Grâce aux cinq instruments de sa plateforme de mécanique des roches, le LG-ENS peut reproduire les conditions de la pression terrestre depuis la croûte superficielle jusqu’au manteau asthénosphérique. Le chauffage des échantillons et le contrôle de la pression de fluide permettent de s'approcher au plus près des conditions naturelles.
Plateforme de mécanique des roches
La plateforme de mécanique des roches de l’École normale supérieure est constituée de cinq instruments permettant de déformer des échantillons de roche à des pressions plus ou moins grandes. Cette pression, dite de confinement, permet de simuler les conditions de pression lithostatique, liée à la profondeur, qui règne à l’intérieur de la Terre. Dans les presses hydrauliques, cette pression est générée par pression d’huile, tandis que dans la presse de type Griggs, à confinement solide, il s’agit de sel (NaCl) et dans la presse de type Paterson, à gaz, c’est de l’argon qui est utilisé. On peut ainsi générer des pressions allant de quelques MPa à plusieurs GPa, qui correspondent à des profondeurs s’étendant de la croûte superficielle de la Terre jusqu’au manteau asthénosphérique. Certaines de ces presses permettent également de chauffer les échantillons pendant les expériences (d’une centaine de degrés en presse hydraulique à plus de 1 000 °C en Griggs) et/ou de contrôler la pression de fluide qui règne dans l’échantillon, reproduisant ainsi au mieux les conditions naturelles.
La pression est le résultat d’une force appliquée sur une surface. Une conséquence directe de ceci est que pour reproduire des conditions de pression élevée, la solution la plus simple et sûre est de réduire la taille de la cellule de confinement de l’échantillon, et donc la taille de ce dernier. Ainsi, la taille des échantillons varie d’une dizaine de cm pour les expériences à plus faible pression, à 1 cm pour les expériences à plusieurs GPa réalisées en Griggs. Le point commun de tous ces appareils est leur géométrie et le type de mesures qui y sont associées. Dans tous les cas les échantillons ont une forme cylindrique, et une force axiale indépendante de la pression de confinement est appliquée sur l’échantillon par un piston dans le but d’induire sa déformation. Les échantillons de départ peuvent être entiers et intacts, pour étudier leurs propriétés de fluage à haute température par exemple, ou être au préalable sciés et séparés en deux moitiés pour simuler la présence d’un plan de faille. Le déplacement du piston et la force appliquée par ce dernier sont mesurés et enregistrés durant la déformation, ce qui permet la caractérisation du comportement mécanique des roches.
En outre, la spécificité de notre plateforme est l’utilisation sur chacune de ces presses d’un dispositif permettant, durant les expériences, de sonder les propriétés acoustiques des roches dans le domaine ultrasonique (typiquement de l’ordre du MHz). Ces dispositifs fournissent deux types de données. Tout d’abord ils permettent une mesure des vitesses sismiques des ondes compressives et transverses, qui peuvent ensuite être directement comparées à celles qui sont mesurées par les sismologues dans la nature. En parallèle, ils permettent d’enregistrer des micro-séismes liés à la déformation des échantillons, sous forme d’émissions acoustiques, tout comme une station sismique enregistre les séismes causés par la déformation de la croûte terrestre. Ainsi, ces mesures de laboratoire s’avèrent extrêmement précieuses pour comprendre et modéliser le comportement mécanique des roches, qu’il soit cassant et sismogène, comme dans la croûte terrestre, ou visqueux comme c’est le cas dans l’asthénosphère.
Projets récents ou en cours
Caractérisation du rôle de la contrainte différentielle sur les transitions de phase (Arefeh Moarefvand)
Relations entre rugosité des plans de faille et propriétés frictionnelles (Jérôme Aubry)
Réactions métamorphiques et sismicité profonde (Marie Baïsset, Julien Gasc)
Les précurseurs de la rupture et leur rayonnement haute fréquence(Samson Marty)
Dispersion en fréquence et atténuation des ondes élastiques dans les roches saturées : liens directs entre mesures de laboratoire et de terrain (Ariel Gallagher, Jan Borgomano)
Relations entre propriétés élastiques statiques et dynamiques (Jan Borgomano)
Intéractions fluides/roches (poroélastique et chimique) dans les grès argileux (Hanjun Yin)
Influence des saturations partielles ou de l’exsolution de CO2 sur les propriétés élastiques dynamiques de roches poreuses (Chao Sun, Samuel Chapman, Jan Borgomano)
Presse triaxiale TOP Industrie. Équipée de capteurs ultrasoniques, elle permet de mesurer les propriétés élastiques dynamiques de 1 mHz à 1 MHz.
Une presse hydraulique (ouverte) Sanchez Technologies. On peut voir les connecteurs auxquels sont branchés les capteurs acoustiques.
La Griggs (à gauche) et les deux pompes (à droite) qui contrôlent la pression de confinement et la force axiale.
Un exemple d’échantillon de marbre de Carrare déformé (et fracturé) en presse Paterson.
