, amphibolite, granulite, schistes bleus et éclogite.

• Le faciès des schistes verts correspond généralement à des conditions de faible à moyenne température et de pression relativement modérée. Il est caractérisé par des minéraux hydratés tels que la chlorite, l'actinote, l'épidote et l'albite, selon la composition du protolithe. Il est particulièrement fréquent dans les basaltes métamorphisés de la croûte océanique.

• Le faciès amphibolite correspond à des températures et pressions plus élevées. Les roches mafiques qui atteignent ce domaine contiennent fréquemment de l'amphibole et du plagioclase, avec des minéraux accessoires variables. Dans les roches pélitiques, les associations minérales peuvent comprendre le grenat, la biotite, la sillimanite et d'autres phases selon la pression.

• Le faciès granulite correspond à des conditions de métamorphisme de haut grade, généralement caractérisées par des températures élevées et une faible activité des fluides hydratés. Les granulites peuvent contenir des pyroxènes, du plagioclase, du feldspath alcalin et, selon leur composition, du grenat. Elles témoignent de conditions thermiques importantes dans la croûte profonde.

• Le faciès schistes bleus est associé à des pressions relativement élevées et à des températures relativement basses. Il est particulièrement caractéristique des zones de subduction, où une plaque océanique froide est entraînée rapidement en profondeur. Les roches mafiques peuvent alors contenir du glaucophane, minéral amphibolique responsable de leur teinte bleutée, ainsi que d'autres minéraux caractéristiques de ces conditions.

• Le faciès éclogite correspond à des conditions de haute pression et généralement de température modérée à élevée. Les éclogites issues de protolithes basaltiques sont principalement constituées de grenat et de clinopyroxène sodique-calcique, avec divers minéraux accessoires. Elles témoignent d'un enfouissement important, souvent associé à la subduction de la lithosphère océanique.

L'exhumation métamorphique constitue ainsi le processus inverse de l'enfouissement. Une roche métamorphique formée à plusieurs dizaines de kilomètres de profondeur peut être ramenée vers la surface par l'érosion des terrains sus-jacents, les mouvements tectoniques, les failles, l'exhumation des chaînes de montagnes ou certaines dynamiques de subduction. Pendant cette remontée, la roche peut conserver des minéraux formés à haute pression, mais ceux-ci peuvent également être partiellement remplacés par de nouvelles phases correspondant aux conditions de pression et de température décroissantes.

Les chemins pression-température-temps, souvent appelés trajectoires P-T-t, permettent de reconstituer cette histoire. Une roche ne connaît pas seulement un état métamorphique mais une succession d'états. Elle peut d'abord être enfouie et chauffée, atteindre un maximum de pression ou de température, puis être exhumée et refroidir. L'analyse des zonations chimiques des minéraux, des relations texturales et des datations permet de reconstruire ces trajectoires.

Les minéraux métamorphiques sont particulièrement utiles comme indicateurs des conditions P-T. Le grenat, par exemple, peut présenter des zonations chimiques correspondant à différentes étapes de croissance. La composition des bordures et des cœurs peut ainsi conserver des informations sur l'évolution du milieu. La présence de minéraux comme la staurotide, le disthène, l'andalousite ou la sillimanite permet également de contraindre les conditions de pression et de température dans les roches riches en aluminium.

Les polymorphes Al2SiO5 (disthène, andalousite et sillimanite) constituent un exemple classique de minéraux indicateurs. Ils possèdent la même composition chimique mais des structures cristallines différentes et des domaines de stabilité distincts. Le disthène est favorisé par des pressions relativement élevées, l'andalousite par des pressions relativement faibles et la sillimanite par des températures élevées. Leur association permet donc d'estimer les conditions métamorphiques atteintes par une roche.

Les réactions métamorphiques peuvent être représentées sur des diagrammes de phase et des diagrammes pression-température. Ces outils permettent de déterminer les domaines de stabilité des assemblages minéralogiques. Les diagrammes pétrogénétiques simplifiés sont particulièrement utiles pour visualiser les transformations des roches en fonction des conditions thermodynamiques.

La thermodynamique constitue ainsi une base essentielle de la pétrologie métamorphique. À l'équilibre, une association minérale donnée correspond à un ensemble de conditions de pression, température et composition chimique. Les transformations observées dans les roches reflètent la recherche progressive d'états plus stables dans les nouvelles conditions. Cependant, les réactions peuvent être lentes et incomplètes : une roche métamorphique peut donc conserver des minéraux hérités d'étapes antérieures.

La cinétique des réactions est donc aussi importante que la thermodynamique. La présence de fluides peut accélérer considérablement les réactions, tandis que leur absence peut permettre la conservation de phases métastables. Les contraintes tectoniques, la taille des grains et la diffusion chimique contrôlent également la vitesse des transformations. Les roches métamorphiques sont par conséquent souvent des systèmes hors équilibre ou partiellement rééquilibrés.

Le métamorphisme régional constitue l'un des types les plus importants. Il affecte de vastes régions de la croûte et est généralement associé aux processus tectoniques majeurs, notamment la convergence et la collision continentale. Les chaînes de montagnes comme les Alpes, l'Himalaya ou les Andes comportent de vastes terrains métamorphiques. L'enfouissement, la compression, le chauffage et les circulations de fluides produisent des assemblages minéralogiques et des structures complexes.

Le métamorphisme de contact se développe autour des intrusions magmatiques. La chaleur du magma élève localement la température des roches encaissantes. L'auréole métamorphique ainsi produite peut s'étendre sur quelques mètres à plusieurs kilomètres selon la taille et la température de l'intrusion, la nature des roches et la circulation des fluides. Les roches issues de ce contexte sont souvent relativement peu foliées, car l'augmentation thermique domine par rapport aux contraintes différentielles.

Le métamorphisme hydrothermal est associé à la circulation de fluides chauds dans les roches. Il est particulièrement important dans les environnements océaniques, où l'eau de mer pénètre dans la croûte, se réchauffe au contact des roches chaudes puis remonte. Ces circulations provoquent des transformations minéralogiques importantes et modifient les échanges chimiques entre la lithosphère et l'océan.

Le métamorphisme dynamique est associé à de fortes déformations localisées, notamment le long des failles. Les roches peuvent être broyées, recristallisées et déformées sous l'effet des contraintes. Les cataclasites et les mylonites constituent des exemples de roches associées à ces environnements. Les mylonites présentent une déformation ductile importante et peuvent conserver des structures permettant de déterminer le sens du mouvement sur une zone de cisaillement.

Le métamorphisme d'enfouissement se développe lorsque des sédiments sont progressivement recouverts par de nouvelles accumulations. Il intervient à des profondeurs relativement importantes et peut produire des transformations minéralogiques progressives. Il constitue une transition naturelle entre la diagenèse profonde et le métamorphisme régional.

Le métamorphisme de choc est un cas particulier provoqué par des impacts météoritiques. Les pressions extrêmement élevées produites pendant quelques instants peuvent générer des structures et des minéraux caractéristiques, notamment des polymorphes de haute pression de la silice. Des verres d'impact et des minéraux présentant des déformations cristallines particulières peuvent également apparaître. Ces roches constituent des archives précieuses de l'histoire des impacts sur la Terre et sur les autres corps planétaires.

Le métamorphisme peut être prograde ou rétrograde. Le métamorphisme prograde correspond à l'évolution vers des conditions de température et/ou de pression croissantes. Il entraîne généralement la formation de minéraux de plus haute température ou de plus haute pression. Le métamorphisme rétrograde intervient lors du refroidissement et de la décompression pendant l'exhumation. Il peut produire de nouvelles phases, notamment hydratées, mais les réactions rétrogrades sont souvent incomplètes en raison de la diminution de la disponibilité des fluides ou de la lenteur des processus.

Les réactions rétrogrades sont particulièrement visibles dans certaines éclogites. Lors de leur remontée, les minéraux de haute pression peuvent être partiellement remplacés par des amphiboles, des chlorites ou d'autres phases hydratées. Ces transformations permettent parfois de reconstruire les différentes étapes de l'exhumation.

Les roches métamorphiques jouent un rôle essentiel dans les cycles géochimiques. Elles constituent des réservoirs importants pour le carbone, l'eau, le soufre et d'autres éléments. Le métamorphisme des roches carbonatées peut libérer du dioxyde de carbone, tandis que le métamorphisme des minéraux hydratés peut libérer de l'eau. Dans les zones de subduction, ces transferts contrôlent en partie la quantité d'eau et de carbone transportée vers le manteau profond.

La subduction constitue justement l'un des principaux mécanismes de transfert de matériaux de la surface vers l'intérieur de la Terre. La lithosphère océanique altérée contient de l'eau sous différentes formes minéralogiques. Au cours de l'enfouissement, les transformations métamorphiques libèrent progressivement une partie de cette eau. Une autre fraction peut être transportée à des profondeurs beaucoup plus importantes. Le métamorphisme participe ainsi directement au cycle profond de l'eau.

Les roches métamorphiques sont également impliquées dans le cycle du carbone à grande profondeur. Les carbonates peuvent être transportés par subduction et transformés sous haute pression. Une partie du carbone peut être libérée sous forme de fluides ou de magmas et retourner vers la surface par le volcanisme. Une autre fraction peut être stockée dans le manteau pendant des durées géologiques considérables. Le métamorphisme constitue donc un maillon essentiel du cycle profond du carbone.

Les transformations métamorphiques peuvent également provoquer une différenciation chimique à l'échelle de la croûte. Les fluides peuvent extraire certains éléments d'une roche et les concentrer ailleurs. Les systèmes hydrothermaux associés aux chaînes de montagnes, aux zones de subduction et aux intrusions magmatiques peuvent ainsi participer à la formation de gisements minéraux. Les roches métamorphiques sont donc non seulement des archives tectoniques mais aussi des acteurs de la redistribution des éléments chimiques.

Les relations texturales entre les minéraux sont particulièrement importantes. Un minéral qui inclut un autre minéral peut être plus jeune ou plus ancien selon le contexte. Les couronnes réactionnelles, les pseudomorphoses, les bordures de réaction et les inclusions minérales permettent de reconstituer les différentes générations de minéraux. L'analyse microscopique fournit ainsi une véritable chronologie relative des transformations métamorphiques.

La géochronologie permet ensuite d'attribuer des âges aux différents événements. Des minéraux comme le zircon, la monazite, le titanite ou certains micas peuvent être datés par différentes méthodes isotopiques. Il est alors possible de distinguer l'âge du protolithe, l'âge du métamorphisme, l'âge de la déformation et parfois celui de l'exhumation. Cette approche est essentielle dans les terrains polymétamorphiques ayant connu plusieurs épisodes tectoniques.

Les terrains métamorphiques peuvent effectivement conserver plusieurs générations de métamorphisme. Une même roche peut avoir été métamorphisée lors d'une ancienne collision continentale, puis réactivée lors d'un événement tectonique beaucoup plus récent. Les minéraux et les structures peuvent alors enregistrer plusieurs trajectoires P-T-t superposées. Leur interprétation nécessite une analyse pétrologique et structurale particulièrement fine.

Les roches métamorphiques sont donc des indicateurs privilégiés de la profondeur et de la dynamique de la croûte. La présence d'assemblages caractéristiques permet de déterminer approximativement les conditions auxquelles une roche a été enfouie. Les éclogites attestent de pressions élevées, les granulites de températures importantes, les schistes bleus d'un enfouissement relativement froid et les roches de contact d'une forte anomalie thermique locale.

Elles permettent également de reconstituer les anciennes chaînes de montagnes. Les roches métamorphiques exposées dans les massifs montagneux sont souvent les vestiges de parties profondes d'anciens orogènes. L'érosion ayant supprimé les niveaux superficiels, les terrains métamorphiques permettent d'observer aujourd'hui des roches qui se sont formées à plusieurs dizaines de kilomètres de profondeur. Leur étude offre donc une fenêtre directe sur la croûte profonde et parfois sur les conditions proches de la limite croûte-manteau.

À l'échelle du cycle lithologique, les roches métamorphiques occupent une position intermédiaire et dynamique. Une roche magmatique ou sédimentaire peut être transformée par métamorphisme; la roche métamorphique peut ensuite être soulevée et érodée pour alimenter de nouveaux bassins sédimentaires; elle peut également être enfouie davantage et subir une fusion partielle, donnant naissance à un magma. Il n'existe donc pas de trajectoire unique : les roches peuvent passer d'un domaine à l'autre selon les conditions tectoniques.

Les roches métamorphiques sont généralement classées en fonction de leur protolithe, de leur composition, de leur texture et de leur assemblage minéralogique. Les principales catégories comprennent les roches métapélitiques, métagréseuses, métacarbonatées, métabasiques et métamorphiques ultramafiques. Certaines classifications privilégient la texture, notamment la présence ou l'absence de foliation.

La foliation est une structure planaire produite par l'orientation préférentielle de minéraux ou par l'alternance de domaines minéralogiques. Elle est particulièrement fréquente dans les roches soumises à des contraintes différentielles. Les minéraux en forme de lamelles ou de baguettes, tels que les micas et certains amphiboles, peuvent s'orienter préférentiellement. La foliation constitue ainsi une structure majeure des schistes et des gneiss.

La schistosité est une foliation particulièrement développée dans les roches riches en minéraux lamellaires. Les micas peuvent être suffisamment abondants et orientés pour permettre à la roche de se débiter selon des plans relativement réguliers. La schistosité traduit généralement une histoire de déformation et de recristallisation sous des conditions métamorphiques suffisamment importantes.

Le terme ardoise désigne une roche métamorphique à grain très fin provenant généralement de roches argileuses ou pélitiques. Elle présente une schistosité ardoisière très fine et régulière. L'ardoise se forme généralement dans des conditions de faible degré métamorphique. Sa capacité à se débiter en plaques minces explique son utilisation traditionnelle comme matériau de couverture.

Avec l'augmentation du degré métamorphique, les roches pélitiques peuvent évoluer vers des phyllades, des micaschistes puis des gneiss. Les phyllades présentent une recristallisation plus avancée que les ardoises et un éclat satiné associé à la croissance de minéraux micacés. Les micaschistes contiennent des proportions importantes de micas, notamment muscovite et biotite, et présentent généralement une schistosité bien développée. Les gneiss correspondent à des roches de haut degré présentant souvent une foliation caractérisée par une alternance de bandes riches en minéraux felsiques et de bandes plus riches en minéraux ferromagnésiens.

Le gneiss peut provenir de protolithes très divers. Certains dérivent de roches sédimentaires, notamment de grès ou d'argilites, tandis que d'autres proviennent de roches magmatiques comme les granites. On distingue ainsi, entre autres, des paragneiss issus de protolithes sédimentaires et des orthogneiss issus de protolithes magmatiques. Cette distinction est importante pour reconstituer l'histoire géologique des terrains métamorphiques.

Le quartzite est une roche métamorphique principalement constituée de quartz. Il dérive généralement d'un grès riche en quartz. Au cours du métamorphisme, les grains de quartz recristallisent et les limites entre grains sont profondément modifiées. Le résultat est une roche très dure et résistante à l'érosion. Les quartzites peuvent donc former des reliefs importants dans les chaînes de montagnes.

Le marbre résulte du métamorphisme d'un calcaire ou d'une roche carbonatée apparentée. La recristallisation transforme les cristaux de calcite ou de dolomite et détruit généralement les structures sédimentaires initiales. La taille des cristaux peut augmenter fortement avec le degré métamorphique. Les marbres peuvent présenter des couleurs extrêmement variées selon les impuretés présentes dans le protolithe, notamment les oxydes de fer, le graphite, les silicates ou d'autres minéraux.

Les roches métamorphiques issues de protolithes basaltiques sont particulièrement importantes. Un basalte peut évoluer successivement vers des assemblages correspondant aux faciès des schistes verts, des amphibolites puis des granulites lorsque la température augmente, tandis qu'une trajectoire de haute pression peut conduire à des schistes bleus puis à des éclogites. Ces transformations constituent des indicateurs précieux des conditions de subduction et d'exhumation.

Les amphibolites sont des roches métamorphiques de degré moyen à élevé dérivées fréquemment de protolithes basaltiques ou gabbroïques. Elles sont généralement riches en amphibole et en plagioclase. Leur composition et leur texture peuvent varier considérablement selon le protolithe et les conditions métamorphiques. Elles sont particulièrement fréquentes dans les terrains métamorphiques associés aux anciennes croûtes océaniques et aux chaînes de montagnes.

Les éclogites constituent des roches particulièrement importantes pour la géodynamique. Elles indiquent que des matériaux basaltiques ont été transportés à grande profondeur, souvent dans une zone de subduction. Leur présence dans des terrains continentaux peut donc constituer une preuve de l'enfouissement profond d'anciennes portions de lithosphère océanique ou de matériaux crustaux.

Les schistes bleus ont également une forte valeur géodynamique. Leur association avec des minéraux de haute pression et relativement basse température indique généralement un enfouissement rapide dans une zone de subduction. Leur présence à la surface implique ensuite un processus d'exhumation permettant leur retour vers des niveaux superficiels.
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