Suivi ultrasons des transformations de phase sous conditions de pression et température lithosphériques

par Arefeh Moarefvand

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'environnement

Sous la direction de Alexandre Schubnel, Loïc Labrousse et de Julien Gasc.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Sciences de la Terre et de l'environnement et physique de l'Univers Paris , en partenariat avec Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les géologues ont longtemps utilisé la présence de minéraux à haute pression, ou paragenèse minérale, en surface, comme marqueurs de l'enfouissement passé aux limites des plaques convergentes. L'estimation des pressions est principalement basée sur les données thermodynamiques dérivées des équilibres atteints dans les conditions hydrostatiques dans les expériences sur les appareils de type piston cylindre. Les effets possibles de la «surpression tectonique» restent encore très controversés sur les équilibres thermodynamiques des minéraux, car seules un petit nombre études expérimentales ont exploré comment la contrainte de cisaillement et la déformation peuvent favoriser les transformations de phase, en termes de cinétique et de conditions d'équilibre. La pièce maîtresse expérimentale de ce projet est une nouvelle génération d'appareils de déformation sous pression solide, conçu pour effectuer des expériences de déformation contrôlée sur des échantillons de gros volume (5mm de diamètre, 10mm de long) jusqu'à 4GPa de pression et 1100 ° C de température. Dans cet appareil, où les vitesses d'ondes élastiques P et S peuvent être mesurées in situ en même temps que la déformation, les réactions métamorphiques peuvent être surveillées pendant la déformation, et la rétroaction entre taux de déformation, vitesse de réaction et développement des textures peut être évaluée quantitativement. La propagation des ondes élastiques sera en effet utilisée comme technique non destructive pour suivre l'étendue de la réaction minérale, afin de décrire les enveloppes σ-PT exactes des transitions de phase en combinant l'approche mécanique des roches (enveloppes de plasticité dans le domaine σ-P) avec l'approche de la thermodynamique et de la pétrologie (parcelles PT du champ de stabilité minérale). Les relations entre le dépassement de réaction, les vitesses de déformation et la cinétique de réaction seront également explorées en faisant varier les vitesses de déformation et la distance par rapport aux conditions d'équilibre attendues. Les résultats expérimentaux seront complétés par la modélisation thermodynamique des réactions et des propriétés élastiques des minéraux et de l'analyse microstructurale post-mortem (Raman, SEM, EBSD). Deux réactions métamorphiques de premier ordre distinctes, se produisant en profondeur dans des domaines convergents et susceptibles d'avoir un impact significatif sur la propagation des ondes élastiques, seront étudiées expérimentalement au cours de cette thèse. projet: - Fusion de la croûte continentale, avec la fusion de la muscovite-déshydratation, - Déshydratation du manteau avec la réaction d'antigorite. Comme sous-produit de cette étude, des données expérimentales sur les vitesses des ondes S et P seront acquises dans des conditions réalistes et sur des assemblages complexes, ces valeurs étant dérivées jusqu'à présent de la modélisation ou de l'extrapolation de données acquises à des pressions inférieures au moins. Cette étude pourrait avoir un impact de premier ordre sur l'interprétation des images de tomographie dans les zones convergentes où les deux réactions mentionnées sont supposées se produire, et donc atteindre une communauté encore plus large.

  • Titre traduit

    Active acoustic monitoring of phase transformations under lithosperic pressure and temperature conditions


  • Résumé

    The experimental centerpiece of this project is a new generation of solid pressure medium deformation apparatus, designed to perform controlled rock deformation experiments on large volume samples (5mm diameter, 10mm long) up to 4GPa confining pressure and 1100°C temperature and monitored deviatoric stress. In this apparatus, where P and S elastic wave velocities can be measured in situ contemporaneously to deformation, metamorphic reactions can be monitored during strain, and feed-back between strain rates, reaction rates and development of textures can be quantitatively assessed. Elastic wave propagation will indeed be used as a non-destructive technique to track mineral reaction extent, in order to describe the exact σ-P-T envelopes of the phase transitions by combining the rock mechanics approach (plastic yield envelopes in the σ-P domain) with the thermodynamics and petrology approach (PT plots of mineral stability field). Relationships between reaction overstepping, strain rates and reaction kinetics will also be explored by varying strain rates and distance to expected equilibrium conditions. Experimental results will be complemented by thermo-dynamic modeling of reactions and elastic properties of minerals and post-mortem microstructural analysis (Raman, SEM, EBSD). Three distinct, first order metamorphic reactions, occurring at depth in convergent settings and expected to have significant impact on elastic wave propagation will be studied experimentally within the course of this PhD. project: Melting of the continental crust, with the muscovite-dehydration melting, Mantle dehydration with the antigorite-out reaction. Olivine α to spinel structure transition in the Germanate system As a by-product of this study, experimental data on S and P waves velocities will be acquired in realistic conditions and on complex assemblages, such values being so far derived from modeling or extrapolation of data acquired at lower pressures at least. This could have a first order impact on interpretation of tomography images in the convergent zones where the two mentioned reaction are inferred to occur, and therefore reach an even broader community.