Évolution chimique des magmas

Introduction

On nomme magma primaire, le liquide résultant de la fusion partielle des roches du manteau. Ce premier liquide est de composition basaltique. Cependant, un magma primaire ne parvient que très rarement à la surface « en l’état ». En effet, lors de sa remonté dans la croûte, ce magma rencontre des roches encaissantes plus froides qui le refroidissent et induisent ainsi sa cristallisation. Ce magma, en remontant peut aussi rencontrer un autre magma et se mélanger à celui-ci.

Lors du refroidissement, les différents minéraux n’apparaissent pas tous à la même température. Les minéraux cristallisent en « fraction ». Ce processus se nomme la cristallisation fractionnée et est à l’origine de la différenciation magmatique. Ce processus induit une évolution chimique continue du magma.

Ceci n’est possible que grâce à une propriété thermodynamique des liquides silicatés. En effet, il existe un grand intervalle de température et de pression pour lequel coexistent une phase liquide et des minéraux. Le passage de l’état liquide (liquidus) à l’état solide (solidus) ne se fait donc pas à une seule température comme par exemple cela est le cas pour l’eau pure.

La cristallisation fractionnée

La cristallisation fractionnée est le phénomène pour lequel les minéraux qui cristallisent au fur et à mesure du refroidissement, le font par « fractions ». Le type de minéraux qui cristallisent ainsi que leur ordre d’apparition dans la séquence de cristallisation dépend de la composition chimique du magma, mais aussi d’autres paramètres tels que la teneur en volatils dissous, la température, la pression et la fugacité d’oxygène. Par exemple, si le magma est basaltique, pauvre en éléments volatils dissous et à relativement basse pression, l’olivine (minéral ferro-magnésien) va cristalliser en premier, suivie par des plagioclases riches en calcium (Anorthite), les pyroxènes, etc.…). La série de Bowen permet de modéliser et d’idéaliser le processus de cristallisation fractionnée.

La série de Bowen

La différenciation magmatique

La différenciation magmatique est le corollaire de la cristallisation fractionnée. En effet, étant donné que chaque premier minéral formé ne contient que quelques éléments chimiques, le liquide résiduel s’appauvri en ces éléments et donc s’enrichi relativement en tous les autres éléments qui ne rentrent pas ou peu dans la composition du minéral.

Par exemple, considérant la cristallisation d’olivine (Mg2SiO4), le liquide résiduel va s’appauvrir en Magnésium (Mg) alors que tous les autres éléments vont s’enrichir relativement. Par conséquent, à partir d’un liquide basaltique, on obtient par cristallisation fractionnée des quantités décroissantes de liquides de plus en plus différenciés appauvri en Mg, Ca et Fe et passivement enrichis en silice et alcalins (Na et K).

Le principal moteur permettant la séparation des minéraux des liquides résiduels est la séparation par densité. En effet, les minéraux plus denses descendront alors que le liquide résiduel moins dense surnage.

Par exemple, pour la série calco-alcaline, le processus de cristallisation fractionnée et de différenciation permet d’obtenir à partir d’un liquide primaire des magmas de compositions suivantes : basalte, andésite basaltique, andésite, dacite et rhyolite.

Assimilation et mélange de magmas

Le phénomène de différenciation par cristallisation fractionnée n’est pas le seul phénomène capable de faire évoluer la composition chimique des magmas. En effet, les magmas peuvent être contaminés par les roches encaissantes (échanges de certains éléments chimiques) mais aussi par « assimilation » de fragments de l’encaissant.

Le second processus permet aussi de modifier profondément la composition chimique d’un magma. On l’appelle le « mélange de magmas ». En effet, il n’est pas rare qu’une chambre magmatique différenciée soit ré-alimentée par des injections de magmas plus « primaire ». Souvent, seul une étude pétrographique détaillée permet d’identifier les mélanges de magmas. Des études récentes indiquent d’ailleurs que dans le volcanisme acide, ces injections de basalte dans les chambres superficielles sont souvent à l’origine du déclenchement des éruptions (ex : Pinatubo 1991).