Pétrologie ignée
La pétrologie ignée s’intéresse à l’identification, la classification, l’origine, l’évolution et les processus de formation et de cristallisation des roches ignées. La plupart des roches disponibles pour l’étude proviennent de la croûte terrestre, mais quelques-unes, comme les éclogites, dérivent du manteau. Le champ d’application de la pétrologie ignée est très vaste car les roches ignées constituent la majeure partie des croûtes continentales et océaniques et des ceintures montagneuses du monde, dont l’âge varie de l’Archéen précoce au Néogène, et elles comprennent également les roches extrusives volcaniques de haut niveau et les roches plutoniques qui se sont formées en profondeur dans la croûte. La géochimie, qui s’intéresse à la composition en éléments majeurs et en éléments traces des roches ignées ainsi que des magmas dont elles sont issues, est de la plus haute importance pour la recherche pétrologique ignée. Certains des principaux problèmes relevant de la pétrologie ignée sont les suivants : (1) la forme et la structure des corps ignés, qu’il s’agisse de coulées de lave ou d’intrusions granitiques, et leurs relations avec les roches environnantes (ce sont des problèmes étudiés sur le terrain) ; (2) l’histoire de la cristallisation des minéraux qui composent les roches ignées (on la détermine avec le microscope polarisant pétrographique) ; (3) la classification des roches basée sur les caractéristiques texturales, la taille des grains, et l’abondance et la composition des minéraux constituants ; (4) le fractionnement des magmas parents par le processus de différenciation magmatique, qui peut donner lieu à une séquence évolutive de produits ignés génétiquement apparentés ; (5) le mécanisme de génération des magmas par la fusion partielle de la croûte continentale inférieure, du manteau subocéanique et subcontinental, et des dalles de lithosphère océanique en subduction ; (6) l’histoire de la formation et la composition de la croûte océanique actuelle, déterminées sur la base des données du Programme intégré de forage océanique (IODP) ; (7) l’évolution des roches ignées à travers les temps géologiques ; (8) la composition du manteau à partir des études des roches et de la chimie minérale des éclogites remontées à la surface dans les pipes à kimberlite ; (9) les conditions de pression et de température auxquelles se forment les différents magmas et auxquelles cristallisent leurs produits ignés (déterminées à partir de la pétrologie expérimentale à haute pression).
L’instrument de base de la pétrologie ignée est le microscope polarisant pétrographique, mais la majorité des instruments utilisés aujourd’hui ont à voir avec la détermination de la chimie des roches et des minéraux. Il s’agit notamment du spectromètre à fluorescence X, de l’équipement pour l’analyse par activation neutronique, du spectromètre à plasma couplé à l’induction, de la microsonde électronique, de la sonde ionique et du spectromètre de masse. Ces instruments sont hautement informatisés et automatiques et produisent des analyses rapidement (voir ci-dessous Géochimie). Des laboratoires expérimentaux complexes à haute pression fournissent également des données essentielles.
Avec une vaste gamme d’instruments sophistiqués disponibles, le pétrologue igné est en mesure de répondre à de nombreuses questions fondamentales. L’étude du plancher océanique a été combinée avec l’investigation des complexes ophiolitiques, qui sont interprétés comme des dalles de plancher océanique qui ont été poussées sur les marges continentales adjacentes. Une ophiolite fournit une section beaucoup plus profonde du plancher océanique que ne le permettent les carottes de forage peu profondes et les échantillons de dragage du plancher océanique existant. Ces études ont montré que la couche volcanique supérieure est constituée de basalte tholéiitique ou de basalte de dorsale médio-océanique qui a cristallisé dans un rift ou une dorsale en accrétion au milieu d’un océan. La combinaison de la chimie minérale des basaltes et de la pétrologie expérimentale de ces phases permet aux chercheurs de calculer la profondeur et la température des chambres magmatiques le long de la dorsale médio-océanique. Les profondeurs avoisinent les six kilomètres, et les températures varient entre 1 150 °C et 1 279 °C. L’étude pétrologique complète de toutes les couches d’une ophiolite permet de déterminer la structure et l’évolution de la chambre magmatique associée.
En 1974, B.W. Chappell et A.J.R. White ont découvert deux types majeurs et distincts de roches granitiques – à savoir les granitoïdes de type I et de type S. Le type I a des rapports strontium-87/strontium-86 inférieurs à 0,706 et contient de la magnétite, de la titanite et de l’allanite mais pas de muscovite. Ces roches se sont formées au-dessus des zones de subduction dans les arcs insulaires et les marges continentales actives (en subduction) et ont finalement été dérivées par la fusion partielle du manteau et de la lithosphère océanique subduite. En revanche, les granitoïdes de type S ont des rapports strontium-87/strontium-86 supérieurs à 0,706 et contiennent de la muscovite, de l’ilménite et de la monazite. Ces roches ont été formées par la fusion partielle de la croûte continentale inférieure. Celles que l’on trouve dans l’Himalaya se sont formées à l’époque du Miocène, il y a environ 20 000 000 d’années, à la suite de la pénétration de l’Inde en Asie, qui a épaissi la croûte continentale et a ensuite provoqué sa fusion partielle.
Dans les arcs insulaires et les marges continentales actives qui bordent l’océan Pacifique, on trouve de nombreuses roches volcaniques et plutoniques différentes appartenant à la série calco-alcaline. Il s’agit notamment de basalte, d’andésite, de dacite, de rhyolite, d’ignimbrite, de diorite, de granite, de péridotite, de gabbro et de tonalite, de trondhjemite et de granodiorite (TTG). Elles se trouvent généralement dans de vastes batholites, qui peuvent atteindre plusieurs milliers de kilomètres de long et contenir plus de 1 000 corps granitiques distincts. Ces roches calc-alcalines TTG représentent le principal moyen de croissance de la croûte continentale tout au long des temps géologiques. De nombreuses recherches leur sont consacrées afin de déterminer les régions d’origine de leurs magmas parents et l’évolution chimique des magmas. Il est généralement admis que ces magmas sont en grande partie issus de la fusion d’une dalle océanique subduite et du biseau mantellique hydraté sus-jacent. L’une des influences majeures sur l’évolution de ces roches est la présence d’eau, qui provient à l’origine de la déshydratation de la dalle subduite.