LES SERIES MAGMATIQUES Damien Jaujard

Qu’appelle-t-on « série magmatique » ? Prenons quelques exemples….

La Chaîne des puys

20 km 40 km AGE: de -95 000 à -7000 ans

Des roches volcaniques variées: Basalte Trachyandésite Trachyte

Analyse modale Roche volcanique Roche plutonique Présence de verre Analyse modale impossible Roche plutonique Analyse modale: composition minéralogique (% volumétrique) Roche A Roche B Roche C Quartz Feldspath alcalin Plagioclase Biotite Muscovite Pyroxène Amphibole autre Total 27,1 13,9 40,2 12,1 4,4 2,3 100 42,0 55,0 0,6 2,0 (*) 0,4 40,0 (**) 60,0

(Cross Iddings Pirssons Washington) Analyse normative (Cross Iddings Pirssons Washington) À partir de l’analyse chimique On reconstitue la composition minéralogique théorique de la roche = la norme

Classification de Streckeisen

Analyse minéralogique et chimique des échantillons Diagramme de Harker K2O-Na2O SiO2 trachyte trachyandesites (hawaïte, mugéarite, benmoréite) basalte Diagramme de Streckeisen

La Réunion

Age: de -3 Ma à aujourd’hui 70 km 190 km

trachyte basalte (océanite)

Analyse minéralogique et chimique des échantillons K2O-Na2O SiO2 trachyte trachyandésite basalte

La Martinique

AGE: de –30 Ma à aujourd’hui 50 km 70 km AGE: de –30 Ma à aujourd’hui

Des roches volcaniques variées: basalte andésite

dacite rhyolite

Analyse minéralogique et chimique des échantillons K2O-Na2O SiO2 basalte andésite dacite rhyolite

Le massif du Chenaillet

AGE: -160 Ma

plagiogranite gabbro basalte en coussin

Analyse minéralogique et chimique des échantillons K2O-Na2O SiO2 basalte - gabbro plagiogranite

3-Le critère géochimique: Bilan: -Une série magmatique correspond à un ensemble de roches magmatiques regroupées selon trois critères: 1-Le critère spatial: Les roches d’une même série apparaissent toutes dans un espace géographique limité (quelques dizaines de km). 2-Le critère temporel: La mise en place des roches se fait dans un temps relativement court (quelques millions d’années). 3-Le critère géochimique: Malgré une grande diversité de roches au sein d’une même série, elles possèdent des caractéristiques chimiques communes.

On distingue trois séries magmatiques principales: -Les roches d’une même série sont alors considérées comme cogénétiques (leur mise en place est liée à un contexte géodynamique commun) On distingue trois séries magmatiques principales: K2O-Na2O SiO2 Série alcaline Série calco-alcaline Série tholéiitique

Limite nette (limite de sous saturation en silice) Limite floue Diagramme AFM: Permettant de distinguer clairement les séries tholéiitique et calcoalcaline (décroissance de la teneur en Fer pour la série calco-alcaline)

Deux questions se posent: 1-Comment expliquer la diversité des roches au sein d’une même série? 2-Quelle est la relation entre le contexte géodynamique et le type de série?

Comment expliquer la diversité des roches au sein d’une même série?

La chronologie de mise en place des roches montre une évolution des pôles basiques vers les pôles acides. K2O-Na2O SiO2 Série alcaline Série calco-alcaline Série tholéiitique

-Cette chronologie reflète une modification progressive de la composition d’un magma initial. -Cette modification est caractérisée par un enrichissement en silice (SiO2) et en alcalins (Na2O-K2O) C’est la différenciation magmatique. -Le magma initial ou magma primaire est de composition basaltique dans les trois cas. -Les mécanismes principaux permettant la différenciation magmatique sont: .la cristallisation fractionnée .la contamination crustale .le mélange magmatique

La cristallisation fractionnée Les travaux expérimentaux de Bowen (1928) ont permis de déterminer l’ordre d’apparition des minéraux lors du refroidissement d’un magma. éléments compatibles Fe-Mg Ca Ca D>1 K K Na éléments incompatibles D<1 Coefficient de partage D= C°(solide)/C°(liquide)

La cristallisation fractionnée roches intermédiaires roches acides basalte Magma primaire basique Magma très différencié Cristallisation Magma différencié (enrichi en alcalins et en silice) Séparation Sol./Liq. Séparation Sol./Liq. Cristallisation cumulat Minéraux ferromagnésiens

Qu’est-ce qu’une « série réactionnelle »? (Exemple de la série réactionnelle des plagioclases)

Conséquence d’une cristallisation fractionnées

L’enrichissement relatif en alcalin et en silice n’est pas le même en fonction de la série car le magma primaire n’est pas le même. Série alcaline Série calco-alcaline Série tholéiitique K2O-Na2O SiO2 50.55 16.38 1.27 7.76 7.80 0.16 11.62 2.79 0.09 1.31 0.13 SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO MnO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 49.80 15.22 8.55 - 9.60 0.14 3.09 1.30 1.07 0.3 48.24 16.33 11.70 5.10 0.19 8.37 4.01 1.86 3.15 1.02 B. alcalin B. calco-alcalin B. tholéiitique %

-La diversité des roches au sein d’une même série est expliquée Bilan: -La diversité des roches au sein d’une même série est expliquée par la différenciation progressive d’un magma primaire basique. -chaque étape de la différenciation peut être « fossilisée » par la mise en place de roches volcaniques. -Trois processus fondamentaux sont mis en jeu: .cristallisation fractionnée (système fermé) .contamination crustale et mélange (système ouvert) -Cette différenciation correspond à une accentuation des légères différences entre les souches basaltiques primaires. -Un même magma peut donc donner plusieurs roches!!!

Quelle est la relation entre le contexte géodynamique et le type de série? = Quelle est la relation entre le contexte géodynamique et la composition du magma primaire?

-la fusion est partielle Analyse chimique d’une lherzolite et d’un basalte 50.5 15.3 10.4 7.6 11.3 2.7 1.31 SiO2 Al2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O TiO2 44.2 2.1 8.3 42.1 1.9 0.3 0.06 0.1 lherzolite B. tholéiitique % Le liquide primaire a une composition différente de la source pour deux raisons: -la fusion est partielle -tous les éléments n’ont pas le même comportement au cours de la fusion (éléments compatibles - éléments incompatibles) La fusion partielle a donc pour conséquence de concentrer les éléments incompatibles dans le liquide.

Influence du taux de fusion partielle sur la nature du magma produit

? ? Type de série magmatique Composition du magma primaire Taux de fusion partielle Composition de la source ? ? Contexte géodynamique

Décompression adiabatique solidus T (°C) 25 50 75 240 160 80 1000 2000 P (kbar) Z (km) Conditions de FP du manteau Liquide Solide + liquidus Augmentation de la T° Décompression adiabatique solidus Abaissement de la T° de fusion par apport d’eau géotherme

Le magmatisme intraplaque : point chaud FP profonde du manteau supérieur dont le taux dépend de la température du panache. Remontée d’un panache mantellique d’origine profonde (manteau inférieur) + FP FP forte B. tholéiitique FP faible B. alcalin puis Composition isotopiques des OIB de Polynésie -Les isotopes radioactifs ne fractionnent pas lors des processus pétrogénétiques, ils sont donc de bons marqueurs de source. -Dans le cas des points chauds, la source est donc mixte : . Manteau inférieur (FP par décompression adiabiabatique) . Manteau supérieur (FP par augmentation de la température) -DMM: Depleted Morb Mantle -EMI: Enriched Mantle I -EM II: Enriched Mantle II -HIMU: High  ( =U/Pb)

Le magmatisme intraplaque : rifting passif Remontée asthénospérique et FP profonde. Pression élevée FP faible B.alcalin voir hyper alcalin puis B. tholéiitique FP forte Pression plus faible FP moins profonde

Le magmatisme d’extension océanique Remontée asthénospérique et FP à faible profondeur B. tholéiitique Dorsale lente (2cm/an) Dorsale rapide (10 cm/an)

Le magmatisme de subduction Plongement et déshydratation de la C.O et des sédiments Hydratation et FP du manteau B. calco-alcalin Incompatibilité décroissante

-La modification de la composition du manteau par transfert de fluides Résultats des expériences de déshydratation d’un métabasalte à 5GPa et 900°C (Kogiso 1997) Abondance croissante dans les magmas des zones de subduction - les fluides, qui lessivent sélectivement la C.O et ses sédiments, transmettent leur signature géochimique au manteau, et donc aux magmas d’arc. la percolation du manteau par les fluides a donc deux conséquences: .enrichir la source en éléments incompatibles .provoquer sa FP en abaissant sa température de fusion. -La modification de la composition du manteau par transfert de fluides s’appelle la metasomatose.

La diversité du magmatisme de subduction Contamination croissante temps 2 – 0 Ma 2 – 0 Ma 11 – 2Ma 42-12Ma

Conditions de mise en place des roches magmatiques Trachyandésites Trachyte Islandites Rhyolites andésite Dacite Rhyolite (Contamination crustale) Cristallisation fractionnée (Contamination crustale) Cristallisation fractionnée (Contamination crustale) Cristallisation fractionnée magma tholéiitique magma alcalin magma calco-alcalin Péridotite résiduelle Fusion partielle variable Manteau supérieur (lherzolite enrichie) Métasomatose Fusion partielle faible (5-10%) Manteau supérieur (lherzolite) Fusion partielle forte (20-30%) Péridotite résiduelle Péridotite résiduelle Manteau inférieur (lherzolite enrichie)

. La cristallisation fractionnée Bilan: La mise en place des séries magmatiques fait appelle à deux processus fondamentaux: . La fusion partielle . La cristallisation fractionnée Ces processus induisent une diversité pétrologique car tous les éléments n’ont pas le même comportement et conduisent donc à un fractionnement géochimique. -Le type de série magmatique constitue un marqueur de contexte géodynamique quand il est utilisé avec précautions. Attention au raccourci : une série = un contexte -L’étude des roches magmatiques se fait par l’utilisation de données complémentaires: .Minéralogie (échantillon, lame mince) .Géochimie (élts majeurs, élts - traces, isotopes)