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Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale Salif Koné Master 1 recherche

Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale Salif Koné Master 1 recherche Physique & Ingénieries. Stage s’effectuant du 04 Avril au 27 Juin 2006, en collaboration avec Christophe Voisin, chercheur au LGIT Grenoble. 15/06/2006 Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Présentation du laboratoire : Ce stage de recherche se déroule au sein du LGIT Grenoble (Laboratoire de Géophysique Interne et de Tectonophysique), unité mixte de recherche du CNRS, de l'Université Joseph Fourier (Grenoble), de l'Université de Savoie (Chambéry), de l'Institut de Recherche pour le Développement (IRD) et du Laboratoire Central des Ponts-et-Chaussées. Le LGIT poursuit des recherches sur les séismes, la structure profonde de la Terre, les déformations de la croûte terrestre, les interactions fluide-roche, la géochimie de surface et la géodynamo terrestre. Ce stage dont le thème est « fluage d'un patin de sel sous contrainte normale » est encadré par Christophe VOISIN, chercheur de l'équipe « risque sismique » du laboratoire LGIT Grenoble. LGIT Grenoble, adresse géographique : Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique - Maison des Géosciences 1381, rue de la Piscine - Domaine Universitaire - 38400 Saint-Martin-D'Hères LGIT Grenoble, adresse postale : LGIT - BP 53 - 38041 Grenoble Cedex 9 - France / Tél. : +33 (0) 4 76 82 80 40 Fax : +33 (0) 4 76 82 81 01 Web : http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr - 2 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Résumé Ce rapport présente des résultats expérimentaux sur « le fluage d’un patin de sel sous contrainte normale. » Le sel a la propriété de se dissoudre sous contrainte, et de recristalliser dans les zones de moindre contrainte. Cette dissolution sous contrainte est différente de la dissolution du sel dans l’eau. L’échantillon de sel sous contrainte est en contact avec une surface en verre/plexiglas transparent. Il est observé sous microscope et filmé à l’aide d’une caméra. Trois capteurs de déplacement mesurent le déplacement vertical du patin de sel, deux capteurs enregistrent ses mouvements horizontaux, et un capteur témoin enregistre la composante verticale de tout mouvement de la table d’essai. Les mesures continues de déplacement montrent un tassement vertical du patin de sel placé sous poids mort. La vitesse de tassement est de 0.1 microns par heure. Mots clés: Sel, dissolution, contrainte, tassement, stick-slip. Abstracts: We report on experimental results concerning “the creep of a salt slider under normal stress”. Salt has the property to dissolve under pressure, and to crystallize in areas of lower pressure. This pressure-solution mechanism is very different from dissolution into water. The salt sample under stress is in flat contact with a surface of glass/ Plexiglas. It is observed under microscope and is filmed using a camera. Three incremental position sensors measure the vertical displacement of the salt slider, two sensors record its horizontal movements, and a pilot sensor records the vertical component of any movement of the table of test. The continuous measurements of displacement show a progressive vertical deformation of the slider. The velocity of this deformation is about a 0.1 micron per hour. Keywords: Salt, dissolution, constraint, compressing, stick-slip. - 3 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Sommaire Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale............. 1 Présentation du laboratoire : .............................. 2 Résumé ..................................................... 3 Mots clés: ................................................. 3 Abstracts: ................................................. 3 Keywords: .................................................. 3 Sommaire..................................................... 4 Introduction................................................. 5 Position du problème physique................................ 6 Première partie : Méthode et acquisition de données......... 7 Préparation des échantillons ............................... 7 Montage expérimentale : VSFE ............................... 8 Acquisition de données : ................................... 9 Deuxième partie : Structure des résultats................... 10 Troisième partie : exploitation des résultats et discussion. 12 Taux de déplacement vertical moyen sur une longue durée. .. 12 Stick- slip ............................................... 13 Analyse du résultat de l’expérience CREEP033 .............. 16 Inversion de pente, due à la cristallisation du sel ....... 17 Conclusion et perspectives :................................ 18 Bibliographie :............................................. 19 Annexes :................................................... 20 Annexe a : Méthode de triangulation utilisée. ............. 20 Annexe b : Code MATLAB utilisé. ........................... 21 Annexe c : résultat de l’expérience CREEP39B. ............. 22 - 4 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Introduction L’objectif de ce stage, qui se situe dans le cadre de mon mémoire de recherche du Master 1 Physique & Ingénieries de l’Université Grenoble 1, est d'essayer de reproduire expérimentalement, de comprendre et d'interpréter la formation des stries qui apparaissent à l'interface de deux surfaces en contact, animées d'un mouvement relatif. Ce mouvement de glissement est la friction solide décrit par la loi empirique d'Amontons-Coulombs2: F = µ * L. F est la force de friction. L est la charge de compression. µ est le coefficient de friction. Une expérience de friction débute par un régime statique caractérisé par un coefficient de friction µs, et se poursuit en un régime dynamique caractérisé par un coefficient de friction µd. Dans cette étude on va s'intéresser à l’interface de contact d'un patin de sel avec une surface en verre/plexiglas. Le choix du sel est justifié par sa propriété de se dissoudre sous contrainte. Notre hypothèse de base sur la formation de stries étant la « dissolution- cristallisation sous contrainte ». Le choix du verre/plexiglas permet, de par sa dureté relative par rapport au sel et sa transparence, d'observer à l'aide d'un microscope en transmission le changement de morphologie à la surface du patin de sel, l’objectif du microscope étant sous le verre/plexiglas transparent. Dans un premier temps on va présenter la méthode de préparation de l’échantillon, le dispositif expérimental et la procédure d’acquisition des données, la deuxième partie sera consacrée à la présentation de la structure des résultats obtenus, et la troisième partie portera sur l’exploitation des résultats obtenus et la discussion les concernant. - 5 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Position du problème physique Sur un dispositif expérimental monté en 2003 au LGIT par François Renard et Christophe Voisin , le VSFE (Very Slow Friction Experiment), étudier le fluage d'un patin de sel sous contrainte normale, en vue de: 1. reproduire expérimentalement une structure qu'on rencontre dans la nature qui sont les stries de glissement; qui se voit surtout sur les plans des failles. 2. essayer de comprendre et de décrire la physique qui gouverne la formation de ces stries en variant paramètre comme la température et la rugosité initiale de la surface du patin de sel. 3. chercher à quantifier des caractéristiques physiques de la déformation du patin de sel. - 6 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Première partie : Méthode et acquisition de données Préparation des échantillons Le patin de sel, issu d'un monocristal, est poli dans un mandrin de polissage prévu à cet effet (fig.1 ci-dessous), ceci lui permet de conserver une surface plane tout le long du polissage. Ici dans mes expériences le polissage est fait à l’aide d’une pâte synthétique contenant des petites billes de diamant de taille 30 microns chacune (powder 30µm). Ce polissage, par rapport au polissage classique utilisant un papier verre, permet de donner au patin de sel une morphologie rugueuse initiale dont les angles sont plus ramollis. Figure 1 : Mandrin de polissage. L’échantillon, le patin de sel, est ensuite placé dans un trou (prévu à cet effet) au milieu de l’unité de déplacement (fig.2 ci-dessous); cette dernière s’intègre dans le dispositif expérimental (fig.3 et 4, page suivante) au dessus de la verticale de l’oculaire du microscope et d’une caméra, permettant de voir et d’enregistrer en lumière transmise l’évolution de la morphologie à la surface du patin de sel. Figure 2 : unité de déplacement, l’échantillon est placé au milieu, avec les trois capteurs de déplacement vertical, d3 (remplacé par d4), d6, d5 ; et les deux capteurs de déplacement horizontal d1 (suivant l’abscisse x), d2 (suivant l’ordonnée y). - 7 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Montage expérimentale : VSFE La VSFE (Very Slow Friction Experiment), dispositif expérimental mis en place au LGIT en 2003 par François Renard et Christophe Voisin, vise à quantifier le changement de morphologie à la surface des matériaux sujets à la dissolution - cristallisation sous contrainte, lors de leur friction solide contre une surface relativement dure en verre/plexiglas. Jusqu’ici l’échantillon utilisé est le sel. La précision des différents capteurs est : 0.1 °C pour la température ; 0.05 µm pour le déplacement. Figure 3 : Dispositif expérimental de la VSFE (Very Slow Friction Experiment) Figure 4 : vue en coupe de la VSFE (Very Slow Friction Experiment) - 8 - Salif Koné : Fluage d’un patin de sel sous contrainte normale . Acquisition de données : Les expériences sont pilotées par l’ordinateur via une interface graphique créée sous le logiciel LABVIEW (fig.5 et 6 ci-dessous). Figure 5 : Fenêtre de configuration Figure 6 : Fenêtre d’acquisition. La fenêtre en haut à gauche montre les tracés des six capteurs de déplacement ; la fenêtre en uploads/Voyage/ memoire-master-1-physique-amp-ingenierie-kone-salif-lgit-2006-universite-grenoble1.pdf