Les processus fondamentaux du magmatisme

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Ce qu'est un magma et comment on le produit

Un magma est un mélange de fluides, silicates fondus principalement, éventuellement sulfures, carbonates et gaz dissous, et de solides, cristaux déjà formés et enclaves arrachées à l'encaissant. Il n'est donc jamais un liquide pur, ce qui conditionne toute la suite.

La fusion est toujours partielle. Une roche n'est pas un corps pur, elle fond sur un intervalle de température compris entre le solidus, température d'apparition du premier liquide, et le liquidus, température de disparition du dernier cristal. Dans les conditions terrestres, le géotherme croise rarement le solidus, ce qui explique que le manteau soit essentiellement solide.

Trois moyens permettent de franchir le solidus. L'apport de chaleur, par exemple sous un panache mantellique ou par sous-placage de magma basaltique à la base de la croûte. La décompression, quand du manteau chaud remonte de façon quasi adiabatique sous une dorsale ou sous un rift : la température du manteau baisse peu alors que le solidus, qui dépend fortement de la pression, s'abaisse beaucoup, si bien que les deux courbes se croisent. L'hydratation, car l'ajout d'eau abaisse fortement la température du solidus d'une péridotite. Ce dernier mécanisme est celui des zones de subduction, où la déshydratation de la plaque plongeante libère de l'eau dans le coin de manteau sus-jacent.

Diagrammes binaires et notion d'eutectique

Deux diagrammes binaires de chimie basaltique sont exigibles.

Le système albite-anorthite est un système à solution solide complète. Les deux pôles ont la même structure et se substituent librement, si bien qu'il n'y a ni eutectique ni palier de fusion. Le diagramme présente deux courbes, liquidus au-dessus et solidus en dessous, délimitant un fuseau. Pour une composition donnée, le premier liquide apparaissant sur le solidus est plus riche en albite que le solide de départ, l'albite étant le pôle le plus bas fondant. En cours de fusion, le liquide s'enrichit progressivement en anorthite. À l'inverse, lors du refroidissement d'un liquide, les premiers plagioclases formés sont calciques et les derniers sodiques. Si l'équilibre n'est pas maintenu, cette évolution se fige dans le cristal et produit un plagioclase zoné, à cœur calcique et à bordure sodique. Un plagioclase zoné est donc l'observation pétrologique la plus directe d'une cristallisation fractionnée.

Le système diopside-anorthite est un système à eutectique. Les deux minéraux ne forment pas de solution solide. Le diagramme présente deux branches de liquidus qui se rejoignent en un point eutectique, situé à une température inférieure à celle de fusion de chacun des deux pôles. Tant que les deux phases solides sont présentes, le premier liquide produit a exactement la composition de l'eutectique, quelle que soit la composition globale de la roche, et la température reste bloquée à la température eutectique tant que les deux phases coexistent. C'est le résultat clé du chapitre. Une fois l'une des deux phases épuisée, la température remonte et le liquide évolue le long de la branche de liquidus de la phase restante.

Diagrammes ternaires et convergence des premiers liquides

Deux diagrammes ternaires sont exigibles. Le diagramme quartz-albite-orthose représente la chimie granitique, le diagramme olivine-grenat-pyroxène la chimie basaltique. Ils se lisent avec les mêmes règles : chaque sommet est un pôle pur, un point à l'intérieur donne les proportions des trois pôles, et le diagramme est découpé en champs de cristallisation séparés par des lignes cotectiques qui convergent vers un point eutectique.

La conséquence est essentielle. Deux roches crustales de compositions globales différentes, un gneiss et un micaschiste par exemple, se projettent en deux points distincts du diagramme quartz-albite-orthose, mais tant qu'elles contiennent les trois phases, leurs premiers liquides ont la même composition, celle de l'eutectique granitique. La fusion partielle agit donc comme un filtre qui gomme la diversité des sources. De la même manière, la fusion partielle de péridotites de compositions variables donne des liquides basaltiques très semblables.

Les deux grandes sources et le rôle du taux de fusion

La fusion partielle des péridotites mantelliques produit des liquides primaires de composition basaltique. La péridotite est une roche ultrabasique riche en olivine et pyroxènes, pauvre en silice, alors que le liquide produit est plus riche en silice, en aluminium et en calcium que sa source. C'est normal, car le liquide est proche de l'eutectique, donc enrichi dans les pôles les plus bas fondants.

La fusion partielle de la croûte continentale, appelée anatexie crustale, produit des liquides de composition granitique. Elle demande des températures de l'ordre de 650 à 800 degrés, atteignables en base de croûte épaissie ou en présence d'eau.

Le taux de fusion partielle, noté F, est la fraction massique de roche source transformée en liquide. Il influe fortement sur la composition. À faible taux de fusion, le liquide est très proche de l'eutectique et très enrichi en éléments qui préfèrent le liquide. À fort taux de fusion, le liquide se rapproche de la composition de la source.

C'est sur cette propriété que repose l'estimation de F à partir du potassium. Le potassium est un élément incompatible, c'est-à-dire qu'il n'entre pratiquement pas dans les minéraux du manteau et se concentre presque intégralement dans le liquide. Si l'on néglige sa fraction restée dans le solide, la conservation de la masse donne la relation concentration dans le liquide égale concentration dans la source divisée par F. Il suffit donc de connaître la teneur en potassium du manteau source et celle du basalte pour estimer le taux de fusion. Un basalte dix fois plus riche en potassium que sa source correspond à un taux de fusion proche de 10 pour cent.

Les rapports isotopiques servent de signature géochimique de la source. Les rapports 87Sr sur 86Sr et 143Nd sur 144Nd sont des données intrinsèques des grands réservoirs. Le manteau supérieur présente un rapport du strontium bas, de l'ordre de 0,703, et un rapport du néodyme élevé. La croûte continentale présente au contraire un rapport du strontium élevé, souvent supérieur à 0,710, et un rapport du néodyme bas. Comme ces rapports ne sont pas modifiés par la fusion partielle ni par la cristallisation, un magma conserve la signature de sa source. Mesurer ces rapports dans une roche magmatique permet donc de trancher entre une origine mantellique, une origine crustale, ou un mélange.

Séries magmatiques et différenciation

Une série magmatique est un ensemble de roches mises en place dans une même région, au cours d'un intervalle de temps relativement limité, et présentant entre elles des liens génétiques. Elle comporte en général des termes basiques, souvent très volumineux, et des termes différenciés, souvent bien moins abondants, ce qui traduit une évolution de la composition des magmas.

Le mécanisme principal de cette évolution est la cristallisation fractionnée. Les cristaux qui se forment dans un magma ont une composition différente de celle du liquide. Leur extraction, par décantation, par filtration ou par accolement aux parois, soustrait donc certains éléments et modifie la composition du liquide résiduel. Les premiers minéraux à cristalliser dans un liquide basaltique sont l'olivine et les pyroxènes, riches en magnésium et en fer, ainsi que les plagioclases calciques. Le liquide résiduel s'appauvrit donc en magnésium, en fer et en calcium, et s'enrichit en silice, en sodium et en potassium. La roche évolue ainsi vers des termes plus différenciés.

Les arguments en faveur de ce mécanisme sont de deux ordres. Les arguments pétrologiques sont l'ordre de cristallisation lu dans les textures, les cristaux zonés, et l'existence de cumulats, roches formées presque uniquement de cristaux accumulés, comme les gabbros lités ou les péridotites cumulatives. Les arguments géochimiques sont les corrélations observées dans les diagrammes de variation chimique : quand on porte une teneur en oxyde en fonction de la teneur en silice, les points d'une même série s'alignent sur des tendances continues, décroissantes pour le magnésium, le fer et le calcium, croissantes pour le sodium et le potassium.

Deux autres mécanismes existent. Le mélange de magmas se reconnaît à des alignements dans les diagrammes chimiques entre deux pôles, à des cristaux en déséquilibre avec le liquide qui les entoure, et à des enclaves magmatiques sombres à bordure figée dans un granite. L'assimilation, ou contamination, correspond à l'incorporation d'éléments solides arrachés à l'encaissant et fondus. Elle se reconnaît surtout aux isotopes : si le rapport du strontium augmente au fur et à mesure de la différenciation, c'est qu'un matériel crustal a été assimilé, car la seule cristallisation fractionnée ne modifie pas ce rapport.

Les trois séries principales et leurs contextes

La composition des liquides basaltiques initiaux et des termes différenciés permet de définir trois séries.

La série tholéiitique est faiblement alcaline et sursaturée en silice. Sa différenciation se traduit d'abord par un enrichissement en fer avant l'enrichissement en alcalins, ce qui donne dans le diagramme AFM une trajectoire qui s'écarte d'abord vers le pôle fer. Elle caractérise le magmatisme des dorsales et les grands épanchements basaltiques des domaines intraplaques océaniques et continentaux.

La série calco-alcaline est plus riche en alcalins à teneur en silice donnée, et sa différenciation va directement vers le pôle alcalin sans enrichissement notable en fer, du fait de la cristallisation précoce d'oxydes de fer favorisée par la présence d'eau. Elle comporte la succession basalte, andésite, dacite, rhyolite, avec présence fréquente d'amphibole, minéral hydraté. Elle caractérise les zones de subduction et s'associe souvent à des éruptions explosives.

La série alcaline est la plus riche en sodium et potassium, parfois sous-saturée en silice avec apparition de feldspathoïdes. Elle s'observe principalement en domaine intraplaque, océanique comme continental.

Ces séries se distinguent graphiquement grâce au diagramme TAS, qui sépare les champs alcalin et subalcalin, et au diagramme AFM, qui oppose la trajectoire tholéiitique à la trajectoire calco-alcaline. La nomenclature détaillée des termes de chaque série n'est pas à mémoriser.

Exemples et ordres de grandeur

Le taux de fusion partielle sous une dorsale est de l'ordre de 5 à 20 pour cent, ce qui suffit à produire une croûte océanique de 6 à 7 kilomètres d'épaisseur. En contexte de subduction, il est généralement plus faible. L'anatexie crustale se produit à partir d'environ 650 à 700 degrés en présence d'eau, et demande davantage en conditions sèches.

Le manteau primitif contient de l'ordre de quelques centièmes de pour cent d'oxyde de potassium, un basalte de dorsale de l'ordre de un à deux dixièmes de pour cent, d'où un rapport proche de 10 et un taux de fusion du même ordre.

L'eutectique du système diopside-anorthite se situe à une température voisine de 1270 degrés à pression atmosphérique, très inférieure aux températures de fusion des deux pôles purs, environ 1390 et 1550 degrés. Cet abaissement est l'effet même de l'eutectique.

Les schémas à maîtriser sont les quatre diagrammes exigibles, deux binaires et deux ternaires, avec pour chacun le repérage du solidus, du liquidus, des champs de cristallisation et du point eutectique. S'y ajoutent un diagramme de variation chimique montrant les tendances de la cristallisation fractionnée, le diagramme TAS avec la séparation alcalin et subalcalin, et le diagramme AFM avec les deux trajectoires.

Méthodes et savoir-faire

Relier la convergence de composition des premiers liquides aux propriétés thermodynamiques des eutectiques. L'argument doit être explicite : tant que toutes les phases sont présentes, la composition du premier liquide est fixée par le système, pas par la composition globale.

Identifier sur un diagramme binaire ou ternaire les conditions d'apparition d'un liquide et suivre l'évolution des compositions du liquide et du solide au cours de la fusion ou de la cristallisation.

Montrer que des sources différentes donnent des liquides identiques, granitiques dans la croûte continentale, basaltiques dans le manteau.

Estimer un taux de fusion partielle dans le système manteau-basalte à partir des concentrations en potassium, en justifiant l'hypothèse d'incompatibilité totale.

Exploiter les rapports 87Sr sur 86Sr et 143Nd sur 144Nd pour caractériser l'origine d'un magma et détecter une contamination crustale.

Identifier une série magmatique à partir de cartes, de gisements, d'analyses chimiques et de datations, et proposer une hypothèse sur l'histoire régionale.

Distinguer l'évolution des phases solides et liquides au cours d'une cristallisation fractionnée, en croisant observations pétrologiques, données géochimiques et diagrammes.

Argumenter le rôle respectif de la cristallisation fractionnée et du mélange de magmas à partir d'un jeu de données.

Placer une série dans les diagrammes TAS et AFM, et en déduire une hypothèse sur le contexte géodynamique.

Associer un dynamisme éruptif à une série, en reliant teneur en silice, teneur en eau et explosivité.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

Les trois façons de franchir le solidus, avec pour chacune un contexte géodynamique, et le tracé géotherme contre solidus dans un plan pression-température.

La lecture complète du système diopside-anorthite, avec l'énoncé du blocage de température à l'eutectique et la conclusion sur la convergence des liquides.

La lecture complète du système albite-anorthite, avec l'explication de la zonation des plagioclases.

Le calcul de taux de fusion à partir du potassium, avec la relation et son hypothèse.

Le tableau des signatures isotopiques des deux grands réservoirs, manteau et croûte continentale, et son utilisation pour trancher une origine.

L'argumentaire complet en faveur de la cristallisation fractionnée, avec au moins deux arguments pétrologiques et deux arguments géochimiques.

Le critère isotopique qui distingue assimilation et cristallisation fractionnée simple.

Le tableau des trois séries, avec pour chacune la trajectoire dans le diagramme AFM, un contexte géodynamique et un dynamisme éruptif typique.

Trois pièges. Ne pas dire qu'une péridotite fond en donnant une péridotite liquide, le liquide n'a pas la composition de la source. Ne pas confondre un faible taux de fusion, qui enrichit le liquide en éléments incompatibles, avec une source riche. Ne pas conclure à une cristallisation fractionnée sur la seule base d'un alignement dans un diagramme chimique, un mélange donne aussi un alignement, et seuls les isotopes ou la pétrologie permettent de trancher.

Notions et mécanismes clés

• Point invariant : dans un binaire à pression fixée, la coexistence de deux solides et d'un liquide ne laisse aucun degré de liberté. La température et la composition du liquide sont alors imposées.
• Règle des phases : la variance vaut le nombre de constituants plus un, moins le nombre de phases, à pression fixée. Pour le binaire à l'eutectique, cela donne 2 plus 1 moins 3, soit zéro. C'est le lien avec le chapitre de physique-chimie sur les descriptions d'un système.
• Règle du levier, ou des segments inverses : à une température donnée, la fraction de liquide est égale à la distance entre la composition globale et la composition du solide, divisée par la distance entre la composition du liquide et celle du solide. Elle est très utile, mais le programme ne l'exige pas nommément.
• Champ de cristallisation primaire : dans un ternaire, domaine où un seul minéral cristallise en premier depuis le liquide.
• Ligne cotectique : frontière entre deux champs, le long de laquelle deux minéraux cristallisent ensemble.
• Élément incompatible : élément qui reste dans le liquide lors de la fusion ou de la cristallisation, comme le potassium dans un système mantellique. Élément compatible : élément retenu par les solides, comme le magnésium dans l'olivine.
• Magma primaire : liquide issu directement de la fusion, sans évolution ultérieure. Un basalte primaire est riche en magnésium et en équilibre avec les minéraux du manteau.
• Cumulat : roche formée des cristaux extraits d'un liquide. C'est le complément solide du liquide différencié.
• Zonation normale : cœur calcique et bordure sodique pour un plagioclase, par refroidissement progressif. Zonation inverse ou oscillante : indice d'une recharge en magma chaud ou d'un mélange.
• Diagramme de Harker : teneur en un oxyde portée en fonction de la teneur en silice. On y lit des tendances et des ruptures de pente.
• Diagramme AFM : A représente les alcalins, sodium et potassium, F le fer total, M le magnésium. Diagramme TAS : alcalins totaux en fonction de la silice.
• Sursaturation en silice : présence possible de quartz. Sous-saturation : quartz impossible, feldspathoïdes possibles.

Chaînes de raisonnement

La décompression fait fondre sans chauffer. Un manteau qui remonte sous une dorsale perd très peu de chaleur, et sa température suit une adiabatique qui ne baisse que de quelques dixièmes de degré par kilomètre. Le solidus sec d'une péridotite, lui, baisse d'environ 3 degrés par kilomètre de remontée. Les deux courbes finissent donc par se croiser, et la fusion commence sans aucun apport de chaleur.

De la déshydratation de la plaque à l'éruption explosive. La plaque plongeante perd son eau au cours de réactions métamorphiques, et cette eau passe dans le coin de manteau. L'eau abaisse le solidus de plusieurs centaines de degrés, et le coin fond. Le magma produit est riche en eau et devient siliceux en se différenciant. Il est donc visqueux, garde ses gaz et donne des éruptions explosives de série calco-alcaline.

L'invariance explique la convergence. Au point eutectique, la variance est nulle à pression fixée, donc la composition du liquide est fixée par le système et non par la roche. Toute roche qui contient les phases du système donne ainsi le même premier liquide. Deux sources différentes n'influent que sur la quantité de liquide produite avant qu'une phase ne s'épuise.

Faible taux de fusion, liquide riche en alcalins. Un élément incompatible passe presque entièrement dans le liquide, et il s'y dilue d'autant moins que le liquide est peu abondant. À faible taux de fusion, le liquide est donc très concentré en potassium et en sodium. C'est une explication classique des basaltes alcalins intraplaques, qui ne suppose pas forcément une source plus riche.

Pourquoi le fer grimpe dans la série tholéiitique. Dans un magma sec et peu oxydé, les oxydes de fer cristallisent tard. Les olivines et les pyroxènes précoces sont plus magnésiens que le liquide, si bien que le rapport du fer sur le magnésium du liquide augmente. Dans un magma hydraté et oxydé de subduction, la magnétite cristallise tôt et retire le fer, ce qui supprime l'enrichissement en fer.

Les volumes signent la cristallisation fractionnée. Chaque étape de différenciation retire une partie de la masse sous forme de cristaux. Le liquide résiduel est donc de moins en moins abondant à mesure qu'il se différencie. On attend ainsi beaucoup de basalte, moins d'andésite et peu de rhyolite, ce qui est observé dans de nombreuses séries.

Les isotopes ne se fractionnent pas. Deux isotopes d'un même élément ont le même comportement chimique, si bien que fusion et cristallisation ne changent pas leur rapport. Un rapport du strontium constant tout au long d'une série est compatible avec une cristallisation fractionnée en système fermé. Un rapport qui varie avec la silice impose un apport extérieur, mélange ou assimilation.

Exemples et références à connaître

1. Norman Bowen, 1928, « L'évolution des roches ignées » : ordre de cristallisation des minéraux d'un liquide basaltique et fondement expérimental de la cristallisation fractionnée.
2. Tuttle et Bowen, 1958 : expériences sur le système quartz-albite-orthose en présence d'eau, qui montrent que les granites naturels se regroupent autour du minimum de ce système.
3. Intrusion de Skaergaard, au Groenland : intrusion basique litée, avec des cumulats à la base et des liquides de plus en plus riches en fer. C'est l'exemple type de la tendance tholéiitique.
4. Hawaï : un stade bouclier tholéiitique volumineux, puis des laves alcalines tardives peu abondantes, que l'on relie classiquement à une baisse du taux de fusion. C'est l'exemple de la variation de F dans un même édifice.
5. Chaîne des Puys, dans le Massif central : série alcaline intraplaque continentale, des basaltes aux trachytes du puy de Dôme.
6. Montagne Pelée, en Martinique : volcanisme de subduction à andésites, dômes et nuées ardentes, dont celle de 1902 qui détruisit Saint-Pierre.
7. Trapps du Deccan : empilement de basaltes tholéiitiques de plus d'un kilomètre d'épaisseur mis en place vers 66 millions d'années. C'est le grand épanchement intraplaque continental de référence.
8. Leucogranites himalayens, comme celui du Manaslu : granites d'anatexie de la croûte épaissie, à rapport du strontium très élevé.
9. Ordres de grandeur utiles : l'albite fond vers 1120 degrés et l'anorthite vers 1550 degrés à pression atmosphérique. L'eutectique diopside-anorthite se situe vers 42 pour cent d'anorthite en masse. Le rapport 143Nd sur 144Nd vaut environ 0,5130 dans le manteau supérieur, et environ 0,5110 à 0,5120 dans la croûte continentale.

Techniques

Lire un binaire à eutectique

Il faut placer la composition globale, descendre ou monter à composition constante et noter chaque changement de phases. En fusion, le liquide naît à l'eutectique et y reste tant que les deux solides coexistent. En cristallisation, le liquide descend la branche de liquidus du côté de la composition globale jusqu'à l'eutectique.

Mini-exemple. Un liquide à 80 pour cent d'anorthite refroidit. Il se trouve du côté anorthite de l'eutectique, donc l'anorthite cristallise seule en premier. Le liquide s'appauvrit en anorthite et glisse vers l'eutectique, où le diopside apparaît à son tour.

Lire un binaire à solution solide et appliquer le levier

À une température donnée, on trace l'horizontale. Elle coupe le liquidus à la composition du liquide et le solidus à la composition du solide. Les proportions s'obtiennent par le levier.

Mini-exemple. Une roche contient 50 pour cent d'anorthite. À une température T, le diagramme fourni indique un liquide à 35 et un solide à 70. La fraction de liquide vaut alors 70 moins 50, soit 20, divisé par 70 moins 35, soit 35. On obtient environ 0,57, donc 57 pour cent de liquide.

Suivre un liquide dans un ternaire

Tant qu'un seul minéral cristallise, le liquide s'éloigne du sommet de ce minéral en ligne droite, sur la droite qui joint ce sommet au point de départ. Quand il atteint une cotectique, deux minéraux cristallisent et le liquide suit cette ligne vers l'eutectique. En fusion, on parcourt le chemin en sens inverse : le premier liquide est eutectique, puis il quitte l'eutectique quand une phase est épuisée.

Mini-exemple. Un liquide placé dans le champ du quartz, près du sommet quartz, cristallise d'abord du quartz. Il s'éloigne alors du sommet quartz, rejoint la cotectique quartz-feldspath puis le minimum granitique.

Estimer un taux de fusion

On pose la conservation de la masse du potassium. La masse de potassium de la source, C0 multiplié par m, se retrouve entière dans le liquide, qui vaut CL multiplié par F et par m. On en tire F égal à C0 divisé par CL. Il faut énoncer l'hypothèse d'incompatibilité totale avant de calculer.

Mini-exemple. La source contient 0,02 pour cent d'oxyde de potassium et le basalte 0,25 pour cent. F vaut 0,02 divisé par 0,25, soit 8 pour cent.

Lire un diagramme de Harker ou AFM

Pour chaque oxyde, on décrit la tendance, puis on cherche les ruptures de pente. Une rupture signale l'entrée d'un nouveau minéral dans l'assemblage qui cristallise. Dans le diagramme AFM, on cherche si la trajectoire bombe vers le pôle F ou file droit vers le pôle A.

Mini-exemple. L'aluminium augmente jusqu'à 52 pour cent de silice puis diminue. Le plagioclase, riche en aluminium, se met donc à cristalliser en abondance à partir de ce stade.

Construire une synthèse sur le magmatisme

Le gabarit suit le trajet du magma : naître, puis évoluer, puis signer son contexte. Chaque partie doit contenir un diagramme commenté, jamais une simple récitation.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

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