Laboratoire de Tectonophysique
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Relations entre déformation et anisotropie des propriétés
physiques du manteau supérieur
sous la direction de Andréa TOMMASI
Dans le manteau supérieur, l'olivine est le minéral le plus abondant (~60-70%) et le plus déformable. Le monocristal d'olivine présente une forte anisotropie de ses propriétés physiques. La déformation mantellique produisant une orientation préférentielle de réseau (OPR) des cristaux d'olivine, elle induit une anisotropie des propriétés physiques, et ce à l'échelle du manteau supérieur. Certaines de ces propriétés permettent de caractériser la structure du manteau supérieur par les méthodes géophysiques, comme les propriétés élastiques et électriques. D'autres propriétés contrôlent directement les processus de déformation du manteau, comme les propriétés de transport thermiques (diffusion thermique) et les propriétés mécanique (rhéologie). Ce travail de thèse s'attache à étudier principalement les propriétés de diffusion thermiques des roches mantelliques.
Pour cela, deux approches sont mises en œuvre :
L'expérimentation. Les déterminations antérieures de la diffusivité thermique menées sur des roches, agrégats synthétiques ou encore monocristaux conduisent à une grande diversité de résultats, mettant notamment en lumière des différences de comportement entre agrégats et monocristaux. En utilisant la modélisation pétrophysique fondée sur l'analyse des textures (mesures des orientations cristallographiques par la méthode EBSD) et des mesures systématiques d'anisotropies de diffusivité thermiques sur des monocristaux d'olivine et sur des péridotites, un lien est établi entre les propriétés de l'agrégat, les propriétés du monocristal d'olivine et les Orientations Préférentielles de Réseau (OPR) des cristaux d'olivine. Les mesures, réalisées à hautes pressions (1 Gpa) et hautes températures (1000°C) sont effectuées en collaboration avec le GeoForschungsZentrum Potsdam (Ulfert Seipold et Frank Schilling). Par ailleurs, un système de mesure à été mis en œuvre et calibré à Montpellier. Il a pour but de compléter les mesures réalisées à Potsdam en ajoutant le contrôle de divers paramètres tels que la fugacité d'oxygène ou la pression de confinement. Il permettra ainsi de contraindre les propriétés thermiques à haute température (1100°C), tout en affinant la connaissance des processus physiques liés au transport de chaleur.
La modélisation numérique. Une fois établi le transfert d'échelle monocristal-roche du point de vue du transport thermique, ce travail va permettre d'évaluer l'effet de la diffusion thermique et de son anisotropie à l'échelle de la lithosphère. En effet, les mesures d'anisotropie sismiques, en particulier de déphasages d'ondes SKS, suggèrent que la déformation du manteau induit un développement d'orientations préférentielles des minéraux, semblable à celui observé dans nos roches, et ce à grande échelle (plusieurs dizaines de kilomètres). Un tel manteau conduit donc la chaleur de façon anisotrope. L'interaction thermo-mécanique entre un panache mantellique, caractérisé par un flux de chaleur important en base de lithosphère, et une lithosphère thermiquement anisotrope constitue l'application principale de cette étude. L'interaction purement thermique est modélisée par un modèle 3D (collaboration avec M.P. Doin, ENS Paris). Les premiers résultats montrent une légère orientation préférentielle de l'anomalie de chaleur au sein de la lithosphère, associée à une érosion thermique importante. Sachant que la rhéologie des roches mantelliques dépend fortement de la température, une orientation préférentielle de la déformation dans le manteau supérieur est par conséquent attendue. Cette déformation lithosphérique est modélisée grâce à un modèle 3D de déformation (ADELI) (travail en cours de réalisation).