Mettre la pression sur les rochers

Jun 02, 2024

Une plate-forme construite sur mesure peut soumettre des échantillons de roche aux niveaux de contrainte qu'ils subissent au plus profond de la Terre

"J'ai toujours été intéressé par les origines de la tectonique des plaques", a déclaré Philip Skemer, PhD, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre et des planètes en arts et sciences à l'Université de Washington à Saint-Pétersbourg. Louis.

« La tectonique des plaques est directement ou indirectement responsable de pratiquement tous les phénomènes géologiques que nous expérimentons à la surface de la Terre. »

« Mais quand je suis arrivé aux études supérieures, j'ai réalisé que bon nombre des questions que je posais sur la tectonique des plaques ne pouvaient pas trouver de réponse à l'aide d'un marteau perforateur ou d'un ordinateur. Pour entrer dans le vif du sujet, il me fallait vraiment faire des expériences en laboratoire.

Mais comme il l’a vite appris, aucun instrument ne pouvait recréer à la surface les conditions du manteau terrestre. Ainsi, avec l’aide d’une subvention de la National Science Foundation, il a construit sa propre machine, qu’il appelle l’appareil de torsion à grand volume.

Le problème

Les roches à la surface de la Terre sont fragiles et se brisent si vous les frappez avec un marteau. Mais en profondeur, là où il fait beaucoup plus chaud et où la pression est bien plus grande, ils sont capables de se déformer sans se briser. Ils rampent ou coulent, se comportant davantage comme des fluides que comme des solides rigides.

L'écoulement se manifeste à la surface par le mouvement pesant de grands radeaux de roches qui composent les continents et le fond des océans. Les roches du manteau qui s'écoulent traînent sur ces plaques tectoniques, les tirant et les poussant d'un côté et de l'autre.

"La viscosité des roches est essentielle à la compréhension de la tectonique des plaques", a déclaré Skemer. « À des températures et des pressions suffisamment élevées, les roches, comme les autres fluides, ont une viscosité. Mais la viscosité des roches du manteau supérieur pourrait être de 1 019 ou 1 020 pascal-secondes, alors que la viscosité de l'eau est d'environ 10 à 3 pascal-secondes. La différence est énorme ; plus de 20 ordres de grandeur.

Les scientifiques peuvent estimer la viscosité des matériaux du manteau dans diverses conditions en menant des expériences. Mais pour dériver la viscosité sans extrapoler dangereusement au-delà des données expérimentales, ils doivent être capables d’exposer les roches à un large éventail de conditions de déformation.

"Pendant longtemps, les gens faisaient des expériences avec des appareils qui comprimaient un échantillon de roche cylindrique", a déclaré Skemer. « Si je pousse sur un cylindre, je pourrai peut-être le raccourcir de 50 %, c'est-à-dire le tendre de 50 %. Mais 50 pour cent, ce n’est rien pour la Terre.

"Si je vais sur le terrain, je peux assez facilement trouver des roches qui se sont déformées jusqu'à atteindre des déformations de 2 000 pour cent ou même plus", a-t-il déclaré. De nombreux processus de déformation critiques ne se produisent que lorsque de très grandes déformations sont atteintes.

Le nouveau gréement

Pour atteindre ces niveaux de déformation, Skemer a construit un appareil de déformation de la roche qui tord les échantillons tout en appuyant dessus. "Si vous tordez un cylindre de roche, vous pouvez le tordre pour toujours", a-t-il déclaré. "Il n'y a pas de limite géométrique à la manière dont vous pouvez le déformer."

"Je ne pouvais pas simplement acheter l'instrument que je voulais", a déclaré Skemer. « Il n’existe pas d’instruments de déformation des roches disponibles dans le commerce parce que la discipline universitaire est si petite.

"Heureusement, il existe tout un monde d'équipements qui vous permettront de construire un appareil capable de faire à peu près tout ce que vous voulez faire", a déclaré Skemer, qui admet lire des catalogues de fournitures industrielles pour le plaisir.

Sa nouvelle plate-forme emprisonne un échantillon de roche entre des enclumes en carbure de tungstène d'environ un quart de pouce de diamètre dans une presse hydraulique de 100 tonnes. Une fois sous pression, un vérin à vis, initialement conçu pour des tâches telles que le levage de ponts-levis, le fait tourner par le bas. Skemer a réduit l'actionneur d'environ 500 000:1, afin que le couple puisse être appliqué lentement.

"Six giga-pascals (GPa) est ma pression cible", a déclaré Skemer. « Cela représente environ 870 000 livres par pouce carré. Autrement dit, cela représente une force de 435 tonnes, soit environ le poids d'un 747 chargé, appuyant sur une zone de la taille d'un timbre-poste. Le centre de la Terre est à environ 360 GPa », a-t-il déclaré, « mais 6 GPa vous emmène à 250 kilomètres de profondeur, jusqu'à la base des plaques tectoniques. »