td3 – nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie
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TD3 – Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimieTD3 – Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie
Etude de la vitesse de propagation des ondes sismiques (P et S):
discontinuités séparant des enveloppes avec des propriétés physiques différentes (densité, rhéologie)
Ces enveloppes sont aussi différentes d’un point de vue:
(1) chimique
(2) minéralogique
Exercices:
1) Estimation des pourcentages en masse du noyau et du manteau
2) Comparaison des compositions de chondrite et de Terre totale – conclusions sur la formation de la Terre
3) Composition chimiques des enveloppes, roches et minéraux – liens génétiques
4) Fusion partielle du manteau et différenciation
Equation de mélange
Terre totale = a*noyau + b*manteau avec a + b = 1
Ex1 – Estimation des pourcentages en masse du noyau et du manteau
a = (FeOTerre - FeOManteau) / (FeONoyau - FeOManteau) a = (35,92 - 7,10)/(95,77 - 7,10) = 0,325 donc pourcentage massique du Noyau = 32,5% et du Manteau 67,5%
FeOTerre = a*FeONoyau + (1-a)*FeOManteau
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60
SiO2
Fe
O
terre totale
noyau
manteau
Règle du levier: la proportion de noyau dans la Terre totale est donnée par le bras de levier N opposé = N/(N+M)
% M
% NTerre
noyau
manteau
volume du Noyau = 4/3 pi (6370-2900)3 = 1,7502 1011 km3volume total = 4/3 pi (6370)3 = 1,0827 1012 km3
% volumique du Noyau = 16%
% massique du Noyau = 32,5%
Difference de densité
Ex2 – composition de la Terre et d’une chondrite C1
Noyau Manteau primitif
Terre Totale Chondrite C1
SiO2 0 49.52 33.42 34.2
Al2O3 0 3.57 2.41 2.44
FeO 95.77 7.1 35.92 35.8
MgO 0 35.69 24.09 23.7
CaO 0 2.82 1.90 1.89
Na2O 0 0.29 0.20 0.98
K2O 0 0.03 0.02 0.1
MnO 0 0.12 0.08 0.23
TiO2 0 0.16 0.11 0.11
P2O5 0 0.02 0.01 0.41
Cr2O3 0 0.41 0.28 0.27
NiO 5.76 0.25 2.04 2.1
CoO 0.27 0.01 0.09 0.06
somme 101.8 99.97 100.56 102.29
SiO2Terre = a*SiO2Noyau + b*SiO2Manteau
Ex3 – composition chimiques des croûtes et du manteau
Enveloppes
Roches
Minéraux
Ech
elle
COMPOSITION CHIMIQUE
Chaque enveloppe enveloppe se caractérise par une composition chimique différente (cf exo 1 et 2 – cas du manteau et noyau)
SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 H2O
Croûte continentale
supérieure 66,0 15,2 4,5 2,2 4,2 3,9 3,4 0,5 1,5
inférieure 54,4 16,1 10,6 6,3 8,5 2,8 0,34 1,0 1,0
Croûte océanique 50,5 15,3 10,4 7,6 11,3 2,7 0,11 1,62 0,4
Manteau supérieur 45 3,6 7,5 41 2 0,2 0,1 0,5 0,1
Manteau inférieur(primitif calculé)
49,52 3,57 7,10 35,69 2,82 0,29 0,03 0,16 0,15
Dans chaque enveloppeDans chaque enveloppe, on trouvera une série de rocheroche qui lui est propre
Chaque Chaque rocheroche se caractérise par une composition se caractérise par une composition chimiquechimique
SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 H2O
Granite 70 14 3 1,3 2,5 4 3,5 0,4 1
Andésite 58 17 7,5 3,3 6,8 3,5 1,6 0,9 0,8
Basalte océanique 47 14 11 13 10 2 0,5 2 0,5
Lherzolite 45 1,7 7,5 43 1,5 0,2 0,1 0,1 0
Harzburgite 42 0,5 7 50 0,1 0,1 0 0,1 0
Une roche est constituée de minérauxminéraux. La composition minéralogique d’une roche est fonction de la composition chimique de la roche et des conditions de cristallisation (P, T…)
Composition minéralogique des roches (Diagrammes de Streickeisen) – roches riches en minéraux clairs
Proportion modale de Quartz – Plagioclase – Feldspath alcalin
Composition minéralogique des roches ultrabasiques (roches avec moins de 10 % de mineraux clair)
Proportion modale d’olivine, cpx et opx
Chaque minéral a sa propre composition chimique
Exo3: calcul du % en poids de SiO2 et MgO des minéraux
=> calcul des masses molaires (g/mol ou g.mol-1) des oxydes
SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 H2O
60 102 71,8 40,3 56 62 94 80 18
=> calcul des masses molaires des minéraux
=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral
masse molaire
olivine Mg2 SiO4 ou (2MgO + SiO2) 2*40,3+60 = 140,6
pyroxène Ca Mg Si2O6 ou (CaO + MgO + 2SiO2) 56+40,3+2*60 = 216,3
feldspath Ca (anorthite)
Ca Si2Al2O8 ou (CaO + Al2O3 +
2SiO2)
56+102+2*60 = 278
feldspath Na (albite)
Na Si3AlO8 ou (1/2 Na2O + 1/2 Al2O3
+ 3SiO2)
62/2 + 102/2 + 3*60 = 262
feldspath K (orthose)
K Si3AlO8 ou (1/2 K2O + 1/2 Al2O3 +
3SiO2)
94/2 + 102/2 + 3*60 = 278
=> calcul des masses molaires des mineraux
=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral
Cas de l’olivine (Mg2 SiO4)
Dans 1 mole d’olivine 1 mole de SiO2
2 mole de MgO
Connaissant les masses molaire (masse par mole)
% en poids de SiO2 dans Mg2SiO4 = MSiO2 / MMg2SiO4 * 100
% en poids de MgO dans Mg2SiO4 = MMgO / MMg2SiO4 *2 * 100
=> calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral
% SiO2 %MgO
quartz SiO2 100 -
olivine Mg2 SiO4 ou (2MgO + SiO2) 42,77 57,33
pyroxène Ca Mg Si2O6 ou (CaO + MgO + 2SiO2) 55,48 18,63
feldspath Ca (anorthite)
Ca Si2Al2O8 ou (CaO + Al2O3 + 2SiO2) 43,17 -
feldspath Na (albite)
Na Si3AlO8 ou (1/2 Na2O + 1/2 Al2O3
+ 3SiO2)
68,70 -
feldspath K (orthose)
K Si3AlO8 ou (1/2 K2O + 1/2 Al2O3 +
3SiO2)
64,75 -
0
10
20
30
40
50
60
70
40 45 50 55 60 65 70 75
SiO2
MgO
enveloppesrochesmineraux
Diagramme Sio2 vs MgO
Manteau sup
Manteau inf
Croûte cont infCroûte ocean. Croûte cont sup
0
10
20
30
40
50
60
70
40 45 50 55 60 65 70 75
SiO2
MgO
enveloppesrochesmineraux
Manteau
olivineolivine
pyroxenepyroxene
Manteau sup
Manteau inf
harzburgiteharzburgite
lherzolitelherzolite
AnorthiteAnorthite
0
10
20
30
40
50
60
70
40 45 50 55 60 65 70 75
SiO2
MgO
enveloppesrochesmineraux
Croûte basique – cr. continentale inférieure et cr. océanique
Croûte cont infCroûte ocean.
pyroxènepyroxèneBasalte océaniqueBasalte océanique
AndésiteAndésite
AnorthiteAnorthite
0
10
20
30
40
50
60
70
40 45 50 55 60 65 70 75
SiO2
MgO
enveloppesrochesmineraux
Croûte continentale supérieure
Croûte cont sup
fKfKGraniteGranite
AlbiteAlbite
Notion de différenciation chimique par fusion partielle
Exemple de la croûte océanique et du manteauExemple de la croûte océanique et du manteau
fusion partielle: roche init P = liquide B + résidu solide (Rs)
application numérique dans le cas d’un taux de fusion partielle de 25 %:
SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2H2O
P : roche initiale 44 4 8 40,3 2,5 0,5 0,1 0,5 0,1
Rs : résidu solide 42,5 0,6 7 49,7 0,1 0 0 0,1 0
ß : liquide produit
48,5 14,2 11 12,1 9,7 2 0,4 1,7 0,4
0
10
20
30
40
50
60
70
40 45 50 55 60 65 70 75
SiO2
MgO
enveloppesrochesmineraux
Roche initiale
liquide
Résidu solide
% residu
% liquide
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