Géologie physique

Les magmas peuvent varier considérablement dans leur composition, mais en général, ils ne sont constitués que de huit éléments ; par ordre d’importance : oxygène, silicium, aluminium, fer, calcium, sodium, magnésium et potassium (figure 3.6). L’oxygène, l’élément le plus abondant dans le magma, représente un peu moins de la moitié du total, suivi du silicium avec un peu plus d’un quart. Les autres éléments constituent le quart restant. Les magmas dérivés de la croûte terrestre sont dominés par l’oxygène, le silicium, l’aluminium, le sodium et le potassium.

La composition du magma dépend de la roche à partir de laquelle il a été formé (par fusion), et des conditions de cette fusion. Les magmas issus du manteau ont des teneurs plus élevées en fer, magnésium et calcium, mais ils sont encore susceptibles d’être dominés par l’oxygène et le silicium. Tous les magmas ont des proportions variables d’éléments tels que l’hydrogène, le carbone et le soufre, qui sont convertis en gaz comme la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène lorsque le magma se refroidit.

La quasi-totalité des roches ignées que nous voyons sur Terre sont issues de magmas qui se sont formés par fusion partielle de roches existantes, soit dans le manteau supérieur, soit dans la croûte. La fusion partielle est ce qui se produit lorsque seules certaines parties d’une roche fondent ; elle a lieu parce que les roches ne sont pas des matériaux purs. La plupart des roches sont composées de plusieurs minéraux, dont chacun a une température de fusion différente. La cire d’une bougie est un matériau pur. Si vous mettez de la cire dans un four chaud (50°C suffisent car la température de fusion de la plupart des cires est d’environ 40°C) et que vous l’y laissez pendant un certain temps, elle commencera bientôt à fondre. Il s’agit d’une fonte complète, pas d’une fonte partielle. Si, au contraire, vous prenez un mélange de cire, de plastique, d’aluminium et de verre et que vous le placez dans le même four chaud, la cire commencera bientôt à fondre, mais le plastique, l’aluminium et le verre ne fondront pas (figure 3.7a). Il s’agit d’une fusion partielle et le résultat serait un plastique, un aluminium et un verre solides entourés de cire liquide (figure 3.7b). Si nous chauffons le four à environ 120°C, le plastique fondra également et se mélangera à la cire liquide, mais l’aluminium et le verre resteront solides (figure 3.7c). Là encore, il s’agit d’une fusion partielle. Si nous séparons le  » magma  » de cire/plastique des autres composants et le laissons refroidir, il finira par durcir. Comme vous pouvez le voir sur la figure 3.7d, la cire liquide et le plastique se sont mélangés et, en refroidissant, ont formé ce qui ressemble à une seule substance solide. Il est très probable qu’il s’agisse d’un mélange à grains très fins de cire solide et de plastique solide, mais il pourrait également s’agir d’une autre substance qui s’est formée à partir de la combinaison des deux.

Dans cet exemple, nous avons partiellement fait fondre de la fausse roche pour créer du faux magma. Nous avons ensuite séparé le magma de la source et l’avons laissé refroidir pour fabriquer une nouvelle roche factice dont la composition est assez différente du matériau d’origine (elle manque de verre et d’aluminium).

Bien sûr, la fusion partielle dans le monde réel n’est pas exactement la même que dans notre exemple de roche factice. Les principales différences sont que les roches sont beaucoup plus complexes que le système à quatre composants que nous avons utilisé, et les composants minéraux de la plupart des roches ont des températures de fusion plus similaires, de sorte que deux minéraux ou plus sont susceptibles de fondre en même temps à des degrés divers. Une autre différence importante est que lorsque les roches fondent, le processus prend des milliers à des millions d’années, et non les 90 minutes qu’il a fallu dans l’exemple de la fausse roche.

Contrairement à ce à quoi on pourrait s’attendre, et contrairement à ce que nous avons fait pour fabriquer notre fausse roche, la plupart des fusions partielles de vraies roches n’impliquent pas de chauffer la roche. Les deux principaux mécanismes par lesquels les roches fondent sont la fusion par décompression et la fusion par flux. La fusion par décompression a lieu sur Terre lorsqu’un corps rocheux est maintenu à peu près à la même température mais que la pression diminue. Cela se produit parce que la roche est déplacée vers la surface, soit au niveau d’un panache mantellique (alias point chaud), soit dans la partie ascendante d’une cellule de convection mantellique. Le mécanisme de fusion par décompression est illustré à la figure 3.8a. Si une roche suffisamment chaude pour être proche de son point de fusion est déplacée vers la surface, la pression diminue et la roche peut passer du côté liquide de sa courbe de fusion. À ce stade, la fusion partielle commence à se produire. Le processus de fusion en flux est illustré à la figure 3.8b. Si une roche est proche de son point de fusion et qu’un peu d’eau (un flux qui favorise la fusion) est ajoutée à la roche, la température de fusion est réduite (ligne pleine par rapport à la ligne pointillée), et la fusion partielle commence.

La fusion partielle de la roche se produit dans un large éventail de situations, dont la plupart sont liées à la tectonique des plaques. Les plus importantes d’entre elles sont illustrées à la figure 3.9. Dans les panaches mantelliques et dans les parties ascendantes des systèmes de convection, la roche est déplacée vers la surface, la pression diminue et, à un moment donné, la roche passe du côté liquide de sa courbe de fusion. Dans les zones de subduction, l’eau de la croûte océanique humide en subduction est transférée dans le manteau chaud sus-jacent. Cela fournit le flux nécessaire pour abaisser la température de fusion. Dans ces deux cas, la fusion n’est que partielle – généralement, seuls 10 % environ de la roche fondent – et ce sont toujours les composants les plus riches en silice de la roche qui fondent, créant ainsi un magma plus riche en silice que la roche dont il est issu. (Par analogie, la fonte de notre prétendue roche est plus riche en cire et en plastique que la « roche » dont elle est issue). Le magma produit, étant moins dense que la roche environnante, remonte dans le manteau et finit par pénétrer dans la croûte.

Lorsqu’il se déplace vers la surface, et surtout lorsqu’il passe du manteau à la croûte inférieure, le magma chaud interagit avec la roche environnante. Cela conduit généralement à une fusion partielle de la roche environnante car la plupart de ces magmas sont plus chauds que la température de fusion de la roche crustale. (Dans ce cas, la fusion est causée par une augmentation de la température.) Là encore, les parties les plus riches en silice de la roche environnante sont préférentiellement fondues, ce qui contribue à une augmentation de la teneur en silice du magma.

À très haute température (plus de 1300°C), la plupart des magmas sont entièrement liquides car il y a trop d’énergie pour que les atomes se lient entre eux. Lorsque la température baisse, généralement parce que le magma se déplace lentement vers le haut, les choses commencent à changer. Le silicium et l’oxygène se combinent pour former des tétraèdres de silice, puis, à mesure que le refroidissement se poursuit, les tétraèdres commencent à se lier pour former des chaînes (polymérisation). Ces chaînes de silice ont pour effet important de rendre le magma plus visqueux (moins coulant), et comme nous le verrons au chapitre 4, la viscosité du magma a des implications importantes sur les éruptions volcaniques. Lorsque le magma continue de refroidir, des cristaux commencent à se former.

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