Relationship between water transfer and plastic deformation : the case study of quartzites
Relation entre les transferts d'eau et la déformation plastique : cas d'étude des quartzites
Résumé
Due to its abundance and ubiquitous presence in the continental crust, the rheology of quartz is a fundamental parameter to understand geodynamic processes. Despite a long history of research since the early discovery of the effect of H2O on quartz rheology by Griggsand Blacic (1965), many aspects of H2O weakening of quartz are yet unresolved. One of these aspects is the enhancing effect of pressure on the H2O weakening of quartz, whose mechanisms are not understood. In this study, the pressure dependence of the strength of quartz aggregates has been revisited using natural quartzite samples of high purity with a large grain size of ∼200 μm asstarting material in order to diminish the role of diffusion creep processes in comparison to dislocation creep. Experimental deformationof water-added (0.1 wt.%) samples was performed in a “Griggs” type solid medium apparatus at confining pressures ranging from 600 to2000 MPa. Mechanical data show that at the deformation conditions applied, the quartzite strength decreases systematically withincreasing confining pressure. Microstructural studies demonstrate an accommodation of the deformation dominated by crystal plasticdeformation of quartz clasts (dislocation creep) supplemented by grain boundary processes where new small-sized grains formed. Both mechanical data and microstructural studies show that micro-cracking, dissolution-reprecipitation and material transfers at grainboundaries processes also play a part into deformation. The most prominent effect of pressure on bulk strength relies on grain boundary processes: pressure increase results in a large enhancement of the generation of small grains along the boundaries of the original large porphyroclasts. This effect is presumably the main cause for the weakening effect of pressure. One second aspect of the H2Odependence of quartz is linked to the amount of water available during deformation and how it is used. To explore this point, infrared spectroscopy allowed to measure independently the grain interiors and boundaries, both on starting and experimental materials. It appears that through the experiments, dislocation creep mechanisms contributed to the decrease of the H2O content in all microstructures during deformation, the H2O being transferred from the grain interiors to the grain boundary region. H20 distribution and deformation interact, with intracrystalline H20 content enhancing the deformation (rate of dislocation creep) and deformation accompanying the transport of H20. This study highlights the deformation of quartzite as being a self-sufficient system as H20accelerates the rates of recovery and recrystallization, and microcracks may allow H20 to re-enter the interior of grains from the grain boundary region. The grain boundaries, act as a storage site for H2O. For the deformation at natural conditions, it will be a critical parameter whether the H2O will be preserved at these sites or whether it will be drained and thus potentially harden the assembly and relocate the deformation.
Du fait de son abondance et de sa présence ubiquiste dans la croûte continentale, la rhéologie du quartz est un paramètre fondamental pour comprendre les processus géodynamiques. Malgré une longue histoire de recherche depuis la découverte précoce de l’effet de l’eau (H2O) sur la rhéologie du quartz par Griggs et Blacic (1965), plusieurs aspects de l’affaiblissement par l’H2O ne sont toujours pas résolus. Un de ces aspects est l’effet important de la pression sur l’affaiblissement du quartz par l’H2O, dont les mécanismes ne sont pas compris. Dans cette étude, la dépendance à la pression de la résistance des agrégats de quartz a été revisitée en utilisant comme matériel de départ des échantillons naturels de quartzite d’une grande pureté et d’une taille de grains élevée de ∼200 μm dans le but de diminuer le rôle des processus de fluage diffusion par rapport au fluage dislocation. Des expériences de déformation d’échantillons avec ajout d’H2O (0.1 pds.%) ont été menées dans un appareil de type « Griggs » avec des pressions de confinement solide allant de 600 à2000 MPa. Les données mécaniques montrent qu’aux conditions de déformation appliquées, la résistance du quartzite diminue systématiquement avec l’augmentation de pression. Les études microstructurales démontrent une accommodation de la déformation dominée par la déformation plastique cristalline des clastes de quartz (par fluage dislocation), à laquelle s’ajoutent des processus aux joints de grains où de nouveaux grains de petite taille sont formés. Les études mécaniques et microstructurales montrent toutes deuxque les processus de microfracturation, dissolution-reprécipitation et transferts de matière aux joints de grains jouent également un rôle dans la déformation. L’effet majeur de la pression sur les mécanismes de déformation intervient au niveau des joints de grains :l’augmentation de la pression conduit à une augmentation significative de la génération de petits grains aux bordures des porphyroclastes originels. Ce processus est probablement celui qui contrôle l’effet adoucissant de la pression sur la résistance macroscopique de l’assemblage polycristallin. Un deuxième aspect de la dépendance du quartz à l’H2O est lié à la quantité d’eau disponible pendant la déformation et la façon dont elle est utilisée. Pour explorer cette question, les intérieurs et les joints de grains ontété indépendamment mesurés par spectroscopie infrarouge à la fois dans le matériel de départ et dans les échantillons déformés. Il apparaît que pendant les expériences, les mécanismes de fluage dislocation ont contribué à la diminution du contenu en H2O dans toutes les microstructures pendant la déformation, l’H2O étant transférée depuis l’intérieur des grains vers la région des joints de grains.La distribution de l’H2O et la déformation interagissent, le contenu en H2O intracristallin favorisant la déformation (vitesse du fluage dislocation) tandis que la déformation accompagne le transport d’H2O. Cette étude met en évidence la déformation du quartzite en présence de H2O comme étant un système auto-suffisant avec l’H2O qui accélère les taux de restauration et de recristallisation, et les micro-fractures qui permettraient à l’H2O de pénétrer à nouveau dans les intérieurs de grains depuis les joints de grains. En effet, ces derniers jouent le rôle d’un site de stockage pour l’H2O. Il convient de s’interroger sur la pérennité de ce stockage aux joints de grains pendant la déformation dans des conditions naturelles. Le drainage de ces sites conduirait potentiellement à durcir l’assemblage et à délocaliser la déformation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)