Déformation HP-HT des magmas siliceux : contraintes expérimentales sur l'évolution structurale et les transitions rhéologiques aux moyennes et fortes cristallinités, HP-HT deformation of silicic magmas : experimental constrains on the structural evolution and the rheological threshold at middle and high cristallinities

David Picard

Description

Sous la direction de Michel Pichavant, Laurent Arbaret
Thèse soutenue le 24 mars 2009: Orléans
Le comportement rhéologique de suspensions magmatiques synthétiques hydratées a été expérimentalement étudié en déformation coaxiale et en torsion à haute température et haute pression à l’aide d’une presse de type Paterson. Les résultats obtenus illustrent l’influence de la fraction cristalline et de la forme des cristaux sur la rhéologie et le développement des Orientations Préférentielles de Forme (OPF) des particules au sein des suspensions magmatiques. La formation d’une charpente cristalline, associée à une forte hausse de la viscosité, intervient pour des fractions solides comprises entre fs = 0,20 et 0,38 en relation avec le développement de fabriques de type pénétratif. En augmentant la fraction solide (fs = 0,50), le développement d’une fabrique pénétrative, couplé à des bandes de cisaillement bordées de gradients de déformation, engendre un adoucissement de la réponse rhéologique et une hausse moins importante de la viscosité. Pour fs = 0,58, des bandes de cisaillement de type cassant sans gradient de déformation, recoupant une suspension non déformée, apparaissent et contrôlent le fort adoucissement de la réponse rhéologique. La viscosité de la suspension n’augmente plus alors que légèrement. Au-delà de cette fraction cristalline, les suspensions étudiées montrent une forte réduction de la taille et du rapport de forme des cristaux se traduisant par une stabilisation de la réponse rhéologique en fonction de la déformation. Aucune OPF n’a pu être déterminée et une quasistabilisation de la viscosité est observée (comportement mécanique de solide). Toutes les suspensions étudiées se caractérisent par un comportement rhéologique non-Newtonien de type rhéofluidifiant. La dépendance entre le comportement rhéologique des suspensions magmatiques et le développement des microstructures doit être intégrée dans la modélisation de la mécanique des suspensions magmatiques.
-Magmas siliceux
-Déformation à haute pression et haute température
-Orientations préférentielles de forme des particules
-Presse Paterson
The rheological behaviour of synthetic hydrous magmatic suspensions has been experimentally investigated in compression and torsion at high temperatures and pressures in a Paterson press. The results illustrate the influence of the crystal fraction and of the shape of the crystals on the rheology and the Shape Preferred Orientation (SPO) of the particles. A solid particle network, associated with a strong increase of the viscosity, is generated between crystal fractions (fs) of 0.20 and 0.38, with the development of pervasive fabrics. With increasing the crystal fraction (fs = 0.50), shear bands bordered by symmetrical deformation gradients crosscut the pervasive fabric, resulting in a weakening in the rheological behaviour of the suspension. The increase of the viscosity with increasing cristallinity of the suspension becomes less important. At fs = 0.58, brittle shear bands without deformation gradients crosscut an undeformed suspension and lead to a strong weakening of the rheological behaviour which explains the small increase of the viscosity of the suspension with increasing crystal fraction. Above this crystal fraction, suspensions show a strong reduction of the crystal size and shape ratio. No SPO has been determined but the near-stabilisation of the viscosity, coupled with a stabilisation of the stress with strain, is consistent with a solid-like mechanical behaviour at these high crystallinities. All studied suspensions are characterized by a non-Newtonian, shear thinning rheological behaviour. Our results and, in particular, the dependence between the rheological behaviour and the development of crystal microstructures, need to be integrated in mechanical models of magmatic suspensions.
-Silicic magmas
-Deformation at high temperatures and pressures
-Shape preferred orientation of the particles
-Paterson press
Source: http://www.theses.fr/2009ORLE2010/document

Informations

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• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 28 Mo

Extrait

UNIVERSITÉ D’ORLÉANS



ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Institut des Sciences de la Terre d’Orléans

THÈSE présentée par :
David PICARD

soutenue le : 24 mars 2009


pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans
Discipline : Processus Magmatiques et Métamorphiques - Volcanologie


Déformation HP-HT des magmas siliceux :
contraintes expérimentales sur l’évolution
structurale et les transitions rhéologiques aux
moyennes et fortes cristallinités



THÈSE dirigée par :
M. Michel PICHAVANT Directeur de recherche, CNRS Orléans
M. Laurent ARBARET Maître de conférence (HDR), Université d’Orléans

RAPPORTEURS :
M. Nikolaï BAGDASSAROV Professeur, Université de Francfort/Main
M. Didier LAPORTE Directeur de recherche, CNRS Clermont-Ferrand

_____________________________________________________________________________________
JURY :
M. Jean-Louis BOURDIER Professeur, Université d’Orléans Président du Jury
M. Michel PICHAVANT Directeur de recherche, CNRS Orléans
M. Laurent ARBARET Maître de conférence (HDR), Université d’Orléans
M. Nikolaï BAGDASSAROV Professeur, Université de Francfort/Main
M. Didier LAPORTE Directeur de recherche, CNRS Clermont-Ferrand
M. Alexandre DIMANOV Chargé de recherche, Ecole Polytechnique de Palaiseau
M. Patrick LAUNEAU Professeur, Université de Nantes

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Déformation HP-HT des magmas siliceux :
contraintes expérimentales sur l’évolution structurale
et les transitions rhéologiques aux moyennes et fortes
cristallinités









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REMERCIEMENTS REMERCIEMENTS


Je souhaite saluer ici les personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à la
concrétisation de ce travail de thèse.

Je tiens tout d’abord à remercier mes directeurs de thèse, Michel Pichavant et Laurent
Arbaret, pour la patience dont ils ont fait preuve tout au long de ce travail de thèse mais aussi
pour l’aide et les conseils qu’ils m’ont apportés. Ils ont su me faire découvrir et apprécier de
nouveaux aspects de la pétrologie expérimentale mais aussi me motiver lors des moments
difficiles (microsonde capricieuse, séparation de cristaux à la main !). Merci à eux pour le
temps et l’énergie qu’ils m’ont consacrés ainsi que pour tout ce qu’ils m’ont appris durant ces
trois années.

Je remercie également Mrs Jean-Louis Bourdier, Nikolaï Bagdassarov, Didier Laporte,
Patrick Launeau et Alexandre Dimanov pour avoir accepté de rapporter et examiner ce travail
et pour l’intérêt qu’ils y ont porté. Merci à eux pour leurs remarques et critiques constructives
qui ont permis de faire avancer cette étude.

Je souhaite remercier vivement Rémi Champallier pour son implication dans ce travail
de longue haleine, pour son soutien et pour sa contribution très importante au bon
déroulement des manips, même si ça n’a pas été facile tous les jours (fuites diverses et
variées, load cell capricieuse). C’est grâce à ses conseils précieux tant au niveau technique
que scientifique, grâce à sa patience (et il en a fallu !) et sa disponibilité (problèmes au Gros
Vert, surveillance de manips Paterson longues…), que j’ai pu accomplir ce travail. Et pour
tout çà je l’en remercie.

Merci aux techniciens de l’atelier, Laurent Peilleron et Philippe Teulat, pour leur
disponibilité et leur bonne humeur tout au long de ces trois ans et sans qui cette thèse n’aurait
pas été aussi bien aboutie. Un grand merci à Laurent pour les efforts et le temps qu’il a
déployé, notamment dans la conception des nouvelles jaquettes.

Je remercie toute l’équipe Magma, Caroline Martel, Fabrice Gaillard, Alain Burgisseur
ainsi que Giada pour avoir réussi à me supporter tout ce temps dans le même bureau !

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Merci aussi à tous les anciens et nouveaux thésards avec qui j’ai partagé un café, un
repas et de nombreuses discussions de couloirs : Audrey, Mourad, Gerardo, Khalifa, Jérémie,
Yolaine, Yann, Mathieu, Priscille, Sébastien, Edith, Indira, Mariem, Aurore, Fred, Paul,
Nicolas et bien d’autres, Luca (merci pour toutes les discussions qu’on a eues et qui m’ont
bien aidées), Fabien, Manu (et la Manumobile), Didier, Patricia, Jean-Michel, Yannick… et
toute l’équipe de l’ISTO.

Je ne peux évidemment pas oublier de remercier Adriana, ma partenaire de fin de
rédaction, pour son soutien moral lors de la dernière ligne droite, permettant de mieux
supporter le stress qui monte. Je n’oublierai pas les retours en tram à des heures tardives ni les
pauses café de 16h !

Merci à Séverine, pour nos grandes discussions de la cantine, à Anne, ma collègue du
couloir jaune et Mouna pour avoir toujours été là quand j’en ai eu besoin et pour tous ces bons
moments passés ensemble.

Un grand merci à ceux qui ont été présents autour de moi durant ces années passées à
Orléans et notamment les anciens de Clermont, Audrey M (p’tite sœur), Nico, Ludo, Flora,
Magali, Céline, Bob, Guillaume, Nodré, Séb, Vinz mais aussi Mélanie, Anne-So, Mélody.

Merci également à toute ma famille et spécialement à mes parents pour le soutien
qu’ils m’apportent depuis toujours et qui m’a permis d’en arriver là aujourd’hui. Merci aussi
pour le pot de thèse que vous nous avez offert !

Je voudrais chaleureusement remercier ma sœur Nadège qui m’a aidé et soutenu dans
les moments difficiles (voir très difficiles), qui a consacré beaucoup de temps et d’efforts à
toute cette thèse (après la multi-enclume te voilà incollable sur la Paterson !). Tu as toujours
été présente pour moi, quel que soit les circonstances et les problèmes et je t’en remercie du
fond du cœur.

Et enfin, un immense merci à toi Virginie ! Tu t’es beaucoup investie durant ces trois
ans. Tu as su me supporter et me motiver dans les moments délicats. Tu m’as apporté tout ton
soutien et ton aide afin que ce travail aboutisse et ça me touche énormément. Alors pour tout
ça et bien plus encore, merci !


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Sommaire







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tel-00400042, version 2 - 2 Feb 2010 Sommaire
SOMMAIRE SOMMAIRE

INTRODUCTION .......................................................................................................................................... 1

CHAPITRE I : PROBLEMATIQUE
I. RHEOLOGIE DES MAGMAS..................................................................................................................5
1. VISCOSITE DES LIQUIDES SILICATES ................................................................................ 5
a. Influence de la température........................................................................................ 5
b. Influence de la pression.............................................................................................. 7
c. Influence de la composition chimique........................................................................ 8
d. Influence de la teneur en eau ..................................................................................... 8
e. Modèles de viscosités empiriques .............................................................................. 9
2. SUSPENSIONS MAGMATIQUES : INFLUENCE DES BULLES SUR LA VISCOSITE ................... 10
3. SUSPENSIONS MAGMATIQUES : INFLUENCE DE LA FRACTION CRISTALLINE SUR LA
VISCOSIT