Catherine Annen en remplacement du Professeur Dungan Roches magmatiques Catherine Annen en remplacement du Professeur Dungan

Sources principales Polycopié du Professeur Dungan An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, de J.D. Winter, Prentice Hall Cours en ligne de J.D. Winter: http://www.whitman.edu/geology/winter/ Igneous and Metamorphic Petrology, de M. G. Best, Blackwell

Plan du cours I. Analyse et modélisation des roches magmatiques Les éléments majeurs Les éléments en trace Les isotopes II. Types de magmatisme et contextes géodynamiques Intrusions mafiques stratifiées (LMI) Basaltes de rides océaniques (MORB) Basaltes des Iles Océaniques (OIB) Basaltes des plateaux (Flood basalts) Magmatisme d’arc Granites et granitoïdes Magmatisme alcalin

Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques Chapitre 1: les éléments majeurs

Elements majeurs: >1% Elements mineurs: 0.1 - 1% Wt % Oxide Atom % O 60.8 Si 59.3 21.2 Al 15.3 6.4 Fe 7.5 2.2 Ca 6.9 2.6 Mg 4.5 2.4 Na 2.8 1.9 Abundance of the elements in the Earth’s crust Elements majeurs: >1% SiO2 Al2O3 FeO* MgO CaO Na2O K2O H2O Elements mineurs: 0.1 - 1% TiO2 MnO P2O5 CO2 Elements en trace: < 0.1% Le reste Limites arbitraires D’après cours en ligne de Winter

Elements majeurs: SiO2 Al2O3 FeO* MgO CaO Na2O K2O H2O Constituants des minéraux. Controllent les paramètres physiques des liquides. Elements mineurs: TiO2 MnO P2O5 CO2 Se substituent aux éléments majeurs dans le minéraux principaux. Parfois forment des phases minérales: minéraux accessoires. Elements en trace: < 0.1% Le reste. Minéraux accessoires: Zircon (Zr), apatite (P), Titanite, rutile (Ti)

Modern Spectroscopic Techniques D’après cours en ligne de Winter Modern Spectroscopic Techniques Fréquence caractéristique pour chaque élément Changement d’orbite d’un électron. Retour à l’état stable accompagné de l’émission d’un photon Nombre de photons avec une certaine énergie proportionnelle à la concentration de l’élément Figure 8-1. The geometry of typical spectroscopic instruments. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Microsonde électronique Spectromètre de masse Echantillons chauffés et ionisés injectés dans une chambre à vide en présence d’un fort champs magnétique. Trajet des ions fonction de leur masse Utilisé pour déterminer les rapports d’isotope Microsonde électronique Analyse des minéraux Lame mince polie bombardée avec des électrons Echantillons émets des rayons X

D’après cours en ligne de Winter Wt. % Oxides to Atom % Conversion Oxide Wt. % Mol Wt. Atom prop Atom % SiO 2 49.20 60.09 0.82 12.25 TiO 1.84 95.90 0.02 0.29 Al O 3 15.74 101.96 0.31 4.62 Fe 3.79 159.70 0.05 0.71 FeO 7.13 71.85 0.10 1.48 MnO 0.20 70.94 0.00 0.04 MgO 6.73 40.31 0.17 2.50 CaO 9.47 56.08 2.53 Na 2.91 61.98 0.09 1.40 K 1.10 94.20 0.35 H + 0.95 18.02 0.11 1.58 (O) 4.83 72.26 Total 99.06 6.69 100.00 Oxyde: because of wet analysis. Element listed by decreasing valence H2O+: structural water Mid-Ocean Ridge Basalt Bonne analyse entre 99.8 et 100.2. Divergence de 100%: Erreur d’analyse; éléments manquants Colonne 3: 2/3 * nombre de cation. Colonne 4: colonne 3/somme colonne 3*100 Must multiply by # of cations in oxide 

Détermination de H2O: LOI LOI: loss on ignition Echantillon chauffé à 100°C: perte de l’eau non structurale. Echantillon chauffé à 800°C: perte de l’eau structurale

Table 8-3. Chemical analyses of some representative igneous rocks Peridotite Basalt Andesite Rhyolite Phonolite SiO2 42.26 49.20 57.94 72.82 56.19 TiO2 0.63 1.84 0.87 0.28 0.62 Al2O3 4.23 15.74 17.02 13.27 19.04 Fe2O3 3.61 3.79 3.27 1.48 2.79 FeO 6.58 7.13 4.04 1.11 2.03 MnO 0.41 0.20 0.14 0.06 0.17 MgO 31.24 6.73 3.33 0.39 1.07 CaO 5.05 9.47 6.79 1.14 2.72 Na2O 0.49 2.91 3.48 3.55 7.79 K2O 0.34 1.10 1.62 4.30 5.24 H2O+ 3.91 0.95 0.83 1.57 Total 98.75 99.06 99.3 99.50 99.23 Rappel Mode; Norme Peridotite: Lizard and Green, 1964; Autres: LeMaitre (1976)

Diagrammes Bivariés (x-y) Diagrammes de Harker D’après cours en ligne de Winter Diagrammes Bivariés (x-y) Diagrammes de Harker Based on compiled data by Rick Conrey (unpub) Figure 8-2. Harker variation diagram for 310 analyzed volcanic rocks from Crater Lake (Mt. Mazama), Oregon Cascades. Data compiled by Rick Conrey (personal communication).

Diagrammes Bivariés (x-y) Diagrammes de Harker D’après cours en ligne de Winter Diagrammes Bivariés (x-y) Diagrammes de Harker Propose a hypothesis Test the hypothesis against the trends shown Can do qualitatively at first, but quantitatively if have a proposed bulk solid extract Interprétations: MgO; FeO: minéraux mafiques CaO: calcic plagioclase; clinopyroxenes Al2O3: plagioclase Probleme avec SiO2 Daly gap: mixing (end-members more frequent; cristallisation massive) Figure 8-2. Harker variation diagram for 310 analyzed volcanic rocks from Crater Lake (Mt. Mazama), Oregon Cascades. Data compiled by Rick Conrey (personal communication).

Magma primaire: issu directement de la fusion partielle (pas de différentiation) Magma primitif: magma peu évolué Magma parent: magma le plus primitif d’un ensemble de magma et dont les autres sont dérivés (magmas dérivés ou évolués) Province pétrogénétique ou pétrographique: région géographique dans les roche ignées ont un lien génétique

Principaux indices de différenciation SiO2 MgO Zr, Th, Ce Rapports Mg/Fe

Rareté de certains spectre de composition Daly gap: 48-58 % SiO2 Dynamique de la cristallisation fractionnée (apparition soudaine d’une grande quantité de cristaux). Mélange de magma Based on compiled data by Rick Conrey (unpub) Figure 8-2. Harker variation diagram for 310 analyzed volcanic rocks from Crater Lake (Mt. Mazama), Oregon Cascades. Data compiled by Rick Conrey (personal communication).

Diagrammes ternaires Example: diagramme AFM (alkalis-FeO*-MgO) D’après cours en ligne de Winter Example: diagramme AFM (alkalis-FeO*-MgO) Introduire diagramme de Pearce Figure 8-2. AFM diagram for Crater Lake volcanics, Oregon Cascades. Data compiled by Rick Conrey (personal communication).

Diagrammes de Pearce Teste l’hypothèse qu’une phase est fractionnée Rapport entre les éléments Dénominateur semblable en abscisse et en ordonnée Dénominateur est un élément qui n’est pas contenu dans la phase fractionnée Numérateur reflète la stœchiométrie de la phase fractionnée Proportion moléculaire (pas en poids) Olivine (Fe, Mg)2SiO4. Devrait produire une pente de 2. Même dénominateur: Corrélation ne prouve rien. Nicholls 1990

Modélisation: Diagrammes de Harker D’après cours en ligne de Winter Modélisation: Diagrammes de Harker A: retrait d’un mineral: D/S=SP/PD B: retrait de deux minéraux: A/B=BS/AS C: Retrait de 3 minéraux D: Séquence de deux mineraux. E: Extraction d’une solution solide. Figure 8-7. Stacked variation diagrams of hypothetical components X and Y (either weight or mol %). P = parent, D = daughter, S = solid extract, A, B, C = possible extracted solid phases. For explanation, see text. From Ragland (1989). Basic Analytical Petrology, Oxford Univ. Press.

Diagrammes Bivariés (x-y) Diagrammes de Harker D’après cours en ligne de Winter Diagrammes Bivariés (x-y) Diagrammes de Harker Propose a hypothesis Test the hypothesis against the trends shown Can do qualitatively at first, but quantitatively if have a proposed bulk solid extract Interprétations: MgO; FeO: minéraux mafiques CaO: calcic plagioclase; clinopyroxenes Al2O3: plagioclase Probleme avec SiO2 Daly gap: mixing (end-members more frequent; cristallisation massive) Figure 8-2. Harker variation diagram for 310 analyzed volcanic rocks from Crater Lake (Mt. Mazama), Oregon Cascades. Data compiled by Rick Conrey (personal communication).

Modélisation: Diagrammes de Harker D’après cours en ligne de Winter Modélisation: Diagrammes de Harker Hypothèses: 1 Différentiation par cristallisation fractionée 2 Trends = liquid line of descent 3 Le basalte est le magma parent Figure 8-7. Stacked variation diagrams of hypothetical components X and Y (either weight or mol %). P = parent, D = daughter, S = solid extract, A, B, C = possible extracted solid phases. For explanation, see text. From Ragland (1989). Basic Analytical Petrology, Oxford Univ. Press.

D’après cours en ligne de Winter Quelle phase faut-il extraire du premier liquide pour obtenir le liquide suivant ? Extrapolate BA  B and further to low SiO2 K2O is first element to  0 (at SiO2 = 46.5) Figure 8-7. Stacked Harker diagrams for the calc-alkaline volcanic series of Table 8-5 (dark circles). From Ragland (1989). Basic Analytical Petrology, Oxford Univ. Press.

D’après cours en ligne de Winter Résultats: Cristallisation et extraction de plagioclase, olivine, pyroxene et oxide Fe-Ti Oxide Wt% Cation Norm SiO2 46.5 ab 18.3 TiO2 1.4 an 30.1 Al2O3 14.2 di 23.2 Fe2O3* 11.5 hy 4.7 MgO 10.8 ol 19.3 CaO 11.5 mt 1.7 Na2O 2.1 il 2.7 K2O 0 Total 98.1 100

Eléments majeurs et séries magmatiques Les éléments majeurs sont utilisés pour distinguer des séries magmatiques: Somme des alkalins (Na2O + K2O) Silice (SiO2) et saturation en silice Alumine (Al2O3)

Figure 8-11. Total alkalis vs Figure 8-11. Total alkalis vs. silica diagram for the alkaline and sub-alkaline rocks of Hawaii. After MacDonald (1968). GSA Memoir 116 Total alkalis vs. silica diagram for the alkaline (red) and sub-alkaline (blue) rocks of Hawaii. After MacDonald (1968). GSA Memoir 116

Tétrahèdre du basalte Figure 8-12. Left: the basalt tetrahedron (after Yoder and Tilley, 1962). J. Pet., 3, 342-532. Right: the base of the basalt tetrahedron using cation normative minerals, with the compositions of subalkaline rocks (black) and alkaline rocks (gray) from Figure 8-11, projected from Cpx. After Irvine and Baragar (1971). Can. J. Earth Sci., 8, 523-548.

Liquid Thermal Divide D’après cours en ligne de Winter 1713 1070 1060 Ab Q 1070 1060 1713 Ab + Tr Tr + L Ab + L Ne + L Liquid Ne + Ab Thermal Divide Thermal divide separates the silica-saturated (subalkaline) from the silica-undersaturated (alkaline) fields at low pressure Cannot cross this divide by FX, so can’t derive one series from the other (at least via low-P FX)

DiagrammeAFM: série sub-alcaline Calc-alkaline T h o l e i t c Figure 8-14. AFM diagram showing the distinction between selected tholeiitic rocks from Iceland, the Mid-Atlantic Ridge, the Columbia River Basalts, and Hawaii (solid circles) plus the calc-alkaline rocks of the Cascade volcanics (open circles). From Irving and Baragar (1971). After Irvine and Baragar (1971). Can. J. Earth Sci., 8, 523-548. can further subdivide the subalkaline magma series into a tholeiitic and a calc-alkaline series D’après cours en ligne de Winter

D’après cours en ligne de Winter AFM diagram showing “typical” areas for various extents of evolution from primitive magma types

Utile pour les roches très felsiques Figure 18-2. Alumina saturation classes based on the molar proportions of Al2O3/(CaO+Na2O+K2O) (“A/CNK”) after Shand (1927). Common non-quartzo-feldspathic minerals for each type are included. After Clarke (1992). Granitoid Rocks. Chapman Hall.

After Wilson (1989). Igneous Petrogenesis. Unwin Hyman - Kluwer