Mots clés : profil rhéologique, déformation, résistance, fragile, ductile, contrainte, seuil de plasticité, rupture, croûte, manteau

Réalisation et lecture d'un profil rhéologique

Stéphane Schwartz

Laboratoire de Dynamique de la Lithosphère, CNRS / Univ. Claude Bernard - Lyon 1

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

26/01/2001

Résumé

Comprendre la réalisation d'un profil rhéologique et interpréter ce type de données.


Principes de réalisation d'un profil rhéologique

Les profils rhéologiques de lithosphère sont basés sur des études expérimentales de résistance des matériaux à la compression ou à la tension. Elles permettent de prédire le comportement des matériaux constitutifs de la croûte ou du manteau en fonction de la pression et de la température aussi bien pour le domaine fragile que pour le domaine ductile. On utilise pour représenter la croûte des matériaux représentatifs de sa composition, riche en quartz et feldspaths (quartzite et granite) tandis que pour le manteau on utilise préférentiellement des matériaux riches en olivine (dunite).

Figure 1. Mise sous pression d'un échantillon

Mise sous pression d'un échantillon

Figure 2. Fracturation

Fracturation

Le comportement cassant , aussi bien pour des matériaux crustaux que mantelliques, est décrit par la loi de Byerlee (1978). Cette dernière, de type linéaire, prédit le comportement d'un matériau préfracturé en fonction de la profondeur et des contraintes appliquées (σ1 - σ3) pour obtenir un déplacement le long d'une fracture. Le comportement ductile est observé pour des températures plus élevées donc pour des profondeurs plus importantes.

Figure 3. Déformation cassante sur le terrain

Déformation cassante sur le terrain

Figure 4. Agrandir l'image

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Figure 5. Déformation ductile sur le terrain

Déformation ductile sur le terrain

Les lois utilisées pour décrire ce comportement sont des lois de fluages spécifiques au type de matériau utilisé (quartz, olivine,...). On obtient ainsi des courbes de résistance (voir Figure 4) qui montrent que les matériaux basiques (dunite) se révèlent être plus résistants que les matériaux acides (granite, quartzite). Ceci est également vrai pour des matériaux formés d'un seul type de minéral (olivine, quartz).

Lecture du profil rhéologique

(voir aussi Pourquoi et comment modéliser les processus tectoniques ?)

La figure ci-dessous représente l'enveloppe rhéologique d'une lithosphère continentale, constituée par la superposition d'une croûte et d'un manteau lithosphérique.

Figure 6. Enveloppe rhéologique de la lithosphère froide

Enveloppe rhéologique de la lithosphère froide

La droite de Byerlee ainsi que les courbes de ductilité définissent deux pics de résistance : un pour la croûte et un pour le manteau. Les zones de résistance correspondent à des domaines qui ne sont pas déformés ou présentant une déformation de type élastique (réversible). Par exemple, pour une contrainte de 200 MPa à une profondeur de 20 kilomètres, la croûte présente un comportement élastique. Lorsque l'on se situe en dehors de ces zones de résistance , la roche subit une déformation soit cassante (exemple à 400 MPa, 10 km), soit ductile (400 MPa, 35 km).

Lorsque l'on se localise à droite de la droite de Byerlee, les contraintes appliquées à la roche permettent de la déformer de façon cassante. C'est à dire que, dans un diagramme contrainte-déformation, on a atteint le stade de rupture, il y a glissement le long du plan de fracture.

Figure 7. Diagramme contrainte-déformation : contrainte en fonction de la déformation réalisée sur une éprouvette de roche, à vitesse constante

Diagramme contrainte-déformation : contrainte en fonction de la déformation réalisée sur une éprouvette de roche, à vitesse constante

Les trois étapes de la déformation d'une roche : déformation élastique, déformation plastique puis rupture.


Figure 8. Diagramme contrainte-déformation :seuil de plasticité et déformation plastique irréversible

Diagramme contrainte-déformation :seuil de plasticité et déformation plastique irréversible

Dans le cas où le seuil de plasticité est dépassé, la roche se déforme de façon plastique. Si on relâche les contraintes (trait en pointillé), la roche présente alors une déformation permanente (pli par exemple).


Figure 9. Diagramme contrainte-déformation : fracturation irréversible

Diagramme contrainte-déformation : fracturation irréversible

Dans le cas où l'on atteint la rupture, la roche développe un plan de fracture irréversible.


Lorsque l'on se localise en dessous des courbes de ductilité, la roche à un comportement ductile, c'est à dire que les contraintes appliquées sont accommodées par fluage de la matière. Dans un diagramme contrainte-déformation, ce domaine ductile correspond au dépassement du seuil de plasticité, qui permet l'obtention d'une déformation plastique irréversible (permanente) comme la formation de plis ou de zones de cisaillement.

Enfin, notez que tous les profils rhéologiques de lithosphère sont dépendants du gradient géothermique utilisé (cf. figures ci-dessous). Dans le cas d'un gradient élevé, les zones de résistance deviennent de plus petite dimension. Les courbes de ductilité sont remontées vers de plus basses pressions.

Figure 10. Profils rhéologiques en extension et en compression pour un gradient géothermique normal

Profils rhéologiques en extension et en compression pour un gradient géothermique normal

Figure 11. Profils rhéologiques en extension et en compression pour un gradient géothermique élevé

Profils rhéologiques en extension et en compression pour un gradient géothermique élevé

Mots clés : profil rhéologique, déformation, résistance, fragile, ductile, contrainte, seuil de plasticité, rupture, croûte, manteau