TD3 – Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie

TD3 – Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie
Etude de la vitesse de propagation des ondes sismiques (P et S):
Æ 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
Ex1 – Estimation des pourcentages en masse du noyau et du
manteau
Equation de mélange
Terre totale = a*noyau + b*manteau avec a + b = 1
FeOTerre = a*FeONoyau + (1-a)*FeOManteau
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%
Règle du levier: la proportion de noyau dans la Terre
totale est donnée par le bras de levier N opposé = N/(N+M)
100
noyau
%
FeO
80
terre totale
noyau
manteau
M
60
40
Terre
%
N
20
manteau
0
0
10
20
30
SiO2
40
50
60
volume du Noyau = 4/3 pi (6370-2900)3 = 1,7502 1011 km3
volume total = 4/3 pi (6370)3 = 1,0827 1012 km3
% volumique du Noyau = 16%
% massique du Noyau = 32,5%
Æ Difference de densité
Ex2 – composition de la Terre et d’une chondrite C1
SiO2Terre = a*SiO2Noyau + b*SiO2Manteau
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
Ex3 – composition chimiques des croûtes et du manteau
Echelle ↓
Enveloppes
Roches
Minéraux
COMPOSITION CHIMIQUE
Chaque 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
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
Croûte continentale
Dans chaque enveloppe,
enveloppe on trouvera une série de
roche qui lui est propre
Chaque roche se caractérise par une composition
chimique
SiO2
Al2O3
FeO
MgO
Granite
70
14
3
1,3
Andésite
58
17
7,5
3,3
Basalte océanique
47
14
11
13
Lherzolite
45
1,7
7,5
43
Harzburgite
42
0,5
7
50
CaO
Na2O
K2O
TiO2
H2O
2,5
4
3,5
0,4
1
6,8
3,5
1,6
0,9
0,8
2
0,5
2
0,5
1,5
0,2
0,1
0,1
0
0,1
0,1
0
0,1
0
10
Une roche est constituée de minéraux.
minéraux 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
Exo3: calcul du % en poids de SiO2 et MgO des minéraux
Chaque minéral a sa propre composition chimique
=> calcul des masses molaires (g/mol ou g.mol-1) des oxydes
SiO2
Al2O3
FeO
MgO
CaO
Na2O
K2O
TiO2
60
102
71,8
40,3
56
62
94
80
H2O
18
=> calcul des masses molaires des minéraux
=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral
=> calcul des masses molaires des mineraux
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 du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral
Cas de l’olivine (Mg2 SiO4)
Dans 1 mole d’olivine Æ 1 mole de SiO2
Æ 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
100
-
quartz
SiO2
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
-
Diagramme Sio2 vs MgO
70
enveloppes
roches
mineraux
60
MgO
50
Manteau sup
40
Manteau inf
30
20
10
0
Croûte ocean.
Croûte cont inf
40
45
50
Croûte cont sup
55
60
SiO2
65
70
75
Manteau
70
enveloppes
roches
mineraux
olivine
60
harzburgite
50
MgO
lherzolite
Manteau sup
40
Manteau inf
30
pyroxene
20
10
Anorthite
0
40
45
50
55
60
SiO2
65
70
75
Croûte basique – cr. continentale inférieure et cr. océanique
70
enveloppes
roches
mineraux
60
MgO
50
40
30
20
Basalte océanique
pyroxène
10
Croûte ocean.
Andésite
Croûte cont inf
0
Anorthite
40
45
50
55
60
SiO2
65
70
75
Croûte continentale supérieure
70
enveloppes
roches
mineraux
60
MgO
50
40
30
20
10
0
40
45
50
55
60
SiO2
Croûte cont sup
Granite
fK
65
70
75
Albite
Notion de différenciation chimique par fusion partielle
Exemple 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
TiO2 H2O
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
70
enveloppes
roches
mineraux
60
Résidu solide
50
MgO
% liquide
Roche initiale
40
30
% residu
20
liquide
10
0
40
45
50
55
60
SiO2
65
70
75