Lesrochesmagmaques -...
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But du cours
Comprendre les roches endogènes
• leur organisation interne: minéralogie
• leur diversité: classification
• leur origine: genèse des magmas
• leur répartition sur la Terre: géodynamique interne
Introduction
Magma: mélange essentiellement silicaté (phase fluide + cristaux + gaz dissous)
Type de
magma
Caractéristiques Roche préférentiellement
formée Physiques Chimiques
Ultrabasique 1200°C < T
Très peu visqueux Très riche en Fe, Mg, Ca Péridotite (π)
Basique 1000 °C< T < 1200°C Peu visqueux
Riche en Fe, Mg, Ca Pauvre en K, Na, Si
Basalte (β)
Intermédiaire 750°C < T < 1000°C
Visqueux Présence de Fe, Mg, Ca,
Na, K, Si Andésite (α)
Acide T < 750°C
Très visqueux Pauvre en Fe, Mg, Ca
Riche en K, Na, Si Granite (γ)
Introduction
Liq0 - Sol0
Liq Rés2 - Sol2
Sol3
Magma primaire Magma intermédiaire
Liq Rés1 - Sol1
Magma différencié
Roche basique Roche intermédiaire Roche acide
Cristallisation fractionnée: processus d’évolution et de différenciation magmatique
SiO2
FeMg
T°C
Introduction
Roches magmatiques: roches résultant de la solidification d’un magma
Principales familles
Principaux minéraux Oliv Pyrox Amph Micas Qz Fd Alc Plagio
Na > Ca Plagio Na < Ca
Péridotites x x x
Gabbro/Basalte x x x x
Diorite/Andésite x x x x x
Granodiorite/Dacite x x x x x
Syénite/Trachyte x x x x
Granite/Rhyolite x x x x
Série magmatique: association de roches magmatiques co-génétiques (càd, qui dériveraient d’un même magma initial par cristallisation fractionnée), dont la distribution est limitée dans le temps et dans l’espace.
Définition
Critères chimiques et minéralogiques
Série magmatique
Critères temporels et spatiaux
Il existe 5 séries magmatiques:
Définition
ultra-alcaline alcaline transitionnelle calco-alcaline tholéitique
Série magmatique Roches primaires
Roches intermédiaires
Roches différenciées
Hyper-alcaline ou Shoshonitique
Basalte à f., Néphélinite Néphélinite Shoshonite
Moyennement Alcaline
Basalte alcalin à olivine Téphrite Phonolite
Transitionnelle ou
Alcaline sodique
Basalte à olivine
Hawaïte Mugéarite
Benmoréite Trachyte
Alcaline potassique Basalte alcalin Trachy-andésite Rhyolite
Calco-alcaline Basalte andésitique
Andésite Dacite Rhyolite
Tholéitique Basalte tholéitique
Ferrobasalte Icelandite Rhyolite
Chaque série contient des R. primaires, intermédiaires et différenciées.
Définition
Hawaïte:β alc. à andésine Mugéarites: α à oligoclase et CPx riche en Ca
Benmoréites: α à Plagio Na Icelandite: α à labrador et CPx pauvre en Ca
Shoshonite: Tep à labrador, Oliv, CPx et f Tholéitique: β à Px, Plagio et Qz
Définition
Mais, en pratique, on en distingue 3 principales:
alcaline calco-alcaline tholéitique
ultra- alcaline
moyennement alcaline
alcaline
sodique
alcaline
potassique
Alc/SiO2 fort Alc/SiO2 moy Alc/SiO2 faible
bcp de f
peu ou pas de f
Na > K Na < K
Chaque série contient des R. primaires, intermédiaires et différenciées.
Définition
Série magmatique Roches primaires
Roches intermédiaires
Roches différenciées
Alcaline Basalte alcalin
Hawaïte Mugéarite
Benmoréite
Phonolite Trachyte Rhyolite
Calco-alcaline Basalte andésitique
Andésite Dacite Rhyolite
Tholéitique Basalte tholéitique
Ferrobasalte Icelandite Rhyolite
Hawaïte:β alc. à andésine Mugéarites: α à oligoclase et CPx riche en Ca
Benmoréites: α à Plagio Na Icelandite: α à labrador et CPx pauvre en Ca
Shoshonite: Tep à labrador, Oliv, CPx et f Tholéitique: β à Px, Plagio et Qz
Série alcaline Série tholéitique Série calco-alcaline
Chim
ie
40% < % SiO2 < 47% 4% < Alc 1% < K2O
2% < TiO2
48% < % SiO2 < 52% Alc < 4% K2O < 1% TiO2 < 2%
52% < % SiO2 < 62% Bas < 25% 1% < K2O TiO2 < 2%
R. ultra-basique à basique R. basique R. intermédiaire
Minéralogie
Olivine: abondante et stable
Pyroxènes: Augite
Oxydes: Ilménite + Magnétite
Plagio: An75-60
Feldspathoïde possible Feldspath K possible
Olivine: rare et réactionnelle
Pyroxènes: Augite + 1 Px non Ca
Oxydes: Magnétite
Plagio: An90-75
Tridymite possible
Olivine: réactionnelle
Pyroxènes: Augite + Hypersthène
Oxydes: Magnétite
Plagio: An60-45
Tridymite Amphibole et Biotite
R. mélanocrate à mésocrate R. mésocrate R. mésocrate à leucocrate
Basalte alcalin Basalte tholéitique Andésite
Synthèse
Caractères distinctifs des 3 principales séries magmatiques
Conclusions
Chaque série se distingue par des caractéristiques primaires et a donc une origine différente.
Fusion partielle
Fusion partielle: processus inverse de la cristallisation fractionnée
MAGMA ROCHE Fusion partielle
Cristallisation fractionnée
Solide + Liquide résiduel
Liquide + Résidu solide
Magma: phase fluide résultant de la fusion d’une roche magmatique
Fusion partielle
La fusion d’une roche est contrôlée par:
- la température: T°C avec la profondeur
- la pression, qui s’oppose à l’agitation atomique: Pkbar avec la profondeur
- la présence d’eau: [H2O] avec la profondeur
La fusion d’une roche est liée au gradient géothermique (33°C/km).
T°C et Pkbar contrôlent le degré de fusion partielle.
+ T°C , + le degré de fusion partielle + Pkbar, + le degré de fusion partielle
Fusion partielle
Dans des conditions normales, le gradient géothermique ne franchit pas le solidus: la fusion des roches ne peut avoir lieu.
La fusion peut avoir lieu, si l’un des facteurs est modifié.
Solidus: courbe marquant le début de la fusion partielle
Liquidus: courbe marquant le début de la fusion totale
T°C min de fusion = 1150 °C
Péridotite anhydre
Fusion partielle
- un réchauffement isobare (hausse de la température à P constante) par apport d’énergie.
La fusion partielle peut être due à :
Lieu: Point chaud
Fusion partielle
- une décompression adiabatique (chute de pression à T°C constante) sans échange de chaleur.
La fusion partielle peut être due à :
Lieu: sous les dorsales
Fusion partielle
- une baisse du point de fusion (à T°C et P constantes) par apport de fluides (H2O, CO2)
La fusion partielle peut être due à :
Lieu: Zone de subduction
Rappels sur la structure interne de la Terre
Moho: 30 km
ZMV: 70-150 km
Gutemberg: 2900 km
Lehmann: 5200 km
Z. transition: 400-700 km
Discontinuité: changement des paramètres physiques (d, P, T°C, rigidité, viscosité) ou chimiques.
Nature possible du matériel solide
ZMV: Vp et Vs , car présence de phase fluide.
Rappels sur la structure interne de la Terre
Nature possible du matériel solide
Le lieu le plus propice à la formation des magmas est la Zone de Moindre Vitesse.
- la lithosphère (croûtes + partie sommitale du manteau sup). - l’asthénophère.
La ZMV marque la limite entre:
Nature possible du matériel solide
Croûte continentale Croûte océanique Manteau
Sur terre, il existe 3 types de matériel solide pouvant subir une fusion partielle:
Chaque enveloppe est caractérisée par une composition chimique différente.
Oxyde Croûte continentale
Croûte océanique
Manteau sup.
SiO2 61,5 50,4 44,8 TiO2 0,7 1,7 0,2 Al2O3 15,1 14,9 4,5 FeO* 5,7 10,2 8,4 MnO 0,1 0,2 0,1 MgO 3,7 7,3 37,2 CaO 5,5 11,3 3,6 Na2O 3,2 2,9 0,6 K2O 2,2 0,3 0,1 H2O 1,0 0,4 0,1
Bas 15,0 29,0 49,3 Alc 5,4 3,2 0,7
Croûte continentale
SiO2 > 52%
Roche intermédiaire et calco-alcaline
Bas > 10 % Alc = Ca
Croûte océanique
SiO2 > 45%
Roche basique et calco-sodique
Bas > 25 % Alc < Ca
Manteau supérieur
SiO2 < 45%
Roche ultrabasique et calco-sodique
Bas > 50 % Alc < Ca
Nature possible du matériel solide
Chaque enveloppe est donc caractérisée par un type de roche magmatique différent.
Andésite Basalte Péridotite
Croûte continentale Croûte océanique Manteau
Nature possible du matériel solide
Magma: étape transitoire entre une phase de fusion partielle d’une zone mantellique ou crustale et une phase de solidification.
Nature possible du matériel solide
Matériel Mécanisme Série magmatique
Croûte océanique
Réchauffement isobare
Calco-alcaline
Croûte continentale
Manteau Détente adiabatique
du point de fusion
Tholéitique
Alcaline
Origine des magmas tholéitiques
En 1928, Bowen a émis l’hypothèse que les basaltes tholéitiques provenaient de la fusion partielle d’une roche mère ayant la composition d’une péridotite à feldspaths calciques.
Des travaux expérimentaux ont affiné cette hypothèse et ont montré qu’:
P > 8-10 kbar T°C > 1100°C Profondeur < 25 km sous les océans
- un assemblage minéralogique (Ol + Px + Plagio Ca) est instable si:
Hypothèses et pétrologie expérimentale
- la roche mère théorique (ou pyrolite) serait une péridotite de type Lherzolite.
SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O 45,16 0,76 3,54 0,46 8,04 0,14 37,49 3,08 0,57 0,13
Origine des magmas tholéitiques
Origine de la roche mère
Péridotites: R. ultra-mafiques typiques du manteau sup., composées principalement de 3 minéraux FeMg et d’un minéral alumineux
Olivine Forstérite (Mg2SiO4)
ClinoPyroxène Diopside (CaMgSi2O6)
Orthopyroxène Enstatite (Mg2Si2O6)
P< 10 kbar
10 < P < 20 kbar
P > 20 kbar
Plagioclase
Spinelle
Grenat
+
+
+
= π à
Plagioclase
= π à
Spinelle
= π à Grenat
Spinelle: Oxyde typique du métamorphisme de MP
Grenat : (néso)silicates typiques du métamorphisme de HP
Origine des magmas tholéitiques
La Lherzolite donne par fusion partielle (°fp > 20%) un liquide basaltique tholéitique et un solide résiduel péridotite de type Harzburgite appauvri en certains éléments (Ti, Al, Ca, Na, K).
Produits de la fusion partielle de la roche mère
Péridotite initiale
Liquide magmatique
Résidu de fusion
Basalte
tholéitique
Harzburgite Lherzolite
BP, HT ° fp > 20%
Prof = 60 km
Origine des magmas alcalins
Des travaux expérimentaux ont démontré que:
Hypothèses et pétrologie expérimentale
- les basaltes alcalins résulteraient également de la fusion partielle d’une péridotite de type Lherzolite,
- mais à une profondeur plus importante (HP, HT) et avec un degré de fusion partielle plus faible (°fp < 5%)
Liquide magmatique
Résidu de fusion
Basalte
tholéitique
Harzburgite
Basalte alcalin
HP, HT ° fp < 5%
Prof = 200 km
Produits de la fusion partielle de la roche mère
Origine des magmas alcalins
La Lherzolite donne par fusion partielle (°fp < 5%) un liquide basaltique alcalin et un solide résiduel péridotite de type Harzburgite appauvri en certains éléments (Ti, Al, Ca, Na, K).
BP, HT ° fp > 20%
Prof = 60 km
Péridotite initiale
Lherzolite
L’origine des magmas calco-alcalins a été plus problématique à déterminer car il faut satisfaire à plusieurs contraintes:
Origine des magmas calco-alcalins
Hypothèses et pétrologie expérimentale
- présenter un caractère hydraté,
- être du type ultrabasique ou basique,
- subir une évolution et une différenciation magmatique.
Les magmas doivent:
Origine des magmas calco-alcalins
Hypothèses et pétrologie expérimentale
1ère hypothèse: les magmas calco-alcalins proviendraient d’une contamination de magmas basaltiques par des granites et des roches sédimentaires lors de l’ascension du magma.
Les progrès de la géochimie isotopique ont infirmé cette hypothèse en démontrant que la signature isotopique des magmas calco-alcalins était incompatible.
Origine des magmas calco-alcalins
Hypothèses et pétrologie expérimentale
Pour répondre à toutes les contraintes, le modèle proposé repose sur:
- des interactions entre manteau et croûte (assimilation et transfert de fluide),
- une différenciation par cristallisation fractionnée,
- des mélanges de magma.
2ème hypothèse: les magmas calco-alcalins résulteraient de la fusion partielle de péridotites mantelliques hydratées par l’apport d’H2O provenant de la croûte océanique subductée subissant le métamorphisme.
Introduction
L’activité volcanique se concentre essentiellement aux limites des plaques mais également au cœur des plaques (océaniques ou continentales).
Magmatisme associé à la divergence lithosphérique
Dorsales océaniques
Au niveau des dorsales, la croûte océanique est amincie, du fait de la divergence lithosphérique, ce qui provoque une remontée du manteau.
Remontée du manteau
P à T° cte
Magmatisme associé à la divergence lithosphérique
Dorsales océaniques
Au niveau des dorsales, la croûte océanique est amincie, du fait de la divergence lithosphérique, ce qui provoque une remontée du manteau.
Remontée du manteau
P à T° cte
Décompression adiabatique
Fusion partielle (20%) à BP, HT de péridotite
Magma tholéitique
Magmatisme associé à la divergence lithosphérique
Dorsales océaniques
Dans la chambre magmatique, des cellules de convection se mettent en place à cause des flux de chaleur et des apports de magma.
Cellules de convection
Différentiation & Evolution magmatique
Séquence ophiolitique
Magmatisme associé à la divergence lithosphérique
Dorsales océaniques
Au niveau des rides médio-océaniques, on observe des basaltes en forme de coussin (pillow lava) appelés MORB (Mid-Ocean Ridge Basalt)
MORB: Mid-Ocean Ridge Basalt
Magmatisme associé à la divergence lithosphérique
Rifting continental
Rifting continental: 1ère phase géodynamique de séparation entre 2 plaques
Remontée du manteau
Dôme lithosphérique
Fusion partielle (5%) à HP, HT de péridotite
Magma alcalin
Rift Est Africain
Magmatisme associé à la divergence lithosphérique
Rifting continental
Si la phase d’extension se poursuit, la croûte s’amincit.
Remontée du manteau
P à T° cte
Décompression adiabatique
Fusion partielle (20%) à BP, HT de péridotite
Magma tholéitique
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Arcs insulaires
Au niveau des zones de subduction (co-co), la croûte océanique, qui s’enfonce (P et T° ), subit le métamorphisme (modification minéralogique à l’état solide).
Hydratation du manteau
P > 10-15 kbar
Prof > 30-50 km
Décarbonations et déshydratations
Libération de CO2 et H2O
Arcs insulaires
Au niveau des zones de subduction (co-co), la croûte océanique, qui s’enfonce (P et T° ), subit le métamorphisme (modification minéralogique à l’état solide).
Hydratation du manteau
Fusion partielle de péridotite hydratée (30 km)
Magma calco-alcalin
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Décarbonations et déshydratations
Libération de CO2 et H2O
Arcs insulaires
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Au niveau des zones de subduction (co-co), le magma calco-alcalin, formé vers 30 km de profondeur, remonte à la surface pour former des basaltes et des andésites.
Arcs insulaires
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Ceinture de Feu du Pacifique
Au niveau des zones de subduction (co-co), on observe du magmatisme de type calco-alcalin.
IAT: Island Arc Tholeit
Arc des Petites Antilles:
Montagne Pelée (Martinique),
La Soufrière (Guadeloupe),
Mont-Serrat (Saint Vincent)
Pinatubo (Philippines)
Arcs continentaux
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Au niveau des zones de subduction (co-cc), la croûte océanique, qui s’enfonce (P et T° ), subit le métamorphisme (modification minéralogique à l’état solide).
Décarbonations et déshydratations
Libération de CO2 et H2O
Hydratation du manteau
Arcs continentaux
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Hydratation du manteau
Fusion partielle de péridotite hydratée (70 km)
Magma calco-alcalin
Au niveau des zones de subduction (co-cc), la croûte océanique, qui s’enfonce (P et T° ), subit le métamorphisme (modification minéralogique à l’état solide).
Décarbonations et déshydratations
Libération de CO2 et H2O
Arcs continentaux
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Au niveau des zones de subduction (co-cc), la fusion partielle, débutant à une plus forte profondeur, ne permet pas à la totalité du magma d’atteindre la surface.
Au niveau des zones de subduction (co-cc), on observe du volcanisme aérien de type andésitique.
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Arcs continentaux
La ceinture volcanique de l’Amérique
Centrale
La cordillère des Andes
Chaînes des Cascades:
Mont Saint-Helens
Arcs continentaux
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Au cours de la remontée du magma, la croûte continentale peut fondre partiellement et donner naissance à des magmas granitiques: il s’agit de l’anatexie crustale.
T°C de fusion = 750 °C
Remontée du magma
T localement
du gradient géothermique
Fusion partielle de la croûte continentale
Magma granitique
Magmatisme associé à la convergence lithosphérique
Orogenèse
Au niveau des zones de collision (cc-cc), la formation de chaînes de montagnes entraîne un épaississement crustal.
T°C de fusion = 750 °C
Epaississement crustal
P et T
Libération d’H2O et de CO2
Fusion partielle de la croûte continentale hydratée
Magma granitique
Magmatisme intraplaque
L’activité volcanique intraplaque est marquée par l’existence de points chauds (hot spots).
Ils résultent de remontées de panaches mantelliques dues à des courants de convections au sein du manteau inférieur (anomalies thermiques).
Remontée de panaches mantelliques
T° localement à P cte
Magmatisme intraplaque
Fusion partielle
°fp = 20 % BP, HT
Remontée de panaches mantelliques
T° localement à P cte
°fp = 5 % MP, HT
Tholéitique alcalin
L’activité volcanique intraplaque est marquée par l’existence de points chauds (hot spots).
Ils résultent de remontées de panaches mantelliques dues à des courants de convections au sein du manteau inférieur.