RHÉOLOGIE

RHÉOLOGIE
Rhéologie: étude du comportement des matériaux
soumis à une contrainte
– p.1/34

RHÉOLOGIE
Rhéologie: étude du comportement des matériaux
soumis à une contrainte
Dépend de 3 paramètres physiques:
- Température
- Pression
- Taux de déformation
– p.1/34

RHÉOLOGIE
Rhéologie: étude du comportement des matériaux
soumis à une contrainte
Dépend de 3 paramètres physiques:
- Température
- Pression
- Taux de déformation
→ importantes variations des comportements
– p.1/34

RHÉOLOGIE
Rhéologie: étude du comportement des matériaux
soumis 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
– p.1/34

Contraintes et déformations
F
F
∆S
Contrainte: Force appliquée sur une
surface ∆S
σ = dF
dS
σ 1 > σ 2 > σ 3
– p.2/34

Contraintes et déformations
F
F
∆S
Contrainte: Force appliquée sur une
surface ∆S
σ = dF
dS
σ 1 > σ 2 > σ 3
σ
τ
L1
L2
φ
σ
τ
– p.2/34

Contraintes et déformations
F
F
∆S
Contrainte: Force appliquée sur une
surface ∆S
σ = dF
dS
σ 1 > σ 2 > σ 3
L1
σ
σ
L2
φ
τ
τ
Déformation: toute action qui change
forme, dimension et localisation
d’un corps d’un état initial à un état
final
Comparaison de 2 états à 2 temps
différents
→ à la différence de la contrainte qui
décrit 1 condition à 1 temps donné
– p.2/34

Déformations élastique et plastique
Comportement élastique: déformation réversible de la roche
- relation linéaire entre σ et ɛ
- matériaux élastiques accumulent une déformation qu’ils
restituent quand la contrainte est relâchée
– p.3/34

Déformations élastique et plastique
Comportement élastique: déformation réversible de la roche
- relation linéaire entre σ et ɛ
- 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 ɛ
- matériaux plastiques ne restituent pas la déformation après
relaxation des contraintes
– p.3/34

Déformations élastique et plastique
Comportement élastique: déformation réversible de la roche
- relation linéaire entre σ et ɛ
- 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 ɛ
- matériaux plastiques ne restituent pas la déformation après
relaxation des contraintes
Fluage: déformation à contrainte constante
– p.3/34

Déformation cassante et ductile
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
– p.4/34

Déformation cassante et ductile
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
Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture
- déformation continue et chaude
- caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du
domaine
– p.4/34

Déformation cassante et ductile
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
Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture
- déformation continue et chaude
- caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du
domaine
Roche ductile-cassante: certaines roches ont un comportement
ductile avant rupture
– p.4/34

Déformation cassante et ductile
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
Roche ductile: subit de grandes déformations sans rupture
- déformation continue et chaude
- caractérisée par des déplacements de blocs aux limites du
domaine
Roche ductile-cassante: certaines roches ont un comportement
ductile avant rupture
⇒ Température, pression et vitesse de déformation font varier la
limite cassant/ductile
– p.4/34

Paramètres physiques
Pression
– p.5/34

Paramètres physiques
Pression
fracturation retardée par augmentation de la pression de
confinement
– p.6/34

Paramètres physiques
Pression
fracturation retardée par augmentation de la pression de
confinement
Si la pression de confinement atteint de valeurs élevées
supérieure à 30 MP, la rupture n’existe plus
déformation par raccourcissement de 3 à 20 %
– p.6/34

Paramètres physiques
Pression
fracturation retardée par augmentation de la pression de
confinement
Si la pression de confinement atteint de valeurs élevées
supérieure 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 cassante
à n’importe quelle profondeur
– p.6/34

Paramètres physiques
Température
– p.7/34

Paramètres physiques
Température
Si la température augmente, le seuil de fluage plastique diminue
- amollissement de la roche et déformation avant rupture
– p.8/34

Paramètres physiques
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
– p.8/34

Paramètres physiques
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 le
domaine ductile de la roche
– p.8/34

Paramètres physiques
Vitesse de déformation
– p.9/34

Paramètres physiques
Vitesse de déformation
Vitesse de déformation:
-expérience en laboratoire: ɛ de 10 −9 à 10 −5 s −1
-phénomènes géologiques: ɛ de 10 −14 à 10 −5 s −1
– p.10/34

Paramètres physiques
Vitesse de déformation
Vitesse de déformation:
-expérience en laboratoire: ɛ de 10 −9 à 10 −5 s −1
-phénomènes géologiques: ɛ de 10 −14 à 10 −5 s −1
Diminution du domaine plastique et augmentation du domaine
élastique
– p.10/34

Paramètres physiques
Vitesse de déformation
Vitesse de déformation:
-expérience en laboratoire: ɛ de 10 −9 à 10 −5 s −1
-phénomènes géologiques: ɛ de 10 −14 à 10 −5 s −1
Diminution du domaine plastique et augmentation du domaine
élastique
Pour des vitesses de déformation croissantes, le domaine
plastique diminue
⇒ la Roche devient cassante
– p.10/34

Quelques exemples
roche sédimentaire: 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
– p.11/34

Quelques exemples
roche sédimentaire: 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
– p.11/34

Échelle d’observation
Gneiss:
- globalement ductile
- En détail, feldspath: comportement cassant par glissement
le long des clivages
– p.12/34

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 la
nature 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
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 en
fonction de la pression et de la température
Matériaux 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
– p.13/34

Loi de Byerlee - loi de friction
Relation linéaire entre contrainte normale σ n et contrainte
cisaillante τ sur des plan de failles préexistants
τ = 0.85σ n pour σ n < 2Kb
τ = 0.5 + 0.6σ n pour 2Kb < σ n < 20Kb
– p.14/34

Loi de Byerlee - loi de friction
Relation linéaire entre contrainte normale σ n et contrainte
cisaillante τ sur des plan de failles préexistants
τ = 0.85σ n pour σ n < 2Kb
τ = 0.5 + 0.6σ n pour 2Kb < σ n < 20Kb
Valable pour tous les matériaux
– p.14/34

Loi de Byerlee - loi de friction
Relation linéaire entre contrainte normale σ n et contrainte
cisaillante τ sur des plan de failles préexistants
τ = 0.85σ n pour σ n < 2Kb
τ = 0.5 + 0.6σ n pour 2Kb < σ n < 20Kb
Valable pour tous les matériaux
la contrainte nécessaire pour créer un glissement augmente avec
la pression de confinement
– p.14/34

loi de fluage
COLD GEOTHERM
HOT GEOTHERM
Comportement ductile obtenu à haute température
– p.15/34

loi de fluage
COLD GEOTHERM
HOT GEOTHERM
Comportement ductile obtenu à haute température
Forte variation en fonction de la pression et de la température
environnantes
– p.15/34

loi de fluage
COLD GEOTHERM
HOT GEOTHERM
Comportement ductile obtenu à haute température
Forte variation en fonction de la pression et de la température
environnantes
Lois différentes pour chaque matériau
– p.15/34

Enveloppe de la Lithosphère
´
Évolution en fonction de la température
en contexte extensif
– p.16/34

Exemples d’enveloppe rhéologique
Géotherme froid
1 couche 2 couches
Quartz/Granite Quartz/Granite
croûte basique
– p.17/34

Exemples d’enveloppe rhéologique
Géotherme chaud
1 & 2 couches 1 couche
Quartz/Granite roche basique
Quartz/Granite
+ croûte basique
– p.18/34

Base de la Lithosphère
Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine
Lithosphère
1300 ◦ 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
– p.19/34

Base de la Lithosphère
Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine
Lithosphère
1300 ◦ 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 et
l’Olivine ductile dans l’asthénosphère
– p.19/34

Base de la Lithosphère
Limite thermo-mécanique à l’intérieur d’un même matériau: l’Olivine
Lithosphère
1300 ◦ 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 et
l’Olivine ductile dans l’asthénosphère
Structure spécifique à l’axe des rides océaniques:
1300 ◦ C
MOHO
Croûte=Lithosphère
Asthénosphère chaude
– p.19/34

Contexte extensif I:
évolution d’une dorsale
Lors de l’évolution de la
dorsale, l’isotherme 1300 ◦ C
s’enfonce au sein du manteau
– p.20/34

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
– p.20/34

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
– p.20/34

Contexte extensif II:
évolution d’un rift
Amincissement de la Lithosphère
continentale pendant la phase
extensive
– p.21/34

Contexte extensif II:
évolution d’un rift
Amincissement de la Lithosphère
continentale pendant la phase
extensive
Variation spatio-temporelle de la
rhéologie
– p.21/34

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
– p.21/34

Géodynamique et température
Différentes pentes de la loi de
Byerlee selon le contexte
géodynamique
– p.22/34

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
compressif
– p.22/34

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
compressif
La Température augmente
– p.22/34

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
compressif
La Température augmente
→ le comportement cassant se
réduit
– p.22/34

Contribution de la sismologie
Séisme: 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
= séisme
période intersismique
période cosismique
→ Le comportement d’un matériel élastique caractérise la
déformation cassante à l’échelle crustale
– p.23/34

Contribution de la sismologie
Séisme: 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
= séisme
période intersismique
période cosismique
→ 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
– p.23/34

Distribution de la sismicité I
– p.24/34

Distribution de la sismicité I
Cassant
Ductile
Cassant
⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations
plastiques prédominent
– p.24/34

Distribution de la sismicité I
Cassant
Ductile
Cassant
⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations
plastiques prédominent
– p.24/34

Distribution de la sismicité I
Cassant
Ductile
Cassant
⇒ faible résistance de la croûte inférieure: les déformations
plastiques prédominent
Première couche: croûte supérieure
de 15 à 20 km
Deuxième couche: manteau
supérieur
⇒ Entre les deux, quelques rares
séismes à la base du MOHO
– p.24/34

Distribution de la sismicité II
Faille de San Andreas: Discontinuité majeure à l’échelle de la
tectonique des plaques
– p.25/34

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
– p.25/34

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
– p.25/34

Distribution de la sismicité III
2 paramètres importants dans
cette région:
– p.26/34

Distribution de la sismicité III
2 paramètres importants dans
cette région:
⋆ vitesse de déformation élevée:
une déformation rapide engendre
un comportement cassant
– p.26/34

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
– p.26/34

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
– p.26/34

Profiles Sismiques I
croûte supérieure: faible
réflectivité
croûte inférieure: présence
d’interfaces
– p.27/34

Profiles Sismiques I
croûte supérieure: faible
réflectivité
croûte inférieure: présence
d’interfaces
⇒ pas de traces de faille dans la croûte inférieure
– p.27/34

Profiles Sismiques I
croûte supérieure: faible
réflectivité
croûte inférieure: présence
d’interfaces
⇒ 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
– p.27/34

Profiles Sismiques II
Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transition
continent/océan
– p.28/34

Profiles Sismiques II
Amincissement crustal (35 à 10 km) proche de la transition
continent/océan
tous les niveaux ont été amincis
– p.28/34

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
– p.28/34

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
– p.28/34

Rhéologie de la Croûte
alternance de couche fragile et ductile
→ rôle important sur la géométrie et la distribution de la
déformation
– p.29/34

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 la
température
→ du gradient géothermique
– p.29/34

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 la
température
→ du gradient géothermique
La croûte inférieure apparaît globalement moins résistante que la
croûte supérieure
→ tend à localiser la déformation
– p.29/34

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 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
– p.29/34

Rhéologie du Manteau
images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau
supérieur
– p.30/34

Rhéologie du Manteau
images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau
supérieur
→ interpréter comme des failles normales
– p.30/34

Rhéologie du Manteau
images de réflecteur jusqu’à 50/60 km de profondeur dans le manteau
supérieur
→ interpréter comme des failles normales
→ structure cassant du manteau supérieur
– p.30/34

Modèle analogique I
Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faible
résistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans des
conditions de laboratoire
- Matériaux: sable,argile,plâtre,hydrocarbure
– p.31/34

Modèle analogique I
Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faible
résistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans des
conditions de laboratoire
- Matériaux: sable,argile,plâtre,hydrocarbure
2 types d’analyse:
- Étude régionale
- Étude de processus physique comme la fracturation
– p.31/34

Modèle analogique I
Reproduction des déformations naturelles à partir de matériaux de faible
résistance qui permettent de travailler sur des temps courts et dans des
conditions 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
– p.31/34

Modèle analogique II
Premier modèle utilisant stratification sable/silicone (Faugères et Brun, 1984)
→ modélisation de la géométrie des marges passives
– p.32/34

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’extension
délimitant des blocs crustaux
– p.32/34

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’extension
délimitant 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
– p.32/34

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’extension
délimitant 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
– p.32/34

Modèles analogiques III
Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/silicone
lié aux conditions de glissement à la base du modèle
– p.33/34

Modèles analogiques III
Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/silicone
lié aux conditions de glissement à la base du modèle
Relation entre cisaillement dans le silicone et le sens de basculement des
blocs
– p.33/34

Modèles analogiques III
Déformations ductiles localisées près de la discontinuité sable/silicone
lié aux conditions de glissement à la base du modèle
Relation entre cisaillement dans le silicone et le sens de basculement des
blocs
Failles normales toujours synthétiques du cisaillement à l’interface
– p.33/34

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– p.34/34
Modèles numériques
elastic model viscuous model plastic model
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σ σ σ
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Simulation d’un processus physique qui décrit une loi rhéologique

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Modèles numériques
elastic model
viscuous model
plastic model
σ σ σ
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Simulation d’un processus physique qui décrit une loi rhéologique
Numérisation des équations physiques en utilisant les conditions limites spécifiques
à l’expérience désirée
– p.34/34