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Landmannalaugar : les rhyolites et l’obsidienne

Dossier - Voyage en Islande
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L’Islande, aux portes de l’Union européenne, est une île de contraste. On y trouve les glaces des hautes latitudes ; c’est aussi un lieu idéal pour l’étude de la dorsale médio-atlantique. Plongez dans les lacs et les volcans de l'Islande à la découverte de son histoire et de sa biodiversité.

  
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La lave s'est, ici comme dans bien des endroits en Islande, mise en place sous la calotte glaciaire et a permis la formation de tufs rhyolitiques par interaction entre la lave et l'eau de fonte. Ces tufs de couleurs très diverses dues au fer -- ce qui fait la beauté de ces sites -- sont peu résistants à l'érosion (hydrolyse) et présentent des formes arrondies et ravinées, traversées ou non par des filons d'obsidienne...

La cristallisation fractionnée est le phénomène par lequel les minéraux qui cristallisent lors du refroidissement le font par « fractions », selon leur point de fusion. Le type de minéraux qui cristallisent ainsi que leur ordre d'apparition dans la séquence de cristallisation dépend de la composition chimique du magma, mais aussi de la teneur en volatils dissous, de la température, de la pression, etc.

Une vue panoramique à Landmannalaugar. © César Sánchez, CC BY-NC 2.0

Une vue panoramique à Landmannalaugar. © César Sánchez, CC BY-NC 2.0

Par exemple, si le magma est basaltique, pauvre en éléments volatils dissous et à relativement basse pression, l'olivine cristallise en premier, suivie des plagioclases, etc. (voir le diagramme de Bowen dans la page consacrée à la géologie générale).

La différenciation magmatique

La différenciation magmatique est le corollaire de la cristallisation fractionnée. En effet, le liquide résiduel s'appauvrit en éléments pris dans les cristaux formés et s'enrichit relativement en tous les autres éléments. Un magma basaltique sera donc plus riche en fer, magnésium ou calcium qu'un magma rhyolitique (très différencié), riche en silice, sodium et potassium.

Le principal moteur permettant la séparation des minéraux des liquides résiduels est la séparation par densité. En effet, les minéraux plus denses descendront alors que la « pâte » résiduelle (il ne s'agit pas de liquide dans une chambre magmatique), moins dense, monte.

Les couleurs de Landmannalaugar.

Les couleurs de Landmannalaugar. © Claire König

Ce processus conduit à la formation de « séries ». Il en existe cinq :

  • calcoalcaline, à l'origine des Island Arc Basalts (IAB), basaltes de subduction ;
  • tholéiitique, à l'origine des MORB, Mid Ocean Ridge Basalts, basaltes de dorsale ;
  • alcaline, basaltes des îles océaniques (OIB), basaltes de point chaud ;
  • shoshonitique ;
  • transitionnelle.

Le phénomène de différenciation n'est pas le seul capable de faire évoluer la composition chimique des magmas. En effet, les magmas peuvent être contaminés par les roches encaissantes ou modifiés par un autre magma, comme nous l'avons vu. Pour plus de détails sur la différentiation magmatique, consulter le cours de Christian Nicollet.

Les laves de Landmannalaugar sont acides, et c'est un paradoxe apparent en Islande que nous allons essayer de décortiquer.

Sur cette image, la rhyolite est en blanc, le feldspath est en gris et le quartz constitue la matrice rose.

Sur cette image, la rhyolite est en blanc, le feldspath est en gris et le quartz constitue la matrice rose. © DR

Néanmoins, soyons clairs : nous allons passer des basaltes avec 20 % de silice et avec 0,5 % de potassium à des rhyolites à 35 % de silice et 4,4 % de potassium, pas de quoi, à priori, affoler un chimiste ! Pour plus de clarté, je répète ici les trois causes de principales de modification des magmas :

  • contamination par l'encaissant qui serait, ici, plus riche en silice ;
  • contamination du magma M1 par un magma M2 plus riche en silice ;
  • différentiation magmatique (voir ci-dessus).
Cette rhyolite est observée au microscope polarisant avec un grossissement de 100 x.

Cette rhyolite est observée au microscope polarisant avec un grossissement de 100 x. © DR

Notez bien les « si », les conditionnels et les points d'interrogation : ici, on réfléchit !

Pour Landmannalaugar, on pourrait imaginer la différenciation magmatique. Oui, mais les magmas acides ne forment que de petites quantités à cause de la différenciation avancée. Alors, comment expliquer les énormes quantités visibles à cet endroit ? Il faudrait une chambre énorme pour différencier tout ça, et la sismique n'a pas confirmé !

On pourrait imaginer une contamination par le point chaud ou le rift. Oui, mais ce sont des magmas très basiques, or ce n'est pas le cas !

On pourrait imaginer la réalimentation en continu par le point chaud et une différenciation en continu aussi, mais les analyses d'ions présents dans les deux magmas infirment l'hypothèse !

Alors on a évoqué l'eau... En évoquant une phase liquide supplémentaire, on pouvait envisager une solution, mais la quantité d'eau doit être très importante et devrait donc être amenée par des fluides hydrothermaux, par exemple par le rift... Mais avait-on un rift sous l'eau, à cette époque, à cet endroit ?

Alors on a étudié les isotopes de l'oxygène. La rhyolite est pauvre en 18O. L'eau météorique est appauvrie en 18O. Est-il possible que cette eau, nécessaire dans l'hypothèse ci-dessus, soit météorique ? Des calculs ont été faits, en effet, et montrent qu'il est absolument impossible que cette eau soit météorique, tellement les quantités doivent être importantes, ce qui ne correspond absolument pas aux données climatiques... Question non résolue donc !

Des laves acides

Alors on a cherché du côté du potassium. En effet, on en a plus qu'on le pensait ! D'où vient-il ? Pourrait-il expliquer ces quantités de laves acides ici ?

Ici, il faut tenir compte du plancher océanique.

À Oman, on a fait des analyses sur des gabbros affleurants qui sont très modifiés par l'hydrothermalisme en profondeur (très en profondeur). Ces gabbros hydrothermaux, on les a fait fondre en laboratoire et on a obtenu des liquides riches en silice. Alors, les émissions siliceuses de cet endroit seraient-elles liées à la fusion des gabbros hydrothermaux qui sont en dessous ? Mais des questions demeurent :

  • il faut une très forte pénétration en eau : ici, pas de problème, on est tout près de l'océan, les distances ne posent pas de problèmes avec toutes les fissures qui existent ;
  • il faut un gradient thermique fort, plus grand qu'on le pensait. Cette source de chaleur pourrait-elle être le point chaud ? Son gradient thermique serait-il suffisant ? Quelle quantité de chaleur faut-il ?

Recherches en cours, affaire à suivre.

Une coulée d'obsidienne à Landmannlaugar.

Une coulée d'obsidienne à Landmannlaugar. © Claire König

Un autre problème : l’obsidienne

Les laves sont ici rhyolitiques, on l'a vu, mais comment se fait-il que cette cristallisation sous forme de verre, d'obsidienne, soit si importante ? Quels sont les facteurs à l'origine de si grandes quantités d'obsidienne ? Noter que cette obsidienne est très riche en bulles, non transparente et très noire.

Noter encore l'aspect de la coulée : roche cassante, coupante -- attention aux mains --, coulée épaisse et courte, chaotique à souhait quand on marche dedans ! L'obsidienne est une roche volcanique vitreuse et riche en silice (rhyolite). La vitrification en masse est rendue possible par le fort degré de polymérisation de la lave. À ne pas confondre avec les bordures figées et vitrifiées (mm ou cm !) des laves basiques (filons, pillow lavas), dues à un refroidissement brutal au contact avec un encaissant froid.

Les laves acides, très visqueuses et moins chaudes (700-900 °C) que les laves basiques subissent une polymérisation due à leur chimisme, et ont donc une forte viscosité qui limite la diffusion des éléments et donc la cristallisation... et l'écoulement. Dans ce cas, c'est bien l'ensemble de la coulée qui est vitreuse. En général, on a donc de faibles quantités.

On observe de l’obsidienne dans ce détail d’une coulée.

On observe de l’obsidienne dans ce détail d’une coulée. © Claire König

Dans le cas des obsidiennes donc, on vient de le voir, l'état vitreux ne peut pas résulter d'un refroidissement rapide (à cause de la masse), mais signifie que la cristallisation a été inhibée.

Deux types de cations interviennent dans la structuration du liquide silicaté :

  • les cations qui renforcent la polymérisation (donc la viscosité), le silicium en particulier ;
  • les autres cations, dont le potassium (de nouveau), mais ici, accompagné d'une surchauffe du magma (point chaud proche, mais pas forcément en connexion directe) juste avant sa sortie... D'après les analyses géochimiques, il semblerait que ce potassium pourrait être un des facteurs de ces grandes quantités d'obsidienne en inhibant (juste un peu) la solidification (attention, ce n'est pas cristallisé), ce qui a permis une si grande coulée... Hypothèse à confirmer par de nouvelles recherches...

Lire sur l'obsidienne notre dossier « Au cœur de la silice… du silex au wafer ».