17Les roches magmatiques

Sur la côte nord de l’Irlande, des colonnes de pierre serrées les unes contre les autres descendent en gradins dans la mer : la Chaussée des Géants, un basalte qui a refroidi à partir d’une lave. Dans le parc de Yosemite, en Californie, la paroi de granite d’El Capitan s’élève à quelque $900\,\mathrm{m}$ au-dessus du fond de la vallée, un seul massif de roche à gros grains. Tous deux ont cristallisé à partir d’un magma. Le basalte a refroidi en surface, ses cristaux trop petits pour être vus ; le granite a refroidi profondément sous terre, ses cristaux assez grands pour être vus, et on ne le voit aujourd’hui que parce que les roches qui le recouvraient ont été usées. Ce chapitre lit dans les grains d’une roche à quelle vitesse, et à quelle profondeur, elle a refroidi.

Tu sais déjà

Le magma est de la roche fondue sous la surface ; il fait éruption sous forme de lave, calmement ou de façon explosive (livre 1, année 7). Une roche magmatique (ou ignée) est une roche formée quand de la roche fondue refroidit et devient solide (livre 1, année 6). Le basalte est une roche volcanique sombre, le granite une roche claire faite de feldspath, de quartz et de mica (livre 1, année 6). La péridotite du manteau fond partiellement en remontant sous une dorsale, ce qui donne le basalte et le gabbro de la croûte océanique (Chapitre 14). Les silicates constitutifs des roches sont l’olivine, les pyroxènes, les amphiboles, les micas, les feldspaths et le quartz ; les feldspaths sont le feldspath potassique et le plagioclase, une série allant du pôle riche en calcium au pôle riche en sodium (Chapitre 16). La chaleur se propage par conduction sur une distance d’environ $\sqrt{\kappa t}$ en un temps $t$, où $\kappa$ est la diffusivité thermique (Chapitre 15).

17.1 Roches volcaniques et roches plutoniques

Définition 17.1 (Roche volcanique ; roche plutonique)

Une roche magmatique, formée par la cristallisation d’un magma, est volcanique (ou effusive) quand le magma s’est solidifié à la surface de la Terre, sous forme de lave, et plutonique (ou intrusive) quand il a cristallisé en profondeur, à l’intérieur d’autres roches.

La différence se voit à la taille des cristaux. Un cristal grandit en ajoutant des atomes pris au liquide qui l’entoure, et cela demande du temps. En surface, une lave perd vite sa chaleur dans l’air ou dans l’eau : les matériaux projetés dans l’air ou dans l’eau refroidissent en quelques secondes, une coulée de lave en quelques jours à quelques semaines. En profondeur, les roches encaissantes sont chaudes et le magma perd sa chaleur lentement : une intrusion peu profonde refroidit en quelques mois à quelques années, une grande intrusion profonde peut demander des millions d’années. Un refroidissement rapide donne de nombreux petits cristaux, ou pas de cristaux du tout ; un refroidissement lent en donne moins, mais bien plus grands.

Définition 17.2 (Texture)

La texture d’une roche est la taille, la forme et l’agencement de ses grains. Une roche magmatique est vitreuse quand elle n’a pas de cristaux, à grain fin quand ses cristaux sont trop petits pour être distingués à l’œil nu, et à gros grains quand on peut tous les voir.

Une lave trempée avant qu’aucun cristal ait pu grandir devient un verre : l’obsidienne, noire et vitreuse, se casse avec la cassure conchoïdale d’une bouteille. Le basalte est à grain fin : à la main, on ne peut pas identifier ses minéraux, et même en lame mince ses cristaux sont petits (le basalte du Chapitre 16). Le granite, le gabbro et la diorite sont à gros grains : chaque grain se voit.

Définition 17.3 (Phénocristal ; porphyrique)

Un phénocristal est un grand cristal pris dans une masse de cristaux bien plus petits ou de verre, la pâte. Une roche à phénocristaux est porphyrique.

Une texture porphyrique enregistre deux étapes de refroidissement : d’abord lente, en profondeur, pendant que les phénocristaux grandissaient dans un magma encore surtout liquide ; puis rapide, quand le magma est monté et a fait éruption, ou a été injecté dans une roche froide, et que le reste du liquide s’est figé en pâte.

17.2 Nommer les roches magmatiques

La seconde clé d’une roche magmatique est sa chimie, et surtout sa teneur en silice, $\ce{SiO2}$, qui va dans les magmas courants d’environ $45\,\%$ à environ $75\,\%$ de la masse.

Définition 17.4 (Mafique ; intermédiaire ; felsique)

Un magma, ou la roche qu’il forme, est mafique quand il contient environ $45\,\%$ à $55\,\%$ de $\ce{SiO2}$ et qu’il est riche en fer, en magnésium et en calcium ; intermédiaire entre $55\,\%$ et $65\,\%$ ; felsique quand il contient environ $65\,\%$ à $75\,\%$ de $\ce{SiO2}$ et qu’il est pauvre en fer, en magnésium et en calcium mais riche en sodium et en potassium.

Chaque type de magma donne deux roches de même chimie, l’une volcanique et à grain fin, l’autre plutonique et à gros grains. Le basalte et le gabbro forment la paire mafique, rencontrée avec la croûte océanique ; le granite est la roche plutonique felsique. Trois noms complètent l’ensemble.

Définition 17.5 (Andésite ; diorite ; rhyolite)

L’andésite et la diorite sont la roche volcanique et la roche plutonique de composition intermédiaire, faites surtout de plagioclase avec de l’amphibole ou du pyroxène. La rhyolite est la roche volcanique de composition felsique : c’est l’équivalent à grain fin du granite.

Méthode 17.6 (Nommer une roche magmatique)

1. Observer la texture : vitreuse, à grain fin ou à gros grains ; porphyrique ou non. Une texture à grain fin ou vitreuse indique une roche volcanique (ou une petite intrusion vite refroidie) ; une texture à gros grains, une roche plutonique.
2. Identifier les minéraux visibles (Méthode 16.4) : le quartz et le feldspath potassique indiquent une roche felsique, l’amphibole avec le plagioclase une roche intermédiaire, l’olivine et le pyroxène une roche mafique. Dans une roche à grain fin, utiliser les phénocristaux, la couleur de la pâte — sombre pour une roche mafique, claire pour une roche felsique — à titre d’indice, ou une analyse chimique.
3. Lire le nom au croisement de la ligne et de la colonne du diagramme.

Exemple 17.7 (Deux basaltes)

Une roche sombre issue d’une coulée de lave est à grain fin dans toute sa masse ; une autre, issue du même volcan, montre des grains verts d’olivine de quelques millimètres dans une pâte sombre. Toutes deux sont mafiques et à grain fin : ce sont deux basaltes. Le second est un basalte porphyrique : son olivine a grandi d’abord, lentement, dans le magma situé sous le volcan, avant que la lave fasse éruption et se fige autour d’elle.

17.3 L’ordre de cristallisation

Un magma ne se fige pas à une seule température, comme l’eau. Ses minéraux apparaissent les uns après les autres à mesure qu’il refroidit, chacun dans son propre intervalle de température, si bien qu’un magma qui refroidit peut contenir des cristaux tout en restant surtout liquide.

Histoire des sciences — Les expériences de Bowen

Norman L. Bowen (1887–1956) entra au Geophysical Laboratory de la Carnegie Institution, à Washington, en 1912. Travaillant surtout sur des magmas basaltiques, il faisait fondre une roche dans un four, la laissait refroidir lentement jusqu’à une température choisie pour que certains minéraux se forment, puis la trempait, en la refroidissant si vite que le liquide restant devenait un verre. Au microscope, les cristaux montraient quels minéraux s’étaient formés au-dessus de cette température. Répétée à des températures de plus en plus basses, l’expérience donnait l’ordre d’apparition des minéraux. Bowen publia cet ordre sous forme d’une série réactionnelle en 1922, et son livre The Evolution of the Igneous Rocks en 1928.

Le mot réactionnelle compte. L’olivine n’est stable qu’à haute température : à mesure que le magma refroidit, les cristaux d’olivine réagissent avec la silice du liquide et se transforment en pyroxène,

et ainsi de suite le long de la branche, tant qu’il reste de la silice dans le liquide. Le long de l’autre branche, les cristaux de plagioclase continuent de grandir, mais chaque nouvelle couche est plus riche en sodium que la précédente : un cristal de plagioclase peut être zoné, d’un cœur riche en calcium à une bordure riche en sodium, comme les phénocristaux de plagioclase de l’andésite ci-dessus.

La série explique le diagramme. Un magma mafique manque tôt de silice : il cristallise de l’olivine, du pyroxène et un plagioclase riche en calcium, et donne un gabbro s’il refroidit lentement sous terre, un basalte s’il refroidit vite en surface. Seul un magma riche en silice va jusqu’au bout de la série et forme du feldspath potassique et du quartz : les minéraux du granite et de la rhyolite. La façon dont un magma change de composition en chemin, quand ses premiers cristaux sont séparés du liquide, est l’objet de la deuxième année d’université.

17.4 Les intrusions

Le magma monte parce qu’il est moins dense que les roches qui l’entourent, en se frayant un chemin dans les fractures et en les élargissant. Une grande partie n’atteint jamais la surface : il cristallise dans la croûte sous forme d’intrusions, que l’on ne voit qu’une fois que l’érosion a enlevé les roches qui les recouvraient.

Définition 17.8 (Dyke ; sill ; pluton)

Une intrusion est un corps de roche magmatique qui a cristallisé à l’intérieur d’autres roches. Un dyke (ou filon) est une lame de roche magmatique qui recoupe les couches ou les structures des roches qu’il traverse ; un sill est une lame parallèle aux couches, insérée entre elles. Un pluton est une grande intrusion de forme quelconque, formée en profondeur ; de nombreux plutons réunis forment un batholite (Chapitre 22).

Les dykes ont en général moins de $20\,\mathrm{m}$ de large et les sills moins de $50\,\mathrm{m}$ d’épaisseur ; un sill est d’ordinaire alimenté par un dyke. Les dykes et les sills peu profonds refroidissent vite : ils sont à grain fin, parfois porphyriques. Contre la roche froide qu’ils traversent, leurs bords refroidissent plus vite encore et ont un grain plus fin que leur centre : c’est une bordure figée, la marque d’un corps qui était chaud quand il s’est mis en place. La Sierra Nevada de Californie, où se trouve Yosemite, est un batholite : les roches granitiques dont la masse volumique a été mesurée au Chapitre 16 proviennent d’environ deux cents de ses plutons.

Combien de temps une intrusion met-elle à cristalliser ? Considérons une lame de magma — un dyke ou un sill — d’épaisseur $b$, qui perd sa chaleur par conduction dans la roche des deux côtés. Les seules grandeurs qui fixent le rythme sont l’épaisseur $b$, en mètres, et la diffusivité thermique $\kappa$, en $\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ ; la seule durée que l’on puisse construire avec elles est $b^2/\kappa$.

Proposition 17.9 (La durée de refroidissement d’une lame de magma)

Une lame de magma d’épaisseur $b$ qui refroidit par conduction se solidifie en un temps

$$t = C\,\frac{b^2}{\kappa},$$

où $\kappa$ est la diffusivité thermique des roches et $C$ un nombre fixé par les températures du magma et de la roche encaissante et par la chaleur libérée par le magma en cristallisant. Doubler l’épaisseur multiplie la durée par quatre. (Admis ; la valeur de $C$ provient d’un modèle calculé.)

Pour un magma basaltique injecté à $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ dans une roche à $50{}^{\circ}\mathrm{C}$, qui cristallise complètement à $950{}^{\circ}\mathrm{C}$ et libère $900\,\mathrm{MJ}$ de chaleur par mètre cube cristallisé, avec $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$, le modèle donne $C \approx 0.21$. Une lame épaisse de $2\,\mathrm{m}$ se solidifie alors en une dizaine de jours, un sill épais de $20\,\mathrm{m}$ en deux ans et demi environ, un sill de $100\,\mathrm{m}$ en soixante-cinq ans environ. Sans la chaleur de cristallisation, les durées seraient trois fois plus courtes : le magma qui cristallise se maintient lui-même au chaud.

Le modèle montre aussi la formation de la bordure figée. La roche au contact passe aussitôt à environ $690{}^{\circ}\mathrm{C}$, bien en dessous du solidus : les premiers centimètres du sill se figent en moins d’un jour, alors que son centre reste liquide pendant des années. Les intrusions réelles sont plus compliquées — les propriétés des roches changent avec la température, l’eau circule, un pluton profond se trouve dans une roche déjà chaude et peut être alimenté encore et encore —, ce qui explique que les grandes intrusions profondes mettent bien plus longtemps à refroidir que ne le suggérerait la loi, avec un encaissant froid.

17.5 Exercices

Exercice 17.1 ★

Définir une roche volcanique et une roche plutonique. Donner les trois paires de roches volcaniques et plutoniques de même composition, de la plus mafique à la plus felsique.

Solution

Solution de Exercice 17.1.

Une roche volcanique s’est formée à partir d’un magma solidifié en surface, sous forme de lave ; une roche plutonique a cristallisé en profondeur, à l’intérieur d’autres roches. Les paires : basalte et gabbro (mafiques), andésite et diorite (intermédiaires), rhyolite et granite (felsiques).

Exercice 17.2 ★

Associer chaque roche à sa texture — vitreuse, à grain fin, à gros grains, porphyrique : (1) l’obsidienne ; (2) le granite ; (3) un basalte contenant des cristaux verts d’olivine de quelques millimètres dans une pâte sombre ; (4) un basalte dans lequel aucun minéral n’est visible.

Solution

Solution de Exercice 17.2.

(1) Vitreuse. (2) À gros grains. (3) Porphyrique (phénocristaux d’olivine dans une pâte fine). (4) À grain fin.

Exercice 17.3 ★

Trois magmas contiennent $48\,\%$, $60\,\%$ et $72\,\%$ de $\ce{SiO2}$. Classer chacun, et nommer la roche que chacun donne quand il refroidit lentement en profondeur.

Solution

Solution de Exercice 17.3.

$48\,\%$ : mafique, gabbro. $60\,\%$ : intermédiaire, diorite. $72\,\%$ : felsique, granite.

Exercice 17.4 ★

Définir un dyke, un sill et un pluton. Sur le schéma des intrusions de ce chapitre, quel corps a alimenté le volcan ?

Solution

Solution de Exercice 17.4.

Un dyke est une lame de roche magmatique qui recoupe les couches des roches qu’il traverse ; un sill est une lame parallèle aux couches, insérée entre elles ; un pluton est une grande intrusion de forme quelconque, formée en profondeur. C’est le dyke vertical issu du pluton qui a alimenté le volcan.

Exercice 17.5 ★

Dans la série réactionnelle de Bowen, quel minéral se forme en premier, et quels minéraux se forment en dernier ? Comment le plagioclase change-t-il à mesure que le magma refroidit ?

Solution

Solution de Exercice 17.5.

L’olivine se forme en premier ; le feldspath potassique, le quartz et parfois la muscovite en dernier. Le plagioclase est d’abord riche en calcium, puis de plus en plus riche en sodium à mesure que le magma refroidit.

Exercice 17.6 ★★

On analyse deux roches (pourcentages en masse). Roche A : $\ce{SiO2}$ 74, $\ce{Al2O3}$ 14, $\ce{FeO}$ 3, $\ce{CaO}$ 3, $\ce{MgO}$ 0.5, $\ce{Na2O}$ 5, $\ce{K2O}$ 4. Roche B : $\ce{SiO2}$ 47, $\ce{Al2O3}$ 14, $\ce{FeO}$ 8, $\ce{CaO}$ 10, $\ce{MgO}$ 8, $\ce{Na2O}$ 1, $\ce{K2O}$ 2. (1) Classer chacune. (2) Vérifier la réponse avec les autres oxydes. (3) La roche A est à grain fin : la nommer. La roche B est à gros grains : la nommer.

Solution

Solution de Exercice 17.6.

(1) A : $74\,\%$ de $\ce{SiO2}$, felsique ; B : $47\,\%$, mafique. (2) A est pauvre en $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$ et $\ce{CaO}$ et riche en $\ce{Na2O}$ et $\ce{K2O}$, comme un magma felsique ; B est riche en $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$ et $\ce{CaO}$ et pauvre en $\ce{Na2O}$, comme un magma mafique. (3) A est une rhyolite ; B un gabbro.

Exercice 17.7 ★★

Un dyke épais de $2\,\mathrm{m}$ se solidifie en une dizaine de jours. À l’aide de la proposition sur la durée de refroidissement, combien de temps met un dyke du même magma s’il est épais de $1\,\mathrm{m}$ ? Un sill épais de $20\,\mathrm{m}$ ? Un sill épais de $200\,\mathrm{m}$ ?

Solution

Solution de Exercice 17.7.

La durée croît comme le carré de l’épaisseur. $1\,\mathrm{m}$ : $10/4 = 2.5$ jours. $20\,\mathrm{m}$ : $10 \times 10^2 = 1000$ jours, environ 2.7 ans. $200\,\mathrm{m}$ : $10 \times 100^2 = 100\,000$ jours, environ 270 ans.

Exercice 17.8 ★★

(1) Montrer que $b^2/\kappa$ est une durée. (2) La calculer pour $b = 20\,\mathrm{m}$ et $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$, en secondes et en années ($1\text{ an} \approx 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$). (3) Avec $C = 0.21$, combien de temps le sill met-il à se solidifier ?

Solution

Solution de Exercice 17.8.

(1) Des $\mathrm{m}^{2}$ divisés par des $\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ donnent des secondes. (2) $400/10^{-6} = 4 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$, soit $4 \times 10^8 / 3.16 \times 10^7 \approx 12.7$ ans. (3) $0.21 \times 12.7 \approx 2.7$ ans.

Exercice 17.9 ★★

Une roche montre des cristaux trapus de plagioclase longs d’environ un centimètre dans une pâte dont on ne voit pas les grains. Décrire sa texture, et raconter l’histoire de son refroidissement en deux étapes.

Solution

Solution de Exercice 17.9.

Elle est porphyrique : des phénocristaux de plagioclase dans une pâte à grain fin. Le magma a d’abord refroidi lentement en profondeur, et les cristaux de plagioclase sont devenus grands tandis que l’essentiel du magma restait liquide ; puis il est monté et a refroidi vite, et le liquide restant a cristallisé en une pâte fine.

Exercice 17.10 ★★

L’olivine réagit avec la silice du liquide : $\ce{Mg2SiO4 + SiO2 -> 2 MgSiO3}$. (1) Vérifier que l’équation est équilibrée. (2) Avec les masses molaires $140.7\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ($\ce{Mg2SiO4}$) et $60.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ($\ce{SiO2}$), quelle masse de silice $1\,\mathrm{kg}$ d’olivine prend-il au liquide ? (3) Pourquoi un magma pauvre en silice garde-t-il son olivine ?

Solution

Solution de Exercice 17.10.

(1) À gauche : 2 Mg, 2 Si, 6 O ; à droite : 2 Mg, 2 Si, 6 O. (2) $1\,\mathrm{kg}$ d’olivine représente $1000/140.7 \approx 7.11$ mol, qui prennent autant de moles de silice : $7.11 \times 60.1 \approx 427\,\mathrm{g}$. (3) Quand il ne reste plus de silice dans le liquide, la réaction ne peut pas continuer : l’olivine reste.

Exercice 17.11 ★★

Un sill épais de $20\,\mathrm{m}$ et d’une surface de $1\,\mathrm{m}^{2}$ refroidit de $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $50{}^{\circ}\mathrm{C}$. (1) Sa capacité thermique est de $2.5\,\mathrm{MJ}$ par mètre cube et par degré : quelle chaleur perd-il en refroidissant ? (2) Il libère aussi $900\,\mathrm{MJ}$ par mètre cube en cristallisant : quelle chaleur cela représente-t-il ? (3) Comparer les deux.

Solution

Solution de Exercice 17.11.

(1) $2.5 \times 20 \times 1100 = 55\,000\,\mathrm{MJ}$, soit $5.5 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$. (2) $900 \times 20 = 18\,000\,\mathrm{MJ}$, soit $1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$. (3) La chaleur de cristallisation vaut environ le tiers de la chaleur perdue par refroidissement, le quart du total : assez pour ralentir beaucoup la solidification, car elle est entièrement libérée au-dessus du solidus.

Exercice 17.12 ★★★

Dans le modèle calculé d’un sill épais de $20\,\mathrm{m}$, la roche située à $12.5\,\mathrm{cm}$ du contact passe sous le solidus au bout d’environ $0.6$ jour, la roche située à $5\,\mathrm{m}$ du contact au bout d’environ 545 jours, et le centre au bout d’environ 950 jours. (1) Où, dans le sill, s’attend-on à trouver les plus petits cristaux, et où les plus grands ? (2) La vitesse à laquelle la couche solide s’épaissit est-elle constante ? (3) Pourquoi le sill est-il à grain fin même en son centre, comparé à un granite ?

Solution

Solution de Exercice 17.12.

(1) Les plus petits cristaux au contact, qui s’est figé en moins d’un jour ; les plus grands au centre, resté liquide pendant environ 950 jours. (2) Non : les $5\,\mathrm{m}$ extérieurs ont demandé environ 545 jours, les $5\,\mathrm{m}$ suivants, jusqu’au centre, environ 400 jours ; le front ralentit d’abord, puis accélère près du centre, là où se rejoignent les pertes de chaleur par les deux côtés. (3) Même en son centre, le sill s’est figé en moins de trois ans ; un granite aux grands cristaux demande un temps bien plus long.

Exercice 17.13 ★★★

Un pluton est épais de $2\,\mathrm{km}$. (1) À l’aide de la proposition et du sill de $20\,\mathrm{m}$ (environ 2.6 ans), estimer sa durée de refroidissement. (2) On sait que les grandes intrusions profondes mettent jusqu’à des millions d’années à refroidir. Donner deux raisons pour lesquelles la loi simple sous-estime la durée.

Solution

Solution de Exercice 17.13.

(1) Le pluton est 100 fois plus épais : $2.6 \times 100^2 = 26\,000$ ans. (2) Par exemple : un pluton profond se trouve dans une roche déjà chaude, et perd donc sa chaleur plus lentement que dans une roche à $50{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; il peut être alimenté par du magma neuf encore et encore ; un pluton n’est pas une lame infinie ; les propriétés des roches changent avec la température.

Exercice 17.14 ★★★

Les magmas felsiques font éruption vers $650\text{ à }800{}^{\circ}\mathrm{C}$, les magmas mafiques vers $1000\text{ à }1200{}^{\circ}\mathrm{C}$. À l’aide de la série réactionnelle de Bowen, expliquer pourquoi un granite contient du feldspath potassique, du quartz et un plagioclase riche en sodium, et pas d’olivine, alors qu’un gabbro contient de l’olivine, du pyroxène et un plagioclase riche en calcium, et pas de quartz.

Solution

Solution de Exercice 17.14.

Un magma mafique est chaud et pauvre en silice : il cristallise les premiers minéraux de la série — olivine, pyroxène, plagioclase riche en calcium — et manque de silice avant que le quartz puisse se former. Un magma felsique est moins chaud et riche en silice : l’olivine n’y est pas stable, et il va jusqu’au bout de la série, en formant un plagioclase riche en sodium, du feldspath potassique et du quartz.

Exercice 17.15 ★★★

Les matériaux projetés dans l’air refroidissent en quelques secondes, les coulées de lave en quelques jours à quelques semaines, les intrusions peu profondes en quelques mois à quelques années. (1) À l’aide de la proposition, quelle épaisseur de lame se solidifie en un jour environ ? (2) Une coulée de lave épaisse de $5\,\mathrm{m}$ se solidifie en un mois environ : est-ce cohérent avec la loi pour une lame refroidie des deux côtés ? (3) Quelle texture attend-on dans chaque cas ?

Solution

Solution de Exercice 17.15.

(1) $b = \sqrt{t\kappa/C} = \sqrt{86400 \times 10^{-6}/0.21} \approx 0.64\,\mathrm{m}$. (2) La loi donne $0.21 \times 25/10^{-6} \approx 5.3 \times 10^{6}\,\mathrm{s}$, environ deux mois : le même ordre de grandeur qu’un mois (une coulée de lave perd aussi de la chaleur dans l’air, par le haut). (3) Vitreuse pour les matériaux projetés dans l’air ou dans l’eau ; à grain fin pour les coulées de lave et les lames minces ; à grain plus gros, mais encore petit, pour les intrusions peu profondes épaisses.

17.6 Problème : un sill et ses cristaux

Problème 17.1

Problème du week-end — combien de temps un sill met à se figer

Dans la paroi d’une vallée, une lame sombre de roche magmatique épaisse de $20\,\mathrm{m}$ s’intercale entre deux bancs de grès, parallèlement à eux. On prélève des échantillons de son bord jusqu’à son centre. Au contact, la roche est à grain très fin, presque vitreuse ; à $1\,\mathrm{m}$ à l’intérieur, ses cristaux mesurent environ $0.1\,\mathrm{mm}$ ; au centre, environ $1\,\mathrm{mm}$, et on distingue tout juste le plagioclase et le pyroxène à la loupe.

Partie I — Les textures.

1. La lame est-elle un dyke ou un sill ? Pourquoi ?
2. Décrire la texture au contact et au centre.
3. Pourquoi la roche a-t-elle le grain le plus fin au contact ?
4. Comment s’appelle cette bordure à grain fin, et que prouve-t-elle sur la température de la lame au moment de sa mise en place ?
5. La lame est alimentée par le bas par une lame verticale de la même roche, épaisse de $2\,\mathrm{m}$, qui recoupe le grès. De quoi s’agit-il ?

Partie II — Nommer la roche.

6. Une analyse donne $49\,\%$ de $\ce{SiO2}$, $10\,\%$ de $\ce{FeO}$, $7\,\%$ de $\ce{MgO}$ et $10\,\%$ de $\ce{CaO}$. Le magma est-il mafique, intermédiaire ou felsique ?
7. Quels minéraux attend-on, d’après la série de Bowen ?
8. Quel nom convient à la roche du contact ? Quelle roche plutonique a la même composition ?
9. Pourquoi un même corps de magma peut-il donner des roches de textures différentes ?
10. Dans quel ordre l’olivine, le pyroxène et le plagioclase ont-ils commencé à cristalliser ?

Partie III — La durée de refroidissement.

11. Calculer $b^2/\kappa$ pour le sill, avec $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$, en secondes.
12. Le modèle donne $C = 0.206$. Calculer la durée de solidification du sill, en secondes, puis en années ($1\text{ an} \approx 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$).
13. Combien de temps a mis la lame d’alimentation, épaisse de $2\,\mathrm{m}$ ?
14. Sans la chaleur de cristallisation, $C$ vaudrait environ $0.07$. Combien de temps mettrait le sill ? Pourquoi la cristallisation ralentit-elle le refroidissement ?
15. Le modèle donne environ $0.6$ jour pour la roche située à $12.5\,\mathrm{cm}$ du contact. Combien de fois plus vite s’est-elle figée que le centre ?

Partie IV — Ce que disent les cristaux.

16. Les coulées de lave refroidissent en quelques jours à quelques semaines, les intrusions peu profondes en quelques mois à quelques années. Où se place le sill ?
17. Un granite aux cristaux d’un centimètre ou plus a refroidi bien plus lentement. Estimer, à l’aide de la loi, l’épaisseur d’une lame qui mettrait mille fois plus de temps que le sill.
18. Pourquoi un tel corps a-t-il dû se former en profondeur dans la croûte ?
19. Le sill est visible aujourd’hui en surface. Qu’a-t-il dû arriver aux roches qui le recouvraient ?
20. Conclure : combien de temps le sill a-t-il mis à se solidifier ?

Solution

Solution de Problème 17.1.

1. Un sill : il est parallèle aux bancs, inséré entre eux.

2. Au contact, à grain très fin, presque vitreuse ; au centre, à grain fin à moyen, les minéraux tout juste visibles à la loupe.

3. Le contact a perdu sa chaleur le plus vite, dans le grès froid : les cristaux n’ont pas eu le temps de grandir.

4. Une bordure figée. Elle prouve que le magma était chaud quand il s’est mis en place, et le grès froid.

5. Un dyke, le filon d’alimentation du sill.

6. Mafique : $49\,\%$ de $\ce{SiO2}$, riche en fer, en magnésium et en calcium.

7. De l’olivine, du pyroxène et un plagioclase riche en calcium.

8. Un basalte ; la roche plutonique de même composition est le gabbro.

9. La texture dépend de la vitesse de refroidissement, qui varie du contact au centre, et non de la composition.

10. L’olivine d’abord ; le plagioclase commence à peu près en même temps que le pyroxène.

11. $b^2/\kappa = 400/10^{-6} = 4 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$.

12. $0.206 \times 4 \times 10^8 \approx 8.2 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, soit $8.2 \times 10^7 / 3.16 \times 10^7 \approx 2.6$ ans.

13. $0.206 \times 4/10^{-6} \approx 8.2 \times 10^{5}\,\mathrm{s}$, environ 9.5 jours.

14. $0.07 \times 4 \times 10^8 = 2.8 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, environ 0.9 an. Le magma qui cristallise libère de la chaleur, qu’il faut évacuer elle aussi avant qu’il devienne solide.

15. Environ 950 jours contre 0.6 jour : environ 1600 fois plus vite.

16. Environ 950 jours, soit quelque 2.6 ans : bien plus qu’une coulée de lave, dans les mois ou les années des intrusions peu profondes.

17. Mille fois plus de temps demande une épaisseur $\sqrt{1000} \approx 32$ fois plus grande : environ $630\,\mathrm{m}$.

18. Près de la surface, un corps de magma ferait éruption, ou refroidirait trop vite ; un grand corps qui refroidit pendant très longtemps doit être profond, dans une roche déjà chaude.

19. Elles ont été usées par l’érosion.

20. Le sill a mis environ 2.6 ans à se solidifier.