MAGMATISME

TERMINOLOGIE COMPAREE DES ROCHES MAGMATIQUES DU MORVAN

SERIES MAGMATIQUES ET SITES GEOTECTONIQUES

LE MAGMATISME TERRESTRE

Les provinces magmatiques

La découverte des grands épanchements de roches volcaniques qui se sont produits aux cours des temps géologiques a conduit à la notion de provinces magmatiques. De tels épanchements se sont répandus sur les continents depuis le Protérozoïque (Lac Supérieur USA), sont responsables en partie des grandes extinctions biologiques ( trapps de Sibérie Permien/Trias et du Deccan Crétacé/Tertiaire) ou sont lié à l'ouverture de l'océan Atlantique (200 Ma) et dont l’Islande située sur la dorsale médio-océanique est le témoin actuel encore en activité. Ces volcanismes se caractérisent par la présence de basaltes tholéiitiques. D'autres provinces sont représentées par des épanchements intracontinentaux de moindre volume de basalte alcalins à olivine. Cette notion de province magmatique a donc un sens différent de la notion de série ou suite magmatique dont les termes différenciés sont issus d'un même magma et qui caractérise des contextes géodynamiques en activité.

Ont été ainsi définies les trois principales suites ou séries magmatiques :

Série tholéiitique

Elle est caractéristique des zones d'expansion océaniques : MORB (Mid Oceanic Ridge Basalt) dans les dorsales atlantique (Islande), pacifique et indienne et également des grands épanchements intracontinentaux que sont les traps du Deccan, du Karoo, de Sibérie, etc. Elle précède aussi le volcanisme alcalin des îles océaniques (ex. Hawaii) et apparaît dans les arcs insulaire immatures.

C'est une série différenciée par cristallisation fractionnée d'un magma tholéiitique issu de la fusion avec un taux élevé (10-30%) et sous faible pression (faible profondeur) du manteau lherzolitique. Saturée, elle constituée principalement de basalte à olivine, augite (pigeonitic rock series de Kuno (REF)) et labrador et d'andésite tholéiitique (icelandite), plus rarement de dacite ou rhyolite. Un enrichissement en fer caractérise les termes intermédiaires.

Deux types de MORB "N" (normal) et "E" (enrichi) sont distingués, liés à la nature des hétérogénéitées du mateau supérieur et à la vitesse d'expansion :

• MORB "N" : basalte de ride médio-océanique appauvri en éléments incompatibles ou hygromagmaphiles (K, Rb, La, Nb, Zr ...) et en particulier en Terres Rares légères (La/Sm<= 1), issu d'un manteau lui-même appauvri par la formation de la croûte continentale durant l'Archéen et le Protérozïque.

• MORB "E" : basalte de ride médio-océanique enrichi en éléments incompatibles ou hygromagmaphiles, en particulier en Terres Rares légères(La/Sm>1), issu de parties plus profondes du manteau non appauvri.

Série calco-alcaline

Elle est caractéristique des domaines orogéniques et de convergence où la croûte océanique plonge dans la zone de subduction soit sous une croûte océanique : arc insulaire, soit sous une croûte continentale : marge active (ceinture circum-pacifique; province méditerranéenne).

C'est une série différenciée par cristallisation fractionnée d'un magma calco-alcalin issu de la fusion de la croûte océanique (tholéiite) et des sédiments progressivement déshydratés et des éclogites formées lors de cet enfoncement. Sursaturée en silice, elle est représentée par des basaltes (minoritaires ou absents), des andésites (majoritaires), des dacites et des rhyolites. Les roches sont souvent porphyriques à plagioclases et orthopyroxènes (hypersthenic rock series de Kuno (REF)). Les termes intermédiaires ne présentent pas d'enrichissement en fer, du à la cristallisation précoce de la magnétite sous forte pression d'oxygène (richesse en eau du magma). Les Terres Rares légères présentent un enrichissement (La/Sm > 5). En dérivent une série calco-alcaline riche en K2O et la série shoshonitique très riche en K2O marquant les stades de la stabilisation orogénique et de la contamination crustale.

Série alcaline

Elle est caractéristique des domaines non-orogéniques : domaines intraplaques océaniques ou continentaux. C'est une série différenciée par cristallisation fractionnée d'un magma alcalin issu avec un très faible taux de fusion (1-5%) des parties profondes du manteau, panache mantelliques et points chauds. Sous-saturée en silice avec présence de feldspathoïdes : basalte à olivine, hawaiite, mugéarite, benmoréite, trachyte, téphrite, phonolite. Cristallisation précoce de la magnétite, phénocristaux d'olivine ferrifère, d'augite titanifère, de feldspaths et feldspathoïdes, feldspath potassique dans la mésostase. Elle est définie également par l'indice d'agpaïcité (Na+k)/Al > 1 (indice calculé en moles). Très enrichis en Terres Rares légères. On distingue une série moyennement alcaline : basalte alcalin à néphéline virtuelle (<5%), basanite à feldspathoïdes (>5%), trachyte, comendite et une série fortement alcaline : néphélinite à phonolite.

La série transitionnelle se situe entre la série tholéiitique et la série alcaline(îles océaniques) : cristallisation fractionnée des basaltes à hyperstène et olivine normatifs jusqu'aux laves acides à indice d'agpaïcité élevé (1,5<I.A.<2).

Ce bloc diagramme rassemble de façon théorique les grands sites géotectoniques qui sont l'expression actuelle de l'évolution géodynamique du globe terrestre. Ce type d'évolution conditionné par l'expansion des fonds océaniques et provoquant la dérive des continents a débuté au Protérozoïque inférieur, c'est dire il y a 2,5, milliards d'annéesm alors que le processus de subduction ne semble pas avoir fonctionné à l'Archéen. La nature des séries magmatiques et de leurs expressions volcaniques sont en partie conditionnées par la dynamique des sites géotectoniques. La caractérisation géochimique de chacune de ces séries dans les roches volcaniques anciennes peut conduire à la reconstitution de l'environnement dans lequel elles ont été émises.

Caratérisation des suites magmatiques anciennes

Selon le principe d'actualisme en géologie, tout au moins depuis le début du Protérozoïque, les phénomènes géodynamiques et tectoniques du passé se sont déroulés dans les mêmes conditions physico-chimiques régnant actuellement. La caractérisation géochimique des séries volcaniques (paléovolcanites) et magmatiques anciennes est donc d'un apport essentiel dans la reconstitution des événements géodynamiques et leurs cadres tectoniques qui ont marqué telle ou telle période de l'histoire géologique. Dans les séries actuelles, l'utilisation des éléments majeurs et de certains éléments en trace offre déjà une première discrimination des sites géotectoniques, malgré des cas d'incertitude. Les proportions des éléments majeurs, principaux constituants des roches, tel SiO2, Al2O3, Na2O, K2O, CaO, MgO sont susceptibles d'être profondément modifiés par métamorphisme et altérations d'origine diverse intervenant sur les roches anciennes.

De nombreux auteurs se sont attachés à la mise en évidence du rôle des éléments incompatibles dans la discrimination des sites géotectoniques anciens prenant pour référence leur comportement dans les sites actuels :

• Pearce et al. (1884) (REF) pour les granites Y (ppm) – Nb (ppm) et Y+Nb (ppm) – Rb (ppm)
• Thiéblemont, Cabanis (1990) (REF) Rb/100 – Nb/16 – Y/44 pour les roches acides

Pour les roches basiques  (SiO2<=55% ) :

• Pearce et Cann (1973) (REF) Zr – Y*3 – Ti ppm/100, Pearce Norry (1977) (REF)
• Cabanis (1986) (REF) Ta/Tb - Th/Tb
• Meschede (1986) (REF) Zr/4 -Y – Nb*2
• Cabanis, Thiéblemont (1988) (REF) Th – Tb*3 – Ta*2
• Thiéblemont, Tegyey (1994, 1999) (REF) (REF) Nb/Zr)_N – Zr ppm
• Gorton, shand (2000) (REF) Ta/Yb – Th/Yb

L'étude statistique des caractères géochimiques des séries magmatiques des différents sites géotectoniques actuels ou récents s'attache donc au comportement d'éléments chimiques réputés stables au cours de événements géologiques, tentant de mieux cerner la relation caractère géochimique-site géotectonique.

Les éléments réputés stables comprennent les éléments incompatibles dont les ions qui par leur grande taille et champ de faible charge (LILE - Large In Lithophile : Cs, Rb, K, Ba) ou de petite taille et charge élevée (HFSE - High Field Strenght : Terres Rares, Th, U, Ce, Pb, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta) entrent difficilement dans le réseau cristallin et ont donc tendance à rester dans le magma (éléments hygromagmaphiles). Les LILE sont plus mobiles en phase fluide.

A l'inverse les éléments compatibles ont des tailles et des charges entrant facilement dans le réseau cristallin, particulièrement les éléments de transition comme Ca, Mn, Co, Zn, Fe, Cu, Ni, Mg. Les incompatibles Th, Ta, Hf, Tb restent particulièrement inertes au cours des phénomènes de métamorphisme et d'altération. Les études récentes s’intéressent à leur comportement dans les basaltes et plus particulièrement à leurs rapports dont la stabilité ou la variation est en relation avec le type de domaine géotectonique.

Le plus abouti des diagrammes reste celui élaboré sur une large base statistique par Thiéblemont et al. (1994) (REF) et basé sur les rapports normalisés au manteau primitif de (Th/Ta)_N, deux éléments fortement incompatibles et de (Tb/Ta)_N qui le sont moins. Ce diagramme montre une répartition hétérogène de sources magmatiques autour du manteau primitif et la permanence des caractères de ces sources durant l'évolution des sites géotectoniques auxquelles elles ont liées.

La pertinence de ce diagramme valable pour les roches à SiO2< 55%, est basée sur la relative constance du rapport Th/Ta à travers les phases solides, phases minérales telles qu'olivine, plagioclase et pyroxène et liquides. La cristallisation fractionnée ou la fusion partielle du manteau à des taux de fusion de 10 à 30% ne modifie pas ce rapport qui reste identique à celui de la source dont il provient.

D'autre part et à l'inverse le rapport Tb/Ta varie fortement, celui du liquide basaltique étant inférieur à celui de la source laissant celle-ci avec un rapport supérieur à celui du rapport primordial. Les variations entre ces deux rapports normés au manteau primitif se traduisent par une répartition sélective selon les principaux types de sites géotectoniques.

Dans les MORB - tholéiites - (Th/Ta)_N est inférieur à 1 et majoritairement <0,5 ; (Tb/Ta)_N est très variable, E-MORB <1, sinon N-MORB (« appauvri »).

Dans les basaltes alcalins (et transition) le rapport (Th/Ta)_N varie de 0,1 à 1 dans les laves des rifts continentaux et de 0,3 à 1 dans les laves des îles océaniques ; le rapport (Tb/Ta)_N <= 0,3 traduit le caractère « enrichi » de ces laves.

Dans les domaines anorogéniques (basalte océanique tholéiitique) Th/Ta reste autour de 1, alors qu'il varie de 5 à 30 dans les domaines orogéniques tels que les arcs insulaires et les marges actives. On considère que ces variations sont dues au fractionnement de Ta et Th causé par la déshydratation de la plaque subductée qui provoque un enrichissement en Th de la source magmatique. Dans les séries anorogéniques le rapport Ta/Tb augmente des tholéiites aux laves alcalines, augmentation également observée pour La/Yb correspondant plus généralement à l'augmentation du rapport « fortement hygromagmaphile/faiblement hygromagmaphile ».

Dans les zones orogéniques de subduction le (Th/Ta)_N >=2,5 est supérieur et donc différent de celui des MORB, des tholéiites continentales et des basaltes alcalins. Dans ces zones orogéniques on observe parfois la coexistence de laves calco-alcalines et de laves alcalines ces dernières localisées dans des rifts transverses à l'axe volcanique témoignant du synchronisme de la subduction et du rifting de distension crustale. Dans les bassins d'arrière-arc, les basaltes émis s'apparentent aux tholéiites continentales mais TB/Ta y est plus élevé. De même il peut y avoir coexistence de séries calco-alcaline et alcaline nettement potassique, shoshonite (ou lamprophyre).

	Nomenclature des roches volcaniques sur le diagramme TAS (REF) ou SiO2 % vs Na2O+K2O %. La courbe rouge sépare le domaine alcalin du domaine sub-alcalin. Le domaine alcalin est celui des séries alcaline et transitionnelle. Le domaine sub-alcalin comprend la série tholéiitique à faibles teneurs en Na2O+K2O et la série calco-alcaline.
	Nomenclature des roches volcaniques sur le diagramme SiO2 % vs K2O % (REF).distinguant la série shoshonitique de la série calco-alcaline CA Quatre domaines sont distingués correspondant respectivement : série calco-alcaline pauvre en potasse K, transition avec la série tholéiitique série calco-alcaline série calco-alcaline riche en potasse K série shoshonitique

METHODOLOGIE