Histoire des éclogites et de leur interprétation géodynamique - Texte Intégral

TRAVAUX DU COMITÉ FRANÇAIS D'HISTOIRE DE LA GÉOLOGIE

- Troisième série - T.XV (2001)

Gaston GODARD

Histoire des éclogites et de leur interprétation géodynamique

COMITÉ FRANÇAIS D'HISTOIRE DE LA GÉOLOGIE (COFRHIGEO) (séance du 14 mars 2001)

Résumé

En 1822, Haüy créa le nom " éclogite ", mais de Saussure avait déjà observé cette roche dans les Alpes quatre décennies auparavant. Cette " roche de choix " suscita l'intérêt de nombreux pétrographes européens, en particulier allemands et scandinaves. En France, elle fut particulièrement étudiée par Auguste Rivière, Alfred Lacroix et Yvonne Brière. Son origine demeura cependant longtemps énigmatique, considérée tout à tour comme magmatique ou métamorphique. L'hypothèse d'un métamorphisme de roches gabbroïques s'imposa lorsqu'on observa des transitions entre des gabbros non métamorphisés et certaines éclogites. En 1903, en comparant la densité des paragenèses éclogitiques et gabbroïques, Friedrich Becke montra que les éclogites sont l'équivalent de haute pression des gabbros. Vers 1920, Eskola introduisit l'importante notion de faciès métamorphique, qui comporte, entre autres, un faciès éclogite caractérisé par une formation à haute pression. Toutefois, quelques chercheurs nièrent la nécessité de hautes pressions pour former les éclogites. Dans les années 1960, de nouvelles considérations sur la pression d'eau favorisèrent l'idée selon laquelle les éclogites n'étaient qu'un équivalent anhydre des amphibolites. Finalement, le développement de la pétrologie expérimentale et l'application de la thermodynamique démontrèrent que les éclogites sont des roches métamorphiques de haute pression, formées à grande profondeur.

Parallèlement, ces roches furent impliquées dans diverses hypothèses géodynamiques. Vers 1900, l'étude des kimberlites favorisa la croyance en une abondance d'éclogite à l'intérieur de la Terre. En 1912, Fermor prédit l'existence d'une couche éclogitique dense dans le manteau. Cette hypothèse fut envisagée jusque vers 1970, époque à laquelle l'alternative d'un manteau péridotitique s'imposa, après que les expériences sur la transition gabbro-éclogite aient démontré que celle-ci ne pouvait coïncider avec la discontinuité de Mohorovicic. Par ailleurs, les ceintures métamorphiques de haute pression, à éclogites et glaucophanites, caractéristiques des chaînes alpines, étaient considérées comme des reliques d'ophiolites, épanchées au fond de géosynclinaux, puis métamorphisées par la surcharge liée à l'empilement des nappes. Après l'acceptation de la tectonique des plaques, vers 1970, on admit que ces mêmes ceintures de haute pression étaient de la croûte océanique, transformée en éclogite dans des zones de subduction, puis intégrée aux chaînes de montagne. Curieusement, la formation d'éclogite dans des zones de " subsidence " (c'est-à-dire de subduction) avait été envisagée dès 1931 par Holmes, qui avait conçu une théorie de courants de convection dans le manteau. Au cours des années 1980, de nombreux auteurs tentèrent d'appliquer le modèle des ceintures alpines de haute pression aux éclogites incluses dans les terrains gneissiques des orogènes anciens, mais l'origine de ces dernières demeure encore confuse de nos jours. Lors des deux dernières décennies, certaines de ces roches furent au cœur du débat sur le métamorphisme d'ultra-haute pression. La découverte, en 1984, de coesite dans ces roches crustales a propulsé les pressions maximales du faciès éclogite à quelque 40 kbar, correspondant à des profondeurs de formation de plus de 100 km.

Mots-clés : histoire - pétrologie - métamorphisme - géodynamique - XIXe siècle - XXe siècle.

Introduction

Lorsqu'en 1822, René-Just Haüy créa le nom " éclogite ", signifiant roche de choix, il était fasciné par la beauté de la roche et l'originalité de son assemblage minéralogique. Il n'imaginait certes pas que cette roche allait se révéler une roche de choix à plus d'un titre. Pendant deux siècles, les éclogites contribuèrent en effet à la naissance d'importants concepts de la pétrologie endogène et furent impliquées dans de nombreuses hypothèses géodynamiques. Nous présentons ici une revue de l'histoire des éclogites, avec l'évolution des connaissances pétrologiques sur ces roches (découverte, origine métamorphique, formation à haute pression), puis un aperçu de leur interprétation géodynamique (hypothèse d'une couche éclogitique, subduction de croûte océanique, exhumation des roches d'ultra-haute pression). Un article plus détaillé ayant déjà été publié en langue anglaise sur ce sujet (Godard, 2001), nous incitons le lecteur à s'y reporter s'il désire consulter une bibliographie plus étendue sur la question.

Histoire d'une roche de choix

• Découverte

C'est à René-Just Haüy que l'on doit la création du mot " éclogite " à partir du grec e??o?? signifiant choix, élection. Dans la seconde édition de son Traité de minéralogie (1822), il en donne la définition suivante : " Dans la première [de trois roches primitives], la diallage [ou clinopyroxène] est considérée comme faisant fonction de base, et forme avec le grenat une combinaison binaire à laquelle sont censés s'unir accidentellement le disthène, le quarz, l'épidote et l'amphibole laminaire. J'ai donné à cette roche le nom d'éclogite, qui signifie choix, élection parce que ces composans, n'étant pas de ceux qui existent communément plusieurs ensemble dans les roches primitives, comme le feldspath, le mica, l'amphibole, semblent s'être choisis pour faire bande à part. Cette roche se trouve en Carinthie, dans le Sau-Alpe, et en Styrie ". La collection de roches d'Haüy, qui est conservée à Paris, à la Galerie de minéralogie du Muséum national d'histoire naturelle, comporte encore 7 échantillons étiquetés " éclogite ", qui proviennent du " Pays de Bayreuth " (Bavière).

Généralement, les pétrologues affirment qu'Haüy fut le premier à découvrir les éclogites, mais cette assertion est injuste, car d'autres avaient observé ces roches avant qu'il ne crée le nom. Dès le Néolithique, les hommes ont apprécié cette roche pour sa dureté et sa densité, l'utilisant pour façonner des outils. D'un point de vue scientifique, c'est à Horace-Bénédict de Saussure que nous devons la première description d'éclogites. Dans son Voyage dans les Alpes (1779-1796), il fait état d'une nouvelle roche qu'il avait trouvé en galets dans la vallée du Rhône, près de Genève. Cette roche était dense, dure, constituée de grenats dans une matrice verte, faite de " jade " (pyroxène ?) et de " schorl " (amphibole ?). En 1767 et 1774, il observa cette roche à l'affleurement, au Brévent près de Chamonix, et à Montjovet dans le Val d'Aoste. La première occurrence est sans aucun doute liée au célèbre gisement du lac Cornu, distant de 2 km. La roche de Montjovet l'impressionna beaucoup : " Cette roche paroît au soleil de la plus grande beauté ". La collection de Saussure, qui est conservée au Muséum d'histoire naturelle de Genève (Lanterno, 1976), comporte une douzaine d'échantillons d'éclogite, de micaschistes éclogitiques et de glaucophanite provenant de divers endroits des Alpes (cf. Godard, 2001, Appendice 2). Déodat Gratet de Dolomieu (1794) mentionna aussi l'existence de roches à " schorl " et grenat dans les " montagnes primitives ", et il avança les raisons qui, selon lui, firent cristalliser ces deux minéraux ensemble. Enfin, le grand géognoste allemand Abraham Gottlob Werner connaissait aussi quelques éclogites des Alpes autrichiennes et d'Allemagne méridionale, notamment le gisement bien connu de Silberbach. Il les décrivit comme constituées de grenat, " omphazit " et, occasionnellement, " cyanit " (Werner, 1817).

Le nom éclogite s'avéra utile, puisqu'il fut très vite employé par les géologues européens pour désigner des roches d'Allemagne, d'Autriche, des Alpes et de Norvège. En France, on doit la première étude d'éclogite à Auguste Rivière [1805-1877] (cf. Godard, 1984). Alors professeur d'histoire naturelle à Bourbon-Vendée -aujourd'hui La Roche-surYon -, il entreprit de dresser la carte géologique du département de la Vendée sur fond de Cassini. Cette carte, qui ne fut jamais publiée, est aujourd'hui perdue, mais l'on sait qu'à cette occasion Rivière découvrit dans la région de Rocheservière " la belle roche qui porte le nom d'éclogite " (Rivière, 1835). Il en fit une plus ample description en 1844, et l'attribua au groupe des " roches dioritiques " (i.e. amphibolites, pyroxénites...). Selon une conception de l'époque, Rivière considérait chaque groupe de roches ignées (" porphyres ", granites, " roches dioritiques " ou basaltes) comme appartenant à une période géologique particulière. Ainsi, attribuait-il le redressement des couches du Sillon houiller de Vendée " à la catastrophe qui a fait sortir les roches dioritiques des entrailles du globe [...et qui fut] la cause de l'absence de ces terrains compris entre le terrain houiller et le Lias " (Rivière, 1844 ; cf. Godard, 1984). Une étude plus attentive aurait permis à Rivière d'observer que le conglomérat carbonifère comporte par endroits des galets d'éclogite et d'amphibolite. François-René-André Dubuisson (1830) connaissait aussi des éclogites en Loire-Inférieure (Loire-Atlantique), mais il n'avait pas fait le rapprochement avec l'éclogite d'Haüy. Il les décrivit sous les noms d'eurites grenatifères et d'eurites pyroxéniques. Les éclogites du Massif central furent découvertes plus tardivement (Aveyron : Boisse, 1870 ; Limousin : Barret, 1892 ; Marche : Yang Kieh, 1932). Quant aux éclogites des Alpes franco-italiennes, c'est à Necker (1828, Lac Cornu) puis surtout à Fournet (1841) et Joukowsky (1902) que l'on doit les premières descriptions de ces roches sous leur nom. Un examen attentif des descriptions de Fournet montre toutefois que ce dernier avait réétudié les gisements décrits par de Saussure.

Les premières études d'éclogites, dont on doit se souvenir qu'elles furent entreprises sans microscope polarisant, étaient très confuses. Alors que le grenat était reconnu sans difficulté, la matrice pyroxénique était décrite comme " diallage ", " omphazit ", " körniger Strahlstein ", " schorl ", ou encore " smaragdite ". Le nom smaragdite, créé par de Saussure, servait à désigner des silicates verts de nature imprécise. L'omphacite, un autre minéral vert, avait été nommé par Werner (in Hoffmann & Breithaupt, 1815), à partir du grec oµfa? signifiant " raisin vert ", pour désigner la matrice vert clair des éclogites. Haüy (1822) considérait l'omphacite de Werner comme une variété verte de sa " diallage ", c'est-à-dire de notre clinopyroxène. Parce que le clinopyroxène des éclogites possède généralement une belle couleur vert émeraude, le nom omphacite fut finalement adopté, alors que celui de smaragdite devint synonyme d'amphibole verte - autre minéral commun des éclogites -, avant de disparaître tout à fait.

• Premières études pétrologiques

L'utilisation du microscope polarisant, à partir du milieu du XIXe siècle (cf. Hamilton, 1992), conduisit à de grands progrès dans la connaissance de ces roches. Dans les années 1880-1920, d'importantes monographies furent consacrées aux éclogites de Bavière, d'Autriche, de France, de Californie et de Norvège. En France, les éclogites furent d'abord étudiées par Alfred Lacroix (1891). Celui-ci en confia ensuite l'étude à l'un de ses étudiants, Marcel Brongniart, qui n'y consacra qu'un résumé (Brongniart, 1908) avant d'abandonner ses études pour devenir prêtre. Lacroix proposa alors à Yvonne Brière de reprendre le travail, lui demandant si elle était bien sûre de ne pas vouloir entrer au couvent (Y. Brière, comm. pers.). Brière soutint une thèse intitulée " Les éclogites françaises ; leur composition minéralogique et chimique ; leur origine ", qui fut longtemps un ouvrage de référence sur le sujet (Brière, 1920).

Qu'il me soit permis ici de relater quelques souvenirs à propos d'Yvonne Brière, l'une des toutes premières femmes géologues en France. Alors que j'avais entrepris de préparer une thèse sur les éclogites armoricaines, j'eus la chance de rencontrer en 1981 cette vieille dame, âgée de plus de 90 ans. Elle vivait chez des petits-neveux, dans un pavillon de la banlieue nord de Paris. Affaiblie physiquement, elle me relata néanmoins avec beaucoup de vivacité ses souvenirs sur le laboratoire de minéralogie du Muséum, dirigé par Alfred Lacroix. Elle pouvait puiser dans les riches collections du Muséum des échantillons d'éclogite qui provenaient de France métropolitaine, mais aussi des colonies (Madagascar, Nouvelle-Calédonie). Son étude était surtout consacrée aux éclogites du Massif armoricain méridional (Loire-Atlantique et Vendée) et du Bas-Limousin (région d'Uzerche). Elle me relata comment elle explorait en voiture à cheval les gisements de la région nantaise, de Bouvron (Loire-Atlantique) à Saint-Denis-la-Chevasse (Vendée), accompagnée de Louis Bureau, conservateur du Muséum de Nantes. Comme pour tester mes connaissances, elle me questionna sur un bel échantillon d'éclogite qu'elle avait conservé sur sa cheminée. Je reconnus la belle roche à disthène et grenats pluri-centimétriques de La Compointrie en Saint-Philbert-de-GrandLieu, décrite par Charles Baret en 1900. Elle évoqua sa soutenance de thèse, qui eut lieu en décembre 1919 à la Sorbonne, sous la présidence de Frédéric Wallerant, car, à l'époque, le Muséum n'était pas habilité à délivrer des diplômes universitaires. Après ses études, elle séjourna à Madagascar pendant une dizaine d'années, puis revint en France vers 1930. Ce fut la fin de sa carrière scientifique, car elle ne fut pas réintégrée au Muséum. En évoquant ce pénible souvenir, elle se mit à pleurer. Gêné et un peu bouleversé, je n'osai pas la questionner davantage.

Au début du XXe siècle, plusieurs monographies furent consacrées aux éclogites (e.g. Hezner, 1903 ; Brière, 1920 ; Eskola, 1921). Ces travaux donnent des descriptions pétrographiques précises de ces roches, avec des détails sur deux importantes structures pétrologiques : 1° les couronnes de kélyphite autour du grenat et 2° les symplectites ayant remplacé l'omphacite.

Le nom " kélyphite " fut forgé par Schrauf en 1882, à partir du grec signifiant coquille, parce qu'il enveloppait le grenat des péridotites à grenat. Le nom fut repris par Hezner (1903) pour désigner les couronnes à amphibole + plagioclase qui résultent de la réaction métamorphique entre le grenat et l'omphacite des éclogites. Fermor (1912) fut le premier à proposer une interprétation élégante à ce phénomène, le considérant comme produit par une réaction entre grenat et omphacite lors de la décompression.

Le remplacement de l'omphacite par une symplectite à augite + albite fut observée par de nombreux auteurs. La raison de cette réaction métamorphique fut d'abord comprise par le pétrologue italien Secondo Franchi [1859-1932] (Franchi, 1902a), puis par le célèbre pétrologue finlandais Pentti Eskola (1921). Ils l'interprétèrent comme le résultat de l'exsolution de la molécule jadéite de l'omphacite, ce qui produit de l'albite :

1 omphacite [Jadéitex Augite1-x] + x quartz -> x albite + (1-x) augite.

La compréhension du phénomène était l'aboutissement d'importants progrès dans la connaissance des clinopyroxènes sodiques et des relations entre la jadéite et les éclogites, qui constituent en eux-mêmes une longue histoire. Le jade est connu depuis le Néolithique, où il fut utilisé pour confectionner des outils et des bijoux (cf. Bishop, 1906). Les Indiens d'Amérique centrale l'appelaient chalchihuilt, et les Chinois connaissaient cette roche sous le nom de Yü, qu'ils collectaient en divers Yü Shan (" montagnes à jade "). Cette pierre fut ensuite décrite en Europe par l'Espagnol Nicolás Monardes, en 1565, sous le nom de " la piedra dela yjada " (la pierre de la colique [néphrétique]), en raison de ses pouvoirs curatifs supposés. Ce nom fut étrangement traduit par " pierre de jade " par des lapidaires français, comme Etienne de Clave (1635), et devint notre " jade ". Les premiers minéralogistes comme Haussmann (1813), Hoffmann & Breithaupt (1815), Haüy (1822) et, surtout, Alexis Damour (1863, 1865, 1881) distinguaient deux variétés de jade, l'une faite d'amphibole calcique (" néphrite "), et l'autre d'un nouveau silicate sodique et alumineux que Damour nomma " jadéite ". De prime abord, Damour pensait que sa jadéite était une " wernérite " (scapolite), en raison de sa composition chimique, mais plusieurs chercheurs (e.g. Krenner, 1883 ; Arzuni, 1883) montrèrent, d'après les propriétés optiques et physiques du minéral, qu'il s'agissait en réalité d'un clinopyroxène sodique et alumineux. Damour fut le premier à suspecter une relation entre la jadéite et les éclogites, lorsqu'il montra en 1881 que la " substance verte " (l'omphacite) d'une éclogite de Fay-de-Bretagne, en LoireAtlantique, avait une composition proche de la jadéite. Finalement, plusieurs auteurs établirent que l'omphacite des éclogites était une solution solide entre l'augite et la jadéite, avec un peu d'ægyrine. Secondo Franchi (1900) montra aussi que les roches à jadéite des Alpes sont habituellement associées à des éclogites, et il fut apparemment le premier à décrire la fameuse réaction

jadéite + quartz -> albite (Franchi, 1902a).

Il interpréta, avant Eskola (1921), la déstabilisation de l'omphacite des éclogites comme résultant de l'exsolution du composant jadéite.

• Origine métamorphique contre origine magmatique

Alors que la connaissance sur les éclogites progressait, le problème de leur origine demeurait énigmatique. Le débat se concentra sur une question : Les éclogites sont-elles des roches métamorphiques ou magmatiques ?

Autour de 1820, Ami Boué, le co-fondateur de la Société géologique de France, avait développé le concept du métamorphisme comme une conséquence de la théorie magmatique de Hutton (e.g. Boué, 1820, 1824). Bien que Boué ait utilisé le mot métamorphose, c'est à Lyell (1830-1833) que l'on doit le terme de métamorphisme (du grec [changement] et [forme]). Au cours du XIXe siècle, le concept fut appliqué aux seules roches sédimentaires. La température et l'action des fluides étaient considérées comme les seuls paramètres responsables des transformations minérales, la " pression " (en fait, la contrainte) étant supposée ne produire que des modifications de structure comme le développement de la schistosité (e.g. Daubrée, 1859 ; Delesse, 1857-1861 ; Hunt, 1884 ; Williams, 1890 ; Zittel, 1899)..

Quelques auteurs commencèrent à considérer les éclogites comme des roches métamorphiques (cf. Perrier, 1924), faisant valoir qu'elles étaient foliées, comme toute autre roche métamorphique, en particulier comme les gneiss dans lesquels on les trouve habituellement, et dont l'origine métamorphique était admise. D'autres auteurs, toutefois, pensaient qu'il s'agissait de roches magmatiques. Cela fut à l'origine d'une longue controverse qui eut tendance à dégénérer en une querelle chauvine entre les Austro-Allemands, qui soutenaient l'origine métamorphique, et les Scandinaves, qui préféraient l'origine magmatique. Parmi les partisans de cette dernière, figure le grand pétrologue finnois Pentti Eskola (1921), qui considérait les éclogites de Norvège comme ayant cristallisé à partir d'un " magma éclogitique ", dans des conditions de haute pression. Il en attribua la foliation à une " contrainte lors de la consolidation ".

Les premières analyses chimiques d'éclogites, dans les années 1870, révélèrent que ces roches avaient la composition chimique de roches gabbroïques, alors que leur constitution minéralogique en était fort éloignée. Cette constatation ne permit pas de lever le doute sur l'origine, car elle était compatible avec les deux hypothèses : les éclogites pouvaient être aussi bien des roches magmatiques de composition gabbroïque que des gabbros métamorphisés. Cette dernière idée était très novatrice, cependant, car le concept de métamorphisme n'avait été appliqué jusqu'alors qu'à des roches sédimentaires.

L'étude des roches à glaucophane, fréquemment associées aux éclogites, aida à élucider la question. Des transitions graduelles furent observées entre des gabbros ou basaltes non métamorphisés, des métabasites à glaucophane, puis des éclogites à glaucophane (e.g. Bonney, 1879 ; Lacroix, 1941), dont certaines avaient même préservé les structures originelles des laves en coussin (e.g. Bearth, 1959). Cela était un argument majeur en faveur de l'origine métamorphique, qui s'imposa peu à peu.

Cependant, l'hypothèse métamorphique ne fut pas aisément admise. Yvonne Brière (1920) montra dans sa thèse que les éclogites françaises résultaient d'un métamorphisme de roches gabbroïques, non seulement parce que leur composition était celle de gabbros, mais aussi parce qu'elles suivaient des variations typiques d'une série gabbroïque. Elle me raconta que les membres de son jury de thèse lui reprochèrent vivement cette hypothèse. Quand je lui appris, 60 ans plus tard, que cette origine était désormais largement admise, elle s'en montra ravie.

Finalement, un consensus émergea. Les éclogites étaient considérées comme le résultat du métamorphisme de roches gabbroïques ou basaltiques, pour trois raisons principales : (a) les progrès en géochimie montrèrent que les éclogites avaient tous les caractères chimiques de gabbros, aussi bien du point de vue des terres rares, des oligoéléments que des éléments majeurs ; (b) la structure du gabbro pré-éclogitique était dans quelques cas encore reconnaissable ; (c) la transition gabbro-éclogite fut confirmée expérimentalement (e.g. Ringwood & Green, 1966). Cependant, on admet encore que certaines éclogites du manteau (griquaïte, grospydite) pourraient se former à partir d'un magma dans des conditions de très haute pression.

Concept de métamorphisme de haute pression de " faciès éclogite " Quand la parenté entre éclogite et gabbro fut mise en évidence, vers 1900, on s'interrogea sur les raisons de l'existence d'une si grande différence de minéralogie entre les deux roches, alors que leur composition chimique est similaire. La pression s'avéra être une réponse séduisante à cette question. La thermodynamique prévoyait clairement qu'une augmentation de pression devait conduire à la formation d'assemblages minéraux de plus forte densité. Lepsius (1893) avait été le premier à appliquer aux roches cette idée, généralement connue sous le nom de " loi des volumes ". Le pétrologue austro-hongrois Friedrich Becke (1903), le découvreur du fameux " liséré de Becke " en microscopie, l'appliqua aux éclogites. Il observa que les volumes molaires des paragenèses éclogitiques étaient systématiquement plus faibles que ceux des assemblages gabbroïques de même composition. Il en conclut que les éclogites étaient l'équivalent de haute pression des gabbros. Cette idée, l'une des plus ingénieuses de toute l'histoire de la pétrologie, fut vite reprise par divers chercheurs (Grubenmann, Fermor, Eskola). Sa confirmation expérimentale ne viendra que 63 années plus tard. À la même époque, apparaissait la notion de faciès minéral. Barrow (1893) introduisit le concept de métamorphisme régional progressif, et définit des minéraux marqueurs de la profondeur du métamorphisme. Van Hise (1898) proposa quatre zones de métamorphisme selon la profondeur, tandis que Grubenmann (1904-1907) en distinguait trois (épizone, mésozone et catazone). L'introduction de la pression comme variable intensive indépendante de la température conduisit à un perfectionnement du concept par Pentti Eskola (1915, 1920, 1929, 1939), avec la participation de Goldschmidt (cf. Touret et Nijland, 2001). Selon Eskola, les roches d'un même faciès minéral se forment dans des conditions de température et pression similaires. Sous ces conditions, l'assemblage minéralogique ne dépend que de la composition chimique globale de la roche, et non du mode de cristallisation, qu'il soit magmatique, métamorphique, ou même hydrothermal. Parmi une dizaine de faciès, Eskola définit un " faciès éclogite ", correspondant à des conditions de formation à très haute pression et haute température.