Plateforme Expérimentation

La Déformation des Roches à Haute Température et Haute Pression

Presse de Griggs
Griggs lab

La presse de Griggs (nouvelle génération)

 

Objectif

Cette technique est une presse triaxiale à confinement solide dédiée à l’exploration 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.

 

Principe

Basée sur la technologie du piston-cylindre, la presse de Griggs a initialement été dessinée par David T. Griggs dans les années 60 [1], puis modifiée par Harry W. Green dans les années 80[2]. Dans les deux cas, 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 2 à 5 GPa, celle-ci variant en fonction du type de presse utilisée 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. La presse de Griggs dessinée par H. W. Green inclut aussi un système de pré-charge qui homogénéise les contraintes dans l’enclume. Ceci a permis de réaliser des expériences de déformation à plus haute pression (max. 5 GPa), particulièrement en utilisant une petite chambre au sein de l’enclume. Pour de plus amples détails concernant cette presse, nous recommandons l’excellente description de la presse de Griggs modifiée dans l’article de Rybacky et al.[3].

 

Une presse nouvelle génération[4]

Fruit d’une étroite collaboration avec 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, mais plusieurs améliorations ont été apportées de manière à respecter les normes de sécurité européennes pour les expériences haute-pression[4]. Dans cette nouvelle presse, les vérins de confinement et déformation sont servo-contrôlés par des pompes hydrauliques seringues, offrant la possibilité de réaliser des expériences à haute pression (jusqu’à 5 GPa), soit à charge constante soit à déplacement constant. La pression de confinement (isostatique), la force et le déplacement sont chacun mesurés par l’utilisation de capteurs, incluant un capteur de force (max. 200 kN) et plusieurs capteurs de déplacement (LVDT) et de pression[4]. L’enclume est constituée d’un cœur en carbure de tungstène (WC) inséré dans un anneau d’acier conique à 1°, lui-même étant précontraint par la technique dite du strip winding (lames d’acier étirées et enroulées autour du cœur de l’enclume).

Pour transmettre les forces, l’enclume et l’assemblage contenant l’échantillon reposent entre des pistons amovibles, qui incluent un piston de déformation (σ1), un piston de confinement (σ3), un piston de pré-charge et un piston basal. 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 via des trous de 6 mm de diamètre. Le vérin de confinement est aussi refroidi par un flux d’huile silicone. 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.

 

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 ». 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. T. 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] 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).

[3] 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).

[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).

Presse Paterson

Caractéristiques

La presse “Paterson“ (Australian Scientific Instruments) est un autoclave à chauffage interne (T < 1400°C, P < 5000 bar) équipé de 2 modules de déformation (coaxiale et torsion), d'un module de mesure de perméabilité et d'un module de mesure de conductivité électrique des roches à haute température et haute pression. La presse reçoit des échantillons cylindriques de roche de diamètre compris entre 8 et 15 mm et de longueur maximale de 30 mm.

 

Performances en déformation

Une cellule interne de mesure (placée dans l’autoclave, sous pression) mesure en continu et en temps réel la force et/ou le couple appliqué à l’échantillon ainsi que sa déformation.

En déformation coaxiale (aplatissement), la déformation maximale autorisée est de 30% de la longueur initiale de l'échantillon à des taux de déformation compris entre 10-2 s-1 et 10-7 s-1. La cellule de mesure standard possède une résolution de 1 µm en déplacement et une gamme de mesure de la force appliquée allant de 102 à 105 N avec une résolution de 10 N. La cellule de mesure "haute sensibilité"  possède une gamme de mesure comprise entre 1 et 103 N avec une résolution de 0.1 N.

En torsion (cisaillement simple), la déformation maximale autorisée est en théorie infinie. Les taux de déformation appliquables sont compris entre 10-3 s-1 et 10-7 s-1. La résolution angulaire est de 1 µrad. La cellule de mesure standard possède une gamme de mesure comprise entre 1 et 103 N.m avec une résolution de 0.1 N.m. La cellule de mesure "haute sensibilité" a, quant à elle, une gamme de mesure s'étendant de 0.1 N.m à 10 N.m.

 

Mesures de perméabilité

Les mesures de perméabilités peuvent être réalisées à des températures et des pressions de confinement allant jusqu'à 1400°C et 5000 bar. La pression du fluide (généralement eau ou argon) est pour sa part limitée à 3000 bar. Elle est imposée par un volumomètre de 2000 mm3 permettant de mesurer des perméabilités dans la gamme 10-17 - 10-21 m2.

Afin d'étendre la gamme de mesure vers les plus fortes perméabilités (10-14 m2), un nouveau dispositif utilisant des débimètres massiques (Bronkhorst) a été récement installé (2015). La pression fluide maximale est en revanche limitée à 10 bar.

 

Mesures Electriques

voir page dédiée

 

Utilisation

Etudes rhéologiques des roches et suspensions magmatiques, Etudes texturales, Transition Fragile/Ductile, Interactions Failles-Fluides-Flux, Mélanges magmatiques.