Les diagrammes de phases traduisent graphiquement, en fonction de la composition et de la température, les domaines de stabilité des différentes phases d'un système : ils sont l'outil de base pour comprendre la cristallisation des magmas et la formation des roches ignées. Ce chapitre pose les notions fondamentales — stabilité, équilibre, métastabilité — puis présente les deux grands types de diagrammes binaires : eutectique et péritectique.
1. Notion de phase et de système, retour sur la règle de Gibbs
Un système binaire est un système constitué de deux constituants indépendants (par exemple deux minéraux, ou deux oxydes). L'état du système à l'équilibre, pour une composition et une pression données, est décrit par la règle des phases de Gibbs, qui découle directement de la formule de la variance vue au chapitre précédent : V = C - φ + 2, où C est le nombre de constituants indépendants et φ le nombre de phases présentes (le « 2 » correspondant aux deux facteurs physiques température et pression). Pour un diagramme construit à pression fixée, un des degrés de liberté est déjà consommé, ce qui simplifie la lecture graphique.
2. Stabilité, équilibre et métastabilité
Une phase est dite stable dans un domaine de température et de composition donné lorsqu'elle correspond au minimum d'enthalpie libre du système dans ces conditions. Lorsque le système atteint effectivement cet état de plus basse énergie, il est en équilibre thermodynamique. Il arrive cependant qu'un système reste, temporairement, dans un état de plus haute énergie que l'état stable, sans évoluer spontanément vers ce dernier faute d'apport d'énergie suffisant (barrière cinétique) : on parle alors d'état métastable. La métastabilité explique en pétrologie la persistance de minéraux ou de textures de refroidissement rapide (verre volcanique, minéraux zonés) qui ne correspondent pas à l'assemblage d'équilibre théorique.
3. Le système binaire avec eutectique
Dans un système binaire à eutectique, les deux constituants A et B sont totalement miscibles à l'état liquide mais totalement immiscibles à l'état solide (aucune solution solide). Le diagramme comporte deux courbes de liquidus (au-dessus desquelles tout est liquide) qui se rejoignent en un point unique, le point eutectique, correspondant à la température la plus basse à laquelle un liquide peut encore exister dans le système. À cette température, le liquide eutectique cristallise simultanément en A solide et B solide, en proportions fixes, sans variation de température (palier eutectique) : c'est un point invariant (variance nulle à pression fixée). Le refroidissement d'un liquide de composition quelconque conduit d'abord à la cristallisation du constituant en excès par rapport à la composition eutectique, ce qui enrichit progressivement le liquide résiduel en l'autre constituant jusqu'à ce qu'il atteigne la composition eutectique.
4. Le système binaire avec péritectique
Dans un système binaire à péritectique, un des deux constituants réagit, lors du refroidissement, avec le liquide résiduel pour former un nouveau solide (souvent une solution solide ou un composé intermédiaire), selon une réaction du type liquide + solide 1 → solide 2. Le point péritectique est également invariant, mais il correspond à une réaction de résorption partielle ou totale du premier solide formé, et non à une cristallisation simultanée comme au point eutectique. Ce comportement est caractéristique de nombreuses séries magmatiques, où un minéral précocement cristallisé réagit avec le liquide résiduel pour donner un minéral de composition différente au cours du refroidissement — un mécanisme central de la série réactionnelle discontinue de Bowen.
5. Lire un diagramme binaire : liquidus, solidus, règle des segments
Sur un diagramme binaire température-composition, le liquidus sépare le domaine tout liquide du domaine liquide + solide ; le solidus sépare le domaine liquide + solide du domaine tout solide. Pour un point représentatif situé dans le domaine à deux phases, la composition de chaque phase se lit à l'intersection de l'isotherme (droite horizontale à la température considérée) avec le liquidus et le solidus, et les proportions relatives des deux phases s'obtiennent par la règle des segments inverses (ou règle du levier) : la proportion d'une phase est proportionnelle à la longueur du segment opposé à cette phase sur l'isotherme.
Point invariant d'un diagramme binaire où un liquide de composition fixe cristallise simultanément en deux solides purs, à température constante, sans qu'aucune solution solide ne se forme.
Point invariant d'un diagramme binaire correspondant à une réaction entre un liquide et un solide déjà cristallisé, produisant un nouveau solide de composition différente.
Courbes d'un diagramme de phases qui délimitent respectivement le domaine entièrement liquide (au-dessus du liquidus) et le domaine entièrement solide (en dessous du solidus) ; entre les deux coexistent liquide et solide.
| Eutectique | Péritectique | |
|---|---|---|
| Réaction au point invariant | Liquide → solide 1 + solide 2 | Liquide + solide 1 → solide 2 |
| Miscibilité à l'état solide | Nulle (solides purs) | Souvent partielle (solution solide) |
| Comportement du premier solide | Reste stable, croît | Peut être partiellement résorbé |
| Exemple pétrologique | Cristallisation de deux minéraux indépendants | Série réactionnelle discontinue de Bowen |
Eutectique vs péritectique
- Règle des phases de Gibbs : V = C - φ + 2 ; à pression fixée, un degré de liberté est déjà consommé.
- État métastable : énergie plus haute que l'état stable, mais sans évolution spontanée observable (barrière cinétique).
- Eutectique : cristallisation simultanée de deux solides purs à température constante, à composition fixe, point invariant.
- Péritectique : réaction liquide + solide 1 → solide 2, avec résorption possible du premier solide.
- Règle des segments inverses (règle du levier) : donne les proportions liquide/solide à partir d'une isotherme sur le diagramme.
Sache tracer et légender un diagramme binaire à eutectique complet (liquidus, solidus, point eutectique, domaines de phases) et décrire l'évolution d'un liquide qui refroidit à partir d'une composition donnée. Piège classique en péritectique : croire à tort que le premier solide continue de croître sans réagir, ou confondre point eutectique (cristallisation simultanée) et point péritectique (réaction de résorption).