Rhéologie de la lithosphère

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1 Rhéologie de la lithosphère

2 Rhéologie de la lithosphère

3 Rhéologie de la lithosphère Introduction Définitions : rhéologie, lithosphère Notion de contrainte, notion de déformation Mise en évidence des comportements rhéologiques de la lithosphère Déformation élastique Déformation cassante Déformation ductile Bilan : comportement élastique, cassant, plastique, visqueux Les lois rhéologiques Résistance à la déformation La loi de Byerlee Les lois de fluage Enveloppe rhéologique de la lithosphère Rhéologie et contexte géodynamique Collision : épaississement de la lithosphère continentale Rifting : amincissement de la lithosphère continentale Refroidissement de la lithosphère océanique Expériences analogiques avec des modèles rhéologiques

5 Définitions Lithosphère mécanique thermique sismologique tectonique Rhéologie Etude du comportement des matériaux sous la contrainte Propriétés mécaniques étudiées : élasticité, plasticité, viscosité

6 Notion de contrainte 1 Pa=1N/m 2 Contrainte normale Contraintes tangentielles définir sur une surface quelconque un vecteur contrainte qui a trois composantes (une contrainte normale et deux contraintes tangentielles) Voir Larroque & Virieux, p. 57

7 Notion de contrainte En un point de ce solide il suffit de définir 3 surfaces élémentaires perpendiculaires aux 3 sur chacune de ces trois surfaces normale et deux tangentielles

8 Notion de contrainte vecteurs xx xy xz yx yy yz zx zy zz On peut la simplifier en changeant de repère pour obtenir une matrice diagonale , 2 et 3 sont appelées contraintes principales 1 > 2 > 3

9 Notion de contrainte On peut représenter le tenseur des forme dépend de la magnitude relative des contraintes principales

10 Notion de contrainte 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)

11 Notion de contrainte i d La partie isotrope vaut: La partie déviatorique vaut:

12 Notion de contrainte Si on se place en 2 dimensions (pas de 2) = contrainte déviatorique 1

13 Notion de déformation un état initial et un état final L zz dz L Comme pour les contraintes, on peut définir un tenseur et un ellipsoïde des déformations Voir Larroque & Virieux, p

14 Notion de déformation Oolithe supposée sphérique avant déformation on connaît leur forme initiale Mais on ne peut pas remonter aux différentes étapes de la déformation Ni (généralement) au tenseur des contraintes

16 Déformation élastique Faille de San Andreas, Californie : vitesses GPS par rapport à la plaque Pacifique fixe Cazenave & Feigl, p. 90

17 Déformation élastique Modèle du rebond élastique (Reid, 1910) Modèle à 2 couches de la croûte continentale : la croûte supérieure élastique se déforme en réponse au glissement dans la croûte inférieure ductile Cazenave & Feigl, p. 89

18 Déformation élastique Flexure élastique de la lithosphère océanique Larroque & Virieux, p. 233 et 45 Westphal, Whitechurch & Munschy, p. 74

19 Déformation élastique Flexure élastique Larroque & Virieux, p. 30 et 233 Lithosphère océanique : fosse de subduction Lithosphère continentale : -pays molassique

20 Déformation élastique Cazenave & Feigl, p. 49

21 Déformation cassante (fragile) Modèle du rebond élastique (Reid, 1910)

22 Déformation cassante (fragile) Faille décrochante (faille Philippines) Larroque & Virieux, p. 52

23 Déformation cassante (fragile)

24 Déformation cassante (fragile) Faille inverse (Taïwan) Cf. Larroque & Virieux, p. 53

25 Déformation cassante (fragile) Faille inverse (Taïwan)

26 Déformation cassante (fragile) Interférogramme radar (SAR) du séisme de Landers (1992, Californie) et interférogramme synthétique calculé avec un modèle élastique de dislocation Cazenave & Feigl, p. 105 Larroque & Virieux, p. 65

27 Déformation ductile Zone de détachement (Tinos, Grèce)

28 Déformation ductile Foliation (gabbros) Zone de cisaillement (gneiss) Foliation (schistes)

29 Déformation visqueuse Rebond post-glaciaire : viscosité du manteau Larroque & Virieux, p. 39 Taux de soulèvement actuel en Scandinavie (en mm/an) Modèle de chargement et élastique sur un manteau visqueux Plages soulevées en Suède (2 mm/an)

30 Transition cassant-ductile

31 Transition cassant-ductile Distribution de la sismicité le long de la faille de San Andreas Jolivet, 1995, p. 51 séismes séismes

32 Transition cassant-ductile croûte supérieure transparente

33 Transition cassant-ductile

35 Comportement élastique La déformation du ressort est proportionnelle à la contrainte appliquée. Le ressort reprend sa forme initiale si la contrainte cesse. Il est ELASTIQUE. Si on applique une force trop importante, il subira une déformation permanente. Comportement PLASTIQUE

36 Comportement cassant Essais tri-axiaux Larroque & Virieux, p. 116

37 Comportement cassant Lorsque la contrainte atteint un certain La déformation est localisée. Comportement CASSANT (ou FRAGILE) Relâchement des contraintes Déformation permanente

38 Influence de la température Si la température augmente, la plasticité est plus importante, la rupture intervient pour des déformations plus grandes

39 Influence de la pression de confinement Si la pression de confinement augmente, la rupture intervient pour une contrainte déviatorique plus grande

41 Loi de Byerlee et comportement cassant =C+ n CRITERE DE MOHR-COULOMB C = cohésion = coefficient de friction

42 Loi de Byerlee et comportement cassant Le comportement cassant est défini par une loi linéaire Le seuil de rupture augmente linéairement avec la profondeur Il ne dépend pas du matériau, ni du temps

43 Loi de fluage et comportement ductile

44 Loi de fluage et comportement ductile Log (contrainte déviatorique) profondeur Seuil de fluage pour différents minéraux pour un géotherme froid

45 Loi de fluage et comportement ductile Log (contrainte déviatorique) profondeur Seuil de fluage pour différents minéraux pour un géotherme chaud

46 Loi de fluage et comportement ductile Dans la lithosphère on utilise des lois de fluage non-linéaires : contrainte déviatorique Il diminue exponentiellement avec la température Il est différent selon la composition minéralogique

47 Enveloppe rhéologique de la lithosphère Contrainte déviatorique (s1-s3) élastique MOHO profondeur

48 Enveloppe rhéologique de la lithosphère Contrainte déviatorique (s1-s3) élastique MOHO profondeur élastique

49 Enveloppe rhéologique de la lithosphère Contrainte déviatorique (s1-s3) élastique élastique MOHO profondeur élastique

50 Enveloppe rhéologique de la lithosphère Contrainte déviatorique (s1-s3) élastique Transition fragile-ductile dans la croûte MOHO profondeur élastique Transition fragile-ductile dans le manteau

51 Enveloppe rhéologique de la lithosphère Contrainte déviatorique (s1-s3) élastique Transition fragile-ductile dans la croûte MOHO profondeur élastique Transition fragile-ductile dans le manteau

52 Enveloppe rhéologique de la lithosphère Si le géotherme devient plus chaud, la limite élastique-ductile se déplace vers le haut. La résistance totale de la lithosphère diminue. Jolivet, 1995, p. 57

54 Collision : épaississement de la croûte Epaississement de la croûte continentale Jolivet, 1995, p. 79

55 Collision : épaississement de la croûte Croûte épaissie Croûte normale

56 Collision : épaississement de la croûte Jolivet, 1995, p. 79

57 Collision : épaississement de la croûte

58 Collision : épaississement de la croûte Extension au Tibet Jolivet, 1995, p. 257

59 Collision : épaississement de la croûte

60 Collision : épaississement de la croûte Vitesse vers le Nord 4 profils N-S

61 Rifting : amincissement de la lithosphère

62 Rifting : amincissement de la lithosphère

63 Rifting : amincissement de la lithosphère refroidissement Manteau plus résistant

64 Rhéologie et contexte géodynamique En domaine de collision continentale, la lithosphère perd progressivement de sa résistance par épaississement de la croûte -55 km), la chaîne de montagne En domaine de rifting, il y a compétition entre la remontée des isothermes relaxation thermique qui tend à la refroidir (=> augmentation de la résistance)

65 Refroidissement de la lithosphère oc.

69 Refroidissement de la lithosphère oc. La lithosphère océanique ancienne est dense, froide et rigide Elle entraîne les isothermes avec elle dans la subduction

71 Modèles analogiques rhéologique naturelle avec celle utilisée dans un modèle sable-silicone Jolivet, 1995, p. 66 et 386

72 Modèles analogiques Modèle en plasticine de collision Inde-Asie Larroque & Virieux, p. 285 Jolivet, 1995, p. 289

73 Modèles analogiques Modèle sable-silicone-miel de collision Inde-Asie Jolivet, 1995, p. 295

74 Comportement visqueux La vitesse de déformation est différente pour les 5 échantillons. La déformation dépend de la contrainte ET du temps. Comportement DUCTILE ou VISQUEUX

75 Comportement visqueux Le paramètre qui relie contrainte et vitesse de déformation est la VISCOSITE

76 Plastique : se dit de tout matériau pouvant subir une déformation continue et permanente sous 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. Plasticité parfaite

77 Cassant ou Fragile: se dit de tout matériau subissant une déformation permanente, brutale et discontinue contrainte à exercer pour obtenir cette déformation. Il peut y avoir rupture après une certaine quantité de déformation plastique. Un matériau peut être à la fois plastique et fragile de déformation plastique avant la rupture Et plastique dans le cas contraire

78 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. Un matériau peut être à la fois élastique, plastique et fragile FRAGILE

79 Ductile ou visqueux:. En géologie, ductile veut dire qui a la capacité de fluer -à- ductile est une déformation continue et pénétrative. temps. appliquer une contrainte forte (mais peut- le seuil de plasticité voire de rupture avant?) contrainte faible suffit

80 Contrainte déviatorique (s1-s3) élastique MOHO profondeur élastique 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

81 comportement. Elasticité, plasticité, fragilité sont des comportements de SOLIDES Le fluage est un comportement de FLUIDE. -à- comme un FLUIDE VISQUEUX de très forte viscosité. comporte comme un SOLIDE ELASTIQUE. Le noyau externe est dans un état LIQUIDE, il est fondu. Il se comporte comme un fluide de très faible viscosité.