Evolution microstructurale d'agrégats polyminéraux déformés sous haute pression et température : une étude in-situ et postmortem sur le système olivine+serpentine

Microstructural evolution of polymineralic aggregates deformed under high pressure and temperature : an in-situ and post-mortem study on olivine+serpentine

• Auteur / Autrice : Tommaso Mandolini
• Direction : Sébastien Merkel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 18/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Jannick Ingrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Andreani, Catherine Noiriel, Nadège Hilairet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Perrillat, Holger Stünitz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (géologie)

Agrégats (cristallographie)

Microtomographie

Évolution

Microstructure (physique)

Tectonique des plaques

Lithosphère

Serpentine (minéralogie)

Texture

Péridots

Effets des hautes pressions

Roches -- Déformation

Mots clés libres

Tomographie par absorption des rayons X

Roche polyminérale

In-Situ X-Ray tomography

Microstructure

Strain localization

Serpentine

High pressure

Polymineralic rocks

Résumé

Aux limites des plaques tectoniques, la lithosphère est déformée et la déformation peut se localiser jusqu'à l'échelle kilométrique, avec formation de zones de cisaillement. Cela suggère que la résistance de la lithosphère est localement réduite. La formation de couches interconnectées de minéraux plus faibles mécaniquement est un mécanisme potentiel pour parvenir à un tel affaiblissement dans la lithosphère. Les péridotites serpentinisées sont couramment présentes dans et aux limites de plaques tectoniques. Elles sont principalement composées des minéraux serpentine et d'olivine, la serpentine étant généralement considérée comme étant plus déformable que l'olivine aux taux de déformation géologiques. La déformation devrait donc se distribuer préférentiellement dans la serpentine plutôt que dans l'olivine. Cela peut conduire à la formation de couches faibles interconnectées (IWL, pour « interconnected weak layer » en anglais) de serpentine, où la contrainte se localise.Ce travail est basé sur l'investigation microstructurale pour comprendre l'accommodation de la déformation dans les roches. Des agrégats d'olivine+serpentine sont utilisés comme proxy pour les péridotites partiellement serpentinisées. Ces agrégats sont déformés en torsion sous haute pression (HP, > 2 GPa) et hautes températures (HT, > 300°C) à un taux de déformation équivalent de 10-4 s-1. Les expériences sont couplées avec de la tomographie in-situ par contraste d'absorption de rayons X. J'obtiens des informations microstructurales en 2D et 3D sur la connectivité et l'orientation de la fabrique de la serpentine, plus déformable. La microscopie électronique est réalisée sur les échantillons post mortem pour relier les observations de tomographie en rayons X aux propriétés plastiques des phases.Je décris tout d'abord les procédures spécifiques, expérimentales et d'analyses d'images in situ, pour la déformation sous haute pression. Ensuite, j'étudie la déformation des agrégats sous un cisaillement croissant à plusieurs échelles d'observation. Le but principal est d'observer la formation et le développement des IWL. Les relations entre la morphologie et les propriétés plastiques des phases dans la roche sont étudiées pour comprendre la localisation de la déformation dans la péridotite partiellement serpentinisée.Les principaux résultats montrent que le régime de déformation dans les agrégats d'olivine + serpentine peut être décrit comme semi-fragile, la phase dominante olivine (plus résistante mécaniquement) présentant principalement une déformation fragile, tandis que la phase serpentine (plus déformable) montre un style de déformation ductile. Un cisaillement γ d'environ 4-5, une teneur en serpentine de 20 % en volume, et une fraction initiale de grands clusters (volumes de serpentine) > 15 % en volume, sont des conditions pour une configuration IWL dans les agrégats d'olivine + serpentine. Inversement, à une teneur en serpentine d'environ 10 % en volume, la configuration IWL ne se produit pas, indépendamment du cisaillement ou de la distribution de taille des clusters initiaux de serpentine. Dans ce cas, un comportement de type « load bearing framework » (LBF) est observé où les grains d'olivine se bloquent et sont broyés lors de la déformation, entraînant une réduction de la taille des grains. Ces grains réduits pourraient accommoder une grande partie de la déformation dans la roche.Ces résultats suggèrent que des teneurs en serpentine > 10 vol.% ou ca. 20 vol.% définissent un seuil clé pour des changements cruciaux dans la morphologie de la serpentine dans les péridotites serpentinisées déformées. Celui-ci pourrait correspondre à des changements importants dans la rhéologie et les propriétés mécaniques de la roche.Enfin, au vu de ces résultats je donne des perspectives sur la localisation de la déformation et l'initiation des zones de cisaillement dans la lithosphère.

At plate tectonic boundaries, the lithosphere is deformed and strain localization occurs up to kilometers-scale, which can manifest in form of shear zones. The strain localization suggests the strength of the lithosphere is locally weakened. The formation of interconnected layers of weaker minerals in the lithosphere is a potential mechanism to achieve such weakening. Serpentinized peridotite is commonly found within and between tectonic plates. It is mainly composed of olivine and serpentine minerals. The latter is generally accepted to be weaker than olivine at geological strain rates. During deformation, strain is thus expected to preferentially partition into serpentine than into olivine. This can lead to the formation of interconnected weak layers (IWL) of serpentine where strain localizes.The present work is based on microstructural investigation to infer the strain accommodation in rocks. Olivine+serpentine aggregates with two compositions (10 and 20 vol.% serpentine) are used as a proxy for partially serpentinized peridotites. The aggregates are experimentally deformed in torsion at high pressures (HP, > 2 GPa) and high temperatures (HT, > 300°C) at an equivalent strain rate of 10-4 s-1. The experiments are coupled with in-situ absorption contrast X-ray tomography. I obtain 2D and 3D information on connectivity and structural layering in the microstructure of the ‘weak' serpentine. Electron microscopy is performed on recovered samples to link the in-situ X-ray tomography observations to the plastic properties of the phases.I first outline experimental and image-data processing procedures specific to in-situ HP experimental deformation. Then, I study the deformation of the aggregates with increasing shear deformation at multiple scales of observations. The main aim is to observe the onset and development of IWL in its microstructure. The relations between the morphology and plastic properties of the phases in the rock are investigated to understand the strain localization in serpentinized peridotite.The main results show the deformation regime in olivine+serpentine aggregates can be described as semi-brittle, with the dominant phase of olivine (‘stronger') mainly displaying brittle deformation, whereas the serpentine (‘weaker') showing a dominant ductile-style deformation. A strain γ of ca. 4-5, serpentine content of ca. 20 vol.%, and initial fraction of large clusters >15 vol.% determine the condition for IWL configuration in the olivine+serpentine aggregates. Conversely, at serpentine content of ca. 10 vol.%, IWL do not occur, independently of strain or initial clusters size distribution of serpentine. This is more consistent with a load-bearing framework (LBF) behavior, where the stronger olivine grains are jammed, and during deformation crush one another, leading to grain size reduction and accommodating much of the deformation in the rock. These findings suggest contents of serpentine >10 vol.% or ca. 20 vol.% define a threshold for crucial changes in the morphology, connectivity, percolation, of the weak serpentine in serpentinized peridotites under shear. This may lead to important changes in deformation behavior and mechanical properties of the rock.In light of these findings, I give some perspectives for strain localization and shear zones initiation in the lithosphere.