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Le magmatisme :
comment fondent et se solidifient les roches?
Comme le constataient nos Anciens,
« Il y a du feu sous nos pieds »
mais ce n’est la colère des Dieux qui est à l’origine des éruptions…
Ce sont les mouvements des plaques tectoniques
et l’existence de « points chauds »
qui causent le magmatisme et le volcanisme qui lui est associé.
1. Le volcanisme des dorsales
2. Le volcanisme intraplaque et des rifts
3. Le volcanisme des arcs insulaires
4. Le volcanisme des arcs continentaux
5. Le volcanisme de bassin arrière arc
6. Le volcanisme des points chauds
7. Le volcanisme intracontinental
Mais aborder le magmatisme par la tectonique
ne permet pas de répondre à de nombreuses questions :
- Pourquoi les basaltes et les granites sont ils si différents?
- Comment une roche comme la silice peut-elle être liquides à 800°C?
- Comment le manteau peut-il produire du basalte alors qu’il n’en
contient pas?
- Pourquoi observe-t-on autant de granites dans la croûte?
- Pourquoi avec les granites on observe plutôt des plutons et
avec les basaltes des volcans?...
Centre de géologie de l’Oisans
Pour répondre à ces questions,
on va introduire les diagrammes de
fusion ou de solidification
et la notion de composition eutectique
qui veut dire “composition qui fond facilement”.
On utilisera les eutectiques pour expliquer
comment se forment les magmas.
On appliquera alors ces notions au magmatisme
et au volcanisme.
Les documents utilisés pour cet exposé proviennent
des géologues qui publient sur Internet,
en particulier C. Nicollet, C. Annen, D. Dungan, JP. Winter, T. Grand,
Le Laboratoire des Sciences de la Terre de Lyon, le CNRS,
les cours de Pétrology de l’Université de Laval (Quebec) et de
Washinton (USA) et WIKIPEDIA. Je les en remercie.
1 - Aujourd’hui les bases :
- la fusion et la solidification en géologie,
- les eutectiques binaires,
- observe - t - on toujours des eutectiques?
- les diagrammes ternaires et plus,
- la fusion d’une roche
- influence de la pression (la profondeur en géologie.
Dans deux exposés ultérieurs, on abordera
les applications au volcanisme :
- la formation du basalte
- la remontée du magma : le volcanisme basaltique
(fractures, points chauds, dorsales),
- la formation des granites lors des subductions et
le volcanisme acide,
- et les séries magmatiques.
Les changements d’état
En géologie il n’y a pas de
roches à l’état gazeux.
Par contre l’eau et le CO2
sont à l’état
« supercritique »
gaz
Température
Vaporisation
condensation
Les transformations
Solide
liquide et
liquide
solide
liquide
Fusion
solidification
solide
sont les transformations
dont il faut tenir compte
dans le magmatisme
Les changements d’état des corps purs sont totalement réversibles.
Un peu de thermodynamique
Pour un constituant :
Liquide
Effet de la température
température
La dilatation
Effet de la pression
Chaleur de fusion
La compressibilité
Le changement d’état
Solide
Structure
Le constituant A
L’équilibre solide – liquide
La chaleur de fusion
Température de fusion
Réversibilité
In fluence de la profondeur
(la pression)
Comment fait - on pour étudier la fusion et la solidification?
Un microscope pour observer
la fusion ou la cristallisation
La mesure
d’un couple
de rotation
Creuset contenant
le mélange à étudier
T1
T2
Bloc
pouvant être
chauffé et refroidi
On mesure l’évolution des températures T1 et T2 et du couple de rotation au cours
du chauffage ou du refroidissement du bloc.
On peut aussi examiner le mélange après solidification avec les outils classiques
de la physique : les rayons X (structure cristalline),
la micro sonde (composition locale) et
le spectromètre de masse (localisation des éléments sous forme de traces).
La solidification d’un corps pur : l’eau par exemple
Courbes de refroidissement observées lors de la solidification de l’eau :
T1 température du bloc, T2 température du creuset.
Refroidissement
du liquide
La solidification
libère la chaleur de fusion
Température de
changement d’état
Mélange eau + glace
Tout est de la glace
T2
0°C
T2
T1
Refroidissement
du bloc
Refroidissement
dans le creuset
La solidification d’un mélange : eau + 10% de ClNa
Courbes de refroidissement observées lors de la solidification
du mélange eau + 10% de ClNa
Refroidissement
du liquide
La solidification libère
la chaleur de fusion et de dissolution
Mélange
eau salée + glace
0°C
Température de
changement d’état
-22°C Glace et sel
Début et fin
de la solidification
du mélange
eau + ClNa
Construction d’un diagramme de solidification
Les diagrammes de solidification permettent de connaître la température de
solidification d’un mélange quelque soit sa composition.
Température
Liquidus : le lieu des points
correspondant au début de la solidification
Température de
solidification
du corps pur
Température de
début de solidification
Nouvelle température
de solidification
Température de
l’eutectique
Composition d’un autre liquide
Liquide ayant
la température de
solidification la
plus basse :
l’eutectique
Solidus :
le lieu des points
correspondant
au solide formé.
Ici le solide contient
peu de soluté
Corps
Composition
pur
du solide Cs
Composition Nouvelle
du liquide composition
Composition
“eutectique”
Composition
du mélange
Utilisation du diagramme de solidification
(cas d’un diagramme avec solution solide et eutectique)
Température
Le liquidus : le lieu des points
correspondant au début de la solidification
Corps pur
Température de
début de solidification
Température de
début de fusion
Composition
du solide formé
Le solidus : le lieu des points
correspondant au
début de la fusion
Évolution de la composition du liquide
Température de
fin de solidification si on atteint
l’équilibre en phase solide
Cs =k*Cl
Composition
du liquide Cl
Composition du mélange
Ce diagramme met en évidence une relation entre la concentration dans le
liquide Cl et la concentration dans le solide formé à chaque instant.
Cs = k*Cl ; k est appelé coefficient de partage. Il traduit la tendance de soluté
à aller de préférence dans le solide k>1 : élément compatible
ou dans le liquide k<1 : élément incompatible.
La notion d’équilibre en solidification
Éléments compatibles et incompatibles et équilibre local
Pour une solution de B et C dans A
C élément compatible et
B élément incompatible
Liquide
C est rapidement incorporé au solide.
Le premier solide est donc riche en C
Le liquide est appauvri en C
L’interface liquide
solide à l’instant t
Solide
B est rejeté dans le liquide.
Le premier solide est donc pauvre en B
Le liquide est enrichi en B
L’équilibre est local lorsqu’à chaque instant
l’équilibre liquide - solide à l’interface
est respecté.
Le solide déjà formé reste inchangé.
Début de la solidification
Constituant A
Constituant B
incompatible
Constituant C
compatible
Surface à une température inférieure à
la température de solidification
Les conséquence de la solidification en équilibre local
Liquide
Cl
Partant du liquide de composition Cl
(ici on se limite à un seul soluté)
la composition de la première
tranche de solide formé est
Cs = k . Cl
avec k coefficient de partage caractéristique du soluté :
k > 1 : élément compatible, absorbé par le solide
k < 1 : élément incompatible, rejeté par le solide
Solide
Cs
Solide
Cs
Solide
Cs1
Liquide
Cl1
Liquide
Cl2
Suivant la valeur de k, le liquide résiduel
se trouve appauvri (k>1) ou
enrichi (k<1) en soluté.
Si la diffusion est rapide, la concentration
du liquide devient homogène et égale à Cl1
Le solide de la tranche suivante
aura une composition
Cs1 = k . Cl1
différente de Cs. Le liquide aura alors une
composition Cl2 différente de Cl1.
La composition du liquide évolue pendant la solidification et
atteint toujours la composition eutectique.
La solidification en équilibre local :
La solidification du mélange eutectique eau + NaCl
mélange
Eau + 10% NaCl
de concentration Cl
23% de ClNa
Cl1
T de début de
solidification
Cl2
Cs
Liquidus
Cs1
(glace)
(NaCl)
Solidus
Eutectique
- 22°C
Ce type de diagramme est souvent observé en géologie.
Le mélange Pyroxène - Plagioclase :
à l’origine des basaltes
Entièrement liquide
Liquide
Liquide
Entièrement solide
Pyroxène (monoclinique)
Plagioclase (triclinique)
CaMgSi2O6
CaAl2Si2O8
Essayons de résumer
Ce qui est particulier
aux solutions
température
Liquide
Chaleur de fusion
+
chaleur de dissolution
Effet de la température
Solubilité dans A à l’état liquide : liquidus
Chaleur de dissolution
Variation de volume
Solubilité dans A à l’état solide : solidus
éléments compatibles et incompatibles
Le changement d’état
Effet sur la composition de A
éléments compatibles et incompatibles
Température de solidification de A
en présence de solutés
Solide
Constituant A
Constituant B
incompatible
Constituant C
compatible
Parlons maintenant
des eutectiques
Oui mais....
et la pause???
Voilà, voilà, c’est maintenant!
Quand observe-t-on des eutectiques?
Lorsque k < 1
les constituants des roches qui cristallisent
selon des systèmes cristallins très différents
ne peuvent pas cristalliser dans un même système
car les déformations seraient alors trop grandes.
Ils forment des eutectiques
et parfois des verres.
Ainsi l’orthose ou le feldspath,
KAlSi3O8
qui est monoclinique
forme un eutectique avec les plagioclases tricliniques.
Les structures de cristallisation des silicates
étant très diverses,
les silicates donnent lieu à de nombreux eutectiques
qui sont à l’origine des magmas.
Voyons cela.
Komatiite
Anorthite
MONOCLINIQUE
Nepheline
CHAINE
DE
TETRAEDRES
CUBIQUE
TRICLINIQUE
Albite
STRUCTURE PLANAIRE
DOUBLE CHAINE
Diopside
Fosterite
ORTHOROMBIQUE
Les roches volcaniques
se solidifient à la surface
de la terre et correspondent
à un refroidissement rapide.
La structure granulaire est
fine (microlithes), parfois
vitreuse.
Les roches plutoniques
sont solidifiées dans la
croûte terrestre et
correspondent à un
refroidissement lent pendant
et après la solidification.
Les grains sont grossiers,
souvent recristallisés et une
homogénéisation de la phase
solide est possible.
La classification de Mason (Pomerol et Renard, 1997)
Structure des silicates à l’origine des magmas
Les diagrammes avec eutectique :
La composition eutectique se comporte comme un corps pur :
- solide en dessous de la température Te, liquide au dessus
- liquide et solide formés ont la même composition moyenne
- mais le solide est formé de deux constituants.
- la température de fin de solidification est la température de
l’eutectique Te.
Lorsque la composition est différente de l’eutectique :
- la solidification commence avec la formation de l’un des
constituants : les phénocristaux
- la fusion débute à la température de fusion de l’eutectique
et ne concerne que le volume eutectique.
Voyons cela sur un exemple.
Propriétés d’un eutectique
fusion et solidification
1
3
2
Ce
Basalte
4
Solidification et fusion dans quatre cas : 1, 2, 3 et 4
Notion de réversibilité partielle du changement d’état
Observe-t-on toujours des eutectiques ?
Non
Lorsque k > 1
si la solidification des constituants
peut se faire selon le même système cristallin,
alors les constituants cristallisent ensemble
(dans le même système qui s’adapte par de légères déformations).
Ainsi, les plagioclases :
feldspaths albite et anorthite
qui cristallisent tous les deux dans le système triclinique
ne forment pas d’eutectique
mais une solution solide.
La solidification des plagioclases
Cs = k . Cl avec k(anorthite) variant de 1.5 à 3
La solidification
produit une succession
de solutions solides
dont la composition est donnée
par le solidus (points bleus).
La solidification se termine
par la formation
de quelques % d’Albite.
Contrairement
aux eutectiques, il n’y a pas
d’abaissement de la
température de solidification .
NaAlSi3O8
Albite
CaAl2Si3O8
solutions solides
par remplacement des sites Ca par Na
Anorthite
L’olivine est un autre exemple de solution solide continue
entre la Fosterite et la Fayalite.
L’olivine et la solution solide Fostérite - Fayalite
Pression atmosphérique
After Bowen and Shairer
(1932), Amer. J. Sci. 5th Ser.,
24, 177-213.
Fa (Fe2SiO4)
Fo (Mg2SiO4)
Les péridotites sont des roches métamorphiques
qui constituent la majeure partie du manteau.
Elles sont constituées d’olivine et de silicates ferro-magnésiens (pyroxènes).
Les péridots sont des cristaux d’olivine verts ou jaune-verdatres, transparents
utilisés en joaillerie.
Un outil important en géologie: la microstructure
observée sur lame mince en lumière polarisée
Exemple :
microstructure des plagioclases
Albite
composition NaAlSi3O8
et Anorthite
composition CaAl2Si2O8
forment une série de solutions solides :
ce sont les plagioclases.
Andesine et Labradorite
(NaCa)Al4Si4O8
sont des plagioclases,
intermédiaires contenant
50 à 70% d’albite pour l’andesine,
l’inverse pour la labradorite.
Les plagioclases
sont reconnaissables par
la présence de macles
parfois visibles à l’œil nu.
Compliquons un peu avec les diagrammes ternaires et plus....
Représentation d’un diagramme de solidification à 3 constituants
Surface en trois dimensions du liquidus
d’un diagramme ternaire A+B+C
comportant trois eutectiques binaires E1, E2, E3
Température
E1
E2
E3
E1
Eutectique ternaire :
Température
la plus basse
E2
Projection
du liquidus
sur le plan ABC
E3
Exemple : solidification d’un liquide
de composition P :
60% de A+10% de B+30% de C
(composition hypo-eutectique)
P
P
A
P
La microstructure
P
P
La composition du liquide atteint
l’eutectique E1
Cristal primaire
de A
E1
P
La microstructure
Lorsque la composition du liquide atteint
la vallée eutectique,
le solide formé a la composition (variable)
de l’eutectique binaire E1
P
A
E1
Évolution
de la microstructure
E1
La solidification se termine par
la solidification de
l’eutectique ternaire E
P
A
E1
E1
E
Microstructure du solide
Elle est formée de
cristaux primaires de A
et des deux eutectiques.
Exemple : microstructure d’une Andésite de La Martinique (Les Trois Ilets)
Eutectique
Cristal
de clinopyroxène
Cristal
de plagioclase
1 mm
La présence de cristaux primaires de plagioclase et de clinopyroxène est l’indication
d’un mélange de deux magmas et les cristaux primaires zonés indiquent que
Fusion d’un mélange A+B+C
P
Quand on réchauffe un mélange A+B+C, même s’il n’a
jamais fondu, on constate qu’aux interfaces ABC
il se forme, à partir de la température Te, un liquide de
composition eutectique E.
Si la température dépasse Te, la composition
du liquide remonte la vallée eutectique E1.
A
E1
E1
E
Microstructure du solide
Elle est formée de
cristaux primaires de A
et des deux eutectiques.
Cela se produit :
La fusion des roches
(T. Grand modifié)
jamais à cause
de la pression
TL estTout
fondu
.
T3
.
.
T2
.
à 1200°C
au niveau de
TE
l’asthenosphère
A
C
B
Les autres minéraux
se dissolvent dans
le liquide dont
la composition évolue
Liquide
eutectique
Début de fusion : formation entre les cristaux
d’un film liquide de composition eutectique
Roche composée de 3 minéraux : A, B, C
pouvant former un eutectique
Rappels sur la constitution de la terre
MOHO : 300 à 600°C
et ~1 GPa
Zone rigide
Température : 1200°C
et pression de 2 GPa
Zone rigide
L’ensemble
croûte +
lithosphère
forme
une plaque
tectonique
Zone des eutectiques fondus : Zone ductile
2000°C et 25 GPa
Zone rigide car tout est solide
3500°C et 140 GPa
Zone liquide
5000°C
Le MOHO : discontinuité caractérisée par une accélération des ondes sismiques (augmentation de la
densité des roches) est la limite entre la croûte (basaltes et granites) et le manteau (péridotites)
L’ASTHENOSPHERE a été définie par des critères de comportement mécanique à partir des mesures
de propagation des ondes sismiques. C’est la zone où les ondes se propagent à faible vitesse
(LVZ : low velocity zone). C’est une zone ductile où les eutectiques basaltiques sont fondus.
L’extraction du magma
(T. Grand modifié)
A
Solide
C
A
B
B
Liquide
C
+++ +++ +++
Liquide eutectique
Te :1200°C
Contraintes
dépressives
-
+++ ++++
A
B
C
0
0
0
Composition
Eutectique
++++ +++ +
La différence de densité entre le magma et
les grains ne permet pas d’extraire le magma.
Pour que le liquide eutectique se sépare de la
partie encore solide
Il faut des contraintes dépressives
(une déformation en expansion par exemple).
Il reste
un résidu A (-) B (+) C (++++)
dont le point de fusion est devenu plus élevé
Exemple : formation de magma dans une roche sédimentaire,
Granite d’anatexie ou granite S
Alternance de niveaux clairs (roche migmatite granitique qui a fondue et s’est solidifié)
et de niveaux sombres dont la texture métamorphique est conservée.
29
Intéraction avec la profondeur
La fusion des roches commence par la fusion de l’eutectique ayant le
point de fusion le plus bas vers 1200°C entre 100 et 200 Km de
profondeur. Cela se produit dans l’asthénosphère.
Cette fusion n’est généralement que partielle.
La profondeur à laquelle se produit la fusion
détermine la pression qui s’exerce sur les matériaux.
Cette pression modifie les équilibre liquide
solide :
- elle augmente la température de fusion
- elle diminue la solubilité des incompatibles
- elle favorise la solubilité des compatibles et
- elle modifie la température et la composition des eutectiques!
Voyons un exemple.
Effet de la pression sur le mélange Diopside - Anorthite
Diopside
Anorthite
On constate une élévation de près de 100°C de la température de fusion de
l’eutectique et une modification de la composition de l’eutectique : à haute
pression, le liquide eutectique est beaucoup plus riche en anorthite.
Le magma basaltique formé à un profondeur de 37 Km (1GPa) est
riche en anorthite : c’est un basalte tholéitique.
Aussi en Géologie est-il important
d’étudier les diagrammes de solidification
à très haute pression
L’échantillon
Presse de 800 tonnes
Détails
du four de fusion
Exemple de dispositif expérimental utilisé en géologie
Voici, en résumé, les connaissances
dont nous avons besoin pour étudier
« La formation et la remontée du magma basaltique »
La fusion des roches commence par la fusion de l’eutectique ayant le point de fusion le plus
bas. Le volume fondu vers 1200°C n’est généralement que de quelques %.
Extraction du magma : des contraintes dépressives sont nécessaire pour séparer le magma
liquide situé entre les grains de la masse encore solide.
La composition du magma : pour les composants majeurs, cette composition est donnée par
la classification de Mason. Elle dépend de la profondeur à laquelle la fusion se produit car la
pression modifie la température et la composition eutectique.
Le magma séparé du solide a une composition très différente des solides qui lui ont donné
naissance et indépendante de la proportion des solides qui le forment.
La solidification se produit généralement en suivant « un équilibre local » c’est à dire
sans diffusion en phase solide mais avec diffusion en phase liquide.
La solidification commence par les constituants ayant la température de solidification la plus
élevée. Le liquide restant est appauvri en éléments compatibles. La solidification se termine
avec l’eutectique ayant le point de solidification le plus bas.
La microstructure, les cristaux formés dépendent de la composition : des cristaux primaire
ou phénocristaux lorsque la composition est différente de l’eutectique sinon cristallisation de
microlithes dans l’eutectique. La dimension des cristaux dépend de la vitesse de
refroidissement pendant la solidification.
Après solidification peut encore se produire une homogénéisation de la phase solide,
une recristallisation et un grossissement des cristaux les plus fins.
Les gaz sont dans un état super critique et sont dissous dans le magma. Ils seront
libérés plus ou moins progressivement lors de la décompression résultant de la remontée du
magma vers la surface.
Les 7 systèmes cristallins
Des angles différents
Triclinique
ou anortique
Rhomboédrique
Deux angles droit
Hexagonal
Monoclinique
Trois angles droits
Orthorhombique
Quadratique
ou tetragonal
Cubique
Centre de géologie de l’Oisans
Structure du quartz : SiO2
La cristobalite
stable à très haute T°:
structure cubique
Le quartz à haute T°:
structure hexagonale
4-
(SiO4)
-
La structure hexagonale du quartz est peu compatible avec les autres silicates.
Ceci explique que le quartz soit à l’origine de nombreux verres.
Structure des silicates
-
4-
(SiO4)
-
-
Feldspaths
Pyroxènes
forment une
chaîne de
tetraèdres
Amphiboles
forment une
double chaîne
de tetraèdres
Assemblage des tétraèdres
(SiO4)(AlO4)
monoclinique : orthose
et triclinique : albite/anorthite
Olivine
orthorombique
Micas
une structure
planaire
L’eutectique
température
Liquide
L’eutectique
Chaleur de fusion
et de dissolution
Solide
Constituant A
Constituant B
incompatible
Constituant C
compatible