La fusion partielle syn-cinématique : apport des mesures expérimentales in situ.

Syn-kinematic partial melting: providing in situ experimental data

• Auteur / Autrice : Petr Zverev
• Direction : Claudio Rosenberg
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Tectonique

Mots clés

Mots clés libres

Rhéologie

Déformation expérimentale

Roches

Fusion partielle

Experimental deformation

Rheology

Rocks

Partial melting

Résumé

La fusion partielle des roches est vue comme un phénomène affaiblissant capable de réduire drastiquement la résistance des roches partiellement fondues. Cette assertion se base à la fois sur des évidences de terrain et des expériences de fusion partielle syn-cinématique. Les expériences à haute pression de confinement permettent de passer les réactions de fusion partielle dans le domaine de fluage des phases solides et limitent les artefacts expérimentaux. Les effets mécaniques de la fusion partielle sont explicables par (i) un effet de mélange : les jus de fusion sont plus faibles que les phases solides réactives, et la résistance effective de la roche s'en trouve diminuée (ii) un effet d'adoucissement géométrique dû à la connexion de phases faibles : en se déformant les poches de liquide forment un réseau connecté qui localise la déformation et adoucit l'agrégat, (iii) un effet de changement de volume : selon la pente de réaction de fusion, une contraction (à basse pression et en présence de fluides) ou une dilatation (dans les autres cas) est attendue qui ajoute un terme de plasticité transformationnelle au bilan des vitesses de déformation, et enfin (iv) un effet de changement de mécanisme de déformation : le jus de fusion aux joints de grains permettant la transition entre fluage dislocation et fluage diffusion, (v) un effet sur le bilan d'énergie : la chaleur latente de fusion est telle que la fusion des roches refroidit l'agrégat qu'elle affecte et change donc sa résistance. Ces processus se lisent aussi dans l'autre sens : en ajoutant de l'énergie au système, en collectant les produits de fusion, en renouvelant les surfaces de réaction, la déformation est capable de modifier la cinétique de la réaction de fusion. Les presses de Griggs de dernière génération, équipées de systèmes de monitoring in situ constituent un outil de choix pour avancer notre compréhension des couplages entre fusion partielle et déformation, avec monitoring acoustique permettant de mesurer en temps réel le temps de vol des ondes P au travers de l'échantillon et le monitoring de la conductivité électrique, lui aussi extrêmement sensible à la présence d'un liquide silicaté. Ce projet serait un des premiers à tirer pleinement avantage de la complémentarité voulue des deux dispositifs, le premier à l'ENS, le 2ème à l'ISTO. La réaction de fusion déshydratation de la muscovite : muscovite + albite + quartz = AlSi + Liq. est franchie dès 650°C à une pression de 1 GPa. Il est envisagé de comparer les comportements mécaniques de deux mélanges : l'un fertile (ms + alb + qtz dans leurs proportions stœchiométriques) et l'un réfractaire (bt + alb + qtz dans les mêmes proportions) de façon à garder des comportements de la matrice solide comparables. Les conditions expérimentales seront choisies de façon à (i) maximiser la T pour garantir le fluage du quartz et de l'albite et obtenir de hautes cinétiques de réaction (ii) optimiser la vitesse de déformation pour qu'elle soit proche de la vitesse de réaction et exacerber leurs éventuels feed-backs. Le cœur du PRD est donc une approche expérimentale, à partir d'outils surs, mais qui n'exclut pas une part de développement. Le monitoring acoustique serait en outre amélioré si le rapport Vp/Vs et l'atténuation Q pouvaient être mesurés. Ces deux propriétés sismiques sont en effet très sensibles à la fusion partielle. La quantification des effets passe par un traitement de signaux sismiques et électromagnétiques sophistiqués qui constitue en soi une autre compétence. La caractérisation post-mortem des échantillons déformés se base essentiellement sur de la microscopie et de l'analyse EBSD. Une approche naturaliste sur un cas d'étude de terrain n'est pas exclue. Les migmatites à la base du pluton de Bergell peuvent fournir un exemple approprié. La transition entre fluage dislocation et fluage diffusion induite par la fusion partielle peut y être étudiée et reconnue dans les microstructures de ces roches.

Partial melting of rocks is seen as a weakening phenomenon capable of drastically reducing the strength of partially melted rocks. This assertion is based on both field evidence and synkinematic partial melting experiments. Experiments at high confining pressure allow partial melting reactions to be passed into the creep domain of solid phases, and limit experimental artifacts. The mechanical effects of partial melting can be explained by (i) a mixing effect: melts are weaker than the reactive solid phases, and the effective strength of the rock is reduced as a result of (ii) geometric softening due to the connection of weak phases: as they deform, the liquid pockets form a connected network that localizes deformation and softens the aggregate, (iii) volume change : depending on the slope of the melting reaction, contraction (at low pressure and in the presence of fluids) or expansion (in other cases) is expected, adding a transformational plasticity term to the balance of deformation rates, and finally (iv) a change of deformation mechanism : (v) an effect on the energy balance: the latent heat of fusion is such that rock melting cools the aggregate , thus changing its resistance. These processes can also be read in the other direction: by adding energy to the system, collecting melts and renewing reaction surfaces, deformation is capable of modifying the kinetics of the melting reaction. The latest-generation Griggs rigs, equipped with in situ monitoring systems, are a prime tool for advancing our understanding of the couplings between partial melting and deformation, with acoustic monitoring enabling real-time measurement of P-wave velocity through the sample, and electrical conductivity monitoring, which is also extremely sensitive to the presence of a silicate liquid. This project would be one of the first to take full advantage of the complementary nature of the two facilities, the first at the ENS, the 2nd at the ISTO. The muscovite dehydration melting reaction: muscovite + albite + quartz = AlSi + Liq. is achieved at 650°C and a pressure of 1 GPa. We plan to compare the mechanical behavior of two mixtures: one fertile (ms + alb + qtz in their stoichiometric proportions) and one refractory (bt + alb + qtz in the same proportions), so as to maintain comparable solid matrix behavior. Experimental conditions will be chosen so as to (i) maximise T to ensure quartz and albite creep and high reaction kinetics (ii) optimizing the strain rate to approach the reaction rate and exacerbate any feedback. The heart of the PRD is therefore an experimental approach, based on reliable tools, but not excluding further development. Acoustic monitoring would also be improved if the Vp/Vs ratio and Q attenuation could be measured. These two seismic properties are highly sensitive to partial melting. Quantifying the effects requires sophisticated seismic and electromagnetic signal processing, which is another skill in itself. Post-mortem characterization of deformed samples is based essentially on microscopy and EBSD analysis. A naturalistic approach to a field study is not excluded. The migmatites at the base of the Bergell pluton may provide an appropriate example. The transition between dislocation creep and diffusion creep induced by partial melting can be studied and recognized in the microstructures of these rocks.