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Leçon 1
LES ROCHES
Protérozoique et Ordovicien
Mar Del Plata (Argentine)
Les questions choisies:
1 - qu’est-ce qu’une roche?
2 - comment se forment les cristaux?
3 - comment les cristaux témoignent-ils de leurs conditions de formation?
4 - comment cristallise un magma?
5 - comment se forment les roches métamorphiques?
6 - cristallisation et roches de surface
7 - conclusion
Mines d ’améthystes (Brésil)
1.1 QU’EST-CE QU’UNE ROCHE?
Hutton
Lavoisier
- vers une définition des roches
- exemple 1: éruptions volcaniques explosives
- le message conservé des cendres volcaniques
- exemple 2: éruptions volcaniques effusives
- formation des bulles dans les laves
- orientation des microlites dans les laves
- la notion de texture
- résumé: initiation à la pétrologie
1.1.1
VERS UNE DEFINITION DES ROCHES
Choisir les critères de définition n’est pas simple:
- une roche est-elle toujours un solide cohérent?
NON: le sable, l’argile sont des roches meubles
- une roche est-elle toujours un solide?
NON: l’état solide ou liquide ou gazeux dépend des
conditions P, T (l’eau et la glace; le magma et le granite)
- une roche est-elle toujours inorganique?
NON: le charbon, le pétrole
ALORS, QU’EST-CE QU’UNE ROCHE?
Une roche n’est pas simplement un réservoir d’éléments chimiques.
C’est aussi une structure physique. La pétrologie associe géochimie,
minéralogie et pétrographie.
1.1.2
EXEMPLE 1: ERUPTIONS VOLCANIQUES EXPLOSIVES
Les cendres témoignent
de l ’ébullition du
magma. Les bulles
éclatent en fragmentant
le magma et les débris
sont chassés par
l ’expansion des gaz.
1.1.3
LE MESSAGE CONSERVE DES CENDRES VOLCANIQUES
cinérite
argiles
cendres déposées dans une lagune
bulle de
gaz
LES CENDRES VOLCANIQUES
se déposent dans l ’eau (er, lac,
lagune) et se transfoment en argiles
donnant un matériau très recherché:
Verre volcanique la bentonite. Cependant l ’origine
« glass shard »
volcanique reste enregistrée dans la
Mécanisme de formation des cendres
conservation des « glass shards ».
1.1.4
EXEMPLE 2: ERUPTIONS VOLCANIQUES EFFUSIVES
gas outflux
L AVA
DOME
Qout
Qin
Le magma très fluide forme des coulées qui se
répandent sur le cône volcanique et au-delà. Les
coulées se dégazent en formant des surfaces
scoriacées.
1.1.5
FORMATION DES BULLES DANS LES LAVES
Bulles de gaz se formant dans un magma (expérience)
gaz
Le magma en refroidissant devient
sursaturé en gaz. Séparation de
phases:
- liquide qui donne un verre
- gaz qui forme des bulles
magma
Surface d’une coulée de basalte
(texture vesiculaire: bulles fossilisées)
Mot clé: SUR-SATURATION
verre
1.1.6
ORIENTATION DES MICROLITES DANS LES LAVES
microlites
phénocristaux
Mot clé:
TEXTURE
ou
MICROSTRUCTURE
La lave présente des gros cristaux  automorphes (phénocristaux) et une pâte
composée d ’un peu de verre et d ’une infinité de très petits cristaux: les microlites.
Leur forme allongée les pré-dispose à s ’orienter dans le sens de l ’écoulement de
la lave: texture fluidale.
1.1.7
LA NOTION DE TEXTURE
Composition d ’un granite
- riche Si, Al, K, Na
- pauvre Fe, Mg, Ca
GRANITE
RHYOLITE
Même composition mais deux roches différentes:
- texture vitreuse: une lave (rhyolite
obsidienne) formée en surface
- texture grenue: une roche
cristalline (granite) formée en
profondeur
1.1.8
RÉSUMÉ: INITIATION À LA PÉTROLOGIE
Comment « lire » une roche?:
- sa texture (ou microstructure) témoigne de ses processus de
formation et de transformation au long de son histoire,
- sa composition chimique indique sa provenance au sein du
système chimique global « TERRE ».
Cette année:
- Vous apprendrez à lire les roches par les travaux pratiques,
- Vous apprendrez comment fonctionne le système chimique
« TERRE » dans les prochains cours.
1.2 COMMENT SE FORMENT
LES CRISTAUX?
- un cristal est un réservoir d ’énergie
- le moteur de la formation des cristaux
- un cristal naît: germination
- un cristal grandit: croissance cristalline
- vitesses de nucléation et de croissance
- microstrucure grenue: refroidissement lent
- micrstructure microgrenue: refroidissement rapide
- microstructure microlithique: refroidissement brutal
1.2.1
UN CRISTAL EST UN RESERVOIR D’ENERGIE
Énergie de surface: DGs
énergie de volume: DGv
La nature est avare: elle favorise toujours ce qui « coûte » le moins cher
en énergie (Joules par moles: J mol-1). Calculer les bilans d ’énergie dans
un processus est l ’objet de la THERMODYNAMIQUE.
Mot clé: minimisation de l ’énergie
1.2.2
LE MOTEUR DE LA FORMATION DES CRISTAUX
concentration
domaine sur-saturé
B
D
A'
C0
CeqT0
solution
+
cristaux
Taux de sur-saturation
évaporation
refroidissement
CeqT1
A
D'
solution
domaine sous-saturé
température
T1
T0
d'après A. Baronnet (1988)
C ’est le taux de sur-saturation
qui apporte l ’énergie
nécessaire à la germination
(naissance) des cristaux aussi
bien qu ’à leur croissance.
1.2.3
UN CRISTAL NAIT: GERMINATION
La nucléation est contrôlée par le bilan d ’énergie: négative (énergie interne) + positive
(énergie de surface). Pour qu ’un nucleus survive il faut qu ’il franchisse la « barrière
d ’énergie ».
DGs
DGe>0
nucleus
DGe*
Premières notions de bilan
d ’énergie. Mot clé:
THERMODYNAMIQUE

DGe<0
r*
rayon r
embryon
DGv
cristal
1.2.4
UN CRISTAL GRANDIT: CROISSANCE CRISTALLINE
La croissance
cristalline tire son
énergie de la sursaturation du
milieu (solutions,
magmas). Plus la
sur-saturation est
faible, plus la
croissance est
lente mais plus
les cristaux sont
parfaits et grands
… parfois très
grands.
Gypse,
Ca SO4, 2H2O
Cuevas de los cristales
Chihuahua, Mexique
1.2.5
VITESSES DE NUCLEATION ET DE CROISSANCE
Compétition entre la vitesse
de nucléation et la vitesse
de croissance.
Importance du taux de sursaturation qui est d ’autant
plus grand que l ’écart de
température l ’est aussi:
1 - sur-saturation faible,
2 – sur-saturation modérée,
3 - sur-saturation forte.
3
2
1
Te
1.2.6
MICROSTRUCTURE GRENUE: REFROIDISSEMENT LENT
Tc
Tb
Ta T0
vitesse
point de fusion
nucleation croissance
temperature
plagioclase
1 - sur-saturation faible
pyroxène précoce
1.2.7
MICROSTRUCTURE MICROGRENUE: REFROIDISSEMENT
RAPIDE
Tc
Tb
Ta T0
vitesse
matrice microgrenue
point de fusion
nucleation croissance
phénocristal
d ’amphibole
temperature
2 - sur-saturation modérée
Le phénocristal est formé en
profondeur (croissance lente
dans un magma). La matrice
est formée plus près de la
surface (nucléation brutale)
1.2.8
MICROSTRUCTURE MICROLITHIQUE: REFROIDISSEMENT
BRUTAL
Tc
Tb
Ta T0
vitesse
point de fusion
nucleation croissance
temperature
olivine
Laves très vitreuses
Refroidissement
brutal: verre +
cristaux squelettiques
3 - sur-saturation forte
plagioclases
CRISTAUX SQUELETTIQUES
pyroxenes
1.3 LES CRISTAUX:
ENREGISTREMENT DE
CONDITIONS PHYSICOCHIMIQUES
- zonation chimique des cristaux
- zonation minérale autour des cristaux
- cristaux résorbés: déséquilibre avec le magma
- inclusions de verre ou de fluides dans les cristaux
1.3.1
ZONATION CHIMIQUE DES CRISTAUX
Analyses microsonde électronique d’un plagioclase zoné
a. Repeated sharp reversals attributed to magma mixing, followed by normal cooling
increments.
b. Smaller and irregular oscillations caused by local disequilibrium crystallization.
c. Complex oscillations due to combinations of magma mixing and local disequilibrium.
Mot clé: déséquilibre
Plagioclases: solution solide entre deux pôles:
anorthite: Si2Al2O8Ca
albite: Si AlO Na
1.3.2
ZONATION MINERALE AUTOUR DES CRISTAUX
Mot clé: déséquilibre
Amphibole
(hornblende)
Fe-oxydes +
pyroxene
Hornblende phenocryst dehydrating to
Fe-oxides plus pyroxene due to pressure
release upon eruption, andesite. Crater
Lake, OR. Width 1 mm.
1.3.3
CRISTAUX RESORBES: DESEQUILIBRE AVEC LE MAGMA
Resorbed and embayed olivine phenocryst. Width 0.3 mm.
verre
microlites
Mot clé: déséquilibre
Les cristaux formés en
profondeur dans la
chambre magmatique
sont en déséquilibre
chimique avec le magma
résiduel qui s ’écoule à
la surface. Ces cristaux
se « dissolvent » dans le
magma.
1.3.4
INCLUSION DE VERRE OU DE FLUIDES DANS LES
CRISTAUX
2
Inclusion with vapor, glass, Fe-oxide,
and other daughter mineral
30 µm
Mot clé: histoire post-magmatique
1 - Au cours du refroidissement,
le magma est piégé sous forme
d ’inclusions vitreuses.
Melt Inclusions (volcanic glass) in
Quartz in Pantellerite
1
2 - A la fin du refroidissement,
la « phase liquide » n ’est plus
un magma mais une solution
aqueuse très salée dont les
témoins sont piégés dans les
défauts des cristaux sous forme
d ’inclusions fluides.
1.4 COMMENT CRISTALLISE UN
MAGMA?
- l ’utilisation des diagrammes de phases
- processus de cristallisation d ’un magma
- acquisition de la microstructure
- l ’histoire post-magmatique
1.4.1
L‘UTILISATION DES DIAGRAMMES DE PHASES
point de fusion
cristaux A
liquide magmatique
point de fusion
cristaux B
Willard Gibbs
chimiste américain
fin XIXeme
Système à 2 composants simples.
A + liquide
B + liquide
La règle des phases simplifiée:
F=c+2-p
Te
eutectique
cristaux A = cristaux B
a
E
2 composants chimiques: a et b
2 phases: cristaux de A (100% a)et de B (100% b)
b
1.4.2
PROCESSUS DE CRISTALLISATION D’UN MAGMA
T1
1
composition du magma
L
2
T2
m
M
l
B+L
A+L
L
M.l = m.L
3
T3
Règle des leviers
eutectique
A+L
4
T4
a
composition de la roche
b
E
composition du liquide
composition du solide
1.4.3
ACQUISITION DE LA MICROSTRUCTURE (TEXTURE)
T1
Liquide
(magma)
TEMPERATURE
T2
T3
solide
(roche)
T4
TEMPS
1.5 COMMENT SE FORMENT LES
ROCHES METAMORPHIQUES ?
Grenat (Sables d ’Olonne)
- la transformation des roches dans les zones de subduction
- un exemple: les grenats des éclogites
- analyse de la taille des cristaux
- le métamorphisme des zones de collision
- un exemple: racines d ’une chaîne de montagnes
- relation déformation - croissance
- les réactions minérales à l ’état solide
1.5.1
LA TRANSFORMATION DES ROCHES DANS LES ZONES DE
SUBDUCTION
BASALTES
AMPHIBOLITES
ECLOGITES
1.5.2
UN EXEMPLE: LES GRENATS DES ECLOGITES
Grenats automorphes
Matrice foliée
Comment des cristaux parfaits peuvent-ils
grandir dans une roche extrêmement déformée?
1.5.3
ANALYSE DE LA TAILLE DES CRISTAUX
r
Ce que l ’on mesure:
Analyse statistique de la
distribution des tailles
des cristaux dans une
population.
3
2
N
r
Ce que l ’on déduit:
La variation de vitesse de
nucléation dans le temps.
1
r
temps
Mot clé: vitesse relative de nucléation
1.5.4
LE METAMORPHISME DES ZONES DE COLLISION
1.5.5
UN EXEMPLE: RACINES D’UNE CHAINE DE MONTAGNES
Série métamorphique des Sables d ’Olonne
micaschistes
Déformation très forte. Plus le métamorphisme
est intense (P et T élevées), plus la taille des
cristaux de la matrice foliée augmente:
schistes  micaschistes  gneiss
Mot clé: structure
Micaschistes avec plis intrafoliaux
gneiss
1.5.6
RELATION DEFORMATION- CROISSANCE
Porphyroblaste de grenat
Matrice de micas et quartz
Microstructure (texture) d ’un micaschiste (plage de Sauveterre)
1.5.7
LES REACTIONS MINERALES A L’ETAT SOLIDE
a
b
a: nucléation et premiers stades de croissance.
b: Le minéral se développe dans les joints de
grains en dissolvant les cristaux voisins.
c: dissolution à distance des minéraux préexistants; migration des éléments chimiques
par diffusion.
L ’énergie nécessaire à la migration
des éléments chimiques: le gradient de
potentiel chimique.
Mot clé: Dµ (J mol-1)
c
Dµ
1.6 COMMENT FONDENT LES
ROCHES METAMORPHIQUES ?
- les migmatites (fusion des gneiss)
- la fusion commence par la composition eutectique
- la fusion des biotites: dernière étape
1.6.1
LES MIGMATITES (FUSION DES GNEISS)
Zones fondues
Gneiss non fondu
Les Sables d ’Olonne
1.6.2
LA FUSION COMMENCE PAR LA COMPOSITION
EUTECTIQUE
Premier stade: les minéraux réfractaires
(biotites) ne fondent pas. Seul fond le
mélange quartz + feldspath
point de fusion
quartz
liquide magmatique
point de fusion
Feldspaths
quartz + liquide
Feldspaths + liquide
Te
eutectique
quartz + K-Na feldspaths
a
E
b
1.6.3
LA FUSION DES BIOTITES: DERNIERE ETAPE
Deuxième stade: les biotites fondent à leur
tour mais elles donnent un liquide silicaté +
un nouveau solide (grenats)
point de fusion
feldspaths
liquide magmatique
biotite
+ liquide
feldspaths
+ liquide
point de
fusion
du grenat
biotite +
grenat
Te
eutectique
a
E
b
1.7 CRISTALLISATION ET ROCHES
DE SURFACE
- l ’altération des roches à la surface de la Terre
- la transformation des sédiments diagenèse)
- générations successives de cristaux dans les sédiments (diagenèse)
1.7.1
L’ALTERATION DES ROCHES A LA SURFACE DE LA TERRE.
D ’où viennent les sédiments? De
l ’altération des roches qui produit des
argiles et des oxydes.
Feldspath sodique  kaolinite
NaAlSi3O8 + H+ + 4,5 H2O 
0,5Si2Al2O5(OH)4 + Na+ + 2H4SiO4
Profil d ’altération au Brésil
1.7.2
LA TRANSFORMATION DES SEDIMENTS (DIAGENESE)
subsidence thermique
subsidence tectonique
1 km
socle du bassin sédimentaire
Une boue argileuse déposée dans un
bassin sédimentaire recristallise en
donnant des minéraux plus grands
et mieux cristallisés à mesure que
l ’enfouissement augmente
Grands cristaux d ’illite - bassin
Proterozoique de Combolgie (Australie)
1.7.3
GENERATIONS SUCCESSIVES DE CRISTAUX DANS LES
SEDIMENTS (DIAGENESE)
Cristaux de quartz, tourmaline et illite dans un
grès Protérozoique (1.3 Ga) du bassin
d ’Athabasca (Canada)
10 µm
Laverret, 2003
Les roches délivrent un message complexe par leur composition
chimique, leur composition minéralogique et leur microstructure.
En première année, nous aborderons le message contenu dans leur
composition chimique en commençant par:
Prochaine leçon :
DE L’ORIGINE DES ELEMENTS CHIMIQUES