TD3 Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie

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Ernest Dufour
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1 TD3 Nature des enveloppes terrestre: pétrologie et géochimie Etude de la vitesse de propagation des ondes sismiques (P et S): discontinuités séparant des enveloppes avec des propriétés physiques différentes (densité, rhéologie)

3 Ces enveloppes sont aussi différentes d un point de vue: (1) chimique (2) minéralogique Exercices: 1) Estimation des pourcentages en masse du noyau et du manteau 2) Comparaison des compositions de chondrite et de Terre totale conclusions sur la formation de la Terre 3) Composition chimiques des enveloppes, roches et minéraux liens génétiques 4) Fusion partielle du manteau et différenciation

4 Ex1 Estimation des pourcentages en masse du noyau et du manteau Equation de mélange Terre totale = a*noyau + b*manteau avec a + b = 1 FeOTerre = a*feonoyau + (1-a)*FeOManteau a = (FeOTerre - FeOManteau) / (FeONoyau - FeOManteau) a = (35,92-7,10)/(95,77-7,10) = 0,325 donc pourcentage massique du Noyau = 32,5% et du Manteau 67,5%

5 Règle du levier: la proportion de noyau dans la Terre totale est donnée par le bras de levier N opposé = N/(N+M) FeO noyau % M % N Terre SiO2 terre totale noyau manteau manteau

6 volume du Noyau = 4/3 pi ( ) 3 = 1, km3 volume total = 4/3 pi (6370) 3 = 1, km3 % volumique du Noyau = 16% % massique du Noyau = 32,5% Difference de densité

7 Ex2 composition de la Terre et d une chondrite C1 SiO2 Terre = a*sio2 Noyau + b*sio2 Manteau Noyau Manteau primitif Terre Totale Chondrite C1 SiO Al2O FeO MgO CaO Na2O K2O MnO TiO P2O Cr2O NiO CoO somme

8 Ex3 composition chimiques des croûtes et du manteau Enveloppes Echelle Roches COMPOSITION CHIMIQUE Minéraux

9 Chaque enveloppe se caractérise par une composition chimique différente (cf exo 1 et 2 cas du manteau et noyau) Croûte continentale SiO 2 Al 2 O 3 FeO MgO CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 H 2 O supérieure 66,0 15,2 4,5 2,2 4,2 3,9 3,4 0,5 1,5 inférieure 54,4 16,1 10,6 6,3 8,5 2,8 0,34 1,0 1,0 Croûte océanique 50,5 15,3 10,4 7,6 11,3 2,7 0,11 1,62 0,4 Manteau supérieur 45 3,6 7, ,2 0,1 0,5 0,1 Manteau inférieur (primitif calculé) 49,52 3,57 7,10 35,69 2,82 0,29 0,03 0,16 0,15 Dans chaque enveloppe, on trouvera une série de roche qui lui est propre

10 Chaque roche se caractérise par une composition chimique SiO 2 Al 2 O 3 FeO MgO CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 H 2 O Granite ,3 2,5 4 3,5 0,4 1 Andésite ,5 3,3 6,8 3,5 1,6 0,9 0,8 Basalte océanique ,5 2 0,5 Lherzolite 45 1,7 7,5 43 1,5 0,2 0,1 0,1 0 Harzburgite 42 0, ,1 0,1 0 0,1 0 Une roche est constituée de minéraux. La composition minéralogique d une roche est fonction de la composition chimique de la roche et des conditions de cristallisation (P, T )

11 Composition minéralogique des roches (Diagrammes de Streickeisen) roches riches en minéraux clairs Proportion modale de Quartz Plagioclase Feldspath alcalin

12 Composition minéralogique des roches ultrabasiques (roches avec moins de 10 % de mineraux clair) Proportion modale d olivine, cpx et opx

13 Exo3: calcul du % en poids de SiO2 et MgO des minéraux Chaque minéral a sa propre composition chimique => calcul des masses molaires (g/mol ou g.mol -1 ) des oxydes SiO 2 Al 2 O 3 FeO MgO CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 H 2 O ,8 40, => calcul des masses molaires des minéraux => calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral

14 => calcul des masses molaires des mineraux masse molaire olivine Mg 2 SiO 4 ou (2MgO + SiO 2 ) 2*40,3+60 = 140,6 pyroxène Ca Mg Si 2 O 6 ou (CaO + MgO + 2SiO 2 ) 56+40,3+2*60 = 216,3 feldspath Ca (anorthite) feldspath Na (albite) feldspath K (orthose) Ca Si 2 Al 2 O 8 ou (CaO + Al 2 O 3 + 2SiO 2 ) Na Si 3 AlO 8 ou (1/2 Na 2 O + 1/2 Al 2 O 3 + 3SiO 2 ) K Si 3 AlO 8 ou (1/2 K 2 O + 1/2 Al 2 O 3 + 3SiO 2 ) *60 = / /2 + 3*60 = / /2 + 3*60 = 278

15 => calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral Cas de l olivine (Mg2 SiO4) Dans 1 mole d olivine 1 mole de SiO2 2 mole de MgO Connaissant les masses molaire (masse par mole) % en poids de SiO2 dans Mg2SiO4 = M SiO2 / M Mg2SiO4 * 100 % en poids de MgO dans Mg2SiO4 = M MgO / M Mg2SiO4 *2 * 100

16 => calcul du pourcentage en poids de SiO2 et MgO dans chaque mineral % SiO 2 %MgO quartz SiO olivine Mg 2 SiO 4 ou (2MgO + SiO 2 ) 42,77 57,33 pyroxène Ca Mg Si 2 O 6 ou (CaO + MgO + 2SiO 2 ) 55,48 18,63 feldspath Ca (anorthite) feldspath Na (albite) feldspath K (orthose) Ca Si 2 Al 2 O 8 ou (CaO + Al 2 O 3 + 2SiO 2 ) 43,17 - Na Si 3 AlO 8 ou (1/2 Na 2 O + 1/2 Al 2 O 3 + 3SiO 2 ) K Si 3 AlO 8 ou (1/2 K 2 O + 1/2 Al 2 O 3 + 3SiO 2 ) 68,70-64,75 -

17 Diagramme Sio2 vs MgO 70 MgO Manteau sup Manteau inf enveloppes roches mineraux Croûte ocean. Croûte cont inf SiO2 Croûte cont sup

18 Manteau harzburgite MgO 50 lherzolite olivine Manteau sup Manteau inf pyroxene enveloppes roches mineraux 10 Anorthite SiO2

19 Croûte basique cr. continentale inférieure et cr. océanique enveloppes roches mineraux MgO Basalte océanique pyroxène 10 Croûte ocean. Croûte cont inf Andésite 0 Anorthite SiO2

20 Croûte continentale supérieure enveloppes roches mineraux MgO Croûte cont sup 0 fk SiO2 Albite Granite

21 Notion de différenciation chimique par fusion partielle Exemple de la croûte océanique et du manteau fusion partielle: roche init P = liquide B + résidu solide (Rs) application numérique dans le cas d un taux de fusion partielle de 25 %: SiO 2 Al 2 O 3 FeO MgO CaO Na 2 O K 2 O TiO 2 H 2 O P : roche initiale ,3 2,5 0,5 0,1 0,5 0,1 Rs : résidu solide 42,5 0,6 7 49,7 0, ,1 0 ß : liquide produit 48,5 14, ,1 9,7 2 0,4 1,7 0,4

22 % liquide MgO % residu 20 Résidu solide Roche initiale enveloppes roches mineraux 10 liquide SiO2

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