La coulée de feu de l’Etna, photographie de Luciano Gaudenzio réalisée en 2017 à l'heure bleue. © Luciano Gaudenzio, Wildlife Photographer of the Year 2020
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Fusion partielle

DéfinitionClassé sous :Géologie , magmatisme , thermodynamique

D'où vient la lave que nous observons au niveau des volcans ? Comment est généré le liquide magmatique ? À l'origine, il y a bien sûr un processus de fusion. La roche, soumise à une certaine température, commence à fondre. Mais la complexité minéralogique de la croûte et du manteau, ainsi que les conditions de pression et température, font que cette fusion n'est jamais totale. On parle alors de fusion partielle.

Géotherme, solidus et liquidus

Comment fonctionne ce processus de fusion partielle ? Pour chaque matériau, il existe un diagramme de phase qui indique ses différents états possibles (solide, solide + liquide, liquide) en fonction des conditions de température et de pression. Les limites de ces différents états sont marquées par des courbes nommées solidus et liquidus. Sur Terre, la température augmente avec l'augmentation de la pression (et de la profondeur) suivant une courbe que l'on nomme géotherme ou gradient géothermique. La forme de cette courbe varie en fonction des conditions du milieu.

Dans des conditions normales, lors de l'équilibre thermodynamique, les courbes du géotherme et du solidus ne se recoupent pas, le matériau est entièrement solide, il n'y a pas de fusion. Pour qu'un magma soit produit, il faut qu'un déséquilibre thermodynamique se produise localement pour permettre la fusion partielle. Au niveau d’une dorsale ou d'un point chaud par exemple, qui représentent des zones particulièrement chaudes, la température augmente très rapidement avec la profondeur. La courbe du géotherme est donc capable de recouper la courbe du solidus. Dans ce cas, il y a un début de fusion. Mais tant que le liquidus n'est pas atteint, la fusion n'est pas totale. À noter que dans les conditions terrestres, le liquidus n'est jamais atteint. La roche commence donc à fondre, mais uniquement en partie. C'est le début de la fusion partielle et de la création d'un liquide magmatique interstitiel. Certains cristaux vont fondre, d'autres pas. Il y a ainsi coexistence des phases solides et liquides. Les laves et roches magmatiques sont toutes issues de ce processus.

Schéma des processus menant à la fusion partielle du manteau supérieur. Le géotherme est en rouge sur les graphes, le solidus en vert. La fusion partielle commence lorsque la température du géotherme excède celle du solidus. © Wikimédia Commons, Ariel Provost

Les paramètres de la fusion partielle

Trois situations peuvent expliquer le franchissement du solidus et donc le début de la fusion partielle :

  • La décompression adiabatique (diminution rapide de la pression à température constante). Cela se produit lorsqu'il y a remontée du matériel, suffisamment rapidement pour qu'il n'ait pas le temps de se rééquilibrer thermiquement avec la roche environnante. C'est ce qui se passe au niveau des dorsales.
  • L'hydratation. L'adjonction d'eau à une roche va permettre de déplacer son solidus d'un solidus « sec » à un solidus « hydraté », dont la température de début de fusion est plus faible. C'est notamment ce qui se passe au niveau des zones de subduction.
  • Une hausse de température à pression constante. C'est ce qui se passe au niveau des points chauds.

Différenciation chimique des magmas

Il existe une grande diversité de roches magmatiques. Les différences de composition chimique des magmas dont elles sont issues dépendent de la roche source ayant subi le processus de fusion partielle. Les magmas peuvent être produits par fusion partielle de la croûte continentale, de la croûte océanique, ou du manteau, qui présente de grandes hétérogénéités en matière de composition. Mais comme la fusion est toujours partielle, les liquides magmatiques produits auront toujours une composition différente de celle de la roche source.

La composition finale de la roche magmatique dépendra également du degré de fusion partielle. En effet, tous les minéraux ne fondent pas en même temps et certains éléments chimiques ont tendance à migrer préférentiellement dans la phase liquide. Ce sont les éléments dits incompatibles. Un faible degré de fusion partielle aura donc pour effet de concentrer les éléments incompatibles - comme Na (sodium) et K (potassium) - dans le liquide magmatique, alors qu'un degré de fusion partielle plus élevé entraînera la fusion de nouvelles espèces minérales, provoquant la dilution des éléments incompatibles. Les deux produits magmatiques peuvent ainsi avoir des compositions très variables.

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