Réorganisation structurale des matériaux carbonés lors de l’enfouissement et de la déformation : Expériences de déformation et exemples naturels

Reorganization of carbonaceous materials during geological burial and deformation : Experiments and natural examples

• Auteur / Autrice : Benjamin Moris-Muttoni
• Direction : Yan Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• 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 : Bruno Scaillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Scaillet, Whitney Behr, Matt Ikari, Philippe-Hervé Leloup, Alberto Vitale Brovarone, Romain Augier, Hugues Raimbourg, Abdeltif Lahfid
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Whitney Behr, Matt Ikari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Structures géologiques, Petites

Cristallochimie

Sédiments (géologie) -- Analyse

Roches -- Déformation

Compaction (sédimentologie)

Mots clés libres

Matière carbonée

Réorganisation cristalline

Expérimental

Gradient de déformation

Carbonaceous material

Crystalline reorganization

Experiments

Strain Gradients

Résumé

Les particules de matériaux carbonés (CM), présentes dans la majorité des sédiments, enregistrent une évolution progressive lors de l’enfouissement, passant d’une structure amorphe à une structure parfaitement ordonnée (i.e. graphite). Cette évolution s’effectue via de deux phases successives, la carbonisation et la graphitisation, qui peuvent être quantitativement suivies grâce à la spectroscopie Raman (RSCM). Cependant, le contrôle unique supposé de la température, ignorant d’autres potentiels facteurs, est encore débattu. Dans cette étude, l’effet de la déformation sur la cristallinité de la CM a été exploré à travers l’analyse d’échantillons naturels, provenant de prismes d’accrétions (Shimanto Belt, Kodiak Accretionary Complex, Alpes), et d’expériences de déformation reproduisant des déformations à vitesses faibles (non-sismique) et rapides (sismique). L’analyse a été focalisée sur des températures allant de 200 à 350°C, couvrant les processus de carbonisation et de graphitisation précoce. L’utilisation de profils de haute-résolution ont permis de corréler les microstructures et le signal RSCM. Le ratio d’intensité (IR) s’est montré comme un paramètre RSCM approprié à l’étude de l’effet de la déformation. Indépendamment du mécanisme de déformation (i.e. sismique ou non-sismique), l’IR augmente lorsque la déformation est localisée, montrant l’effet de la déformation sur le signal Raman. De plus, basé sur des échantillons ayant connu un métamorphisme de contact, couplés à des expériences de flash-heating, le Raman a montré son efficacité (D3/Gsl Ratio) dans la détection des chauffages courts et intenses. Cette méthode a été appliquée à des Black Fault Rocks considérées comme le résultat d’une trempe d’une veine fondue formée lors de glissement sismique. Les profils d’IR et le D3/Gsl Ratio ont permis de discriminer les mécanismes de formations (i.e. fusion ou comminution seul) de ces objets.

Particles of carbonaceous material (CM), present in most sediments, experience a progressive evolution during their burial from immature and amorphous structure to fully mature and crystalline graphite. This transformation, decomposed in two successive stages (carbonization then graphitization), can be quantitatively followed with Raman spectroscopy (RSCM), and is assumed to be controlled at the first order by temperature, while the potential role of other parameters is still controversial. In this work we explore the effect of strain on CM crystallinity with natural examples from accretionary complexes (Shimanto belt, Kodiak Accretionary Complex, Alps) and experiments encompassing both high strain rate (seismic) and low strain-rate (non-seismic) deformation. We focused on the low temperature range from 200 to 350°C, spanning the carbonization and the early graphitization stages. We used high-resolution profiles to correlate RSCM signal to microstructures. Intensity ratio (IR) appears to be the most relevant RSCM parameter to record deformation. Irrespective of the deformation mechanism (i.e. in low and high strain-rate examples), IR is increased in the zone where strain is localized, demonstrating the large influence of strain on Raman signal. In addition, using geological examples of contact metamorphism, combined with flash heating experiments, we demonstrated the potential of a RSCM feature (D3/Gsl Ratio) to detect short-lived and intense heating events. When applied to Black Fault Rocks considered as the result of quenching of a melt formed during fast seismic slip, these new tools (profiles of IR and D3/Gsl Ratio) can discriminate fault cores that melted from those where only mechanical comminution was active.