Après avoir situé les grands réservoirs terrestres, il faut apprendre à lire les analyses chimiques des roches : quels éléments sont majeurs, lesquels sont en trace, et comment leur comportement renseigne sur les processus magmatiques. Ce chapitre, l'un des plus demandés aux examens de géochimie appliquée, détaille les règles de substitution et le comportement compatible/incompatible.
1. Distinguer éléments majeurs et éléments en trace
Les éléments majeurs — oxygène, silicium, aluminium, fer, calcium, sodium, potassium, magnésium — représentent l'essentiel du poids de l'écorce terrestre ; leurs teneurs s'expriment en pourcentage et ils déterminent la composition minéralogique d'une roche. Les éléments en trace (ou éléments mineurs), présents en quantités beaucoup plus faibles, s'expriment en ppm (partie par million, équivalant au gramme par tonne) voire en ppb (partie par milliard). Ils n'entrent pas dans la composition des minéraux essentiels de la roche mais se substituent, en très faible proportion, aux éléments majeurs dans leur réseau cristallin.
2. Les règles de substitution de Goldschmidt
Un élément en trace peut remplacer un élément majeur dans un site cristallin si son rayon ionique est proche (à moins de 15 % environ) de celui de l'élément remplacé, et si sa charge est identique ou compensée par une autre substitution couplée. Lorsque deux ions de rayon voisin ont des charges différentes, celui de charge la plus élevée entre préférentiellement dans le cristal en formation (règle du potentiel ionique) : c'est la base des règles de substitution établies par Goldschmidt, qui expliquent par exemple pourquoi le strontium (Sr²⁺) se substitue facilement au calcium (Ca²⁺) dans les plagioclases.
3. Éléments compatibles et incompatibles
Lors de la fusion partielle ou de la cristallisation fractionnée d'un magma, chaque élément en trace se répartit préférentiellement entre le solide (minéraux) et le liquide (magma). Un élément compatible entre facilement dans le réseau cristallin des minéraux qui cristallisent et reste donc préférentiellement dans le solide (le nickel et le chrome dans l'olivine, par exemple). Un élément incompatible, dont le rayon ionique ou la charge s'accorde mal avec les sites cristallins disponibles, reste concentré dans la phase liquide : les magmas issus d'un faible taux de fusion partielle sont donc particulièrement enrichis en éléments incompatibles.
4. Le coefficient de partage
Le coefficient de partage (D) d'un élément entre un minéral et le liquide en équilibre exprime le rapport de sa concentration dans le solide sur sa concentration dans le liquide. Un coefficient de partage très inférieur à 1 signe un comportement incompatible ; un coefficient très supérieur à 1 signe un comportement compatible. Ce paramètre, propre à chaque couple élément-minéral et dépendant des conditions de pression, de température et de composition, permet de modéliser quantitativement la fusion partielle et la cristallisation fractionnée à partir des teneurs en éléments en trace mesurées dans les roches.
5. Les terres rares, traceurs privilégiés
Les terres rares (ou REE, Rare Earth Elements) forment une famille d'éléments chimiquement très voisins (numéros atomiques 57 à 71), qui ne se différencient que par de subtiles variations de rayon ionique. Cette homogénéité chimique, combinée à un comportement globalement incompatible mais progressivement moins incompatible des terres rares légères vers les terres rares lourdes, en fait un outil privilégié pour tracer l'origine et l'histoire des magmas : les profils de terres rares normalisés (diagrammes « spider ») sont une des figures les plus utilisées en pétrologie magmatique.
Élément en trace qui, lors de la fusion partielle ou de la cristallisation, entre préférentiellement dans les minéraux solides plutôt que dans le liquide magmatique.
Rapport entre la concentration d'un élément dans un minéral et sa concentration dans le liquide en équilibre avec ce minéral ; il quantifie le caractère compatible ou incompatible de l'élément.
Famille de quinze éléments chimiquement voisins (lanthanides), utilisée comme traceur géochimique de l'origine et de l'évolution des magmas grâce à leur comportement progressif et prévisible.
| Éléments majeurs | Éléments en trace | |
|---|---|---|
| Unité de teneur | Pourcentage (%) | ppm ou ppb |
| Rôle | Composition minéralogique de la roche | Traceurs des processus pétrogénétiques |
| Exemples | O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg | Terres rares, Ni, Cr, Sr, Ba |
| Comportement clé | — | Compatible (D > 1) vs incompatible (D < 1) |
Éléments majeurs et éléments en trace : la comparaison à maîtriser
- Éléments majeurs : ~99 % du poids de l'écorce, teneurs en % ; éléments en trace : teneurs en ppm ou ppb.
- Substitution possible si rayon ionique voisin et charge identique ou compensée (règles de Goldschmidt).
- Compatible = reste dans le solide (D > 1) ; incompatible = concentré dans le liquide magmatique (D < 1).
- Le coefficient de partage D quantifie le comportement d'un élément entre minéral et liquide.
- Les terres rares (REE), chimiquement très voisines, sont un traceur clé de l'origine des magmas.
Sujet classique : donner la définition d'un élément compatible et d'un élément incompatible, avec un exemple, et expliquer l'effet d'un faible taux de fusion partielle sur la composition en éléments incompatibles du magma produit. Attention à ne pas confondre « élément en trace » (par la teneur) et « élément incompatible » (par le comportement) : un élément en trace peut être compatible.