Magma
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HLST302 Pétrologie des roches magmatiques Fleurice Parat Institut Géosciences 3ème étage - bureau 333 [email protected] Classification des roches magmatiques Classification par gisement et texture Classification minéralogique modale = composition minéralogique des roche - %volume Classification chimique Roches pyroclastiques: type de matériel et taille du matériel Classification par gisement et texture Roches plutoniques textures grenues à grain moyen Roches volcaniques textures microlitiques et vitreuses Classification par gisement et texture Classification minéralogique Méthode pour reporter un point avec les composants: 70% X, 20% Y, and 10% Z dans diagramme triangulaire. Q Q Quartzolite 90 90 Quartz-rich Granitoid 60 60 Granite Alkali Fs. 20 Quartz Syenite Alkali Fs. Syenite A 5 10 60 Granodiorite Rhyolite 20 Qtz. Diorite/ Quartz Syenite Quartz Monzonite Syenite 35 Monzonite (Foid)-bearing (Foid)-bearing Syenite Monzonite Quartz Monzodiorite 65 Monzodiorite 90 (Foid)-bearing Monzodiorite 10 (Foid)-bearing Alkali Fs. Syenite (Foid) (Foid) Monzosyenite Monzodiorite 60 60 60 Trachyte 5 Diorite/Gabbro/ P 10 20 20 Qtz. Gabbro Anorthosite A (Foid)-bearing Diorite/Gabbro 10 Latite Andesite/Basalt 35 (foid)-bearing Trachyte 65 (foid)-bearing Latite Phonolite 10 60 (Foid)ites A classification and nomenclature of igneous rocks. After IUGS Subcommission on the systematics of Igneous Rocks (Streckeisen 1976) (foid)-bearing Andesite/Basalt Tephrite 60 (Foid)olites F Dacite F P Classification des roches gabbroïques D après IUGS Subcommission on the systematics of Igneous Rocks (Streckeisen 1976). Plagioclase Anorthosite 90 Olivine gabbro Plagioclase-bearing ultramafic rocks Pyroxene Olivine Classification des roches ultramafiques D après IUGS Subcommission on the systematics of Igneous Rocks (Streckeisen 1976) Olivine Dunite 90 Peridotites Lherzolite 40 Pyroxenites Olivine Websterite Orthopyroxenite 10 10 Orthopyroxene Websterite Clinopyroxenite Clinopyroxene Classification minéralogique Classification des roches pyroclastiques Classification chimique Classification chimique A chemical classification of volcanics based on total alkalis vs. silica. After Le Bas et al. (1986) J. Petrol., 27, 745-750. Genèse des magmas Notion de magma • Source • Fusion partielle • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur: réservoir magmatique • Eruption Notion de magma • Source: 2 types: mantellique et crustale Gneiss • Fusion Partielle • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur: réservoir magmatique • Eruption Structure du manteau Granulite Structure du manteau Source mantellique Lherzolite Péridotite avec Olivine > Opx + Cpx Lherzolite Composition moyenne Olivine Dunite 90 Péridotites Lherzolite 40 Orthopyroxénite Pyroxénites Olivine Websterite 10 10 Orthopyroxène Websterite Clinopyroxénite Clinopyroxène SiO 2 TiO 2 Al 2O 3 Cr 2O 3 FeO* MnO NiO MgO CaO Na 2 O K2O P 2 O5 Garnet Spinel Lherzolite Lherzolite 45.89 44.2 0.09 0.13 1.57 2.05 0.32 0.44 6.91 8.29 0.11 0.13 0.29 0.28 43.46 42.21 1.16 1.92 0.16 0.27 0.12 0.06 0.04 0.03 Notion de magma • Source: 2 types: mantellique et crustale • Fusion partielle • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur • Eruption Fusion partielle Roche magmatique basalte Roche mère manteau SWIR Roche résiduelle péridotite SWIR Notion de magma • Source: 2 types: mantellique et crustale • Fusion partielle • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur • Eruption Comment fond le manteau ? Comment fond le manteau ? 1) Augmentation de la température Comment fond le manteau ? 2) Baisse de la pression ! ! Remontée Adiabatique du manteau sans perte de chaleur Fusion par décompression peut fondre 30% Melting by (adiabatic) pressure reduction. Melting begins when the adiabat crosses the solidus and traverses the shaded melting interval. Dashed lines represent approximate % melting. Comment fond le manteau ? 3) + eau Tectonique des plaques et volcanisme Geologically plausible plate tectonic setting at which partial melts may be generated from otherwise solid rock by perturbations in P, T, or Xvolatiles. From Best and Christiansen (2001). Source mantellique Lherzolite Lherzolite Composition moyenne Péridotite avec Olivine > Opx + Cpx Olivine Dunite SiO 2 TiO 2 Al 2O 3 Cr 2O 3 FeO* MnO NiO MgO CaO Na 2 O K2O P 2 O5 90 Péridotites Lherzolite 40 Orthopyroxénite Pyroxénites Olivine Websterite 10 10 Orthopyroxène Websterite Clinopyroxénite Clinopyroxène Garnet Spinel Lherzolite Lherzolite 45.89 44.2 0.09 0.13 1.57 2.05 0.32 0.44 6.91 8.29 0.11 0.13 0.29 0.28 43.46 42.21 1.16 1.92 0.16 0.27 0.12 0.06 0.04 0.03 Notion de magma • Source: 2 types: mantellique et crustale • Fusion partielle • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur pds% Al2O3 • Extraction Tholeiitic basalt 15 10 5 Lherzolite • Eruption 0 0.0 Harzburgite Residuum Dunite 0.2 0.4 pds% TiO2 0.6 Magmas basaltiques 3 types différents de basaltes -> Chacun avec une chimie différente -> Evoluent par cristallisation fractionnée suivant différents “chemins” Basaltes tholéiitiques se forment aux rides médio-océaniques (MORB) + point chaud (=panache, OIB) + rifts Basaltes alcalins se forment en contexte de point chaud et rift Basaltes/andésites calco-alcalins se forment en contexte de zone de subduction Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Cristallisation des magmas tholéiitiques vs alcalins Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Basalte tholéiitique Basalte alcalin SiO2 (pds.%) TiO2 Al2O3 FeO* MnO 49.36 2.50 13.94 11.22 0.16 46.53 2.28 14.31 12.32 0.18 MgO CaO Na2O K2O P2O5 8.44 10.30 2.13 0.38 0.26 9.54 10.32 2.85 0.84 0.28 Phénocristaux Matrice plagioclase, cpx +/- olivine,opx cpx, opx, plagioclase, + verre, quartz olivine, cpx olivine, cpx, sanidine, feldspathoïde basalte alcalin à phénocristaux d olivine Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Genèse de basaltes tholeiitiques et alcalins à partir d’un manteau chimiquement uniforme Variables (autre que X) - Température - Pression Liquide et résidue de la fusion d’une pyrolite Pyrolite After Green and Ringwood (1967). Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Conclusions Initiales -> Tholéiites favorisées par une fusion à faible pression - 25% fusion à <30 km => tholéiite - 25% fusion à 60 km => basalte à olivine -> Tholéiites favorisées par un plus fort taux de fusion partielle - 20 % de fusion à 60 km => basalte alcalin -> incompatibles (alcalis) vont dans le liquide - 30 % de fusion à 60 km => tholéiite Notion de magma • Source: 2 types: mantellique et crustale • Fusion partielle • Extraction: migration de films de liquide le long des joints des cristaux • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur: réservoir magmatique • Eruption Notion de magma • Extraction: migration de films de liquide le long des joints des cristaux Comme la fusion est partielle (15% maximum au dorsale), le magma est un liquide interstitiel au sein d’une matrice solide. La force motrice est la poussée d’Archimède. Deux conditions pour l’extraction: • Le magma doit former un réseau continu permettant sa migration. • La matrice solide doit se déformer pour compenser la perte de magma Notion de magma • Source • Taux de fusion • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur: réservoir magmatique • Eruption Notion de magma • Source • Taux de fusion • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur: réservoir magmatique • Différenciation magmatique • Eruption Compositions des magmas Analyses chimiques de quelques roches magmatiques types Eléments majeurs pds.% SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O H2O+ Total Péridotite 45.2 0.40 4.40 5,10 7.4 0.2 30.2 5.7 0.6 0.3 0.1 100.00 Basalte Andésite 49.20 57.94 1.84 0.87 15.74 17.02 3.79 3.27 7.13 4.04 0.20 0.14 6.73 3.33 9.47 6.79 2.91 3.48 1.10 1.62 0.95 0.83 99.06 99.3 Rhyolite Phonolite 72.82 56.19 0.28 0.62 13.27 19.04 1.48 2.79 1.11 2.03 0.06 0.17 0.39 1.07 1.14 2.72 3.55 7.79 4.30 5.24 1.10 1.57 99.50 99.23 Différenciation magmatique 3 processus majeurs 1. Cristallisation fractionnée 2. Assimilation 3. Mélange magmatique Cristallisation fractionnée Liquide basaltique Basalte Cristallis ation Séparation Liquide andésitique liquide/cristaux Andésite Liquide dacitique Cristallisation fractionnée Cristallisation fractionnée Diagrammes de Harker Harker diagrams for a suite of cogenetic volcanic rocks related by fractional crystallization of olivine, cpx and magnetite. Wilson (1989), Igneous Petrology. Cristallisation fractionnée Cristallisation fractionnée Basaltes Cristallisation fractionnée Andésite Cristallisation fractionnée Dacite Cristallisation fractionnée Rhyolite Ponce 2. Assimilation 2. Assimilation 3. Mélange magmatique 2. Mélange magmatique Les variations de composition dans un diagramme de Harker doivent être une ligne droite entre les 2 compositions extrêmes % d’oxyde Magma A Mélange de 25%B, 75%A Mélange de 50%B, 50%A Mélange de 75%B, 25%A Magma B % d’ oxydes 3. Mélange magmatique Basalte-rhyolite Mt. McLoughlin, Oregon Big block of Glass Creek showing the magma mixing – photo field trip USGS Notion de magma • Source • Taux de fusion • Extraction • Migration vers la surface • Piégeage en profondeur: réservoir magmatique • Eruption Propriétés physiques des magmas Magma = roche fondue, avec ou sans cristaux. - Peut ou non contenir une phase gazeuse dissoute (H2O ou CO2) - Vésicules = Bulles de gaz formées dans le magma Propriété physique des magmas dépend: ! Température ! Densité ! Teneur en éléments volatils ! Viscosité Tous dépendent directement ou indirectement de la composition Propriétés physiques TEMPERATURE Basalte à 1 atm: 1200-1250oC liquidus, 950-1000°C solidus. Rhyolite: Liquidus = 1050oC solidus hydraté (avec H2O) = 650oC solidus anhydre (sans H2O) = 750oC . DENSITE La densité est contrôlée par la composition du magma -> FeO wt% le plus important. En général, les basaltes sont plus riches en Fe, Ca, et Ti que les rhyolites; et les rhyolites sont plus riches en Na, Al, et Si que les basaltes: - Magma basaltique: 2.65 à 2.80 - Magma andésitique: 2.45 à 2.50 - Magma rhyolitique: 2.18 à 2.25 Propriétés physiques VOLATILES H2O le plus abondant dans la plupart des magmas CO2 + SO2, Cl, F En général, les magmas basaltiques sont SECS: H2O < 0.5 pds.% MORB = 0.25 pds.% H2O Hawaii - tholéiite = 0.5 pds.% H2O Basaltes alcalins = 0.9 pds.% H2O Andésites, Rhyolites, Granites: teneurs en eau plus hautes Andésite Paricutin = 2.2 pds.% H2O à 1100°C Andésite Huerto = 5 pds.% H2O à 900°C Granites/Rhyolites: 0.5 à 7 pds.% H2O => H2O diminue la viscosité et abaisse la température du solidus Propriétés physiques VISCOSITE -> résistance interne d’un liquide à s’épancher -> dépend de la structure du liquide La viscosité diminue avec une augmentation de la température et H2O, CO2. augmente avec une augmentation de SiO2 et de la quantité de cristaux. Quelques viscosités en poise {= g/cm/sec} - H2O à 20°C 0.01 poise - glycérine 15 poise - Basalte Hawaii 3 x 103 poise à 1150°-1200°C - Magma rhyolitique 108 to 1011 poise à 700-750°C - Asthénosphère 1022 poise à 1400-1600°C Propriétés physiques Subaerial lava flows Natrocarbonatitic activity in the north crater of ldoinyo Lengai, Tanzania Ol Doinyo Lengaï SiO 2 0, 16 P2 O 5 0,85 TiO 2 0, 02 CO 2 31,55 Fe 2O 3 0, 28 Cl 3,40 MnO 0, 38 F 2,5 MgO 0, 38 SO 3 3,72 CaO 14 ,02 SrO 1,42 Na2 O 32 ,22 BaO 1,66 K2 O 8, 38 H2 O + 0,56 Propriétés physiques des magmas a. Calculated viscosities of anhydrous silicate liquids at one atmosphere pressure, calculated by the method of Bottinga and Weill (1972) by Hess (1989), Origin of Igneous Rocks. b. Variation in the viscosity of basalt as it crystallizes (after Murase and McBirney, 1973). c. Variation in the viscosity of rhyolite at 1000oC with increasing H2O content (after Shaw, 1965). Viscosité des magmas et style éruptifs Viscosité élevée Volcans explosifs Viscosité faible Volcans extrusifs Style éruptif, panache et explosivité Extrusion du magma Etapes de vésiculation et fragmentation du magma From Sparks (1978) The dynamic of bubble formation and growth in magma: a review and analysis Volcans de type Hawaiien et Strombolien Eruption style Hawaiien - Magma basaltique - Faible viscosité - Eruption contrôlée par les éléments volatils dans le magma - Moyennement explosif - Fontaine de lave - Cône de scories Eruption type strombolien - Magma basaltique - Plus explosif que Hawaiien - Eruption contrôlée par les volatils dans le magma - Cône de scorie (cinder cone) - Cendre – lapilli Eruption type strombolien Stromboli, Îles Eolienne, Italie Style éruptif, panache et explosivité Eruption plinienne - Fortement explosif (panache plinien) (dizaines de km) - Magmas visqueux riches en éléments volatils (dacite) - Fragmentation dans le conduit - Tephra - Vélocité: centaine de mètres par seconde After Carey and Bursik (2000)" Eruption du Pinatubo (Philippine) Juin 1991 Stratovolcans Flank vent Lava flows Flank dome Sill a. Illustrative cross section of a stratovolcano. After Macdonald (1972), Volcanoes. Pyroclastic deposits b. Arenal Volcano, Costa Rica Coulées de lave basaltique Lave Pahoehoe Lave Aa" " Pahoehoe ---> Aa lava: baisse de la température -> augmentation de la viscosité Coulées de laves aquatiques Basaltes en coussin Pillow lavas Laves différenciées Active lava dome of the Showa Shinzan complex in Hokkaido, Japan. Magmas siliciques! - Fortes viscosités" - Dômes de lave " - Volcans composites (qlq dizaine de m à km)" - Communs dans les volcans d’arc océanique" - Se forment tardivement dans le cycle éruptif" Dômes Katmai dome Redoubt dome Panum dome Dôme Evolution du Volcan Unzen March 91 Sept. 91 Febr. 93 March. 93 Dôme Carapace breccia Lava dome centre jointed Bed rocks Dome cross section diagram" Dôme Talus Dôme coulée et protusion Coulées siliciques A thick silicic lava flow, known as a coulee, poured down the west side of the Mono Domes, California. Obsidian of a lava flow, Lipari, Italy Intrusions plutoniques Bloc diagramme schématique d intrusions plutoniques. Intrusions non-tabulaires Laccolithe Lopolite Formes de 2 plutons concordants. a. Laccolithe avec un plancher plat et un toit arqué. b. Lopolite mis en place dans un basin structural. L’échelle n’est pas la même pour ces 2 plutons, un lopolite est générallement plus large. Pluton granitique Vue générale d’un petit pluton granitique (diamètre de 1,3 km) sur la rive Nord-Ouest du lac Général Carrera-Buenos, Chili Tectonique des plaques et volcanisme Tectonique des plaques et volcanisme Geologically plausible plate tectonic setting at which partial melts may be generated from otherwise solid rock by perturbations in P, T, or Xvolatiles. From Best and Christiansen (2001). Modèle mantellique Modèle de convection mantellique globale (Davies et Richards, 1992) Rides médio-océaniques Rides médio-océaniques Rides médio-océaniques 75 km début de la fusion Rides médio-océaniques Ride lente Ride rapide C. Laverne, 2008; after Y. Lagabrielle Volcanisme sous-marin Laves en coussin (pillow lava)" " Points chauds Super-panaches définis par la tomographie sismique Panache de type 1 Origine couche D’’ =>Hawaï, Islande, Afar, Réunion. Panache de type 2 Origine zone de transition, au sommet des super-panaches. =>Tahiti Panache de type 3 Origine asthénosphérique En réponse à la fracturation de la lithosphère. Points chauds Origine zone de transition Origine couche D’’ Points chauds 500 km 2850 km – D ’’ Anomalie de vitesse = anomalie thermique Points chauds Dynamisme hawaïen Rifts Magmatisme de zone de subduction Zone de subduction Pinatubo, 13 Juin 1991 After Carey and Bursik (2000)" Magmatisme de zone de subduction Dynamisme plinien Chaitén Volano Chile Magmatisme de zone de subduction Dynamisme plinien Magmatisme de zone de subduction Dynamisme plinien Stratovolcan Semeru, Java, Indonesia. Tephras Ponces Classification des granitoïdes basée sur le contexte géodynamique
