Les grandes séries magmatiques
Les séries dans un diagramme de Harker
1. Une origine commune : le manteau
La plupart des magmas silicatés dérivent de la fusion partielle d’une péridotite mantellique.
Les compositions initiales des liquides basaltiques primitifs sont relativement proches ; la grande diversité observée dans les roches volcaniques et plutoniques ne provient donc pas principalement de compositions mantelliques radicalement différentes, mais de conditions de fusion et d’évolution distinctes.
> Les séries magmatiques correspondent ainsi à des trajectoires évolutives, et non à des types de roches figés.
Sur les magmas alcalins et subalcalins
Dans la classification chimique moderne (TAS, Irvine & Baragar, 1971) :
Subalcalin désigne l’ensemble des magmas pauvres en alcalins (Na₂O + K₂O) par rapport à SiO₂.
Le champ subalcalin se subdivise en deux lignées :
- lignée tholéiitique
- lignée calco-alcaline
Schématiquement :
> Subalcalin = tholéiitique + calco-alcalin
2. D’où vient cette distinction ?
Étape 1 — TAS
Le diagramme TAS sépare :
- alcalin vs
- subalcalin
À ce stade, tholéiitique et calco-alcalin ne sont pas encore distingués.
Étape 2 — discrimination interne au subalcalin
La séparation tholéiitique / calco-alcaline se fait avec :
- AFM (FeO–MgO–Alcalins),
- diagrammes FeO*/MgO,
- TiO₂ vs FeO/MgO, etc.
C’est une distinction évolutive, pas simplement compositionnelle.
2. Les paramètres fondamentaux qui contrôlent les séries magmatiques
2.1. Le degré de fusion partielle
Le taux de fusion partielle contrôle la proportion d’éléments transférés du manteau vers le liquide :
Faible taux de fusion (≈ 1–5 %)
- concentration élevée en éléments incompatibles (Na, K, LREE, HFSE)
- magmas alcalins, souvent sous-saturés en SiO₂.
Taux de fusion plus élevé (≈ 10–25 % et +)
- dilution des alcalins
- magmas subalcalins, typiquement tholéiitiques.
Ce paramètre explique efficacement l’opposition alcalin / subalcalin, mais ne suffit pas à rendre compte de la distinction tholéiitique / calco-alcaline.
2.2. La teneur en eau (H₂O) : le paramètre clé
La présence d’eau dans le magma joue un rôle déterminant :
- abaissement du solidus,
- modification des équilibres minéralogiques,
- stabilisation de minéraux hydratés (amphibole, biotite),
- changement profond de la trajectoire chimique du liquide.
Magmas secs
- cristallisation précoce d’olivine et de plagioclase,
- Fe reste longtemps dans le liquide,
- enrichissement transitoire en Fe.
=> Série tholéiitique
Magmas hydratés
- amphibole ± oxydes cristallisent précocement,
- Fe est extrait tôt du liquide,
- absence d’enrichissement en Fe.
=> Série calco-alcaline
> La différence fondamentale entre séries tholéiitiques et calco-alcalines est avant tout une différence d’hydratation du magma.
La différence entre séries tholéiitique et calco-alcaline ne tient pas à une richesse intrinsèque en alcalins, mais au comportement contrasté du fer au cours de la cristallisation.
2.3. L’état d’oxydation (fO₂)
L’état d’oxydation contrôle le comportement du fer :
fO₂ élevé
- Fe³⁺ stabilisé, cristallisation précoce d’oxydes Fe-Ti
- extraction rapide du Fe du liquide
- trajectoire calco-alcaline.
fO₂ plus faible
- oxydes tardifs
- enrichissement du liquide en Fe
- trajectoire tholéiitique.
Dans les zones de subduction, les fluides libérés par la plaque plongeante favorisent des conditions oxydantes, renforçant le caractère calco-alcalin.
2.4. Pression et profondeur de stockage
La pression influence directement les phases stables :
Haute pression
- clinopyroxène favorisé,
- plagioclase retardé,
- liquides plus riches en Ca et Fe.
À pression élevée (fusion plus profonde) :
- le plagioclase n’est pas stable dans le résidu mantellique,
- le Ca part dans le liquide,
- le liquide primaire est relativement riche en CaO.
Ici, le CaO du liquide augmente bien avec la pression, mais cela concerne le magma parental, pas le liquide résiduel de fractionnement par cristallisation fractionnée.
> La richesse en CaO des magmas alcalins primitifs vient d’abord de leur genèse profonde, pas de leur différenciation.
Pour ce qui concerne l'effet de la cristallisation fractionnée, il convient d'examiner si celle-ci se fait à basse ou à pression élevée.
Séquence de cristallisation à basse pression
- plagioclase stable très tôt,
- il incorpore beaucoup de Ca,
- le liquide résiduel s’appauvrit en CaO rapidement.
Cas typique :
- magmas subalcalins peu profonds,
- tholéiitiques et calco-alcalins superficiels.
Séquence de cristallisation à pression plus élevée
- plagioclase retardé,
- clinopyroxène (± olivine) domine,
- le Ca est partagé entre :
- liquide,
- clinopyroxène.
Le clinopyroxène ne retire pas le Ca aussi efficacement que le plagioclase.
Résultat :
- le liquide ne s’appauvrit pas rapidement en CaO,
- il peut même paraître relativement enrichi en CaO par rapport à un liquide évoluant à basse pression.
Le plagioclase est le vrai “aspirateur à calcium”.
Basse pression
- plagioclase précoce,
- différenciation plus rapide vers des compositions évoluées.
La profondeur de stockage participe donc à la construction des séries et renseigne sur l’architecture des systèmes magmatiques.
2.5. La nature de la source mantellique
La composition du manteau source module l’amplitude des signatures :
- manteau appauvri → MORB tholéiitiques,
- manteau enrichi ou métasomatisé → séries alcalines intraplaques.
Cependant, la source ne suffit pas à expliquer l’existence d’une série calco-alcaline : celle-ci nécessite des conditions hydratées et oxydantes.
3. Les grandes séries magmatiques, interprétées
3.1. Série tholéiitique
Série « thermique » ou « sèche »
- magmas pauvres en H₂O,
- fO₂ modérée,
- taux de fusion souvent élevé,
- fractionnement dominé par olivine, plagioclase et clinopyroxène.
Elle est caractéristique des dorsales océaniques, plateaux basaltiques et phases précoces de points chauds.
3.2. Série calco-alcaline
Série « contrôlée par les fluides »
- magmas hydratés,
- fO₂ élevé,
- amphibole et oxydes précoces,
- évolution continue vers andésites, dacites et rhyolites.
Elle domine dans les arcs volcaniques de subduction et enregistre les interactions magma–fluides–croûte.
3.3. Série alcaline
Série « contrainte par la source et la pression »
- faible taux de fusion,
- manteau enrichi,
- fusion plus profonde,
- alcalins élevés, parfois feldspathoïdes.
Elle caractérise les contextes intraplaques, rifts et stades tardifs d’édifices océaniques.
4. Pourquoi parle-t-on de « séries » ?
Parce que les magmas suivent des trajectoires chimiques préférentielles, visibles sous forme d’alignements cohérents sur les diagrammes TAS, AFM ou de Harker.
Ces trajectoires reflètent des contraintes physiques réelles, et non une simple classification descriptive.
5. Message clé à retenir
> Une roche magmatique n’« appartient » pas naturellement à une série :
> elle s’inscrit dans une trajectoire évolutive imposée par l’eau, l’oxydation, la pression et l’histoire du magma dans un contexte géodynamique donné.
Les grandes séries magmatiques traduisent des réponses contrastées d’un magma mantellique aux conditions de fusion, d’hydratation, d’oxydation et de stockage, bien plus qu’elles ne reflètent des compositions initiales fondamentalement différentes du manteau.