Les géomatériaux peuvent enregistrer des déformations et transformations (semi-) permanentes qui témoignent des conditions P-T auxquelles ils ont été soumis. L’analyse de ces modifications peut donc permettre 1) de comprendre et modéliser les mécanismes de déformation ; 2) de retracer les variations de conditions physico-chimiques subies par les géomatériaux au cours du temps; 3) d’évaluer l’impact de ces modifications sur les réservoirs et ressources ; 4) de faire le lien entre les systèmes fossiles visibles à l’affleurement et les systèmes actifs profonds non accessibles à l’observation directe. Notre équipe s’intéresse à ces problématiques à travers plusieurs grands thèmes :

Fracturation, formation des failles et structuration des réservoirs

Les mécanismes de rupture et de fracturation des géomatériaux sont gouvernés le développement d’instabilités mécaniques qui conduit à la localisation de la déformation. Nous continuerons d’étudier les modalités de cette localisation à l’aide de modélisations expérimentales, qui nous permettront de formuler des lois constitutives permettant la modélisation numérique de plus en plus réaliste de ces processus. Un code numérique permettra in fine de modéliser de façon complète la rupture des milieux géologiques sous chargement hétérogène avec diverses applications : pétrolières, sismologiques (notamment l’initiation et le fonctionnement long-terme des failles), instabilités gravitaires ou encore astrophysique.

Contexte : Projet « Asteroid risk mitigation and space mission data interpretation: Numerical and experimental study of the fracture and impact processes” dans le cadre de l’Académie 3 de l’UCA en collaboration avec le laboratoire Lagrange et le laboratoire CEMEF de l’école Mines-Paris Tech.

Liens entre transferts de fluides externes et internes, hydrothermalisme et formation des ressources géothermales

Les zones de subduction sont le siège d’importants transferts de fluides qui sont à l’origine d’altérations hydrothermales et de transformations métamorphiques qui affectent la marge active. Ces transferts de fluides s’accompagnent de transferts de chaleur à l’origine d’une forte anomalie du flux thermique, et donc d’un important potentiel géothermal. Nous étudions les paléo-systèmes géothermaux des Petites Antilles afin de caractériser (1) les processus et les vitesses des transferts des fluides hydrothermaux dans les zones de subduction, (2) les structures tectoniques induites par les processus de dissolution/cristallisation et les paragenèses métamorphiques associées, et donc de pouvoir proposer des analogues aux systèmes géothermaux actuels.

Contexte : Programme GEOTREF, soutenu depuis février 2015 dans le cadre des Investissements d’Avenir.

Schistosité de pression-dissolution dans une coulée andésitique, Basse-Terre, Guadeloupe (GEOTREF)

Evolutions métamorphiques (P-T-t) et dynamique des orogènes
Dans les chaînes de montagnes, les transformations métamorphiques témoignent des déplacements verticaux et des perturbations thermiques associées. Il est aujourd’hui démontré, notamment grâce à certains membres de notre équipe, que les chemins P-T-t sont d’excellents marqueurs de la dynamique orogénique. Cependant, l’établissement et l’interprétation des chemins P-T-t soulève plusieurs problèmes majeurs, liés : 1) à la datation précise d’équilibres thermodynamiques discrets dans une évolution métamorphique continue; 2) à la possible superposition de plusieurs histoires orogéniques et donc à l’existence d’héritages métamorphiques ; 3) à des transferts de matière encore mal compris, comme le fluage de matière partiellement fondue et la relamination crustale dans les orogènes chauds. Ces questions sont abordées par une approche pluri-disciplinaire (analyse structurale, pétrologie, géochronologie, modélisation thermomécanique) sur quelques cibles privilégiées : Alpes occidentales, chaîne Varisque (Europe, Asie centrale), chaîne du Rif (Maroc).

Coupe interprétative de la structure du Massif des Maures (Gerbault et al., 2016)

Modèle numérique 2D de la reprise en compression du Tien-Shan (Jourdon et al., 2017)

Contexte : ANR (DSP-Tibet), IRD (Actions Sud), Communauté Européenne (Medyna) et le Czech National Research Program.

Pétrologie des météorites et évolution précoce du système solaire

Les météorites chondritiques permettent de comprendre la formation et l’évolution du système solaire dans son histoire précoce, pendant la période du disque protoplanétaire. Si quelques chondrites préservent encore un enregistrement relativement « primitif » de cette évolution précoce, la grande majorité a cependant été affectée par des processus secondaires qui ont modifié l’enregistrement originel et fait apparaître de nouveaux minéraux ou « phases secondaires ». Il est fondamental de mieux connaître ces processus secondaires, pour accéder à l’enregistrement originel des chondrites et pour obtenir des informations sur leurs corps parents. L’objectif de ces recherches sera de contraindre les conditions physico-chimiques qui ont permis la formation des minéraux secondaires, en utilisant les méthodes les plus modernes de pétrologie métamorphique, et la microimagerie couplée à des modèles thermodynamiques de stabilité des phases

Contexte : Financement CNRS (Programme National de Planétologie)

Archéométrie

Les plus anciens établissements néolithiques de l’arc liguro-provençal montrent le recours dans des proportions variables à des terres à forte ou très forte charge minérale prélevées dans des contextes volcaniques, plutoniques ou métamorphiques. En collaboration avec nos collègues archéologues, notre activité scientifique est centrée sur (1) la caractérisation géochimique, minéralogique, pétrographique et texturale des géomatériaux identifiés dans les céramiques néolithiques, (2) l’identification des localisations potentielles de ces géo-ressources et de possible mélanges « anthropiques » et (3) l’étude expérimentale de l’évolution minéralogique et texturale de ces matériaux durant les différents traitements thermiques (« métamorphisme industriel »).

Contexte : ANR CIMO (Resp : D. Binder, CEPAM-UMR7264). Projet de recherches déposé avec nos collègues du CEPAM, de l’ICN, du CEMEF, du CCMA de Nice, du LOV, du CHU et de l’IBV dans le cadre de l’Académie 5 de l’UCA.

La surface topographique est une interface dynamique qui répond à différentes sollicitations externes comme mouvements verticaux de la lithosphère ou les variations climatiques. Le climat est par exemple responsable de variations du niveau de la mer, et des taux de précipitation qui vont faire varier la vitesse d’incision des rivières et la dégradation des versants (« surface uplift »). La tectonique, l’isostasie et les interactions manteau/lithosphère entraînent à leur tour des mouvements verticaux responsables de variations topographiques (« rock uplift »).

Lien entre tectonique, isostasie, climat et formation des reliefs

Nous nous attachons à mieux quantifier et modéliser les vitesses d’évolution de la surface topographique (rock uplift et surface uplift) et ses temps caractéristiques de réponse afin de mieux comprendre l’impact de ces deux forçages (tectonique et climat) dans l’évolution des surfaces continentales, notamment dans les vitesses d’incision des rivières alpines et leur lien avec les processus de versants (glissements de terrain).

Surfaces d’incision préservées dans la vallée de l’Estéron (Alpes Maritimes)

Interactions lithosphère-manteau et variations topographiques des zones de subduction

Le plongement d’une plaque océanique, son interaction avec l’écoulement visqueux dans le manteau profond, et le détachement éventuel du slab influencent à la fois la composante dynamique et statique de la topographie. Cette interaction est responsable de changements périodiques du régime de contraintes dans les plaques lithosphérique à proximité des zones de subduction, qui va également se traduire par des mouvements verticaux. Nous poursuivrons nos travaux de développement méthodologique et de mise au point de codes de calcul 3D permettant de prendre en compte des modèles à surface libre, couplant déformations lithosphériques et mantelliques. Le cas des convergences obliques et à marges fortement courbes sera plus particulièrement étudié.

Contexte : Task 4 « Physical modelling of subduction-induced vertical motions » du Projet GAArAnti (ANR) déposé en avril 2016.

Déformation du panneau plongeant et flux mantelliques 3D (Cerpa et al., 2016)

L’équipe GéoMAT s’intéresse à la structure, à la déformation et aux transformations des matériaux géologiques et de leurs propriétés à différentes échelles spatiales et temporelles. Elle s’attache à apporter des observations et des quantifications sur les objets naturels couplées à la modélisation expérimentale et numérique pour contraindre les processus géologiques superficiels et profonds, et à déterminer leurs vitesses par des méthodes de datation absolue. Les travaux de l’équipe s’organisent autour de deux grandes thématiques classiques auxquelles s'ajoutent, parallèlement, deux thématiques émergeantes :

1. Réponse de la surface topographique à l’action de processus profonds (tectonique, interactions lithosphère-manteau, isostasie) et superficiels (climat, gravitaires) ;
2. Déformation et changements minéralogiques des matériaux géologiques sous différentes conditions (P-T-Pfluides-déformation) et leur apport à la compréhension des grands processus géodynamiques, la fracturation de la croûte et les transferts de fluides et de matière, et l’évolution des météorites ;
3. Formation et évolution des matériaux planétaires ;
4. Comprendre le développement des microstructures cassantes et ductiles, et les lois permettant de faire le passage de ces micro-mécanismes vers la macro-échelle, pour permettre d'appréhender l’évolution de la rhéologie de la lithosphère dans les zones déformées, leur cicatrisation ou leur persistance en tant que zones faibles.