rhÉologie - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · déformations...
TRANSCRIPT
![Page 1: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/2.jpg)
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)
![Page 3: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/9.jpg)
Paramètres physiques
Pression
![Page 10: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/11.jpg)
Paramètres physiques
Température
![Page 12: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/13.jpg)
Paramètres physiques
Vitesse de déformation
![Page 14: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/17.jpg)
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)
![Page 18: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/19.jpg)
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)
![Page 20: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/21.jpg)
Enveloppe de la Lithosphère
évolution en fonction de la température en contexte extensif
![Page 22: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/23.jpg)
Exemples d’enveloppe rhéologiqueGéotherme froid
1 couche 2 couches---------------------------------------------- Quartz/Granite Quartz/Granite croûte basique
![Page 24: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/24.jpg)
Exemples d’enveloppe rhéologiqueGéotherme chaud
1 & 2 couches 1 couche------------------------------------------------- Quartz/Granite Roche basique
Quartz/Granite+ croûte basique
![Page 25: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 29: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: RHÉOLOGIE - perso-sdt.univ-brest.frjperrot/tectonophysic/rheology.pdf · Déformations Déformation: toute action qui change forme, dimension et localisation d’un corps d’un](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022613/5b9e417309d3f2d7748c2e8f/html5/thumbnails/36.jpg)
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