Rhéologie de l’olivine polycristalline aux conditions du manteau supérieur : étude en D-DIA

Rheology of polycristalline olivine under upper mantle conditions : study with a D-DIA

• Auteur / Autrice : Caroline Bollinger
• Direction : Sébastien Merkel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 02/07/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• DOI : 10.70675/d29a5364z3944z471fza012z68ba78a26353

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement synchrotron

Anisotropie

Terre -- Manteau supérieur

Dislocations dans les cristaux

Rhéologie

Texture

Polycristaux

Essais

Effets des hautes pressions

Péridots

Mots clés libres

Presse multi-enclumes

Résumé

Ce manuscrit présente une étude expérimentale de l’effet de pression sur rhéologie de l’olivine et de la forstérite aux conditions du manteau supérieur. En effet, certains aspects de la géodynamique de l’intérieur de la Terre restent méconnus. En particulier, le manteau supérieur, en convection, présente une anisotropie sismique dont l’amplitude diminue avec la profondeur et l’olivine, composant principal du manteau supérieur, possède des propriétés mécaniques mal comprises. Des polycristaux d’olivine et de forstérite sont déformés en presse D-DIA entre 3 et 8 GPa et 1373-1673 K. A l’aide de rayonnement synchrotron, une méthode d’analyse est mise au point pour mesurer in situ les contraintes et le développement de textures dans les échantillons. Ces résultats sont ensuite complétés par des analyses en microscopie électronique en transmission. Ces données expérimentales permettent de contraindre les lois rhéologiques en déformation par fluage-dislocation, en conditions « hydratées » et jusque 8 GPa. Un effet de pression est observé avec un volume d’activation de 12,8 (5) cm3.mol-1 pour l’olivine. Ce paramètre est de 12,5 ± 5 cm3.mol-1 pour la forstérite, avec un exposant de contrainte déterminé à n’= 2,35 (0,6). L’effet d’eau est moins marqué que celui de la pression, et le fer rend l’olivine plus ductile que la forstérite. Les textures développées au cours des expériences montrent un plan de glissement (010) dominant en-dessous de 8 GPa. Au-delà, d’autres systèmes de glissement et/ou un autre mécanisme de déformation entrent en jeu. Cette transition de textures est bien corrélée avec la chute d’anisotropie observée dans le manteau supérieur en-deçà de 200 km.

This manuscript presents an experimental investigation of the effect of pressure on the rheology of olivine and forsterite. Indeed, the geodynamics of the Earth’s interior is not always well understood and needs input for experimental data. The movements of materials in the Earth mantle induce plastic deformation of the constitutive minerals and, particularly, are connected to the rheology of olivine, the main constituent of the upper mantle. Polycristalline olivine and forsterite are deformed in D-DIA at pressure-temperature conditions of the upper mantle, from 3 to 8 GPa and 1373-1673 K. Coupled with synchrotron radiations, applied stresses and developed lattice preferred orientations are measured in situ, with the addition of transmission electron microscopy observations on the run products. From these experimental data, rheological laws have been determined in dislocation-creep regime, under “wet” conditions and below 8GPa for both of these minerals. Pressure effect is observed with an activation volume of 12.8 ± (5) cm3.mol-1 for olivine. For forsterite, this parameter is 12.5 ± 5 cm3.mol-1, with a stress-exponent of n’= 2.35 (0.6). The water influence is apparently not significant compared to the pressure effect, and the iron-bearing olivine is more ductile than iron-free olivine.Developed textures show a dominant slip-system along the (010) plane below 8 GPa. Above, textures are weaker, leading to the conclusion that others slip-systems and/or deformation mechanisms take a part in the plasticity of the olivine. This transition is well correlated with the decreasing of the observed seismic anisotropy of the upper mantle below -200 km.