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Magma et rôle de celui-ci dans les remontées asthénosphériques

 

 Les fluides non-newtoniens sont présents sous différents aspects à travers différentes échelles. Ce que vous ne savez peut-être pas, c'est qu'ils sont présents sans que vous le sachiez sous vos pieds. Oui c'est cela, les fluides non-newtoniens sont présents à l'échelle de la Terre, et nous allons commencer notre étude par les fluides non-newtoniens présents dans le centre de notre Terre.

 

 

I- Le magma

 

1- Qu'est-ce que le magma?

 

C'est la fusion partielle d'une partie des roches du manteau supérieur (asthénosphère) de la Terre avec la présence de cristaux dans un liquide silicaté (la silice est une forme naturelle de dioxyde de silicium, constituant principalement le manteau et l'écorce de la Terre) avec plus ou moins de gaz dissous, et de l'eau dissoute. Le magma se forme grâce à une très haute température et sous une haute pression. Ne pas confondre le magma de l'asthénosphère avec le magma créé au niveau d'une zone de subduction (phénomène géologique), qui n'est pas de même nature. Ici nous parlons bien du magma créé par la fusion de roches au niveau de l'asthénosphère.

Il existe deux types de magma: Le magma basaltique, qui est formé par des roches peu riches en silice, est très fluide (nous y reviendront par la suite). Et le magma granitique, qui lui, formé par des roches riches en silice, est plus visqueux et épais. Ici c'est le magma basaltique qui nous intéresse.

 

 

 

2- Remontées asthénosphériques

 

Une remontée asthénosphérique (l'asthénosphère est la partie supérieure du manteau terrestre), est un phénomène se produisant lorsqu'il y a des inégalités thermiques dans les roches du manteau terrestre, créant ainsi une fusion partielle de la roche, celle-ci est appelée magma comme nous l'avons vu. Le magma, ayant une masse volumique plus petite que celle des roches solides de l'asthénosphère, est attiré vers la surface par la poussée d'Archimède  sous forme de diapir .

Le magma est un fluide newtonien, mais au-dessus d'une certaine intensité de contraintes de cisaillement, s'appliquant lors d'une remontée asthénosphérique, il devient non-newtonien. En effet la poussée d'Archimède entraîne des pressions du magma sur les roches qu'il traverse, permettant la formation de fractures par lesquelles le magma va monter. Ces fractures qu'il créé entraînent des contraintes de cisaillement dans le magma. En effet la vitesse d'écoulement le long de la paroi de la fracture et celle au milieu sont différentes. Le magma étant visqueux, son changement de viscosité a des conséquences dans sa remontée en surface.

 

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Dessin représentant une remontée asthénosphérique vers un volcan à la Réunion.

Source: http://svt.ac-reunion.fr/ressources/regionales/site_apoi/apoi4/4ch2_seq1_act1/4ch2_seq1_act1.htm

 

 

II- Composition du magma et différents phénomènes rhéologiques

 

1- Viscosité du magma

 

La viscosité du magma diffère selon les conditions de fusion, et la composition des roches à partir desquelles il a été formé. Sa viscosité dépend donc de 5 facteurs:

-Plus la roche initiale contient de l'eau et des gaz, plus le magma sera fluide (ce dernier facteur est à l'origine de l'explosion ou de l'effusion des volcans).

-Plus la roche initiale contient du sodium, du calcium, du magnésium et du fer, plus le magma sera fluide.

-Également le magma peut être acide ou basique. Cela dépend de la quantité de silice contenue dans la roche initiale: le magma acide sera riche en silice et aura une grande viscosité tandis que le magma basique ne sera pas très riche en silice et sera donc plus fluide.

-Enfin plus la température de fusion de la roche est grande (dépendant de la composition de la roche), plus le magma sera fluide.

 

Le magma basaltique du manteau asthénosphérique est peu visqueux, voire fluide de base: c'est un magma pauvre en silice. Il voit sa viscosité diminuer dans un premier temps, en remontant à la surface juste après sa fusion (en comparaison au magma granitique, le magma basaltique a une température de solidification plus élevée, lui permettant d'atteindre la surface, contrairement au magma granitique qui lui, va se solidifier en profondeur à cause d'une température de solidification plus faible).

 

 

 

2-L'ascension du magma basaltique

 

Après sa fusion, pendant son ascension, le magma basaltique a un comportement pseudo-plastique (rhéofluidifiant). Cela permet sa remontée en se fluidifiant à travers des fractures dans la roche malgré des contraintes de cisaillement. Puis lorsque la masse volumique du magma et celle des roches l’entourant redevient la même, le magma cesse de monter et s'arrête dans des chambres magmatiques, au niveau de la lithosphère. Mais la roche de la lithosphère est moins chaude que celle du manteau, le magma basaltique va donc se refroidir. Sa viscosité va ainsi augmenter avec la cristallisation de certains minéraux le composant, sa teneur en silice augmentant également. Et à ce stade le magma présente des comportements rhéologiques différents.

 

 

 

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Sur ce graphique on voit que plus la proportion de cristaux présents dans le magma est grande, plus la viscosité de celui-ci augmente.

 

Source: http://www.saga-geol.asso.fr/Volcanisme_page_exposes_viscosite_magmas_laves.html

 

 

 

3- seuils rhéologiques du magma

 

A un certain pourcentage de cristaux présents dans le magma des chambres magmatiques, celui-ci devient non newtonien, et ce seuil newtonien/ non newtonien peut néanmoins changer selon le nombre, la forme et la dispersion des cristaux contenus dans le magma (variant entre environ 30% et 65% de cristaux présents). Plus les cristaux sont hétérogènes dans leur taille, plus ce seuil newtonien/non newtonien est haut.

 

  - Le premier seuil newtonien/non-newtonien est défini lorsque le taux de cristallisation du magma atteint les 30%-40%. On passe alors à un comportement non-newtonien de Bingham (visco-élastique). Ce seuil est la contrainte minimum qu'il faut atteindre pour rompre le réseau constant de cristaux en suspension dans le magma.

 

  - Le second seuil rhéologique est défini lorsque le taux de cristallisation atteint environ les 60%. L'empilement de cristaux devient alors trop compact. Le magma devient donc solide. Dans ce cas le magma a un comportement newtonien.

Les valeurs pour atteindre ces seuils sont très approximatives car la composition du magma reste le premier phénomène à influencer sa viscosité, par rapport au taux de cristallisation de celui-ci.

 

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En français, ce graphique expose les courbes formées par la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement appliqués pour les trois lois rhéologiques simples se rapprochant du comportement du magma.

 

Source: http://mon.univ-montp2.fr/claroline/backends/download.php?url=L2NvdXJzX0IuX0lsZGVmb25zZS9waHlzX21hZ21hcy5wZGY%3D&cidReset=true&cidReq=FMOG205

 

 

 

 

III-Conséquences géologiques

 

Rarement, ces chambres magmatiques contenant le magma peuvent être sous pression, ainsi le magma basaltique (qui est peu visqueux malgré son refroidissement) reprend son ascension. Il remonte dans des fractures de roches de la lithosphère et peut créer une éruption. On peut concrétiser cette éruption en la comparant à une bouteille de soda. Lorsqu'on secoue la bouteille celle-ci est mise sous pression, et lorsque le liquide jaillit de la bouteille, c'est le phénomène d'éruption. L'intérieur de la bouteille représente la chambre magmatique. Dans le cas d'une éruption le magma basaltique jaillit à l'emplacement de points chauds, plus précisément à l'emplacement de volcans rouges, sous forme d'éruption effusive (volcans émettant des laves fluides) en perçant la lithosphère. Il peut également parvenir à l'état fluide au niveau de dorsales océaniques, zones volcaniques couplées à la remontée du manteau, créant ainsi de la lithosphère océanique.

 

 

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Schéma présentant les différents phénomènes géologiques à l'origine des remontées asthénosphériques

 

Source: http://swagspot.fr/wp-content/uploads/2014/09/Bilan14-1s.pdf

 

Conclusion: Ainsi nous avons vu que le magma avait des comportements rhéologiques différents lors de remontées asthénosphériques. Il est newtonien puis rhéofluidifiant, puis peut devenir fluide de Bingham ou solide, selon sa composition et son taux de cristaux. Celui-ci peut parfois arriver en surface à l'emplacement de phénomènes géologiques qui sont à l'origine de la tectonique des plaques (dorsales océaniques).

 

 

  Avez-vous bien compris le sujet? (plusieurs réponses possibles)

 

1-Quels sont les comportements du magma au cours de son ascension vers la lithosphère?

a. Visco-élastique

b. Dilatant (rhéoépaississant)

c. Newtonien

d. Pseudo-plastique

 

2-La proportion de cristaux contenue dans le magma des chambres magmatiques:

a. Est toujours égale ou supérieure à 30%

b. Dépend de la composition du magma

c. N'a pas d'influence sur le comportement rhéologique du magma

d. A des conséquences sur le comportement du magma lorsqu'il est sous pression

 

3-Une remontée asthénosphérique:

a. Est un phénomène qui créé une fusion partielle de la roche de l'asthénosphère

b. N'est pas un mécanisme à l'origine de la fusion partielle de la roche du manteau supérieur

c. Permet à la roche du manteau supérieur de remonter sous forme de diapir

d. Créé du magma granitique

 

4-Le magma basaltique:

a. Peut avoir un comportement newtonien lors de sa remontée vers la lithosphère:

b. A un comportement pseudo-plastique lorsque sa proportion de cristaux est égale ou supérieure à 30%

c. Peut être à l'origine de l'émission de laves fluides au niveau de points chauds

d. Peut subir deux comportements rhéologiques différents dans une chambre magmatique

 

Réponses:

1- c. ; d.

2- b. ; d.

3- c.

4- a. ; c.

 

 

Découvir les propriétés non-newtoniennes des sables mouvants

 

 

Sources: