Leçon 1 LES ROCHES. Protérozoique et Ordovicien Mar Del Plata (Argentine)

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1 Leçon 1 LES ROCHES Protérozoique et Ordovicien Mar Del Plata (Argentine)

2 Les questions choisies: 1 - qu est-ce qu une roche? 2 - comment se forment les cristaux? 3 - comment les cristaux témoignent-ils de leurs conditions de formation? 4 - comment cristallise un magma? 5 - comment se forment les roches métamorphiques? 6 - cristallisation et roches de surface 7 - conclusion Mines d améthystes (Brésil)

3 1.1 QU EST-CE QU UNE ROCHE? Hutton Lavoisier - vers une définition des roches - exemple 1: éruptions volcaniques explosives - le message conservé des cendres volcaniques - exemple 2: éruptions volcaniques effusives - formation des bulles dans les laves - orientation des microlites dans les laves - la notion de texture - résumé: initiation à la pétrologie

4 1.1.1 VERS UNE DEFINITION DES ROCHES Choisir les critères de définition n est pas simple: - une roche est-elle toujours un solide cohérent? NON: le sable, l argile sont des roches meubles - une roche est-elle toujours un solide? NON: l état solide ou liquide ou gazeux dépend des conditions P, T (l eau et la glace; le magma et le granite) - une roche est-elle toujours inorganique? NON: le charbon, le pétrole ALORS, QU EST-CE QU UNE ROCHE? Une roche n est pas simplement un réservoir d éléments chimiques. C est aussi une structure physique. La pétrologie associe géochimie, minéralogie et pétrographie.

5 1.1.2 EXEMPLE 1: ERUPTIONS VOLCANIQUES EXPLOSIVES Les cendres témoignent de l ébullition du magma. Les bulles éclatent en fragmentant le magma et les débris sont chassés par l expansion des gaz.

6 1.1.3 LE MESSAGE CONSERVE DES CENDRES VOLCANIQUES cinérite argiles cendres déposées dans une lagune bulle de gaz Verre volcanique «glass shard» LES CENDRES VOLCANIQUES se déposent dans l eau (er, lac, lagune) et se transfoment en argiles donnant un matériau très recherché: la bentonite. Cependant l origine volcanique reste enregistrée dans la conservation des «glass shards». Mécanisme de formation des cendres

7 LAVA DOME EXEMPLE 2: ERUPTIONS VOLCANIQUES EFFUSIVES gas outflux Le magma très fluide forme des coulées qui se répandent sur le cône volcanique et au-delà. Les coulées se dégazent en formant des surfaces scoriacées. Q out Q in

8 1.1.5 FORMATION DES BULLES DANS LES LAVES Bulles de gaz se formant dans un magma (expérience) Le magma en refroidissant devient sursaturé en gaz. Séparation de phases: - liquide qui donne un verre - gaz qui forme des bulles gaz magma Surface d une coulée de basalte (texture vesiculaire: bulles fossilisées) Mot clé: SUR-SATURATION verre

9 1.1.6 ORIENTATION DES MICROLITES DANS LES LAVES microlites phénocristaux Mot clé: TEXTURE ou MICROSTRUCTURE La lave présente des gros cristaux automorphes (phénocristaux) et une pâte composée d un peu de verre et d une infinité de très petits cristaux: les microlites. Leur forme allongée les pré-dispose à s orienter dans le sens de l écoulement de la lave: texture fluidale.

10 1.1.7 LA NOTION DE TEXTURE Composition d un granite - riche Si, Al, K, Na - pauvre Fe, Mg, Ca RHYOLITE GRANITE Même composition mais deux roches différentes: - texture vitreuse: une lave (rhyolite obsidienne) formée en surface - texture grenue: une roche cristalline (granite) formée en profondeur

11 1.1.8 RÉSUMÉ: INITIATION À LA PÉTROLOGIE Comment «lire» une roche?: - sa texture (ou microstructure) témoigne de ses processus de formation et de transformation au long de son histoire, - sa composition chimique indique sa provenance au sein du système chimique global «TERRE». Cette année: - Vous apprendrez à lire les roches par les travaux pratiques, - Vous apprendrez comment fonctionne le système chimique «TERRE» dans les prochains cours.

12 1.2 COMMENT SE FORMENT LES CRISTAUX? - un cristal est un réservoir d énergie - le moteur de la formation des cristaux - un cristal naît: germination - un cristal grandit: croissance cristalline - vitesses de nucléation et de croissance - microstrucure grenue: refroidissement lent - micrstructure microgrenue: refroidissement rapide - microstructure microlithique: refroidissement brutal

13 1.2.1 UN CRISTAL EST UN RESERVOIR D ENERGIE Énergie de surface: DGs énergie de volume: DGv La nature est avare: elle favorise toujours ce qui «coûte» le moins cher en énergie (Joules par moles: J mol -1 ). Calculer les bilans d énergie dans un processus est l objet de la THERMODYNAMIQUE. Mot clé: minimisation de l énergie

14 concentration C0 CeqT0 CeqT LE MOTEUR DE LA FORMATION DES CRISTAUX domaine sur-saturé solution + cristaux solution D D' domaine sous-saturé température T 1 B A' refroidissement T0 d'après A. Baronnet (1988) évaporation A Taux de sur-saturation C est le taux de sur-saturation qui apporte l énergie nécessaire à la germination (naissance) des cristaux aussi bien qu à leur croissance.

15 1.2.3 UN CRISTAL NAIT: GERMINATION La nucléation est contrôlée par le bilan d énergie: négative (énergie interne) + positive (énergie de surface). Pour qu un nucleus survive il faut qu il franchisse la «barrière d énergie». DGs Premières notions de bilan d énergie. Mot clé: THERMODYNAMIQUE DGe>0 DGe* nucleus r* rayon r DGe<0 embryon DGv cristal

16 1.2.4 UN CRISTAL GRANDIT: CROISSANCE CRISTALLINE La croissance cristalline tire son énergie de la sursaturation du milieu (solutions, magmas). Plus la sur-saturation est faible, plus la croissance est lente mais plus les cristaux sont parfaits et grands parfois très grands. Gypse, Ca SO 4, 2H 2 O Cuevas de los cristales Chihuahua, Mexique

17 1.2.5 VITESSES DE NUCLEATION ET DE CROISSANCE Compétition entre la vitesse de nucléation et la vitesse de croissance. Importance du taux de sursaturation qui est d autant plus grand que l écart de température l est aussi: 1 - sur-saturation faible, 2 sur-saturation modérée, 3 - sur-saturation forte Te

18 vitesse MICROSTRUCTURE GRENUE: REFROIDISSEMENT LENT point de fusion Tc Tb Ta T0 nucleation croissance pyroxène précoce temperature plagioclase 1 - sur-saturation faible

19 vitesse point de fusion MICROSTRUCTURE MICROGRENUE: REFROIDISSEMENT RAPIDE Tc Tb Ta T0 matrice microgrenue nucleation croissance phénocristal d amphibole temperature 2 - sur-saturation modérée Le phénocristal est formé en profondeur (croissance lente dans un magma). La matrice est formée plus près de la surface (nucléation brutale)

20 vitesse point de fusion MICROSTRUCTURE MICROLITHIQUE: REFROIDISSEMENT Tc Tb Ta T0 BRUTAL nucleation croissance Laves très vitreuses Refroidissement brutal: verre + cristaux squelettiques temperature olivine 3 - sur-saturation forte plagioclases pyroxenes CRISTAUX SQUELETTIQUES

21 1.3 LES CRISTAUX: ENREGISTREMENT DE CONDITIONS PHYSICO- CHIMIQUES - zonation chimique des cristaux - zonation minérale autour des cristaux - cristaux résorbés: déséquilibre avec le magma - inclusions de verre ou de fluides dans les cristaux

22 1.3.1 ZONATION CHIMIQUE DES CRISTAUX Plagioclases: solution solide entre deux pôles: anorthite: Si 2 Al 2 O 8 Ca albite: Si AlO Na Analyses microsonde électronique d un plagioclase zoné a. Repeated sharp reversals attributed to magma mixing, followed by normal cooling increments. b. Smaller and irregular oscillations caused by local disequilibrium crystallization. c. Complex oscillations due to combinations of magma mixing and local disequilibrium. Mot clé: déséquilibre

23 1.3.2 ZONATION MINERALE AUTOUR DES CRISTAUX Mot clé: déséquilibre Amphibole (hornblende) Fe-oxydes + pyroxene Hornblende phenocryst dehydrating to Fe-oxides plus pyroxene due to pressure release upon eruption, andesite. Crater Lake, OR. Width 1 mm.

24 1.3.3 CRISTAUX RESORBES: DESEQUILIBRE AVEC LE MAGMA Resorbed and embayed olivine phenocryst. Width 0.3 mm. Mot clé: déséquilibre verre microlites Les cristaux formés en profondeur dans la chambre magmatique sont en déséquilibre chimique avec le magma résiduel qui s écoule à la surface. Ces cristaux se «dissolvent» dans le magma.

25 1.3.4 INCLUSION DE VERRE OU DE FLUIDES DANS LES CRISTAUX Au cours du refroidissement, le magma est piégé sous forme d inclusions vitreuses. Melt Inclusions (volcanic glass) in Quartz in Pantellerite 1 30 µm Inclusion with vapor, glass, Fe-oxide, and other daughter mineral Mot clé: histoire post-magmatique 2 - A la fin du refroidissement, la «phase liquide» n est plus un magma mais une solution aqueuse très salée dont les témoins sont piégés dans les défauts des cristaux sous forme d inclusions fluides.

26 1.4 COMMENT CRISTALLISE UN MAGMA? - l utilisation des diagrammes de phases - processus de cristallisation d un magma - acquisition de la microstructure - l histoire post-magmatique

27 1.4.1 L UTILISATION DES DIAGRAMMES DE PHASES point de fusion cristaux A liquide magmatique point de fusion cristaux B Willard Gibbs chimiste américain fin XIX eme A + liquide B + liquide Système à 2 composants simples. La règle des phases simplifiée: Te eutectique F = c p cristaux A = cristaux B a E 2 composants chimiques: a et b 2 phases: cristaux de A (100% a)et de B (100% b) b

28 1.4.2 PROCESSUS DE CRISTALLISATION D UN MAGMA T1 1 composition du magma T2 2 L M l L m A + L B + L M.l = m.l T3 3 Règle des leviers eutectique T4 a A + L 4 composition de la roche E composition du liquide composition du solide b

29 TEMPERATURE ACQUISITION DE LA MICROSTRUCTURE (TEXTURE) T1 Liquide (magma) T2 T3 T4 solide (roche) TEMPS

30 1.5 COMMENT SE FORMENT LES ROCHES METAMORPHIQUES? Grenat (Sables d Olonne) - la transformation des roches dans les zones de subduction - un exemple: les grenats des éclogites - analyse de la taille des cristaux - le métamorphisme des zones de collision - un exemple: racines d une chaîne de montagnes - relation déformation - croissance - les réactions minérales à l état solide

31 1.5.1 LA TRANSFORMATION DES ROCHES DANS LES ZONES DE SUBDUCTION BASALTES AMPHIBOLITES ECLOGITES

32 1.5.2 UN EXEMPLE: LES GRENATS DES ECLOGITES Grenats automorphes Matrice foliée Comment des cristaux parfaits peuvent-ils grandir dans une roche extrêmement déformée?

33 1.5.3 ANALYSE DE LA TAILLE DES CRISTAUX r 3 Ce que l on mesure: Analyse statistique de la distribution des tailles des cristaux dans une population. N 2 r Ce que l on déduit: La variation de vitesse de nucléation dans le temps. 1 r temps Mot clé: vitesse relative de nucléation

34 1.5.4 LE METAMORPHISME DES ZONES DE COLLISION

35 1.5.5 UN EXEMPLE: RACINES D UNE CHAINE DE MONTAGNES Série métamorphique des Sables d Olonne micaschistes Déformation très forte. Plus le métamorphisme est intense (P et T élevées), plus la taille des cristaux de la matrice foliée augmente: schistes micaschistes gneiss Mot clé: structure gneiss Micaschistes avec plis intrafoliaux

36 1.5.6 RELATION DEFORMATION- CROISSANCE Porphyroblaste de grenat Matrice de micas et quartz Microstructure (texture) d un micaschiste (plage de Sauveterre)

37 1.5.7 LES REACTIONS MINERALES A L ETAT SOLIDE a b c a: nucléation et premiers stades de croissance. b: Le minéral se développe dans les joints de grains en dissolvant les cristaux voisins. c: dissolution à distance des minéraux préexistants; migration des éléments chimiques par diffusion. Dµ L énergie nécessaire à la migration des éléments chimiques: le gradient de potentiel chimique. Mot clé: Dµ (J mol -1 )

38 1.6 COMMENT FONDENT LES ROCHES METAMORPHIQUES? - les migmatites (fusion des gneiss) - la fusion commence par la composition eutectique - la fusion des biotites: dernière étape

39 1.6.1 LES MIGMATITES (FUSION DES GNEISS) Zones fondues Gneiss non fondu Les Sables d Olonne

40 1.6.2 LA FUSION COMMENCE PAR LA COMPOSITION EUTECTIQUE Premier stade: les minéraux réfractaires (biotites) ne fondent pas. Seul fond le mélange quartz + feldspath point de fusion quartz liquide magmatique point de fusion Feldspaths quartz + liquide Feldspaths + liquide Te eutectique quartz + K-Na feldspaths a E b

41 1.6.3 LA FUSION DES BIOTITES: DERNIERE ETAPE Deuxième stade: les biotites fondent à leur tour mais elles donnent un liquide silicaté + un nouveau solide (grenats) point de fusion feldspaths liquide magmatique point de fusion du grenat Te feldspaths + liquide eutectique biotite + liquide biotite + grenat a E b

42 1.7 CRISTALLISATION ET ROCHES DE SURFACE - l altération des roches à la surface de la Terre - la transformation des sédiments diagenèse) - générations successives de cristaux dans les sédiments (diagenèse)

43 1.7.1 L ALTERATION DES ROCHES A LA SURFACE DE LA TERRE. D où viennent les sédiments? De l altération des roches qui produit des argiles et des oxydes. Feldspath sodique kaolinite NaAlSi 3 O 8 + H + + 4,5 H 2 O 0,5Si 2 Al 2 O 5 (OH) 4 + Na + + 2H 4 SiO 4 Profil d altération au Brésil

44 1.7.2 LA TRANSFORMATION DES SEDIMENTS (DIAGENESE) Grands cristaux d illite - bassin Proterozoique de Combolgie (Australie) subsidence thermique subsidence tectonique 1 km socle du bassin sédimentaire Une boue argileuse déposée dans un bassin sédimentaire recristallise en donnant des minéraux plus grands et mieux cristallisés à mesure que l enfouissement augmente

45 1.7.3 GENERATIONS SUCCESSIVES DE CRISTAUX DANS LES SEDIMENTS (DIAGENESE) Cristaux de quartz, tourmaline et illite dans un grès Protérozoique (1.3 Ga) du bassin d Athabasca (Canada) Laverret, µm

46 Les roches délivrent un message complexe par leur composition chimique, leur composition minéralogique et leur microstructure. En première année, nous aborderons le message contenu dans leur composition chimique en commençant par: Prochaine leçon : DE L ORIGINE DES ELEMENTS CHIMIQUES

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