HLST302 Pétrologie des roches magmatiques

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1 HLST302 Pétrologie des roches magmatiques Fleurice Parat Institut Géosciences 3ème étage - bureau 333 fleurice.parat@gm.univ-montp2.fr Classification des roches magmatiques Classification par gisement et texture Classification minéralogique modale = composition minéralogique des roche - %volume Classification chimique Roches pyroclastiques: type de matériel et taille du matériel

2 Classification par gisement et texture Roches plutoniques textures grenues à grain moyen Roches volcaniques textures microlitiques et vitreuses Classification par gisement et texture

3 Classification minéralogique Méthode pour reporter un point avec les composants: 70% X, 20% Y, and 10% Z dans diagramme triangulaire. 90 Q Quartzolite 90 Q Quartz-rich Granitoid Granite Granodiorite Rhyolite Dacite Alkali Fs. 20 Quartz Syenite Alkali Fs. Syenite A 5 10 (Foid)-bearing Alkali Fs. Syenite Quartz Syenite Quartz Monzonite Quartz Monzodiorite Syenite Monzonite Monzodiorite 90 (Foid)-bearing (Foid)-bearing Syenite (Foid)-bearing Monzonite Monzodiorite (Foid) (Foid) Monzosyenite Monzodiorite 20 Qtz. Diorite/ Qtz. Gabbro 5 10 Diorite/Gabbro/ Anorthosite P (Foid)-bearing Diorite/Gabbro A Trachyte Latite Andesite/Basalt (foid)-bearing Trachyte (foid)-bearing Latite Phonolite Tephrite (foid)-bearing Andesite/Basalt 10 P (Foid)olites (Foid)ites F A classification and nomenclature of igneous rocks. After IUGS Subcommission on the systematics of Igneous Rocks (Streckeisen 1976) F

4 Classification des roches gabbroïques D après IUGS Subcommission on the systematics of Igneous Rocks (Streckeisen 1976). Plagioclase 90 Anorthosite Olivine gabbro Pyroxene Plagioclase-bearing ultramafic rocks Olivine Classification des roches ultramafiques D après IUGS Subcommission on the systematics of Igneous Rocks (Streckeisen 1976) Olivine 90 Dunite Peridotites Lherzolite 40 Orthopyroxenite Olivine Websterite 10 Pyroxenites 10 Orthopyroxene Websterite Clinopyroxenite Clinopyroxene

5 Classification minéralogique Classification des roches pyroclastiques

6 Classification chimique Classification chimique A chemical classification of volcanics based on total alkalis vs. silica. After Le Bas et al. (1986) J. Petrol., 27,

7 Genèse des magmas Notion de magma Source Fusion partielle Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur: réservoir magmatique Eruption

8 Notion de magma Source: 2 types: mantellique et crustale Gneiss Fusion Partielle Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur: réservoir magmatique Granulite Eruption Structure du manteau

9 Structure du manteau Source mantellique Péridotite avec Olivine > Opx + Cpx Orthopyroxénite Orthopyroxène Lherzolite Olivine 90 Dunite Péridotites Lherzolite Olivine Websterite Websterite Clinopyroxénite 10 Pyroxénites Clinopyroxène Lherzolite Composition moyenne Garnet Spinel Lherzolite Lherzolite SiO TiO Al 2 O Cr 2 O FeO* MnO NiO MgO CaO Na 2 O K 2 O P 2 O

10 Notion de magma Source: 2 types: mantellique et crustale Fusion partielle Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur Eruption Fusion partielle Roche magmatique basalte Roche mère manteau SWIR Roche résiduelle péridotite SWIR

11 Notion de magma Source: 2 types: mantellique et crustale Fusion partielle Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur Eruption Comment fond le manteau?

12 Comment fond le manteau? 1) Augmentation de la température Comment fond le manteau? 2) Baisse de la pression! Remontée Adiabatique du manteau sans perte de chaleur! Fusion par décompression peut fondre 30% Melting by (adiabatic) pressure reduction. Melting begins when the adiabat crosses the solidus and traverses the shaded melting interval. Dashed lines represent approximate % melting.

13 3) + eau Comment fond le manteau? Tectonique des plaques et volcanisme Geologically plausible plate tectonic setting at which partial melts may be generated from otherwise solid rock by perturbations in P, T, or Xvolatiles. From Best and Christiansen (2001).

14 Source mantellique Péridotite avec Olivine > Opx + Cpx Orthopyroxénite Orthopyroxène Lherzolite Olivine 90 Dunite Péridotites Lherzolite Olivine Websterite Websterite Clinopyroxénite 10 Pyroxénites Clinopyroxène Lherzolite Composition moyenne Garnet Spinel Lherzolite Lherzolite SiO TiO Al 2 O Cr 2 O FeO* MnO NiO MgO CaO Na 2 O K 2 O P 2 O Notion de magma Source: 2 types: mantellique et crustale Fusion partielle Extraction Migration vers la surface pds% Al 2 O Tholeiitic basalt Piégeage en profondeur Eruption 5 Lherzolite Residuum Harzburgite 0 Dunite pds% TiO 2

15 Magmas basaltiques 3 types différents de basaltes -> Chacun avec une chimie différente -> Evoluent par cristallisation fractionnée suivant différents chemins Basaltes tholéiitiques se forment aux rides médio-océaniques (MORB) + point chaud (=panache, OIB) + rifts Basaltes alcalins se forment en contexte de point chaud et rift Basaltes/andésites calco-alcalins se forment en contexte de zone de subduction Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins

16 Cristallisation des magmas tholéiitiques vs alcalins Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Basalte tholéiitique Basalte alcalin SiO 2 (pds.%) TiO Al 2 O FeO* MnO basalte alcalin à phénocristaux d olivine MgO CaO Na 2 O K 2 O P 2 O Phénocristaux Matrice plagioclase, cpx +/- olivine,opx cpx, opx, plagioclase, + verre, quartz olivine, cpx olivine, cpx, sanidine, feldspathoïde

17 Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Genèse de basaltes tholeiitiques et alcalins à partir d un manteau chimiquement uniforme Variables (autre que X) - Température - Pression Liquide et résidue de la fusion d une pyrolite Pyrolite After Green and Ringwood (1967).

18 Genèse des magmas tholéiitiques vs alcalins Conclusions Initiales -> Tholéiites favorisées par une fusion à faible pression - 25% fusion à <30 km => tholéiite - 25% fusion à 60 km => basalte à olivine -> Tholéiites favorisées par un plus fort taux de fusion partielle - 20 % de fusion à 60 km => basalte alcalin -> incompatibles (alcalis) vont dans le liquide - 30 % de fusion à 60 km => tholéiite Notion de magma Source: 2 types: mantellique et crustale Fusion partielle Extraction: migration de films de liquide le long des joints des cristaux Migration vers la surface Piégeage en profondeur: réservoir magmatique Eruption

19 Notion de magma Extraction: migration de films de liquide le long des joints des cristaux Comme la fusion est partielle (15% maximum au dorsale), le magma est un liquide interstitiel au sein d une matrice solide. La force motrice est la poussée d Archimède. Deux conditions pour l extraction: Le magma doit former un réseau continu permettant sa migration. La matrice solide doit se déformer pour compenser la perte de magma Notion de magma Source Taux de fusion Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur: réservoir magmatique Eruption

20 Notion de magma Source Taux de fusion Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur: réservoir magmatique Différenciation magmatique Eruption Compositions des magmas Analyses chimiques de quelques roches magmatiques types Eléments majeurs pds.% Péridotite Basalte Andésite Rhyolite Phonolite SiO TiO Al 2 O Fe 2 O 3 5, FeO MnO MgO CaO Na 2 O K 2 O H 2 O Total

21 Différenciation magmatique 3 processus majeurs 1. Cristallisation fractionnée 2. Assimilation 3. Mélange magmatique Liquide basaltique Cristallisation fractionnée Basalte Cristallis ation Séparation liquide/cristaux Liquide andésitique Andésite Liquide dacitique

22 Cristallisation fractionnée Cristallisation fractionnée

23 Diagrammes de Harker Harker diagrams for a suite of cogenetic volcanic rocks related by fractional crystallization of olivine, cpx and magnetite. Wilson (1989), Igneous Petrology. Cristallisation fractionnée

24 Cristallisation fractionnée Basaltes Cristallisation fractionnée Andésite

25 Cristallisation fractionnée Dacite Cristallisation fractionnée Rhyolite Ponce

26 2. Assimilation 2. Assimilation

27 3. Mélange magmatique 2. Mélange magmatique Les variations de composition dans un diagramme de Harker doivent être une ligne droite entre les 2 compositions extrêmes Magma A % d oxyde Mélange de 25%B, 75%A Mélange de 50%B, 50%A Mélange de 75%B, 25%A Magma B % d oxydes

28 3. Mélange magmatique Basalte-rhyolite Mt. McLoughlin, Oregon Big block of Glass Creek showing the magma mixing photo field trip USGS Notion de magma Source Taux de fusion Extraction Migration vers la surface Piégeage en profondeur: réservoir magmatique Eruption

29 Propriétés physiques des magmas Magma = roche fondue, avec ou sans cristaux. - Peut ou non contenir une phase gazeuse dissoute (H 2 O ou CO 2 ) - Vésicules = Bulles de gaz formées dans le magma Propriété physique des magmas dépend:! Température! Densité! Teneur en éléments volatils! Viscosité Tous dépendent directement ou indirectement de la composition Propriétés physiques TEMPERATURE Basalte à 1 atm: o C liquidus, C solidus. Rhyolite: Liquidus = 1050 o C solidus hydraté (avec H 2 O) = 650 o C solidus anhydre (sans H 2 O) = 750 o C. DENSITE La densité est contrôlée par la composition du magma -> FeO wt% le plus important. En général, les basaltes sont plus riches en Fe, Ca, et Ti que les rhyolites; et les rhyolites sont plus riches en Na, Al, et Si que les basaltes: - Magma basaltique: 2.65 à Magma andésitique: 2.45 à Magma rhyolitique: 2.18 à 2.25

30 Propriétés physiques VOLATILES H 2 O le plus abondant dans la plupart des magmas CO 2 + SO 2, Cl, F En général, les magmas basaltiques sont SECS: H 2 O < 0.5 pds.% MORB = 0.25 pds.% H 2 O Hawaii - tholéiite = 0.5 pds.% H 2 O Basaltes alcalins = 0.9 pds.% H 2 O Andésites, Rhyolites, Granites: teneurs en eau plus hautes Andésite Paricutin = 2.2 pds.% H 2 O à 1100 C Andésite Huerto = 5 pds.% H 2 O à 900 C Granites/Rhyolites: 0.5 à 7 pds.% H 2 O => H 2 O diminue la viscosité et abaisse la température du solidus Propriétés physiques VISCOSITE -> résistance interne d un liquide à s épancher -> dépend de la structure du liquide La viscosité diminue avec une augmentation de la température et H 2 O, CO 2. augmente avec une augmentation de SiO 2 et de la quantité de cristaux. Quelques viscosités en poise {= g/cm/sec} - H 2 O à 20 C 0.01 poise - glycérine 15 poise - Basalte Hawaii 3 x 10 3 poise à C - Magma rhyolitique 10 8 to poise à C - Asthénosphère poise à C

31 Propriétés physiques Subaerial lava flows Natrocarbonatitic activity in the north crater of ldoinyo Lengai, Tanzania Ol Doinyo Lengaï SiO 2 0,16 P 2 O 5 0,85 TiO 2 0,02 CO 2 31,55 Fe 2 O 3 0,28 Cl 3,40 MnO 0, 38 F 2,5 MgO 0, 38 SO 3 3,72 CaO 14,02 SrO 1,42 Na 2 O 32,22 BaO 1,66 K 2 O 8,38 H 2 O + 0,56

32 Propriétés physiques des magmas a. Calculated viscosities of anhydrous silicate liquids at one atmosphere pressure, calculated by the method of Bottinga and Weill (1972) by Hess (1989), Origin of Igneous Rocks. b. Variation in the viscosity of basalt as it crystallizes (after Murase and McBirney, 1973). c. Variation in the viscosity of rhyolite at 1000 o C with increasing H 2 O content (after Shaw, 1965). Viscosité des magmas et style éruptifs Viscosité élevée Volcans explosifs Viscosité faible Volcans extrusifs

33 Style éruptif, panache et explosivité Extrusion du magma Etapes de vésiculation et fragmentation du magma From Sparks (1978) The dynamic of bubble formation and growth in magma: a review and analysis

34 Volcans de type Hawaiien et Strombolien Eruption style Hawaiien - Magma basaltique - Faible viscosité - Eruption contrôlée par les éléments volatils dans le magma - Moyennement explosif - Fontaine de lave - Cône de scories Eruption type strombolien - Magma basaltique - Plus explosif que Hawaiien - Eruption contrôlée par les volatils dans le magma - Cône de scorie (cinder cone) - Cendre lapilli

35 Eruption type strombolien Stromboli, Îles Eolienne, Italie Style éruptif, panache et explosivité

36 Eruption plinienne - Fortement explosif (panache plinien) (dizaines de km) - Magmas visqueux riches en éléments volatils (dacite) - Fragmentation dans le conduit - Tephra - Vélocité: centaine de mètres par seconde After Carey and Bursik (2000)" Eruption du Pinatubo (Philippine) Juin 1991

37 Stratovolcans Lava flows Flank vent Flank dome Sill a. Illustrative cross section of a stratovolcano. After Macdonald (1972), Volcanoes. Pyroclastic deposits b. Arenal Volcano, Costa Rica Coulées de lave basaltique Lave Pahoehoe Lave Aa " " Pahoehoe ---> Aa lava: baisse de la température -> augmentation de la viscosité

38 Coulées de laves aquatiques Basaltes en coussin Pillow lavas Laves différenciées Magmas siliciques! Active lava dome of the Showa Shinzan complex in Hokkaido, Japan. - Fortes viscosités" - Dômes de lave " - Volcans composites (qlq dizaine de m à km)" - Communs dans les volcans d arc océanique" - Se forment tardivement dans le cycle éruptif"

39 Dômes Katmai dome Redoubt dome Panum dome Dôme Evolution du Volcan Unzen March 91 Sept. 91 Febr. 93 March. 93

40 Dôme Carapace breccia Lava dome centre jointed Talus Bed rocks Dome cross section diagram" Dôme

41 Dôme coulée et protusion Coulées siliciques A thick silicic lava flow, known as a coulee, poured down the west side of the Mono Domes, California. Obsidian of a lava flow, Lipari, Italy

42 Intrusions plutoniques Bloc diagramme schématique d intrusions plutoniques. Intrusions non-tabulaires Laccolithe Lopolite Formes de 2 plutons concordants. a. Laccolithe avec un plancher plat et un toit arqué. b. Lopolite mis en place dans un basin structural. L échelle n est pas la même pour ces 2 plutons, un lopolite est générallement plus large.

43 Pluton granitique Vue générale d un petit pluton granitique (diamètre de 1,3 km) sur la rive Nord-Ouest du lac Général Carrera-Buenos, Chili Tectonique des plaques et volcanisme

44 Tectonique des plaques et volcanisme Geologically plausible plate tectonic setting at which partial melts may be generated from otherwise solid rock by perturbations in P, T, or Xvolatiles. From Best and Christiansen (2001). Modèle mantellique

45 Modèle de convection mantellique globale (Davies et Richards, 1992) Rides médio-océaniques

46 Rides médio-océaniques Rides médio-océaniques 75 km début de la fusion

47 Rides médio-océaniques Ride lente Ride rapide C. Laverne, 2008; after Y. Lagabrielle Volcanisme sous-marin Laves en coussin (pillow lava)" "

48 Points chauds Panache de type 1 Origine couche D Super-panaches définis par la tomographie sismique =>Hawaï, Islande, Afar, Réunion. Panache de type 2 Origine zone de transition, au sommet des super-panaches. =>Tahiti Panache de type 3 Origine asthénosphérique En réponse à la fracturation de la lithosphère. Points chauds Origine zone de transition Origine couche D

49 Points chauds 500 km 2850 km D Anomalie de vitesse = anomalie thermique Dynamisme hawaïen Points chauds