Comment l'olivine du manteau lithosphérique peut-elle se déformer et permettre le déplacement des plaques tectoniques ?
Une équipe internationale de chercheurs belges, allemand et français ont mis au point une technique d'observation de la déformation de l'olivine à l'échelle nanométrique. L'enjeu est de comprendre comment se produit la déformation du manteau à la base de la lithosphère pour permettre la dérive des plaques dans le cadre de la tectonique des plaques. Des études avaient été menées sur la déformation de l'olivine à haute température. Cette étude montre que l'olivine se déforme bien à plus basse température. Cette étude est publiée dans la revue
Science Advances du 11 mars.
(A) Optical image of the PTP device used for in situ TEM tensile experiments. The compression
of the semi-circular end in (A) induces uniaxial tension in the middle gap shown in (B) and (C). (B)
and (C) SEM images showing the transfer of a FIB prepared olivine sample onto the PTP device and
the mounting of the sample in the middle gap using electron beam deposited Pt, respectively.
© Hosni Idrissi et al. 2016 Le clin d'oeil de l'histoire
Il y a à peine plus de 100 ans, Wegener proposait sa théorie de la dérive des continents. Celle-ci devait affronter bien des réticences, notamment liées à la difficulté d'identifier les forces et les mécanismes capables de déplacer des continents. Wegener explique: "Il n'est par rare qu'on élève contre la théorie des translations l'objection suivante: La terre est aussi rigide que l'acier, donc les continents ne peuvent pas se déplacer". Il faut bien se rendre compte qu'à l'époque, même pour les aciers, les mécanismes physiques permettant aux solides cristallins de se déformer plastiquement, de s'"écouler" , n'étaient pas encore identifiés. Ce n'est que dans les années 30 que la notion de dislocation, ces défauts cristallins permettant la déformation des cristaux à l'échelle microscopique, a été forgée.
La déformation de l'olivine et les difficultés qu'elle pose
L'olivine est le principal minéral constituant le manteau terrestre jusqu'à 410 km de profondeur, et lorsque l'on s'interroge sur les processus qui permettent aux continents de dériver, on en vient nécessairement s'interroger sur ce qui se passe au sein des olivines du manteau, là où le manteau lithosphérique flue sur le manteau supérieur et transporte les continents.
L'olivine est un silicate, et sa déformation n'est pas aussi aisée que pour des métaux ductiles. C'est à hautes températures, environ au-dessus de 1400K, que l'olivine devient ductile et la plupart des lois qui régissent sa déformation (lois rhéologiques) ont été déterminées dans ces conditions. Il est alors possible, après déformation, d'étudier les dislocations qui ont été responsables de la plasticité de ce silicate.
Mais pour l'olivine présente dans le manteau lithosphérique, où la température ne dépasse pas environ 1000K , les lois établies à plus hautes températures s'extrapolent mal et le besoin de conduire des expériences à plus basses températures est réel. Cependant, à basse température, l'olivine devient fragile et les expériences sont difficiles à mener. La parade classique consiste à appliquer sur l'olivine au cours de l'expérience une pression de confinement afin d'inhiber sa fissuration pouvant mener à la rupture.
Le développement récent d'expériences de déformation sous pression de confinement a permis d'acquérir d'autres mesures, mais l'ensemble des résultats obtenus est très dispersé. En effet, dans ces matériaux peu ductiles, forcer le minéral à se déformer sous fortes contraintes conduit à l'introduction de dislocations en grands nombres qui, en retour,durcissent le minéral de la même manière qu'un métal s'écrouit. On peut légitimement se demander si les données ainsi obtenues sont extrapolables à la nature.
Dans cette étude
Dans cette étude, les chercheurs ont suivi une approche radicalement différente, basée sur la déformation d'échantillons d'olivine de taille nanométrique, observée in situ dans un microscope électronique en transmission (MET). Cette technique est bien établie sur les matériaux ductiles. Elle est ici appliquée à l'olivine pour la première fois, grâce aux nouvelles possibilités technologiques offertes par les nanotechnologies. En l'occurrence, on exploite une propriété fondamentale des matériaux fragiles, dont la résistance à la fracturation est en fait limitée par la présence de défauts internes (pores, microfissures). L'emploi de minuscules échantillons - qui tiendraient dans un globule rouge ! - permet de garantir qu'ils ne contiennent aucun défaut de plus de quelques dizaines de nanomètres. En conséquence de quoi, la limite de rupture est repoussée à des valeurs de contraintes élevées si bien que la déformation par glissement de dislocations peut se produire, même à température ambiante et sans l'application de pression !
Vue de l'éprouvette (dimension horizontale 1 micromètre) avec deux boucles de dislocations traversant l'échantillon de droite à gauche. © Hosni Idrissi et al. 2016 Pour autant, toutes les difficultés n'ont pas été levées. Les expériences conduites ces dernières années sur des éprouvettes de si petites tailles ont révélé des comportements singuliers qui pouvaient s'écarter notablement de celui du matériau massif. Les auteurs n'ont donc pas exploité directement les données mécaniques issues de ce dispositif, mais ils ont profité des capacités d'observation du MET pour enregistrer le déplacement des dislocations et, pour la première fois, mesurer directement leurs vitesses en fonction de la contrainte appliquée. Transférées dans un code numérique de dynamique des dislocations, ces données ont permis de calculer des courbes contraintes déformations représentatives d'une olivine macroscopique.
Résultats ?
A température ambiante, moins de 2 GPa suffisent pour déformer de l'olivine quand les expériences précédentes, prédisaient des valeurs trois fois plus élevées. Associées aux données les plus précises actuellement disponibles, obtenues en presse Paterson à Montpellier, ces résultats montrent que l'olivine en conditions lithosphériques s'avère moins difficile à déformer qu'on ne le pensait.