Mots clés : granite, fusion partielle, différenciation, mélange de magmas, contamination, TTG, trondhjémite, tonalite, granodiorites

Vade-mecum sur l'origine des granites

Pierre Thomas

Laboratoire de Sciences de la Terre, ENS de Lyon

30 - 04 - 2010

Résumé

Les bases pour comprendre l'origine et la mise en place des granites.


Pendant plusieurs semaines, la rubrique  l'image de la semaine  sera consacrée aux granites. Le terme granite devra être pris dans son sens le plus large, on parle souvent de granitoïdes, c'est-à-dire dans le sens de roches grenues à quartz résultant de la cristallisation en profondeur de magmas acides (riches en silice) ou intermédiaires.

Cette série d'images de la semaine n'a pas pour but de faire un cours complet sur l'origine des granites, sur leur variété pétrographique, sur la théorie de la fusion partielle, sur le contexte géodynamique de cette fusion partielle, sur la mise en place des plutons … mais de montrer des images d'affleurements réels permettant d'illustrer certaines de ces notions. Néanmoins, pour pouvoir appréhender l'intérêt de certaines des images qui vont venir dans les prochaines semaines, il faut connaître les rudiments concernant l'origine des granites. Ces rudiments sont présentés ici sous forme d'un vade-mecum schématique et hyper-simplifié.

Depuis le début du Protérozoïque (-2,5 Ga), l'immense majorité des granites peut avoir deux origines différentes, mais non incompatibles, avec tous les intermédiaires possibles. Les granites peuvent avoir une origine mantellique, crustale ou mixte.

Granites d'origine mantellique

Figure 1. Granites d'origine mantellique

Granites d'origine mantellique
Granites d'origine mantellique

La différenciation d'un magma d'origine mantellique peut aboutir à l'individualisation d'un magma "évolué" (ou "résiduel") acide.


Les granites peuvent provenir de la fusion partielle du manteau, suivie de la différenciation du magma ainsi produit, sans aucune intervention de matériel de la croûte continentale. Le magma basique initial peut être alcalin, tholéïtique ou calco-alcalin. La fusion du manteau peut être due à sa décompression ou à son hydratation.

On peut trouver de tels granites au niveau des dorsales, des rifts et zones continentales en extension, des points chauds, des zones de subduction (en particulier des zones de subduction intra-océaniques).

Ces granites sont toujours situés loin au-dessus de la zone de fusion du manteau ; ils sont toujours intrusifs et discordants dans un encaissant.

Ces granites sont parfois dits « granites M » (M comme Manteau).

Granites d'origine crustale

Figure 2. Granites d'origine crustale

Granites d'origine crustale
Granites d'origine crustale

La fusion partielle de croûte continentale produit un magma primaire acide.


Les granites peuvent provenir directement de la fusion partielle de la croûte continentale, sans aucune intervention de matériel mantellique. Cette fusion crustale a souvent lieu dans les zones orogéniques par enfoncement-réchauffement de portions de croûte continentale, ainsi que par l'hydratation ou la décompression (par remontée) de fragments de croûte continentale profonde chaude.

Il est possible que tout ou partie du magma produit reste mélangé avec le résidu non fondu de la croûte continentale et que cette zone de mélange affleure après refroidissement, exhumation et érosion : on aura alors une migmatite. Il est possible que le magma se sépare du résidu non fondu, migre un peu et s'accumule juste au-dessus de la zone de fusion. Le granite sera alors dit « concordant » car en équilibre minéralogique et géométrique avec son voisinage. Si le magma se sépare du résidu non fondu, quitte sa zone de genèse et migre vers le haut, cela donnera un granite intrusif et discordant dans un encaissant.

Ces granites sont parfois dits « granites S » (S comme Sedimentary ) , car le matériel source de ces granites est constitué de croûte continentale, souvent issue d'anciennes roches sédimentaires métamorphisées.

Granites d'origine mixte

Dans de nombreux cas, croûte continentale et manteau interviennent, en proportions variables, dans l'origine des granites.

Ces granites sont parfois dits « granites I » (I comme Intermédiaire).

Contamination et granites

Figure 3. Contamination crustale et granites

Contamination crustale et granites
Contamination crustale et granites

Le cheminement à travers une croûte continentale épaisse d'un magma basique d'origine mantellique peut entraîner l'intégration d'éléments de la croûte dans ce dernier : cette contamination acidifie le magma. Ceci peut aboutir à un magma acide ou, du moins, intermédiaire.


Quand un magma basique (d'origine mantellique) traverse une grande épaisseur de croûte continentale et/ou y stagne longtemps, il peut y avoir contamination et enrichissement du magma basique par la silice et les alcalins (Na et K) qui diffusent de la croûte continentale. On trouve de tels granites dans les zones de subduction, en particulier des zones de subduction sous lithosphère continentale. Ces granites sont toujours intrusifs et discordants dans un encaissant.

Mélange de magmas et granites

Figure 4. Mélange de magmas et granites

Mélange de magmas et granites
Mélange de magmas et granites

Dans certains contextes, des magmas basiques et des magmas acides sont produits. Leur rencontre et leur mélange peut générer un magma intermédiaire voire acide.


Quand un même contexte géodynamique génère un magma basique par fusion partielle du manteau et un magma acide par fusion partielle de la croûte continentale, il peut y avoir un mélange plus ou moins total entre ces 2 magmas, et genèse de magmas de chimie et minéralogie intermédiaires. Parfois, la chaleur apportée par le magma basique peut participer à la fusion partielle de la croûte continentale à l'origine du magma acide primaire.

Cette double fusion suivie de ces mélanges plus ou moins poussés se produisent (1) dans les zones de rifting continental, (2) dans les zones de subduction sous lithosphère continentale, et (3) dans les zones de collision, en particulier lors de l'histoire tardive de la collision (amincissement et étalement gravitaire entraînant une décompression). Ces granites peuvent être concordants et situé juste au-dessus de la zone de fusion partielle de la croûte continentale, ou intrusifs et discordants dans un encaissant.

Granites de type TTG, fusion de croûte océanique ou d'autres roches basiques

Figure 5. Fusion de croûte océanique ou d'autres roches basiques et TTG / plagiogranites

Fusion de croûte océanique ou d'autres roches basiques et TTG / plagiogranites
Fusion de croûte océanique ou d'autres roches basiques et TTG / plagiogranites

La fusion partielle de croûte océanique subduite chaude (jeune) et hydratée ou bien la fusion de roches basiques dans divers contextes géologiques donnent des magmas acides à l'origine des TTG, Tonalite-Trondhjémite-Granodiorite et autres plagiogranites.


Rares dans la nature actuelle, mais très fréquents à l'Archéen, et à l'origine d'une large fraction de la croûte continentale archéenne, certains magmas acides proviennent de la fusion partielle d'une croûte océanique chaude et hydratée en contexte de subduction, ou de la fusion partielle de roches basiques dans divers contextes géologiques. Ces granites forment une association de granites pauvres en potassium (tonalite, trondhjémite, granodiorite = TTG et autres plagiogranites).

Les gisements des granites

Le schéma suivant résume les 4 principaux types de granites définis ci-dessus. Les granites issus de la fusion partielle de roches basiques, rares depuis quelques centaines de millions d'années ne sont pas représentés.

Figure 6. Origines et gisements principaux pour les granites post-archéens

Origines et gisements principaux pour les granites post-archéens
Origines et gisements principaux pour les granites post-archéens

Ce schéma ne tient compte ni des positions géologiques, ni des contextes géodynamiques entraînant la fusion partielle du manteau et/ou de la croûte continentale.

(1) Granite intrusif discordant issu de la fusion partielle du manteau et de la différenciation du magma basique (granite M).

(2-1) Granite concordant issu de la fusion partielle de la croûte continentale et d'une migration très limitée du magma (granite S).

(2-2) Granite intrusif discordant issu de la fusion partielle de la croûte continentale et d'une forte migration du magma (granite S).

(3) Granite intrusif discordant issu de la fusion partielle du manteau et de la contamination du magma basique par la croûte continentale (granite I).

(4) Granite intrusif discordant issu d'un mélange entre un magma issu de la fusion partielle du manteau et d'un magma issu de la fusion partielle de la croûte (granite I).

Exhumation et érosion peuvent mettre à jour l'ancienne zone de fusion partielle de la croûte continentale ; les roches à l'affleurement seront alors des migmatites.


A. DANGER, attention aux dénominations, sources de confusions !

La classification des granites est très complexe, et ne fait l'objet d'aucun consensus. La classification utilisée ici (M pour les granites mantelliques, S pour les granites crustaux et I pour les granites intermédiaires hybrides) peut être complétée par de nombreuses subdivisions. Dans le monde anglo-saxon, d'anciens livres parlent par exemple des granites mantelliques comme des granites I (comme Igneous ) et des granites intermédiaires comme des granites M (comme Mixte). Quelle source de confusion !

Certains appellent « calco-alcalins » les granites qui dérivent de la différenciation ou de la contamination d'un magma calco-alcalin ayant pour origine une subduction ou des processus voisins. D'autres appellent « calco-alcalins » les granites où coexistent des feldspaths alcalins (orthose) et des feldspaths calciques (plagioclase) sans que cela signifie forcement qu'ils aient une origine liée à la subduction. On peut trouver les deux dénominations dans des livres, dans des notices de cartes géologiques…

Mots clés : granite, fusion partielle, différenciation, mélange de magmas, contamination, TTG, trondhjémite, tonalite, granodiorites