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title: "Les roches magmatiques"
book: "Sciences de la Terre et de l’Univers du lycée"
subject: earth
language: fr
chapter: 17
exercises: 15
source: https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/17-les-roches-magmatiques
license: CC-BY-NC-SA-4.0
credit: "One Earth and Space Sciences Book, One Course (one-course.com)"
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# Chapitre 17 — Les 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.

![À gauche : colonnes de basalte de la Chaussée des Géants, en Irlande du Nord. Photographie Adam Bishop (CC BY-SA 3.0). À droite : El Capitan, à Yosemite, en Californie, une paroi de granite haute d’environ 900\, m. Photographie U.S. Geological Survey (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-4efd2c9d0738.jpg)

![À gauche : colonnes de basalte de la Chaussée des Géants, en Irlande du Nord. Photographie Adam Bishop (CC BY-SA 3.0). À droite : El Capitan, à Yosemite, en Californie, une paroi de granite haute d’environ 900\, m. Photographie U.S. Geological Survey (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-84a0c311b331.jpg)

*À gauche : colonnes de basalte de la Chaussée des Géants, en Irlande du Nord. Photographie Adam Bishop (CC BY-SA 3.0). À droite : El Capitan, à Yosemite, en Californie, une paroi de granite haute d’environ $900\,\mathrm{m}$. Photographie U.S. Geological Survey (CC0).*

**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](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) sombre, le granite une roche claire faite de feldspath, de quartz et de mica (livre 1, année 6). La [péridotite](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-peridotite) du manteau fond partiellement en remontant sous une dorsale, ce qui donne le basalte et le [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro) de la [croûte océanique](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-oceanic-lithosphere) ([Chapitre 14](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#ch-g11-ocean-ridges)). Les [silicates constitutifs des roches](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#def-g11-minerals-rock-forming) 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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#ch-g11-minerals)). 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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/15-les-zones-de-subduction#ch-g11-subduction-zones)).

## 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) peu profonde refroidit en quelques mois à quelques années, une grande [intrusion](#def-g11-igneous-rocks-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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#def-g11-minerals-thin-section) ses cristaux sont petits (le basalte du [Chapitre 16](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#ch-g11-minerals)). Le granite, le [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro) et la [diorite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) 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](#def-g11-igneous-rocks-texture) [porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) enregistre deux étapes de refroidissement : d’abord lente, en profondeur, pendant que les [phénocristaux](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) 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.

![De gauche à droite : une obsidienne, un verre volcanique, avec sa cassure courbe conchoïdale (9.5\, cm de large) ; une roche porphyrique, avec des phénocristaux trapus de plagioclase dans une pâte plus fine (9\, cm) ; puis deux lames minces entre polariseurs croisés : un granite, aux grains tous grands et imbriqués — biotite brune, muscovite aux couleurs vives, plagioclase rayé, quartz gris et blanc ; une andésite, avec des phénocristaux de plagioclase et d’amphibole dans une pâte à grain fin. Photographies Twyla Baker, Mike Davis et Darla Sondrol, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-4ee1179f99aa.jpg)

![De gauche à droite : une obsidienne, un verre volcanique, avec sa cassure courbe conchoïdale (9.5\, cm de large) ; une roche porphyrique, avec des phénocristaux trapus de plagioclase dans une pâte plus fine (9\, cm) ; puis deux lames minces entre polariseurs croisés : un granite, aux grains tous grands et imbriqués — biotite brune, muscovite aux couleurs vives, plagioclase rayé, quartz gris et blanc ; une andésite, avec des phénocristaux de plagioclase et d’amphibole dans une pâte à grain fin. Photographies Twyla Baker, Mike Davis et Darla Sondrol, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-992e3185c904.jpg)

![De gauche à droite : une obsidienne, un verre volcanique, avec sa cassure courbe conchoïdale (9.5\, cm de large) ; une roche porphyrique, avec des phénocristaux trapus de plagioclase dans une pâte plus fine (9\, cm) ; puis deux lames minces entre polariseurs croisés : un granite, aux grains tous grands et imbriqués — biotite brune, muscovite aux couleurs vives, plagioclase rayé, quartz gris et blanc ; une andésite, avec des phénocristaux de plagioclase et d’amphibole dans une pâte à grain fin. Photographies Twyla Baker, Mike Davis et Darla Sondrol, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-6064d5f1cc1f.jpg)

![De gauche à droite : une obsidienne, un verre volcanique, avec sa cassure courbe conchoïdale (9.5\, cm de large) ; une roche porphyrique, avec des phénocristaux trapus de plagioclase dans une pâte plus fine (9\, cm) ; puis deux lames minces entre polariseurs croisés : un granite, aux grains tous grands et imbriqués — biotite brune, muscovite aux couleurs vives, plagioclase rayé, quartz gris et blanc ; une andésite, avec des phénocristaux de plagioclase et d’amphibole dans une pâte à grain fin. Photographies Twyla Baker, Mike Davis et Darla Sondrol, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-d2608673a8c9.jpg)

*De gauche à droite : une obsidienne, un verre [volcanique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic), avec sa cassure courbe conchoïdale ($9.5\,\mathrm{cm}$ de large) ; une roche [porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic), avec des [phénocristaux](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) trapus de plagioclase dans une pâte plus fine ($9\,\mathrm{cm}$) ; puis deux [lames minces](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#def-g11-minerals-thin-section) entre polariseurs croisés : un granite, aux grains tous grands et imbriqués — biotite brune, muscovite aux couleurs vives, plagioclase rayé, quartz gris et blanc ; une [andésite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names), avec des [phénocristaux](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) de plagioclase et d’amphibole dans une pâte à grain fin. Photographies Twyla Baker, Mike Davis et Darla Sondrol, Geology Digital Image Library (CC0).*

## 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](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) et à grain fin, l’autre [plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) et à gros grains. Le basalte et le [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro) forment la paire [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic), rencontrée avec la [croûte océanique](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-oceanic-lithosphere) ; le granite est la [roche plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic). Trois noms complètent l’ensemble.

**Définition 17.5 (Andésite ; diorite ; rhyolite).**

L’*andésite* et la *diorite* sont la [roche volcanique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) et la [roche plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) de composition [intermédiaire](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic), faites surtout de plagioclase avec de l’amphibole ou du pyroxène. La *rhyolite* est la [roche volcanique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) de composition [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) : c’est l’équivalent à grain fin du granite.

![Nommer les roches magmatiques courantes (schéma). Colonnes : la teneur en silice du magma ; lignes : roches à grain fin (volcaniques) et à gros grains (plutoniques). En dessous, là où chaque silicate constitutif des roches est courant : l’olivine et le pyroxène dans les roches mafiques, avec un plagioclase riche en calcium ; l’amphibole et le plagioclase dans les roches intermédiaires ; le feldspath potassique, le quartz, un plagioclase riche en sodium et les micas dans les roches felsiques. Les limites sont progressives.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/fig-7ec43c16864f.svg)

*Nommer les roches magmatiques courantes (schéma). Colonnes : la teneur en silice du magma ; lignes : roches à grain fin ([volcaniques](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic)) et à gros grains ([plutoniques](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic)). En dessous, là où chaque [silicate](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#def-g11-minerals-silicate) constitutif des roches est courant : l’olivine et le pyroxène dans les roches [mafiques](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic), avec un plagioclase riche en calcium ; l’amphibole et le plagioclase dans les roches [intermédiaires](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) ; le feldspath potassique, le quartz, un plagioclase riche en sodium et les micas dans les roches [felsiques](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic). Les limites sont progressives.*

**Méthode 17.6 (Nommer une roche magmatique).**

1. Observer la [texture](#def-g11-igneous-rocks-texture) : vitreuse, à grain fin ou à gros grains ; [porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) ou non. Une [texture](#def-g11-igneous-rocks-texture) à grain fin ou vitreuse indique une [roche volcanique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) (ou une petite [intrusion](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) vite refroidie) ; une [texture](#def-g11-igneous-rocks-texture) à gros grains, une [roche plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) .
2. Identifier les minéraux visibles ( [Méthode 16.4](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#met-g11-minerals-identify) ) : le quartz et le feldspath potassique indiquent une roche [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) , l’amphibole avec le plagioclase une roche [intermédiaire](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) , l’olivine et le pyroxène une roche [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) . Dans une roche à grain fin, utiliser les [phénocristaux](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) , la couleur de la pâte — sombre pour une roche [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) , claire pour une roche [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) — 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](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) et à grain fin : ce sont deux basaltes. Le second est un basalte [porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) : 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.

![Les trois paires de roches magmatiques, de mafique à felsique de gauche à droite : volcaniques en haut, plutoniques en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une andésite, de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ 10\, cm) ; une rhyolite rose. En bas : un gabbro (9\, cm) ; une diorite, hornblende noire et plagioclase vitreux (10\, cm) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende (10\, cm). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-e0e1e2dd64cb.jpg)

![Les trois paires de roches magmatiques, de mafique à felsique de gauche à droite : volcaniques en haut, plutoniques en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une andésite, de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ 10\, cm) ; une rhyolite rose. En bas : un gabbro (9\, cm) ; une diorite, hornblende noire et plagioclase vitreux (10\, cm) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende (10\, cm). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-2a9cb1f80250.jpg)

![Les trois paires de roches magmatiques, de mafique à felsique de gauche à droite : volcaniques en haut, plutoniques en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une andésite, de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ 10\, cm) ; une rhyolite rose. En bas : un gabbro (9\, cm) ; une diorite, hornblende noire et plagioclase vitreux (10\, cm) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende (10\, cm). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-44da9b8458dd.jpg)

![Les trois paires de roches magmatiques, de mafique à felsique de gauche à droite : volcaniques en haut, plutoniques en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une andésite, de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ 10\, cm) ; une rhyolite rose. En bas : un gabbro (9\, cm) ; une diorite, hornblende noire et plagioclase vitreux (10\, cm) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende (10\, cm). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-494bd48ac81b.jpg)

![Les trois paires de roches magmatiques, de mafique à felsique de gauche à droite : volcaniques en haut, plutoniques en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une andésite, de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ 10\, cm) ; une rhyolite rose. En bas : un gabbro (9\, cm) ; une diorite, hornblende noire et plagioclase vitreux (10\, cm) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende (10\, cm). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-784e1516f210.jpg)

![Les trois paires de roches magmatiques, de mafique à felsique de gauche à droite : volcaniques en haut, plutoniques en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une andésite, de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ 10\, cm) ; une rhyolite rose. En bas : un gabbro (9\, cm) ; une diorite, hornblende noire et plagioclase vitreux (10\, cm) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende (10\, cm). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/img-9e4f370f62cf.jpg)

*Les trois paires de roches magmatiques, de [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) à [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) de gauche à droite : [volcaniques](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) en haut, [plutoniques](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) en bas. En haut : un basalte à grain fin ; une [andésite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names), de petits cristaux d’amphibole dans une pâte à grain fin (environ $10\,\mathrm{cm}$) ; une [rhyolite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) rose. En bas : un [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro) ($9\,\mathrm{cm}$) ; une [diorite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names), hornblende noire et plagioclase vitreux ($10\,\mathrm{cm}$) ; un granite à gros grains avec de grands feldspaths potassiques rose pâle, du plagioclase gris, du quartz, de la biotite et de la hornblende ($10\,\mathrm{cm}$). Photographies Nessa Eull, Twyla Baker, Joseph H. Hartman, Darla Sondrol et Dexter Perkins, Geology Digital Image Library (CC0).*

## 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.

![L’ordre dans lequel les minéraux cristallisent dans un magma qui refroidit (la série réactionnelle de Bowen, schéma). L’olivine se forme en premier ; le plagioclase commence à peu près en même temps que le pyroxène, d’abord riche en calcium, puis de plus en plus riche en sodium. Le feldspath potassique, le quartz et parfois la muscovite se forment en dernier, à partir de ce qui reste d’un liquide riche en silice.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/fig-109f3379f2fd.svg)

*L’ordre dans lequel les minéraux cristallisent dans un magma qui refroidit (la série réactionnelle de Bowen, schéma). L’olivine se forme en premier ; le plagioclase commence à peu près en même temps que le pyroxène, d’abord riche en calcium, puis de plus en plus riche en sodium. Le feldspath potassique, le quartz et parfois la muscovite se forment en dernier, à partir de ce qui reste d’un liquide riche en silice.*

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,

$$
\ce{Mg2SiO4 + SiO2 -> 2 MgSiO3},
$$

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](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) de plagioclase de l’[andésite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) ci-dessus.

La série explique le diagramme. Un magma [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) manque tôt de silice : il cristallise de l’olivine, du pyroxène et un plagioclase riche en calcium, et donne un [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-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](#def-g11-igneous-rocks-rock-names). 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion), 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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/22-le-magmatisme-des-zones-de-subduction#ch-g12-subduction-magmatism)).

Les [dykes](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) ont en général moins de $20\,\mathrm{m}$ de large et les [sills](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) moins de $50\,\mathrm{m}$ d’épaisseur ; un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est d’ordinaire alimenté par un [dyke](#def-g11-igneous-rocks-intrusion). Les [dykes](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) et les [sills](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) peu profonds refroidissent vite : ils sont à grain fin, parfois [porphyriques](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic). 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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#ch-g11-minerals) proviennent d’environ deux cents de ses [plutons](#def-g11-igneous-rocks-intrusion).

![Les intrusions (schéma, sans échelle). Un pluton cristallise en profondeur ; des dykes recoupent les couches des roches situées au-dessus, l’un d’eux alimentant un volcan ; un sill s’étale entre deux couches. Seule l’érosion des roches qui les recouvrent met ces corps à nu en surface.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/fig-9ee7604697ed.svg)

*Les [intrusions](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) (schéma, sans échelle). Un [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) cristallise en profondeur ; des [dykes](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) recoupent les couches des roches situées au-dessus, l’un d’eux alimentant un volcan ; un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) s’étale entre deux couches. Seule l’érosion des roches qui les recouvrent met ces corps à nu en surface.*

Combien de temps une [intrusion](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) met-elle à cristalliser ? Considérons une lame de magma — un [dyke](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) ou un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) — 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) épais de $20\,\mathrm{m}$ en deux ans et demi environ, un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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.

![Une lame de magma basaltique qui refroidit par conduction (modèle calculé). À gauche : la durée de solidification en fonction de l’épaisseur, sur des axes logarithmiques : une droite de pente 2, la durée croissant comme le carré de l’épaisseur. À droite : les températures à travers un sill épais de 20\, m (en grisé), injecté à 1150 C dans une roche à 50 C. Les bords passent aussitôt sous le solidus, le centre seulement au bout de deux ans et demi environ.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/earth-2/g11-igneous-rocks/fig-e3014eca922a.svg)

*Une lame de magma basaltique qui refroidit par conduction (modèle calculé). À gauche : la durée de solidification en fonction de l’épaisseur, sur des axes logarithmiques : une droite de pente 2, la durée croissant comme le carré de l’épaisseur. À droite : les températures à travers un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) épais de $20\,\mathrm{m}$ (en grisé), injecté à $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ dans une roche à $50{}^{\circ}\mathrm{C}$. Les bords passent aussitôt sous le solidus, le centre seulement au bout de deux ans et demi environ.*

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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) se figent en moins d’un jour, alors que son centre reste liquide pendant des années. Les [intrusions](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) réelles sont plus compliquées — les propriétés des roches changent avec la température, l’eau circule, un [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) profond se trouve dans une roche déjà chaude et peut être alimenté encore et encore —, ce qui explique que les grandes [intrusions](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) et une [roche plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic). Donner les trois paires de [roches volcaniques](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) et [plutoniques](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) de même composition, de la plus [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) à la plus [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic).

**Solution de Exercice 17.1.**

Une [roche volcanique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) s’est formée à partir d’un magma solidifié en surface, sous forme de lave ; une [roche plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) a cristallisé en profondeur, à l’intérieur d’autres roches. Les paires : basalte et [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro) ([mafiques](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic)), [andésite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) et [diorite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) ([intermédiaires](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic)), [rhyolite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) et granite ([felsiques](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic)).

**Exercice 17.2 ★.**

Associer chaque roche à sa [texture](#def-g11-igneous-rocks-texture) — vitreuse, à grain fin, à gros grains, [porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) : (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 de Exercice 17.2.**

(1) Vitreuse. (2) À gros grains. (3) [Porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) ([phénocristaux](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) 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 de Exercice 17.3.**

$48\,\%$ : [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic), [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro). $60\,\%$ : [intermédiaire](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic), [diorite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names). $72\,\%$ : [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic), granite.

**Exercice 17.4 ★.**

Définir un [dyke](#def-g11-igneous-rocks-intrusion), un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) et un [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion). Sur le schéma des [intrusions](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) de ce chapitre, quel corps a alimenté le volcan ?

**Solution de Exercice 17.4.**

Un [dyke](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est une lame de roche magmatique qui recoupe les couches des roches qu’il traverse ; un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est une lame parallèle aux couches, insérée entre elles ; un [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est une grande [intrusion](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) de forme quelconque, formée en profondeur. C’est le [dyke](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) vertical issu du [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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 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 de Exercice 17.6.**

(1) A : $74\,\%$ de $\ce{SiO2}$, [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) ; B : $47\,\%$, [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic). (2) A est pauvre en $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$ et $\ce{CaO}$ et riche en $\ce{Na2O}$ et $\ce{K2O}$, comme un magma [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) ; B est riche en $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$ et $\ce{CaO}$ et pauvre en $\ce{Na2O}$, comme un magma [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic). (3) A est une [rhyolite](#def-g11-igneous-rocks-rock-names) ; B un [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro).

**Exercice 17.7 ★★.**

Un [dyke](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) du même magma s’il est épais de $1\,\mathrm{m}$ ? Un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) épais de $20\,\mathrm{m}$ ? Un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) épais de $200\,\mathrm{m}$ ?

**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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) met-il à se solidifier ?

**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](#def-g11-igneous-rocks-texture), et raconter l’histoire de son refroidissement en deux étapes.

**Solution de Exercice 17.9.**

Elle est [porphyrique](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) : des [phénocristaux](#def-g11-igneous-rocks-porphyritic) 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 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion), 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est-il à grain fin même en son centre, comparé à un granite ?

**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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) s’est figé en moins de trois ans ; un granite aux grands cristaux demande un temps bien plus long.

**Exercice 17.13 ★★★.**

Un [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est épais de $2\,\mathrm{km}$. (1) À l’aide de la proposition et du [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) de $20\,\mathrm{m}$ (environ 2.6 ans), estimer sa durée de refroidissement. (2) On sait que les grandes [intrusions](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) profondes mettent jusqu’à des millions d’années à refroidir. Donner deux raisons pour lesquelles la loi simple sous-estime la durée.

**Solution de Exercice 17.13.**

(1) Le [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est 100 fois plus épais : $2.6 \times 100^2 = 26\,000$ ans. (2) Par exemple : un [pluton](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) n’est pas une lame infinie ; les propriétés des roches changent avec la température.

**Exercice 17.14 ★★★.**

Les magmas [felsiques](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) font éruption vers $650\text{ à }800{}^{\circ}\mathrm{C}$, les magmas [mafiques](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) 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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro) contient de l’olivine, du pyroxène et un plagioclase riche en calcium, et pas de quartz.

**Solution de Exercice 17.14.**

Un magma [mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) 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](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-texture) attend-on dans chaque cas ?

**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](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/16-les-mineraux#def-g11-minerals-thin-section) ; à grain plus gros, mais encore petit, pour les [intrusions](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) ou un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) ? Pourquoi ?
2. Décrire la [texture](#def-g11-igneous-rocks-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](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) , [intermédiaire](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) ou [felsique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) ?
7. Quels minéraux attend-on, d’après la série de Bowen ?
8. Quel nom convient à la roche du contact ? Quelle [roche plutonique](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) a la même composition ?
9. Pourquoi un même corps de magma peut-il donner des roches de [textures](#def-g11-igneous-rocks-texture) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) , 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) , 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) ? 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) peu profondes en quelques mois à quelques années. Où se place le [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) ?
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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) .
18. Pourquoi un tel corps a-t-il dû se former en profondeur dans la croûte ?
19. Le [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) est visible aujourd’hui en surface. Qu’a-t-il dû arriver aux roches qui le recouvraient ?
20. Conclure : combien de temps le [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) a-t-il mis à se solidifier ?

**Solution de Problème 17.1.**

**1.** Un [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) : 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion), le filon d’alimentation du [sill](#def-g11-igneous-rocks-intrusion).

**6.** [Mafique](#def-g11-igneous-rocks-felsic-mafic) : $49\,\%$ 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](#def-g11-igneous-rocks-volcanic-plutonic) de même composition est le [gabbro](https://one-course.com/books/earth/2/fr/chapter/14-les-dorsales-oceaniques-et-la-lithosphere-oceanique#def-g11-ocean-ridges-gabbro).

**9.** La [texture](#def-g11-igneous-rocks-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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) 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](#def-g11-igneous-rocks-intrusion) a mis environ **2.6 ans** à se solidifier.