Intrusion ignée

En géologie , une intrusion ignée (ou corps intrusif ou simplement intrusion ) est un corps de roche ignée intrusive qui se forme par cristallisation de magma refroidissant lentement sous la surface de la Terre . Les intrusions ont une grande variété de formes et de compositions, illustrées par des exemples comme le Palisades Sill de New York et du New Jersey ; les monts Henry de l'Utah ; le complexe igné de Bushveld en Afrique du Sud ; Shiprock au Nouveau-Mexique ; l' intrusion d'Ardnamurchan en Écosse ; et le batholite de la Sierra Nevada en Californie .

Étant donné que la roche solide dans laquelle le magma s'introduit est un excellent isolant , le refroidissement du magma est extrêmement lent et la roche ignée intrusive est à gros grains ( phanéritique ). Les roches ignées intrusives sont classées séparément des roches ignées extrusives , généralement en fonction de leur teneur en minéraux . Les quantités relatives de quartz , de feldspath alcalin , de plagioclase et de feldspathoïde sont particulièrement importantes pour classer les roches ignées intrusives.

Les intrusions doivent déplacer la roche encaissante existante pour se faire de la place. La question de savoir comment cela se produit est appelée le problème de l'espace , et il reste un sujet de recherche actif pour de nombreux types d'intrusions.

Le terme pluton est mal défini, mais a été utilisé pour décrire une intrusion mise en place à grande profondeur ; comme synonyme de toutes les intrusions ignées ; comme une catégorie de poubelle pour les intrusions dont la taille ou le caractère ne sont pas bien déterminés ; ou comme nom pour une très grande intrusion ou pour une chambre magmatique cristallisée . Un pluton qui a pénétré et masqué le contact entre un terrane et la roche adjacente est appelé un pluton de couture .

Les intrusions sont généralement divisées en intrusions discordantes , qui recoupent la structure existante de la roche encaissante, et en intrusions concordantes qui s'infiltrent parallèlement à la stratification ou à la structure existante . Celles-ci sont en outre classées selon des critères tels que la taille, le mode d'origine évident ou leur forme tabulaire.

Une suite intrusive est un groupe d'intrusions liées dans le temps et dans l'espace.

Les digues sont des intrusions discordantes tabulaires, prenant la forme de nappes qui coupent les couches rocheuses existantes. Elles ont tendance à résister à l'érosion, de sorte qu'elles se distinguent comme des murs naturels dans le paysage. Leur épaisseur varie de quelques millimètres à plus de 300 mètres (980 pieds) et une nappe individuelle peut avoir une superficie de 12 000 kilomètres carrés (4 600 milles carrés). Leur composition varie également considérablement. Les digues se forment par fracturation hydraulique de la roche encaissante par le magma sous pression, et sont plus courantes dans les régions de tension crustale .

Les digues annulaires et les nappes coniques sont des digues aux formes particulières qui sont associées à la formation de caldeiras .

Les cols volcaniques sont des conduits d'alimentation des volcans qui ont été exposés par l'érosion . Les expositions de surface sont généralement cylindriques, mais l'intrusion devient souvent elliptique ou même en forme de trèfle en profondeur. Les digues rayonnent souvent à partir d'un col volcanique, ce qui suggère que les digues ont tendance à se former aux intersections des digues où le passage du magma est le moins obstrué.

Les diatrèmes et les cheminées bréchiques sont des corps de brèche en forme de cheminée formés par des types particuliers d' éruptions explosives . Lorsqu'ils atteignent la surface, ce sont en réalité des extrusions, mais le matériau non érupté est une intrusion et, en raison de l'érosion, il peut être difficile de le distinguer d'une intrusion qui n'a jamais atteint la surface lorsqu'elle s'est formée sous forme de magma/lave. Le matériau de base d'un diatrème est identique au matériau intrusif à proximité, s'il existe, qui n'a jamais atteint la surface lorsqu'il s'est formé.

Un stock est une intrusion discordante non tabulaire dont l'exposition couvre moins de 100 kilomètres carrés (39 milles carrés). Bien que cela semble arbitraire, en particulier parce que l'exposition peut n'être que la pointe d'un corps intrusif plus grand, la classification est significative pour les corps dont la superficie ne change pas beaucoup avec la profondeur et qui présentent d'autres caractéristiques suggérant une origine et un mode de mise en place distincts.

Les batholites sont des intrusions discordantes dont la surface exposée est supérieure à 100 kilomètres carrés (39 miles carrés). Certaines sont de taille vraiment énorme et leurs contacts inférieurs sont très rarement exposés. Par exemple, le batholite côtier du Pérou mesure 1 100 kilomètres (680 miles) de long et 50 kilomètres (31 miles) de large. Ils sont généralement formés de magma riche en silice , et jamais de gabbro ou d'autres roches riches en minéraux mafiques, mais certains batholites sont composés presque entièrement d' anorthosite .

Un filon-couche est une intrusion tabulaire concordante, prenant généralement la forme d'une feuille parallèle aux couches sédimentaires. Ils sont par ailleurs similaires aux digues. La plupart sont de composition mafique , relativement pauvre en silice, ce qui leur confère la faible viscosité nécessaire pour pénétrer entre les couches sédimentaires.

Un laccolithe est une intrusion concordante avec une base plate et un toit en forme de dôme. Les laccolithes se forment généralement à faible profondeur, moins de 3 kilomètres (1,9 mi), et dans les régions de compression crustale.

Les lopolites sont des intrusions concordantes en forme de soucoupe, ressemblant quelque peu à un laccolite inversé, mais elles peuvent être beaucoup plus grandes et se former par des processus différents. Leur taille immense favorise un refroidissement très lent, ce qui produit une ségrégation minérale inhabituellement complète appelée intrusion stratifiée .

La source ultime du magma est la fusion partielle de la roche du manteau supérieur et de la croûte inférieure . Cela produit un magma moins dense que sa roche source. Par exemple, un magma granitique, riche en silice, a une densité de 2,4 Mg/m3 ^, bien inférieure aux 2,8 Mg/m3 ^d' une roche métamorphique de haut grade. Cela confère au magma une flottabilité énorme, de sorte que son ascension est inévitable une fois qu'une quantité suffisante de magma s'est accumulée. Cependant, la question de savoir précisément dans quelle mesure le magma est capable de repousser la roche environnante pour se faire de la place (le problème de l'espace ) fait encore l'objet de recherches.

La composition du magma et de la roche encaissante ainsi que les contraintes qui affectent la roche encaissante influencent fortement les types d'intrusions qui se produisent. Par exemple, lorsque la croûte subit une extension, le magma peut facilement remonter dans les fractures de tension de la croûte supérieure pour former des digues. Lorsque la croûte est sous compression, le magma à faible profondeur aura plutôt tendance à former des laccolithes, le magma pénétrant les couches les moins compétentes, telles que les couches de schiste. Les digues annulaires et les nappes coniques ne se forment qu'à faible profondeur, où un bouchon de roche encaissante sus-jacente peut être soulevé ou abaissé. Les immenses volumes de magma impliqués dans les batholites ne peuvent se frayer un chemin vers le haut que lorsque le magma est hautement silicique et flottant, et ils le font probablement sous forme de diapirs dans la croûte profonde ductile et par le biais d'une variété d'autres mécanismes dans la croûte supérieure cassante.

Les intrusions ignées peuvent se former à partir d'un seul événement magmatique ou de plusieurs événements incrémentiels. Des données récentes suggèrent que la formation incrémentielle est plus courante pour les grandes intrusions. Par exemple, le filon-couche de Palisades n'a jamais été un seul corps de magma de 300 mètres (980 pieds) d'épaisseur, mais s'est formé à partir de multiples injections de magma. Un corps intrusif est décrit comme multiple lorsqu'il se forme à partir d'injections répétées de magma de composition similaire, et comme composite lorsqu'il est formé d'injections répétées de magma de composition différente. Un digue composite peut inclure des roches aussi différentes que le granophyre et la diabase .

Bien qu'il y ait souvent peu de preuves visuelles d'injections multiples sur le terrain, il existe des preuves géochimiques. du zircon fournit des preuves importantes pour déterminer si un seul événement magmatique ou une série d'injections ont été les méthodes de mise en place.

Les grandes intrusions felsiques se forment probablement à partir de la fusion de la croûte inférieure qui a été chauffée par une intrusion de magma mafique provenant du manteau supérieur. Les différentes densités de magma felsique et mafique limitent le mélange, de sorte que le magma silicique flotte sur le magma mafique. Ce mélange limité qui se produit donne lieu aux petites inclusions de roche mafique que l'on trouve couramment dans les granites et les granodiorites.

Une intrusion de magma perd de la chaleur vers la roche environnante par conduction thermique. Près du contact d'un matériau chaud avec un matériau froid, si le matériau chaud est initialement uniforme en température, le profil de température à travers le contact est donné par la relation

où est la température initiale du matériau chaud, k est la diffusivité thermique (typiquement proche de 10 ⁻⁶ m ² s ⁻¹ pour la plupart des matériaux géologiques), x est la distance du contact et t est le temps écoulé depuis l'intrusion. Cette formule suggère que le magma proche du contact sera rapidement refroidi tandis que la roche encaissante proche du contact sera rapidement chauffée, tandis que le matériau plus éloigné du contact sera beaucoup plus lent à refroidir ou à chauffer. Ainsi, une marge refroidie est souvent trouvée du côté de l'intrusion du contact, tandis qu'une auréole de contact se trouve du côté de la roche encaissante. La marge refroidie est beaucoup plus fine que la majeure partie de l'intrusion et peut être différente en composition, reflétant la composition initiale de l'intrusion avant que la cristallisation fractionnée, l'assimilation de la roche encaissante ou d'autres injections magmatiques ne modifient la composition du reste de l'intrusion. Les isothermes (surfaces de température constante) se propagent à partir de la marge selon une loi de racine carrée, de sorte que si le mètre le plus externe du magma prend dix ans pour refroidir à une température donnée, le prochain mètre vers l'intérieur prendra 40 ans, le suivant prendra 90 ans, et ainsi de suite.

Il s'agit d'une idéalisation, et des processus tels que la convection du magma (où le magma refroidi à proximité du contact coule au fond de la chambre magmatique et où du magma plus chaud prend sa place) peuvent modifier le processus de refroidissement, réduisant l'épaisseur des marges refroidies tout en accélérant le refroidissement de l'intrusion dans son ensemble. Cependant, il est clair que les digues minces refroidiront beaucoup plus rapidement que les intrusions plus grandes, ce qui explique pourquoi les petites intrusions près de la surface (où la roche encaissante est initialement froide) sont souvent presque aussi fines que la roche volcanique.

Les caractéristiques structurales du contact entre l'intrusion et la roche encaissante donnent des indices sur les conditions dans lesquelles l'intrusion a eu lieu. Les intrusions catazonales ont une auréole épaisse qui s'infiltre progressivement dans le corps intrusif sans marge nette, ce qui indique une réaction chimique considérable entre l'intrusion et la roche encaissante, et ont souvent de larges zones de migmatite . Les foliations dans l'intrusion et la roche encaissante environnante sont à peu près parallèles, avec des indications de déformation extrême dans la roche encaissante. De telles intrusions sont interprétées comme se produisant à une grande profondeur. Les intrusions mésozonales ont un degré de métamorphisme beaucoup plus faible dans leurs auréoles de contact, et le contact entre la roche encaissante et l'intrusion est clairement discernable. Les migmatites sont rares et la déformation de la roche encaissante est modérée. De telles intrusions sont interprétées comme se produisant à une profondeur moyenne. Les intrusions épizonales sont discordantes avec la roche encaissante et ont des contacts nets avec des marges refroidies, avec seulement un métamorphisme limité dans une auréole de contact, et contiennent souvent des fragments xénolithiques de roche encaissante suggérant une fracture fragile. De telles intrusions sont interprétées comme se produisant à faible profondeur et sont généralement associées à des roches volcaniques et à des structures d'effondrement.

Une intrusion ne cristallise pas tous les minéraux en même temps ; il existe plutôt une séquence de cristallisation qui se reflète dans la série de réactions de Bowen . Les cristaux formés au début du refroidissement sont généralement plus denses que le magma restant et peuvent se déposer au fond d'un grand corps intrusif. Cela forme une couche cumulée avec une texture et une composition distinctives. De telles couches cumulées peuvent contenir des gisements de minerai précieux de chromite . Le vaste complexe igné du Bushveld en Afrique du Sud comprend des couches cumulées du type de roche rare, la chromitite, composée à 90 % de chromite,