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.