Approche numérique de l'évolution microstructurale des péridotites - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Microstructual evolutions within Earth's mantle rocks. A numerical approach

Approche numérique de l'évolution microstructurale des péridotites

Jean Furstoss

Résumé

This thesis aims at simulating the microstructural evolutions of upper mantle rocks under thermomechanical conditions representative of the Earth’s lithosphere. Indeed, the mechanical behavior of these rocks controls, at first order, the rheology of the lithosphere and thus of the tectonic plates.The tools used and developed in this work are based on the level-set (LS) formalism allowing an implicit description of the grain boundaries and the modelling of grain boundary migration (GBM) at the polycrystal scale. Thus, the microstructural evolutions are simulated in a robust and efficient finite element (FE) framework allowing a coupling with crystal plasticity (CP) calculations which allows to describe the mechanical behavior of the rock.A first large part of this thesis is devoted to the deformation-free grain growth (GG) in peridotites. Firstly we show that the GG kinetics of olivine (major phase of peridotites), considering only capillarity force, is not in agreement with the natural constraints on the GG kinetics of peridotites. Secondly, it is shown that the introduction of secondary phases such as pyroxenes and spinels can slow GG but is not sufficient to reach kinetics compatible with natural constraints. Finally, it is proposed that impurities play an important role in the GG kinetics of mantel rocks and that taking them into account allows reconciling the constraints coming from laboratory experiments and natural observations.In a second part of the thesis, the constitutive model used to describe the mechanical behavior of olivine in a CP framework is presented. The manipulation of the different tensors in this numerical framework is based on the construction of particular tensor bases considering the symmetries of the crystal and allowing the use of anisotropic elasticity in a straightforward and natural way. The mixed FE velocity-pressure formulation is also modified to take into account the elastic anisotropy. This way of describing the deformation is then enriched with a relaxation mechanism supposed to represent the various processes, other than dislocation glide, accommodating deformation in olivine polycrystals. This description is then coupled with the LS formalism to simulate the microstructural evolutions of an olivine aggregate during deformation. This numerical framework is finally used to study the strain localization in olivine polycrystals along different types of pre-existing shear zones.Finally, the limits and perspectives of the development of numerical formalism to arrive at a faithful description of the microstructural evolutions of a mantle rocks within the lithospheric thermomechanical conditions are discussed.
Cette thèse a pour but de simuler les évolutions microstructurales des roches du manteau supérieur dans des conditions thermomécaniques représentatives de la lithosphère terrestre. En effet, c’est le comportement mécanique de ces roches qui contrôle, au premier ordre la rhéologie de la lithosphère et donc des plaques tectoniques.Les outils utilisés et développés dans ce travail sont basés sur le formalisme level-set (LS) permettant une description implicite de la microstructure et la modélisation de la migration de joint de grains à l’échelle du polycristal. Les évolutions microstructurales sont simulées dans un cadre élément fini (EF) robuste et efficace permettant un couplage avec des calculs de plasticité cristalline décrivant le comportement mécanique de la roche. Une première grande partie de cette thèse est consacrée à la croissance de grain en absence de déformation dans les péridotites. Il est montré, dans un premier temps que la cinétique de croissance d’un agrégat d’olivine (minéral principal des péridotites) n’est pas en accord avec les contraintes naturelles sur la cinétique de croissance de grain des péridotites. Il est ensuite montré que l’introduction de phases secondaires telles que les pyroxènes et le spinelle permet de ralentir la croissance mais ne suffit pas à obtenir des cinétiques cohérentes avec les contraintes naturelles. Finalement il est proposé que les impuretés jouent un rôle important dans la cinétique de croissance des roches mantelliques et que leur prise en compte permet de concilier les contraintes venant des expériences de laboratoire et des observations naturelles.Dans une deuxième grande partie, le modèle constitutif utilisé pour décrire le comportement mécanique de l’olivine dans un cadre de plasticité cristalline est présenté. La manipulation des différents tenseurs dans ce cadre numérique repose sur la construction de bases tensorielles particulières tenant compte des symétries du cristal et permettant l’utilisation d’une élasticité anisotropede manière transparente et naturelle. La formulation mixte EF vitesse-pression est également modifiée pour tenir compte de l’anisotropie élastique. Cette manière de décrire la déformation est ensuite enrichie d’un mécanisme de relaxation sensé représenter les mécanismes, autres que le glissement de dislocation, accommodant la déformation dans les polycristaux d’olivine. Cette description est alors couplée avec le formalisme LS pour simuler les évolutions microstructurales d’un agrégat d’olivine durant la déformation. Ce cadre numérique est enfin utilisé pour étudier la localisation de la déformation, dans les polycristaux d’olivine, par différents types de zone de faiblesse pré-existantes.Finalement, les limites et les perspectives de développement du formalisme numérique pour aboutir à une description fidèle des évolutions microstructurales d’une roche mantellique dans des conditions thermomécaniques de la lithosphère sont discutées.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03185103 , version 1 (30-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03185103 , version 1

Citer

Jean Furstoss. Approche numérique de l'évolution microstructurale des péridotites. Sciences de la Terre. Université Côte d'Azur, 2020. Français. ⟨NNT : 2020COAZ4066⟩. ⟨tel-03185103⟩
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