Comportement rhéologique des matériaux géologiques et structures associées

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1 Comportement rhéologique des matériaux géologiques et structures associées Emmanuelle BOUTONNET Bibliographie : Livres : Brahic A. (1999 à 2006) : Sciences de la Terre et de l Univers Ed Vuibert Caron et al., Comprendre et enseigner la planète Terre, Ophrys Choukroune P. (1995) : Déformations et déplacements dans la croûte terrestre Ed Masson Collectif, Himalaya- Tibet, le choc des continents, CNRS éditions. Debelmas & Mascle, Les grandes structures géologiques, Masson Dercourt, Géologie et Géodynamique de la France, Dunod Dercourt J. Paquet J Thomas P. Langlois C. Géologie : Objets et méthodes. Jolivet L. (1995) : La déformation des continents. Exemples régionaux Ed Hermann Kornprobst, Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique, ed. Masson. Mercier & Vergely : Tectonique, Dunod Mattauer M. (1998) : Ce que disent les pierres Ed Belin Mattauer M. (1980) : Les déformations des matériaux de l écorce terrestre Ed Hermann. Nicolas A. (1989) : Principes de tectonique Ed Masson Revues et cie :

2 PLAN DETAILLE. COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DES MATERIAUX GEOLOGIQUES ET STRUCTURES ASSOCIEES. I LE COMPORTEMENT CASSANT (ou FRAGILE) A Observation : la déformation localisée sur une fracture. (Description d une faille, mouvement - tectoglyphes, séismes & faille active) B Les comportements élémentaires mis en jeu (Cycle sismique = élastique et rupture, élasticité - plasticité, niveau de la matière) C Loi rhéologique du comportement cassant : le cercle de Mohr. (Théorie de Coulomb, test de Byerlee, diagramme Mohr, applications, angle rupture). II- LE COMPORTEMENT DUCTILE. A Observation : la déformation répartie dans le milieu. (Description d un pli, description d une schisto & linéation, critères sens, formation) B Les comportements élémentaires mis en jeu (Comportement visqueux, voire visco- élasto plastique, au niveau de la matière) C Loi rhéologique du comportement ductile. (La loi de fluage ductile, calibrations). D Cas particulier de l anatexie. (Observation anatexie, impact sur la rhéologie, conséquences sur shear zones). III ZONATIONS DE LA LITHOSPHERE A Observation : où se situent les différentes structures? (Failles : dans la croûte supérieure, plis : dans la croûte moyenne, foliation : dans les racines profondes exhumées, ex : sismicité en fonction profondeur) B Transition fragile / ductile (influence de la température, de la vitesse de déformation et de la P de confinement) C Zonation de la lithosphère. (Coupe de la croûte, profil rhéologique de la lithosphère, modélisation)

3 CORRECTION PLAN DETAILLE. COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DES MATERIAUX GEOLOGIQUES ET STRUCTURES ASSOCIEES. Introduction : - Accroche : - Annonce du sujet et limitations : Matériau géologique = très large : roches, pétrole, etc. Le béton n en fait pas partie, à mettre en conclusion par exemple. Il faut restreindre absolument : le sujet parle de structure, qui est observable dans la croûte surtout (éliminer la terre Interne et les planètes), en particulier dans les zones de déformation comme les chaînes de montagne. Structure géologique : Disposition, agencement des différents éléments d'un ensemble géologique. Globalement, on pense à l agencement des minéraux dans une foliation, des couches dans un pli, des compartiments le long de failles, etc. Comportement rhéologique : la rhéologie est le lien entre une contrainte ( ) et une déformation ( ). Elle traduit la résistance de la roche. Au premier niveau, cette résistance dépend surtout de la température sur Terre, et parler la fusion partielle va être un sujet à aborder. On peut réécrire le sujet de la manière suivante : «Dans les zones de déformation, les roches possèdent une structure, qui dépend de leur résistance aux contraintes. Comment fait-on le lien entre les deux?». Ne surtout pas dissocier «comportement rhéologique» et «structures associées». Bien insister sur l observation et l explication des structures. - Annonce du plan :

4 I LE COMPORTEMENT CASSANT (ou FRAGILE) A Observation : la déformation localisée sur une fracture. - Description d une faille (ex : Faille normale) = fracture dans la roche. Miroir de faille est le plan de rupture, qui sépare deux compartiments qui ont bougé l un par rapport à l autre. Faille normale : pendage 60. On peut calculer un rejet vertical / horizontal. Parfois, brèche de faille = zone broyée. Parfois, pseudotachylite = zone de fusion. - Mouvement sur la faille : tectoglyphes permettent de remonter au mouvement sur le plan de faille, déformation localisée à l extrême. - Séismes : exemple de la faille de San Andréas. Même morphologie, associé à des séismes. Mouvement sur la faille = séisme. => La roche peut avoir un comportement cassant. Matériel : Mattauer (photo de faille), schémas d une faille, tectoglyphe et interprétation. B Les comportements élémentaires mis en jeu. - Cycle sismique : chargement de la croûte = élasticité, rupture = relaxation des contraintes et accumulation de la déformation sur la faille. - Elasticité : diagramme -. Déformation immédiate / réversible / proportionnelle. - Plasticité : diagramme -. Existence d un seuil et d une déformation résiduelle. - Au niveau de la matière : élasticité des liaisons atomiques, rupture de la matière. => Comportement cassant = élasto -plastique. Matériel : diagrammes -. C Loi rhéologique du comportement cassant : le Cercle de Mohr. - Théorie de Mohr : cercle de Mohr fait le lien entre les contraintes globales ( 1 et 3 ) et les contraintes sur un plan, comme le plan de faille ( n et ). - Critère de rupture de Byerlee : loi empirique établie à partir d expériences sur des presses triaxiales. Permet de définir des conditions de rupture. Valable pour tous types de lithologies. - Diagramme de Mohr-Coulomb : Conditions nécessaires pour qu une roche saine se fracture selon un plan donné. Ce plan de rupture est à 30 de la contrainte principale. Explique l observation que les failles normales ont un pendage de 60. Matériel : diagramme de Mohr à construire au tableau, photo de l expérience de Byerlee (ou dessin). II - LE COMPORTEMENT DUCTILE. A Observation : la déformation répartie dans le milieu. - Description d un pli : vocabulaire, et mise en place. Prendre un exemple ex : plis de Bourg-d Oisans-, et le «lire» comme si on était sur le terrain. Axe Z (raccourcissement max) de la déformation.

5 - Description d un cisaillement : Mise en place d une foliation et d une linéation par réorientation des minéraux en feuillet et en baguette. Critères de sens dans le plan X- Z. Prendre un exemple, et le «lire» comme si on était sur le terrain. => déformation pénétrative à l échelle de la roche dans les deux cas. Néanmoins, foliation semble se faire de façon plus «ductile» Matériel : carte géologique de Bourg D Oisans, Himalaya-Tibet le choc des Continents, Mattauer «ce que disent les pierres». B Les comportements élémentaires mis en jeu. - Comportement visqueux : la viscosité n a pas de seuil mais inclut le paramètre temps dans son expression (vitesse de déformation). Analogue : silicone. - Comportement ductile : Au premier ordre = visqueux. Dépend d un seuil de vitesse de déformation (ex : manteau élastique ondes sismiques- et visqueux convection-). - Au niveau de la matière : migration des dislocations, pression dissolution, migration minérale. Matériel : silicone. C Loi rhéologique du comportement ductile. - Loi de fluage ductile : loi qui relie la vitesse de déformation et la contrainte déviatorique (=visqueux). Inclut le paramètres temps comme prévu par les observations, et la viscosité ( ) dépend de la température T. - Calibration des paramètres : se fait de manière expérimentale avec des presses rotatives. Contesté car variations nombreuses entre les résultats. D Cas particulier de l anatexie. - Fluage ductile : se fait dans des conditions de métamorphisme de moyen à haut grade (amphibolite à granulite souvent). Souvent de l anatexie associée : prendre un exemple de gneiss plissé dont le litage est dérangé par la fusion commençante ou anatexie des lits quartzo -feldspathiques. Due au métamorphisme de haut grade (>700 C pour un granite hydraté). - Quel impact sur la rhéologie? présence de liquides fait baisser la viscosité ( ), donc pour une même contrainte, le taux de déformation augmente dans les zones de fusion partielle = localisation de la déformation. => lors de l anatexie, la déformation se concentre dans les zones de FP. Matériel : zone anatexie / migmatites = ex dans les monts du lyonnais ou en Bretagne. III ZONATIONS DE LA LITHOSPHERE A Observation : où se situent les différentes structures? - Localisation : en surface, on ne trouve que les structures cassantes qui sont actives ; les structures ductiles à l affleurement sont toujours des paléo structures. Les zones de cisaillement ductiles (ex : faille fleuve Rouge) sont en fait les racines crustales exhumées par l érosion et/ ou la tectonique.

6 - Sismicité : exemple zonation sur la faille de San Andreas = sismicité cesse à partir de 15km environ. S explique par la transition fragile ductile. => Zonation de la croûte en une partie cassante (supérieure) et une partie ductile (profonde). Matériel : Himalaya- Tibet, le choc des continents. B - Transition fragile / ductile. - Influence de la température : diagramme -. Quand on augmente la T, les seuils de fluage et de plasticité diminuent, cad la roche casse plus difficilement, et flue plus rapidement. - Influence de la pression de confinement : diagramme -. Quand on augmente P, le seuil de plasticité diminue, cad la roche casse plus difficilement. o => explique la disparition de la sismicité à 15km pour le FSA. - Influence de la vitesse de déformation : diagramme -. Quand on augmente d /dt, les seuils de fluage et de plasticité diminuent aussi. C - Zonation de la lithosphère. - Coupe de la lithosphère : faire un dessin d une coupe de lithosphère dans une zone de déformation (montagnes) avec le niveau structural supérieur (failles, chevauchements nappes), le niveau moyen (prolongation des grandes failles, plis, pli- failles), et le niveau inférieur (schistosité, plis, et à la base : anatexie). - Profil rhéologique : Expliquer rapidement comment est construit le diagramme «en sapin de noël». Résistance de la lithosphère proportionnelle à l aire définie par les courbes. Structure avec deux zones fragiles, et deux zones ductiles. - Variations du géotherme et conséquences rhéologiques : cas du fort flux de chaleur, cas du craton. - Modélisation analogique : matériaux analogues et quelques mots sur le dimensionnement. Conclusion : Importance de ce genre d études sur le béton, par exemple pour la construction de barrages.

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