De nombreux magmas naturels comportent plus de deux composants majeurs : l'étude des systèmes ternaires prolonge donc directement celle des systèmes binaires et se rapproche des conditions réelles de cristallisation des roches magmatiques. Ce dernier chapitre présente la lecture d'un diagramme triangulaire et ses applications à la pétrologie magmatique.
1. Représentation d'un système ternaire
Un système ternaire comporte trois constituants indépendants A, B, C. Sa composition, à une température donnée, se représente sur un diagramme triangulaire : chaque sommet correspond à un pôle pur (100 % de A, B ou C), chaque côté représente un système binaire partiel (mélange de deux des trois constituants seulement), et tout point intérieur au triangle représente un mélange des trois. La température, troisième dimension du système, est le plus souvent figurée par des courbes de niveau (isothermes) tracées sur le triangle, à la manière d'une carte topographique — le diagramme complet en trois dimensions serait un prisme dont le triangle constitue la base. La lecture d'une composition sur ce triangle se fait par les proportions des trois segments perpendiculaires aux côtés, dont la somme vaut toujours 100 %.
2. Le système ternaire avec eutectique
Lorsque les trois couples de constituants forment chacun un système binaire à eutectique, le système ternaire présente un point eutectique ternaire, situé à l'intersection de trois courbes cotectiques issues des trois eutectiques binaires. Chaque courbe cotectique sépare deux champs de cristallisation primaire et correspond à la cristallisation simultanée de deux des trois solides ; au point eutectique ternaire, invariant, les trois solides cristallisent simultanément à température constante. Le chemin de cristallisation d'un liquide de composition donnée suit d'abord une droite jusqu'à la surface du liquidus (cristallisation d'une seule phase), puis longe une courbe cotectique (cristallisation de deux phases), avant d'atteindre, si le refroidissement se poursuit, le point eutectique ternaire.
3. Le système ternaire avec péritectique
Comme dans le cas binaire, un système ternaire peut comporter un point péritectique lorsqu'un des solides déjà cristallisés réagit avec le liquide résiduel pour former une nouvelle phase. La lecture du chemin de cristallisation devient alors plus complexe : le chemin peut traverser une courbe de réaction, ce qui entraîne la résorption partielle d'un solide antérieurement formé au profit d'un nouveau solide, avant que la cristallisation ne se poursuive vers un point invariant final.
4. Cristallisation fractionnée et chemins de cristallisation
En contexte magmatique naturel, les cristaux formés en cours de refroidissement sont souvent progressivement séparés du liquide résiduel — par gravité (sédimentation de cristaux denses) ou par filtration à travers une mush cristalline — de sorte qu'ils ne réagissent plus avec lui : c'est la cristallisation fractionnée, à opposer à la cristallisation à l'équilibre où solide et liquide restent en contact permanent. La cristallisation fractionnée modifie profondément le chemin suivi par le liquide résiduel dans le diagramme, l'éloignant du chemin théorique d'équilibre et expliquant la grande diversité des roches magmatiques dérivées d'un même magma parental, un phénomène connu sous le nom de différenciation magmatique.
5. Application : la série réactionnelle de Bowen
Norman L. Bowen a établi, au début du XXe siècle, l'ordre de cristallisation des principaux minéraux d'un magma basaltique qui refroidit, sous la forme de deux séries réactionnelles. La série continue concerne les plagioclases, qui forment une solution solide complète : le cristal s'enrichit progressivement en composant sodique au cours du refroidissement, par réaction continue avec le liquide (zonation normale). La série discontinue concerne les minéraux ferromagnésiens (olivine, pyroxènes, amphiboles, biotite), qui cristallisent successivement selon des réactions péritectiques : chaque minéral réagit avec le liquide résiduel pour donner le minéral suivant de la série, tant que du liquide et le minéral antérieur sont encore présents. Cette succession explique l'ordre observé de cristallisation des minéraux dans les roches magmatiques et les microstructures de réaction (couronnes réactionnelles) qu'on y observe.
Représentation graphique triangulaire de la composition d'un système à trois constituants, chaque sommet correspondant à un pôle pur et la température étant figurée par des isothermes.
Processus de cristallisation au cours duquel les cristaux formés sont progressivement séparés du liquide résiduel et cessent de réagir avec lui, ce qui modifie le chemin de cristallisation par rapport à une cristallisation à l'équilibre.
Ordre de cristallisation des minéraux d'un magma en refroidissement, composé d'une série continue (plagioclases) et d'une série discontinue (minéraux ferromagnésiens, cristallisant par réactions péritectiques successives).
| Cristallisation à l'équilibre | Cristallisation fractionnée | |
|---|---|---|
| Contact solide-liquide | Permanent | Interrompu (séparation des cristaux) |
| Réaction péritectique | Complète | Souvent incomplète (résorption partielle) |
| Diversité des roches produites | Plus limitée | Grande (différenciation magmatique) |
| Zonation des cristaux | Absente (cristal homogène) | Fréquente (zonation normale) |
Cristallisation à l'équilibre vs cristallisation fractionnée
- Diagramme ternaire : triangle des compositions + isothermes pour la température ; chaque côté est un binaire partiel.
- Point eutectique ternaire : intersection de trois courbes cotectiques, cristallisation simultanée des trois solides.
- Chemin de cristallisation : droite vers le liquidus, puis courbe cotectique, puis éventuellement point invariant.
- Cristallisation fractionnée = séparation cristaux/liquide → différenciation magmatique et diversité des roches.
- Série de Bowen : série continue des plagioclases (réaction continue) vs série discontinue des ferromagnésiens (réactions péritectiques).
Les examens de S3 demandent souvent de suivre un chemin de cristallisation sur un diagramme ternaire simplifié (sans courbes précises, en raisonnement qualitatif) et d'en déduire l'ordre de cristallisation des phases. Sache aussi expliquer, en une réponse structurée, la différence entre série continue et série discontinue de Bowen, et le lien entre cristallisation fractionnée et différenciation magmatique — un grand classique des questions de synthèse.