Les évènements magmatiques et métamorphiques qui accompagnent la subduction. Les zones de subduction sont le siège d une intense activité magmatique avec le plus souvent d importantes éruptions volcaniques. Etudions les roches de ces zones de subduction et l origine du magma qui leur a donné naissance. D autre part en s enfonçant dans le manteau, la croûte océanique est soumise à de nouvelles conditions de températures et de pression. Il s en des transformations minéralogiques à l origine de nouvelles roches dénommées roches métamorphiques. Etudions ces nouveaux assemblages minéralogiques. I. Les marqueurs magmatiques de la subduction. Comment se caractérisent le magmatisme et les roches magmatiques des zones de subduction? 1.1 Les manifestations du magmatisme Les zones de subduction sont le siège d'une importante activité magmatique qui se manifestent: - en surface par un volcanisme violent: nuées ardentes, explosions, dôme de lave au niveau du cratère. Ex.: Soufrère de Guadeloupe, Soufrière de Montserrat, Montagne Pelée de Martinique, Mont Saint Helens. Ces volcans sont situés à l'aplomb du plan de Benioff. - En profondeur par des plutons formés de granitoïdes qui affleurent suite à l'érosion. Formation des magmas basaltiques (Belin Term S) (Revoir la carte géologique des de la cordillère des Andes dans le chapitre précédent.) 1.2 Les roches magmatiques associées à la subduction. Les roches volcaniques Les andésites sont des roches magmatiques volcaniques caractéristiques des zones de subduction. Activité 1: Décrire la structure de l'andésite (lame mince au microscope en lumière polarisée analysée) et réaliser un schéma interprétatif. (Pour décrire la structure comparer les disposition et la taille des cristaux sur la lame mince) Microlite de plagiocase Phénocristal de plagioclase Tâche noire=bulle Pâte (Verre) 1
L'andésite a une structure microlitique : phénocristaux, et microlites noyés dans une pâte non cristallisée appelée verre Les roches plutoniques Les granitoïdes (roches proches du granite et diorites) sont des roches qui ont cristallisées en profondeur. Activité 2: Décrire la structure du granite (lame mince au microscope en lumière polarisée et analysée)et réaliser un schéma interprétatif (Pour décrire la structure comparer les disposition et la taille des cristaux sur la lame mince) Mica Feldspath Mica Quartz Décrire la structure du granite et réaliser un schéma interprétatif (Pour décrire la structure comparer les disposition et la taille des cristaux sur la lame mince) 2
Le granite a une structure grenue, c'est une roche entièrement cristallisée. Bilan de ces deux observations Les roches volcaniques de type andésite ont une structure microlitique, les roches plutoniques de type granitoïde ont une structure grenue. Ils possèdent les mêmes minéraux mais dans des proportions différentes. D'autre part leur composition chimique est semblable, cela laisse à penser qu'elles se forment à partir d'un même type de magma. II. L origine des magmas andésitiques. Rappel de Première Dans les zones d'accrétion, au niveau des dorsales, la fusion de la péridotite se produit vers 70 km de profondeur. Elle nécessite soit une décompression importante, soit une importante augmentation de la température. Quel est l origine du magma des zones de subduction? Activité 3 : La composition chimique des roches magmatiques se réfère à la teneur en pourcentage de silice (SiO2), de potassium (K2O), de sodium (Na2O), d'aluminium (Al2O3),de calcium (CaO), de fer (Fe2O3) et de magnésium (MgO), sous formes d'oxydes. Voici un tableau de la composition chimique d'andésite et du basalte de dorsale SiO2 Al2O3 Andésite 56,52 Basalte 49,2 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 P2O5 H2O 16 9,6 8,15 3,75 3,03 1,34 0,8 0,16 2,07 15,07 12,55 7,16 12,22 0,02 1,52 1,47 0,17 0,14 Voici les formules chimiques de minéraux présents dans les roches de subduction Minéraux Quartz Formule chimique SiO2 Feldspath alcalin (K,Na)Si3Al O8 Feldspath plagioclase (Ca,Na)Si2Al2 O8 Pyroxène (Ca,Fe,Mg)Si O3 Minéral alcalin Un minéral alcalin est riche en potassium et sodium. Amphibole Mica NaCa2(M K(Fe,Mg)3AlSi g,fe)4si6 3O10(OH)2 Al3O22(O H)2 Minéraux très hydratés 1 ) Comparer la teneur en SiO2 de l andésite et du basalte 1 ) Comparer la richesse en alcalins et en eau de l'andésite et du basalte 2 ) Que suggère ces comparaisons quant à l'origine du magma andésitique? 3
L'andésite, roche magmatique liée à la subduction est plus riche en SiO2, en alcalins et en eau que le basalte de la dorsale océanique. Le magma à l'origine des andésites ne peut pas provenir de la fusion de la plaque plongeante. Il tire son origine des péridotites du manteau supérieur de la plaque chevauchante. Dans les zones de subduction, la fusion partielle de la péridotite est possible à 40 km de profondeur et pour des températures faibles. Comment expliquer ce fait? Activité 4 Le diagramme Pression-Température indique les conditions de fusion pour les péridotites 4
1 ) Déterminer la température de fusion d'une péridotite sèche située à 100 km de profondeur (zone d'accrétion) 2 ) Cette température est-elle atteinte dans les zones de subduction? 3 ) Déterminer la température de fusion dans le cas d'une péridotite hydratée située à 100 km de profondeur 4 ) Déterminer à partir des géothermes à quelle profondeur une péridotite hydratée peut fondre au niveau océanique et au niveau continental 5 ) Conclure sur ce qui permet la fusion partielle des péridotites dans les zones de subduction. Dans les zones de subduction, la fusion partielle des péridotites du manteau supérieur de la plaque chevauchante est provoquée par la présence d'eau qui abaisse leur température de fusion, permettant ainsi la formation de magmas à faible profondeur. D'où provient l'eau responsable de l'hydratation des péridotites? La lithosphère océanique qui subit la subduction est très hydratée. Au cours de sa plongée elle se déshydrate. L'eau libérée abaisse la température de fusion des péridotites du manteau sus-jacent de la plaque chevauchante. Ainsi se forme du magma à faible profondeur. 5
Origine du magma dans une zone de subduction (D'après Belin Term S) L arrivée de magma en surface est la cause du volcanisme de type andésitique. Lorsque ce magma cristallise en profondeur, il est à l origine des roches plutoniques type granitoïde qui n atteignent la surface qu à la faveur de l érosion. III. Les transformations minéralogiques de la croûte océanique. Au cours de la subduction, les basaltes et les gabbros de la croûte océanique se transforment sous l effet des changements de pression et de température. Ils subissent une faible augmentation de température et une forte augmentation de pression entraînant la transformation de leurs minéraux en de nouveaux assemblages minéralogiques. Cette transformation structurale et minéralogique constitue le métamorphisme. Elle aboutit à la formation de nouvelles roches. Activité 5 : Un minéral est stable dans un certain intervalle de température et de pression. Ces intervalles constituent on domaine de stabilité. En sortant de leur domaine de stabilité, deux minéraux voisins réagissent entre eux pour donner naissance à d autres minéraux stables dans un nouveau domaine de stabilité. Le document ci après représente 2 photos de lames minces de gabbros métamorphiques observées au microscope polarisant en lumière polarisée analysée Glaucophane Plagioclase 6
a: Métagabbro à glaucophane Grenat Jadéite b: Métagabbro à grenat et jadéite (éclogite) a : métagabbro à glaucophane b : métagabbro à grenat et jadéite (éclogite) 1 ) Décrire sur la lame mince a la disposition des minéraux. 2 ) En déduire les minéraux de la roche initiale et ceux apparus dans un second temps. On a mesuré les quantités d eau dans des roches de la subduction Gabbro : 0% Métagabbro à chlorite : 2 à 3 % Métagabbro à glaucophane : 0,5 à 0,8 % Métagabbro à grenat et jadéite : 0,1% 3 ) Qu indique le passage du gabbro au métagabbro à chlorite 7
4 ) Qu indique le passage du métagabbro à chlorite au métagabbro à grenat et jadéite en passant par le métagabbro à glaucophane. Le passage du gabbro au métagabbro à chlorite correspond au refroidissement et à l épaississemnt de la lithosphère océanique qui a pris naissance au niveau de la dorsale (Vu en classe de 1ère) Le passage du métagabbro à chlorite au métagabbro à grenat et jadéite correspond à la subduction 5 ) Indiquer alors quel phénomène accompagne le refroidissement de la lithosphère océanique 6 ) Quel phénomène accompagne la subduction? Le diagramme ci-après représente les domaines de stabilité de quelques associations de minéraux. 8
5 ) D après ce diagramme, indiquer les associations minéralogiques présentes au cours de la plongée. Réponse (Gabbro, basalte) Schistes verts H2O Schistes verts = gabbro métamorphisé (métagabbro) ou basalte métamorphisé (métagabbro) à actinote et chlorite Les métabasaltes (et les métagabbros) de la lithosphère océanique en subduction subissent des transformations minéralogiques qui libèrent de l'eau (métagabbros, métabasalte) Schistes bleus H2O métamorphisé Eclogites H2O ou basalte Schistes bleus = gabbro (métagabbro) métamorphisé (métabasalte) à glaucophane Eclogite = métagabbro ou métabasalte à jadéite et grenat La découverte d éclogite dans un massif montagneux indique une ancienne zone de subduction. Bilan Les transformations minéralogiques de la lithosphère en subduction avec la formation de schistes bleus et d éclogites, le magmatisme andésitique à l origine des diverses roches volcaniques (andésite, rhyolites) et des massifs de granodiorites constituent d autres marqueurs caractéristiques de la subduction. 9