Le basalte : composition chimique et cristallisation hexagonale

Le basalte est la roche la plus répandue sur la surface solide de la croûte terrestre, elle constitue le fond des océans et, d'une manière générale, 95 % des laves continentales et océaniques. Cette roche éruptive est émise à l'état fondu vers 1200°C sous forme de magma, elle crée des coulées de lave fluide lors des éruptions volcaniques. Les coulées de basalte refroidies ont souvent une allure prismée due au phénomène de rétraction qui accompagne la cristallisation du magma fondu. Dans le cas de la Chaussée des Géants, la roche en se refroidissant, s'est contractée puis fissurée et enfin s'est divisée en colonnes verticales appelées orgues basaltiques.

Le basalte est une roche très sombre de densité élevée (entre 2.9 et 3.2) et de structure généralement microlithique*. Il cristallise en un mélange de plagioclases* et de pyroxènes*, souvent à l'état de microlithes* dans la pâte. La nature de ces plagioclases permet de les distinguer des pyroxènes, de l'olivine* ou d'autres minéraux secondaires (magnétite, ilménite).

La cristallisation dans les roches

Il y a plusieurs cristaux de différentes tailles dans une roche, entre autres les microlithes que l'on retrouve par exemple en tant que feldspath plagioclase dans le basalte ou de gros cristaux appelés phénocristaux tels que l'olivine.

Pour observer une roche au microscope, on a réalisé (pendant les cours de SVT 1èreS) une lame mince de roche (quelques centièmes de mm) en la meulant. L'examen d'un échantillon à l'oeil nu et d'une lame mince permet de connaître la composition minéralogique et la structure (disposition des minéraux) du basalte. La structure microlithique, propre aux roches volcaniques, résulte d'un refroidissement lent en profondeur (formation des gros cristaux) suivi d'un refroidissement rapide en surface (formation des microlithes et du verre).

Observation de la lame mince de roche (MPx40)

Ce échantillon basalte présente des phénocristaux de pyroxène généralement craquelés, et présentant ici à gauche des clivages* presque orthogonaux. La pâte microlithique est constituée :
- de baguettes claires de plagioclases généralement alignées dans le sens d'écoulement de la lave,
- de pyroxènes trapus,
- de minéraux opaques de type magnétite (oxyde de fer).

Cas du basalte

Les basaltes alcalins, à olivine abondante et teneur élevée en titane, comme en alcalins, se rencontrent typiquement dans le contexte volcanique de "point chaud", océanique (Hawaii, île de la Réunion, etc...) ou continental (Massif central français, tertiaire irlandais).

Lors du refroidissement de la lave, plusieurs roches s'agglutinent. Lorsqu'on broie les pierres de lave, on retrouve une séparation des cristaux de ces différences roches venues du sous-sol. Classiquement, les fentes de refroidissement du basalte dessinent des hexagones comme on peut le constater sur la vue ci-dessous.

 En refroidissant, le basalte se rétracte. La diminution de surface se fait ouverture de fentes. La rupture de la croûte de magma qui refroidit consomme de l'énergie dite de rupture. La Nature choisit toujours la solution qui dépense le moins d'énergie. La croûte doit se rompre, délimiter des colonnes jointives et minimiser l'énergie de rupture.

Le basalte va donc "choisir" de se rompre en formant des fentes de façon à ce qu'un maximum d'éléments se regroupe en un minimum de surface. Le rapport R périmètre sur surface doit être le plus petit possible. La figure géométrique avec le plus petit R est le cercle; mais un pavage de cercles n'est pas jointif: il reste des entre-cercles qui, eux, ont un rapport R très élevé.

Subsistent alors 3 possibilités de polygones égaux et totalement jointifs qui recouvrent l'ensemble d'une surface: des triangles équilatéraux, des carrés, ou des hexagones réguliers...

On rencontre ce même phénomène chez les abeilles qui utilisent les polygones pour loger leurs larves en prenant le moins de place possible et en consommant peu de cire.

 Ces 3 observations nous permettent de conclure que le polygone dont le rapport R est le plus petit est l'hexagone. La Nature l'affectionne tout particulièrement lors des refroidissements ou des déshydratations souvent annonciatrices de cristallisations lentes.