L

1
Le magmatisme comment fondent et se solidifient
les roches?
2
Comme le constataient nos Anciens,  Il y a du
feu sous nos pieds  mais ce nest la colère des
Dieux qui est à lorigine des éruptions
3
Ce sont les mouvements des plaques tectoniques
et lexistence de  points chauds  qui causent
le magmatisme et le volcanisme qui lui est
associé. 1. Le volcanisme des
dorsales 2. Le volcanisme intraplaque et des
rifts 3. Le volcanisme des arcs insulaires 4.
Le volcanisme des arcs continentaux 5. Le
volcanisme de bassin arrière arc 6. Le
volcanisme des points chauds 7. Le volcanisme
intracontinental
4
Mais aborder le
magmatisme par la tectonique ne permet pas de
répondre à de nombreuses questions -
Pourquoi les basaltes et les granites sont ils si
différents? - Comment une roche comme la
silice peut-elle être liquides à 800C? -
Comment le manteau peut-il produire du basalte
alors quil nen contient pas? - Pourquoi
observe-t-on autant de granites dans la
croûte? - Pourquoi avec les granites on observe
plutôt des plutons et avec les basaltes des
volcans?...
5
Pour répondre à ces questions, on va introduire
les diagrammes de fusion ou de solidification et
la notion de composition eutectique qui veut
dire composition qui fond facilement. On
utilisera les eutectiques pour expliquer comment
se forment les magmas. On appliquera alors ces
notions au magmatisme et au volcanisme.
Les documents utilisés pour cet exposé
proviennent des géologues qui publient sur
Internet, en particulier C. Nicollet, C. Annen,
D. Dungan, JP. Winter, T. Grand, Le Laboratoire
des Sciences de la Terre de Lyon, le CNRS, les
cours de Pétrology de lUniversité de Laval
(Quebec) et de Washinton (USA) et WIKIPEDIA. Je
les en remercie.
6
1 - Aujourdhui les bases - la fusion
et la solidification en géologie, - les
eutectiques binaires, - observe - t - on
toujours des eutectiques? - les diagrammes
ternaires et plus, - la fusion dune roche -
influence de la pression (la profondeur en
géologie. Dans deux exposés
ultérieurs, on abordera les applications au
volcanisme - la formation du basalte -
la remontée du magma le volcanisme
basaltique (fractures, points chauds,
dorsales), - la formation des granites lors
des subductions et le volcanisme
acide, - et les séries magmatiques.

7
Les changements détat
En géologie il ny a pas de roches à létat
gazeux. Par contre leau et le CO2 sont à létat
 supercritique 
gaz
Vaporisation condensation
liquide
Température
Les transformations Solide liquide
et liquide solide sont les
transformations dont il faut tenir compte dans
le magmatisme
Fusion solidification
solide
Les changements détat des corps purs sont
totalement réversibles.
8
Un peu de thermodynamique
Liquide Solide
Pour un constituant Effet de la
température La dilatation Effet de la pression
La compressibilité Le changement
détat Léquilibre solide liquide La chaleur de
fusion Température de fusion Réversibilité In
fluence de la profondeur (la pression)
Chaleur de fusion
température
Structure Le constituant A
9
Comment fait - on pour étudier la fusion et la
solidification?
La mesure dun couple de rotation
Un microscope pour observer la fusion ou la
cristallisation
Creuset contenant le mélange à étudier
T1
Bloc pouvant être chauffé et refroidi
T2
On mesure lévolution des températures T1 et T2
et du couple de rotation au cours du chauffage ou
du refroidissement du bloc. On peut aussi
examiner le mélange après solidification avec les
outils classiques de la physique les rayons X
(structure cristalline), la micro sonde
(composition locale) et le spectromètre de masse
(localisation des éléments sous forme de traces).
10
La solidification dun corps pur leau par
exemple Courbes de refroidissement observées
lors de la solidification de leau T1
température du bloc, T2 température du creuset.
Refroidissement du liquide
La solidification libère la chaleur de fusion
Mélange eau glace
T2
Tout est de la glace

Température de changement détat

0C
Refroidissement dans le creuset

T2
T1
Refroidissement du bloc
11
La solidification dun mélange eau 10 de
ClNa Courbes de refroidissement observées lors
de la solidification du mélange eau 10 de
ClNa
Refroidissement du liquide

La solidification libère la chaleur de fusion
et de dissolution
Mélange eau salée glace
Température de changement détat


0C
-22C
Glace et sel
Début et fin de la solidification du mélange eau
ClNa
12
Construction dun diagramme de solidification
Les diagrammes de solidification permettent de
connaître la température de solidification dun
mélange quelque soit sa composition.
Température
Liquidus le lieu des points correspondant au
début de la solidification
Température de solidification du corps pur
Température de début de solidification
Composition dun autre liquide
Nouvelle température de solidification
Liquide ayant la température de solidification
la plus basse leutectique
Température de leutectique
Solidus le lieu des points correspondant au
solide formé. Ici le solide contient peu de
soluté
Nouvelle composition
Composition du mélange
Corps pur
Composition du liquide
Composition eutectique
Composition du solide Cs
13
Utilisation du diagramme de solidification(cas
dun diagramme avec solution solide et
eutectique)?
Température
Le liquidus le lieu des points correspondant
au début de la solidification
Corps pur
Température de début de solidification
Température de début de fusion
Composition du solide formé
Évolution de la composition du liquide
Le solidus le lieu des points correspondant au
début de la fusion
Température de fin de solidification si on
atteint léquilibre en phase solide
Composition du liquide Cl
Composition du mélange
Cs
kCl
Ce diagramme met en évidence une relation entre
la concentration dans le liquide Cl et la
concentration dans le solide formé à chaque
instant. Cs kCl k est appelé coefficient de
partage. Il traduit la tendance de soluté à aller
de préférence dans le solide kgt1 élément
compatible ou dans le liquide klt1 élément
incompatible.
14
La notion déquilibre en solidification
Éléments compatibles et incompatibles et
équilibre local
Pour une solution de B et C dans A C élément
compatible et B élément incompatible C est
rapidement incorporé au solide. Le premier solide
est donc riche en C Le liquide est appauvri en
C B est rejeté dans le liquide. Le premier
solide est donc pauvre en B Le liquide est
enrichi en B Léquilibre est local lorsquà
chaque instant léquilibre liquide - solide à
linterface est respecté. Le solide déjà formé
reste inchangé.
Liquide Solide
Linterface liquide solide à linstant t
Début de la solidification
Constituant A
Constituant B Constituant C

incompatible
compatible
15
Les conséquence de la solidification en équilibre
local
Partant du liquide de composition Cl (ici on se
limite à un seul soluté) la composition de la
première tranche de solide formé est Cs k . Cl
avec k coefficient de partage caractéristique du
soluté k gt 1 élément compatible, absorbé par
le solide k lt 1 élément incompatible, rejeté
par le solide Suivant la valeur de k, le
liquide résiduel se trouve appauvri (kgt1)
ou enrichi (klt1) en soluté. Si la diffusion est
rapide, la concentration du liquide devient
homogène et égale à Cl1 Le solide de la tranche
suivante aura une composition Cs1 k .
Cl1 différente de Cs. Le liquide aura alors une
composition Cl2 différente de Cl1.
Liquide Cl
Surface à une température inférieure à la
température de solidification
Solide Cs
Liquide Cl1
Liquide Cl2
Solide Cs
Solide Cs1
La composition du liquide évolue pendant la
solidification et atteint toujours la
composition eutectique.
16
La solidification en équilibre local La
solidification du mélange eutectique eau NaCl
mélange Eau 10 NaCl de concentration Cl
23 de ClNa
Cl1
Cl2
T de début de solidification
Cs
Liquidus
Cs1
(glace)
(NaCl)
Solidus
Eutectique
- 22C
Ce type de diagramme est souvent observé en
géologie.
17
Le mélange Pyroxène - Plagioclase à lorigine
des basaltes
Entièrement liquide
Liquide
Liquide
Entièrement solide
Pyroxène (monoclinique)
Plagioclase (triclinique)
CaAl2Si2O8
CaMgSi2O6
18
Essayons de résumer
Ce qui est particulier aux solutions Effet de
la température Solubilité dans A à létat liquide
liquidus Chaleur de dissolution Variation de
volume Solubilité dans A à létat solide
solidus éléments compatibles et incompatibles Le
changement détat Effet sur la composition de
A éléments compatibles et incompatibles Températur
e de solidification de A en présence de solutés
Liquide Solide
Chaleur de fusion chaleur de dissolution
température
Constituant A
Constituant B Constituant C

incompatible
compatible
19
Parlons maintenant des eutectiques
Oui mais....
et la pause??? Voilà, voilà, cest maintenant!
20
Quand observe-t-on des eutectiques? Lorsque k lt
1 les constituants des roches qui cristallisent
selon des systèmes cristallins très
différents ne peuvent pas cristalliser dans un
même système car les déformations seraient alors
trop grandes. Ils forment des eutectiques et
parfois des verres. Ainsi lorthose ou le
feldspath, KAlSi3O8 qui est monoclinique forme
un eutectique avec les plagioclases
tricliniques. Les structures de cristallisation
des silicates étant très diverses, les silicates
donnent lieu à de nombreux eutectiques qui sont à
lorigine des magmas. Voyons cela.
21
Komatiite
Les roches volcaniques se solidifient à la
surface de la terre et correspondent à un
refroidissement rapide. La structure granulaire
est fine (microlithes), parfois vitreuse. Les
roches plutoniques sont solidifiées dans
la croûte terrestre et correspondent à un
refroidissement lent pendant et après la
solidification. Les grains sont grossiers,
souvent recristallisés et une homogénéisation
de la phase solide est possible.
MONOCLINIQUE

DE

TETRAEDRES CUBIQUE


TRICLINIQUE
STRUCTURE PLANAIRE
ORTHOROMBIQUE DOUBLE
CHAINE
Anorthite
CHAINE
Nepheline
Diopside
Fosterite
Albite
La classification de Mason (Pomerol et Renard,
1997) Structure des silicates à lorigine des
magmas
22
Les diagrammes avec eutectique

• La composition eutectique se comporte comme un
  corps pur
• solide en dessous de la température Te, liquide
  au dessus
• liquide et solide formés ont la même composition
  moyenne
• mais le solide est formé de deux constituants.
• - la température de fin de solidification est
  la température de leutectique Te.
• Lorsque la composition est différente de
  leutectique
• - la solidification commence avec la formation
  de lun des
• constituants les phénocristaux
• - la fusion débute à la température de fusion
  de leutectique
• et ne concerne que le volume eutectique.
• Voyons cela sur un exemple.

23
Propriétés dun eutectique fusion et
solidification
1
3
2
Ce
Basalte
4
Solidification et fusion dans quatre cas 1, 2,
3 et 4 Notion de réversibilité partielle du
changement détat
Clinopyroxène Gabbro
Feldspath plagioclase
24
Observe-t-on toujours des eutectiques
? Non Lorsque k gt 1 si la solidification des
constituants peut se faire selon le même système
cristallin, alors les constituants cristallisent
ensemble (dans le même système qui sadapte par
de légères déformations). Ainsi, les
plagioclases feldspaths albite et anorthite
qui cristallisent tous les deux dans le système
triclinique ne forment pas deutectique mais une
solution solide.
25
La solidification des plagioclases Cs k . Cl
avec k(anorthite) variant de 1.5 à 3
La solidification produit une succession de
solutions solides dont la composition est donnée
par le solidus (points bleus). La
solidification se termine par la formation de
quelques dAlbite. Contrairement aux
eutectiques, il ny a pas dabaissement de la
température de solidification .
NaAlSi3O8
CaAl2Si3O8
Albite solutions
solides Anorthite par
remplacement des sites Ca par Na
Lolivine est un autre exemple de
solution solide continue entre la Fosterite et
la Fayalite.
26
Lolivine et la solution solide Fostérite -
Fayalite
Pression atmosphérique After Bowen and Shairer
(1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, 177-213.
Fa (Fe2SiO4)
Fo (Mg2SiO4)
Les péridotites sont des roches métamorphiques
qui constituent la majeure partie du manteau.
Elles sont constituées dolivine et de silicates
ferro-magnésiens (pyroxènes). Les péridots sont
des cristaux dolivine verts ou jaune-verdatres,
transparents utilisés en joaillerie.
27
Un outil important en géologie la
microstructure observée sur lame mince en lumière
polarisée
Exemple microstructure des plagioclases Albite
composition NaAlSi3O8 et Anorthite composition
CaAl2Si2O8 forment une série de solutions solides
ce sont les plagioclases. Andesine et
Labradorite (NaCa)Al4Si4O8 sont des
plagioclases, intermédiaires contenant 50 à 70
dalbite pour landesine, linverse pour la
labradorite. Les plagioclases sont
reconnaissables par la présence de
macles parfois visibles à lœil nu.
28
Compliquons un peu avec les diagrammes ternaires
et plus.... Représentation dun diagramme de
solidification à 3 constituants
Surface en trois dimensions du liquidus dun
diagramme ternaire ABC comportant trois
eutectiques binaires E1, E2, E3
Température
E1
E2
E3
Eutectique ternaire Température la plus basse
E1
Vallée eutectique
E2
courbes de niveau du liquidus
Projection du liquidus sur le plan ABC
E3
29
Exemple solidification dun liquide de
composition P 60 de A10 de B30 de
C (composition hypo-eutectique)
P
P
A
P
La microstructure
30
La composition du liquide atteint leutectique E1
P
P
Cristal primaire de A
E1
P
La microstructure
31
Lorsque la composition du liquide atteint la
vallée eutectique, le solide formé a la
composition (variable) de leutectique binaire E1
P
A
E1
E1
Évolution de la microstructure
32
La solidification se termine par la
solidification de leutectique ternaire E
P
A
E1
E1
E
Microstructure du solide Elle est formée de
cristaux primaires de A et des deux eutectiques.
33
                                                  
                                                  
 
Exemple microstructure dune Andésite de La
Martinique (Les Trois Ilets)
Eutectique
Cristal de clinopyroxène
Cristal de plagioclase
1 mm
La présence de cristaux primaires de plagioclase
et de clinopyroxène est lindication dun
mélange de deux magmas et les cristaux primaires
zonés indiquent que la solidification ne sest
pas produite de manière continue.
34
Fusion dun mélange ABC Quand on
réchauffe un mélange ABC, même sil na jamais
fondu, on constate quaux interfaces ABC il se
forme, à partir de la température Te, un liquide
de composition eutectique E. Si la température
dépasse Te, la composition du liquide remonte la
vallée eutectique E1.
P
A
E1
E1
E
Microstructure du solide Elle est formée de
cristaux primaires de A et des deux eutectiques.
35
La fusion des roches (T. Grand modifié)
Cela se produit jamais à cause de la
pression . . . . au niveau de
lasthenosphère
Tout est fondu
Température
Les autres minéraux se dissolvent dans le liquide
dont la composition évolue
à 1200C
Liquide eutectique
TE
Début de fusion formation entre les
cristaux dun film liquide de composition
eutectique
A
C
Roche composée de 3 minéraux A, B, C pouvant
former un eutectique
B
36
Rappels sur la constitution de la terre
Lensemble croûte lithosphère forme une plaque
tectonique
MOHO 300 à 600C et 1 GPa Température
1200C et pression de 2 GPa 2000C et 25
GPa 3500C et 140 GPa 5000C
Zone rigide
Zone rigide
Zone des eutectiques fondus Zone ductile
Zone rigide car tout est solide
Zone liquide
Le MOHO discontinuité caractérisée par une
accélération des ondes sismiques (augmentation de
la densité des roches) est la limite entre la
croûte (basaltes et granites) et le manteau
(péridotites)
LASTHENOSPHERE a été définie par des critères de
comportement mécanique à partir des mesures de
propagation des ondes sismiques. Cest la zone où
les ondes se propagent à faible vitesse (LVZ
low velocity zone). Cest une zone ductile où les
eutectiques basaltiques sont fondus.
37
Lextraction du magma (T. Grand modifié)
A
Liquide
Solide
C
A
B
C
A
B
C
B



0
0
0
Composition Eutectique
Te 1200C
-


La différence de densité entre le magma et les
grains ne permet pas dextraire le magma. Pour
que le liquide eutectique se sépare de la partie
encore solide Il faut des contraintes
dépressives (une déformation en expansion par
exemple).
Contraintes dépressives
Il reste un résidu A (-) B () C () dont le
point de fusion est devenu plus élevé
38
Exemple formation de magma dans une roche
sédimentaire, Granite danatexie ou granite S
Alternance de niveaux clairs (roche migmatite
granitique qui a fondue et sest solidifié) et
de niveaux sombres dont la texture métamorphique
est conservée.
29
39
Intéraction avec la profondeur
La fusion des roches commence par la fusion de
leutectique ayant le point de fusion le plus bas
vers 1200C entre 100 et 200 Km de profondeur.
Cela se produit dans lasthénosphère. Cette
fusion nest généralement que partielle. La
profondeur à laquelle se produit la
fusion détermine la pression qui sexerce sur les
matériaux. Cette pression modifie les équilibre
liquide solide - elle augmente la
température de fusion - elle diminue la
solubilité des incompatibles - elle favorise la
solubilité des compatibles et - elle modifie la
température et la composition des
eutectiques! Voyons un exemple.
40
Effet de la pression sur le mélange Diopside -
Anorthite
Diopside
Anorthite
On constate une élévation de près de 100C de la
température de fusion de leutectique et une
modification de la composition de leutectique
à haute pression, le liquide eutectique est
beaucoup plus riche en anorthite. Le magma
basaltique formé à un profondeur de 37 Km (1GPa)
est riche en anorthite cest un basalte
tholéitique.
41
Aussi en Géologie est-il important détudier
les diagrammes de solidification à très haute
pression
Léchantillon
Presse de 800 tonnes
Détails du four de fusion
Exemple de dispositif expérimental utilisé en
géologie
42
Voici, en résumé, les connaissances dont nous
avons besoin pour étudier  La formation et la
remontée du magma basaltique 
La fusion des roches commence par la fusion de
leutectique ayant le point de fusion le plus
bas. Le volume fondu vers 1200C nest
généralement que de quelques . Extraction du
magma des contraintes dépressives sont
nécessaire pour séparer le magma liquide situé
entre les grains de la masse encore solide. La
composition du magma pour les composants
majeurs, cette composition est donnée par la
classification de Mason. Elle dépend de la
profondeur à laquelle la fusion se produit car
la pression modifie la température et la
composition eutectique. Le magma séparé du
solide a une composition très différente des
solides qui lui ont donné naissance et
indépendante de la proportion des solides qui le
forment. La solidification se produit
généralement en suivant  un équilibre local
cest à dire sans diffusion en phase solide mais
avec diffusion en phase liquide. La
solidification commence par les constituants
ayant la température de solidification la plus
élevée. Le liquide restant est appauvri en
éléments compatibles. La solidification se
termine avec leutectique ayant le point de
solidification le plus bas. La microstructure,
les cristaux formés dépendent de la composition
des cristaux primaire ou phénocristaux lorsque la
composition est différente de leutectique sinon
cristallisation de microlithes dans
leutectique. La dimension des cristaux dépend de
la vitesse de refroidissement pendant la
solidification. Après solidification peut encore
se produire une homogénéisation de la phase
solide, une recristallisation et un
grossissement des cristaux les plus fins. Les gaz
sont dans un état super critique et sont dissous
dans le magma. Ils seront libérés plus ou moins
progressivement lors de la décompression
résultant de la remontée du magma vers la surface.
43
Les 7 systèmes cristallins
Rhomboédrique
Des angles différents Deux angles droit
Trois angles droits
Triclinique ou anortique
Hexagonal
Monoclinique
Cubique
Orthorhombique
Quadratique ou tetragonal
44
Structure du quartz SiO2
La cristobalite stable à très haute
T structure cubique
Le quartz à haute T structure hexagonale
-
4 - (SiO4)
-
-
-
La structure hexagonale du quartz est peu
compatible avec les autres silicates. Ceci
explique que le quartz soit à lorigine de
nombreux verres.
45
Structure des silicates
Pyroxènes forment une chaîne de
tetraèdres Amphiboles forment une double
chaîne de tetraèdres Micas une structure
planaire
Feldspaths Assemblage des tétraèdres monocliniq
ue orthose et triclinique albite/anorthite
(SiO4)(AlO4)
Olivine orthorombique
46
Leutectique
Liquide Solide
Leutectique
Chaleur de fusion et de dissolution
température
Constituant A
Constituant B Constituant C

incompatible
compatible