Fiche de révision : Équilibre géochimique magmatique

📋 Plan du Cours

1. Différenciation et composition de la Terre
2. Éléments majeurs, mineurs et traces
3. Substitution et coefficients de partage
4. Cristallisation fractionnée
5. Fusion partielle du manteau
6. Mélanges et assimilations
7. Terres rares et diagrammes
8. Indicateurs pétrogénétiques et contextes

📖 1. Différenciation et composition de la Terre

★ À maîtriser

• 🔄 La différenciation de la Terre comprend les étapes suivantes:
  1. Accrétion
  2. Ségrégation du noyau métallique
  3. Accrétion tardive ou late veneer
  4. Formation de la croûte

Compléments

• Le noyau contient principalement Fe, Ni, Cr et S, tandis que le manteau contient principalement Mg, Si, O, Fe et Ca.

💡 Astuce mémo

Accrétion → ségrégation du noyau → late veneer → croûte

📖 2. Éléments majeurs, mineurs et traces

🔑 Notions clés & Définitions

• Éléments majeurs : représentent plus de 1 % de la masse et 99 % de la croûte terrestre est composée de huit éléments majeurs.
• Éléments traces : Les éléments traces représentent moins de 0,1 % de la masse, comme l’uranium, le thorium, le zinc et le strontium.

📝 Points essentiels

• Les terres rares comprennent les lanthanides de La à Lu, correspondant aux éléments de numéro atomique 57 à 71, à l’exception du prométhium qui n’est pas stable.

💡 Astuce mémo

Majeurs abondants dans la roche, traces minoritaires mais indicatrices

📖 3. Substitution et coefficients de partage

🔑 Notions clés & Définitions

• Coefficient de partage : Le coefficient de partage quantifie, à l’équilibre, le rapport des concentrations d’un élément entre deux phases minérales et dépend de la température pour les solutions diluées.

📝 Points essentiels

• Lorsqu’un élément trace se substitue à un élément majeur dans un site cristallographique, la valence et le rayon ionique sont les principaux critères de substitution.

• Si deux ions en compétition ont des rayons ioniques qui diffèrent de moins de 15 %, le plus petit, celui de plus forte valence ou le plus électropositif s’introduit préférentiellement dans la maille cristalline.

• Le coefficient de répartition décrit la distribution d’un élément entre une phase minérale et un liquide sans faire d’hypothèse thermodynamique d’équilibre, contrairement au coefficient de partage.

• Un élément compatible a une forte affinité pour les phases solides et un coefficient global D supérieur à 1, tandis qu’un élément incompatible a une faible affinité pour les solides et un coefficient D inférieur à 1.

💡 Astuce mémo

Rayon et valence → substitution cristalline → répartition entre phases

📖 4. Cristallisation fractionnée

★ À maîtriser

• Lors de la cristallisation fractionnée, le refroidissement provoque la cristallisation successive de fractions solides qui sont séparées du liquide résiduel.

📌 La loi de Rayleigh décrit l’évolution de la concentration d’un élément dans le liquide lors de la cristallisation fractionnée en fonction de sa concentration initiale, du coefficient global de répartition D et de la fraction liquide restante.

📌 Lors de la cristallisation fractionnée, le rapport de concentration de deux éléments incompatibles reste constant et égal à sa valeur dans le liquide primaire.

Compléments

• Les éléments très incompatibles ont un coefficient D proche de zéro et leur concentration dans le liquide dépend principalement de l’avancement de la cristallisation.

💡 Astuce mémo

Refroidissement → cristallisation → séparation des cristaux → liquide résiduel

📖 5. Fusion partielle du manteau

★ À maîtriser

• La fusion partielle produit un liquide à partir d’un domaine du manteau supérieur initialement solide, tandis que le liquide reste en interaction avec le solide résiduel dans ce modèle.

📌 Lors de la fusion partielle, les éléments incompatibles sont extraits rapidement dans le liquide, surtout lorsque le taux de fusion est faible.

Compléments

• Les éléments compatibles varient faiblement dans le liquide lors de la fusion partielle car ils restent préférentiellement dans le solide.

• Les taux de fusion partielle étudiés pour le manteau sont inférieurs à 30 %.

💡 Astuce mémo

Cristallisation fractionnée enrichit le liquide en incompatibles, fusion partielle les extrait du solide

📖 6. Mélanges et assimilations

★ À maîtriser

📌 Un mélange résulte de la combinaison de magmas provenant de sources différentes ou du remplissage renouvelé d’une chambre magmatique, tandis qu’une assimilation incorpore des matériaux de l’encaissant au magma.

📌 Le mélange de deux composants magmatiques définit une droite de mélange pour les concentrations, tandis qu’un rapport d’éléments définit généralement une hyperbole dont la courbure dépend du contraste des concentrations au dénominateur.

Compléments

• La différenciation par cristallisation fractionnée peut être accompagnée par l’assimilation de l’encaissant pendant le passage du magma dans la lithosphère ou pendant son séjour dans la chambre magmatique.

📖 7. Terres rares et diagrammes

★ À maîtriser

• Le rayon ionique des terres rares diminue lorsque le numéro atomique augmente, en raison du remplissage progressif de la couche électronique f.

• Les terres rares sont généralement trivalentes, mais l’europium peut être Eu2+ et le cérium peut être Ce4+ dans certains états d’oxydation du magma.

📌 Le grenat concentre et fractionne les terres rares lourdes, ce qui produit une forte pente dans les spectres de terres rares.

📌 L’europium peut se substituer au calcium dans le plagioclase, de sorte que la cristallisation abondante de plagioclase produit une anomalie positive en Eu et la perte de plagioclase une anomalie négative.

Compléments

📌 La normalisation des concentrations des terres rares aux chondrites élimine l’effet de la nucléosynthèse et compare le degré de différenciation des matériaux terrestres à celui de l’univers moyen.

💡 Astuce mémo

Une pente REE descendante de La vers Lu traduit la compatibilité croissante

📖 8. Indicateurs pétrogénétiques et contextes

★ À maîtriser

📌 Les MORB sont appauvris en éléments incompatibles, tandis que les OIB sont enrichis en ces éléments.

• Le grenat est stable dans le manteau à des profondeurs supérieures à 60 km, et sa présence dans la source modifie la concentration des HREE lors de la fusion partielle.

• Le volcanisme d’arc est enrichi en Cs, Rb, Ba, Sr, K, parfois Th et Pb, mais appauvri en Nb, Ta, parfois Hf, Zr et Ti.

• La croûte continentale présente généralement une anomalie négative en Nb et Ta et une anomalie positive en Pb, ce qui souligne le rôle du volcanisme d’arc dans sa formation.

• Le strontium se substitue au calcium dans le plagioclase et se comporte comme un élément compatible à basse pression, lorsque le plagioclase cristallise tôt, mais comme un élément incompatible à haute pression, lorsque le plagioclase n’est plus stable.

Compléments

• Les fortes concentrations de Ni, Co et Cr indiquent une source mantellique, une faible fractionation ou une accumulation de cristaux, car Ni et Co se concentrent dans l’olivine et Cr dans le spinelle et le clinopyroxène.

💡 Astuce mémo

MORB appauvri, OIB enrichi, volcanisme d’arc enrichi en LILE mais pauvre en HFSE

📊 Tableaux de synthèse

Cristallisation fractionnée et fusion partielle