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CM1 processus magmatique Examen 100% 1H et TP Partie 1 : Origine et évolution des magmas I.

Formation d’un magma

1.A D’origine mantelliques Magma primaire, proviennent du manteau, donc la roche qui fond est de la péridotite. Sauf que le manteau est hétérogène donc il selon ou il fond ça ne sera pas le même magma primaire. On a donc des contextes très différents et une évolution possible de ces magmas primaires. Quand les magmas 1 évoluent en magma différenciés selon diff série magmatiques, et celles-ci dépendent des modifs qu’a subi le magma au cours de sa remontée. Donc les séries magmatiques dépendent des magmas primaires et de la différenciation subit. 1ère possibilité d’études des roches du manteau : Pour la détermination il faut la compo, la compo du manteau est étudiée, on a eu une remontée de la lherzolite (=péridotite) dans cette zone (dans la formation des Pyrénées, un bout de manteau c’est retrouvé coincé en surface permet d’étudier le manteau car on a eu une remontée de manteau (étudié au niveau des alpes). Notre plaque ibérique à tourner et a coincé ces plaques de manteau que l’on peut observer la. 2 possible : au niveau des dorsales on a par ex la faille de verra qui est une faille transformante (plusieurs failles sur la zone). Elle permet d’étudier des zones plus profondes de voir le manteau en profondeur et de voir les péridotites, pour voir ; à roche mère qui fond pour le magma. 3 poss : par la compo des Météorites, au niveau des chondrites car elles ont la composition de la terre totale a sa formation. On fait un dégazage (pour atmosphère) ensuite on enlève les éléments de la croute et on analyse ce qu’il nous reste. Le manteau est composé de : -

Olivine : à 50% fait de forstérite, c’est magnésien (pas de fer) Pyroxène : clino (diopside) et ortho (enstatite) Phase alumineuse avec soit plagioclase soit spinelle soit grenat en fonction de la profondeur

Le manteau sup a une compo lherzolite comme le primitif et le manteau appauvrie a une compo hazburgites Plus on va en profondeur plus c’est appauvri e silicium calcium et magnésium Le primitif est le plus profond : compo proche des chondrites car il a peu fondu il est lherzolite Le sup est enrichi, lherzolite L’appauvri est pauvre en clinopyroxene donc pauvre en calcium

Fusion partielle du manteau donne le manteau appauvri qui va donner la croute et les dorsales. Le manteau primitif s’appauvrie doucement donc il est enrichi et forme les points chauds et iles volcaniques. Si on fait fondre du hazburgites on retrouve du basalte et d’autres choses …. I.B qu’est-ce qu’un magma

Rappel : Magma = bain de silicates et aluminosilicates en fusion, 700-1200 C, + gaz dissous ou combiné, + cristaux ou fragments de roche en suspension (enclaves, nodules,…) Magma ➔ phase transitoire entre 2 roches (similaires ou différentes en composition ou structure) On distingue les roches: Effusives ou volcaniques / Filoniennes / Intrusives ou plutoniques. Elles correspondent à différentes profondeurs de mise en place des formations magmatiques. Effusives ou volcaniques : Mises en place au niveau (ou proche) de la surface aérienne ou sous-marine ➔ refroidissement rapide, peu cristallisés Filoniennes : Mises en place dans les zones intermédiaires à des profondeurs et des vitesses de refroidissement variables Intrusives ou plutoniques : Mises en place en profondeur ➔refroidissement lent (jusqu’au M d’années), bien cristallisées Donc il existe 3 phases. La lave a perdu les gaz, elle s’écoule à la surface 3 types de roche Roches effusives ou volcanique, roches filoniennes et intrusives ou plutoniques 65% des roches qu’on trouve sont magmatiques. Le magma provient de la fusion d’une partie des roches du manteau ou de la croûte. Volume total magmas mantelliques >> magmas crustaux Quand le magma est crustal, le métamorphisme est poussé à l’extrême, on appelle ça de l’anatexie crustale. Si la croute fond le magma aura une compo encore plus diff que quand manteau fond. Cela joue sur la concentration en silice du magma. S’il y a peu de silice ou bcp la viscosité du magma sera différente. Plus on aura de silice plus se sera visqueux et plus se sera difficile pour le magma de remontée vers la surface et donc le volcanisme sera explosif. Typiquement le magma crustal est du part une richesse en silice qui fait que ça ne remonte. Le magma remonte en général car il a une densité faible Pour l’histoire du magma : -

Quelle est sa source ? manteau ? croute ? enrichi ? appauvri ? Conditions de production de ce magma ? fusion partielles imp. ? apport d’eau ? Relations entre le magmatisme et les diff contextes géodynamiques ? roche avec quelle compo ou et Age remonté au contexte géologique ? Avec les approches géochimiques on sait que les magmas proviennent de la fusion de zones sources bien localisées. Mais il y a quand même des exceptions. L’évolution chimique se fait pendant la cristallisation dans une chambre magmatiques (réserve magmatique) Si je fais fondre ma péridotite et que je la recristallise j’obtiens de la péridotite, sauf que dans la vie on a que des fusions partielles donc jamais une péridotite mais un magma diff selon le degré de fusion.

I.C conditions de fusion partielle Le magma est issu de la fusion partielle locale d’une zone géodynamique spécifique. Il évolue chimiquement au sein des réservoirs magmatiques par la cristallisation de certains minéraux. Fusion = nécessite l’augmentation de la température locale → source de chaleur interne ou métamorphisme.

Le manteau est une enveloppe solide mais peut rentrer en fusion localement : - sous l’effet de variation de pression, - de température - ou des conditions particulières telles que la présence d’eau Les propriété physiques des magmas sont liées aux variations P et T imposés durant le transport. Elle dépendent donc des conditions physiques régnant au sein des différentes couches du globe. En fonction de variabilités T et P, les matériaux de l’écorce terrestre se présentent sous 3 états différents : solide, partialement fondu, totalement liquide. Pour fondre : -

Soit on augmente la temp localement Source de chaleur interne Métamorphise

Process de fusion des Envlp solides : -

Adiabatiques : changement de pression sans Chang de T Source de chaleurs Présence d’eau

Les sources de chaleur présente dans les couches de la terre sont: - Issus à l’accrétion initiale (Energie gravitationnelle; E. Cinétique) - Induites par la désintégration radioactive (E. Thermodynamique) - Dues aux frottements des différentes enveloppes terrestres (E. mécanique) -Influencées par les séismes (potentielles sources) La chaleur est transmise par Conduction (très lent, dans les zones très stables du globe , pas de déplacement de matière) et convection (au niveau du manteau, plus efficace et rapide avec déplacement de matière au sein d’un fluide) Mise en place de point chaud (diapir ou panache) qui est les moteurs de la convection, ça se déplace à l’état solide Les dorsales ne sont pas à l’origine des convections mais bien les zones de subduction pendant le chite. Les dorsales sont peu profondes Condition normale : Solidus et liquidus, on a 3 phases séparé par ses deux-là. Un solide qui arrive au solidus forme la première goutte de liquide, plus ça avance plus se sera un mélange liquide solide, et au liquidus la dernière partie solide va fondre et après que du liquide. solidus : courbe qui sépare le domaine où la phase solide existe seule, du domaine où elle co-existe avec une phase liquide liquidus : courbe qui sépare le domaine de la phase liquide pure de celui ou la phase liquide co-existe avec une phase transitoire (liqu+solide) Geot continentale ou océanique, ça ne peut pas fondre ça ne passe jamais le solidus les coutres ne fondent pas. La présence d’eau à une grande influence sur le liquidus et solidus d’une roche. Plus une roche sera hydratée, plus sa température de fusion et sa viscosité vont baisser. Pour arriver à la fusion du manteau il faut : -

1 : augment de T° (Geot continental a liquidus)

-

2 : décompression adiabatique : T° ne bouge pas mais on diminue la pression, on passe le solidus Geot dorsale a solidus. Remontée rapide en surface 3 : hydratation (abaissement des points de fusion des roches) : solidus humide Geot dorsale a solidus humide

Condition plus proche de la fusion entre 80 et 200m de profondeur. Le magma basaltique sec et hydraté ne passe pas le solidus donc il arrive à la surface de manière liquide Le magma granitique il passe le solidus donc il arrive solide a la surface, on forme des plutons granitiques en profondeur Contextes géodynamiques : subduction( hydratation) dorsal (décompression adiabatique) chaine de montagne (pas de volcanisme, on va qu’avoir des plutons granitiques en profondeurs) point chaud (augment temp et due à la decompo d’éléments radioactifs= aussi au nv des magmas crustaux car beaucoup élément radioactive dans la croute) A P constante ma T de fusion diminue II.

Evolution des magmas

Remontent depuis la source et arrivent en surface à travers les différentes enveloppes terrestre en fonction de leur viscosité et densité sous l’effet de la surpression, suivant la loi d’Archimède. Magma 1 fusion partielle d’une roche et magma différencié issus de l’évolution d’un magma 1. 2 sources de magmas 1 : la croute continentale et le manteau. La fusion partielle (ou incongruente) des roches permet la mise en place d’un magma primaire. Fusion partielle signifie que seule une partie de la roche mère (roche de départ) passe dans le magma. Le processus de fusion des différentes phases (minéraux) se fait progressivement selon l’évolution thermique du milieu. Le taux de fusion rend compte de la quantité relative de roche qui entre en fusion par rapport au volume de roche initiale. Dans le manteau, il ne dépasse jamais 30%. Différenciation magmatique : évolution du magma= enrichissement en silice. Au départ magma 1 est souvent basaltique car manteau fond, et évolue en subissant différentes choses comme des contamination d’élément chimique, mélange entre des magmas, la cristallisation fractionnée (qui se fait dans les chambres magmatiques, les minéraux du magma vont être séparer du liquide petit à petit

Magma basaltique : -

-

1 Remonte directe à la surface sans intermédiaire : cas exceptionnelles, roches avec chimie équivalentes du magma de départ avec quelques contamination prêt mais elles sont limitées car la remontée est rapide. 2 : stationnement dans une chambre magmatique, cela peut être long. La compo du magma va être diff du magma initiale. Stagne entre le manteau et la croute 3 : phénomène de contamination important et cristallisation fractionnée

II.A les voies de contamination et mélange Hybridation : réinjection de magma primitif dans une chambre magmatique en cours d’évolution. Ce magma irait se mélanger donc avec le magma évolué présent dans la chambre. (mélange magma granitique et basaltique est impossible car trop différent) le magma basique va ramener du fer et du magnésium dans le magma évolué (sachant que dans l’évolué il est déjà cristallisé donc il lui apporte) Contamination : : assimilation d’éléments chimiques, voire même un échange, qui s’effectue entre le magma qui s’élevé et le solide environnant.

-dissolution du solide de l’encaissant (un bout de la croute qui se dissout dans le magma) - réaction du solide avec le bain silicaté - transfert gazeux La conta est plus importante si Ya un contraste important avec l’encaissant, si le temps de stagnation est long, et plus on a de chambres magmatiques intermédiaires. Le potassium a tendance à passer dans le magma et donc à augmenter l’alcalinité du magma car c’est un élément incompatible (= cad incomptable avec la roche, donc il a tendance à aller dans le magma car il aime le liquide) alors que le fer et le magnésium ont tendance à passer dans l’encaissant. On utilise la géochimie des éléments traces. Croute océanique (7KM) a moins de contamination que continentale (30km en moyenne) car plus épaisse Après cristallisation on peut trouver des enclaves dans le magma digéré ou non. Les non digérés se retrouvent à la surface. Les enclaves peuvent être : -

Un nodule = fragment de roche encaissante qui est resté intact. On voit des limites assez franches/géométriques Cumulas = a la base des chambres magmatiques. A l’état liquide = commence à se mélanger, on des contours plus arrondies, mélange a l’état liquide qui n’a pas été fait complétement.

II.B cristallisation fractionnée Au cours de son ascension, la composition du magma va évoluer. A mesure que la température baisse, certaines phases à l’équilibre thermodynamique vont cristalliser, appauvrissant le magma. Les premiers cristaux formés ont le temps de grandir: phénocristaux >> microlites >> mésostase Phénocristaux, forme entière Série de Bowen : montre les diff phases de cristallisation Ce sont les diffs minérales qui se font au cours du temps 2 parties de la série : une série à droite continue et à gauche discontinue La série continue : minéraux identiques (plagioclases), la proportion des éléments chimiques dedans va changer. On va du pole Anorthites au pôle albite. Juste le point de fusion est différent La série discontinue : minéraux diff à chaque fois qui vont se former Au départ olivine à Gauche et devient pyroxène et plagioclase CA anorthite à droite, plagioclase s’enrichit en sodium pour donner une roche basaltique. Les plagioclases sont de plus en plus sodiques. L’amphibole est dans le magma intermédiaire. Pyroxène disparait pour donner de la muscovite (micas blanc). S’il reste de la silice à la fin, on a du quart (magma granite rhyolitique, le plus évolué) 2eme schéma montre les diff schéma sur le graph. A gauche on a en gris les roches volcaniques et les plutoniques en noire attention muscovite devrait être avant le quartz officiellement

Assemblage minéralogie : tout est des plagioclases Ultrabasique : très peu évolué, très pauvre en silice Minéraux mafiques : riche en fer et magnésium Les magmas 1 sont les roches basiques, ce sont des roches sombres

Les magmas intermédiaires : roches intermédiaires, plus claires que magma 1 Magma différencié : roches acides avec des roches claires Le magma basaltique devient à la fin du feldspath potassique mais à la fin car au départ de potassium est incompatible et donc reste dans le magma et pas dans le plagioclase. La cristallisation fractionnée d’un magma primaire est à l’origine de magmas différenciés. La cristallisation fractionnée va former des cumulas (minéraux résiduels séparés) et modifier peu à peu la composition du magma Au départ de la crista, on a plusieurs chambres magmatiques successives, lors de leurs formations, à chaque fois on a cristallisation de certains minéraux. Ces minéraux vont tomber sous forme de cumulas au fond de la chambre magmatique ce qui implique qu’ils ont extrait du magma certain éléments chimique, quand ce magma migre dans une autre chambre, il va plus avoir la même compo chimique. Il va se reproduire la même chose etc. etc.

Premier minéral qu’on fait pyroxène olivine et feldspath calcite Calcul d’enrichissement via la cristallisation fractionnée: Soit un liquide contenant 5 molécules de MgO et 5 molécules de SiO2. La composition de ce liquide est donc: MgO = 5/10= 50% et SiO2= 5/10 = 50% Enlevons (par cristallisation) 1 MgO, il en reste donc 4 de MgO et 5 de SiO2 :MgO = 4/9= 44,4% et SiO2= 5/9=55,6% A ce stade, enlevons encore 1 MgO, il en reste 3 de MgO et 5 de SiO2 : MgO = 3/8= 37,5% et SiO2= 5/8=62,5% 2 cas: 1) le magma reste dans la chambre → production des minéraux (selon la s. de Bowen) qui s’accumulent au fond 2) le magma résiduel va migrer → le magma qui migre est différencié du magma qui reste. La migration peut survenir à un moment t quelconque dans l’histoire thermique du magma. La différenciation résultante sera différente en terme de composition à chaque moment distinct. II.C diff séries magmatiques L’évolution de la composition du magma durant sa remonté permet de former une succession de roches possédant une évolution continue au niveau des concentrations élémentaires; Cette succession constitue une série magmatique. Roches d’une même série = Co-magmatique= né d’un même magma Une série magmatique est dans un lieu donné pendant un temps donné Diagramme de cox : alcalin et SiO2 : évolution des laves par les rapports de Na2O+K2O)/SiO2 On peut voir dedans les diff séries. Plus on va vers la droite plus le magma est évolué/différencier. Tout ce qui est à gauche est les roches basiques et à droite les acides. On identifie 2 axes de lecture du diagramme qui permettent d’identifier d’une part le degré de différentiation des roches (croissant du bas gauche à en haut droite), d’autre part le taux de fusion partielle de la roche source de magma (taux plus faible en haut à gauche et plus grand en bas a droite). 2eme cas de lectures le taux de fusion, plus on va vers le haut à gauche plus le taux dd fusion est faible, et à droite en haut très différentions

Domaine alcalin : bcp de Na2O K2O et domaine subalcalin moins de ça. Notre magma primaire part toujours de la partie grise et après il y a plusieurs séries. Série alcaline : 2 séries les OIB, roches riches en sodium : -

Shoshonitique ou sous saturé en silice : riche en potassium et peu de silice. Seul cas où il a cristallisation de feldspathoïde. Alcaline : Magma formé au niveau des points chaud et intraplaques océaniques et continentaux

Série subalcalines : -

-

Tholéitiques : faible rapport en Na2O K2O/silice. Dorsale75% de magma est sait au niveau des dorsal et rift trapps et sont Tholéitiques . 3Km3 de magma par an ici. Dans les rifts continentaux en cours, les débuts de zone subduction et les traps sont des lieux de Tholéitiques . Basalte, andésito-basalte, islandite dacite rhyolite. Andésitique ou calco-alcaline : roches basaltes andésite et rhyolites, orthopyroxène est caractéristique, le magma hydraté donne des minéraux hydroxylé (=hydraté). Zone subdu, arc insulaire, marges continentales. Diagramme ternaire AFM permet de faire distinction entre les deux série subalcalines. La différence en fer est visible, la Tholéitiques est plus riche en fer que la calcoalcaline.

Bilan :

III.

Retracer l’histoire d’un maga

III.A. utilisation de la compatibilité des éléments chimiques Coefficient de partage :

Eléments compatibles (B)traces : Nikel cobalt chrome vanadium scandium. Dans les résidus. Elément incompatibles traces(A)= hygromagmatophile ; dans les liquides magmatiques Différenciation entre manteau et crou il y a 2Milliard d’année par extraction des éléments les plus incompatible du milieu primitif (la croute les a récup)

Manteau avec liquide riche en élément incompatible et ce magma a cristallisé pour former la croute. 2eme étape : fusion du manteau primitif qui a donné du basalte ce qui fait que le manteau résiduel est appauvri en élément les plus incompatible alors que la croute est enrichie en élément les plus incompatibles. Le manteau inf. a pas été affecté il est resté primitif. Les morbes = série Tholéllitique. A partir du manteau appauvri on crée la croute océanique type morbes. La croute océanique est donc appauvrie en élément incompatibles mais i y en a quand même plus que le manteau. Mais pour les plateau océaniques et points chauds, origine plus profonde car manteau primitif donc enrichi en élément incompatibles. Le manteau appauvrie s’appauvrie de plus en plus car il fond. Eléments traces : en fonction de leur charge et de leurs rayons ioniques. -

Charge élevé et rayon ionique faible : incompatible. Charge faible et grand rayon ionique : compatible (orthoclases, plagioclases, ferromagnésiens)

Règle de Goldschmidt : Elle provient de l'analyse des différentes phases minéralogiques issues de la cristallisation d'un magma Arachnogramme permet de comparer la quantité d’élément compa et incompa des diff magma selon un caractère spécifique

Le graph fait que si moins d’élément incompatible ça...