RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheo_final.pdf · RHÉOLOGIE Rhéologie: étude du comportement des matériaux soumis à une contrainte Dépend de 3 paramètres

RHÉOLOGIERhéologie: étude du comportement des matériauxsoumis 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

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RHÉOLOGIERhéologie: étude du comportement des matériauxsoumis à une contrainteDépend de 3 paramètres physiques:

- Température- Pression- Taux de déformation



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Contraintes et déformationsF

F

∆SContrainte: Force appliquée sur unesurface ∆S

σ = dF

dS

σ1 > σ2 > σ3

σ

σ

φL1 L2

τ

τ

Deformation: toute action qui changeforme, dimension et localisationd’un corps d’un état initial à un étatfinalComparaison de 2 états à 2 tempsdifférents→ à la différence de la contrainte quidécrit 1 condition à 1 temps donné

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F


σ = dF

dS

σ1 > σ2 > σ3

σ

σ

φL1 L2

τ

τ


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F


σ = dF

dS

σ1 > σ2 > σ3

σ

σ

φL1 L2

τ

τ


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Déformations élastique et plastique

Comportement elastique: déformation réversible de la roche- relation linéaire entre σ et ε

- matériaux élastiques accumulent une déformation qu’ilsrestituent 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 contraintesFluage: déformation à contrainte constante

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- matériaux plastiques ne restituent pas la déformation aprèsrelaxation des contraintes

Fluage: déformation à contrainte constante

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- matériaux plastiques ne restituent pas la déformation aprèsrelaxation des contraintesFluage: déformation à contrainte constante

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Déformation cassante et ductile

Roche cassante: se déforme de manière élastique voir même unpeu 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

domaineRoche ductile-cassante: certaines roches ont un comportementductile avant rupture

⇒ Température, pression et vitesse de déformation font varier lalimite cassant/ductile

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domaine

Roche ductile-cassante: certaines roches ont un comportementductile avant rupture


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Paramètres physiques

Pression

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Pression

fracturation retardée par augmentation de la pression deconfinement

Si la pression de confinement atteint de valeurs élevéessupérieure 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 cas-sante à n’importe quelle profondeur

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Pression

fracturation retardée par augmentation de la pression deconfinementSi la pression de confinement atteint de valeurs élevéessupérieure à 30 MP, la rupture n’existe plus



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Pression

fracturation retardée par augmentation de la pression deconfinementSi la pression de confinement atteint de valeurs élevéessupérieure à 30 MP, la rupture n’existe plus



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Température

Figure 0: à pression constante, T◦ change pour roche calcaire

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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 ledomaine ductile de la roche

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Température




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Température




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Vitesse de déformation

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Vitesse de déformation:-expérience en laboratoire: ε de 10−9 à 10−5 s−1

-phénomènes géologiques: ε de 10−14 à 10−5 s−1

Diminution du domaine plastique et augmentation du domaineélastique

Pour des vitesses de déformation croissantes, le domaineplastique diminue

⇒ la Roche devient cassante

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⇒ la Roche devient cassante

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⇒ la Roche devient cassante– p.10/34

Quelques exemples

roche sedimentaire: 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

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Quelques exemples

roche sedimentaire: 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

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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 lanature des minéraux de la roche

- Quartz → 350◦C- feldspath → 500◦C

⇒ Roche composée de Quartz et feldspath, la transitionse fera sur une zone d’une certaine épaisseur correspondant àl’isotherme de 350◦C et 500◦C

350◦C

500◦C

globalement cassant

zone de transition

globalement ductile

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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 lanature des minéraux de la roche

- Quartz → 350◦C- feldspath → 500◦C

⇒ Roche composée de Quartz et feldspath, la transitionse fera sur une zone d’une certaine épaisseur correspondant àl’isotherme de 350◦C et 500◦C

350◦C

500◦C

globalement cassant

zone de transition

globalement ductile– p.12/34

Enveloppes rhéologiques

Étude du comportement des matériaux de la croûte et du manteau enfonction de la pression et de la température

Materiaux representatifs:- 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– p.13/34

Loi de Byerlee - loi de friction

Relation linéaire entre contrainte normale σn et contraintecisaillante 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 avecla pression de confinement

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τ = 0.5 + 0.6σn pour 2Kb < σn < 20Kb



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τ = 0.5 + 0.6σn pour 2Kb < σn < 20Kb



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loi de fluage

COLD GEOTHERM HOT GEOTHERM

Comportement ductile obtenu à haute température

Forte variation en fonction de la pression et de la températureenvironnantesLois différentes pour chaque matériau

En général , les matériaux basiques sont plus résistants que lesmatériaux acides

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loi de fluage



Forte variation en fonction de la pression et de la températureenvironnantes

Lois différentes pour chaque matériau


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loi de fluage



Forte variation en fonction de la pression et de la températureenvironnantesLois différentes pour chaque matériau


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Enveloppe de la Lithosphère

Évolution en fonction de la tem-pérature en contexte extensif

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Exemples d’enveloppe rhéologique

Géotherme froid

1 couche 2 couchesQuartz/Granite Quartz/Granite

croûte basique

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Exemples d’enveloppe rhéologique

Géotherme chaud

1 & 2 couches 1 coucheQuartz/Granite roche basiqueQuartz/Granite

+ croûte basique– p.18/34

Base de la LithosphèreLimite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine

Lithosphère1300◦C

Asthénosphère

comportement rigide - propagation onde P et onde S OK

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 etl’Olivine ductile dans l’asthénosphère

Structure spécifique à l’axe des rides océaniques:

MOHO1300◦CCroûte=Lithosphère

Asthénosphère chaude

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Asthénosphère








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Asthénosphère








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Contexte extensif I:évolution d’une dorsale

Lors de l’évolution de ladorsale, l’isotherme 1300◦Cs’enfonce au sein du manteau

⇒ La Lithosphère s’épaissit audépend de l’asthénosphère

⇒ Contraction thermique desmatériaux, la plaque subside etla profondeur du fond augmente

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Lors de l’évolution de ladorsale, l’isotherme 1300◦Cs’enfonce au sein du manteau⇒ La Lithosphère s’épaissit audépend de l’asthénosphère


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Lors de l’évolution de ladorsale, l’isotherme 1300◦Cs’enfonce au sein du manteau⇒ La Lithosphère s’épaissit audépend de l’asthénosphère


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Contexte extensif II:évolution d’un rift

Amincissement de la Lithosphèrecontinentale pendant la phaseextensive

Variation spatio-temporelle de larhéologie

⇒ Comportement ductile trèsprépondérant à l’axe du rift

⇒ Comportement cassant de laLithosphère froide et vieille

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Amincissement de la Lithosphèrecontinentale pendant la phaseextensiveVariation spatio-temporelle de larhéologie



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Amincissement de la Lithosphèrecontinentale pendant la phaseextensiveVariation spatio-temporelle de larhéologie



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Géodynamique et température

Différentes pentes de la loi deByerlee selon le contextegéodynamique

→ besoin de plus d’énergie pourobtenir la rupture en contextecompressif

La Température augmente

→ le comportement cassant seréduit

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Contribution de la sismologieSéisme: déplacement d’un volume rocheux de manière brutale

pendant la rupture le long d’un plan de faille

Relâchement des contraintes Augmentation des contraintesRupture Déformation élastique

période cosismique= séisme

période intersismique période cosismique

→ Le comportement d’un matériel élastique caractérise ladéformation cassante à l’échelle crustale

→ Distribution en profondeur de la sismicité donne une idée assezprécise de la transition cassante/ductile

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Contribution de la sismologieSéisme: déplacement d’un volume rocheux de manière brutale

pendant la rupture le long d’un plan de faille

Relâchement des contraintes Augmentation des contraintesRupture Déformation élastique

période cosismique= séisme

période intersismique période cosismique

→ Le comportement d’un matériel élastique caractérise ladéformation cassante à l’échelle crustale

→ Distribution en profondeur de la sismicité donne une idée assezprécise de la transition cassante/ductile

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Distribution de la sismicité I

Cassant

Ductile

Cassant

⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformationsplastiques prédominent

Première couche: croûte supérieurede 15 à 20 kmDeuxième couche: manteausupérieur

⇒ Entre les deux, quelques raresséismes à la base du MOHO

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Cassant

Ductile

Cassant




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Cassant

Ductile

Cassant




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Cassant

Ductile

Cassant




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Distribution de la sismicité II

Faille de San Andreas: Discontinuité majeure à l’échelle de latectonique des plaques

Pas de sismicité dans la croûte inférieure⇒ Comportement ductile

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Pas de sismicité dans la croûte inférieure

⇒ Comportement ductile

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Pas de sismicité dans la croûte inférieure⇒ Comportement ductile

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Distribution de la sismicité III

2 paramètres importants danscette région:

? vitesse de déformation élevée:une déformation rapide engendreun comportement cassant

? température froide: renforce lecomportant cassant

⇒ Transition ductile/cassantgénéralement proche de lazone de convergence que dansdomaine arrière-arc

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Profiles Sismiques I

croûte supérieure: faibleréflectivitécroûte inférieure: présenced’interfaces

⇒ pas de traces de faille dans la croûte inférieure

⇒ Déformation cassante de la croûte supérieure transmise au man-teau par le biais d’un niveau de décollement dans la croûte inférieure

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Profiles Sismiques II

Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transitioncontinent/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

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Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transitioncontinent/océantous les niveaux ont été amincis

⇒ facteur d’amincissement plus élevé pour croûte supérieure



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Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transitioncontinent/océantous les niveaux ont été amincis⇒ facteur d’amincissement plus élevé pour croûte supérieure



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Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transitioncontinent/océantous les niveaux ont été amincis⇒ facteur d’amincissement plus élevé pour croûte supérieure



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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 latempérature

→ du gradient géothermique

La croûte inférieure apparaît globalement moins résistante que lacroûte supérieure

→ tend à localiser la déformationimportance de la composition minéralogique

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déformationLa résistance totale de la croûte dépend fortement de latempérature




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→ tend à localiser la déformation

importance de la composition minéralogique

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Rhéologie du Manteau

images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteausupérieur

→ interpréter comme des failles normales

→ structure cassant du manteau supérieur

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→ structure cassant du manteau supérieur

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→ structure cassant du manteau supérieur– p.30/34

Modèle analogique I

Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faiblerésistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans desconditions 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

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Limites:- Transfert d’échelle- Aspect thermique non considéré

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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

failles normales apparaissent perpendiculaire à la direction d’extensiondélimitant 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

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Reproduction des blocs basculés décrits dans les marges passives– p.32/34

Modèles analogiques III

Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/siliconelié aux conditions de glissement à la base du modèle

Relation entre cisaillement dans le silicone et le sens de basculement desblocs

Failles normales toujours synthétiques du cisaillement à l’interface

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Modèles numériques

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viscuous modelelastic model plastic model

σ σ σ

ε εε

Simulation d’un processus physique qui décrit une loi rhéologique

Numérisation des équations physiques en utilisant les conditions limites spéci-fiques à l’expérience désirée

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Modèles numériques

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Simulation d’un processus physique qui décrit une loi rhéologique

Numérisation des équations physiques en utilisant les conditions limites spéci-fiques à l’expérience désirée

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