La fiche de cours
Résumé en cinq points
L'activité magmatique laisse des traces directes, roches, édifices, fumerolles et sismicité, et des traces indirectes, auréoles de contact et hydrothermalisme, ces dernières permettant de détecter une intrusion non affleurante.
Les modes de gisement sont plutonique, filonien et volcanique. La texture de la roche, grenue, microgrenue, microlitique ou vitreuse, enregistre la vitesse de refroidissement et permet donc de retrouver le mode de gisement.
L'identification d'une roche croise texture, minéralogie et couleur. La classification de Streckeisen ordonne les roches plutoniques à partir de la composition modale, le diagramme TAS ordonne les roches volcaniques à partir de la composition chimique.
Sous une dorsale rapide, la géophysique et la pétrologie convergent vers une lentille de magma peu profonde entourée d'une zone de fusion partielle, modèle qui rend compte de la structure verticale des ophiolites.
Le dynamisme éruptif découle de la viscosité et de la teneur en gaz, elles-mêmes liées à la teneur en silice et à la température, avec un rôle possible de l'eau externe. Effusif et explosif se reconnaissent aux produits émis et à la forme de l'édifice, base de la prévention du risque volcanique.
Pourquoi ce chapitre
Le magmatisme est le principal mécanisme d'évacuation de la chaleur interne de la Terre. Ce chapitre ouvre la partie ST-F et se place juste avant l'étude des processus de fusion et de différenciation. Il est délibérément descriptif et méthodologique : il installe le vocabulaire des gisements, les critères de reconnaissance des roches et les outils de classification, qui seront ensuite utilisés pour raisonner sur l'origine des magmas.
Il s'articule avec presque tout le reste du programme de sciences de la Terre. La carte géologique fournit les affleurements et les relations de recoupement. La dynamique des enveloppes internes fournit les contextes géodynamiques. La mesure du temps fournit les datations relative et absolue. Les risques et les ressources réutilisent les dynamismes éruptifs et l'hydrothermalisme. L'étude des îles océaniques françaises en est une application directe.
Aux concours, c'est un chapitre de travaux pratiques avant tout. On attend une identification raisonnée des roches, à l'œil nu et sur photographie de lame mince, une utilisation correcte de la classification de Streckeisen et du diagramme TAS, et la capacité à lire une chronologie sur une carte ou une coupe. Les questions de cours portent surtout sur le lien entre propriétés physico-chimiques d'un magma et dynamisme éruptif.
Notions et mécanismes
Les traces de l'activité magmatique
Un magma est un mélange de silicates fondus, de cristaux et de gaz dissous. Son activité laisse deux types de traces.
Les traces directes sont les roches magmatiques elles-mêmes, les édifices volcaniques, les produits émis, les fumerolles qui libèrent vapeur d'eau, dioxyde de carbone et composés soufrés, et l'activité sismique associée à la migration du magma. Cette sismicité, de faible magnitude et souvent localisée sous l'édifice, est un outil de surveillance.
Les traces indirectes témoignent de l'effet du magma sur son encaissant. Une auréole de contact est la zone métamorphisée autour d'une intrusion, où la chaleur a recristallisé la roche encaissante sans déformation notable. Elle peut atteindre plusieurs centaines de mètres à quelques kilomètres autour d'un gros pluton, et produit par exemple des cornéennes ou des marbres. L'hydrothermalisme associé correspond à la circulation de fluides chauds mis en mouvement par l'anomalie thermique. Ces fluides altèrent l'encaissant et précipitent des minéraux dans les fractures, formant des filons de quartz et des minéralisations métalliques. La présence d'une auréole de contact ou d'un cortège filonien peut donc signaler un magmatisme même en l'absence de roche magmatique à l'affleurement.
Les modes de gisement
Les intrusions plutoniques résultent de la cristallisation d'un magma en profondeur. Elles sont mises à l'affleurement par l'érosion des terrains sus-jacents, ce qui implique une longue histoire postérieure. Les plus vastes sont les batholites, corps kilométriques à pluri-kilométriques, souvent composites. Le refroidissement y est lent, sur des milliers à des millions d'années selon la taille.
Les formations filoniennes correspondent à des corps de faible épaisseur mis en place dans des fractures. Un filon sécant recoupe les structures de l'encaissant, un filon couche s'intercale parallèlement à la stratification. Leur épaisseur métrique à décamétrique impose un refroidissement rapide.
Les formations volcaniques regroupent les produits émis en surface : coulées de lave, dômes, projections et dépôts pyroclastiques. Le refroidissement y est très rapide, de quelques heures à quelques années.
La texture d'une roche magmatique enregistre directement cette vitesse de refroidissement, donc le mode de gisement. Une texture grenue, entièrement cristallisée et à cristaux tous visibles à l'œil nu, indique un refroidissement lent en profondeur. Une texture microlitique, avec des microlites baignant dans une mésostase vitreuse ou cryptocristalline, indique un refroidissement rapide en surface. Une texture vitreuse, sans cristaux, indique une trempe. Une texture microgrenue, entièrement cristallisée mais à cristaux non discernables à l'œil nu, est typique des filons. Une texture porphyrique, avec de grands cristaux automorphes dans une matrice plus fine, traduit une histoire en deux temps : une croissance lente en chambre magmatique puis une remontée rapide.
Identifier une roche magmatique
L'identification croise trois informations : la texture, qui donne le mode de gisement, la minéralogie observable, et la couleur générale qui reflète la proportion de minéraux ferromagnésiens.
Les couples plutonique et volcanique de même composition sont à connaître. Le gabbro, grenu, et le basalte, microlitique, associent plagioclase calcique et pyroxène, souvent avec de l'olivine, sans quartz. La diorite, grenue, et l'andésite, microlitique porphyrique, associent plagioclase et amphibole, parfois biotite ou pyroxène, avec peu ou pas de quartz. Le granite, grenu, et la rhyolite, microlitique ou vitreuse, associent quartz, feldspath alcalin, plagioclase sodique et micas. Le trachyte est une roche volcanique dominée par le feldspath alcalin avec peu ou pas de quartz.
Pour les roches plutoniques, on utilise la classification de Streckeisen. On mesure la composition modale, c'est-à-dire le pourcentage volumique de chaque minéral, on ne retient que les minéraux clairs et on les ramène à 100 pour cent. Les pôles sont le quartz Q, les feldspaths alcalins A, les plagioclases P et les feldspathoïdes F. Le double triangle QAP en haut et APF en bas permet de placer la roche. Une roche riche en quartz et à feldspaths alcalins abondants tombe dans le champ des granites, une roche sans quartz et à plagioclases quasi exclusifs dans le champ des gabbros et diorites. Le calcul de la composition normative est hors programme.
Pour les roches volcaniques, dont les microlites ne sont pas toujours identifiables, on utilise le diagramme TAS qui porte la somme des teneurs en oxydes de sodium et de potassium en fonction de la teneur en silice, en pourcentages massiques. Les champs y sont délimités et permettent de nommer la roche.
Le lien entre composition chimique et composition minéralogique est le point conceptuel à maîtriser. Les minéraux qui cristallisent sont ceux que la chimie du liquide autorise. Un liquide pauvre en silice et riche en magnésium et en fer cristallise olivine et pyroxènes, minéraux peu polymérisés, et ne donne pas de quartz. Un liquide riche en silice permet la cristallisation de quartz libre après que les feldspaths ont consommé les alcalins et le calcium. La teneur en potassium et en sodium contrôle la part de feldspath alcalin par rapport au plagioclase. On dit qu'une roche est sursaturée si elle contient du quartz, sous-saturée si elle contient des feldspathoïdes, les deux ne coexistant pas.
Le fonctionnement d'une chambre magmatique
Le modèle exigible est celui d'une dorsale rapide. Les données de sismique réflexion montrent, sous l'axe, un réflecteur continu situé à un à deux kilomètres sous le plancher océanique. Il correspond au toit d'une lentille de magma de quelques dizaines à quelques centaines de mètres d'épaisseur et de quelques kilomètres de largeur. Cette lentille contient un liquide presque totalement fondu. Elle est entourée d'une zone plus vaste où la fusion est partielle, un mélange de cristaux et de liquide interstitiel dont la vitesse des ondes sismiques est intermédiaire.
Ce modèle rend compte de la structure verticale de la lithosphère océanique observée dans les ophiolites : basaltes en coussins au sommet, complexe filonien de dykes parallèles nourrissant les coulées, gabbros isotropes puis gabbros lités dessous, et enfin péridotites. Les gabbros lités s'interprètent comme l'accumulation de cristaux au plancher de la chambre. Une dorsale lente ne présente pas de lentille permanente, le magmatisme y étant plus discontinu.
La méthode à retenir est le croisement des données : géophysique pour la géométrie et l'état de fusion, cartographie pour la répartition des formations, pétrologie pour la nature et l'ordre de cristallisation.
Dynamismes éruptifs
Le type d'éruption dépend d'abord des caractéristiques physico-chimiques du magma, au premier rang desquelles la viscosité et la teneur en gaz dissous.
La viscosité augmente avec la teneur en silice, car les tétraèdres de silicium et d'oxygène se polymérisent en chaînes et en réseaux qui freinent l'écoulement. Elle diminue quand la température augmente et quand la teneur en eau dissoute augmente, l'eau dépolymérisant le liquide. Un magma basaltique, pauvre en silice et chaud, est fluide. Un magma rhyolitique, riche en silice et plus froid, est très visqueux.
Les gaz dissous, essentiellement vapeur d'eau, dioxyde de carbone et composés soufrés, sont maintenus en solution par la pression. Lors de la remontée, la pression chute et les gaz exsolvent en formant des bulles. Dans un magma fluide, les bulles migrent et s'échappent facilement, la décompression est progressive et le dynamisme est effusif. Dans un magma visqueux, les bulles restent piégées, la pression interne augmente jusqu'à la fragmentation du magma, et le dynamisme est explosif.
Les caractéristiques de la zone d'émission interviennent aussi. Une topographie confinée favorise la surpression. La présence d'eau phréatique, d'eau de mer ou de glace provoque une vaporisation brutale au contact du magma et donc une explosivité accrue, même pour un magma basaltique.
Les produits émis permettent de trancher rétrospectivement. Un dynamisme effusif donne des coulées de lave étendues, des édifices en bouclier à faible pente, des laves cordées ou en coussins si l'émission est sous-marine, et des projections limitées. Un dynamisme explosif donne des produits fragmentés, les pyroclastites, depuis les cendres jusqu'aux blocs et bombes, des ponces très vésiculées, des dépôts de coulées pyroclastiques et de retombées, des dômes et des aiguilles, et des édifices à fortes pentes de type strato-volcan. La prévention repose sur la connaissance des éruptions passées, reconstituée par la cartographie et la datation des dépôts, et sur des réseaux de surveillance combinant sismologie, déformation du sol et analyse des gaz.
Chronologie de mise en place
La chronologie relative s'établit avec les principes classiques. Une intrusion est postérieure à toutes les roches qu'elle recoupe. Une auréole de contact se développe dans un encaissant préexistant, donc plus ancien. Une enclave de roche encaissante prise dans un pluton est plus ancienne que ce pluton. Un filon recoupé par un autre filon lui est antérieur. Une coulée volcanique intercalée dans une série sédimentaire est contemporaine du dépôt, ce qui la rend très utile pour caler une série. Une surface d'érosion qui tronque un pluton et est recouverte par des sédiments donne un âge minimal.
La chronologie absolue utilise la radiochronologie. Le couple uranium-plomb sur zircon convient aux roches anciennes et le zircon résiste bien aux événements ultérieurs. Le couple potassium-argon s'applique aux minéraux potassiques, avec une remise à zéro par diffusion de l'argon lors d'un réchauffement. Ce qui est daté est la fermeture du système, donc le refroidissement sous une température donnée, ce qui explique qu'un même échantillon puisse fournir des âges différents selon le couple utilisé.
Exemples et ordres de grandeur
Un basalte contient environ 45 à 52 pour cent de silice en masse, une andésite environ 57 à 63 pour cent, une rhyolite plus de 69 pour cent. Les températures d'émission vont d'environ 1100 à 1200 degrés pour un basalte à environ 700 à 900 degrés pour une rhyolite.
La viscosité couvre plusieurs ordres de grandeur. Une lave basaltique fluide se situe vers 10 à 10³ pascals seconde, une lave andésitique vers 10⁵ à 10⁶, une lave rhyolitique au-delà de 10⁷. C'est cet écart, et non une différence de nature, qui explique les contrastes de morphologie et de dynamisme.
Une coulée basaltique peut avancer de plusieurs mètres par seconde sur une pente et parcourir des dizaines de kilomètres. Une coulée pyroclastique dévale à plusieurs dizaines de mètres par seconde à des températures de plusieurs centaines de degrés, ce qui la rend mortelle et pratiquement inévitable.
Les schémas à savoir refaire sont peu nombreux mais précis. Un bloc-diagramme montrant un batholite, son auréole de contact, des filons sécants et un filon couche, un appareil volcanique alimenté depuis la chambre, et une surface d'érosion. Une coupe de lithosphère océanique à dorsale rapide, avec la lentille magmatique, la zone de mush, et de haut en bas basaltes en coussins, complexe filonien, gabbros isotropes, gabbros lités, péridotites. Le double triangle de Streckeisen avec le placement de granite, diorite et gabbro. Un schéma comparant deux édifices, volcan bouclier et strato-volcan, avec les produits associés.
Méthodes et savoir-faire
Analyser un paysage, un affleurement ou une carte pour reconnaître un mode d'expression du magmatisme. On cherche les contacts intrusifs, les auréoles, les alignements de filons et les formations volcaniques, et on distingue systématiquement ce qui est intrusif de ce qui est épanché.
Identifier une roche magmatique à l'échelle macroscopique puis microscopique. La démarche est toujours la même : d'abord la texture, ensuite la minéralogie observable et la mésostase, enfin le nom. En lame mince, les minéraux sont légendés et l'on travaille en lumière polarisée non analysée et analysée.
Déduire le mode de gisement de la texture, en justifiant par la vitesse de refroidissement, et non l'inverse.
Placer une roche plutonique dans la classification de Streckeisen à partir de sa composition modale, après recalcul à 100 pour cent des minéraux clairs.
Placer une roche volcanique dans le diagramme TAS à partir de sa composition chimique en éléments majeurs.
Expliquer le lien entre composition chimique et composition minéralogique, notamment l'incompatibilité entre quartz et feldspathoïdes.
Exploiter des données géophysiques, cartographiques et pétrologiques pour construire un modèle de chambre magmatique, sur l'exemple d'une dorsale rapide.
Établir une chronologie relative entre formations magmatiques et encaissant, puis exploiter des données radiochronologiques pour poser un âge absolu.
Différencier un dynamisme effusif d'un dynamisme explosif à partir de l'édifice et des produits émis, puis remonter aux caractéristiques du magma.
Identifier des risques volcaniques à partir de cartes de dépôts anciens, de données pétrologiques ou de données géophysiques.
Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit
Le bloc-diagramme des modes de gisement, avec pluton, auréole de contact, filons et édifice volcanique.
Le tableau de correspondance plutonique et volcanique pour les sept roches exigibles, avec pour chacune la texture et les deux ou trois minéraux caractéristiques.
Le raisonnement texture vers vitesse de refroidissement vers profondeur de mise en place, y compris le cas porphyrique qui traduit deux étapes.
Le principe de la classification de Streckeisen, avec le recalcul modal et les quatre pôles.
La chaîne complète silice, polymérisation, viscosité, comportement des bulles, dynamisme éruptif, produits émis, morphologie de l'édifice. C'est l'argumentaire le plus demandé du chapitre.
La coupe de lithosphère océanique à dorsale rapide et son interprétation en termes de chambre magmatique.
Les critères de chronologie relative applicables à une intrusion, avec l'argument de l'auréole de contact et celui des enclaves.
Trois pièges. Ne pas confondre une roche à texture grenue et une roche métamorphique à grain grossier, l'absence de foliation et le caractère automorphe de certains cristaux orientant vers l'origine magmatique. Ne pas conclure d'un dynamisme explosif à un magma acide sans vérifier l'hypothèse d'une interaction avec l'eau. Ne pas oublier qu'une datation radiochronologique date une fermeture de système, pas nécessairement la mise en place.
Méthodes et exercices
Notions et mécanismes clés
- Nucléation et croissance : un cristal naît d'un germe puis grossit. La texture dépend du rapport entre la vitesse d'apparition des germes et la vitesse de croissance.
- Automorphe, subautomorphe, xénomorphe : un cristal est limité par ses propres faces, partiellement limité, ou moulé sur ses voisins. Un cristal automorphe a cristallisé tôt. Un cristal xénomorphe a comblé les derniers espaces.
- Phénocristal : grand cristal d'une texture porphyrique, formé avant l'éruption. Microlite : petit cristal allongé formé pendant la remontée ou l'épanchement.
- Mésostase : fond de la roche entre les cristaux, vitreux ou cryptocristallin dans une lave.
- Encaissant : roche dans laquelle le magma se met en place. Enclave : fragment d'encaissant, ou d'un autre magma, emballé dans la roche magmatique.
- Métamorphisme de contact : recristallisation d'origine thermique, sans déformation, dont l'intensité décroît quand on s'éloigne de l'intrusion.
- Flottabilité : le magma monte tant qu'il est moins dense que son encaissant. Il tend à stationner au niveau où les deux densités s'égalisent.
- Composition modale : pourcentage volumique des minéraux observés. Composition chimique : pourcentage massique des oxydes. La première sert à Streckeisen, la seconde au TAS.
- Minéraux clairs au sens de Streckeisen : quartz, feldspaths alcalins, plagioclases, feldspathoïdes. Les micas, y compris la muscovite, sont exclus du recalcul.
- Saturation en silice : dans une roche sursaturée, le quartz apparaît. Dans une roche sous-saturée, des feldspathoïdes apparaissent, et parfois l'olivine magnésienne sans pyroxène pauvre en calcium.
- Exsolution des gaz : la pression chute pendant la remontée, les volatils dépassent leur solubilité et forment des bulles.
- Fragmentation : rupture d'un magma visqueux en lambeaux quand les bulles occupent une fraction de volume très élevée. C'est le seuil qui fait passer de l'effusif à l'explosif.
- Types éruptifs traditionnels. Hawaïen : fontaines et coulées fluides. Strombolien : explosions discontinues de lave assez fluide et cônes de scories. Vulcanien : explosions brèves d'un magma visqueux. Péléen : dôme et nuées ardentes. Plinien : colonne de gaz et de ponces sur des dizaines de kilomètres. Hydromagmatique : interaction avec l'eau externe.
- Aléa et risque : l'aléa est la probabilité d'un phénomène d'une intensité donnée. Le risque croise l'aléa avec les enjeux exposés, c'est-à-dire la population et les biens.
- Température de fermeture : température sous laquelle un minéral cesse d'échanger isotope père et isotope fils avec son environnement. Elle est propre au couple et au minéral.
- Série magmatique : ensemble de roches liées dans le temps et l'espace, issues d'une même source par des processus communs. On la reconnaît au terrain, à la chimie et aux âges.
Chaînes de raisonnement
De la vitesse de refroidissement à la texture. Un refroidissement lent laisse le temps aux germes peu nombreux de croître, on obtient peu de gros cristaux. Un refroidissement rapide multiplie les germes et laisse peu de temps pour croître, on obtient beaucoup de petits cristaux. Une trempe fige le liquide avant toute nucléation, on obtient un verre.
Pourquoi le magma monte et où il s'arrête. Un liquide silicaté est moins dense que la roche solide de même composition. Il remonte par flottabilité le long de fractures ou par diapirisme. Dans la croûte supérieure, les roches encaissantes sont peu denses et le contraste s'annule. Le magma stationne alors et forme une chambre ou un pluton. Il n'atteint la surface que si la surpression, souvent due aux gaz, suffit à ouvrir un conduit.
L'auréole de contact comme preuve d'intrusion. Les minéraux de haute température de l'auréole, comme l'andalousite ou la cordiérite, ne se développent que près du pluton. Leur disposition concentrique prouve que la chaleur venait de la roche magmatique. L'encaissant existait donc avant l'arrivée du magma, et le pluton s'est mis en place à l'état chaud, ce qui écarte l'hypothèse d'un contact tectonique froid.
De la chimie à la minéralogie. La silice disponible se répartit d'abord entre les minéraux qui peuvent se former avec le fer, le magnésium, le calcium et les alcalins présents. S'il reste de la silice en excès, elle cristallise en quartz. S'il en manque, les feldspathoïdes, moins riches en silice, remplacent une partie des feldspaths. Le quartz et les feldspathoïdes ne coexistent donc pas, car ils réagiraient pour donner du feldspath.
Du contexte tectonique au type de volcanisme. À une dorsale et sous un point chaud, la fusion du manteau sec donne des basaltes chauds et fluides, et le volcanisme est surtout effusif. En zone de subduction, les fluides libérés par la plaque plongeante hydratent le coin de manteau, et les magmas deviennent plus siliceux par différenciation dans la croûte. Riches en eau et visqueux, ils donnent un volcanisme explosif, andésitique à rhyolitique.
Des dépôts anciens au zonage du risque. Chaque éruption laisse une couche datable dont on cartographie l'extension. L'empilement des couches donne la fréquence et le type des éruptions passées. Le zonage suppose que le volcan reproduira ce qu'il a déjà fait, et la surveillance détecte la reprise d'activité.
Exemples et références à connaître
- Piton de la Fournaise, La Réunion : volcan bouclier de point chaud, basalte, éruptions fissurales effusives fréquentes. Exemple type du dynamisme effusif en territoire français.
- Montagne Pelée, Martinique : arc des Petites Antilles, andésite, dômes et nuées ardentes. L'éruption de 1902 a détruit Saint-Pierre en quelques minutes et fait environ 28 000 morts.
- Chaîne des Puys, Massif central : cônes stromboliens basaltiques, maars hydromagmatiques et dômes trachytiques comme le puy de Dôme, dans un espace réduit. Idéal pour montrer qu'un même secteur peut produire plusieurs dynamismes.
- Surtsey, au sud de l'Islande : éruption basaltique sous-marine peu profonde, explosive tant que l'eau de mer a eu accès au conduit, puis effusive. Contre-exemple du lien automatique entre explosivité et magma acide.
- Ophiolite d'Oman : lithosphère océanique charriée sur un continent, qui montre à l'affleurement la succession complète prédite par le modèle de chambre de dorsale rapide (coussins, complexe filonien, gabbros isotropes, gabbros lités, péridotites). Par contraste, l'ophiolite du Chenaillet, dans les Alpes, montre des basaltes et des gabbros en corps discontinus posés directement sur des péridotites serpentinisées, sans complexe filonien continu. C'est un analogue de dorsale lente.
- Dorsale Est-Pacifique : dorsale rapide, plus de 10 centimètres par an d'expansion totale, où la sismique réflexion a révélé à la fin des années 1980 le réflecteur du toit de la lentille magmatique. Par contraste, la dorsale médio-atlantique s'ouvre de 2 à 3 centimètres par an.
- Granite de Flamanville, Cotentin : pluton cartographié avec son auréole de contact bien développée dans l'encaissant. Exemple classique pour la chronologie relative sur carte.
- Séquence d'auréole dans un encaissant pélitique, du pluton vers l'extérieur : cornéennes, puis schistes tachetés à andalousite ou cordiérite, puis schistes non transformés.
- Albert Streckeisen a conduit la classification modale des roches plutoniques adoptée au niveau international dans les années 1970. Le diagramme TAS a été standardisé dans les années 1980 par Le Bas et ses collègues.
- Ordres de grandeur : un magma rhyolitique peut dissoudre plusieurs pour cent d'eau en masse à quelques kilomètres de profondeur. Le volume de cette eau est multiplié par plusieurs milliers lors de sa détente en vapeur à la surface. Les températures de fermeture valent plus de 900 degrés pour le couple uranium-plomb dans le zircon et environ 300 degrés pour le couple potassium-argon dans la biotite.
Techniques
Décrire une lame mince dans le bon ordre
Les noms des minéraux sont fournis, mais on attend un raisonnement. On commence par la texture et la taille des cristaux. On précise ensuite la forme des cristaux, qui donne l'ordre de cristallisation. On termine par la présence ou l'absence de mésostase, qui donne le mode de gisement. Deux repères aident à ne pas se perdre. En lumière analysée, le verre reste éteint. Les macles polysynthétiques signalent le plagioclase.
Mini-exemple. Une lame montre des olivines automorphes de 2 millimètres dans un fond de microlites de plagioclase et d'un fond éteint en lumière analysée. On conclut à une texture microlitique porphyrique. L'olivine a cristallisé en profondeur avant l'éruption, les microlites se sont formés pendant l'épanchement, le fond éteint est du verre de trempe. Il s'agit d'un basalte à olivine.
Placer une roche dans Streckeisen
On procède en quatre temps. On écarte les minéraux ferromagnésiens, les micas et les minéraux accessoires. On additionne quartz, feldspath alcalin et plagioclase. On ramène chacun à cette somme. On lit le champ avec deux coordonnées, la part de quartz et le rapport du plagioclase au total des feldspaths.
Mini-exemple. Quartz 18, feldspath alcalin 18, plagioclase 36, reste 28. La somme vaut 72. On obtient Q égal à 25, A égal à 25 et P égal à 50 pour cent. Le rapport du plagioclase aux feldspaths vaut 36 sur 54, soit 67 pour cent. On se trouve juste au-delà de la limite de 65 pour cent, dans le champ de la granodiorite.
Placer une lave dans le TAS
On vérifie d'abord que l'analyse est anhydre. Sinon, on recalcule les oxydes à 100 pour cent sans l'eau ni la perte au feu. On additionne ensuite les teneurs en oxyde de sodium et en oxyde de potassium, puis on place le point avec la silice en abscisse. Une lave altérée ou riche en phénocristaux accumulés donne un point trompeur, il faut le signaler.
Mini-exemple. Analyse brute : silice 57,0, oxyde de sodium 3,6, oxyde de potassium 1,2, perte au feu 5,0. Le total anhydre vaut 95. Après recalcul, la silice vaut 60,0, et la somme des alcalins vaut 4,8 sur 0,95, soit environ 5,1. Le point tombe dans le champ des andésites, alors que les valeurs brutes l'auraient placé à la limite des andésites basaltiques.
Lire une chronologie sur une carte
Un contour intrusif coupe les limites de couches de l'encaissant sans les suivre. Une auréole figurée en surcharge borde le pluton. Les filons dessinent des traits rectilignes qui traversent les contours. Une couche qui passe sur le pluton sans auréole et sans être recoupée lui est postérieure. On écrit la succession sous forme d'une liste numérotée, du plus ancien au plus récent, avec un critère pour chaque étape.
Le schéma bilan du dynamisme
On construit deux colonnes parallèles, l'une pour le magma basaltique et l'autre pour le magma rhyolitique. On y met, de haut en bas, la silice, la température, la viscosité, le devenir des bulles, le dynamisme, les produits émis et la forme de l'édifice. Un encart latéral indique le rôle de l'eau externe, qui peut faire basculer la colonne basaltique vers l'explosif.
Sujets classiques traités
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Sujet 1. Deux roches de même composition, un granite et une rhyolite
Classiques de khôlle et concours · Oral de travaux pratiques
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Démarche attendue. Un, à l'œil nu, le granite est grenu, clair, avec du quartz gris vitreux, des feldspaths blancs ou roses et des micas noirs. La rhyolite est claire, à pâte fine, avec quelques phénocristaux de quartz ou de sanidine, et parfois des rubans de fluidalité. Deux, en lame mince, le granite montre un quartz xénomorphe qui a cristallisé en dernier. La rhyolite montre des phénocristaux dans une mésostase vitreuse ou cryptocristalline. Trois, interprétation : même chimie donc même minéralogie potentielle, mais la rhyolite a été trempée en surface. Point de vigilance : la rhyolite peut être presque entièrement vitreuse, et c'est alors la composition chimique qui tranche.
Sujet 2. Classer deux roches plutoniques par leur composition modale
Classiques de khôlle et concours · Exercice de khôlle
Roche A : quartz 27, feldspath alcalin 27, plagioclase 18, biotite 14, muscovite 9, accessoires 5. Roche B : quartz 2, feldspath alcalin 2, plagioclase andésine 46, amphibole 35, biotite 10, oxydes 5. Nommer ces roches.
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Étape 1, pour la roche A, la somme des minéraux clairs vaut 72, car la muscovite n'entre pas dans le calcul. On obtient Q égal à 37,5, A égal à 37,5 et P égal à 25 pour cent. Étape 2, le rapport du plagioclase aux feldspaths vaut 18 sur 45, soit 40 pour cent, avec un quartz compris entre 20 et 60 pour cent. On se trouve dans le champ des granites. Étape 3, pour la roche B, la somme vaut 50. On obtient Q égal à 4, A égal à 4 et P égal à 92 pour cent, c'est-à-dire le champ commun aux diorites et aux gabbros. Étape 4, on tranche avec la composition du plagioclase et le ferromagnésien. Un plagioclase moins calcique qu'un labrador et une amphibole abondante désignent une diorite. Un gabbro aurait un plagioclase calcique et du pyroxène. Point où l'on se trompe : placer la roche B à partir des valeurs brutes, qui ne montrent pas la domination écrasante du plagioclase, ou croire que Streckeisen suffit à séparer diorite et gabbro.
Sujet 3. Nommer des laves avec le TAS et relier chimie et minéralogie
Classiques de khôlle et concours · Type écrit Agro-Véto
Trois analyses anhydres. Lave 1 : silice 49, oxyde de sodium 2,6, oxyde de potassium 0,6. Lave 2 : silice 74, alcalins totaux 8. Lave 3 : silice 63, alcalins totaux 11. Nommer ces laves et prévoir leurs minéraux.
Voir le corrigé
Étape 1, la lave 1 a une somme des alcalins de 3,2, entre 45 et 52 de silice et sous 5 d'alcalins. C'est un basalte, dans lequel on attend du plagioclase calcique, du pyroxène et éventuellement de l'olivine, sans quartz. Étape 2, la lave 2 se place dans le champ des rhyolites. On y attend du quartz, de la sanidine et un plagioclase sodique, avec beaucoup de verre. Étape 3, la lave 3 est riche en alcalins pour une silice intermédiaire. Elle tombe dans le champ des trachytes. Le feldspath alcalin y domine et le quartz manque ou reste rare, car les alcalins abondants ont consommé la silice pour former des feldspaths. Étape 4, synthèse : la silice commande la présence de quartz, et le rapport des alcalins au calcium commande la nature des feldspaths. Point où l'on se trompe : utiliser le TAS pour une roche plutonique, ou oublier de vérifier que l'analyse est anhydre. La distinction fine entre trachyte et trachydacite fait appel à un calcul normatif hors programme, on reste prudent sur ce point.
Sujet 4. Chronologie et âge absolu d'un pluton
Classiques de khôlle et concours · Analyse de documents, type écrit G2E
Une carte montre des schistes plissés, recoupés par un granite entouré de schistes tachetés. Des filons de microgranite traversent le granite et l'auréole. Des grès du Trias horizontaux reposent sur le granite érodé, sans auréole. Un filon de dolérite recoupe le granite et les grès. Données : zircon du granite par uranium-plomb, 315 millions d'années. Biotite du granite par potassium-argon, 295 millions d'années. Dolérite, 200 millions d'années.
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Étape 1, les schistes sont plissés puis recoupés par le granite, que l'auréole date comme intrusion chaude postérieure. Étape 2, les filons de microgranite recoupent granite et auréole. Ils sont donc postérieurs, probablement issus du même système à un stade plus froid. Étape 3, une surface d'érosion se forme, puis les grès se déposent sans porter aucune trace de métamorphisme. Étape 4, la dolérite recoupe les grès, elle est donc post-triasique ou fini-triasique, ce qui est cohérent avec 200 millions d'années. Étape 5, le zircon date la cristallisation, vers 700 à 800 degrés. La biotite date le passage sous environ 300 degrés. Le pluton s'est donc refroidi d'environ 450 degrés en 20 millions d'années, soit une vingtaine de degrés par million d'années, avant d'être exhumé et érodé avant le Trias. Point où l'on se trompe : prendre l'âge de la biotite pour l'âge de mise en place.
Sujet 7. Évaluer le risque à partir d'une carte de dépôts
Classiques de khôlle et concours · Khôlle avec document
On dispose d'une carte d'un strato-volcan montrant des dépôts de coulées pyroclastiques dans les vallées, des retombées de ponces plus épaisses à l'ouest, des lahars dans les vallées basses, et une ville sur un cône de déjection.
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Étape 1, les coulées pyroclastiques suivent la topographie, les vallées sont donc la zone d'aléa maximal. Étape 2, les retombées sont dissymétriques à cause des vents dominants. Le secteur ouest risque des effondrements de toitures et des perturbations aériennes. Étape 3, les lahars prolongent le danger loin du volcan et longtemps après l'éruption, notamment en saison des pluies. Étape 4, la ville cumule l'exposition aux lahars et aux coulées. On propose un zonage, un plan d'évacuation, et une surveillance par la sismicité, la déformation et le flux de gaz. Point où l'on se trompe : tracer des zones circulaires autour du cratère sans tenir compte du relief.
Sujet 5. Construire un modèle de chambre magmatique sous une dorsale rapide
Autres exercices · Analyse de documents
Document 1, profil de sismique réflexion perpendiculaire à l'axe, avec un réflecteur court à 1,5 kilomètre sous le plancher. Document 2, tomographie des vitesses des ondes P, avec une zone lente de quelques kilomètres de large centrée sous l'axe. Document 3, log d'une ophiolite. Document 4, lame mince de gabbro lité.
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Étape 1, un réflecteur de polarité inversée signale le passage vers un milieu plus lent, donc du liquide. Sa faible extension latérale, de l'ordre du kilomètre, indique une lentille étroite centrée sous l'axe. Le réflecteur n'en marque que le toit. L'absence de réflecteur de base distinct et les modèles de vitesse indiquent une épaisseur faible, de quelques dizaines à quelques centaines de mètres. Étape 2, la zone lente plus vaste, mais moins fortement ralentie, indique un mélange de cristaux et de liquide. Étape 3, le log montre, de haut en bas, pillow-lavas, dykes, gabbros isotropes, gabbros lités et péridotites. Les dykes relient la lentille aux coulées. Étape 4, la lame montre des plagioclases et des olivines automorphes jointifs, entourés de pyroxène interstitiel. Ce sont des cristaux déposés au plancher de la chambre, puis cimentés par le liquide resté entre eux. Étape 5, conclusion : une lentille permanente est possible parce que l'apport de magma à une dorsale rapide compense la perte de chaleur par circulation hydrothermale. Point où l'on se trompe : dessiner une grande cuve entièrement liquide, que la sismique ne montre pas.
Sujet 6. Effusif ou explosif : Piton de la Fournaise et Montagne Pelée
Autres exercices · Synthèse
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Problématique : comment deux volcans français, également actifs, peuvent-ils présenter des risques si différents ?
I. Deux contextes et deux magmas. Point chaud intraplaque et basalte chaud et peu hydraté à La Réunion. Subduction et andésite hydratée en Martinique.
II. Deux comportements des gaz. À la Fournaise, les bulles s'échappent, ce qui donne des fontaines, des coulées et un édifice en bouclier à faible pente. À la Pelée, les gaz restent piégés, ce qui donne des dômes, des effondrements de dôme et des nuées ardentes, sur un strato-volcan à fortes pentes.
III. Deux stratégies de prévention. À La Réunion, les coulées sont lentes et canalisées, la priorité est de fermer l'enclos et les routes. En Martinique, les nuées ardentes sont rapides et imprévisibles dans leur trajet, la priorité est d'évacuer avant la crise en s'appuyant sur les signaux précurseurs.
Nuance attendue : la Fournaise a connu des phases explosives quand l'effondrement de son cratère a mis le magma au contact de l'eau.
Erreurs fréquentes
- Inclure la muscovite, ou compter les ferromagnésiens, dans le recalcul de Streckeisen, ou oublier de ramener à 100 pour cent.
- Placer une roche plutonique dans le TAS, ou une analyse brute non anhydre, sans le signaler.
- Raisonner de la roche vers le gisement par simple étiquette, par exemple « c'est un basalte donc c'est volcanique ». On justifie par la texture et la vitesse de refroidissement.
- Associer mécaniquement explosivité et magma acide, en oubliant l'eau externe et la topographie.
- Confondre âge de cristallisation et âge de refroidissement, ou ne pas donner de critère pour chaque étape d'une chronologie relative.
- Décrire la chambre d'une dorsale comme un grand réservoir liquide, et généraliser ce modèle aux dorsales lentes.
Fiche rédigée à partir du programme officiel de BCPST (2021), thématique « Sciences de la Terre », partie ST-F « Le magmatisme », sous-partie ST-F-1. Elle traite des traces de l'activité magmatique, des modes de gisement, de l'identification des roches magmatiques, du fonctionnement d'une chambre magmatique et des dynamismes éruptifs.