Exercices: Le magmatisme et les roches magmatiques

Définir le magma et expliquer les trois facteurs qui peuvent provoquer la fusion d'une roche de l'intérieur de la planète : augmentation de la température, diminution de la pression et apport d'eau.

Expliquer pourquoi la plupart des volcans actifs de la planète sont alignés avec les limites des plaques lithosphériques, et citer une région volcanique associée à une limite divergente et une autre associée à une limite convergente.

Associer chaque contexte de magmatisme au type de roches magmatiques qu'il produit — dorsale océanique, zone de subduction et point chaud — en choisissant entre roches basiques (basalte, gabbro) et roches intermédiaires ou felsiques (andésite, granite), et citer un archipel célèbre issu d'un point chaud.

Différencier magma et lave, et roche plutonique (intrusive) et roche volcanique (extrusive), en donnant un exemple de chaque roche et en expliquant où chacune se refroidit.

Expliquer ce qu'est la viscosité d'un magma, de quels trois facteurs elle dépend (teneur en silice, température et gaz dissous) et comment la viscosité influe sur le caractère tranquille ou explosif d'une éruption.

Nommer les trois grands groupes de produits émis par un volcan (coulées de lave, pyroclastes et gaz) et associer à chacun un risque concret pour les populations proches.

Qu'est-ce qu'une caldeira volcanique et comment se forme-t-elle ? La différencier d'un cratère et citer un exemple en Espagne ou dans le monde (Las Cañadas del Teide, Santorin, Yellowstone).

Expliquer ce que mesure l'indice d'explosivité volcanique (IEV), avec quels paramètres il est calculé (volume de matériaux émis, hauteur de la colonne éruptive) et pourquoi il s'agit d'une échelle ouverte, semblable à l'échelle de magnitude des séismes.

La coupe du schéma montre trois contextes où se forment des magmas (1 à 3). a) Identifier chacun d'eux. b) Expliquer le mécanisme de fusion à l'œuvre dans chaque contexte : diminution de pression, apport d'eau ou anomalie thermique du manteau. c) Indiquer quel type de roche magmatique en résulte dans chaque cas.

Un magma de même composition peut donner une roche plutonique ou une roche volcanique. Expliquer, à partir de leur histoire de refroidissement, la différence entre un granite et une rhyolite, et quel trait de leur texture permet de les distinguer à l'œil nu.

Les points chauds engendrent des chaînes d'îles volcaniques alignées selon l'âge, comme l'archipel d'Hawaï. Expliquer comment cette chaîne se forme à mesure que la plaque se déplace au-dessus du point chaud et pourquoi l'âge des îles constitue un enregistrement du mouvement de la plaque.

Les « disjonctions colonnaires » découpent certaines coulées de basalte en prismes hexagonaux parfaits (les Orgues de La Gomera). Expliquer quel processus physique les produit lorsque la lave se refroidit (contraction thermique et fracturation) et pourquoi la géométrie hexagonale est la plus efficace.

Dans les dorsales, le magma se forme par fusion par décompression et, dans les subductions, par apport d'eau. Expliquer en quoi consiste chaque mécanisme et expliquer pourquoi l'eau libérée par la plaque plongeante fait fondre le manteau sus-jacent même si la température n'augmente pas.

En remontant, un magma change de composition par cristallisation fractionnée. Expliquer en quoi consiste ce processus (quels minéraux cristallisent en premier, ce qu'il advient du magma résiduel) et pourquoi les magmas évolués finissent plus riches en silice.

En 2021, la lave du Tajogaite est entrée dans la mer et a construit une nouvelle fajana. Décrire les processus qui se produisent lorsque la lave entre en contact avec l'eau de l'océan (refroidissement brutal, nuages de vapeur acide, fragmentation) et les risques supplémentaires pour la population et pour la pêche.

Différencier un strato-volcan d'un volcan bouclier : forme de l'édifice, composition et viscosité de leurs laves, type d'éruption dominant et un exemple de chacun (le Teide ou le Vésuve face à Hawaï).

Une équipe de volcanologie analyse des échantillons de deux éruptions sous-marines récentes : le volcan A émet des laves fluides avec 49 % de $\text{SiO}_2$ et moins de 0,5 % de $\text{H}_2\text{O}$ ; le volcan B, situé derrière une fosse océanique, rejette des laves visqueuses et des pyroclastes avec 68 % de $\text{SiO}_2$ et 4,2 % de volatils. a) Justifier l'origine thermique et compositionnelle du magma du volcan A, en déduisant pourquoi la fusion par décompression adiabatique dans les dorsales n'engendre guère de différenciation. b) Justifier les deux processus géochimiques qui ont transformé le liquide initial du volcan B en un magma felsique explosif, en détaillant le rôle du manteau lithosphérique sus-jacent et des fluides libérés par la plaque subduite.

Un rapport de vulgarisation affirme : « L'arc insulaire des Aléoutiennes présente un volcanisme tranquille et effusif parce que l'eau de mer environnante refroidit le magma et le rend stable ; en revanche, l'Islande subit de continuelles éruptions pliniennes dévastatrices parce qu'elle est située sur une dorsale océanique ouverte ». a) Réfuter de façon argumentée ces deux affirmations : déterminer le contexte tectonique réel de chaque zone et justifier quel type d'éruption prédomine dans chacune selon la viscosité, la teneur en silice et le dégazage du magma. b) Prévoir et comparer les deux principaux dangers volcaniques directs (lahars, coulées de lave, écoulements pyroclastiques, cendres) qui menacent la population dans chacun de ces deux scénarios.

En 2021, l'éruption du Tajogaite (La Palma, contexte intraplaque) a émis des laves basaltiques qui ont avancé le long du versant en ensevelissant des constructions, mais en permettant des évacuations organisées. En revanche, en 2008, le volcan Chaitén (Chili, zone de subduction) s'est réveillé brutalement avec une colonne plinienne de plus de 20 km de hauteur de cendres rhyolitiques et l'effondrement de dômes pyroclastiques. a) À partir des conditions de fusion du manteau et de l'évolution magmatique dans chaque contexte géodynamique, justifier pourquoi la rhéologie (viscosité et gaz) des deux magmas était si différente. b) En tant que conseiller de la Sécurité civile, justifier pourquoi les mesures d'évacuation et de délimitation de zones d'exclusion appliquées à La Palma auraient été inutiles et mortelles face à un événement comme celui du Chaitén.

Observer la chronologie suivante du début du volcanisme de surface aux Canaries : Fuerteventura (il y a environ 20 Ma), Tenerife (il y a environ 12 Ma), La Palma (il y a environ 2 Ma) et El Hierro (il y a 1,1 Ma). Pourtant, Fuerteventura et Tenerife ont connu une activité volcanique à l'Holocène, et le Teide est un strato-volcan actif. a) Si l'archipel répondait fidèlement à un panache mantellique fixe et thermique de type Hawaï sous une plaque lithosphérique en mouvement, quelle activité éruptive s'attendrait-on à trouver aujourd'hui à Fuerteventura et à Lanzarote ? Justifier l'écart avec les données réelles. b) Pour résoudre cette anomalie, deux modèles ont été proposés : la tectonique de fractures se propageant depuis l'Atlas et un panache mantellique pulsant sous une plaque quasi stationnaire. Concevoir quelles observations géophysiques (comme la tomographie sismique profonde) ou géochimiques permettraient de confirmer ou d'écarter l'existence d'un panache thermique profond sous les îles.

Après une grande éruption volcanique, 15 millions de tonnes de $\text{SO}_2$ sont libérées dans l'atmosphère. Si la colonne éruptive ne dépasse pas 9 km d'altitude (troposphère moyenne), le refroidissement de surface qui en résulte est quasi nul et se dissipe en quelques semaines ; en revanche, si la colonne atteint 24 km (stratosphère), la température moyenne de la planète baisse de 0,5 °C pendant trois ans. a) Justifier sur le plan physico-chimique quelle transformation subit le $\text{SO}_2$ dans l'atmosphère, comment il modifie le bilan radiatif terrestre (albédo par rapport à effet de serre) et pourquoi l'altitude atteinte détermine de façon aussi critique la durée de l'impact climatique. b) Certains projets de géo-ingénierie climatique proposent d'injecter des aérosols de sulfate dans la stratosphère pour freiner le réchauffement climatique. Évaluer de façon critique cette proposition en prévoyant deux effets secondaires défavorables sur la dynamique climatique ou la chimie de l'atmosphère terrestre.

L'indice d'explosivité volcanique (VEI) est une échelle logarithmique relative au volume de téphra émis (à partir du VEI 2, chaque augmentation d'un degré multiplie par 10 le volume émis). L'éruption du Tambora (1815) a atteint un VEI 7 et a expulsé environ $100\ \text{km}^3$ de pyroclastes, provoquant « l'année sans été » de 1816. a) Si un volcan actuel entre en éruption avec un VEI 5, calculer le volume approximatif de téphra émis et justifier pourquoi deux éruptions de VEI identique peuvent avoir des impacts climatiques mondiaux totalement différents, en considérant la composition chimique initiale du magma et la latitude du volcan. b) Reconstituer la cascade d'impacts que subirait le système socio-économique mondial contemporain, très interconnecté, si une éruption de VEI 7 avait lieu aujourd'hui en zone intertropicale, en analysant l'effet sur la production agricole mondiale et sur les chaînes d'approvisionnement.

Une station de surveillance enregistre pendant quatre semaines les changements suivants sur un strato-volcan andésitique : 1) Les inclinomètres montrent un gonflement accéléré de l'édifice volcanique ; 2) Les séismes volcano-tectoniques diminuent tandis qu'un tremor harmonique superficiel continu est enregistré ; 3) Le flux de $\text{SO}_2$ est multiplié par dix, mais le rapport molaire $\text{CO}_2/\text{SO}_2$ chute brusquement ; 4) Soudain, l'émission de gaz retombe à des niveaux de base en quelques heures, sans que la déformation du terrain cesse. a) Interpréter quels processus physiques et de dégazage du magma révèlent les signaux 1, 2 et 3 (en tenant compte de la solubilité différente du $\text{CO}_2$ et du $\text{SO}_2$ lorsque la pression de confinement varie). b) Prévoir quel phénomène mécanique a provoqué le changement brusque du signal 4 et justifier quel risque imminent d'éruption catastrophique l'observatoire doit signaler à la Sécurité civile.

Dans les dorsales médio-océaniques, 99 % des roches magmatiques sont des basaltes tholéiitiques de composition remarquablement constante. En revanche, dans le rift est-africain coexistent des basaltes alcalins avec de nombreuses trachytes, phonolites et rhyolites hyperalcalines. a) Justifier sur le plan pétrologique ce bimodalisme dans le rift continental : déduire comment l'épaisseur de la lithosphère continentale, les temps de résidence dans des chambres magmatiques intermédiaires et la cristallisation fractionnée avec assimilation crustale influencent la diversification de ces magmas par rapport à la dorsale océanique. b) Prévoir comment évolueront à long terme la composition et la variété pétrologique du magmatisme dans la Corne de l'Afrique si la séparation crustale aboutit à l'océanisation complète du bassin.