Les presses de Griggs (déformation sous confinement solide)
La presse dite de Griggs – ainsi nommée d’après le nom de son concepteur, David T. Griggs – est une presse triaxiale à confinement solide dédiée à l’exploration et la quantification des processus de déformation des roches. Ses conditions d’expérience impliquent de larges gammes de pressions (0.3 à 4 GPa) et températures (20 à 1300 °C), telles que rencontrées dans la lithosphère terrestre. L’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO) possède actuellement 3 presses : deux de première génération et une de nouvelle génération.
Les presses première génération
Basée sur la technologie du piston-cylindre, la presse de Griggs a initialement été dessinée par le Prof. David T. Griggs dans les années 60 [1], puis modifiée par les Prof. Jan et Terry Tullis dans les années qui suivirent. Cette presse se caractérise par un cadre métallique qui inclut 1) trois plaques horizontales et superposées à l’aide de quatre colonnes, 2) un cylindre hydraulique principal (vérin de confinement) suspendu à la plaque intermédiaire, et 3) un vérin de déformation fixé sur la plaque supérieure. Ces deux vérins sont chacun connectés à des pistons indépendants qui transmettent les forces à l’assemblage et l’échantillon au sein d’une enclume circulaire et posée sur la plaque inférieure. Avec cette dernière, la déformation peut être appliquée à des pressions de confinement allant de 0.3 à 2 GPa, celle-ci variant en fonction du type de presse utilisé et du diamètre de l’échantillon. Grâce à un four résistant (graphite), la température de l’échantillon est augmentée par effet Joule (jusqu’à ≈1300 °C) et dans le même temps, l’enclume est refroidie par circulation d’eau au toit et à la base. Pour de plus amples détails concernant cette génération de presses, nous recommandons l’excellente description de la presse de Griggs modifiée dans l’article de Rybacky et al.[2].
La presse nouvelle génération[4]
Fruit d’une étroite collaboration entre l’ISTO, l’École Normale Supérieure de Paris (ENS Paris, France) et l’entreprise Sanchez Technologies (Core lab France), la presse de Griggs nouvelle génération est directement basée sur les dessins du Prof. Harry Green, qui incluent un système de pré-charge afin d’homogénéiser les contraintes dans l’enclume[3] et ainsi permettre d’atteindre de plus hautes pressions de confinement (max. 5 GPa). Dans cette nouvelle presse, les vérins de confinement et déformation sont servo-contrôlés par des pompes hydrauliques seringues et plusieurs capteurs permettent de mesurer en continue les forces appliquées et le déplacement des pistons[4]. L’enclume est constituée d’un cœur en carbure de tungstène (WC) inséré dans un anneau d’acier conique avec 1° d’angle solide, lui-même étant précontraint par la technique dite du strip winding (lames d’acier étirées et enroulées autour du cœur de l’enclume). Pour un meilleur refroidissement, en complément de celui déjà présent au toit et à la base de l’enclume, l’eau circule à travers cette dernière autour du cœur de carbure. De plus, la presse d’Orléans utilise une taille d’échantillon plus large que dans les précédentes presses (8 mm de diamètre), permettant 1) de mieux développer les microstructures, 2) de partager une taille standard avec la presse de Paterson et 3) d’effectuer de plus grandes déformations en régime non coaxial. Ceci a néanmoins nécessité d’élargir la chambre de l’enclume (27 mm au lieu de 1 pouce, i.e., 25.4 mm), réduisant la capacité maximale en pression à 3 GPa. Plusieurs améliorations ont aussi été apportées afin de répondre aux normes de sécurité Européennes concernant les techniques haute-pression.
L’assemblage de l’échantillon (voir video JoVE)
L’assemblage représente l’ensemble des pièces « consommables » qui entourent l’échantillon et qui sont requises pour réaliser une expérience « Griggs », quelle que soit la génération de presse. Elles incluent du NaCl en tant que matériau de confinement, un four en graphite et deux rondelles de cuivre pour chauffer par effet joule, ainsi que plusieurs autres pièces (plomb, pyrophyllite, pistons d’alumine, etc.) nécessaires pour pressuriser et transmettre les forces. Ce type d’assemblage est entièrement approprié pour réaliser des expériences de déformation en régime coaxial ou non coaxial pour l’ensemble des gammes de pressions et températures de la presse de Griggs[4]. Alors qu’une expérience de type coaxial requiert une carotte d’échantillon d’une certaine longueur (généralement ≈ 2 fois le diamètre de l’échantillon), une expérience non coaxiale est communément appliquée sur un plan de coupe à 45° de l’axe du piston. Dans ce dernier cas, l’échantillon est matérialisé soit par la tranche d’une carotte, soit par une poudre de grains triés, puis frittés dans la presse elle-même. Les pistons de cisaillement et l’échantillon sont emballés dans une feuille de métal (Nickel), elle-même emballée dans un tube de platine soudé aux deux extrémités. La température est quant à elle contrôlée par l’utilisation d’un ou plusieurs thermocouples de type S (alliage de Pt90%Rd10%) ou K (alliage de Ni).
[1] Griggs, D. J. Hydrolytic weakening of quartz and other silicates. Geophys. J. Int. 14(1-4), 19 – 31, doi:10.1111/j.1365-246X.1967.tb06218.x (1967).
[2] Rybacky, E., Renner, J., Konrad, K., Harbott, W., Rummel, F., Stöckhert, B. A Servohydraulically-controlled Deformation Apparatus for Rock Deformation under Conditions of Ultra-high Pressure Metamorphism. PAGEOPH. 152, 579 – 606, doi:10.1007/s000240050168 (1998).
[3] Green, H. W., and Borch, R. S. A New Molten Salt Cell for Precision Stress Measurements at High Pressure. Eur. J. Mineral. 1(2), 213 – 219, doi:10.1127/ejm/1/2/0213 (1989).
[4] Précigout, J., Stünitz, H., Pinquier, Y., Champallier R., and Schubnel, A. High-pressure, High-temperature Deformation Experiment Using the New Generation Griggs-type Apparatus. Journal of Visualized Experiments 134, e56841, doi:103791/56841 (2018).