TD3 – Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimieTD3 – Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie

Etude de la vitesse de propagation des ondes sismiques (P et S):

discontinuités séparant des enveloppes avec des propriétés physiques différentes (densité, rhéologie)

Ces enveloppes sont aussi différentes d’un point de vue:

(1) chimique

(2) minéralogique

Exercices:

1) Estimation des pourcentages en masse du noyau et du manteau

2) Comparaison des compositions de chondrite et de Terre totale – conclusions sur la formation de la Terre

3) Composition chimiques des enveloppes, roches et minéraux – liens génétiques

4) Fusion partielle du manteau et différenciation

Equation de mélange

Terre totale = a*noyau + b*manteau avec a + b = 1

Ex1 – Estimation des pourcentages en masse du noyau et du manteau

a = (FeOTerre - FeOManteau) / (FeONoyau - FeOManteau) a = (35,92 - 7,10)/(95,77 - 7,10) = 0,325 donc pourcentage massique du Noyau = 32,5% et du Manteau 67,5%

FeOTerre = a*FeONoyau + (1-a)*FeOManteau

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60

SiO2

Fe

O

terre totale

noyau

manteau

Règle du levier: la proportion de noyau dans la Terre totale est donnée par le bras de levier N opposé = N/(N+M)

% M

% NTerre

noyau

manteau

volume du Noyau = 4/3 pi (6370-2900)3 = 1,7502 1011 km3volume total = 4/3 pi (6370)3 = 1,0827 1012 km3

% volumique du Noyau = 16%

% massique du Noyau = 32,5%

Difference de densité

Ex2 – composition de la Terre et d’une chondrite C1

  Noyau Manteau primitif

Terre Totale Chondrite C1

SiO2 0 49.52 33.42 34.2

Al2O3 0 3.57 2.41 2.44

FeO 95.77 7.1 35.92 35.8

MgO 0 35.69 24.09 23.7

CaO 0 2.82 1.90 1.89

Na2O 0 0.29 0.20 0.98

K2O 0 0.03 0.02 0.1

MnO 0 0.12 0.08 0.23

TiO2 0 0.16 0.11 0.11

P2O5 0 0.02 0.01 0.41

       

Cr2O3 0 0.41 0.28 0.27

NiO 5.76 0.25 2.04 2.1

CoO 0.27 0.01 0.09 0.06

somme 101.8 99.97 100.56 102.29

SiO2Terre = a*SiO2Noyau + b*SiO2Manteau

Ex3 – composition chimiques des croûtes et du manteau

Enveloppes

Roches

Minéraux

Ech

elle

COMPOSITION CHIMIQUE

Chaque enveloppe enveloppe se caractérise par une composition chimique différente (cf exo 1 et 2 – cas du manteau et noyau)

SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 H2O

Croûte continentale

supérieure 66,0 15,2 4,5 2,2 4,2 3,9 3,4 0,5 1,5

inférieure 54,4 16,1 10,6 6,3 8,5 2,8 0,34 1,0 1,0

Croûte océanique 50,5 15,3 10,4 7,6 11,3 2,7 0,11 1,62 0,4

Manteau supérieur 45 3,6 7,5 41 2 0,2 0,1 0,5 0,1

Manteau inférieur(primitif calculé)

49,52 3,57 7,10 35,69 2,82 0,29 0,03 0,16 0,15

Dans chaque enveloppeDans chaque enveloppe, on trouvera une série de rocheroche qui lui est propre

Chaque Chaque rocheroche se caractérise par une composition se caractérise par une composition chimiquechimique

SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 H2O

Granite 70 14 3 1,3 2,5 4 3,5 0,4 1

Andésite 58 17 7,5 3,3 6,8 3,5 1,6 0,9 0,8

Basalte océanique 47 14 11 13 10 2 0,5 2 0,5

Lherzolite 45 1,7 7,5 43 1,5 0,2 0,1 0,1 0

Harzburgite 42 0,5 7 50 0,1 0,1 0 0,1 0

Une roche est constituée de minérauxminéraux. La composition minéralogique d’une roche est fonction de la composition chimique de la roche et des conditions de cristallisation (P, T…)

Composition minéralogique des roches (Diagrammes de Streickeisen) – roches riches en minéraux clairs

Proportion modale de Quartz – Plagioclase – Feldspath alcalin

Composition minéralogique des roches ultrabasiques (roches avec moins de 10 % de mineraux clair)

Proportion modale d’olivine, cpx et opx

Chaque minéral a sa propre composition chimique

Exo3: calcul du % en poids de SiO2 et MgO des minéraux

=> calcul des masses molaires (g/mol ou g.mol-1) des oxydes

SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 H2O

60 102 71,8 40,3 56 62 94 80 18

=> calcul des masses molaires des minéraux

=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral

masse molaire

olivine Mg2 SiO4 ou (2MgO + SiO2) 2*40,3+60 = 140,6

pyroxène Ca Mg Si2O6 ou (CaO + MgO + 2SiO2) 56+40,3+2*60 = 216,3

feldspath Ca (anorthite)

Ca Si2Al2O8 ou (CaO + Al2O3 +

2SiO2)

56+102+2*60 = 278

feldspath Na (albite)

Na Si3AlO8 ou (1/2 Na2O + 1/2 Al2O3

+ 3SiO2)

62/2 + 102/2 + 3*60 = 262

feldspath K (orthose)

K Si3AlO8 ou (1/2 K2O + 1/2 Al2O3 +

3SiO2)

94/2 + 102/2 + 3*60 = 278

=> calcul des masses molaires des mineraux

=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral

Cas de l’olivine (Mg2 SiO4)

Dans 1 mole d’olivine 1 mole de SiO2

2 mole de MgO

Connaissant les masses molaire (masse par mole)

% en poids de SiO2 dans Mg2SiO4 = MSiO2 / MMg2SiO4 * 100

% en poids de MgO dans Mg2SiO4 = MMgO / MMg2SiO4 *2 * 100

=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral

% SiO2 %MgO

quartz SiO2 100 -

olivine Mg2 SiO4 ou (2MgO + SiO2) 42,77 57,33

pyroxène Ca Mg Si2O6 ou (CaO + MgO + 2SiO2) 55,48 18,63

feldspath Ca (anorthite)

Ca Si2Al2O8 ou (CaO + Al2O3 + 2SiO2) 43,17 -

feldspath Na (albite)

Na Si3AlO8 ou (1/2 Na2O + 1/2 Al2O3

+ 3SiO2)

68,70 -

feldspath K (orthose)

K Si3AlO8 ou (1/2 K2O + 1/2 Al2O3 +

3SiO2)

64,75 -

0

10

20

30

40

50

60

70

40 45 50 55 60 65 70 75

SiO2

MgO

enveloppesrochesmineraux

Diagramme Sio2 vs MgO

Manteau sup

Manteau inf

Croûte cont infCroûte ocean. Croûte cont sup

0

10

20

30

40

50

60

70

40 45 50 55 60 65 70 75

SiO2

MgO

enveloppesrochesmineraux

Manteau

olivineolivine

pyroxenepyroxene

Manteau sup

Manteau inf

harzburgiteharzburgite

lherzolitelherzolite

AnorthiteAnorthite

0

10

20

30

40

50

60

70

40 45 50 55 60 65 70 75

SiO2

MgO

enveloppesrochesmineraux

Croûte basique – cr. continentale inférieure et cr. océanique

Croûte cont infCroûte ocean.

pyroxènepyroxèneBasalte océaniqueBasalte océanique

AndésiteAndésite

AnorthiteAnorthite

0

10

20

30

40

50

60

70

40 45 50 55 60 65 70 75

SiO2

MgO

enveloppesrochesmineraux

Croûte continentale supérieure

Croûte cont sup

fKfKGraniteGranite

AlbiteAlbite

Notion de différenciation chimique par fusion partielle

Exemple de la croûte océanique et du manteauExemple de la croûte océanique et du manteau

fusion partielle: roche init P = liquide B + résidu solide (Rs)

application numérique dans le cas d’un taux de fusion partielle de 25 %:

SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2H2O

P : roche initiale 44 4 8 40,3 2,5 0,5 0,1 0,5 0,1

Rs : résidu solide 42,5 0,6 7 49,7 0,1 0 0 0,1 0

ß : liquide produit

48,5 14,2 11 12,1 9,7 2 0,4 1,7 0,4

0

10

20

30

40

50

60

70

40 45 50 55 60 65 70 75

SiO2

MgO

enveloppesrochesmineraux

Roche initiale

liquide

Résidu solide

% residu

% liquide