Benjamin Moris-Muttoni

CNRS

Adresse e-mail benjamin.moris-muttoni@cnrs-orleans.fr
Bâtiment ISTE, bureau R 138
Statut Non permanent, emploi Doctorant
Grand Programme Géodynamique

A propos...

Thèse : Réorganisation structurale des matériaux carbonés lors de l'enfouissement géologique et de la déformation : Expériences de laboratoire et exemples naturels

Directreur.ice.s : Yan CHEN
Encadrants : Romain AUGIER & Hugues RAIMBOURG

Résumé du projet :
La matière carbonée est un composant en faible concentration mais relativement ubiquiste des méta-sédiments clastiques impliqués dans les chaînes de collision ou dans les prismes d’accrétion. Cette matière carbonée est transformée au cours de l’évolution métamorphique des sédiments qui la contiennent, à travers des processus de carbonisation et de graphitisation correspondant à l’échelle microscopique à une réorganisation irréversible des chaînes carbonées. De ce fait, le degré de cristallinité des matériaux carbonés a longtemps été considérée comme un indicateur des conditions au pic du métamorphisme (Rietmeijer & Mackinnon, 1985; Wada et al., 1996). Plus récemment, la quantification du degré de cristallinité des matériaux carbonés à partir de la spectroscopie Raman a permis la mise en place d’un nouveau géothermomètre (RSCM geothermometer) pour un large spectre de température allant de la diagénèse aux hauts grades de métamorphismes (150-650°C ; Beyssac et al., 2002 ; Rahl et al., 2006 ; Lahfid et al., 2010 ; Kouketsu et al., 2014). Ce géothermomètre est devenu un outil courant de la pétrologie métamorphique que l’on retrouve dans de nombreuses applications (Cottle et al., 2011 ; Scharf et al., 2013 ; Clerc et al., 2014 ; Augier et al., 2015 ; Beaudoin et al., 2016). Cependant, la compréhension fine des processus de graphitisation reste limitée en particulier en ce qui concerne la détérioration des groupes fonctionnels et la formation d’une fabrique du graphène. De plus, l’effet de la déformation est parfois proposé pour expliquer des anomalies locales des températures obtenues. Cependant, l’effet de la déformation sur l’organisation de la matière carbonée reste faiblement étudié excepté dans le cas de déplacements rapides qui provoquent par friction une augmentation de la température. De récentes études sur les pseudotachylites (Ito et al., 2016 ; Yamaguchi et al, in prep) ont démontré une légère augmentation de l’organisation de la matière carbonée. Dans ce cas, il est impossible de définir si la déformation ou la création de chaleur par friction rapide est à l’origine de cette évolution. De plus, ces études n’abordent qu’un seul domaine, très particulier, de la déformation, celui conduisant à la fusion de la roche encaissante. L’effet d’une déformation lente, aussi bien dans le domaine cassant (bréchification) que plastique (mylonitisation) reste encore inconnu à ce jour.
L’objectif de ce travail est d’explorer les effets de la température et de la déformation seule sur l’organisation des matériaux carbonés à partir d’échantillons naturels mais également à partir d’échantillons déformés expérimentalement.
Pour ce faire, un vaste échantillonnage à différentes échelles va être réalisé le long de gradients de déformation déjà repérés lors de précédentes missions dans des contextes de métamorphisme régionale différents (Japon, Espagne, Alpes, Alaska). L’évolution de la structure cristalline de la matière carbonée va être réalisée à partir de l’étude des spectres Raman appuyée par d’autres méthodes (RockEval, spectroscopie infra-rouge, microscopie optique). En parallèle, des expériences à l’aide de la presse Paterson vont être conduites, avec une température, une durée et une quantité de déformation contrôlées, sur des pélites naturelles échantillonnées lors des différentes missions. Des expériences sur la maturation de la matière carbonée à température fixée vont être faites en parallèle dans le but d’estimer les cinématiques de transformation lorsque qu’aucune déformation n’est impliquée.

Mots-Clés : Déformation - Matériaux Carbonés - RMSC Géothermomètre - Spectroscopie Raman - Exemples naturels - Expérimentale - Presse Parterson

Financement : Bourse Région Centre

Période : Octobre 2018 - Septembre 2021
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PhD title: Reorganization of carbonaceous materials during geological burial and deformation: experiments and natural examples

Supervisors: Yan CHEN, Romain AUGIER & Hugues RAIMBOURG

Project summary:
Carbonaceous material is a common component of metasediments in collision and accretion belts, mainly deriving from the diagenetic and then the metamorphic evolution of the organic matter initially present within the sediment. This progressive transformation through carbonization and graphitization corresponds at microscopic scale to the irreversible organization of the carbonaceous materials toward well-crystallized graphite, the last step in the evolution. Consequently, the degree of crystalline organization of the carbonaceous material has been considered as a reliable indicator of the metamorphic
conditions at peak-conditions (e.g. Rietmeijer & Mackinnon, 1985; Wada et al., 1996). More recently, the quantification of the degree of crystalline organization of the carbonaceous material by Raman spectrometry has been proposed as a new geothermometer (RSCM geothermometer) for a wide range of temperature (150-650°C ; Beyssac et al., 2002 ; Rahl et al., 2006 ; Lahfid et al., 2010 ; Kouketsu et al., 2014). This geothermometer became a reliable tool in metamorphic petrology (e.g. Cottle et al., 2011 ; Scharf et al., 2013 ; Augier et al., 2015 ; Beaudoin et al., 2016). However, the fine understanding of the graphitization processes remains limited particularly concerning the loss of functional groups and the formation of a lattice of graphene. In addition, the effect of deformation is often proposed to explain locally anomalous temperatures in a first order temperature gradient. Nevertheless, this effect of the deformation on the organization of carbonaceous material remains poorly studied, except in the case of fast movements responsible for frictional heat release. Recent studies performed pseudotachylites (Ito et al., 2016 ; Yamaguchi et al, in prep) have indeed shown a moderate increase of the organization of
carbonaceous material. In this case, it is not possible to make clearly the difference between the effect of temperature and the potential effect of deformation. Besides, numerous questions remain currently unexplored such as the effects of localized deformation that do not produce partial melting (brecciation) or the effect of ductile deformation (mylonitization).
This project explores the effects of both temperature and deformation on the organization of the carbonaceous material in naturally and experimentally strained rocks.
Crystalline structure evolution will be followed with Raman spectrum, along with other complementary methods (RockEval, InfraRed, reflection microscopy…). A dense sampling at different scales will be performed on the field, along strain gradients already recognized by the members of the supervising team (Japan, Spain, Alps, Alaska). Variations in the organization of carbonaceous material will be compared with estimates of the amount of strain. In parallel, experiments in a Paterson rig will be conducted with controlled temperature, duration and amount of simple shear deformation on natural shales whose carbonaceous content will be finely characterized from the textural, chemical and functional points of view. Maturation experiments (at fixed temperature) will also be performed in order to estimate the kinetics of the transformation when no deformation is involved.

Keywords: Deformation - Carbonaceous materials - RSCM geothermometer - Raman spectroscopy - Natural example - Experiments - Patterson ring

Source of funding: Regional funding (Centre Val-de-Loire region)

Period: October 2018 - September 2021