La lave

Composition

La composition de la quasi-totalité de la lave de la croûte terrestre est dominée par les minéraux silicatés: principalement les feldspaths, les feldspathoïdes, l’olivine, les pyroxènes, les amphiboles, les micas et quartz. Des laves non silicatées rares peuvent se former par fusion locale de dépôts minéraux non silicatés ou par séparation d’un magma en phases liquides non miscibles et liquides non silicatées.

Laves silicatées

Les laves silicatées sont des mélanges fondus dominé par l’oxygène et le silicium, les éléments chimiques les plus abondants de la Terre, avec de plus petites quantités d’aluminium, de calcium, de magnésium, de fer, de sodium et de potassium, et de petites quantités de nombreux autres éléments. Les pétrologues expriment régulièrement la composition d’une lave silicatée en termes de poids ou de fraction massique molaire des oxydes des principaux éléments (autres que l’oxygène) présents dans la lave.

Le comportement physique des magmas silicatés est dominé par le composant silice. Les ions silicium dans la lave se lient fortement à quatre ions oxygène dans un arrangement tétraédrique. Si un ion oxygène est lié à deux ions silicium dans la masse fondue, il est décrit comme un oxygène de pont, et la lave avec de nombreux amas ou chaînes d’ions silicium reliés par des ions oxygène de pontage est décrite comme partiellement polymérisée. L’aluminium en combinaison avec des oxydes de métaux alcalins (sodium et potassium) a également tendance à polymériser la lave. D’autres cations, tels que le fer ferreux, le calcium et le magnésium, se lient beaucoup plus faiblement à l’oxygène et réduisent la tendance à polymériser. La polymérisation partielle rend la lave visqueuse, donc la lave riche en silice est beaucoup plus visqueuse que la lave pauvre en silice.

En raison du rôle de la silice dans la détermination de la viscosité, et parce que de nombreuses autres propriétés d’une lave (telles que sa température) sont en corrélation avec la teneur en silice, les laves de silicate sont divisées en quatre types chimiques basés sur la teneur en silice: felsique, intermédiaire, mafique et ultramafique.

Lave felsique

Felsique ou les laves siliciques ont une teneur en silice supérieure à 63%. Ils comprennent des laves de rhyolite et de dacite. Avec une teneur en silice aussi élevée, ces laves sont extrêmement visqueuses, allant de 108 cP pour la lave de rhyolite chaude à 1200 ° C (2190 ° F) à 1011 cP pour la lave de rhyolite froide à 800 ° C (1470 ° F). A titre de comparaison, l’eau a une viscosité d’environ 1 cP. En raison de cette viscosité très élevée, les laves felsiques éclatent généralement de manière explosive pour produire des dépôts pyroclastiques (fragmentaires). Cependant, les laves de rhyolite éclatent parfois de manière effusive pour former des épines de lave, des dômes de lave ou des «coulées» (qui sont des coulées de lave épaisses et courtes). Les laves se fragmentent généralement lors de leur extrusion, produisant des coulées de lave en bloc. Ceux-ci contiennent souvent de l’obsidienne.

Les magmas felsiques peuvent éclater à des températures aussi basses que 800 ° C (1 470 ° F). Cependant, des laves de rhyolite exceptionnellement chaudes (> 950 ° C; > 1,740 ° F) peuvent s’écouler sur des distances de plusieurs dizaines de kilomètres, comme dans la plaine de la rivière Snake dans le nord-ouest des États-Unis.

La lave intermédiaire

Les laves intermédiaires ou andésitiques contiennent de 52% à 63% de silice, et sont plus faibles en aluminium et généralement un peu plus riches en magnésium et en fer que les laves felsiques. Les laves intermédiaires forment des dômes andésites et des blocs de laves, et peuvent se produire sur des volcans composites abruptes, comme dans les Andes. Ils sont également généralement plus chauds, de l’ordre de 850 à 1 100 ° C (1 560 à 2 010 ° F)). En raison de leur faible teneur en silice et de leurs températures éruptives plus élevées, ils ont tendance à être beaucoup moins visqueux, avec une viscosité typique de 3,5 × 106 cP à 1200 ° C (2190 ° F). Ceci est légèrement supérieur à la viscosité du beurre d’arachide lisse. Les laves intermédiaires montrent une plus grande tendance à former des phénocristaux, le fer et le magnésium supérieurs ont tendance à se manifester sous la forme d’une masse souterraine plus sombre, y compris des phénocristaux d’amphibole ou de pyroxène.

Lave mafique

Les laves mafiques ou basaltiques ont un teneur en silice de 52% à 45%. Ils se caractérisent par leur forte teneur en ferromagnésien et éclatent généralement à des températures de 1 100 à 1 200 ° C (2 010 à 2 190 ° F). Les viscosités peuvent être relativement faibles, de l’ordre de 104 à 105 cP, bien qu’elles soient encore de plusieurs ordres de grandeur plus élevées que l’eau. Cette viscosité est similaire à celle du ketchup. Les laves de basalte ont tendance à produire des volcans boucliers à profil bas ou des basaltes d’inondation, car la lave fluidique s’écoule sur de longues distances depuis l’évent. L’épaisseur d’une lave de basalte, en particulier sur une faible pente, peut être beaucoup plus grande que l’épaisseur de la coulée de lave en mouvement à tout moment, parce que les laves de basalte peuvent « gonfler » par l’apport de lave sous une croûte solidifiée. La plupart des laves de basalte sont de type ʻAʻā ou pāhoehoe, plutôt que de blocs de laves. Sous l’eau, ils peuvent former des laves en coussin, qui sont assez similaires aux laves pahoehoe de type entraille sur terre.

Lave ultramafique

Les laves ultramafiques, telles que la komatiite et les magmas hautement magnésiens qui forment la boninite, poussent la composition et les températures des éruptions à l’extrême. Tous ont une teneur en silice inférieure à 45%. Les komatiites contiennent plus de 18% d’oxyde de magnésium et auraient éclaté à des températures de 1 600 ° C (2 910 ° F). A cette température, il n’y a pratiquement pas de polymérisation des composés minéraux, créant un liquide très mobile. On pense que la viscosité des magmas de komatiite était aussi basse que 100 à 1000 cP, similaire à celle de l’huile de moteur légère. La plupart des laves ultramafiques ne sont pas plus jeunes que le Protérozoïque, avec quelques magmas ultramafiques connus du Phanérozoïque en Amérique centrale qui sont attribués à un panache du manteau chaud. Aucune lave komatiite moderne n’est connue, car le manteau terrestre a trop refroidi pour produire des magmas hautement magnésiens.

Laves Akaline

Certaines laves siliciques ont une teneur élevée en oxydes de métaux alcalins (sodium et potassium), en particulier dans les régions de rifting continental, les zones recouvrant des plaques profondément subductées ou au niveau des points chauds intra-plaque. Leur teneur en silice peut aller de l’ultramafique (néphélinites, basanites et téphrites) au felsique (trachytes). Ils sont plus susceptibles d’être générés à de plus grandes profondeurs dans le manteau que les magmas subalcalins. Les laves de néphélinite olivine sont à la fois ultramafiques et hautement alcalines, et on pense qu’elles proviennent de beaucoup plus profondément dans le manteau terrestre que les autres laves.

Laves non siliciques

Des laves de composition inhabituelle ont éclaté à la surface de la Terre. Il s’agit notamment de:

• Les laves de carbonatite et de natrocarbonatite sont connues du volcan Ol Doinyo Lengai en Tanzanie, qui est le seul exemple de carbonatite active vol cano. Les carbonatites dans les archives géologiques sont généralement à 75% de minéraux carbonatés, avec de moindres quantités de minéraux silicatés sous-saturés de silice (tels que les micas et l’olivine), l’apatite, la magnétite et le pyrochlore. Cela peut ne pas refléter la composition originale de la lave, qui peut avoir inclus du carbonate de sodium qui a ensuite été éliminé par activité hydrothermale, bien que des expériences en laboratoire montrent qu’un magma riche en calcite est possible. Les laves de carbonatite présentent des rapports isotopiques stables indiquant qu’elles sont dérivées des laves siliciques hautement alcalines auxquelles elles sont toujours associées, probablement par séparation d’une phase non miscible. Les laves de natrocarbonatite d’Ol Doinyo Lengai sont principalement composées de carbonate de sodium, avec environ moitié moins de carbonate de calcium et moitié moins de carbonate de potassium, et des quantités mineures d’halogénures, de fluorures et de sulfates. Les laves sont extrêmement fluides, avec des viscosités légèrement supérieures à celles de l’eau, et sont très fraîches, avec des températures mesurées de 491 à 544 ° C (916 à 1011 ° F).
• On pense que les laves d’oxyde de fer sont à l’origine du minerai de fer de Kiruna, en Suède, qui s’est formé au Protérozoïque. Des laves d’oxyde de fer de l’âge pliocène se trouvent dans le complexe volcanique d’El Laco, à la frontière Chili-Argentine. On pense que les laves d’oxyde de fer sont le résultat de la séparation non miscible du magma d’oxyde de fer d’un magma parental de composition calc-alcaline ou alcaline.
• Des coulées de lave de soufre atteignant 250 mètres (820 pieds) de long et 10 mètres (33 pieds) de large se produisent sur le volcan Lastarria, au Chili. Ils ont été formés par la fusion de dépôts de soufre à des températures aussi basses que 113 ° C (235 ° F).

Le terme « lave » peut également être utilisé pour désigner des « mélanges de glace » fondus lors d’éruptions sur les satellites glacés des géantes gazeuses du système solaire (voir cryovolcanisme).

Rhéologie

Le comportement des coulées de lave est principalement déterminé par la viscosité de la lave. Alors que les températures dans les laves de silicate communes varient d’environ 800 ° C (1470 ° F) pour les laves felsiques à 1200 ° C (2190 ° F) pour les laves mafiques, la viscosité des mêmes laves varie sur sept ordres de grandeur, de 104 cP pour la lave mafique à 1011 cP pour les magmas felsiques. La viscosité est principalement déterminée par la composition, mais dépend également de la température. La tendance de la lave felsique à être plus froide que la lave mafique augmente la différence de viscosité.

La viscosité de la lave détermine le type d’activité volcanique qui a lieu lorsque t la lave a éclaté. Plus la viscosité est élevée, plus les éruptions ont tendance à être explosives plutôt qu’effusives. En conséquence, la plupart des coulées de lave sur Terre, Mars et Vénus sont composées de lave basaltique. Sur Terre, 90% des coulées de lave sont mafiques ou ultramafiques, la lave intermédiaire représentant 8% des coulées et la lave felsique ne représentant que 2% des coulées. La viscosité détermine également l’aspect (épaisseur par rapport à l’étendue latérale) des écoulements, la vitesse de déplacement des écoulements et le caractère de surface des écoulements.

Lorsqu’elles éclatent de manière effusive, des laves très visqueuses éclatent presque exclusivement sous forme de flux ou de dômes de haut aspect. Les écoulements prennent la forme de blocs de lave plutôt que de ʻaʻā ou pāhoehoe. Les flux d’obsidienne sont courants. Les laves intermédiaires ont tendance à former des stratovolcans abruptes, avec des lits alternés de lave provenant d’éruptions effusives et de téphra d’éruptions explosives. Les laves mafiques forment des flux relativement minces qui peuvent se déplacer sur de grandes distances, formant des volcans boucliers avec des pentes très douces.

La plupart des laves contiennent des cristaux solides de divers minéraux, des fragments de roches exotiques connues sous le nom de xénolithes et des fragments de lave précédemment solidifiés. La teneur en cristal de la plupart des laves leur confère des propriétés thixotropes et de fluidification par cisaillement. En d’autres termes, la plupart des laves ne se comportent pas comme des fluides newtoniens, dans lesquels le débit est proportionnel à la contrainte de cisaillement. Au lieu de cela, une lave typique est un fluide de Bingham, qui montre une résistance considérable à l’écoulement jusqu’à ce qu’un seuil de contrainte, appelé limite d’élasticité, soit franchi. Il en résulte un écoulement piston de lave partiellement cristalline. Un exemple familier d’écoulement piston est le dentifrice pressé hors d’un tube de dentifrice. Le dentifrice se présente sous la forme d’un bouchon semi-solide, car le cisaillement est concentré en une fine couche dans le dentifrice à côté du tube, et ce n’est qu’ici que le dentifrice se comporte comme un fluide. Le comportement thixotrope empêche également les cristaux de se déposer hors de la lave. Une fois que la teneur en cristaux atteint environ 60%, la lave cesse de se comporter comme un fluide et commence à se comporter comme un solide. Un tel mélange de cristaux avec de la roche fondue est parfois décrit comme de la bouillie cristalline.

Les vitesses d’écoulement de la lave varient principalement en fonction de la viscosité et de la pente. En général, la lave coule lentement, avec des vitesses typiques de 0,25 mph (0,40 km / h) et des vitesses maximales de 6 à 30 mph (9,7 à 48,3 km / h) sur des pentes raides. Une vitesse exceptionnelle de 20 à 60 mph (32 à 97 km / h) a été enregistrée suite à l’effondrement d’un lac de lave au mont Nyiragongo. La relation de mise à l’échelle pour les laves est que la vitesse moyenne d’un écoulement est proportionnelle au carré de son épaisseur divisé par sa viscosité. Cela implique qu’un écoulement de rhyolite devrait être ~ 1000 × plus épais qu’un écoulement de basalte pour s’écouler à une vitesse similaire.

Thermique

La température des lavas varie d’environ 800 ° C (1470 ° C) F) à 1 200 ° C (2 190 ° F). Ceci est similaire aux températures les plus chaudes pouvant être atteintes avec une forge à charbon à air forcé. Une lave est plus fluide lors de la première éruption, devenant beaucoup plus visqueuse à mesure que sa température baisse.

Les coulées de lave développent rapidement une croûte isolante de roche solide, à la suite d’une perte radiative de chaleur. Par la suite, la lave se refroidit par conduction très lente de la chaleur à travers la croûte rocheuse. lac de lave, formé lors d’une éruption en 1959. Le lac mesurait environ 100 m de profondeur. Après trois ans, la croûte de surface solide, dont la base était à une température de 1 065 ° C (1 949 ° F), était encore l seulement 14 m (46 pi) d’épaisseur. Le liquide résiduel était toujours présent à des profondeurs d’environ 80 m (260 pieds) dix-neuf ans après l’éruption.

Les coulées de lave de refroidissement rétrécissent, ce qui entraîne une fracturation de l’écoulement. Dans les coulées de basalte, cela produit un schéma caractéristique de fractures. Les parties les plus hautes de l’écoulement présentent des fractures irrégulières à évasement vers le bas, tandis que la partie inférieure de l’écoulement présente un modèle très régulier de fractures qui divisent l’écoulement en colonnes à cinq ou six côtés. La partie supérieure irrégulière de l’écoulement solidifié est appelée l’entablement tandis que la partie inférieure qui montre un joint en colonne est appelée la colonnade. Les termes sont empruntés à l’architecture des temples grecs. De même, des motifs verticaux réguliers sur les côtés des colonnes, produits par refroidissement avec fracturation périodique, sont décrits comme des marques de ciseau. Ce sont des caractéristiques naturelles produites par la physique du refroidissement, de la contraction thermique et de la fracturation.

Alors que la lave se refroidit, se cristallisant vers l’intérieur à partir de ses limites, les gaz sont expulsés de la lave pour former des vésicules aux limites inférieure et supérieure . Celles-ci sont décrites comme des vésicules de tige de tuyau ou des amygdales de tige de tuyau. Les liquides expulsés de la bouillie cristalline de refroidissement montent vers le haut dans le centre encore fluide du flux de refroidissement et produisent des cylindres de vésicule verticaux. Là où ceux-ci se rejoignent vers le haut du flux, se forment des feuilles de basalte vésiculaire qui sont parfois coiffées de cavités gazeuses. Ceux-ci sont parfois remplis de minéraux secondaires. Les belles géodes d’améthyste trouvées dans les basaltes d’inondation d’Amérique du Sud se sont formées de cette manière.

Les basaltes d’inondation subissent généralement peu de cristallisation avant d’avoir cessé de couler et, par conséquent, les textures d’écoulement sont rares dans les écoulements moins siliciques . D’un autre côté, les bandes de flux sont courantes dans les flux felsiques.