Cycle des roches
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MINERAUX DES ROCHES MINERAUX DES ROCHES . Malgré la complexité et la diversité des matériaux de l’écorce terrestre un examen très approfondie révèle une composition relativement simple. Plus de 100 éléments chimiques sont connus dont 80éléments sont stable. Composition de la croûte Eléments en traces inférieur à 1 % Croûte terrestre Eléments majeurs plus de 99% Oxygène silicium aluminium fer calcium sodium potassium magnésium Les autres O 46.40 Si 28.15 Al 8.23 Fe 5.63 Ca 4.15 Na 2.36 K 2.09 Mg 2.33 066 75% Zr P Cr Ni Cu Ag … Groupe de minéraux formé de Si et O constituent 95% du volume de la croûte terrestre. Cette répartition est applicable à la croûte terrestre Le noyau est composé de Fe et Ni diffère de la croûte Lors de la formation de la terre les éléments ( Si O) léger ont migrés vers l’extérieur, alors que les éléments denses se sont concentrés au centre de la terre Dans la nature les éléments chimiques se sont combinés pour former le minéraux. Minéral Un solide inorganique Homogène Cristallisé Possédant une composition chimique propre Chaque minéral est défini par sa formule chimique et sa structure cristalline Structure cristalline Etat amorphe Se caractérise par la distribution anarchique des atomes : gaz, liquides, verre. Etat cristallin Réalisé uniquement dans les solides et se caractérise par une organisation régulière pratiquement parfaite de la matière selon un réseau tridimensionnel: quartz, halite… MINERAUX DES ROCHES Halite: ClNa Cl Na Cube : 5A Maille = volume élémentaire dont les dimensions sont fixée par celle des atomes concernés MINERAUX DES ROCHES Formes cristallines MINERAUX DES ROCHES . Pour identifier les espèces minérales on utilise les critères suivants Formes cristalline Couleur Formes des cristaux Couleur Eclat Dureté Densité Couleur de la trace Clivage Effervescence avec HCl 1/10N Propriétés optiques Autres Eclat Dureté Echelle de Mohs MINERAUX DES ROCHES Densité Couleur de la trace Effervescence Clivages Propriétés optiques MINERAUX DES ROCHES . Principaux groupes de minéraux Classe Anions déterminant Exemples Oxydes et hydroxydes O²¯ et OH¯ Hématite Fe2O3 Goethite Fe (OH)3 sels CL¯ F¯ Br¯ I¯ Halite NaCl Carbonates CO3¯¯ Calcite CaCO3 Sulfures et sulfates S ¯¯ SO4¯¯ Galène PbS SO4Ca silicates SiO4¯¯ Olivine Mg2, SiO4 Elément natif Gypse MINERAUX DES ROCHES Silicates Tous les silicates possèdent une structure de base composée des ions Si⁴⁻ et O²¯ Dans les minéraux les charges doivent être neutres. Il existe deux façons pour neutraliser les charges Lier les tétraèdres par leurs oxygènes Ajouter des ions positifs: Fe Mg K Ca.. MINERAUX DES ROCHES Nésosilicates Familles des silicates Fe, Mg olivine Phyllosilicates Micas et Argiles Inosilicates Sorosilicates Fe, Mg Epidote tectosilicate Cyclosilicates Béryl Pyroxène Fe, FeMg, Mg, Ca Amphibole Fe, FeMg, Mg, Ca, K, Na, OHQuartz et Feldspath MINERAUX DES ROCHES Les carbonates C’est un groupe de minéraux qu’on retrouve fréquemment à la surface du globe. Les carbonates sont un des principaux constituants des roches sédimentaires Ils sont formés par des ions négatifs (CO3) ²¯ liés par des ions positifs Ca, Mg Fe.. La calcite Ca CO3, les ions (CO3)²¯ sont liés par des Ca²¯ pour former une structure rhomboédrique typique de ce minéral. ¯ MINERAUX DES ROCHES . Cristallisation d’un liquide qui par refroidissement, passe de l’état liquide à l’état solide: l’eau, magma Comment se forment les minéraux Précipitation chimique à partir d’une solution sursatué par rapport à un minéral: agates, dépôts des cavernes minéraux évaporitiques Cristallisation de vapeurs : soufre autour des fumeroles Recristallisation par transformation de minéraux préexistants en nouveaux minéraux différents. MINERAUX DES ROCHES Cristallisation par refroidissement d’un magma Un bon nombre de minéraux de la croûte cristallisent à partir d’un magma (roche fondue du manteau ) dont la température est >1200°C, tous les minéraux sont tous à l’état liquide Si ce magma est introduit dans la croûte il va subir un abaissement de la pression et la température .et en se refroidissant les minéraux cristallisent lorsqu’ils atteignent la température de solidification comme cette température de solidification n’est pas la même pour tous les minéraux alors ils ne cristallisent pas tous en même temps et ainsi ils vont cristalliser à tour de rôle selon leur température de cristallisation à mesure ce magma se refroidit. MINERAUX DES ROCHES MINERAUX DES ROCHES Au fur et à mesure que les minéraux cristallisent dans la chambre magmatique les cristaux sédimentent et s’accumulent à la bases de la chambre Il se produit une ségrégation et les roches issues de la cristallisation du magmas auront des assemblages de minéraux différents en fonction de leur position dans la chambre magmatique ( bas, milieu, haut) Assemblage olivine et pyroxène Assemblage pyroxène et amphibole Assemblage amphibole biotite quartz Assemblage des minéraux plus ‘’froids ‘’ MINERAUX DES ROCHES . Assemblage ultramafique Assemblage mafique Plagioclase Olivine Pyroxène Pyroxène Amphibole MINERAUX DES ROCHES Assemblage intermédiaire Amphibole Assemblage felsique Quartz Biotite Muscovite Feldspath K Quartz Albite MINERAUX DES ROCHES .Il existe toute sorte de fluide et de solutions, qui circulent dans les roches de la croûte la croûte terrestre et à des profondeurs très importants Leur vitesse est très lent( mais il faut les placer dans le cadre des temps géologiques Les solutions circulent dans toutes les fractures et peuvent provenir à des zones profondes chaudes du manteau ou d’excès de vapeur d’eau d’un magma ou bien d’eau piégées dans les bassins sédimentaires profonds. Ces solution sont sursaturées par rapport à certains sels ou minéraux, elles vont les précipiter et donneront naissance aux cristaux que l’on trouve dans des veines: or argent plomb… Cristallisation par précipitation chimique à partir d’une solution sursaturée par rapport à un minéral MINERAUX DES ROCHES Agates et Géodes Le quartz (SiO2) a été précipité à partir de fluides sursaturés par rapport à la slice et circulant dans les formations rocheuses Le quartz précipitera sur les parois d’une cavité pour former une première couche de cristaux D’autres se formeront et leur compostions peut varier d’où les différentes couleurs Certaines agates montrent une cavité centrale car les processus de précipitation n’a pas été complétés jusqu’au remplissage total de la cavité Formation des dépôts de caverne Les cavernes Ils sont creusées dans les roches calcaires sous l’effet de la dissolution à grande échelle par les eaux de pluies qui sont naturellement acides car elles contiennent l’acide carbonique H2CO3 . En s’infiltrant dans les fractures elles s’agrandissent progressivement finissent par créer tout un réseau de cavernes et galeries souterrains. Les dépôts des cavernes Stalactites stalagmites Draperies boucliers…sont composés de calcite, plus rarement l’aragonite et se forment par précipitation sur les murs et le plancher des cavernes à partir des eaux de ruissellement MINERAUX DES ROCHES . L’eau qui s’infiltre de la surface à travers les fractures traverse les calcaires et devient une solution contenant CO2, Ca²¯, HCO3²¯ Comment se forment les dépôts des cavernes 1 La pression du CO2 contenu dans la solution augmente au fur et à mesure que la solution progresse en profondeur (2.7 atmosphère /10m). Lorsque la solution arrive aux parois de la caverne sa pression passe subitement de plusieurs atmosphères a un atmosphère car la caverne communique avec l’extérieur d’où un dégazage du CO2 Ca²⁺ + 2HCO3¯ 2 3 CaCO3 + CO2 + H2O Le dégazage provoque la réaction de la gauche vers la droite d’où La précipitation de la calcite MINERAUX DES ROCHES Minéraux de la séquence évaporitique Suite de minéraux qui précipitent quand s’évapore l’eau de mer Evaporation la solution devient de plus en plus saline A la salinité normale de l’eau de de mer; elle est légèrement sursaturée par rapport au carbonate de calcium Ca CO3 ( Calcite et Aragonite). Ce dernier précipite naturellement et dépose une couche de cristaux de CaCO3 au fond du bocal. ……… ….. MINERAUX DES ROCHES . oscille entre calcite et gypse Lagunes Dans la nature les minéraux la précipitation des minéraux évaporitiques se fait à grande échelle dans les lagunes et les sebkhas dans les régions où l’évaporation est intense ( régions arides et désertiques) Le gros de l’alimentation vient de la mer L’évaporation concentre la solution et les minéraux précipitent au plancher de la lagune Suite à un équilibre qui s’établira entre l’alimentation de la lagune en eau de mer et l’évaporation d’où une salinité de l’eau demeure constante En fonction de cette salinité un minérale qui va précipité le plus souvent ça oscille entre Calcite et gypse. MINERAUX DES ROCHES Sebkhas Les sebkha une autre variante du système évaporitique où les minéraux cristallisent et croissent à l’intérieur des sédiments Ce sont des grandes plaines en bordure de mer d’altitude de quelques mètres au dessus de la mer. Elles sont alimentés par l’eau de mer .L’évaporation augmente la salinités des eaux souterraines qui précipitent les minéraux évaporitiques le système se stabilise au gypse avec parfois halite Les sebkhas se rencontre aussi loin de la mer partout où la nappe phréatique concentre des eaux salines et l’évaporation Rose des sables Gains de sable cimentés par du gypse MINERAUX DES ROCHES Dépôt de soufre par cristallisation vapeur dans les volcans actifs MINERAUX DES ROCHES Cycle des roches LES ROCHES MAGMATIQUES .Les roches magmatiques résultent de la solidification d’un magma Magma est un liquide silicaté à température élevé qui peut contenir des minéraux en suspension et des gaz dissous. Il prend naissance à l’intérieur du globe ( manteau, base de la croûte). Et monte vers la surface. Lave Lorsque le magma atteint la surface il forme un volcan qui contient une cheminée à partir de laquelle du magma, des débris de roches solides et des gaz sont éjectés. Le magma qui arrive à la surface est appelé lave. Une lave peut s’écouler comme un flot éjecté brutalement dans l’atmosphère Les volcans sont les endroits où l’on peut observer directement et étudier les magmas LES ROCHES MAGMATIQUES . Ils sont caractérisé par une gamme de composition dont la silice (SiO2) est l’oxyde le plus important Magmas Ils sont caractérisés par des températures élevés Ils possèdent les propriétés de liquide, y compris la capacité de s’écouler ROCHES MAGMATIQUES . Composition des magmas Eléments majeurs Si, Ai, Fe, Ca, Mn Mg, Na, K, H, O SiO2, Al2O3, FeO, CaO, MnO, MgO, Na2 O, K2O, H2O Magma Eléments mineurs Moins de 0.1% Gaz 0.2 à 4% Entrent dans la constitution des Minéraux principaux ( minéraux de la suite de Bowen) Entrent dans la constitution de certains minéraux accessoires sous forme d’impuretés. CO2 et H2O (98%) N, Cl, , S Ar (>1%) ROCHES MAGMATIQUES . Les types de magmas : En fonction de la teneur en silice Magmas basaltiques Par solidification donne un basalte Basaltes émis par les volcans 80% SiO2=50% Magmas andésitiques Par solidification donne une andésite Andésites émises par les volcans 10% SiO2=60% Magmas rhyolitiques Par solidification donne une rhyolite Rhyolites émises par les volcans 10% SiO2 > 70% Magmas ultrabasiques (SiO2 <45% qui donnent des Komatiites picrites Magmas carbonatitiques qui donnent des carbonatites • Les principaux paramètres physiques des magmas Température Viscosité Densité Température des magmas (Liquides sans cristaux: liquidus) • Magmas basaltiques 1000 à 1200°C • Magmas andésitiques 800 à 1000°C • Magmas rhyolitiques 650 à 800°C Les magmas basaltiques sont presque anhydres Les magmas rhyolitiques sont généralement riches en eau (2à4%) Paramètre physique qui représente la résistance à l’écoulement d’une substance Viscosité des magmas La viscosité dépend de : - La température - Composition chimique: teneur en silice -Teneur en gaz dissous Densité des magmas Basaltes sont caractérisés: - températures élevées - viscosités faibles - relativement pauvres en silice - relativement riches en Fe et Mg (éléments denses) - magmas denses: d=2.6 à 3.2 Rhyolites sont caractérisées: -Températures faibles - Viscosités forte -riches en silice -pauvres en Fe et Mg (éléments denses) - magmas moins denses: d=2.2 Densité des magmas contrôle Montée des magmas Les magmas légers montent plus haut car ils sont moins denses que les roches solides et froides qu’ils traversent Les basaltes ont une densité proche de celle de La croûte océanique et donc montent peu Les magmas denses Restent à l’intérieur de la terre Capacité de séparation des minéraux pendant sa cristallisation Les minéraux : ol px pl ca sont plus denses que le magmas majeurs et ont tendance à tomber au fond d’une chambre magmatique La genèse des roches magmatiques est contrôlée par deux processus fondamentaux: La cristallisation fractionnée et la fusion partielle Cristalisation fractionnée La cristallisation des silicates dans un magma se fasse dans un ordre bien défini selon la suite réactionnelle de Bowen et produit 4 assemblages minéralogiques différents qui définissent à leur tour 4 types de roches magmatiques. Expériences de fusions de péridotites (secs) Fusion partielle . C’est le processus qui conduit à la formation des magmas Domaines thermdynamiques des roches T°C cte P cte SOLIDUS SEC la fusion des roches se produit par LIQUIDUS - Rechauffement - Décompression - Ajout d’eau Au niveau de la structure de la terre, on trouve que deux zones présentant des roches en fusion: - Le noyau externe - La zone de faible vitesse de propagation d’ondes sisques (LVZ) Dans la LVZ que la courbe de fusion des péridotites est le plus proche du géotherme (courbe d’évolution de température en fonction de profondeur !du globe). Donc se rapprochant des conditions de pression et de température de début de fusion de la péridotite. D’où un manteau légèrement plus mou. . Chambre magmatique Base de la lithosphère Base de la croûte (sous le moho) Le magma monte à la surface grace à la différence de densité Monte vers la surface percolation Liquide magmatique formé Viscosité du liquide détermine les modalités de segregation migration et accumulation de ce liquide dans la chambre magmatique dorsales: proches de surface les zones de subduction: intermédiaire volcans des points chauds: très profond ● Augmentation progressive de la température d’une roche formée d’un assemblage de minéraux silicatés. ●Cet assemblage passe entièrement au partiellent de la phase solide à la phase liquide. ● Les premiers minéraux qui fondent sont les minéraux de l’assemblage felsiques (Q, FdK, FdNa, muscovite) . ● Dans la phase solide restante elle est composée dePL Bi, Amp, Px selon la composition de la roche Minéraux felsiques Minéraux mafiques Si ce magma est séparé puis cristallisé il donnera une rhyolite ou granite . ● Si la température continue à augmenter Les minéraux de l’assemblage intermédiaires fondent à leur tour et donnent un magma de compostion i,ntermédiaire “SLUSH” ● si séparé et cristallisé donne andésite et diorite etc……… • . Magmatisme des Dorsales Il se forme suite à une fusion partielle de péridotites du manteau sous les dorsales suite à la concentration de chaleur due à la convection - On constate que le géotherme de la dorsales coupe entre 20 et 80 km de profondeur la courbe de solidus (zone de passage d'une péridotite solide à une péridotite partiellement fondue). Cela signifie que c'est dans cette zone du graphe que se situe la chambre magmatique, c'est à dire à faible profondeur. •● Les . données sismiques révèlent l’existence d’une chambre magmatique (zone ou les matériaux sont partiellement liquides) à l’aplomb des la dorsale sous la surface entre 20 et 30Km. ● Cette chambre magmatique contient du magma basaltique. ●A cause du mouvement ascendant dû à la convection, de la péridotite chaude appartenant à l’asthénosphère (à environ 100 km de profondeur) remonte vers la surface à une vitesse de quelques cm/an. ●Elle subit donc une décompression à forte température. Les roches étant de mauvaises conductrices de la chaleur, elles se refroidissent très lentement => c'est une décompression à température constante. La baisse de pression à température constante entraîne la fusion de la péridotite. ● Des expériences de fusion de la péridotite montrent que la péridotite ne fond pas entièrement tout de suite quand elle est chauffée. Il se produit d'abord une fusion partielle (une seule partie de la péridotite fond). ● Le liquide qui en résulte n'a pas la même composition chimique que la péridotite initiale, la composition du liquide dépendant du taux de fusion de la péridotite. ● Ces expériences ont également permit de montrer qu’une fusion partielle de la péridotite (taux voisin de 15%) permet d’obtenir un magma basaltique (composition chimique voisine des basaltes). ● Ce taux de fusion est a tteint pour une pression de 1.5 Gpa et une température de 1300°C. Ce sont les conditions que l'on trouve à environ 50 – 100 km sous la dorsale. • Le magma basaltique a donc pour origine une fusion partielle de la péridotite liée à une décompression adiabatique (baisse de pression à température constante). I III III II MOHO Fusion partielle des péridotites du manteau (concentration de la chaleur par les courants de convection upwelling au niveau des dsorsales). litées foliées MOHO Magmatisme des zones de subduction Pour aucune profondeur et température le géotherme des zones de subduction ne recoupe le solidus de la péridotite sèche et donc ne permet pas la fusion de cette denière. Cependant l’apport d’eau abaisse la température de fusion partielle des péridotites Dans le cas de la péridotite hydratée, le géotherme des zones de subduction recoupe le solidus de cette roche la formation de magma est possible. Entre 80 et 180 km de profondeur, la température de 1000 °C suffit pour provoquer la fusion partielle de la péridotite hydratée. Les magmas ainsi produit sont fluides et moins denses, ces dernier montent vers la surface Certains arrivent à la surface où ils donnent naissance à un volcanisme explosif andésitique. Dans d’autres zones, une grande partie de ces magmas cristallise en profondeur, donnant naissance à des plutons granodioritiques. • . L’origine de l’eau, agent de la fusion partielle des péridotites du manteau provient des réactions métamorphiques qui affectent la croûte océanique et les minéraux silicatés et argileux des sédiment du prisme d’accrêtion. Ces derniers libèrent l’eau qui passe dans la péridotite de la plaque chevauchante entraînant ainsi sa fusion partielle en profondeur, à l’aplomb de l’arc insulaire ou magmatique. Basalte et gabbros hydratés (croûte océanique) Le magma est généré à plus grande profondeur, serait lié à des instabilités thermiques (points chauds) prenant naissance à l'interface entre le noyau et le manteau inférieur La cristallisation du magma à l’intérieur ou à la surface de la croûte terrestre produit des corps magmatiques variés traduisant des condition de mise en place diversifiées et les roches associées montrent des caractères spécifiques à chaque mode de gisement. Le bloc diagramme A résume les principaux phénomènes géologiques susceptibles d’être rencontrés dans une région magmatiquement actives. Situations post magmatiques (érosion) L’expression du magmatisme en surface est minime en volume par rapport au magma sous-jacent qui lui donne naissance et qui formera les grands corps intrusives. En surface le magmatisme se traduit par des volcans qui peuvent produire des champs de lave dont certains sont isus de grandes fissures. FIN DU CHAPITRE
