Thèses
Riccardo REALI: « Modélisation du fluage de minéraux du manteau inférieur: bridgmanite et (Mg, Fe)O »
Soutenue le 11 septembre 2018 devant le jury constitué de:
- Présidente :
L. Fleitout, ENS Paris
- Rapporteurs :
H.-P. Bunge, Université de Munich
O. Castelnau, ENSAM Paris
- Examinateurs :
A. Dimanov, Ecole Polytechnique
L. Dupuy, CEA Saclay
- Encadrants :
Ph. Carrez, Université de Lille
P. Cordier, Université de Lille
Résumé:
Cette thèse porte sur la déformation de deux phases minérales majeures du manteau inférieur de la Cette thèse porte sur la déformation de deux phases minérales majeures du manteau inférieur de la Terre : la bridgmanite et (Mg,Fe)O. Ils représentent près de 95% du manteau inférieur, et leur rhéologie est de première importance en vue de mieux comprendre la convection mantellique.
La rhéologie de ces phases a été modélisée grâce à l’utilisation de techniques de calcul numériques et analytiques afin de déterminer leur réponse en fluage (c’est-à-dire l’écoulement stationnaire sous une charge constante).
Les agents pertinents de la déformation en fluage sont identifiés et leur comportement est modélisé à l’échelle du cristal. Les dislocations étant les porteurs principaux de la déformation plastique, le fluage a donc été modélisé comme résultant du glissement et/ou de la montée (contrôlée par la diffusion) des dislocations.
Le fluage de (Mg,Fe)O résulte d’une combinaison de glissement et de montée des dislocations. Afin de modéliser ce comportement à l’échelle mésoscopique, une technique de dynamique des dislocations 2,5D a été employée. Dans (Mg,Fe)O, le glissement des dislocations est responsable de la déformation plastique, mais la vitesse de fluage est contrôlée par la montée. Nos calculs de vitesses de fluage permettent d’estimer la viscosité de (Mg,Fe)O dans les conditions des couches profondes du manteau inférieur.
Pour la bridgmanite, nous proposons un fluage impliquant la montée pure des dislocations dont la vitesse de fluage est calculée sur la base d’un modèle analytique de la littérature. Nous en déduisons la vitesse de fluage de la bridgmanite le long d’un géotherme, valeurs que l’on peut comparer aux observables disponibles actuellement.
Srinivasan MAHENDRAN: « Modélisation numérique des propriétés de cœurs de dislocations dans l'olivine Mg2SiO4»
Soutenue le 3 juillet 2018 devant le jury constitué de:
- Présidente :
A. Tommasi, Université de Montpellier 2
- Rapporteurs :
S. Brochard, Université de Poitiers
S. Scandolo, International Centre for Theoretical Physics, Trieste
- Examinateurs :
A. Walker, University of Leeds
- Encadrants :
Ph. Carrez, Université de Lille
P. Cordier, Université de Lille
Résumé:
Il est aujourd’hui largement accepté que les mécanismes de convection mantellique dans le manteau supérieur sont reliés aux propriétés plastiques de l’olivine constituant principale du manteau supérieur. Ce minéral, un silicate de composition (Mg,Fe)2SiO4, se déforme essentiellement par glissement de dislocations de vecteurs de Burgers [100] et [001]. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons donc choisi de modéliser les propriétés de ces dislocations ainsi que les systèmes de glissement potentiels de l’olivine à partir de calculs à l’échelle atomique. L’ensemble des calculs ont été effectués à l’aide du potentiel THB1. Une fois les structures de cœurs des défauts déterminées, les paysages énergétiques associés au glissement des dislocations ont été analysés par la méthode « Nudge Elastic Band ». A basse pression, la modélisation atomique montre que les systèmes [100](010) et [001]110 correspondent aux systèmes de glissement primaires de l’olivine. L’étude des paysages énergétiques des dislocations nous permet de plus de rationaliser les observations expérimentales de « pencil glide » reportées dans l’olivine depuis les années 70 et de proposer un mécanisme original de blocage-déblocage pour le glissement des dislocations de vecteurs de Burgers [001]. Enfin, l’application de ce type de modélisation aux conditions de pression du manteau supérieur (0-10 GPa) confirme l’existence d’un effet de durcissement de la pression sur le glissement des dislocations de vecteur de Burgers [100].
Alexandra M. GORYAEVA: « Modélisation à l’échelle atomique des dislocations et de la plasticité dans la post-perovskite MgSiO3»
Thèse distinguée par le prix Haüy-Lacroix 2017 de la SFMC
Soutenue le 6 Décembre 2016 devant le jury constitué de:
- Présidente :
A. Tommasi, Université de Montpellier 2
- Rapporteurs :
J.P. Brodholt, University College London
L. Pizzagalli, Université de Poitiers
- Examinateurs :
M.D. Long, Yale University
P.J. Tackley, ETH Zurich
- Encadrants :
Ph. Carrez, Université de Lille
P. Cordier, Université de Lille
Résumé:
La couche D" située à la frontière manteau-noyau est une région des plus complexes caractérisée en particulier par une forte anisotropie à différentes échelles. Inaccessible de par sa profondeur et caractérisée par des conditions de pression et de température extrêmes (au delà de 120 GPa et 2000 K), l’étude de cette région de la Terre représente un défi majeur qui ne peut être abordé qu’au travers de quelques observables géophysiques et d’expériences de hautes pressions qui mènent parfois à des résultats contradictoires. En particulier, les causes de la forte anisotropie sismique de D" sont toujours l’objet de débats (orientations préférentielles de cristaux (CPO) ou d’inclusions, hétérogénéités thermo-chimiques,…). La contribution de l’orientation préférentielle des cristaux à l’anisotropie reste cependant une piste privilégiée compte-tenu de la structure très anisotrope de la post-perovskite. De plus, la couche D" est une couche limite thermique à l’interface entre le noyau constitué d’un alliage de fer liquide et le manteau inférieur constitué de silicates solides mais au comportement visqueux. Les propriétés physiques de D" sont donc particulièrement importantes pour comprendre les transferts thermiques en provenance du noyau et leur contribution à la convection mantellique. Ce phénomène implique l’écoulement plastique de roches contrôlé par le déplacement de défauts cristallins. Cependant, pour la post-perovskite, les informations concernant les propriétés mécaniques, les systèmes de glissement majeurs ou les défauts sont extrêmement parcellaires. Pour ces phases de hautes pressions, la modélisation numérique représente une approche de choix pour obtenir des informations sur les mécanismes de déformations élémentaires difficiles à obtenir par voie expérimentale. Le but de ce travail est d ‘étudier à l’échelle atomique les défauts majeurs de la post-perovskite MgSiO3 (dislocations [100], [001] et ½[110]) ainsi que leurs mobilités afin d’évaluer la capacité de cette phase à se déformer plastiquement par glissement de dislocations dans les conditions de la couche D".
Antoine KRAYCH : « Modélisation à l’échelle atomique du rôle des dislocations dans la déformation de la bridgmanite »
Soutenue le 20 Juin 2016 devant le jury constitué de:
- Président :
B. Reynard, Ecole Normale Supérieure de Lyon
- Rapporteurs :
A. Dimanov, Ecole Polytechnique
D. Rodney, Université Claude Bernard Lyon 1
- Examinateurs :
C. Lithgow-Bertelloni, University College London
L. Stixrude, University College London
- Encadrants :
Ph. Carrez, Université de Lille
P. Cordier, Université de Lille
Résumé : La déformation des roches du manteau terrestre contrôle les mécanismes de convection du manteau, qui se manifestent à notre échelle par les séismes, les volcans ou encore la tectonique des plaques. Cette étude propose une détermination de la mobilité des dislocations, et de leur rôle dans la déformation plastique de la bridgmanite, principal constituant du manteau terrestre. La structure des dislocations à l’échelle atomique détermine leur capacité à se déplacer dans un cristal, et donc à déformer le matériau. Nous accédons à la structure de ces défauts aux pressions du manteau, en les modélisant à l’échelle atomique dans des calculs de statique moléculaire. Le mécanisme de glissement thermiquement activé des dislocations dans la bridgmanite, par nucléation de doubles décrochements, est évalué en couplant un modèle continu aux propriétés fondamentales des dislocations déterminées numériquement. Ces résultats permettent d’accéder à la vitesse de glissement des dislocations aux pressions et températures du manteau terrestre. Le modèle est capable de reproduire les niveaux de contraintes soutenus par la bridgmanite lors d’expériences de déformation en laboratoire. Le modèle est également capable d’estimer l’efficacité du glissement des dislocations aux conditions du manteau, et nous permet de discuter de sa pertinence dans le cadre de la déformation du manteau terrestre.
Sebastian RITTERBEX : « Modelling the plasticity of wadsleyite and ringwoodite : On the motion of dislocations in the Earth's transition zone »
Soutenue le 3 Juin 2016 devant le jury constitué de:
- Présidente :
B. Romanowicz, Collège de France
- Rapporteurs :
S. Jahn, Universität zu Köln
D. Mainprice, Géosciences Montpellier
- Examinateurs :
A. Walker, University of Leeds
B. Schuberth, Ludwig-Maximilians-Universität München
- Encadrants :
Ph. Carrez, Université de Lille
P. Cordier, Université de Lille
Résumé : La zone de transition est située entre 410 et 660 km de profondeur dans le manteau terrestre. Bien qu'il s'agisse d'une zone assez petite en volume du manteau terrestre, son rôle peut être important pour déterminer le mode, la vigueur et l'échelle de la convection globale, par exemple par le devenir de la subduction des plaques lithospheriques. Cette convection résulte de la déformation plastique des minéraux, qui elle-même résulte du mouvement des défauts cristallins. Parmi ces défauts, les dislocations sont souvent considérées comme les agents les plus efficaces de la plasticité intracristalline. C'est pourquoi nous proposons d'étudier les mouvements des dislocations dans les principales phases de la zone de transition: la wadsleyite et la ringwoodite. Par une approche de modélisation numérique, nous avons déterminé la mobilité thermiquement activée du glissement des dislocations que l’on trouve dans les polymorphes haute-pression de l'olivine. A partir de l'échelle atomique, nous avons modélisé les propriétés de coeur des dislocations. La déformation plastique est formulée en rendant compte de la dependence intrinsèque du taux de déformation sur la mobilité des dislocations. Pour mieux comprendre les mécanismes de fluage dans la wadsleyite et la ringwoodite en conditions naturelles, on a utilisé les résultats précédemment définis sur le glissement que l’on a combiné avec la mobilité des dislocations en montée. Les résultats montrent que le glissement des dislocations est inefficace par rapport au fluage par montée dans des minéraux majeurs de la zone de transition. Cela suggère l'importance potentielle du fluage par montée, ce qui rendrait la zone de transition rhéologiquement distincte du manteau supérieur.