Une nouvelle piste pour comprendre la tectonique des plaques : le verre d’olivine

La séparation entre la lithosphère rigide et l’asthénosphère ductile est une discontinuité mécanique majeure du globe terrestre. Cette frontière se caractérise par une chute de viscosité de cinq ordres de grandeur généralement associée à l’intervalle de température 1300-1400 K. Elle est la clé du couplage mécanique entre la convection asthénosphérique sous-jacente et les mouvements horizontaux des plaques lithosphériques, pourtant son origine est encore incertaine. Une nouvelle étude, réalisée dans le cadre de l’ERC TimeMan, aborde cette question sous l’angle des propriétés mécaniques de l’olivine qui est le minéral le plus abondant du manteau lithosphérique.

Film de verre d’olivine entre deux grains d’olivine après déformation à 1200 °C, 300 MPa. © V. Samae

Bien que l’olivine fasse l’objet de nombreuses études, la manière dont ce minéral peut se déformer dans la nature est encore mal comprise. En effet, la structure cristallographique de l’olivine ne permet pas d’activer suffisamment de mécanismes de déformation intracristallins pour permettre la déformation d’une roche sans induire d’endommagement et provoquer la rupture. Des études récentes suggèrent que la déformation peut se concentrer aux frontières entre les grains d’olivine mais sans que les mécanismes mis en œuvre ne soient clairement établis. Dans cette étude publiée dans Nature, les scientifiques ont conduit des investigations poussées en microscopie électronique en transmission d’échantillons déformés sous fortes contraintes. Ils observent que dans ces conditions de pression et de température élevées, les parois entre les grains présentent une fine couche vitrifiée qui résulte de l’effondrement mécanique de la structure cristalline de l’olivine.

Images obtenues en microscopie électronique en transmission. a) Échantillon déformé à 1200 °C, 300 MPa en presse Paterson. b) Échantillon déformé à 1000 °C, 5 GPa en presse multienclumes. © V. Samae

Cette observation éclaire d’un jour nouveau les propriétés mécaniques de la roche, car un verre possède des propriétés mécaniques très spécifiques, en particulier une chute brutale de viscosité au voisinage d’une température caractéristique appelée température de transition vitreuse. Les auteurs proposent donc que le ramollissement de cette fine couche intergranulaire serait le déclencheur de la transition mécanique entre la lithosphère et l’asthénosphère.

Ressources complémentaires

  • Publication scientifique : Stress-induced amorphization triggers deformation in the lithospheric mantle Nature 591, pages 82–86 (2021) – Vahid Samae, Patrick Cordier, Sylvie Demouchy, Caroline Bollinger, Julien Gasc, Sanae Koizumi, Alexandre Mussi, Dominique Schryvers & Hosni Idrissi. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-021-03238-3

Contact IRAP

  • Caroline Bollinger, caroline.bollinger@irap.omp.eu

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