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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 déformationsContrainte: Force appliquée sur une surface ∆Sσ = 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 finalComparaison 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 aprèsrelaxation 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 physiquesPression

•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 physiquesTempérature

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 physiquesVitesse 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 domaineÉlastique

Pour des vitesses de déformation croissantes, le domaine plastique diminue⇒ la Roche devient cassante

Exempleroche sédimentaire: du comportement élastique à élasto-plastique - Comportement cassant jusqu’à 4000 mètres de profondeuravecT◦ ≈150◦CetP≈100MPa ⇒ comportement ductile si gradient géothermique normal(9000 mètres et T◦ ≈ 300 ◦C

Échelle d’observationGneiss: - globalement ductile - En détail, feldspath: comportement cassant par glissement le long des clivages

Transition élastique/ductile dépend de la température et de lanature 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 cassant300°C ----------------------------------

zone de transition500°C -------------------------------------

globalement ductile

Sources de contraintes déviatoriques

- Tectonique desplaques

- Poids des roches au dessusdu volume de référence: Ex: Epaississementlithosphérique endomaine intracontinental

- Erosion et effets depente

- Charges temporaires(glaces, eau) oupermanentes (montssous-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 <20KbValable pour tous les matériauxLa contrainte nécessaire pour créer un glissement augmente avec la pression de confinement (σn)

loi de fluage

Comportement ductile obtenu à haute températureForte 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.

Géotherme froid Géotherme chaud

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 dechaleur mesuré en surface ou dumodèle de plaque enrefroidissement (notion d’âgethermique)Transitions Fragile – ductile (TFDou BDT): multiples - sommetmarqué par le pic, base par unetrès faible résistanceDépendance du temps: pour lois

TFD

TFD

Domaine fragile Domaine ductile

© C. Brunet

Exemples d’enveloppe rhéologiqueGéotherme froid

1 couche 2 couches---------------------------------------------- Quartz/Granite Quartz/Granite croûte basique

Exemples d’enveloppe rhéologiqueGéotherme 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=Lithosphère1300◦ 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 compressifLa Température augmente→ le comportement cassant se réduit

Contribution de la sismologieSéisme: 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

⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations plastiques prédominent

Ductile

Cassant

Cassant

•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

⇒ 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

-croûte supérieure: faible réflectivité

-croûte inférieure: présence d’interfaces

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