rhéologie - Perso-sdt
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RHÉOLOGIE Rhéologie: étude du comportement des matériaux soumis à une contrainte – p.1/34 RHÉOLOGIE Rhéologie: étude du comportement des matériaux soumis à une contrainte Dépend de 3 paramètres physiques: - Température - Pression - Taux de déformation – p.1/34 RHÉOLOGIE Rhéologie: étude du comportement des matériaux soumis à une contrainte Dépend de 3 paramètres physiques: - Température - Pression - Taux de déformation → importantes variations des comportements – p.1/34 RHÉOLOGIE Rhéologie: étude du comportement des matériaux soumis à une contrainte Dépend de 3 paramètres physiques: - Température - Pression - Taux de déformation → importantes variations des comportements • • • • • Déformations et paramètres physiques Enveloppes rhéologiques Définition de la lithosphère Contribution sismique et sismologique Modélisation analogique et numérique – p.1/34 Contraintes et déformations F ∆S Force appliquée sur une surface ∆S σ = dF dS σ1 > σ 2 > σ 3 Contrainte: F – p.2/34 Contraintes et déformations F ∆S Force appliquée sur une surface ∆S σ = dF dS σ1 > σ 2 > σ 3 Contrainte: F σ L1 τ L2 φ τ σ – p.2/34 Contraintes et déformations F ∆S Force appliquée sur une surface ∆S σ = dF dS σ1 > σ 2 > σ 3 Contrainte: F 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 temps donné Déformation: σ L1 τ L2 φ τ σ – p.2/34 Déformations élastique et plastique Comportement élastique: déformation réversible de la roche - relation linéaire entre σ et - matériaux élastiques accumulent une déformation qu’ils restituent quand la contrainte est relâchée – p.3/34 Déformations élastique et plastique Comportement élastique: déformation réversible de la roche - relation linéaire entre σ et - 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 - matériaux plastiques ne restituent pas la déformation après relaxation des contraintes – p.3/34 Déformations élastique et plastique Comportement élastique: déformation réversible de la roche - relation linéaire entre σ et - 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 - matériaux plastiques ne restituent pas la déformation après relaxation des contraintes Fluage: déformation à contrainte constante – p.3/34 Déformation cassante et ductile 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 – p.4/34 Déformation cassante et ductile 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 Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture - déformation continue et chaude - caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du domaine – p.4/34 Déformation cassante et ductile 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 Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture - déformation continue et chaude - caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du domaine Roche ductile-cassante: certaines roches ont un comportement ductile avant rupture – p.4/34 Déformation cassante et ductile 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 Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture - déformation continue et chaude - caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du domaine Roche ductile-cassante: certaines roches ont un comportement ductile avant rupture ⇒ Température, pression et vitesse de déformation font varier la limite cassant/ductile – p.4/34 Paramètres physiques Pression – p.5/34 Paramètres physiques Pression fracturation retardée par augmentation de la pression de confinement – p.6/34 Paramètres physiques Pression fracturation retardée par augmentation de la pression de confinement Si la pression de confinement atteint de valeurs élevées supérieure à 30 MP, la rupture n’existe plus déformation par raccourcissement de 3 à 20 % – p.6/34 Paramètres physiques Pression fracturation retardée par augmentation de la pression de confinement Si la pression de confinement atteint de valeurs élevées supérieure à 30 MP, 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 – p.6/34 Paramètres physiques Température – p.7/34 Paramètres physiques Température Si la température augmente, le seuil de fluage plastique diminue - amollissement de la roche et déformation avant rupture – p.8/34 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 – p.8/34 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 – p.8/34 Paramètres physiques Vitesse de déformation – p.9/34 Paramètres physiques Vitesse de déformation Vitesse de déformation: -expérience en laboratoire: de 10−9 à 10−5 s−1 -phénomènes géologiques: de 10−14 à 10−5 s−1 – p.10/34 Paramètres physiques Vitesse de déformation Vitesse de déformation: -expérience en laboratoire: de 10−9 à 10−5 s−1 -phénomènes géologiques: de 10−14 à 10−5 s−1 Diminution du domaine plastique et augmentation du domaine élastique – p.10/34 Paramètres physiques Vitesse de déformation Vitesse de déformation: -expérience en laboratoire: de 10−9 à 10−5 s−1 -phénomènes géologiques: 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 – p.10/34 Quelques exemples roche sédimentaire: du comportement élastique à élasto-plastique - Comportement cassant jusqu’à 4000 mètres de profondeur avec T◦ ≈ 150◦ C et P ≈ 100 MPa ⇒ comportement ductile si gradient géothermique normal (9000 mètres et T◦ ≈ 300 ◦ C – p.11/34 Quelques exemples roche sédimentaire: du comportement élastique à élasto-plastique - Comportement cassant jusqu’à 4000 mètres de profondeur avec T◦ ≈ 150◦ C et P ≈ 100 MPa ⇒ comportement ductile si gradient géothermique normal (9000 mètres et T◦ ≈ 300 ◦ C Sel Gemme: roche ductile à P ≈ 200 MPa et T◦ ≈ 300 ◦ C comportement plastique pour contrainte constante σ=10 MPa – p.11/34 Échelle d’observation Gneiss: - globalement ductile - En détail, feldspath: comportement cassant par glissement le long des clivages – p.12/34 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 350◦ C 500◦ C zone de transition globalement ductile – p.12/34 Enveloppes rhéologiques ´ Étude du comportement des matériaux de la croûte et du manteau en fonction de la pression et de la température Matériaux représentatifs: - pour la croûte: Quartz, feldspath avec ou sans eau - pour le manteau: Olivine et Dunite Comportement cassant: Comportement ductile: loi de Byerlee loi de fluage – p.13/34 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 – p.14/34 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 – p.14/34 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 – p.14/34 loi de fluage COLD GEOTHERM HOT GEOTHERM Comportement ductile obtenu à haute température – p.15/34 loi de fluage COLD GEOTHERM HOT GEOTHERM Comportement ductile obtenu à haute température Forte variation en fonction de la pression et de la température environnantes – p.15/34 loi de fluage COLD GEOTHERM HOT GEOTHERM Comportement ductile obtenu à haute température Forte variation en fonction de la pression et de la température environnantes Lois différentes pour chaque matériau – p.15/34 Enveloppe de la Lithosphère ´ Évolution en fonction de la température en contexte extensif – p.16/34 Exemples d’enveloppe rhéologique Géotherme froid 1 couche 2 couches Quartz/Granite Quartz/Granite croûte basique – p.17/34 Exemples d’enveloppe rhéologique Géotherme chaud 1 & 2 couches 1 couche Quartz/Granite roche basique Quartz/Granite + croûte basique – p.18/34 Base de la Lithosphère Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine comportement rigide - propagation onde P et onde S OK Lithosphère 1300◦ C Asthénosphère comportement ductile - L.V.Z et atténuation des ondes S 1300◦ C ≈ proche de la température de fusion de l’Olivine – p.19/34 Base de la Lithosphère Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine comportement rigide - propagation onde P et onde S OK Lithosphère 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 – p.19/34 Base de la Lithosphère Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine comportement rigide - propagation onde P et onde S OK Lithosphère 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: 1300 C ◦ MOHO Croûte=Lithosphère Asthénosphère chaude – p.19/34 Contexte extensif I: évolution d’une dorsale Lors de l’évolution de la dorsale, l’isotherme 1300◦ C s’enfonce au sein du manteau – p.20/34 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 – p.20/34 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 – p.20/34 Contexte extensif II: évolution d’un rift Amincissement de la Lithosphère continentale pendant la phase extensive – p.21/34 Contexte extensif II: évolution d’un rift Amincissement de la Lithosphère continentale pendant la phase extensive Variation spatio-temporelle de la rhéologie – p.21/34 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 – p.21/34 Géodynamique et température Différentes pentes de la loi de Byerlee selon le contexte géodynamique – p.22/34 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 – p.22/34 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 – p.22/34 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 – p.22/34 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 = séisme période intersismique période cosismique → Le comportement d’un matériel élastique caractérise la déformation cassante à l’échelle crustale – p.23/34 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 = séisme période intersismique période cosismique → 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 – p.23/34 Distribution de la sismicité I – p.24/34 Distribution de la sismicité I Cassant Ductile Cassant ⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations plastiques prédominent – p.24/34 Distribution de la sismicité I Cassant Ductile Cassant ⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations plastiques prédominent – p.24/34 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 – p.24/34 Distribution de la sismicité II Faille de San Andreas: Discontinuité majeure à l’échelle de la tectonique des plaques – p.25/34 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 – p.25/34 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 – p.25/34 Distribution de la sismicité III 2 paramètres importants dans cette région: – p.26/34 Distribution de la sismicité III 2 paramètres importants dans cette région: ? vitesse de déformation élevée: une déformation rapide engendre un comportement cassant – p.26/34 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 – p.26/34 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 – p.26/34 Profiles Sismiques I croûte supérieure: faible réflectivité croûte inférieure: présence d’interfaces – p.27/34 Profiles Sismiques I croûte supérieure: faible réflectivité croûte inférieure: présence d’interfaces ⇒ pas de traces de faille dans la croûte inférieure – p.27/34 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 – p.27/34 Profiles Sismiques II Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transition continent/océan – p.28/34 Profiles Sismiques II Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transition continent/océan tous les niveaux ont été amincis – p.28/34 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 – p.28/34 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 – p.28/34 Rhéologie de la Croûte alternance de couche fragile et ductile → rôle important sur la géométrie et la distribution de la déformation – p.29/34 Rhéologie de la Croûte 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 – p.29/34 Rhéologie de la Croûte 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 – p.29/34 Rhéologie de la Croûte 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 – p.29/34 Rhéologie du Manteau images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau supérieur – p.30/34 Rhéologie du Manteau images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau supérieur → interpréter comme des failles normales – p.30/34 Rhéologie du Manteau images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau supérieur → interpréter comme des failles normales → structure cassant du manteau supérieur – p.30/34 Modèle analogique I Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faible résistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans des conditions de laboratoire - Matériaux: sable,argile,plâtre,hydrocarbure – p.31/34 Modèle analogique I Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faible résistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans des conditions de laboratoire - Matériaux: sable,argile,plâtre,hydrocarbure 2 types d’analyse: - Étude régionale - Étude de processus physique comme la fracturation – p.31/34 Modèle analogique I Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faible résistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans des conditions de laboratoire - Matériaux: sable,argile,plâtre,hydrocarbure 2 types d’analyse: - Étude régionale - Étude de processus physique comme la fracturation Limites: - Transfert d’échelle - Aspect thermique non considéré – p.31/34 Modèle analogique II Premier modèle utilisant stratification sable/silicone (Faugères et Brun, 1984) → modélisation de la géométrie des marges passives – p.32/34 Modèle analogique II Premier modèle utilisant stratification sable/silicone (Faugères et Brun, 1984) → modélisation de la géométrie des marges passives failles normales apparaissent perpendiculaire à la direction d’extension délimitant des blocs crustaux – p.32/34 Modèle analogique II Premier modèle utilisant stratification sable/silicone (Faugères et Brun, 1984) → modélisation de la géométrie des marges passives failles normales apparaissent perpendiculaire à la direction d’extension délimitant des blocs crustaux comportement différent du sable et du silicone → failles en surface se prolongent jusqu’à la base du sable → l’interface sable/silicone est défléchie à leur approche – p.32/34 Modèle analogique II Premier modèle utilisant stratification sable/silicone (Faugères et Brun, 1984) → modélisation de la géométrie des marges passives failles normales apparaissent perpendiculaire à la direction d’extension délimitant des blocs crustaux comportement différent du sable et du silicone → failles en surface se prolongent jusqu’à la base du sable → l’interface sable/silicone est défléchie à leur approche Reproduction des blocs basculés décrits dans les marges passives – p.32/34 Modèles analogiques III Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/silicone lié aux conditions de glissement à la base du modèle – p.33/34 Modèles analogiques III Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/silicone lié aux conditions de glissement à la base du modèle Relation entre cisaillement dans le silicone et le sens de basculement des blocs – p.33/34 Modèles analogiques III Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/silicone lié aux conditions de glissement à la base du modèle Relation entre cisaillement dans le silicone et le sens de basculement des blocs Failles normales toujours synthétiques du cisaillement à l’interface – p.33/34 Modèles numériques σ ε σ plastic model viscuous model elastic model σ ε ε Simulation d’un processus physique qui décrit une loi rhéologique – p.34/34 Modèles numériques ε σ σ plastic model viscuous model elastic model σ ε ε Simulation d’un processus physique qui décrit une loi rhéologique Numérisation des équations physiques en utilisant les conditions limites spécifiques à l’expérience désirée – p.34/34
