Rhéologie de la lithosphère ( PDF
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Rhéologie de la lithosphère
Rhéologie de la lithosphère
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
mécanique
thermique
sismologique
tectonique
Etude du comportement des
matériaux sous la contrainte
Propriétés mécaniques étudiées :
élasticité, plasticité, viscosité
É Rhéologie
É Lithosphère
Définitions
Contraintes tangentielles
Voir Larroque & Virieux, p. 57
$O¶LQWpULHXUG¶XQVROLGHRQSHXW
définir sur une surface quelconque
un vecteur contrainte V qui a trois
composantes (une contrainte
normale et deux contraintes
tangentielles)
Contrainte normale
&¶HVWXQHIRUFHSDUXQLWpGHVXUIDFH
/¶XQLWpGHFRQWUDLQWHHVWOH3DVFDO
1 Pa=1N/m2
Notion de contrainte
sur chacune de ces trois surfaces
V¶DSSOLTXHQWFRQWUDLQWHVXQH
normale et deux tangentielles
En un point de ce solide il suffit de définir 3
surfaces élémentaires perpendiculaires aux 3
GLUHFWLRQVGHO¶HVSDFH
Notion de contrainte
V
§ V xx V xy V xz ·
¨
¸
¨ V yx V yy V yz ¸
¨V
¸
© zx V zy V zz ¹
V
§ V1 0 0 ·
¨0 V
¸
0
2
¨
¸
¨0 0 V ¸
3¹
©
V1 > V2 > V3
V1, V2 et V3 sont appelées contraintes
principales
On peut la simplifier en changeant de repère pour obtenir une matrice diagonale
&¶HVWOH7(16(85GHVFRQWUDLQWHV
/¶pWDWGHFRQWUDLQWHVHQWRXWSRLQWGXVROLGH
V¶pFULWGRQFVRXVODIRUPHG¶XQHPDWULFHGH
vecteurs
Notion de contrainte
V
On peut représenter le tenseur des
FRQWUDLQWHVVRXVIRUPHG¶XQHOOLSVRwGHGRQWOD
forme dépend de la magnitude relative des
contraintes principales
&¶HVWO¶(//,362,'('(6&2175$,17(6
§ V1 0 0 ·
¨0 V
¸
0
2
¨
¸
¨0 0 V ¸
3¹
©
Notion de contrainte
2QO¶DSSHOOHWHQVHXUGHV&2175$,17(6'(9,$725,48(
Il contient une partie isotrope (contraintes égales dans toutes les
directions) et une partie anisotrope. Seule cette dernière peut causer des
changements de forme (déformations)
Notion de contrainte
Vi
§V 3 0 0 ·
¨
¸
¨ 0 V3 0 ¸
¨0 0 V ¸
3¹
©
La partie isotrope vaut:
Vd
0
§V 1 V 3
¨
V 2 V3
¨ 0
¨ 0
0
©
0·
¸
0¸
0 ¸¹
La partie déviatorique vaut:
Notion de contrainte
V3
V1
V1-V3 = contrainte
déviatorique
ͻ Si on se place en 2 dimensions (pas de
ĚĠĨŽƌŵĂƚŝŽŶƐĞůŽŶů͛ĂdžĞĚĞV2)
Notion de contrainte
L
H
§ H1 0 0 ·
¨0 H
¸
0
2
¨
¸
¨0 0 H ¸
3¹
©
Voir Larroque & Virieux, p. 58
Comme pour les contraintes, on peut définir
un tenseur et un ellipsoïde des déformations
H zz
dz
L
/DGpIRUPDWLRQVHORQO¶D[HYHUWLFDO]
«WRXWHDFWLRQTXLFKDQJHODIRUPHODGLPHQVLRQHWRXODSRVLWLRQG¶XQFRUSVHQWUH
un état initial et un état final
Notion de déformation
Mais on ne peut pas remonter aux différentes étapes de la déformation
Ni (généralement) au tenseur des contraintes
2QSHXWGpWHUPLQHUO¶HOOLSVRwGHGHVGpIRUPDWLRQVILQLHVjSDUWLUG¶REMHWVGpIRUPpVVL
on connaît leur forme initiale
Oolithe supposée sphérique avant déformation
Notion de déformation
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
Cazenave & Feigl, p. 90
Faille de San Andreas, Californie : vitesses GPS par rapport à la plaque Pacifique fixe
Déformation élastique
Modèle du rebond élastique (Reid, 1910)
Cazenave & Feigl, p. 89
Modèle à 2 couches de la croûte continentale :
la croûte supérieure élastique se déforme
en réponse au glissement dans la croûte
inférieure ductile
Déformation élastique
Larroque & Virieux, p. 233 et 45
Westphal, Whitechurch & Munschy, p. 74
Flexure élastique
de la lithosphère océanique
Déformation élastique
Lithosphère continentale :
EDVVLQIOH[XUDOG¶DYDQW-pays molassique
Lithosphère océanique :
fosse de subduction
Larroque & Virieux, p. 30 et 233
Flexure élastique
Déformation élastique
Cazenave & Feigl, p. 49
)OH[LRQpODVWLTXHGHODOLWKRVSKqUHHQUpSRQVHjODFKDUJHG¶XQYROFDQ
Déformation élastique
Modèle du rebond élastique (Reid, 1910)
Déformation cassante (fragile)
Larroque & Virieux, p. 52
Faille décrochante (faille Philippines)
Déformation cassante (fragile)
)DLOOHVQRUPDOHVULIWG¶$VDO
Déformation cassante (fragile)
Cf. Larroque & Virieux, p. 53
Faille inverse (Taïwan)
Déformation cassante (fragile)
Faille inverse (Taïwan)
Déformation cassante (fragile)
Cazenave & Feigl, p. 105
Larroque & Virieux, p. 65
Interférogramme radar (SAR) du séisme de Landers (1992, Californie)
et interférogramme synthétique calculé avec un modèle élastique de dislocation
Déformation cassante (fragile)
Zone de détachement (Tinos, Grèce)
Déformation ductile
Zone de cisaillement (gneiss)
Foliation (gabbros)
Foliation (schistes)
Déformation ductile
Taux de soulèvement actuel
en Scandinavie (en mm/an)
Modèle de chargement et
GpFKDUJHPHQWG¶XQHOLWKRVSKqUH
élastique sur un manteau visqueux
Larroque & Virieux, p. 39
Rebond post-glaciaire : viscosité du manteau
Déformation visqueuse
Plages soulevées
en Suède (2 mm/an)
Transition cassant-ductile
Jolivet, 1995, p. 51
Distribution de la sismicité le long de la faille de San Andreas
Transition cassant-ductile
séismes
séismes
croûte supérieure
transparente
Transition cassant-ductile
Transition cassant-ductile
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
Comportement PLASTIQUE
Si on applique une force trop
importante, il subira une
déformation permanente.
Il est ELASTIQUE.
La déformation du ressort est
proportionnelle à la contrainte
appliquée.
Le ressort reprend sa forme
initiale si la contrainte cesse.
Comportement élastique
Larroque & Virieux, p. 116
Essais tri-axiaux
Comportement cassant
Déformation permanente
Relâchement des
contraintes
Comportement CASSANT (ou FRAGILE)
Lorsque la contrainte atteint un certain
VHXLOLO\DUXSWXUHGHO¶pFKDQWLOORQ
La déformation est localisée.
Comportement cassant
Si la température augmente, la plasticité est plus
importante, la rupture intervient pour des
déformations plus grandes
Influence de la température
Si la pression de confinement augmente, la rupture
intervient pour une contrainte déviatorique plus
grande
Influence de la pression de confinement
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
CRITERE DE MOHR-COULOMB
C = cohésion
P = coefficient de friction
W=C+PVn
Loi de Byerlee et comportement cassant
ͻ Le comportement cassant est défini par une loi
linéaire
ͻ Le seuil de rupture augmente linéairement avec la
profondeur
ͻ Il ne dépend pas du matériau, ni du temps
Loi de Byerlee et comportement cassant
Loi de fluage et comportement ductile
Log (contrainte déviatorique)
Loi de fluage et comportement ductile
Seuil de fluage pour différents minéraux pour un géotherme froid
profondeur
Log (contrainte déviatorique)
Loi de fluage et comportement ductile
Seuil de fluage pour différents minéraux pour un géotherme chaud
profondeur
ʹ >ĞƐĞƵŝůĚĞĨůƵĂŐĞĚĠƉĞŶĚĚ͛ƵŶĞƉƵŝƐƐĂŶĐĞĚĞůĂ
contrainte déviatorique
ʹ Il diminue exponentiellement avec la température
ʹ Il est différent selon la composition minéralogique
ͻ Dans la lithosphère on utilise des lois de fluage
non-linéaires :
Loi de fluage et comportement ductile
élastique
Contrainte déviatorique (s1-s3)
MOHO
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
profondeur
élastique
élastique
Contrainte déviatorique (s1-s3)
MOHO
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
profondeur
élastique
élastique
élastique
Contrainte déviatorique (s1-s3)
MOHO
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
profondeur
élastique
élastique
Transition fragile-ductile
dans le manteau
MOHO
Transition fragile-ductile dans la croûte
Contrainte déviatorique (s1-s3)
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
profondeur
élastique
élastique
Transition fragile-ductile
dans le manteau
MOHO
Transition fragile-ductile dans la croûte
Contrainte déviatorique (s1-s3)
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
profondeur
Jolivet, 1995, p. 57
Si le géotherme devient plus chaud, la
limite élastique-ductile se déplace vers
le haut.
La résistance totale de la lithosphère
diminue.
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
Jolivet, 1995, p. 79
Epaississement de la croûte continentale
Collision : épaississement de la croûte
Croûte normale
Croûte épaissie
Collision : épaississement de la croûte
Jolivet, 1995, p. 79
Collision : épaississement de la croûte
Collision : épaississement de la croûte
Jolivet, 1995, p. 257
Extension au Tibet
Collision : épaississement de la croûte
Collision : épaississement de la croûte
9LWHVVHYHUVO¶HVWVXU
4 profils N-S
Vitesse vers le Nord
Collision : épaississement de la croûte
Rifting : amincissement de la lithosphère
Rifting : amincissement de la lithosphère
refroidissement
Manteau plus résistant
Rifting : amincissement de la lithosphère
ͻ En domaine de rifting, il y a compétition entre la remontée des isothermes
ĚƸĞăů͛ĂŵŝŶĐŝƐƐĞŵĞŶƚĚĞůĂůŝƚŚŽƐƉŚğƌĞ;схĂĨĨĂŝďůŝƐƐĞŵĞŶƚͿ͕ĞƚůĂ
relaxation thermique qui tend à la refroidir (=> augmentation de la
résistance)
>ĞƌŝĨƚƉĞƵƚĂǀŽƌƚĞƌƐŝĐ͛ĞƐƚůĂƌĞůĂdžĂƚŝŽŶƚŚĞƌŵŝƋƵĞƋƵŝĞƐƚůĂƉůƵƐƌĂƉŝĚĞ
ͻ En domaine de collision continentale, la lithosphère perd progressivement
de sa résistance par épaississement de la croûte
ͻ ƉĂƌƚŝƌĚ͛ƵŶĞĐĞƌƚĂŝŶĞĠƉĂŝƐƐĞƵƌ;ϱϬ-55 km), la chaîne de montagne
Ɛ͛ĠĐƌŽƵůĞƐŽƵƐƐŽŶƉƌŽƉƌĞƉŽŝĚƐ͗Đ͛ĞƐƚů͛ĞĨĨŽŶĚƌĞŵĞŶƚŐƌĂǀŝƚĂŝƌĞ
Rhéologie et contexte géodynamique
Refroidissement de la lithosphère oc.
Refroidissement de la lithosphère oc.
Refroidissement de la lithosphère oc.
Refroidissement de la lithosphère oc.
Elle entraîne les
isothermes avec elle dans
la subduction
La lithosphère océanique
ancienne est dense, froide
et rigide
Refroidissement de la lithosphère oc.
Déformation élastique
Déformation cassante
Déformation ductile
Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux
Résistance à la déformation
La loi de Byerlee
Les lois de fluage
Enveloppe rhéologique de la lithosphère
É Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques
Collision : épaississement de la lithosphère continentale
Rifting : amincissement de la lithosphère continentale
Refroidissement de la lithosphère océanique
É Rhéologie et contexte géodynamique
É Les lois rhéologiques
É Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère
Définitions : rhéologie, lithosphère
Notion de contrainte, notion de déformation
É Introduction
Rhéologie de la lithosphère
Jolivet, 1995, p. 66 et 386
&RPSDUDLVRQG¶XQHHQYHORSSH
rhéologique naturelle avec
celle utilisée dans un modèle
sable-silicone
Modèles analogiques
Larroque & Virieux, p. 285
Jolivet, 1995, p. 289
Modèle en plasticine de collision Inde-Asie
Modèles analogiques
Jolivet, 1995, p. 295
Modèle sable-silicone-miel de collision Inde-Asie
Modèles analogiques
Comportement DUCTILE ou VISQUEUX
La vitesse de déformation est différente pour les 5 échantillons.
La déformation dépend de la contrainte ET du temps.
(OOHQ¶HVWSDVORFDOLVpH
Comportement visqueux
Le paramètre qui relie contrainte et
vitesse de déformation est la
VISCOSITE
Comportement visqueux
Plasticité parfaite
Plastique : se dit de tout matériau pouvant subir une déformation continue et permanente sous
ů͛ĞĨĨĞƚĚ͛ƵŶĞĐŽŶƚƌĂŝŶƚĞ͘ĂŶƐƵŶŵĂƚĠƌŝĂƵƉĂƌĨĂŝƚĞŵĞŶƚƉůĂƐƚŝƋƵĞ͕ƵŶĞĨŽŝƐůĞƐĞƵŝůĚĞƉůĂƐƚŝĐŝƚĠ
atteint, la déformation continue à augmenter à contrainte constante. Généralement, il faut
augmenter un peu la contrainte pour continuer à déformer : on parle alors de durcissement.
ƐƐĂLJŽŶƐĚĞůĞǀĞƌƋƵĞůƋƵĞƐĂŵďŝŐƵŢƚĠƐ͙
Et plastique dans le cas contraire
KŶĚŝƌĂƉůƵƚƀƚĨƌĂŐŝůĞƐ͛ŝůLJĂƉĞƵ
de déformation plastique avant la
rupture
Un matériau peut être à la fois plastique et fragile
Cassant ou Fragile: se dit de tout matériau subissant une déformation permanente, brutale et
discontinue ƐŽƵƐů͛ĞĨĨĞƚĚ͛ƵŶĞĐŽŶƚƌĂŝŶƚĞƋƵĞůůĞƋƵ͛ĞůůĞƐŽŝƚ͘>ĞƐĞƵŝůĚĞƌƵƉƚƵƌĞĐŽƌƌĞƐƉŽŶĚăůĂ
contrainte à exercer pour obtenir cette déformation. Il peut y avoir rupture après une certaine
quantité de déformation plastique.
ƐƐĂLJŽŶƐĚĞůĞǀĞƌƋƵĞůƋƵĞƐĂŵďŝŐƵŢƚĠƐ͙
FRAGILE
Un matériau peut être à la fois élastique, plastique et fragile
dŽƵƚĚĠƉĞŶĚ;ĞŶƚƌĞĂƵƚƌĞƐͿĚĞůĂĐŽŶƚƌĂŝŶƚĞĂƉƉůŝƋƵĠĞ͙
Elastique : se dit de tout matériau subissant une déformation continue et réversible. La
déformation élastique se produit donc pour des contraintes inférieures aux seuils de rupture et
de plasticité.
ƐƐĂLJŽŶƐĚĞůĞǀĞƌƋƵĞůƋƵĞƐĂŵďŝŐƵŢƚĠƐ͙
^ŝů͛ŽŶĚĠĨŽƌŵĞůĞŶƚĞŵĞŶƚƵŶĞ
contrainte faible suffit
^ŝů͛ŽŶĚĠĨŽƌŵĞǀŝƚĞ͕ŝůĨĂƵƚ
appliquer une contrainte forte
(mais peut-ġƚƌĞƋƵĞů͛ŽŶĂƚƚĞŝŶĚƌĂ
le seuil de plasticité voire de
rupture avant ?)
WĂƌŽƉƉŽƐŝƚŝŽŶăƚŽƵƚĐĞƋƵĞů͛ŽŶǀŝĞŶƚĚĞǀŽŝƌ͕ůĞĐŽŵƉŽƌƚĞŵĞŶƚĚƵĐƚŝůĞĨĂŝƚŝŶƚĞƌǀĞŶŝƌůĞtemps.
En géologie, ductile veut dire qui a la capacité de fluer͕Đ͛ĞƐƚ-à-ĚŝƌĞĚĞƐ͛ĠĐŽƵůĞƌ͘>ĂĚĠĨŽƌŵĂƚŝŽŶ
ductile est une déformation continue et pénétrative.
Ductile ou visqueux: ƐĞĚŝƚăů͛ŽƌŝŐŝŶĞĚ͛ƵŶŵĠƚĂůƋƵŝƐ͛ĠƚŝƌĞĨĂĐŝůĞŵĞŶƚƐŽƵƐĨŽƌŵĞĚ͛ƵŶĨŝůƐŽƵƐ
ů͛ĞĨĨĞƚĚ͛ƵŶĞĐŽŶƚƌĂŝŶƚĞĞdžƚĞŶƐŝǀĞ͘>͛ŽƌĞƐƚĚƵĐƚŝůĞ.
ƐƐĂLJŽŶƐĚĞůĞǀĞƌƋƵĞůƋƵĞƐĂŵďŝŐƵŢƚĠƐ͙
élastique
MOHO
Ces enveloppes ne sont valables que pour une
vitesse de déformation donnée
Augmenter la vitesse de déformation change la
position de la courbe de fluage
Contrainte déviatorique (s1-s3)
élastique
profondeur
Le noyau externe est dans un état LIQUIDE, il est fondu.
Il se comporte comme un fluide de très faible viscosité.
схů͛ĠĐŚĞůůĞĚĞƋƵĞůƋƵĞƐƐĞĐŽŶĚĞƐ;ƉƌŽƉĂŐĂƚŝŽŶĚĞƐŽŶĚĞƐƐŝƐŵŝƋƵĞƐͿŝůƐĞ
comporte comme un SOLIDE ELASTIQUE.
схů͛ĠĐŚĞůůĞĚĞƐƚĞŵƉƐŐĠŽůŽŐŝƋƵĞƐ;ƋƵĞůƋƵĞƐŵŝůůŝŽŶƐĚ͛ĂŶŶĠĞƐͿŝůƐĞĐŽŵƉŽƌƚĞ
comme un FLUIDE VISQUEUX de très forte viscosité.
>ĞŵĂŶƚĞĂƵƚĞƌƌĞƐƚƌĞĞƐƚĚĂŶƐƵŶĠƚĂƚ^K>/Đ͛ĞƐƚ-à-ĚŝƌĞƋƵ͛ŝůŶ͛ĞƐƚƉĂƐĨŽŶĚƵ͘
Elasticité, plasticité, fragilité sont des comportements de SOLIDES
Le fluage est un comportement de FLUIDE.
WŽƵƌĨŝŶŝƌ͕ŝůŶĞĨĂƵƚƉĂƐĐŽŶĨŽŶĚƌĞů͛ĠƚĂƚƉŚLJƐŝƋƵĞ;ƐŽůŝĚĞ͕ůŝƋƵŝĚĞ͕ŐĂnjĞƵdžͿĞƚůĞ
comportement.
ƐƐĂLJŽŶƐĚĞůĞǀĞƌƋƵĞůƋƵĞƐĂŵďŝŐƵŢƚĠƐ͙
