1leçonLMD ROCHES [Mode de compatibilité]
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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 1.1 QU’EST-CE QU’UNE ROCHE? - 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 LES CENDRES VOLCANIQUES se déposent dans l ’eau (er, lac, lagune) et se transfoment en argiles donnant un matériau très recherché: la bentonite. Cependant l ’origine volcanique reste enregistrée dans la conservation des « glass shards ». argiles Mécanisme de formation des cendres bulle de gaz Verre volcanique « glass shard » 1.1.4 EXEMPLE 2: ERUPTIONS VOLCANIQUES EFFUSIVES 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 Mot clé: TEXTURE ou MICROSTRUCTURE microlites phénocristaux 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: ∆Gs énergie de volume: ∆Gv 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 Taux de sur-saturation 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 ». ∆Gs Premières notions de bilan d ’énergie. Mot clé: THERMODYNAMIQUE ∆Gv 1.2.4 UN CRISTAL GRANDIT: CROISSANCE CRISTALLINE La croissance cristalline tire son énergie de la sur-saturation 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. 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 1.3 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: Si3AlO8Na 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 Willard Gibbs chimiste américain fin XIXeme Système à 2 composants simples. La règle des phases simplifiée: F=c+2-p 1.4.2 PROCESSUS DE CRISTALLISATION D’UN MAGMA Règle des leviers 1.4.3 ACQUISITION DE LA MICROSTRUCTURE (TEXTURE) Liquide (magma) solide (roche) 1.5 COMMENT SE FORMENT LES ROCHES METAMORPHIQUES ? - 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 1.5.3 ANALYSE DE LA TAILLE DES CRISTAUX Ce que l ’on mesure: Analyse statistique de la distribution des tailles des cristaux dans une population. Ce que l ’on déduit: La variation de vitesse de nucléation dans le 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: 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: ∆µ (J mol-1) ∆µ 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 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) 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) 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
