Séminaire Patrick Cordier – Rhéologie des minéraux : le challenge des vitesses de déformation naturelles

La dynamique de notre planète dépend essentiellement de sa capacité à se déformer sous l’action de forces externes ou internes. Pour des phénomènes assez rapides (inferieurs a quelques années) la Terre réagit de façon élastique (comme un ressort). Sur une échelle de temps de quelques dizaines de milliers d’années, apparaissent des effets viscoélastiques comme ceux qui se manifestent en surface suite à la déglaciation du Pleistocène. Sur une échelle de temps géologique, la convection du manteau présente le comportement d’un fluide visqueux que les modélisateurs aiment à considérer comme linéaire. Sur une échelle de temps de l’âge de la Terre la planète se comporte comme un fluide parfait si l’on cherche à décrire son aplatissement quasi-hydrostatique. Le comportement rhéologique de la planète dépend donc du temps caractéristique du, ou des mécanismes à l’œuvre dans la déformation.

Vue sous l’angle de la physique des minéraux, la rhéologie du manteau pose la question du comportement mécanique des phases pertinentes dans les conditions de sollicitations pertinentes. Depuis les travaux pionniers de D.T. Griggs dans les années 60, des efforts considérables ont été déployés pour étendre le domaine d’expérimentation en température, puis en pression. Rappelons qu’en rhéologie l’application de ces paramètres ne suffit pas et qu’il faut de surcroît appliquer une contrainte déviatorique contrôlée et suivre la déformation. La question de la vitesse de déformation est traitée par l’extrapolation des lois rhéologiques ainsi déterminées. Or cette démarche rencontre des difficultés importantes liées à la diversité des mécanismes et à leurs sensibilités à la vitesse de déformation.

Cet exposé sera divisé en deux parties qui exposent deux approches, très différentes, que nous avons développées pour dépasser ces limites et mieux contraindre le comportement rhéologique aux très faibles vitesses de déformation tectoniques.

La première est numérique et a été forgée dans le projet ERC RheoMan. Elle suppose que nous disposons d’une description théorique des mécanismes de déformation assez mûre et exploite les capacités de calcul numériques actuelles. Appliquée aux deux phases majeures du manteau inférieur, cette approche montre tout d’abord que la pression inhibe très fortement le glissement des dislocations dans la bridgmanite. Cela nous a conduit à proposer l’existence d’un autre mécanisme de déformation aux conditions du manteau : la montée pure. Pour le périclase, le glissement des dislocations reste possible, mais c’est la diffusion anionique qui est très inhibée par la pression. Au final, nos calculs conduisent à la vision très contre-intuitive que dans le manteau la bridgmanite est plus déformable que le periclase.

La deuxième approche conduite dans le projet TimeMan consiste à exploiter les possibilités des essais micromécaniques à petites échelles. Nous présenterons l’application de différents essais micromécanique non conventionnels appliqués à la rhéologie du verre d’olivine. Nous montrons qu’il est ainsi possible d’atteindre des vitesses de déformation proches de 10^-12 s^-1.