rhéologie - Perso-sdt
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RHÉOLOGIE Rhéologie: étude du comportement des matériaux soumis à une contrainte Dépend de 3 paramètres physiques: Pression Taux de déformation Température → importantes variations des comportements • • • • • Déformations et paramètres physiques Enveloppes rhéologiques Définition de la lithosphère Contribution sismique et sismologique Modélisation analogique et numérique Contraintes et déformations Contrainte: Force appliquée sur une surface ∆S σ = dF / dS L’unité de contrainte duS.I. est le Pascal: 1Pa=1N.m-2 =10-5 bars–1MPa=106 Pa Si les 3 contrainte principales: σ1 =σ2 =σ3, pas de contrainte tangentielle appliquée sur le matériau → état de contrainte hydrostatique Contrainte moyenne: σm=1/3( σ1+σ2 +σ3) avec σ1 >σ2 >σ3 La contrainte déviatorique est la partie restante qui dévie de la partie hydrostatique: σ-σm (également appelé déviateur des contraintes) Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un état initial à un état final Comparaison de 2 états à 2 temps différents → à la différence de la contrainte qui décrit 1 condition à 1 te Déformations élastique et plastique Comportement élastique:déformation réversible de la roche - relation linéaire entre σ et ε - matériaux élastiques accumulent une déformation qu’ils restituent quand la contrainte est relâchée Comportement plastique: déformation non réversible de la roche - pas de relation linéaire entre σ et ε - matériaux plastiques ne restituent pas la déformation après relaxation des contraintes Fluage: déformation à contrainte constante Déformation cassante Roche cassante: se déforme de manière élastique voir même un peu plastiquement avant la rupture - déformation discontinue, froide et rapide - caractérisée par une direction et un sens de mouvement Déformation ductile Mylonite, « shear zone » Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture - déformation continue et chaude - caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du domaine Déformation cassante et ductile Roche ductile-cassante: certaines roches ont un comportement ductile avant rupture ⇒ Température, pression et vitesse de déformation font varier la limite cassant/ductile Paramètres physiques Etudes expérimentales de résistance des matériaux à la compression ou à la tension: - Prédiction de comportement - Rôle de la pression, de la température et taux de déformation Paramètres physiques Pression Paramètres physiques Pression •Fracturation retardée par augmentation de la pression de confinement •Si la pression de confinement atteint de valeurs élevées supérieure à 30 MPa, la rupture n’existe plus → déformation par raccourcissement de 3 à 20 % •Si la pression des fluides est élevée, on aura une déformation cassante à n’importe quelle profondeur Paramètres physiques Température Paramètres physiques Température Si la température augmente, le seuil de fluage plastique diminue - amollissement de la roche et déformation avant rupture La pression hydrostatique retarde la rupture ⇒ effets conjugués de la pression et de la température étend le domaine ductile de la roche Paramètres physiques Vitesse de déformation Paramètres physiques Vitesse de déformation Vitesse de déformation: -expérience en laboratoire: o de 10−9 à 10−5 s−1 -phénomènes géologiques: o de 10−14 à 10−5 s−1 Diminution du domaine plastique et augmentation du domaine Élastique Pour des vitesses de déformation croissantes, le domaine plastique diminue ⇒ la Roche devient cassante Exemple roche sédimentaire: du comportement élastique à élasto-plastique - Comportement cassant jusqu’à 4000 mètres de profondeur avecT◦ ≈150◦CetP≈100MPa ⇒ comportement ductile si gradient géothermique normal (9000 mètres et T◦ ≈ 300 ◦C Échelle d’observation Gneiss: - globalement ductile - En détail, feldspath: comportement cassant par glissement le long des clivages Transition élastique/ductile dépend de la température et de la nature des minéraux de la roche - Quartz → 350◦C - feldspath → 500◦C ⇒ Roche composée de Quartz et feldspath, la transition se fera sur une zone d’une certaine épaisseur correspondant à l’isotherme de 350◦C et 500◦C globalement cassant 300°C ---------------------------------zone de transition 500°C ------------------------------------globalement ductile Sources de contraintes déviatoriques - Tectonique des plaques - Poids des roches au dessus du volume de référence: Ex: Epaississement lithosphérique en domaine intracontinental - Erosion et effets de pente - Charges temporaires (glaces, eau) ou permanentes (monts sous-marins) Enveloppes rhéologiques Étude du comportement des matériaux de la croûte et du manteau en fonction de la pression et de la température Maté́riaux représentatifs: - pour la croûte: Quartz, feldspath avec ou sans eau - pour le manteau: Olivine et Dunite •Comportement cassant: loi de Byerlee •Comportement ductile: loi de fluage Loi de Byerlee - loi de friction Relation linéaire entre contrainte normale σn et contrainte cisaillante τ sur des plan de failles préexistants • τ = 0.85σn pour σn < 2Kb • τ =0.5+0.6σn pour 2Kb<σn <20Kb Valable pour tous les matériaux La contrainte nécessaire pour créer un glissement augmente avec la pression de confinement (σn) loi de fluage Géotherme froid Géotherme chaud Comportement ductile obtenu à haute température Forte variation en fonction de la pression et de la température environnantes Lois différentes pour chaque matériau En général , les matériaux basiques sont plus résistants que les matériaux acides. Enveloppe de la Lithosphère évolution en fonction de la température en contexte extensif Enveloppe (« Yield Stress Enveloppes =YSE) classique de la lithosphère continentale Géotherme : déduit du flux de chaleur mesuré en surface ou du modèle de plaque en refroidissement (notion d’âge thermique) Transitions Fragile – ductile (TFD ou BDT): multiples - sommet marqué par le pic, base par une très faible résistance Dépendance du temps: pour lois TFD TFD © C. Brunet Domaine fragile Domaine ductile Exemples d’enveloppe rhéologique Géotherme froid 1 couche 2 couches ---------------------------------------------Quartz/Granite Quartz/Granite croûte basique Exemples d’enveloppe rhéologique Géotherme chaud 1 & 2 couches 1 couche ------------------------------------------------Quartz/Granite Roche basique Quartz/Granite + croûte basique Base de la Lithosphère Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine Lithosphère comportement rigide - propagation onde P et onde S OK 1300◦ C----------------------------------------------------------------------------------Asthénosphère comportement ductile - L.V.Z et atténuation des ondes S •1300◦C ≈ proche de la température de fusion de l’Olivine ⇒ transition entre l’Olivine cassante à une échelle tectonique et l’Olivine ductile dans l’asthénosphère •Structure spécifique à l’axe des rides océaniques: -----------------------------Croûte=Lithosphère 1300◦ C MOHO ----------------------------------------Asthénosphère chaude Contexte extensif I: évolution d’une dorsale Lors de l’évolution de la dorsale, l’isotherme 1300◦C s’enfonce au sein du manteau ⇒ La Lithosphère s’épaissit au dépend de l’asthénosphère ⇒ Contraction thermique des matériaux, la plaque subside et la profondeur du fond augmente Contexte extensif II: évolution d’un rift •Amincissement de la Lithosphère continentale pendant la phase extensive •Variation spatio-temporelle de la rhéologie: ⇒ Comportement ductile très prépondérant à l’axe du rift ⇒ Comportement cassant de la Lithosphère froide et vieille Géodynamique et température Différentes pentes de la loi de Byerlee selon le contexte géodynamique → besoin de plus d’énergie pour obtenir la rupture en contexte compressif La Température augmente → le comportement cassant se réduit Contribution de la sismologie Séisme: déplacement d’un volume rocheux de manière brutale pendant la rupture le long d’un plan de faille Rupture Déformation élastique Relâchement des contraintes Augmentation des contraintes -------------------------------------------|-------------------------------------------------|---------------------------------> période cosismique période intersismique période cosismique = séisme → Le comportement d’un matériel élastique caractérise la déformation cassante à l’échelle crustale → Distribution en profondeur de la sismicité donne une idée assez précise de la transition cassante/ductile Distribution de la sismicité I Cassant Ductile Cassant ⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations plastiques prédominent •Première couche: croûte supérieure de 15 à 20 km •Deuxième couche: manteau supérieur ⇒ Entre les deux, quelques rares séismes à la base du MOHO Distribution de la sismicité II Faille de San Andreas: Discontinuité majeure à l’échelle de la tectonique des plaques Pas de sismicité dans la croûte inférieure ⇒ Comportement ductile Distribution de la sismicité III 2 paramètres importants dans cette région: ⋆ vitesse de déformation élevée: une déformation rapide engendre un comportement cassant ⋆ température froide: renforce le comportant cassant ⇒ Transition ductile/cassant généralement proche de la zone de convergence que dans domaine arrière-arc Profiles Sismiques I -croûte supérieure: faible réflectivité -croûte inférieure: présence d’interfaces ⇒ pas de traces de faille dans la croûte inférieure ⇒ Déformation cassante de la croûte supérieure transmise au manteau par le biais d’un niveau de décollement dans la croûte inférieure Profiles Sismiques II •Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transition continent/océan •Tous les niveaux ont été amincis ⇒ facteur d’amincissement plus élevé pour croûte supérieure ⇒ plus de croûte supérieure dans le domaine océanique ⇒ déformation cassante par jeux de faille Rhéologie de la Croûte – conclusion •Alternance de couche fragile et ductile → rôle important sur la géométrie et la distribution de la déformation •La résistance totale de la croûte dépend fortement de la température → du gradient géothermique •La croûte inférieure apparaît globalement moins résistante que la croûte supérieure → tend à localiser la déformation •Importance de la composition minéralogique Rhéologie du Manteau – conclusion Images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau supérieur → interpréter comme des failles normales → structure cassant du manteau supérieur
