Déformation et Rhéologie Patrick Cordier Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide - ESA 8008 Université de Lille I

Rhéologie Rhéologie des magmas Viscosité du noyau Dissolution - cristallisation Plasticité - Déformation à l'état solide de matériaux cristallins Rôle des défauts cristallins Défauts ponctuels Dislocations

Au menu: Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

Sciences des Matériaux Métallurgie Physique Sciences de la Terre

Hier: un coup d'œil sur le chemin parcouru Aujourd'hui: de nouvelles motivations Déformations lentes Grandes déformations Déformation sous hautes pressions Demain: de belles perspectives... De vraies machines de déformation Mesurer enfin ! Allons voir ailleurs Esquisse d'une nouvelle démarche

Plasticité des minéraux: hier... Revue de Evans et Dresen (Rev. Geophys. 1991) Olivine (loi de fluage et défauts ponctuels) Quartz (adoucissement hydrolytique) Recristallisation et textures Matériaux biphasés Application de la mécanique de la rupture Friction

Quel bilan ? Transferts des concepts de la métallurgie physique Développements expérimentaux Des cas pathologiques (Quartz) Importance des fluides Importance de la fusion partielle De la difficulté d'obtenir et d'extrapoler des lois rhéologiques

De la dislocation à la tectonique... …la route est longue…… Un essoufflement ?

De la dislocation à la mécanique... …la route est longue…… Un essoufflement ?

Des défis, encore des défis... Transferts d'échelles Dans le temps et dans l'espace... Conditions extrêmes Pression Grandes déformations Vitesses de déformation

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Vitesses de déformation 10-15 10-10 10-5 10-1 s-1 Nature Laboratoire Extrapoler …? à mécanisme constant !

Transfert d'échelle: le temps 10-15 10-10 10-5 10-1 s-1 Nature Laboratoire Compréhension des mécanismes Etudes microstructurales

Vitesses de déformation 10-15 10-10 10-5 10-1 s-1 Nature Laboratoire Expériences de fluage à très faibles vitesses de déformation (Toulouse)

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Grandes déformations Sciences des matériaux: Laminage Tréfilage Approche de laboratoire Equal Channel Angular Extrusion

Grandes déformations Minéralogie: Torsion Analyse des textures EBSD Synchrotron Modélisation (Montpellier)

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Expériences de déformation Depth P, T "Griggs" Confinement solide (4 GPa) "Paterson" Confinement gazeux (0.7 GPa) 3 GPa 1100°C 100 km Olivine (Mg, Fe)2SiO4 Pyroxenes (Mg, Fe)SiO3 (Ca, Mg, Fe)2Si2O6 Grenats (Mg, Fe, Ca)3 Al2Si3O12 Magnesiowustite (Mg, Fe)O Manteau supérieur 13 GPa 1400°C 410 km Zone de transition 520 km 23 GPa 1600°C 670 km Manteau inférieur 135 GPa 3500°C 2900 km

Expériences de hautes pressions Depth P, T Cellule à enclumes De diamants Presse Multi-enclumes 100 km 3 GPa 1100°C Olivine (Mg, Fe)2SiO4 Wadsleyite Ringwoodite Pyroxenes (Mg, Fe)SiO3 (Ca, Mg, Fe)2Si2O6 Perovskite (Mg, Fe, Al)(Si, Al)SiO3-x CaSiO3 Magnesiowustite (Mg, Fe)O Grenats (Mg, Fe, Ca)3 Al2Si3O12 Grenat (Mg, Fe, Ca)3(Al, Si)2Si3O12 Manteau supérieur 410 km 13 GPa 1400°C Zone de transition 520 km 670 km 23 GPa 1600°C Manteau inférieur 135 GPa 3500°C 2900 km

Assemblage HP MgO Zircone Pyrophyllite Four LaCrO3 Alumine MgO dopé Cr Molybdène

Assemblage de déformation HP MgO Zircone Pyrophyllite Four LaCrO3 Alumine MgO dopé Cr Molybdène

Expérience de déformation Conditions P, T P T Temps

Expérience de déformation Pressurisation à froid P T Temps

Expérience de déformation Pressurisation à froid P T Contraintes différentielles Temps

Expérience de déformation Chauffage P T Relaxation des contraintes Temps

Expérience de déformation Chauffage P T Relaxation des contraintes Déformation plastique Temps

Assemblage de déformation HP Expérience à 22 GPa Piston d'alumine Zircone Thermocouple LaCrO3 Echantillon de Ringwoodite (capsule Re) MgO Piston d'alumine Alumine poreuse MgO dopé Cr 1 mm

Domaines de pression accessibles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 P (GPa) 18/11 14/8 10/5 10/4 ou 7/3 5-8 V (mm ) (Garnet) (Stishovite) (Majorite) Taille de l'octaèdre / longueur de la troncature (mm) (Ringwoodite) (Wadsleyite) (Perovskite)

Des expériences complexes Histoire thermo-mécanique Compression A froid Chauffage Déformation ? Déformation Restauration Contrainte Temps

Des expériences complexes Histoire thermo-mécanique Compression A froid Chauffage Déformation Déformation Restauration Contrainte Temps

Déformation en cisaillement (D'après Karato & Rubie (1997), simplifié !) MgO Zirconia Pyrophyllite LaCrO3 Alumina Cr-doped MgO Molybdenum

Déformation en cisaillement Expérience à 14 GPa Piston d'alumine Echantillon (Bi-couche olivine / wadsleyite) Piston d'alumine 500 nm

Démarche actuelle + =

Démarche actuelle + =

Quelques résultats Perovskite MgSiO3 - 26 GPa Wadsleyite Mg2SiO4 - 17 GPa Ilmenite MgSiO3 - 22 GPa Stishovite - 14 GPa Ringwoodite Mg2SiO4 - 22 GPa

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De vraies machines de déformation ! DIA D-DIA BGI (Frost) LLNL (Durham)

De vraies machines de déformation ! Rotational Drickamer Apparatus Yale (Karato)

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Couplage HP / RX synchrotron Rayonnement synhrotron Photo anneau D. Weidner

Couplage HP / RX synchrotron 10 GPa 2000 K 20 GPa 2000 K Laisser passer le faisceau

DIA - Coupe

Mesurer enfin ! La déformation Radiographie X Enclumes en BN cubique Vitesses de déformation inférieures à 10-6/s Olivine à 9 GPa (Crédit Li Li SUNY Stony Brook)

Mesurer enfin ! Les contraintes Elargissement et déplacement des pics de Bragg Mesure de l'ellipticité des anneaux de Debye Résolution ~ kbar

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Déformation plastique Du défaut cristallin au grain déformé: Une microstructure au travail ! Dislocations dans la wadsleyite Cliché MET (E. Thurel)

Une microstructure au travail: Problème à N corps (1012 -1013 m-2) Interaction élastique à longue portée   1/r Dislocations dans la wadsleyite Cliché MET (E. Thurel)

Simulation numérique Approche atomistique Emission de dislocations en tête de fissure 100 millions d'atomes Farid Abraham, IBM Research Division, Almaden Research Center (P.I.)

Simulation numérique: Dynamique des dislocations Segments de dislocations Interaction élastique Mécanismes microscopiques Lois de vitesse Crédit: LEM - CNRS/ONERA

Simulation numérique: Dynamique des dislocations Modéliser les phénomènes élémentaires de plasticité Source de Frank et Read Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

Simulation numérique: Dynamique des dislocations Modéliser la déformation plastique Conditions initiales Essai de déformation (compression) Mo sous pression Crédit: LLNL

Simulation numérique: Dynamique des dislocations Cuivre (cfc) 151515 m3 Traction selon [100]  = 0,1 % Crédit: LEM - CNRS/ONERA (http://zig.onera.fr/lem/DisGallery/bdevincre/boite_film.gif)

Simulation numérique: Dynamique des dislocations Faire travailler les dislocations... Ta (cc) (Tang et al. 1996) …pour obtenir les lois rhéologiques

Du monocristal au polycristal Dynamique des dislocations Volume élémentaire Représentatif du polycristal Champ de déformation Plastique équivalente En traction Crédit: S. Forest (Mines Paris)

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Esquisse d'une nouvelle approche Expérimenter Mesurer Modéliser Mécanismes microscopiques Assemblage Nouvelles machines Données mécaniques Lois rhéologiques