Comment il fond, monte et évolue

Dans l’image du cycle de la roche, tout commence par une roche souterraine en fusion : le magma. Que savons-nous à ce sujet ?

Magma et lave

Le magma est bien plus que de la lave. La lave est le nom de la roche en fusion qui a fait éruption à la surface de la Terre – la matière rouge et chaude qui se déverse des volcans. La lave est également le nom de la roche solide qui en résulte.

En revanche, le magma est invisible. Toute roche souterraine qui est totalement ou partiellement fondue est considérée comme du magma. Nous savons qu’il existe parce que tous les types de roches ignées se sont solidifiés à partir d’un état de fusion : granit, péridotite, basalte, obsidienne et tout le reste.

Comment le magma fond

Les géologues appellent magmagenèse le processus complet de fabrication des fontes. Cette section est une introduction très élémentaire à un sujet compliqué.

De toute évidence, il faut beaucoup de chaleur pour faire fondre les roches. La Terre a beaucoup de chaleur à l’intérieur, une partie provenant de la formation de la planète et une autre générée par la radioactivité et d’autres moyens physiques. Cependant, même si la majeure partie de notre planète – le manteau, entre la croûte rocheuse et le noyau de fer – a des températures atteignant des milliers de degrés, c’est de la roche solide. (Nous le savons car elle transmet les ondes sismiques comme un solide.) C’est parce que la haute pression s’oppose à la haute température. Autrement dit, la haute pression augmente le point de fusion. Dans ce cas, il y a trois façons de créer du magma : augmenter la température au-delà du point de fusion, ou abaisser le point de fusion en réduisant la pression (un mécanisme physique) ou en ajoutant un flux (un mécanisme chimique).

Le magma se forme de trois façons – souvent toutes les trois à la fois – lorsque le manteau supérieur est remué par la tectonique des plaques.

Le transfert de chaleur : Un corps de magma qui monte – une intrusion – envoie de la chaleur aux roches plus froides qui l’entourent, surtout lorsque l’intrusion se solidifie. Si ces roches sont déjà sur le point de fondre, la chaleur supplémentaire est tout ce qu’il faut. C’est ainsi que l’on explique souvent les magmas rhyolitiques, typiques des intérieurs continentaux.

Fonte de décompression : Lorsque deux plaques sont séparées, le manteau inférieur s’élève dans l’espace. Lorsque la pression est réduite, la roche commence à fondre. Ce type de fusion se produit donc partout où les plaques sont écartées – aux marges divergentes et dans les zones d’extension continentale et d’arrière-arc (en savoir plus sur les zones divergentes).

Fonte du flux : Partout où de l’eau (ou d’autres substances volatiles comme le dioxyde de carbone ou les gaz sulfureux) peut être mélangée à une roche, l’effet sur la fusion est spectaculaire. C’est ce qui explique l’abondance du volcanisme près des zones de subduction, où les plaques descendantes entraînent avec elles l’eau, les sédiments, les matières carbonées et les minéraux hydratés. Les substances volatiles libérées par la plaque qui s’enfonce s’élèvent dans la plaque sus-jacente, donnant naissance aux arcs volcaniques du monde.

La composition d’un magma dépend du type de roche dont il est issu et de la façon dont il a complètement fondu. Les premiers morceaux à fondre sont les plus riches en silice (la plus felsique) et les moins riches en fer et en magnésium (la moins mafique). Ainsi, les roches ultramafiques du manteau (péridotites) produisent une fonte mafique (gabbro et basalte), qui forme les plaques océaniques au niveau des dorsales médio-océaniques. Les roches mafiques produisent une fonte felsique (andésite, rhyolite, granitoïde). Plus le degré de fusion est élevé, plus le magma ressemble à sa roche mère.

Comment le magma s’élève

Une fois que le magma se forme, il tente de s’élever. La flottabilité est le moteur principal du magma car la roche fondue est toujours moins dense que la roche solide. Le magma qui monte a tendance à rester fluide, même s’il se refroidit parce qu’il continue à se décompresser. Il n’y a cependant aucune garantie qu’un magma atteindra la surface. Les roches plutoniques (granite, gabbro, etc.) avec leurs gros grains minéraux représentent des magmas qui ont gelé, très lentement, profondément sous terre.

Nous imaginons généralement le magma comme de grands corps de fusion, mais il se déplace vers le haut en gousses minces et en fines filières, occupant la croûte et le manteau supérieur comme si l’eau remplissait une éponge. Nous savons cela parce que les ondes sismiques ralentissent dans les corps de magma, mais ne disparaissent pas comme elles le feraient dans un liquide.

Nous savons aussi que le magma n’est presque jamais un simple liquide. Il faut le considérer comme un continuum allant du bouillon au ragoût. Il est généralement décrit comme une bouillie de cristaux minéraux transportés dans un liquide, parfois avec des bulles de gaz également. Les cristaux sont généralement plus denses que le liquide et ont tendance à se déposer lentement vers le bas, en fonction de la rigidité (viscosité) du magma.

Comment le magma évolue

Les magmas évoluent de trois façons principales : ils changent en se cristallisant lentement, se mélangent à d’autres magmas et font fondre les roches qui les entourent. L’ensemble de ces mécanismes est appelé différenciation magmatique. Le magma peut s’arrêter avec la différenciation, se déposer et se solidifier en une roche plutonique. Ou il peut entrer dans une phase finale qui conduit à l’éruption.

1. Le magma se cristallise en refroidissant de manière assez prévisible, comme nous l’avons constaté par expérience. Il est utile de penser au magma non pas comme une simple substance fondue, comme le verre ou le métal dans une fonderie, mais comme une solution chaude d’éléments chimiques et d’ions qui ont de nombreuses options lorsqu’ils deviennent des cristaux minéraux. Les premiers minéraux à cristalliser sont ceux qui ont une composition mafique et (généralement) un point de fusion élevé : olivine, pyroxène et plagioclase riche en calcium. Le liquide qui reste change alors de composition dans le sens inverse. Le processus se poursuit avec d’autres minéraux, ce qui donne un liquide contenant de plus en plus de silice. Il y a beaucoup d’autres détails que les pétrologues ignés doivent apprendre à l’école (ou lire « La série des réactions de Bowen »), mais c’est l’essentiel du fractionnement des cristaux.
2. Le magma peut se mélanger à un corps de magma existant. Ce qui se passe alors est plus qu’une simple agitation des deux fondants, car les cristaux de l’un peuvent réagir avec le liquide de l’autre. L’envahisseur peut énergiser le magma plus ancien, ou bien former une émulsion avec des taches de l’un flottant dans l’autre. Mais le principe de base du mélange du magma est simple.
3. Lorsque le magma envahit un endroit de la croûte solide, il influence le « country rock » qui y existe. Sa température chaude et ses fuites de substances volatiles peuvent faire fondre des parties de la roche de campagne – généralement la partie felsique – et pénétrer dans le magma. Les xénolithes – des morceaux entiers de roche de pays – peuvent également pénétrer dans le magma de cette manière. Ce processus s’appelle l’assimilation.

La phase finale de la différenciation concerne les volatiles. L’eau et les gaz qui sont dissous dans le magma commencent finalement à faire des bulles lorsque le magma monte plus près de la surface. Une fois que cela commence, le rythme de l’activité dans un magma augmente de façon spectaculaire. À ce stade, le magma est prêt pour le processus d’emballement qui mène à l’éruption. Pour cette partie de l’histoire, passez à Volcanisme en bref.