Un magma ne naît pas tout formé : il résulte de la fusion partielle d'une roche solide, puis se transforme au cours de son ascension et de son stockage. Ce chapitre présente la fusion partielle, la cristallisation fractionnée et la série de Bowen, ainsi que l'assimilation et le mélange de magmas — les principaux processus de la différenciation magmatique, très mobilisés à l'examen.
1. La fusion partielle
Un magma naît le plus souvent de la fusion partielle d'une roche solide du manteau ou de la croûte : seule une fraction des minéraux fond, en général les phases les plus riches en éléments incompatibles et à bas point de fusion, tandis que le résidu solide (restite) reste en place. Le taux de fusion partielle influence directement la composition du liquide produit : un faible taux donne un magma plus riche en silice et en éléments incompatibles qu'un taux de fusion élevé. Trois facteurs peuvent déclencher la fusion partielle : une hausse de température, une baisse de pression (décompression adiabatique, comme sous une dorsale) ou un ajout de volatils (hydratation, comme au-dessus d'une zone de subduction) qui abaisse le point de fusion du solide.
2. La cristallisation fractionnée
Au cours de son refroidissement, un magma ne cristallise pas tous ses minéraux à la fois : chaque phase apparaît dans un ordre précis. Si les premiers cristaux formés sont séparés du liquide résiduel — par gravité (sédimentation de cristaux denses) ou filtre-pressage — la composition du liquide restant évolue progressivement : c'est la cristallisation fractionnée, un des principaux moteurs de la différenciation magmatique, qui permet à un même magma parent de produire toute une gamme de roches filles.
3. La série de Bowen
Norman Bowen a établi expérimentalement l'ordre de cristallisation des silicates dans un magma basaltique en refroidissement : c'est la série de Bowen, formée de deux branches. La série discontinue des ferromagnésiens s'égrène de l'olivine au pyroxène, puis à l'amphibole et à la biotite, chaque minéral réagissant avec le liquide restant pour former le suivant. La série continue des plagioclases évolue en continu du pôle calcique (anorthite) au pôle sodique (albite) à mesure que le magma se refroidit et s'enrichit en sodium. Les deux séries convergent vers les derniers minéraux à cristalliser : orthose, muscovite et quartz, les plus résistants à l'altération.
4. Assimilation crustale et mélange de magmas
Un magma en ascension peut aussi évoluer par assimilation : il fond et incorpore partiellement les roches encaissantes qu'il traverse, ce qui modifie sa composition chimique et isotopique en la rapprochant de celle de la croûte traversée. Il peut également se produire un mélange de magmas (magma mixing) lorsque deux magmas de composition différente se rencontrent dans une même chambre magmatique, produisant des roches hybrides et des textures de déséquilibre, comme des phénocristaux corrodés ou zonés de manière anormale.
Fusion incomplète d'une roche solide, qui ne produit un liquide magmatique qu'à partir d'une fraction des minéraux présents, le reste constituant un résidu solide (restite).
Séparation progressive des cristaux du liquide magmatique au cours du refroidissement, qui fait évoluer la composition du liquide résiduel et diversifie les roches produites à partir d'un même magma parent.
| Branche | Ordre de cristallisation | Dernier minéral |
|---|---|---|
| Discontinue (ferromagnésiens) | Olivine → pyroxène → amphibole → biotite | Biotite |
| Continue (plagioclases) | Anorthite → … → albite | Albite |
| Convergence finale | Orthose → muscovite → quartz | Quartz |
La série de Bowen
- Fusion partielle : seule une fraction de la roche mère fond ; déclenchée par hausse de T, baisse de P ou ajout de volatils.
- Cristallisation fractionnée : séparation des premiers cristaux du liquide, moteur de la différenciation magmatique.
- Série de Bowen : branche discontinue (olivine → pyroxène → amphibole → biotite) + branche continue (anorthite → albite).
- Quartz, muscovite et orthose : derniers minéraux formés, les plus résistants à l'altération.
- Assimilation crustale et mélange de magmas modifient aussi la composition d'un magma en évolution.
La série de Bowen (les deux branches, dans l'ordre) est une question quasi systématique, souvent sous forme de schéma à compléter. Piège classique : intervertir l'ordre olivine/pyroxène ou oublier que la série des plagioclases est continue alors que celle des ferromagnésiens est discontinue (réactions successives, pas de série continue de solution solide).