Activités scientifiques

**Sommaire :

Caractérisation des microstructures obtenues par déformation expérimentale à différentes vitesses
 Fracturation du granite du Sidobre en compression triaxiale.
 Essais en cisaillement à vitesse rapide (sismique) de gouge de composition variée.

Structures et mécanismes de déformation dans les failles actives.
 Faille de Chelungpu (Taiwan).
 Faille de Nojima (Japan).
 Fluage lent des serpentines dans la faille de San Andreas (Californie).

Autres activités scientifiques
 Le message des olivines dans les kimberlites.
 Déformation alpine des Massifs Cristallins Externes.

**Caractérisation des microstructures obtenues par déformation expérimentale à différentes vitesses.

***Fracturation du granite du Sidobre en compression triaxiale.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du Master 2 de Hilary Dyer en réutilisant des échantillons déformés par David Amitrano (thèse, 1998). Hilary a étudié deux paramètres pour caractériser la fracturation : le coefficient de Hurst (H) qui décrit la rugosité des plans de fracture et la distribution des tailles de grains (D). Si D augmente progressivement avec la déformation totale subie par la gouge, H ne montre pas de relation spatiale claire avec l’état de déformation. Publication A60

Image en microscopie optique en lumière polarisée analysé
Granite du Sidobre déformé sous 40 MPa de pression de confinement. La contrainte compressive maximale est horizontale). La zone de cisaillement se forme par coalescence de microfractures de mode I délimitant des grains allongés qui tournent dans la zone de cisaillement et sont fracturés. La taille de grains diminue ainsi progressivement (Dyer et al., JSG, 2012)
Dyer et al., JSG, 2012

***Essais en cisaillement à vitesse rapide (sismique) de gouge de composition variée.

Ce volet a été initié dans notre équipe par Sébastien Boutareaud qui a séjourné dans le laboratoire de Toshi Shimamoto au Japon. Pendant sa thèse, il a déformé des gouges riches en argiles dans lesquelles il a produit des microstructures très particulières (CCA, Clay Clast Agregates, Boutareaud et al., GRL, 2008) qui ont été observés dans des failles naturelles (voir faille de Chelungpu ci-dessous) et étudiés en microscopie électronique à transmission par Muriel Andréani (Boutareaud et al., JGR, 2010).
Cette collaboration fructueuse a été poursuivie et élargie autour d’essais sur le talc et la serpentine ou une mixture serpentine + talc pour comprendre les propriétés de friction des failles telles que la San Andreas en Californie (Boutareaud et al., JGR, 2012 ; Doan et al., en préparation).
Publication A54 et A59

Clichés MEB en électrons rétrodiffusés de gouges expérimentales
Clichés MEB en électrons rétrodiffusés de gouges expérimentales de talc de talc déformées en conditions humides (gauche) et sèches (droite). La zone de glissement principale est indiquée par une flèche rouge et la barre verte localise les échantillons MET (Boutareaud et al., JGR, 2012)
Boutareaud et al., JGR (2012)

**Structures et mécanismes de déformation dans les failles actives.

Les récents programmes internationaux de forage à travers les failles actives après un grand tremblement de terre ont fait considérablement progresser nos connaissance sur l’architecture des zones de failles. Dans un chapitre du livre dédié à Rick Sibson, je résume l’apport des forages japonais (faille de Nojima, Kobé, 1995) et taiwanais (faille de Chelungpu, Chi-Chi, 1999).
Publication C14

***Faille de Chelungpu (Taiwan).

Le séisme de Chi-Chi (1999) s’est produit sur la faille chevauchante de Chelungpu. Le déplacement a atteint 8m dans la partie nord de la rupture. Les caractéristiques de ce séisme suggèrent des propriétés particulières de la zone de faille (adoucissement important). Le projet international TCDP (Taiwan Chelungpu-fault Drilling Program) a permis deux forages carottés qui ont recoupé plusieurs zones de faille. La zone de glissement du séisme de Chi-Chi a été placée à 1111m de profondeur (forage A) et à 1136m de profondeur (forage B). Une étude de ces deux zones de failles a été réalisée en collaboration avec une équipe de la National Taiwan University (professeur Sheng-Rong Song). Cette collaboration s’inscrit dans le cadre du Laboratoire International Associé France-Taiwan ADEPT et elle a été financée par l’ANR ACTS-Taiwan (coordinateur S. Lallemand).
Publications A51, A53, A57, A58 et C14

Microstructures de la gouge correspondant au séisme de Chi-Chi
a) Aspect général montrant les clastes qui sont soit monominéraux (Q : Quartz) soit polyminéraux (G : fragments de gouges plus anciennes). Lumière polarisée (LP). b) Grand claste de gouge montrant une schistosité interne. LP. c) "Clay-clast aggregate" (CCA, Boutareaud et al., 2008) présentant un coeur de quartz arrondi et un cortex d’argiles plus sombre. LP. d) Idem avec une lame d’onde en lumière polarisée analysée (LPA + lambda) montrant la disposition concentrique des argiles du cortex. (Publication A51)
Anne-Marie Boullier

***Faille de Nojima (Japan).

Un an après le séisme de Kobé (1995), le Service Géologique du Japon a réalisé un forage qui a recoupé la faille de Nojima vers 625m de profondeur dans une granodiorite homogène. Nous avons étudié les structures liées aux différents épisodes de déformation et de circulation de fluides dans la zone de faille. Ainsi il est possible d’attribuer certaines structures à une déformation lente (asismique), résultant essentiellement de mécanismes de dissolution-cristallisation et assistée par une microfracturation, et d’autres structures comme des pseudotachylytes à une déformation rapide (sismique). Les fluides jouent un rôle important dans les deux cas, soit comme agent de transfert par diffusion (déformation asismique), soit comme agent de transfert par advection lors de leur redistribution lors des séismes. Deux périodes d’activité de la faille ont été mises en évidence. La première, antérieure au dépôt du Groupe de Kobé dont la base a été datée à 40 Ma, est accompagnée d’une altération hydrothermale à laumontite essentiellement. La seconde, récente (<2,5 Ma), est caractérisée par la circulation de fluides saturés en carbonates.
Publications A37->article1218#A37], A40, A43, A48, A49, A50 et C14

Microstructures observées dans les échantillons du forage Hirabayashi (GSJ, Japon)
a) Pseudotachylyte. Noter les structures de flux dans le niveau marron foncé (LP). b) Fragment de pseudotachylyte inclus dans une ultracataclasite et contenant de nombreuses inclusions fluides riches en CO2 (LP). c) Scan d’une lame mince située sous la faille et montrant une zone de cisaillement inverse riche en argiles deformant des veines de carbonates (flêches). d) Detail de la zone de cisaillement précédente montrant l’orientation des argiles en plans C/S (LPA). (publications A37 et C14)
Anne-Marie Boullier

Un échantillon représentatif de granodiorite situé à 51,3 m du coeur de la faille et macroscopiquement non déformé a été étudié en EBSD (Electron Back-Scattered Diffraction) et en microdiffraction Laue des rayons X. De nombreuses microfractures et une fragmentation locale sont attribuées à la première période d’activité sismique sur la faille. Les deux méthodes d’investigation montrent des désorientations cristallographiques de faible amplitude et longueur d’onde associées aux microfractures. Les microfractures de déformation du quartz sont symptomatiques du régime de transition fragile-ductile dans lequel une déformation plastique et fragile alterne avec des mécanismes de dissolution-cristallisation à 3.7–11.1 km de profondeur. Des contraintes résiduelles sont calculées. La distribution de la contrainte de von Mises montre un mode à 100 MPa et une moyenne de 141 MPa. Nous relions ces valeurs élevées au dommage dynamique lié à la propagation de fronts de rupture ou d’ondes sismiques en profondeur où la pression de confinement empêche la pulvérisation.
Publication A67

***Fluage lent des serpentines dans la faille de San Andreas (Californie).

Les failles du réseau californien recoupent localement des massifs de serpentinites. Dans la faille de Santa Ynez en particulier, une schistosité a été observée dans des gouges de serpentinites. Cette schistosité est définie par des fibres de chrysotile très fortement orientées. Un mécanisme de dissolution-diffusion-cristallisation a été proposé pour expliquer la formation de cette schistosité. Ce mécanisme de fluage lent pourrait expliquer la partition sismique-asismique des segments de failles du réseau californien.
Les veines de minéraux serpentineux nous renseignent aussi sur le comportement mécanique des roches : vitesses d’ouverture et de colmatage, transfert de matière. La très petite dimension de l’ouverture des microfractures et les effets capillaires faciliteraient le transfert de matière par diffusion entre la matrice et la veine. Les propriétés statisitiques des incréments de croissance dans les veines en "crack-seal" se propagent de façon sub-critique, et pourraient représenter les variations fossiles de relâchement des contraintes (moins de 50 bars).
Ce travail a été réalisé dans le cadre de la thèse de Muriel Andréani.
Publications A42, A44, A46 et C12

Microstructures des serpentines de Californie
Microstructures observées en LPA dans une gouge de serpentinites de la faille de Santa Ynes (réseau de la faille de San Andreas, Californie, publication A44). (a) Plans de cisaillement localisé (Y). (b) Schsitosité (S) définie par des recristallisations de chrysotile et par des oxydes.
Andréani M. et al., JSG, 2004

**Autres activités scientifiques

***Le message des olivines dans les kimberlites.

L’étude des échantillons frais de kimberlites du Groenland montre que l’essentiel des olivines sont des xénocristaux provenant d’un manteau dunitique. Les nodules d’olivine montrent des structures symptomatiques d’une déformation plastique rapide à haute température. La dunitisation du manteau et sa déformation sont reliées au mécanisme de genèse et de remontée rapide du magma kimberlitique.
Publications A45, A53, A64 et A65

Micro-nodule dunitique dans une kimberlite
Microphotographie en LPA d’un nodule dunitique dans une kimberlite du Groenland (publications A45 et A52). Noter les trois types de cristaux d’olivine : les prophyroclastes à nombreux sous-joints serrés, les petits cristaux en mosaïque (en bas à gauche) et les tablettes automorphes non-déformées qui ont cristallisé pendant la remontée très rapide de la kimberlite vers la surface.
Anne-Marie Boullier

Microphotographie en LPA d’un nodule dunitique dans une kimberlite du Groenland (publications A45 et A52). Noter les trois types de cristaux d’olivine : les prophyroclastes à nombreux sous-joints serrés, les petits cristaux en mosaïque (en bas à gauche) et les tablettes automorphes non-déformées qui ont cristallisé pendant la remontée très rapide de la kimberlite vers la surface.

***Déformation alpine des Massifs Cristallins Externes.

Publications A39, A47, A54 et C13