s3 roches magmatiques

3. Compléments sur les roches magmatiques

RAPPEL : le granite et le basalte

Q ll t l diffé t d h ti ?Quelles sont les différence entre ces deux roches magmatiques ?Composition ?

‐ chimique‐minéralogique

Texture ? Occurrence ?…

ROCHE MAGMATIQUE : roche se formant par solidification d’un MAGMA

2 d d h MAGMA = liquide silicaté visqueux

2 grands types de magmas

2 grands types de roches magmatiques

Magmas granitiquesT° 600 1000°C

Magmas basaltiquesT >1000 1200°C

PLUTONIQUES VOLCANIQUES

Solidification LENTE d magma en

Solidification RAPIDE d magma T° 600‐1000°C

Milieu continental30 km

T >1000‐1200°CMilieu océanique 10 km

du magma en profondeur

RAPIDE du magma (=lave) en surface

2 grands types de TEXTURESSiO2 70.41 50.83

TiO2 0.45 2.03

Al2O3 14 38 14 07

Analyse chimique en poids d’oxyde

2 grands types de TEXTURES

Phanéritique Aphanitique Al2O3 14.38 14.07

FE2O3 1.04 2.88

FEO 1.93 9.06

(=holocristalline)‐entièrementcristallisée

‐partiellementcristallisée (=matrice)

MnO 0.06 0.18

MgO 0.81 6.34

CaO 1.97 10.42

‐grains visibles àl’œil nu

‐grains invisibles à l’œilnu

Na2O 3.23 2.23

K2O 4.95 0.82

P O 0 20 0 23

Nomenclaturebasée sur leMODE( ti

Nomenclature baséesur la NORME (p.e.norme CIPW) ou la

iti hi i P2O5 0.20 0.23

H2O 0.55 0.91

(=proportionsvolumétrique desminéraux observés)

composition chimique

différences chimique différence minéralogie

GRANITE GABBRO

MINERAUX OBSERVABLES :Quartz/ feldspaths alcalins/ plagioclases

MINERAUX OBSERVABLES :Plagioclases/ pyroxènes

RHYOLITE BASALTE

Q / p / p g(+‐ biotite, amphibole)

g / py(+‐/olivines, amphiboles,oxydes)

BASALTEBASALTE

GRANITE GABBRO

RHYOLITE BASALTE

Système binaire eutectique Diopside‐Anorthite

M dèl l i t lli ti d b ltiModèle pour la cristallisation des magmas basaltiques

C hé i l li id j éCas théorique ou le liquide est toujours saturé(hypothèse valable pour les roches plutoniques)

…Que se passe‐t‐il pour les volcaniques?

Croissance (et nucléation ) des cristaux

1) diff i d élé hi i d li id l i l1) diffusion des éléments chimiques du liquide vers le cristal et 2) évacuation de la chaleur latente de cristallisation du cristal vers le liquide.

Ces deux processus se réalisent à des vitesses différentes (la chaleur diffuse plus vite que la matière).

Taux de nucléation : Vitesse de formation des nucléi.

NOMBRE DE CRISTAUX

obsidienne

NOMBRE DE CRISTAUXet taux de nucléation

TAILLE DES CRISTAUXet taux de croissanceet taux de croissance

Vitesse de refroidissement

Croissance (et nucléation ) des cristaux ROCHE VOLCANIQUE (Tc <températures< Tb)Q ( p )

Refroidissement rapide sursaturation importante nucléation importante et croissance faible beaucoup de petits cristaux

ROCHE PLUTONIQUE (Ta<températures<liquidus)

Refroidissement lent saturation/ t ti f ibl lé ti f ibl tsursaturation faible nucléation faible et

croissance favorisée peu de grands cristaux.

Meting point=liquidus / Growth= croissance

TEXTURE VESICULAIRE

BASALTE RHYOLITE

TEXTURE PORPHYRIQUETEXTURE PORPHYRIQUE

Classification sur base de la couleurClassification sur base de la couleur

CLASSIFICATION DES ROCHES MAGMATIQUES

Roches mélanocrates = Roches leucocrates =

Classification sur base de la couleurClassification sur base de la couleur

riches en minéraux foncés et ferromagnésiens

riche en minéraux clairs siliceux (quartz, feldspaths alcalins etg

(pyroxènes, amphibole, olivine, oxydes)

Faibles teneurs en

feldspaths alcalins et plagioclase sodique)

Fortes teneurs enFaibles teneurs en SiO2

Fortes teneurs en SiO2

l f b d l ll f b d l l

ACIDESBASIQUESULTRABASIQUES INTERMEDIAIRES

Classification sur base de la teneur en SiliceClassification sur base de la teneur en Silice

%SiO245 54 63

9090

Quartzolite

QCLASSIFICATION DES ROCHES PLUTONIQUES :Diagramme de StreickeisenQAPF

Quartz‐richGranitoid

6060

QAPF

Classification modale basée sur les abondances relatives des minéraux courants formant les roches 6060

Granite Grano‐diorite

relatives des minéraux courants formant les roches magmatiques

2020Alkali Fs.Quartz Syenite Quartz Quartz Quartz

Qtz. Diorite/Qtz. Gabbro

dioriteQuartzPlagioclase (Ab >5%)Feldspath Alcalin (Ab<5%)

Syenite Monzonite Monzodiorite

Syenite Monzonite Monzodiorite

(Foid)-bearingSyenite

5

10 35 65

(Foid)‐bearingMonzonite

(Foid)-bearingMonzodiorite

90

Alkali Fs.Syenite

10

5

10

Diorite/Gabbro/Anorthosite

(Foid)‐bearing

A P

Feldspathoïde

(Foid)‐bearingAlkali Fs. Syenite

10

(Foid)Monzosyenite

(Foid)Monzodiorite

10 ( ) gDiorite/Gabbro

60

(Foid)olites

60

F

DuniteDunite

OlivineCLASSIFICATION DES ROCHES PLUTONIQUES :Diagramme de Streickeisenroches basiques (1) et ultrabasiques (2)

PeridotitesPeridotites

90roches basiques (1) et ultrabasiques (2)(Quartz<5%) (Plagioclase<5%)

Pl i l

PeridotitesPeridotites

Lherzolite

Plagioclase

90Anorthosite

40

W b t it

Olivine Websterite10

PyroxenitesPyroxenitesOrthopyroxénite

Websterite10

Orthopyroxène Clinopyroxène(2)

Clinopyroxénite

Olivinegabbro

Plagioclase-bearing ultramafic rocks

OlivinePyroxene(1)

QQ

CLASSIFICATION DES ROCHES VOLCANIQUES :Diagramme QAPF : classification chimique.

Quartz‐rich

9090

Quartzolite

60 60

Granitoid

6060

Rhyolite Dacite

2020Alkali Fs. Qtz Diorite/

Granite Grano‐diorite

(foid)-bearing (foid) bearing (foid) bearing35 65

20 20

A PTrachyte Latite Andesite/Basalt

2020Alkali Fs.Quartz Syenite Quartz

SyeniteQuartz

MonzoniteQuartz

MonzodioriteSyenite Monzonite Monzodiorite

(Foid)-bearing

5

10 35 65

(Foid)‐bearing (Foid)-bearing90

Alkali Fs.Syenite

Qtz. Diorite/Qtz. Gabbro

5Diorite/Gabbro/Anorthosite

A P(foid)-bearingTrachyte

(foid)-bearingLatite

(foid)-bearingAndesite/Basalt10 10

A P

Phonolite T h it

( ) gSyenite

( ) gMonzonite

( ) gMonzodiorite

(Foid)‐bearingAlkali Fs. Syenite

10

(Foid) (Foid)

10 (Foid)‐bearingDiorite/Gabbro

P

Phonolite Tephrite( )

Monzosyenite( )

Monzodiorite

(Foid)ites

60 60 60

(Foid)olites

60

Composition modaleNORME CIPW

F F

Composition modaleNORME CIPW

CLASSIFICATION DES ROCHES VOLCANIQUES :Diagramme TAS : classification chimique.

Cristallisation du lac de lave Makaopuhi (Hawaii, Kilauea)

1170°C 1130°COlivine

Plagioclases

VerrePyroxènes

Olivine

Verre

1020°C1075°C Plagioclases PlagioclasesPyroxènes

VerrePyroxènes

Ilménite

Verre

Cristallisation du lac de lave Makaopuhi (Hawaii, kilauea)

1250

1200Liquide sans cristaux

1100

1150

ture

o c

1050

1100

empe

rat

1000

Te

600403020900

950

10090706050403020100

% verre80

Cristallisation du lac de lave Makaopuhi (Hawaii, kilauea)Evolution des proportions modales des minéraux

1250Olivine Clinopyroxene Plagioclase Opaque

1200Liquidus Liquide sans cristaux

1150

e o C

1100

Melt

mpe

ratu

re

1050CrustTe

m

1000

SolidusMagma 100% cristallisé

9500 0 0 010 10 20 10 102030 40 3050 40 50

% modal% modal

Cristallisation du lac de lave Makaopuhi (Hawaii, kilauea)Evolution de la composition chimique des minéraux

100100

90

Olivine Augite Plagioclase

80

rre

70% v

er

60

50.7.8.9 .9 .8 .7 .6 80 70 60

AnMg / (Mg + Fe)Mg / (Mg + Fe) AnMg / (Mg Fe)Mg / (Mg Fe)

La composition chimique du liquide (verre) doit doncévoluer aussiévoluer aussi

Cristallisation du lac de lave Makaopuhi (Hawaii, kilauea)Evolution de la composition des verres (liquides)

Olivine

Cristaux observés et séquence de cristallisation

AugitePlagioclase

EnstatiteMagnetite/ilmeniteMagnetite/ilmenite

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

SiO2 48,05 48,43 47,92 48,21 49,16 49,20 49,71 50,10 50,37 50,56 50,74 50,85 50,92 51,24 53,42 56,07

TiO2 2,04 2,00 2,16 2,24 2,29 2,57 2,68 2,71 3,09 3,16 3,35 3,36 3,61 3,74 3,36 2,97

Liquides

Al2O3 10,33 10,70 10,75 11,37 13,33 12,77 13,65 13,78 14,02 13,92 13,57 14,02 13,80 13,60 13,75 13,78

Fe2O3 1,34 1,15 1,08 1,50 1,31 1,50 1,19 1,89 1,88 1,78 1,36 1,90 1,85 1,87 1,96 1,93FeO 10,19 10,08 10,65 10,18 9,71 10,05 9,72 9,46 10,07 10,18 10,63 10,44 10,71 11,19 10,45 9,78

MnO 0 17 0 17 0 18 0 18 0 16 0 17 0 17 0 17 0 17 0 18 0 18 0 18 0 19 0 18 0 18 0 18MnO 0,17 0,17 0,18 0,18 0,16 0,17 0,17 0,17 0,17 0,18 0,18 0,18 0,19 0,18 0,18 0,18

MgO 17,39 16,29 15,43 13,94 10,41 10,00 8,24 7,34 6,75 6,33 6,16 5,68 5,46 5,12 3,92 2,70

CaO 8,14 8,67 9,33 9,74 10,93 10,75 11,59 11,46 10,39 10,24 9,94 9,71 9,45 9,03 7,75 6,54

Na2O 1,66 1,71 1,79 1,89 2,15 2,12 2,26 2,25 2,35 2,61 2,69 2,77 2,80 2,81 3,34 3,86

K2O 0,36 0,35 0,44 0,44 0,51 0,51 0,54 0,57 0,62 0,64 0,67 0,74 0,75 0,83 1,10 1,36

P2O5 0,19 0,18 0,23 0,22 0,20 0,25 0,25 0,27 0,32 0,33 0,37 0,38 0,40 0,41 0,59 0,77

Total 99,86 99,73 99,96 99,91 100,16 99,89 100,00 100,00 100,03 99,93 99,66 100,03 99,94100,02 99,82 99,92

Diagrammes HARKER : Y vs. %SiO2

E bl d hi bi ié (Y f(SiO ))161820

OEnsemble de graphiques bivariés (Y=f(SiO2))utilisés pour montrer les relations de cogénicitédans les roches et les tendances d’évolution des

8101214

% M

gO

Y = Mg# (« Mg number ») = Mg/(Mg+Fe)

composition des magmas.

2468

Y= %poids d’un oxyde (un majeur)Y= [Sr], ppm (un élément en trace)

0

45 50 55 60

% SiO2

0 60

0,70

0,80% SiO2

1,40

1,60

0,40

0,50

0,60

Mg+Fe)

0,80

1,00

1,20

% K

2O0,10

0,20

0,30

Mg/(M

0 20

0,40

0,60

,%0,00

45 50 55 60

% SiO2

0,00

0,20

45 50 55 60% SiO2

% SiO2

2

% SiO2

Hawaii: MgOlivineAugite

Plagioclase Hawaii: Mg‐Al‐Ca 2

OlivineAugite

Plagioclase

gEnstatiteIlmenite

Olivine

OlivineAugiteAugite

Plot of four rather incompatible oxides, generally having less g y gresponse to changes in the fractionating mineral assemblagemineral assemblage modes.

Plot of four rather incompatible oxides, generally having less

Enstatite+ Augite g y g

response to changes in the fractionating mineral assemblage

+ Plagioclase + Ilmenite

mineral assemblage modes.Olivine ± Augite ± Plagioclase

The major phases:

Olivine:(Mg,Fe)2SiO4

AugiteCa(Mg,Fe)Si2O6

PlagioclasePlagioclase(Ca,Na)(Al,Si)4O8

Enstatite(Mg,Fe)SiO3

IlmeniteFeTiOFeTiO3

Which major elements are incompatible??

Hawaii: bl

Slight drop in TiO2 because of Ti in pyroxenes? Large drop later due to ilmenite

incompatible elements 2

pyroxenes? Large drop later due to ilmenite

The major phases:

Olivine:(Mg,Fe)2SiO4Substantial drop in Na2O AugiteCa(Mg,Fe)Si2O6

Plagioclase

Substantial drop in Na2O due to Na in plagioclase.

Plagioclase(Ca,Na)(Al,Si)4O8

EnstatiteNo change in P O K O ratio because (Mg,Fe)SiO3

IlmeniteFeTiO

No change in P2O5-K2O ratio, because neither are included in major phases and so both are highly incompatible.

FeTiO3

Which major elements are incompatible??

Cristallisation du lac de lave Makaopuhi (Hawaii, kilauea)

La solidification (cristallisation) d’un magma lors du refroidissement se réalise dans un intervalle de température

Le liquide coexiste avec les cristauxPlusieurs espèces minérales cristallisent dans cet intervalle de

température et le nombre d’espèce augmente avec la diminution de température.

Les minéraux cristallisent séquentiellement mais le passage d’un minéral à un autre est continu

Les minéraux caractérisés par des solutions solides ont une composition qui évolue lors du refroidissementp q

Le liquide change également de composition lors de la cristallisation des minéraux.cristallisation des minéraux.

BOWEN détermine une séquence typiqued’apparition de minéraux lors du refroidissementprogressif d’un magma basaltique. Cette séquenceest constituée d’une série continue (solution solidedes plagioclases; à droite) et discontinue (à gauche)p g ; ) ( g )liées aux réactions majeures entre le liquide et lesminéraux formés.

R. ultrabasiques (sans plagioclase)

magma

R. basiques

men

t du

R. intermédiaire

roidissem

Refr

R. acides

La polymérisation des sites tétraédriques des silicates formés lors du refroidissement augmente dans la série discontinue. ( les teneurs en SiO2 dans le liquide augmentent lors de la différentiation)

P èOlivines PyroxènesAmphiboles

Biotite, muscoviteQuartz, feldspaths

Soit un contenant 15 molécules

Exemple très simple :

Olivine% M

gO

de MgO et 85 molécules de SiO2; Lacomposition de ce liquide A est donc :MgO= 15/100 =15% 60

70

Olivine%

g /SiO2= 85/100 =85%Il ne contient pas de cristaux…………………………………………………………………

30

40

50 A B% liquide79%

Cristallisons 1 molécule d’ (Mg2SiO4

=2MgO +1SiO2); Il restera 13 MgO et 84 SiO2

d10

20

30C

% cristaux21%

La composition du seraMgO= 13/97 =13.4%SiO2= 84/97=86.6%

ll é à / d’ l

0

20 30 40 50 60 70 80 90 100

% SiO2Le magma a cristallisé à 3/100 = 3% d’Olivine…………………………………………………………………cristallisons encore 6 molécules d’olivine , il

t (13 2*6) 1 M O t (84 1*6) 78 SiOrestera (13‐2*6)=1 MgO et (84‐1*6)=78 SiO2.

La composition du seraMgO=1/79 =1.27%SiO2=78/79=98.73%Le magma a cristallisé 21/100 = 21% d’Olivine

DIFFERENCIATION MAGMATIQUE

Magma B Magma C

Liquide dérivé B

Liquide dérivé C+ olivine

100 % magma A = 100 % magma B = 97 % Liquide B + 3% Ol=

Magma A

Magma B Magma C

+ olivine + olivine

Liquide parental

100 % magma C = 79 % Liquide C + 21% Olsystème fermé

(pas de différentiation magmatique)

Magma A

parental Asans olivines

(pas de différentiation magmatique)

Magma B’ Magma C’olivines g g

Liquide dérivé B

Liquide dérivé C

Différenciation magmatique : ensemble de processus par lesquels la composition chimique des magmas évolue lors de sachimique des magmas évolue lors de sa cristallisation (système ouvert)

Cristallisation fractionnéeContamination

Cristallisation fractionnée ( i t lli ti

ContaminationMélange de magmassédimentation

(=cristallisation en système ouvert) : les minéraux formés sont extraits du magma (par

Contamination(roche de l’encaissant) g (p

sédimentation, ou …. )

L l i d St k

V = la vitesse de chute (cm/sec)g = accélération de la pesanteur (980 cm/sec2) r = rayon d’une particule sphérique (cm)

V2gr ( )2 −ρ ρs l

Sédimentation des cristaux :

La loi de Stoke: ρs = densité du minéral (g/cm3)ρl = densité du liquide (g/cm3)η = viscosité du liquide (1 c/cm sec = 1 poise)

Vg ( )

9=

ρ ρηs l

Densité des minéraux varie avec la teneur en Fe Sédimentation accrue sur les plans inclinés

Stratification modale et granulométrique

La densité des liquides varie lors de la différentiation

Stratification modale et granulométrique

Modèle de tri gravitaire (taille et densité) dans un magma qui refroidit et qui cristallise de manière fractionnée

ANORTHOSITE

DUNITE

TROCTOLITE

DUNITE DUNITE

TROCTOLITE

DUNITE

Modèle d’expulsion mécanique du liquide interstitiel par compaction

Le liquide résiduel expulsé est différencié

L0 L0 L0 L0 L0 L0L0 L0 L0 L0 L0 L0

L2L3 L4B

C

AA

L1 L1 L2L3

Liquide 0 => A + liquide 1

expulsion mécanique

Liquide1 => B + Liquide 2

Liquide 2 => B + Liquide 3

expulsion mécanique

liquide 3 =>C + Liquide 4A + liquide 1 mécanique

du liquide 1B + Liquide 2 B + Liquide 3 mécanique

du liquide 3C + Liquide 4

Ou retrouve‐t‐on des roches magmatiques litées ?Ou retrouve t on des roches magmatiques litées ? Dans les chambres magmatiques « fossiles » : les INTRUSIONS STRATIFORMES

INTRUSION STRATIFORME DU SKAERGAARD (Groenland)

LES INTRUSIONS STRATIFORMES sont des plutons se formant par le refroidissementLES INTRUSIONS STRATIFORMES sont des plutons se formant par le refroidissement progressif d’un magma basaltique. Ils se présentent en un ensemble stratifié de roches ultrabasiques (dunites, pyroxénites,…), basiques (gabbros, anorthosites) et plus différenciées (diorites ferrosyenites) L’existence de roches stratifiées témoigne de ladifférenciées (diorites, ferrosyenites). Lexistence de roches stratifiées témoigne de la cristallisation fractionnée du magma et de processus d’accumulation des minéraux formés (sédimentation, compaction/expulsion, autres)

INTRUSION STRATIFORME DU SKAERGAARD

BORDURE FIGEE DE L’INTRUSION

BORDURE DE L’INTRUSION : FUSION PARTIELLE DE L’ENCAISSANT

BORDURE DE L’INTRUSION : FUSION PARTIELLE DE L’ENCAISSANT

MAGMA GRANITIQUE + BLOCS NONMAGMA GRANITIQUE + BLOCS NON FONDUS(BRECHE)

LITAGE MAGMATIQUE

LITAGE MAGMATIQUE , érosion différentielle

STRATIFICATIONS ENTRECROISEES

LITAGE MAGMATIQUE , discontinuité

Failles « molles » ou « slumps »

EFFONDREMENT « MOU » ou « CHENAL d’ALIMENTATION »

EFFONDREMENT « MOU »ou « CHENAL d’ALIMENTATION »

AUTOLITHE

XENOLITHE

DIAPIR ANORTHOSITIQUE

« CHEVELU ANORTHOSITIQUE»

DIKES BASALTIQUES POSTERIEURS A L’INTRUSION

Autolithes

ConvectionSlumps

Stratification entrecroisée

Expulsion du liq. Int. &

Compaction

CHAMBRE MAGMATIQUE

FRONT DE SOLIDIFICATION

MAGMA NON DIFFERENCIEMAGMA NON DIFFERENCIE

Sédimentation (vision classique) Cristallisation in situ

FRONT DE SOLIDIFICATION= couche en bordure de la chambrequi se développe en réponse auqui se développe en réponse augradient de chaleur lié aurefroidissement.

Le front de solidification estcaractérisé par des proportions decristaux variant entre 100% (solidus)(bord) et 0% (cœur).

L’augmentation de la teneur encristaux augmentation de laviscositéviscosité

E

DUS

IDUS

MITE

VECT

IVE

MITE

GIDITE

SOLID

LIQULI

CONLIM

DE RI

s3 roches magmatiques

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