Deformation des roches multiphasées des zones de subduction – MADISON

Les zones de subduction sont des régions de la Terre extraordinairement complexes, où deux plaques tectoniques convergent, l’une plongeant sous l’autre. Elles concentrent la majeure partie des activités sismiques et volcaniques. Elles sont un aspect majeur de la tectonique des plaques, la partie descendante la convection terrestre, et l’un des styles de dynamique des planètes de notre système solaire. Les zones de subduction sont donc un objet crucial pour comprendre la machine terre aux échelles de temps géologique et humaine. Modéliser l’évolution de la terre à travers les temps géologiques, comprendre comment fonctionne la subduction à l’échelle régionale et planétaire, sa mécanique depuis les séismes jusqu’à la convection, nécessite de quantifier la viscosité des roches.
MADISON apportera des observations novatrices et des quantifications des mécanismes de déformation des roches des zones de subduction, de l’échelle du cristal à l’agrégat polycristallin, en couplant trois approches complémentaires : expériences, modélisation, observations naturelles.
Le degré de couplage mécanique dans la zone de cisaillement majeure à l’interface entre la plaque en subduction et le coin de manteau surplombant a des conséquences majeures sur toute la dynamique de la zone de subduction. Il influence la convection locale, les flux thermiques, et la profondeur à laquelle les minéraux hydratés de la plaque en subduction relâchent leurs fluides, provoquant fusion partielle et volcanisme. Les localisations et magnitudes des séismes dépendent aussi de l’existence d’aspérités mécaniques (roche moins déformable) et de leur localisation dans la zone de subduction.
La composition minéralogique a une influence majeure sur la viscosité des roches et leurs mécanismes de déformation. Les trois roches cibles de ce projet sont situées à l’interface entre la plaque plongeante et le coin de manteau et suspectées de jouer un rôle important : la péridotite du manteau que des circulations de fluides ont partiellement serpentinisée, la croûte océanique transformée en assemblages minéralogiques schistes bleus et éclogites.
Les minéraux constituant les roches ont des propriétés plastiques et élastiques intrinsèques différentes. L’augmentation de la pression et la température lors de la subduction modifie également ces propriétés. La spécificité de MADISON est de prendre en compte ces propriétés mécaniques différentes et d’étudier leur influence, alors qu’une approche courante est de considérer que le minéral le plus abondant contrôle la déformation. Elle sera aussi de mesurer ces propriétés aux conditions de P et T pertinentes.
Nous effectuerons des expériences de déformation d’échantillons biphasés, modèles des roches cibles. Ces expériences à l’état de l’art utiliseront le rayonnement X synchrotron pour des mesures in situ et résolues en temps, telles que la tomographie et la diffraction de rayons X (DRX), sous haute pression et haute température. Nous étudierons avec une résolution temporelle sans précédent l’évolution des microstructures et du partitionnement de la contrainte, de la déformation et les mécanismes de déformations, en fonction de la minéralogie, P, T, taux de déformation et vitesse de déformation, … Des modèles par élément finis avec une description physique de plasticité cristalline (CPFEM), basés sur les microstructures expérimentales par tomographies, reproduiront le champ complet des déformations et des contraintes dans nos roches modèles et nous permettront de pousser une compréhension et une quantification physique des processus. Les déformations résiduelles de maille cristalline qui constituent un témoin des contraintes subies, seront analysées dans des roches des zones de subduction et les échantillons expérimentaux par des méthodes nouvelles de DRX, puis comparées. L’intégration des différentes approches permettra une nouvelle vision des mécanismes de déformation des roches polyphasées.