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Theses Year : 1997

La déformation mécano-chimique dans la croûte supérieure terrestre . Exemples de processus couplés et de systèmes auto-organisés

Abstract

In the Earth's upper crust, deformation and compaction processes originate from interactions between mechanical and chemical processes. In such processes, the presence of water, in the pore space or at the grain contacts, is a necessary condition. Deformation processes as different as indented pebbles and grains, stylolites, dolomitization fronts, karsts, or compaction of aggregates in sedimentary basins or in fault zones may be observed. To understand such processes, I have pursued analytical and experimental studies at various scales. At the nanometer scale, I show that the interface between two minerals can trap a confined water film, whose stability depends on the coupling between an osmotic pressure and a Debye-Hückel double layer effect. At the microscopic scale, the contact between two grains under stress can self-organize in actual contacts that support the stress, and fluid inclusions. At this scale, the process of stress-enhanced dissolution (i.e. pressure solution creep) can be divided into three successive steps: 1) dissolution along the grain interface, controlled by stress; 2) diffusion of solutes towards the pore space; 3) precipitation of the free pore surface. The slowest of these steps imposes the overall deformation rate. At a mesoscopic scale, I propose a compaction model for sediments, where the rock is modeled as an aggregate of truncated spheres, representing individual grains. This model can fit porosity-depth data in quartz-rich sedimentary basins. Finally, at the macroscopic scale, when a reactive fluid circulates in a porous medium, a dissolution-transport instability can emerge, leading to the formation of unstable dissolution channels. I have reproduced experimentally this instability and showed that a reaction front can localize dissolution, and eventually deformation.
Dans la croûte supérieure terrestre, les processus de déformation et de compaction se développent avec des interactions entre les mécanismes physiques et chimiques dans lesquels la présence d'un fluide, à l'intérieur des pores ou dans les interfaces solide / solide, est une condition nécessaire. Cette déformation se traduit dans la nature aussi bien par les stylolites, les minéraux indentés, les galets impressionnés ou la compaction des roches sédimentaires durant l'enfouissement, que par les karsts ou les fronts de dolomitisation à géométrie complexe. Pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la déformation mécano-chimique, l'étude est menée à différentes échelles. A une échelle nanoscopique, il est montré que les interfaces entre deux minéraux peuvent contenir un film fluide piégé dont la stabilité est assurée par le couplage entre un effet de pression osmotique et un effet de double couche électrique de Debye-Hückel. A une échelle microscopique, on observe que la surface de contact entre deux grains peut s'auto-organiser en contacts réels, qui piègent un film fluide, et en inclusions, qui contiennent un fluide libre. A cette échelle, le processus de dissolution-cristallisation sous contrainte se divise en trois étapes successives: 1) dissolution à l'interface entre deux grains activée par une augmentation locale de contrainte; 2) diffusion des solutés vers le pore le long du film fluide piégé; 3) cristallisation sur la surface du pore. L'étape la plus lente impose le taux de déformation et on peut relier taux de déformation et paramètres de cette déformation. A une échelle mésoscopique, on propose un modèle de compaction par dissolution-cristallisation sous contrainte où la roche est représentée comme un empilement cubique de grains dont la géométrie est une sphère tronquée. Enfin, à une échelle macroscopique, lorsqu'un fluide réactif circule dans un milieu poreux, un phénomène d'instabilité est reproduit expérimentalement et numériquement. On montre alors qu'un front de réaction peut être à l'origine d'une localisation de la dissolution puis de la déformation.
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Dates and versions

tel-00498542 , version 1 (07-07-2010)

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  • HAL Id : tel-00498542 , version 1

Cite

Francois Renard. La déformation mécano-chimique dans la croûte supérieure terrestre . Exemples de processus couplés et de systèmes auto-organisés. Tectonique. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 1997. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00498542⟩
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