L'origine du granite de Gèdre (sujet national, juin 2017, partie 2, ex. 2)

Énoncé

Synthèse
En utilisant les informations des documents et les connaissances, montrer que les roches de la région de Gavarnie témoignent de transformations en profondeur et expliquer l'origine du granite de Gèdre.
Document 1
Carte simplifiée du métamorphisme de la région de Gavarnie
Carte simplifiée du métamorphisme de la région de Gavarnie
Sujet national, juin 2017, partie 2, exercice 2 - illustration 2
D'après Synthèse géologique des Pyrénées, BRGM, ITGE, 1998.
Document 2
Migmatite d'Estaubé
Photographie d'une Migmatite d'Estaubé
Photographie d'une Migmatite d'Estaubé
Interprétation et composition minéralogique
Interprétation et composition minéralogique
Leucosome = niveau dont la proportion de minéraux clairs (quartz, feldspaths) est plus importante que celle des minéraux sombres (biotite, cordiérite). Il résulte de la cristallisation d'un liquide produit par fusion partielle. Les cristaux sont de grande taille et non déformés.
Mélanosome = niveau enrichi en minéraux sombres (biotite, cordiérite). Il correspond au résidu non fondu après une fusion partielle. Des traces de déformation sont présentes.
Mésosome = niveau intermédiaire avec une proportion équivalente de minéraux sombres et clairs. La séparation entre le liquide formé et les résidus est incomplète.
Document 3
Domaines de stabilité de quelques minéraux repères
Domaines de stabilité de quelques minéraux repères
Le solidus limite le domaine solide (à gauche) du domaine solide + liquide (à droite).
Document 4
Photographie d'une lame mince du granite de Gèdre observée au microscope polarisant en LPA
Photographie d'une lame mince du granite de Gèdre observée au microscope polarisant en LPA
Q : quartz/ Bt : biotite/ Fk : feldspath alcalin/ pl : feldspath plagioclase/ Cord : cordiérite.
Document 5
Composition minéralogique des granites en fonction de l'origine du magma
Composition minéralogique des granites en fonction de l'origine du magma
D'après Barbarin, Lithos, 1999.
Comprendre la question
Cet exercice porte sur la mise en évidence des transformations en profondeur de roches de la croûte continentale. La lecture du diagramme pression – température concernant les minéraux métamorphiques permet de déterminer les conditions de formation des roches métamorphiques à l'affleurement dans la région de Gavarnie. Puis l'étude de la lame mince du granite de Gavarnie permet de mettre en évidence la fusion partielle dans la croûte continentale à l'origine de ce granite. Les principales difficultés de cet exercice portent sur la bonne mise en relation des documents et la lecture correcte du diagramme pression – température pour préciser les conditions du métamorphisme et celles de la fusion partielle. Enfin le candidat doit être attentif à considérer que les roches étudiées appartiennent au domaine continental et qu'aucun lien avec un contexte de subduction n'est à faire ici. La réponse attendue contient une introduction exposant la problématique, puis une argumentation structurée exploitant les documents en relation avec les connaissances, et enfin une conclusion répondant à la problématique. Aucun schéma n'est exigé par l'énoncé.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique.
Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon :
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Montrons que les roches de la région de Gavarnie témoignent de transformations en profondeur et expliquons l'origine du granite de Cèdre.
Roches de la région de Gavarnie : témoins de transformations en profondeur.
Documents 1 et 3. Étude des roches métamorphiques (micaschiste à sillimanite et à andalousite et gneiss à sillimanite et à feldspath alcalin) : détermination des conditions de température et de la profondeur permettant la formation de la sillimanite et du feldspath alcalin.
Bilan. Ces roches témoignent de transformations métamorphiques à haute température, traduisant des transformations en profondeur.

Documents 1, 2 et 3. Étude des migmatites : détermination des conditions de température et de la profondeur permettant la fusion partielle à l'origine du leucosome.
Bilan. Les migmatites témoignent d'une fusion partielle en profondeur.
Métamorphisme : modification à l'état solide d'une roche initiale sous l'effet de conditions de température et de pression, différentes de celles de sa formation.
Dans un diagramme pression-température, les courbes réactionnelles délimitent les conditions de pression et de température où les minéraux étudiés sont stables.
Les transformations métamorphiques à hautes températures peuvent être le témoin de transformations en profondeur.
Dans un diagramme pression – température, le solidus d'une roche indique les conditions de pression et de température à partir de laquelle débute la fusion partielle de cette roche.
Origine du granite de Cèdre
Documents 4 et 5. Présence de cordiérite et de biotite dans le Granite de Cèdre, indiquant un magma d'origine crustale formant ce granite.
Document 3. Détermination des conditions de température et de la profondeur permettant la fusion partielle à l'origine de ce magma.
Bilan. Granite de Cèdre : issu du refroidissement d'un magma d'origine crustale, provenant de transformations en profondeur vers 10 à 15 km à une température supérieure à 650 °C.

Conclusion

3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances.
4e étape : rédiger la réponse sur la copie.

Corrigé

Synthèse
Dans les Pyrénées, la région de Gavarnie présente des roches variées à l'affleurement : des roches sédimentaires, des roches métamorphiques comme les micaschistes à sillimanite et à andalousite et du gneiss à sillimanite et à feldspath alcalin, des migmatites et une roche magmatique, le granite de Cèdre. Montrons que les roches de la région de Gavarnie témoignent de transformations en profondeur et expliquons l'origine du granite de Cèdre. Pour répondre à ces problématiques, nous mettrons en relation les caractéristiques minéralogiques des roches métamorphiques avec un diagramme représentant la stabilité des minéraux en fonction de la température et de la pression, puis nous étudierons les caractéristiques des migmatites, et enfin, nous déterminons l'origine du granite du Cèdre à partir de l'étude de sa lame mince.
Le document 1 montre la présence dans la région de Gavarnie de micaschiste à sillimanite et à andalousite ainsi que du gneiss à andalousite et à feldspath alcalin. Les micaschistes et les gneiss sont des roches métamorphiques de la croûte continentale. Or une roche métamorphique résulte de la transformation à l'état solide d'une roche initiale, soumise à des conditions de pression et de température différentes de celles de sa formation. On en déduit que les micaschistes et les gneiss de région de Gavarnie ont été soumis à conditions de pression et de température différentes de celles de leur formation, à l'origine de leur métamorphisme. Quelles sont alors les conditions de pression et de température responsables du métamorphisme de ces roches ?
D'après le document 3, la sillimanite, un minéral métamorphique, se forme à une température supérieure à 550 °C et à une profondeur d'environ 10 à 15 km. Cette température et cette profondeur correspondent donc aux conditions de la formation du micaschiste à sillimanite et à andalousite. De plus, la présence de sillimanite et de feldspath alcalin dans le gneiss indique, grâce au document 3, que cette roche s'est formée à une température supérieure à 630 °C pour une profondeur d'environ 10 à 15 km.
Les migmatites de la région de Gavarnie, étudiées dans le document 2, présentent une alternance de différentes colorations. Le niveau clair ou leucosome de cette migmatite se caractérise par une forte proportion de minéraux clairs, des quartz et des feldspaths, de grande taille et non déformés. Ces minéraux résultent de la cristallisation d'un liquide issu d'une fusion partielle. Dans le graphique pression-température du document 3, l'existence de cette fusion partielle permet de positionner les migmatites à droite du solidus du granite, dans le domaine de la fusion partielle. De plus, la cordiérite, minéral métamorphique présent dans les migmatites, permet de préciser les conditions de pression et de température ayant abouti à la formation des migmatites, c'est-à-dire une température supérieure à 650 °C pour une profondeur d'environ 10 à 15 km.
Ainsi, les transformations métamorphiques des roches de la région de Gavarnie et la présence des migmatites traduisent une augmentation de température (d'environ 550 °C à 650 °C) à une profondeur d'environ 10 à 15 km. Cette augmentation de température est un indice de transformations en profondeur. Quelle est alors l'origine du granite du Cèdre, situé à côté des roches métamorphiques précédemment étudiées ?
La lame mince du granite du Cèdre, présentée dans le document 4, met en évidence que la structure grenue de cette roche, formée de minéraux entièrement cristallisés et donc issus d'un refroidissement lent en profondeur. La composition minéralogique de ce granite, contenant de la cordiérite et de la biotite indique, grâce au document 5, que le granite du Cèdre a une origine crustale, c'est-à-dire qu'il est issu de la cristallisation d'un magma résultant de fusion partielle de roches de la croûte continentale. Reporter dans le graphique du document 3, l'existence de la fusion partielle d'origine crustale et de la cordiérite permet de préciser les conditions de formation du granite du Cèdre, à savoir une température supérieure à 650 °C pour une profondeur d'environ 10 km à 15 km. Le granite du Cèdre résulte donc d'une transformation en profondeur de roches de la croûte continentale, qui ont subi une fusion partielle, avant de cristalliser en donnant naissance à ce granite.
Ainsi, l'étude du métamorphisme de la région de Gavarnie montre que ces roches ont été soumises à une augmentation de température et de pression, traduisant un enfouissement en profondeur. Les migmatites et le granite du Cèdre indiquent que cet enfouissement a permis la fusion partielle de roches de la croûte continentale. Ces transformations en profondeur s'inscrivent dans le cadre géodynamique de la collision continentale ayant donné naissance à la chaîne de montagne des Pyrénées.