Apport de la microscopie électronique en ...
Document type :
Habilitation à diriger des recherches
Permalink :
Title :
Apport de la microscopie électronique en transmission quantitative à la plasticité des minéraux
English title :
Contribution of the quantitative transmission electron microscopy to the plasticity of minerals
Author(s) :
Thesis director(s) :
Cordier, Patrick
Defence date :
2019-06-26
Jury president :
Rabier, Jacques
Accredited body :
Université de Lille
Doctoral school :
École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (SMRE)
Keyword(s) :
Convection mantellique
Zones de subduction
Minéraux -- Plasticité
Dislocations dans les cristaux
Silicates de magnésium hydratés denses
Microscopie électronique en transmission
Orientation cristalline
Zones de subduction
Minéraux -- Plasticité
Dislocations dans les cristaux
Silicates de magnésium hydratés denses
Microscopie électronique en transmission
Orientation cristalline
English keyword(s) :
Mantle convection
Suduction zones
Minerals -- Plasticity
Dislocations in crystals
Dense hydrous magnesium silicates
Transmission electronic microscopy
Crystal orientation
Suduction zones
Minerals -- Plasticity
Dislocations in crystals
Dense hydrous magnesium silicates
Transmission electronic microscopy
Crystal orientation
French abstract :
La convection des roches du manteau terrestre est le moteur du refroidissement de notre planète. Cette dynamique interne produit une activité géologique intense en surface : la dérive des continents. Pour maitriser la ...
Show more >La convection des roches du manteau terrestre est le moteur du refroidissement de notre planète. Cette dynamique interne produit une activité géologique intense en surface : la dérive des continents. Pour maitriser la tectonique des plaques, il est nécessaire d’étudier la plasticité des minéraux qui constituent le manteau. Les déformations plastiques sont essentiellement régies par le mouvement de dislocations. Le microscope électronique en transmission (MET) est l’outil le plus adapté pour l’étude fondamentale de ces défauts linéaires nanométriques. Mes travaux de recherche sont principalement axés sur l’étude de la plasticité des minéraux du manteau par caractérisations MET des microstructures de dislocations. Des analyses poussées permettent d’obtenir des informations semi-quantitatives, voire quantitatives, sur les mécanismes de déformation plastique. L’activité de la tectonique des plaques se concentre principalement dans les zones de subduction. Certaines plaques ont tendance à s’enfoncer rapidement dans le manteau, entrainant avec elles des phases hydratées qui, avec la pression et la température, se transforment en silicates magnésiens hydratés denses (DHMS). L’étude de ces phases a un double intérêt : nous informer sur le devenir de l’eau dans le manteau, et vérifier si les propriétés d’accommodation de déformation, comme les tremblements de terre silencieux, sont conservées en profondeur. Etant donnée la grande sensibilité de ces phases au faisceau d’électrons, nous avons développé une méthodologie pour caractériser les DHMS au MET. Malgré plus de 50 ans d’étude, les mécanismes de déformation plastique de l’olivine, phase minérale majeure du manteau supérieur, restent confus. Dans la partie haute de la lithosphère, la forte friction de réseau entraine des configurations de dislocations rectilignes rendant difficiles l’accès aux systèmes de glissement, tandis que dans la partie basse du manteau supérieur, des interactions multiples et les aspects tridimensionnels des dislocations limitent considérablement l’interprétation des mécanismes de déformation plastique. Nous avons donc décidé de développer la tomographie électronique en transmission des dislocations (TETD) pour voir ces microstructures de dislocations sous un angle nouveau. Cette technique a clairement dépassé nos attentes : en plus d’apporter un aspect statistique et donc quantitatif à la plasticité au MET, au travers des systèmes de glissement, la TETD nous a permis de caractériser des mécanismes d’interactions complexe de dislocations et de quantifier la part de glissement, de montée et de glissement dévié, au cours de la déformation. Les presses haute température / haute pression permettent actuellement de synthétiser et de déformer, aux conditions du manteau supérieur, des échantillons massifs (nous entendons par massif des échantillons dont le volume représente une fraction de mm3). Les dispositifs où la déformation plastique est contrôlée (Déformation-DIA, presse rotative Drickamer) produisent généralement des taux de déformation élevés, entrainant des densités de dislocations supérieures à 1015 m-2. Compte tenu de la superposition du contraste des dislocations, leurs analyses sont difficiles voire impossibles pour de telles densités de dislocations. En gardant à l’esprit que les déformations plastiques sont intimement liées aux désorientations cristallines, nous avons entrepris l’analyse de cartographies de désorientation pour sortir de cette impasse. Ces activités de recherches sont présentées dans la première partie de ce mémoire. La seconde section porte sur mes futurs projets de recherche à courts, moyens et longs termes. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit décrit mon parcours scientifique et la liste détaillée de mes responsabilités collectives, articles et communications.Show less >
Show more >La convection des roches du manteau terrestre est le moteur du refroidissement de notre planète. Cette dynamique interne produit une activité géologique intense en surface : la dérive des continents. Pour maitriser la tectonique des plaques, il est nécessaire d’étudier la plasticité des minéraux qui constituent le manteau. Les déformations plastiques sont essentiellement régies par le mouvement de dislocations. Le microscope électronique en transmission (MET) est l’outil le plus adapté pour l’étude fondamentale de ces défauts linéaires nanométriques. Mes travaux de recherche sont principalement axés sur l’étude de la plasticité des minéraux du manteau par caractérisations MET des microstructures de dislocations. Des analyses poussées permettent d’obtenir des informations semi-quantitatives, voire quantitatives, sur les mécanismes de déformation plastique. L’activité de la tectonique des plaques se concentre principalement dans les zones de subduction. Certaines plaques ont tendance à s’enfoncer rapidement dans le manteau, entrainant avec elles des phases hydratées qui, avec la pression et la température, se transforment en silicates magnésiens hydratés denses (DHMS). L’étude de ces phases a un double intérêt : nous informer sur le devenir de l’eau dans le manteau, et vérifier si les propriétés d’accommodation de déformation, comme les tremblements de terre silencieux, sont conservées en profondeur. Etant donnée la grande sensibilité de ces phases au faisceau d’électrons, nous avons développé une méthodologie pour caractériser les DHMS au MET. Malgré plus de 50 ans d’étude, les mécanismes de déformation plastique de l’olivine, phase minérale majeure du manteau supérieur, restent confus. Dans la partie haute de la lithosphère, la forte friction de réseau entraine des configurations de dislocations rectilignes rendant difficiles l’accès aux systèmes de glissement, tandis que dans la partie basse du manteau supérieur, des interactions multiples et les aspects tridimensionnels des dislocations limitent considérablement l’interprétation des mécanismes de déformation plastique. Nous avons donc décidé de développer la tomographie électronique en transmission des dislocations (TETD) pour voir ces microstructures de dislocations sous un angle nouveau. Cette technique a clairement dépassé nos attentes : en plus d’apporter un aspect statistique et donc quantitatif à la plasticité au MET, au travers des systèmes de glissement, la TETD nous a permis de caractériser des mécanismes d’interactions complexe de dislocations et de quantifier la part de glissement, de montée et de glissement dévié, au cours de la déformation. Les presses haute température / haute pression permettent actuellement de synthétiser et de déformer, aux conditions du manteau supérieur, des échantillons massifs (nous entendons par massif des échantillons dont le volume représente une fraction de mm3). Les dispositifs où la déformation plastique est contrôlée (Déformation-DIA, presse rotative Drickamer) produisent généralement des taux de déformation élevés, entrainant des densités de dislocations supérieures à 1015 m-2. Compte tenu de la superposition du contraste des dislocations, leurs analyses sont difficiles voire impossibles pour de telles densités de dislocations. En gardant à l’esprit que les déformations plastiques sont intimement liées aux désorientations cristallines, nous avons entrepris l’analyse de cartographies de désorientation pour sortir de cette impasse. Ces activités de recherches sont présentées dans la première partie de ce mémoire. La seconde section porte sur mes futurs projets de recherche à courts, moyens et longs termes. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit décrit mon parcours scientifique et la liste détaillée de mes responsabilités collectives, articles et communications.Show less >
English abstract : [en]
The convection of the earth’s mantle rocks is the driver of our planet’s cooling. This internal dynamics produces an intense geological activity on the surface: the continental drift. To understand plate tectonics, it is ...
Show more >The convection of the earth’s mantle rocks is the driver of our planet’s cooling. This internal dynamics produces an intense geological activity on the surface: the continental drift. To understand plate tectonics, it is necessary to study the plasticity of the minerals that constitutes the mantle. Plastic deformations are mainly governed by the dislocation motion. The transmission electron microscope (TEM) is the most suitable tool for the fundamental study of these nanometric linear defects. My research focuses mostly on the study of mantle mineral plasticity by the MET characterizations of dislocation microstructures. In-depth analyses make it possible to obtain semi-quantitative or even quantitative information on plastic deformation mechanisms. Plate tectonic activity is mainly concentrated in subduction zones. Some plates tend to dive rapidly into the mantle, carrying with them hydrated phases that, with pressure and temperature, transform into dense hydrous magnesium silicates (DHMS). The study of these phases has a double interest: to inform us about the fate of water in the mantle and to check whether the properties of deformation accommodation, such as silent earthquakes, are preserved in depth. Given the high sensitivity of these phases to the electron beam, we have developed a methodology to characterize DHMS with MET. Despite more than 50 years of study, the plastic deformation mechanisms of olivine which is the major mineral phase of the upper mantle remain confused. In the upper part of the lithosphere, the high lattice friction leads to linear dislocation configurations inducing a difficult access to slip systems, while in the lower part of the upper mantle, some multiple interactions and three-dimensional aspects of dislocations considerably limit the interpretation of plastic deformation mechanisms. We therefore decided to develop dislocation transmission electron tomography (DTET) to see these dislocation microstructures from a new perspective. This technique clearly exceeded our expectations: in addition to providing a statistical, and therefore quantitative aspect to plasticity with MET, through slip systems, DTET allowed us to characterize complex mechanisms of dislocation interactions and to quantify the part of sliding, climbing and cross-slipping during deformation. High temperature/high pressure press are currently used to synthesize and deform large samples under upper mantle conditions (by large we mean samples with a volume of a fraction of mm3). Devices where plastic deformation is controlled (Deformation DIA, rotational Drickamer apparatus) generally produce high strains, resulting in dislocation densities greater than 1015 m-2. Given the dislocation contrast overlapping, their analyses are difficult if not impossible for such dislocation densities. Keeping in mind that plastic deformations are intimately linked to crystalline disorientations, we have undertaken the analysis of misorientation maps to solve this deadlock. These research activities are presented in the first part of this manuscript. The second section deals with my future research projects in the short, medium and long terms. Finally, the last part of this document describes my scientific background and the detailed list of my collective responsibilities, articles and communications.Show less >
Show more >The convection of the earth’s mantle rocks is the driver of our planet’s cooling. This internal dynamics produces an intense geological activity on the surface: the continental drift. To understand plate tectonics, it is necessary to study the plasticity of the minerals that constitutes the mantle. Plastic deformations are mainly governed by the dislocation motion. The transmission electron microscope (TEM) is the most suitable tool for the fundamental study of these nanometric linear defects. My research focuses mostly on the study of mantle mineral plasticity by the MET characterizations of dislocation microstructures. In-depth analyses make it possible to obtain semi-quantitative or even quantitative information on plastic deformation mechanisms. Plate tectonic activity is mainly concentrated in subduction zones. Some plates tend to dive rapidly into the mantle, carrying with them hydrated phases that, with pressure and temperature, transform into dense hydrous magnesium silicates (DHMS). The study of these phases has a double interest: to inform us about the fate of water in the mantle and to check whether the properties of deformation accommodation, such as silent earthquakes, are preserved in depth. Given the high sensitivity of these phases to the electron beam, we have developed a methodology to characterize DHMS with MET. Despite more than 50 years of study, the plastic deformation mechanisms of olivine which is the major mineral phase of the upper mantle remain confused. In the upper part of the lithosphere, the high lattice friction leads to linear dislocation configurations inducing a difficult access to slip systems, while in the lower part of the upper mantle, some multiple interactions and three-dimensional aspects of dislocations considerably limit the interpretation of plastic deformation mechanisms. We therefore decided to develop dislocation transmission electron tomography (DTET) to see these dislocation microstructures from a new perspective. This technique clearly exceeded our expectations: in addition to providing a statistical, and therefore quantitative aspect to plasticity with MET, through slip systems, DTET allowed us to characterize complex mechanisms of dislocation interactions and to quantify the part of sliding, climbing and cross-slipping during deformation. High temperature/high pressure press are currently used to synthesize and deform large samples under upper mantle conditions (by large we mean samples with a volume of a fraction of mm3). Devices where plastic deformation is controlled (Deformation DIA, rotational Drickamer apparatus) generally produce high strains, resulting in dislocation densities greater than 1015 m-2. Given the dislocation contrast overlapping, their analyses are difficult if not impossible for such dislocation densities. Keeping in mind that plastic deformations are intimately linked to crystalline disorientations, we have undertaken the analysis of misorientation maps to solve this deadlock. These research activities are presented in the first part of this manuscript. The second section deals with my future research projects in the short, medium and long terms. Finally, the last part of this document describes my scientific background and the detailed list of my collective responsibilities, articles and communications.Show less >
Language :
Anglais
Français
Français
Collections :
Submission date :
2022-06-14T10:39:18Z
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