Cristallisation fractionnée (géologie)
La cristallisation fractionnée est l’élimination et la ségrégation d’une masse fondue de précipités minéraux; sauf dans des cas particuliers, l’élimination des cristaux modifie la composition du magma. En substance, la cristallisation fractionnée est l’élimination des cristaux formés au début d’un magma à l’origine homogène (par exemple, par décantation par gravité) de sorte que ces cristaux sont empêchés de réagir davantage avec la masse fondue résiduelle. La composition de la masse fondue restante devient relativement appauvrie dans certains composants et enrichie dans d’autres, ce qui entraîne la précipitation d’une séquence de minéraux différents.
La cristallisation fractionnée dans les fondus de silicates (magmas) est complexe par rapport à la cristallisation dans les systèmes chimiques à pression et composition constantes, car les changements de pression et de composition peuvent avoir des effets dramatiques sur l’évolution du magma. L’addition et la perte d’eau, de dioxyde de carbone et d’oxygène font partie des changements de composition qui doivent être pris en compte. Par exemple, la pression partielle (fugacité) de l’eau dans les fondus de silicates peut être de première importance, comme dans la cristallisation quasi-solidus de magmas de composition granitique. La séquence de cristallisation des minéraux oxydes tels que la magnétite et l’ulvospinel est sensible à la fugacité en oxygène des fontes, et la séparation des phases oxydes peut être un contrôle important de la concentration de silice dans le magma en évolution, et peut être importante dans la genèse de l’andésite.
Les expériences ont fourni de nombreux exemples des complexités qui contrôlent quel minéral est cristallisé en premier lorsque la masse fondue se refroidit au-delà du liquidus.
Un exemple concerne la cristallisation de fondus qui forment des roches mafiques et ultramafiques. Les concentrations de MgO et de SiO2 dans les fontes font partie des variables qui déterminent si l’olivine de forstérite ou le pyroxène d’enstatite est précipité, mais la teneur en eau et la pression sont également importantes. Dans certaines compositions, à des pressions élevées sans cristallisation de l’enstatite dans l’eau est favorisée, mais en présence d’eau à des pressions élevées, l’olivine est favorisée.
Les magmas granitiques fournissent des exemples supplémentaires de la façon dont des fontes de composition et de température généralement similaires, mais à des pressions différentes, peuvent cristalliser différents minéraux. La pression détermine la teneur maximale en eau d’un magma de composition granitique. La cristallisation fractionnée à haute température de magmas granitiques relativement pauvres en eau peut produire du granite à feldspath alcalin simple, et la cristallisation à basse température de magma relativement riche en eau peut produire du granite à deux feldspaths.
Au cours du processus de cristallisation fractionnée, les fondus s’enrichissent en éléments incompatibles. Par conséquent, la connaissance de la séquence de cristallisation est essentielle pour comprendre l’évolution des compositions fondues. Les textures des roches fournissent des informations, comme documenté au début des années 1900 par la série de réactions de Bowen. Un exemple d’une telle texture, liée à la cristallisation fractionnée, est les textures intergranulaires (également appelées intercumulus) qui se développent partout où un minéral cristallise plus tard que la matrice environnante, remplissant ainsi l’espace interstitiel restant. Divers oxydes de chrome, de fer et de titane présentent de telles textures, comme la chromite intergranulaire dans une matrice siliceuse. Des diagrammes de phase déterminés expérimentalement pour des mélanges simples fournissent des informations sur les principes généraux. Les calculs numériques avec un logiciel spécial sont devenus de plus en plus capables de simuler avec précision les processus naturels.