MÉCANIQUES
L'un des caractères les plus remarquables des roches qui ont subi les transformations minéralogiques comprises sou> le nom de métamorphi$mey c'est que les roches, ainsi transformées, sont souvent associées entre elles, occupant ensembltdes régions considérables, tandis que d'autres régions, plu^ étendues encore, ne présentent pas de modiflcations semblables. C'est ainsi que, dans les Alpes, les roches de tous \v< âges qui en font partie , carbonifères, triasiques, juras>iques, crétacées, éocènes, ont un faciès lithologique d'ancienneté, surprenant pour l'observateur qui en est, pour la première fois, témoin. Les Ardennes, le Taunus, le pays d»* Galles, présentent aussi des massifs entiers qui ont été transformés. Au contraire, en Russie, les terrains silurien et dfvonien paraissent avoir conservé leurs caractères originaire>.
De nombreux exemples ont appris que le métamorphisme* régiofial s'est développé dans des pays dont les rochf^ ont subi des dislocations, tandis qu'il ne s'est guère produit dans les contrées, telles qu'une partie de l'Europe occiden taie ou des Ëtats-Unis, dans lesquelles les couches ont à {k:u près conservé leur horizontalité première.
Les transformations dont il s'agit ont, selon toute vraiseiii* blance, été engendrées sous l'influence d'une élévation d* température. Aussi ce contraste a-t-il, en général, été attribué à celte circonstance, que l'écorce terrestre aurait reçn
CHiLEUR DÉVELOPPÉE PAR LES ACTIONS MÉCANIQUES. 447
des émanations calorifiques plus considérables dans les portions fracturées, où elle devait être plus directement en rapport avec des exhalaisons chaudes qui sortaient des masses internes, lors même qu'on ne verrait pas d'intercalalion de roches éruptives. C'est ce qui parait encore avoir lieu aujourd'hui, pour certains pays, par exemple, la Toscane.
Tout en faisant une part aux émanations calorifiques et chimiques, qui ont pu arriver des profondeurs du globe et jouer un rôle dans le métamorphisme régional, de même que dans le métamorphisme de juxtapositiothy il est une cause plus immédiate et plus générale, qui me parait devoir appeler l'attention : c'est la chaleur engendrée par les actions mécaniques mêmes, qui ont marqué leurs traces, dans ces massifs, par des ploiements et des contournements nombreux des couches.
En présence de l'énergie des poussées qui ont produit, de toutes parts, dans l'écorce terrestre, des déplacements relatifs, et, dans diverses roches, des mouvements intérieurs, on est frappé de l'énorme quantité de travail qui a dû être mis enjeu. On est porté à penser que tout ce travail n'a pas été transformé en effets purement mécaniques, et qu'une partie a pu être employée à échauffer les couches soumises à ses efforts. C'est, en effet, le propre des actions mécaniques de se partager, dans la plupart des cas, en deux parties, l'une correspondant à des déformations, l'autre à des variations de température.
Partant de cette idée générale, M. Robert Mallet* a récemment calculé la quantité de travail que produirait l'écrasement de roches, et il a cherché, ainsi, à rendre compte de la haute température des régions profondes qui sont le siège des volcans. Mais, aucune mesure thermométrique n'a été
* TramaciionM ofihe Royal Soeiely, p. 147; 1873.
448 APPLICATION A LA C1L\LEUR DÉVELOPPÉE PAR LES ACnONS VÉCAMQUE^.
prise, pour justifier celte hypothèse sur des parties du globe, qui échappent d'ailleurs à notre investigation.
D'après les principes bien connus de thermodynamique, il m'a paru utile de rechercher, par des expériences directes, comment des actions mécaniques, telles que nous en constatons de si certains et de si nombreux vestiges dans Fécone terrestre, ont pu engendrer des élévations de température dans les roches.
Ce qui importait surtout, c'était de rechercher les elîtls calorifiques produits par desmouvemerUsintérieurs. Cependant j'ai tenté aussi d'observer ceux qui se produisent dans !♦» frottement mutuel des roches.
Les expériences dont je vais rendre compte ont été faiit^ au point de vue du géologue plutôt qu'à celui du physiciiMi, qui mesure comparativement les quantité^s de travail et lt*^ calories correspondantes. J'en exposerai d'abord les résultat-, puis je signalerai les déductions qu'on en peut tirer, pour certains phénomènes géologiques, particulièrement pour le métamorphisme.
C^halcar prodatte dans les roches par des MMMivtiits latérlcar*.
— N'ayant plus a ma disposition les appareils puissanN d'emboutissage, au moyen desquels j'avais précédemmeri: fait des études sur la schistosité *, j'ai dû avoir recoure ^ d'autres procédés.
On a d'abord essayé d'aplatir des balles d'argile, en les lançant, au moyen d'un canon de fusil, contre une plaque fi\«\
* Mémoirei des Savante étrangers ^ t. WJI ; 1860.
ces balles étaient préservées de la chaleur des gaz de la poudre,au moyen débourres épaisses. Mais, au lieu de s'aplatir, elles se sont toujours réduites en une poussière très-fine, dont on ne pouvait rien recueillir.
Je me proposais d'établir un appareil cylindrique, à double piston, dans l'intérieur duquel l'argile aurait reçu un mouvement de va-et-vient indéfini, lorsque je reconnus que plusieurs appareils employés dans l'industrie pourraientremplir le même but. J'ai pu en profiter, grâce à l'obligeance de MM. Boulet frères, constructeurs, et de M. Lacroix, leur ingénieur, ainsi qu'à cellf de MM. Tiphine, fabricants de briques, à qui je tiens à adresser ici l'expression de mes remerclments.
Les expériences qui suivent ont été faites, sauf une, sur des argiles fermes, dites duresy c'estrà-dire ne contenant que la moindre quantité d'eau possible pour être travaillées ; à cause de leur cohésion, elles se trouvaient dans les conditions les plus favorables à un échauffement.
tcoaltiMieiit aon* la preaaioa 4e eylladres oiila et de côaes eaa-
■riée. — De l'argile ferme a été soumise à l'action de deux paires de cylindres lamineurs, ayant 0'",30 de diamètre, et mus par une machine à vapeur de 3 chevaux.
L'argile, après avoir passé successivement entre les deux paires de cylindres, dont la vitesse est, pour l'une de vingthuit tours, pour l'autre de quatorze tours par minute, marquait un échauffement sensible au thermomètre, qui était de 0*,o à 0",4*. Il suffit donc pour cela d'un temps trèscourt, de quatre secondes au plus, pendant lequel s'opère le laminage.
Deux cônes cannelés circulairement, à la manière des
> Des thermomètres, enfoncés ôam différentes parties de l'argile, serraient à en ptendre la température.
450 APPLIUTIUN A LA CBALEUR DËVELOPPËE PAR LES ACTIONS HËCL1I0DES.
cylindres servantàctirer le fer, ont leurs axes disposés parallèlement, de telle sorte que le plus petit diamètre de l'un soit placé en opposition du plus grand diamètre de l'autre (fig. 167). Par conséquent, à vitesse égale des axes, les circonférences opposées ont des vitesses différentes et font subir un déchirement énergique à l'argile, qui passe entre les cylindres, pendant leur mouvement. Des peignes-racleurs placés au-dessus des cônes lamineurs en détachent constamment l'argile, à mesure qu'elle a été laminée et déchirée. Comme ces raclcurs ne sont pas en contact avec les cannelures, il reste toujours , à la surface de chaque cône , un enduit
Fig. 167. — Cftnea einn«lés «raploy*! 1 la prjpinlîan de li lerr» t brique*, qni t «( i™" Holarnsnt ltminé«, mais aussi décbirée, i ciuia de la dilTi'reaca da Tjtelie des tarfxH oppoféa l'oDi i J'iuira. ËcbBlle da ^.
d'argile qui a 1"",5 d'épaisseur. Ainsi l'argile ne frotte que sur elle-même, ce qui est important, comme analc^ie avec le phénomène naturel.
En opérant sur 20 kilogrammes d'argile, on a conslaté, au bout de quatre tours seulement, une augmentation de température de 5'',5 à 4 degrés; or, à chaque tour, l'argile esl déchirée et pressée pendant moinsd'une seconde ; l'augmentation de température ne correspond donc qu'à un travail d'environ quatre secondes. Si l'on continue à opérer sur la même argile, une buée, qui ne tarde pas à apparaître autour de l'argile adhérente aux canncluresi y décèle d'ailleurs.
indépendamment de toute mesure, un accroissement de température.
MûmmemÊmmt dmmn des toiiBeaax nalaxeMrs. — L'appareil COU-
OU sous le nom de tonneau malaxeur ^ et qui ressemble grossièrement au tonneau ou tine à mortier, permet de prolonger le mouvement beaucoup plus longtemps qu'on ne le fait avec les cylindres : aussi a-t-il produit des élévations de température incomparablement plus fortes.
Le tonneau de MM. Boulet, sur lequel j'ai expérimenté d'abord, est destiné à corroyer des argiles très-fermes. Il consiste en une boite cylindrique en fonte, placée verticalement et ouverte à sa partie supérieure, qui a 0",75 de diamètre sur 0"*,80 de hauteur. Un gros arbre en fer, également Tertical, placé au milieu, reçoit un mouvement de rotation. Cet arbre est muni, sur une partie de sa hauteur, de deux systèmes de lames inclinées ou couteaux, qui servent à diviser la terre, tout en l'obligeant à descendre. Ce même arbre porte, à sa partie inférieure, deux roues à palettes, ne fer, superposées l'une à l'autre, qui, après avoir trituré la pâte et l'avoir fortement comprimé contre les parois, l'expulsent au dehors, par un orifice placé près du fond. L'argile n'est poussée hors du tonneau qu'après avoir fait plusieurs tours, dont le nombre dépend du degré de plasticité de l'argile. Ce tonneau malaxeur est mû par une machine à vapeur de 4 chevaux ; il a une contenance d'environ ^ de mètre cube, et il peut élaborer 2 mètres cubes par heure, en faisant environ six tours par minute.
Un tonneau malaxeur, d'une disposition peu différente de celui dont il vient d'être question, est représenté par les figures 168 et 169.
Pour préserver les parois métalliques du cylindre d'une usure rapide, les arêtes extrêmes des palettes en sont sépa-
453 APPLICATION A LA CHAUUR DËTELOPPÉE PAR LES ACTIONS HeCAHIOttES réespar une distance de 3 centimètres : sur loutecette épaisseur, il y a donc une couche permanente d'argile, contre laquelle frotte l'argile mise en mouvement- De plus, daos l'expérience dont il va être rendu compte, le fond du cylindre métallique était lui-même recouvert d'une couche d'ar-
Fig. 168. — TonnBlB miliieur utilisa pour lei eipérisncet nliliTCi ■■ chaleur dini ]et rochci, par l«t ictioni m^ciniquci. A,B. C. D, tectioa au cjiimr aBuac ■ ntOToIr l'irgllcloulai» ^ E,E, E, irbiv icrtiol, uiimi d'un mouvement lutonT de n* mi il |K)rl« une lame hjlicaldils H, H, H, qui force l'irgile i descendra, pourtuhîrrKlkw U^'*' nntei P,P, pilelletajurbo, qui triturent l'argile et li toal frotter lar les dni cokW'. i^alamuil trgilsuHi, qui recoun-ent, l'une les piroli vcrticalei, l'iutre le fbnd di (Oubim S, orinee ou bu», par où l'argile aort, aprM le milauge. L'arbre loumint B,K,E ca> acliooa^ par l'angrenaEe R, R, el esl [apporté par la crapaudine T.— Ecbelle de ' .
gile, de 20 centimètres d'épaisseur. Par suite de cette double disposition, une condition essentielle se trouvait réalisée : comme dans les cônes cannelés, l'argile ne frottait que contre elle-même, et sans aucune intervention des parois métalliques.
La pâte sur laquelle on a opéré d'abord est du limon de TEscaut, que l'on emploie pour la fabrication des briques. Le tonneau étant en mouvement, on prenait, de dix minutes endii minutes, la température des mottes qui en sortaient, puis, on les rejetait immédiatement dans le cylindre. La température de cette argile, qui était d'abord de 8%5 (la température de l'air étant de 13 degrés) , s'est constamment et régulièrement accrue pendant deux heures, au bout desquelles elle atteignait 29 degrés : il y avait donc une augmentation de 21 degrés. D'après la forme régulière de la courbe qui
représente les résultats de ces mesures (fig. 170), l'accroissement de température aurait continué, si l'on n'avait pas été forcé d'arrêter l'opération*. L'échauffement de l'argile n'a pas tardé à s'annoncer par la vapeur que l'on voyait s'en exhaler.
D'autres expériences ont été faites avec des tonneaux malaxeurs qui fonctionnent à l'usine de MM. Tiphine et qui diffèrent de ceux dont il vient d'être question, par la disposition des palettes : ils sont mus par une machine à vapeur de 6 chevaux. De même que dans le cas précédent, ce n'est pas contre les parois métalliques du cylindre, mais contre
* U nuchiiie denit être eipédiée d'urgence à Vétranger.
4^ APni:AiiQ9AiAaiunBe^rai)prftFiEi£SiCTiQKsi^^
Fir VfO, " Gonriie représentant les tempéntarei
fhtarée snr elle-même, dans It tonaaaa
prises snccnsiT«ro«it par d« rsrt- ' '' malaxeur de WM. BÔal^L
une couche d'argile de 3 centimètres d'épaisseur, que frotte Targile mise en mouvement.
La pâte ferme, sur laquelle on a opéré, ne renfermait, outre son eau de carrière, qu'environ 30 litres d'eau par mètre cube, soit environ 3 pour 100 de son volume ou 2 pour 100 de son poids. Pour cette argile, l'arbre du tonneau fait 4,5 tours par minute, et le tonneau se vide dans l'espace d'environ sept minutes.
Dans une première expérience, pendant que la rotation s'opérait, la vanne d'écoulement était fermée et on l'ouvrait, de temps à autre, pour faire sortir un échantillon d'argile. La température initiale étant 17%3, l'argile qui en a été expulsée, de cinq en cinq minutes, marquait les températures suivantes :
On a ensuite malaxé la même argile, d'une manière continue, pendant vingt-cinq minutes, sans ouvrir la vanne; puis, on en a fait successivement sortir des morceaux, après vingt-cinq, trente-cinq et quarante-cinq minutes de rotation. La température, étant de 18 degrés au commencement de l'expérience, était devenue :
Au bout de 25 minutes 56^,3
» 45 9 AO\i
C'est ce qu'exprime la courbe, fig. 171.
L'expérience a encore été reprise sur environ 140 kilogrammes d'argile, le tonneau restant fermé. La température, qui, au début de l'opération, était de 14 degrés, s'est élevée, au bout d'une heure, jusqu'à 44%5, soit de plus de 30 degrés.
Les courbes qui expriment les accroissements thermomé-
456 APPUCATION k LA CHALEUR DÉVELOPPÉE PAR LES ACTIONS NËCANIQUES.
triques mesurés s'élèvent moins rapidement vers la fin de l'opération, ce qui s'explique par les causes de refroidissement qui interviennent.
0' Fig. 171.
Courbes repréfenlant les tempërtturet prises suceessiTement par de Targile/i triturée sur elle-même, dans le tonneau malaxeur de IW. Tiphine.
D'un autre côté, on a opéré dans un tonneau semblable, non plus sur de l'argile ferme, mais sur de l'argile molle :
to
Fig. 17i. » Courbe représentant les températures prises soeeessîTement par d« Taiple triturée sur elle-même, dans le tonneau malaxeur de MM. Tiphine.
c'était la pâte précédemment employée, à laquelle on avait ajouté environ 35 litres d^au par mètre cube, c'est-à-dire à peu près autant que pour la première opération; la nouvelle
EIPËRIEiNCES. 457
pâte était ainsi devenue beaucoup plus plastique que la pré« cédente *.
La température, qui était d'abord de 12*,8, était arrivée, après dix minutes de rotation, à 13*,8; après vingt minutes, à 14*,2, c'est-à-dire qu'en vingt minutes, cette température ne s'était accrue que d'environ 1%4, tandis que, dans les expériences précédentes, la même argile, moins aqueuse, s'était échauffée de 15 degrés pendant le même temps.
La comparaison de ce dernier résultat, que représente la fig. 172, avec les précédents, montre combien le degré de consistance de l'argile a d'influence sur son échauffement. Toutes conditions égales, la masse s'échauffe beaucoup plus rapidement quand elle est maigre que lorsqu'elle est plastique; ce qui se comprend, à cause de la facilité avec laquelle, dans ce dernier cas, les particules, en quelque sorte lubrifiées, glissent les unes sur les autres. C'est un fait dont il convient.de se souvenir, pour les déductions géologiques. Pour un même temps, l'élévation de température produite dans l'argile au moyen des cylindres lamineurs estbeaucoup plus grande que celle que l'on obtient dans le tonneau malaxeur. Dans ce dernier cas, l'argile, après avoir subi une forte pression, entre la palette et la paroi, s'échappe, au bout d'un temps très-court, pour ne subir que des mouvements gjratoires. L'échauffement considérable de la masse est dû surtout à la durée de l'opération. On pourrait sans doute le rendre bien plus fort encore, si l'on augmentait la hauteur des palettes qui produisent la principale pression, hauteur qui, dans les machines employées, ne dépassait guère 1 décimètre.
Ctelesr développée dans le froUemeat natael des roehes. —
Le frottement, qui cause une chaleur si sensible, lorsque
' Le tonneau faisait alors deax tours par minute.
