Transition-fragile ductile en zone de subduction : le rôle du quartz

Brittle-ductile transition in subduction zones : the role of quartz

• Auteur / Autrice : Giulia Palazzin
• Direction : Laurent Jolivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 18/03/2016
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Faure, Alexandre Dimanov, Frédéric Gueydan, Hugues Raimbourg, Olivier Lacombe, Francesca Meneghini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Dimanov, Frédéric Gueydan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prismes d'accrétion

Déformations (mécanique)

Effets de l'eau

Quartz

Subduction

Mots clés libres

Quartz

Prisme d’accrétion

Transition fragile-ductile

Eau

Pression dissolution

Déformation plastique

Fluage dislocation

Adoucissement

Quartz

Accretionary prism

Brittle-ductile transition

Water

Pressure solution

Recrystallization

Dislocation creep

Hydrolitic weakening

Résumé

La transition d’un comportement séismique/instable à un comportement aséismique/stable est observée dans la partie en aval des zones sismogéniques (12-15 km de profondeur). Cette transition est supposée être contrôlée par l’activation de la plasticité de basse température du quartz à ~350°C. À cause de la grande profondeur à laquelle cette transition a lieu, le seul moyen pour étudier les processus physiques qui agissent en ces contestés, est l’étude des anciens prismes d’accrétion exhumés actuellement dans des chaines de montagnes. Le mélange tectonique de Hyuga et l’unité de Morotsuka appartiennent au prisme fossile de Shimanto et sont des unités metasédimentaires déformées à des températures peu inférieures ou égales à la limite fragile/ductile (~250 et ~340°C respectivement). Les résultats des observations de microstructures en microscopie optique et en microscopie électronique à balayage (diffraction des électrons rétrodiffusés) confirment que 1) la pression dissolution et une intense microfracturation sont les mécanismes de déformation principaux du quartz dans le mélange de Hyuga et localement l’activation de la plasticité du quartz est aussi observée; 2) dans l’unité de Morotsuka la recristallisation dynamique du quartz est pleinement active. Ces considérations indiquent que la température n’est pas le seul paramètre qui control l’activation de la plasticité du quartz, et laisse supposer la participation de l’effet adoucissant de l’eau. Avec le but de mieux comprendre le rôle de l’eau sur la rhéologie quartz, des expériences en Presse Griggs ont été menées, le matériel du départ étant de porphyroclasts de quartz (immergés dans une matrice sec) à la fois très riches en eau (provenant du mélange tectonique de Hyuga) et secs (quartz du Brésil). Ces expériences montrent l’effet très adoucissant de l’eau, qui à parité de conditions de déformation, favorise la migration de joint des grains dans le quartz de Hyuga tandis que le quartz du Brésil reste indéformé à exceptions de ses bordures extérieures. L’eau « en excès » est expulsée dans la matrice pour le quartz de Hyuga et stockée dans des bandes de cisaillement C’; l’eau incorporée par le quartz de Brésil n’est pas suffisantes pour favoriser la recristallisation dynamique.

The trasition from instable seismic to stable aseismic behaviour is observed in at the lower limit of the seismogenic zones in subduction zones (12-15 km). This transition is supposed to be controlled by the onset of quartz low grade plasticity at about 350°C. Due to inaccessibility of these geodynamic contests, the only way to study the physical processes acting at these depth are exhumed accretionary prisms exposed in mountain chains. The Hyuga tectonic mélange and the Foliated Morotsuka are metasedimentary units constituting the Shimanto accretionary prism (Japan). They were deformed at temperatures of ~250°C and ~340°C respectively, so slightly lower or equal to the temperature transition. Results by optical microscopy and EBSD reveal that 1) quartz deformation mechanisms active in Hyuga Tectonic Mélange are pressure solution and microfracturation accompanied by local quartz low grade plasticity; 2) dynamic recrystallization is totally active in quartz of the Foliated Morotsuka. These considerations allow to consider the role of water in triggering quartz plasticity especially in such water-rich contest as subduction zones. With the aim to better understand the role played by water on quartz rheology, we deformed high hydrated (from Hyuga unit) and dry (classic Brazil) quartz porphyroclasts within a quartz matrix, with the Griggs apparatus. These experiments show the weakening water effect on quartz strength. At the same deformation conditions, the high hydrated Hyuga quartz show recrystallization by grain boundary migration while the dry Brazil porphyroclasts are mostly undeformed, at exception of the outer recrystallized rims. The exceeding water expulsed from Hyuga quartz is stored in C’ shear bands in the matrix; water absorbed by dry Brazil porphyroclasts is not enough to promote dynamic recrystallization.