Characterization of brittle deformation in geological composite materials (felsic mylonites and layered sedimentary rocks) and estimation of paleostresses

La rhéologie des roches polyphasées (par exemple, les roches polyminérales et les roches sédimentaires stratifiées) est devenue l'un des domaines de recherche les plus dynamiques des sciences de la Terre au cours des 25 dernières années. Cependant, les processus de déformation des matériaux composites géologiques sont compliqués car les composants compétents et incompétents ont tendance à se déformer de différentes manières sous les mêmes conditions de température et de pression. La déformation fragile des composants compétents est généralement contrôlée par la déformation ductile des composants incompétents dans lesquels ils sont encastrés. Par conséquent, la déformation fragile et les microstructures résultantes des composants compétents contiennent des informations importantes pour interpréter les propriétés mécaniques et le comportement rhéologique de leurs matériaux incompétents environnants, ainsi que des informations sur l'amplitude de la contrainte géologique. Sur la base de mesures et d'analyses sur la caractérisation de la déformation fragile dans les gneiss et mylonites felsiques, et les roches sédimentaires intercalées, la présente étude vise à trouver des piézomètres appropriés pour estimer les contraintes différentielles dans les matériaux composites géologiques de la croûte terrestre. Cette thèse se compose de cinq chapitres. Le chapitre 1 introduit les concepts de base de la mécanique des milieux continus et les modèles mécaniques pour décrire les processus de déformation des matériaux composites géologiques. Dans ce cadre, chaque aspect lié à la déformation des matériaux composites géologiques, les méthodes de mesure de la contrainte, de la déformation et de la vitesse de déformation, les divers mécanismes de déformation et les structures correspondantes, la mécanique de la rupture, la loi d'écoulement et les modèles mécaniques existants sont brièvement présentés avec une revue critique. Le chapitre 2 traite des données de micro-boudinage de tourmaline mesurées à partir d'échantillons de gneiss granitique et de mylonite felsique des zones de cisaillement Gaoligong et Chongshan dans le Province de Yunnan, dans le sud-ouest de la Chine. Après avoir examiné de manière critique le piézomètre construit sur le modèle de fracturation à mi-parcours, un nouveau piézomètre de micro-boudinage est développé sur la base du modèle de transfert de contrainte induite par cisaillement interfacial. Le nouveau piézomètre de micro-boudinage a une forme simple: τ =0.25C/(L/W), où τ est la contrainte d'écoulement de cisaillement de la matrice ductile (par exemple, le quartz polycristallin), C représente la résistance à la rupture par traction d'un minéral colonnaire (par exemple, tourmaline), et L et W sont la longueur et largeur du micro- boudin, respectivement. En prenant la résistance à la traction de la tourmaline C=145 MPa comme la valeur estimée, l'application du piézomètre sur les échantillons des zones de cisaillement de Gaoligong donne des contraintes d'écoulement de cisaillement de 21-61 MPa pour les gneiss granitiques et les mylonites felsiques. Les micro-boudins formés plus tôt ont des rapports longueur/largeur moyens toujours plus élevés que ceux formés plus tard, ce qui suggère que les roches ont enregistré une histoire tectonique de durcissement continu avant la cessation de la plasticité du quartz. L'application du piézomètre sur des échantillons de la zone de cisaillement de Chongshan, combinée à des observations microstructurales, des estimations indépendantes de la température de déformation, des âges géochronologiques précis de divers systèmes isotopiques et des données géophysiques régionales, fournissent des informations sur les taux de déformation, les contraintes différentielles et leurs corrélations avec la température et la profondeur correspondante pour la matrice de quartz polycristallin. Les contraintes différentielles calibrées par cette loi d'écoulement sont encadrées par les bornes inférieures et supérieure obtenues respectivement par Luan et Paterson (1992) et Gleason et Tullis (1995), et sont très proches de la moyenne géométrique de ces deux bornes. Le chapitre 3 vise à étendre l'applicabilité du piézomètre de micro-boudinage établi à base de tourmaline à d'autres minéraux. Le feldspath, en tant que l'un des minéraux les plus abondants dans la croûte, présente généralement un comportement fragile dans une matrice déformée plastiquement dans les conditions du faciès des schistes verts, ce qui en fait un excellent choix pour l'expansion du piézomètre. Différent des micro-boudins de tourmaline de forme régulière, les micro-boudins de feldspath sont traités comme des fibres circulaires-tronquées-coniques dans l'analyse mécanique. Un piézomètre de micro-boudinage de feldspath est établi avec la résistance à la traction estimée du feldspath. Nous appliquons le piézomètre sur des échantillons de mylonite granitique, dans lesquels des micro-boudins de feldspath incrustés dans la matrice ductile de quartz, provenant des zones de cisaillement de la rivière Rouge, de Chongshan et de Gaoligong dans le Yunnan, dans le sud-ouest de la Chine. Les contraintes différentielles estimées à partir des micro-boudins de feldspath formés plus tard sont plus importantes que celles formées plus tôt, représentant une évolution au cours de l'exhumation de la mylonite vers le haut de la transition cassante-ductile. Les résultats du piézomètre à micro-boudinage à feldspath et du piézomètre à quartz recristallisé sont largement cohérents dans la plage d'incertitudes. Le piézomètre de micro-boudinage, combiné aux résultats des mesures de déformation finie, aux estimations de température de déformation et aux données thermochronologiques, offre des informations assez précieuses sur les propriétés rhéologiques des roches felsiques déformées. Le chapitre 4 rapporte la caractérisation de deux types de joints orthogonaux (réseau en échelle et système de grille de fractures) dans des roches sédimentaires stratifiées à Sainte-Anne-des-Monts, (Québec, Canada), Ausable Chasm (NY, USA) et Beauharnois (Québec, Canada), et propose une nouvelle interprétation pour la formation des joints orthogonaux de type grille de verrouillage. Les relations entre l'espacement des joints (s) et l'épaisseur du lit (t) des joints systématiques et des joints croisés dans les lits de grès de la Formation de la Tourelle dans la région de Sainte- Anne-des-Monts sont étudiées. Sur la base d'une analyse avec le modèle de transfert de contrainte de fracturation proche de l'extrémité, une loi de puissance: s=mt1-1/k est proposée pour la relation entre s et t, où m est égal à la moitié du rapport de la résistance à la traction de la couche à la contrainte de cisaillement d'interface, et k est le module de Weibull. Avec la valeur m, la contrainte de cisaillement prévalant dans le schiste peut être calculée si la résistance à la traction du grès a été déterminée expérimentalement. La valeur m est significativement plus grande pour les joints croisés que pour les joints systématiques, ce qui indique que la contrainte de cisaillement interfaciale normale aux joints systématiques était supérieure à la contrainte de cisaillement interfaciale normale aux joints croisés, d'un facteur moyen de 3.1, au cours de leurs formations. Sur la base de l'investigation anatomique des joints orthogonaux de type grille de verrouillage dans le grès de Potsdam d'âge cambrien à Ausable Chasm (NY, USA) et Beauharnois (Québec, Canada), une nouvelle interprétation est proposée selon laquelle les joints orthogonaux verticaux peuvent résulter de la effets auxétiques du grès riche en quartz en l'absence de rotation des contraintes locales ou régionales. Dans les terrains de grès à plat avec des joints orthogonaux verticaux largement espacés et étroitement espacés, σ2* et σ3* sont respectivement en traction et perpendiculaires à des ensembles largement espacés et étroitement espacés, alors que la contrainte verticale (pression de surcharge) est toujours compressive (σ1), au moment de la fracturation. Le rapport d'aspect des blocs de grès délimités par des joints orthogonaux est corrélé à la valeur du coefficient de Poisson négatif du grès. Le chapitre 5 est une discussion générale reliant les résultats et les interprétations des chapitres précédents et enfin le chapitre 6 expose brièvement les principales conclusions de la présente étude et énumère les travaux qui devraient être menés à l'avenir.

Abstract

Rheology of polyphase rocks (e.g., polymineralic rocks and layered rock terrains) has become one of the most active frontiers of Earth sciences during the last 25 years. However, the deformation processes of geological composite materials are complicated because competent and incompetent components tend to deform in different manners under the same temperature and pressure conditions. Brittle deformation in competent components is generally controlled by ductile deformation of the incompetent components in which they embedded. Therefore, brittle deformation and resultant microstructures in competent components bear significant information for interpreting the mechanical properties and deformation behavior of their surrounding incompetent materials, as well as information for the stress magnitude. Based on measurements and analysis on characterization of the brittle deformation in felsic gneisses, mylonites and interlayered sedimentary rocks, the present study aims to find out proper piezometers to estimate the differential stresses prevailing in geological composite materials and to explore their applications on calibrating the paleostresses for the rocks deformed in the Earth's crust. This dissertation consists of five chapters. Chapter 1 introduces basic concepts in continuum mechanics and the mechanical models for describing the deformation processes of geological composite materials. Under this framework, each aspect related to deformation of geological composite materials, measurement methods of stress, strain and strain rate, various deformation mechanisms and corresponding structures, fracture mechanics, flow law, and the existing mechanical models, are introduced in detail with critical review. Chapter 2 deals with tourmaline microboudin data measured from felsic gneiss and mylonite samples from the Gaoligong and Chongshan shear zones in Yunnan, Southwest China. After critically reviewing the piezometer built on the mid-point fracturing model, a new microboudinage piezometer is developed based on interfacial shear-induced near-end fracturing stress transfer model. The new microboudinage piezometer has a simple form: τ =0.25C/(L/W), where τ is the shear flow stress of the ductile matrix (e.g., polycrystalline quartz), C is the tensile fracture strength of a columnar mineral (e.g., tourmaline), and L/W is the length/width ratio of the microboudin. Taking tourmaline tensile strength C=145 MPa as estimated, the application of the piezometer on the samples from the Gaoligong shear zones yields the shear flow stresses of 21- 61 MPa for felsic gneisses and mylonites. The earlier formed microboudins have consistently larger mean length/width ratios than the later formed ones, suggesting that the rocks recorded a tectonic history of continuous hardening prior to the cessation of quartz plasticity. Meanwhile, application of the piezometer on samples from the Chongshan shear zone, combined with microstructural observations, independent estimates of deformation temperature, accurate geochronological ages of various isotopic systems and regional geophysical data, provides constraints on strain rates, differential stresses and their correlations with temperature and corresponding depth for the polycrystalline quartz matrix. The differential stresses calibrated by this flow law are bracketed by the lower and upper bounds obtained by Luan and Paterson (1992) and Gleason and Tullis (1995), respectively, and are very close to the geometrical mean of these bounds. Chapter 3 aims to expand the applicability of the microboudinage piezometer established based on tourmaline to other minerals. Feldspar, as one of the most abundant minerals in the crust, commonly exhibits brittle behavior in plastically deformed matrix under the greenschist-facies conditions, which makes it an excellent selection for the expansion of the piezometer. Different from the tourmaline microboudins with regular shape, the feldspar microboudins are treated as a circular-truncated-conical fibers in the mechanical analysis. A feldspar microboudinage piezometer is established with the estimated tensile strength of feldspar. We apply the piezometer on granitic mylonite samples, in which feldspar microboudins embedded in the ductile matrix of quartz, from the Red River, Chongshan and Gaoligong shear zones in Yunnan, Southwest China. The differential stresses estimated from the later formed feldspar microboudins are larger than the earlier formed ones, depicting an evolution during exhumation of the mylonite upwards the brittle-ductile transition. The results from the feldspar microboudinage piezometer and the quartz recrystallized grain-size piezometer are largely consistent within the range of uncertainties. The microboudinage piezometer, combined with results of finite strain measurements, deformation temperature estimates, and thermochronological data, offers valuable information about rheological properties of deformed felsic rocks. Chapter 4 reports the characterization of two types of orthogonal joints (ladder-pattern network and fracture grid-lock system) in layered sedimentary rocks in Sainte-Anne-des-Monts, (Quebec, Canada), Ausable Chasm (NY, USA) and Beauharnois (Quebec, Canada), and proposes a new interpretation for the formation of the grid-lock type orthogonal joints. Joint spacing (s)-bed thickness (t) relationships of the ladder-pattern systematic and cross joints in the sandstone beds of the Tourelle Formation in the region of Sainte-Anne-des-Monts are investigated. Based on analysis with the near-end fracturing stress transfer model, a power law: s=mt1-1/k is proposed for the s-t relationship, where m equals half the ratio of layer tensile strength to interface shear stress, and k is the Weibull modulus. With the m value, the shear stress prevailing in shale can be calculated if the tensile strength of sandstone has been experimentally determined. The m value is significantly larger for cross joints than systematic joints, indicating that the interfacial shear stress normal to systematic joints was higher than the interfacial shear stress normal to cross joints, by a mean factor of 3.1, during their formations. Based on the anatomic investigation on the grid-lock type orthogonal joints in the Potsdam sandstone of Cambrian age at Ausable Chasm (NY, USA) and Beauharnois (Quebec, Canada), a new interpretation is proposed that the vertical orthogonal joints may result from the auxetic effects of quartz-rich sandstone in the absence of local or regional stress rotation. In the terrains of flat-lying sandstone with widely spaced and narrowly spaced vertical, orthogonal joints, both σ2* and σ3* are tensile and perpendicular to widely spaced and narrowly spaced sets, respectively, whereas the vertical stress (overburden pressure) is always compressive (σ1), at the time of fracturing. The aspect-ratio of sandstone blocks bounded by orthogonal joints is correlated with the value of negative Poisson's ratio of the sandstone. Chapter 5 is a general discussion linking results and interpretations of former chapters and finally Chapter 6 briefly outlines the main conclusions of the present study and lists the work that should be conducted in the future.