Origine et différenciation des magmas

1. Qu'est-ce qu'un magma ?

Un magma est une roche fondue, formée en profondeur, qui contient :

• un liquide silicaté (riche en silicium et en oxygène) ;
• des cristaux déjà formés, en suspension ;
• des gaz dissous : surtout de la vapeur d'eau (H₂O), du dioxyde de carbone (CO₂) et des gaz soufrés (SO₂).

Sa température va d'environ 700 °C (magmas granitiques riches en eau) à plus de 1 200 °C (magmas basaltiques).

On classe les magmas, et les roches qu'ils donnent, selon leur teneur en silice (SiO₂) :

Plus un magma est riche en silice, plus il est visqueux et plus il est riche en éléments comme le potassium et le sodium ; plus il est pauvre en silice, plus il est fluide et riche en fer et en magnésium. Tu as vu dans la leçon précédente les conséquences sur le type d'éruption.

2. L'origine des magmas : la fusion partielle

Le manteau est solide. Pour qu'il produise du magma, il faut qu'une partie de ses roches fonde. Mais une roche n'est pas un corps pur : elle est formée de plusieurs minéraux qui ne fondent pas à la même température. Quand la température monte, les minéraux les plus « fusibles » fondent les premiers, alors que les autres restent solides. C'est la fusion partielle. Le liquide formé, moins dense, se sépare de la roche restante (le résidu) et monte : c'est le magma.

La température à partir de laquelle une roche commence à fondre s'appelle le solidus. La fusion partielle se produit quand les conditions (température, pression, eau) franchissent ce solidus. Trois situations le permettent :

a) La décompression (dorsales et points chauds). Sous une dorsale, la péridotite du manteau remonte. Sa température baisse peu, mais la pression diminue beaucoup. Or à pression plus faible, une roche fond plus facilement. La péridotite fond partiellement (de l'ordre de 10 à 20 %) et donne un magma basaltique. C'est ainsi que naît la croûte océanique.

b) L'apport d'eau (zones de subduction). La plaque océanique qui plonge contient de l'eau dans ses minéraux. En profondeur, cette eau est libérée et monte dans le manteau situé au-dessus. L'eau abaisse la température de fusion de la péridotite, qui fond partiellement. Le magma obtenu, riche en eau, évolue ensuite vers des magmas andésitiques.

c) Le réchauffement de la croûte continentale (collision, zones très chaudes). Quand la croûte continentale est épaissie et enfouie, ou chauffée par un magma basaltique, elle peut fondre partiellement. Cette fusion de la croûte s'appelle l'anatexie ; elle donne des magmas granitiques. Beaucoup de granites anciens de Guinée forestière et de Haute-Guinée se sont formés ainsi, lors de très anciennes collisions.

3. La différenciation magmatique

Un même magma peut donner plusieurs roches différentes : c'est la différenciation magmatique. Son mécanisme principal est la cristallisation fractionnée.

Quand un magma refroidit lentement dans un réservoir, les minéraux ne cristallisent pas tous en même temps. Le géologue canadien Norman Bowen a établi au début du XXᵉ siècle l'ordre de cristallisation des minéraux (les séries de Bowen) :

• série discontinue (minéraux ferromagnésiens, sombres) : olivine, puis pyroxène, puis amphibole, puis biotite ;
• série continue (feldspaths plagioclases) : plagioclase riche en calcium d'abord, puis de plus en plus riche en sodium ;
• à la fin, à plus basse température : feldspath potassique (orthose), muscovite, et enfin quartz.

Les premiers minéraux (olivine, pyroxène) sont pauvres en silice et riches en fer et magnésium. En se formant, ils retirent ces éléments du liquide. Comme ils sont plus denses que le liquide, ils tombent au fond du réservoir et s'y accumulent : ils forment des cumulats (dunites, péridotites, gabbros). Le liquide restant, appelé liquide résiduel, s'enrichit donc en silice, en sodium et en potassium. S'il se sépare et monte, il donnera des roches de plus en plus acides : diorite, puis granite.

Ainsi, à partir d'un magma basaltique, on peut obtenir une série de roches : péridotite et gabbro en bas du réservoir, diorite, puis roches claires riches en silice dans les derniers liquides.

D'autres mécanismes augmentent la diversité : l'assimilation de roches encaissantes fondues par le magma (contamination), et le mélange de deux magmas différents.

4. Roches plutoniques et roches volcaniques

Un même magma peut refroidir de deux façons :

• lentement, en profondeur : tous les minéraux ont le temps de former des cristaux visibles ; la texture est grenue ; on obtient une roche plutonique (granite, gabbro, diorite, péridotite) ;
• rapidement, en surface : il se forme quelques gros cristaux (phénocristaux) dans une pâte de petits cristaux (microlites) et de verre ; la texture est microlitique ; on obtient une roche volcanique (rhyolite, basalte, andésite).

Entre les deux, les magmas refroidis dans des filons ou des couches peu profondes donnent des roches à texture intermédiaire, comme la dolérite, très répandue en Guinée.

En Guinée, le massif du Kaloum et du Kakoulima montre de belles roches ultrabasiques et basiques (dunites, péridotites, gabbros), formées par accumulation des premiers cristaux d'un magma. Les îles de Loos sont formées de syénites néphéliniques, roches claires sans quartz issues d'un magma alcalin particulier. Les dolérites du Fouta-Djallon et de Basse-Guinée sont des magmas basiques mis en place en filons et en couches.