Géosciences - Partie 1 PDF

1ère année Cycle Ingénieur Filière: Génie de l’Eau et de l’Environnement Année universitaire: 2024-2025 Géologie et géotechnique Pr. Loubna EL ANSARI 1 [email protected] Règles dans la classe Ne pas utiliser les téléphones porta...

1ère année Cycle Ingénieur Filière: Génie de l’Eau et de l’Environnement Année universitaire: 2024-2025 Géologie et géotechnique Pr. Loubna EL ANSARI 1 [email protected] Règles dans la classe Ne pas utiliser les téléphones portables, AirPods, etc. Pas de nourriture ou boisson en classe. Le déplacement en classe est non autorisé. L’intervention en classe nécessite une permission. Pas de bavardage durant le cours. Pas de casquette durant le cours. Cas de triche : la note sera divisée par deux. 28/11/2024 2  Plan de cours Chapitre 1 : Introduction à la géologie et à ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines Importance de la géologie dans divers domaines (construction, environnement, ressources naturelles, etc.) Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Structures géologiques : failles, plis, chevauchements. Cartographie géologique et interprétation des structures Chapitre 3 : Géotechnique et mécanique des sols Composition et propriétés des sols Classification des sols et leurs comportements géotechniques Méthodes d'investigation géotechnique Fondations et stabilisation des sols Chapitre 4 : Applications pratiques et études de cas Méthodes d'étude et d'analyse géologiques  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines Définition : Du grec gêo : terre et logias : Etude. La géologie s’intéresse à l’étude de la Terre, les matériaux qui la constituent, la structure de ces matériaux et les processus qui agissent sur eux. Elle comprend également l’étude des organismes qui ont habité notre planète. L’évolution au cours du temps de ces matériaux, structures, processus et organismes constitue l’une des préoccupations majeures de la géologie.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines Branches de la Géologie Les principales disciplines (ou spécialités) La pétrographie : Elle a pour but la description et la classification des roches (étude macroscopique). Elle est complétée et affinée par l’étude au microscope polarisant. La minéralogie : Etude des propriétés des minéraux. La pétrologie : l’étude des roches basée sur la géochimie (chimie des roches). Cela permet de déterminer leurs conditions de formation (Température, pression, profondeur…).  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines Branches de la Géologie Les principales disciplines (ou spécialités) La sédimentologie : Elle a pour but de retrouver les mécanismes de formation des roches sédimentaires.. La stratigraphie : C’est l’étude des strates (ou couches) géologiques. Elle s’applique à retrouver la succession et l’âge des différentes couches. La paléontologie : C’est la science des fossiles. Un fossile est un reste, une trace d’animal ou de végétal disparus, mais dont les traces sont conservées au sein des roches.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines Branches de la Géologie Les principales disciplines (ou spécialités) La tectonique ou géologie structurale : Elle étudie les déformations des couches ou terrains. Elle montre que les roches (magmatiques, métamorphiques et sédimentaires) se cassent (tectonique cassante et se plissent (tectonique souple) pendant ou après leur formation. La Vulcanologie : c’est l’étude des volcans La sismologie : c’est l’étude de la propagation des ondes et des séismes. La géophysique : c’est l’application des méthodes de la physique à l’étude de la terre.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines Branches de la Géologie Les principales disciplines (ou spécialités) La géochimie : c’est l’application des principes de la chimie à la compréhension des processus géologiques de la terre. La géologie minière ou métallogénie s’intéresse à la genèse des gites minéraux ( minérais ) et à la recherche de substances minérales utiles. La géomorphologie : elle étudie les formes du relief et leur évolution.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines La géologie appliquée : Elle regroupe les applications pratiques de certaines branches de la géologie. La géologie pétrolière se base sur la stratigraphie, la micropaléontologie, la tectonique, etc. – dans la recherche des hydrocarbures. L’hydrogéologie : c’est l’étude des eaux souterraines. Elle s’intéresse aux nappes d’eau emprisonnées dans des couches et des cavités. Les branches impliquées sont la pétrographie des roches sédimentaires et la stratigraphie.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Définition de la géologie et de ses sous-disciplines La géologie appliquée : Elle regroupe les applications pratiques de certaines branches de la géologie. La géologie marine : Elle s’intéresse aux milieux marins et aux sédiments des côtes marines. La géologie de l’ingénieur : c’est la branche qui s’intéresse aux propriétés physiques des roches, afin de tester leur capacité à soutenir des constructions et ouvrages d’art (ponts,barrages, routes…). Cette branche fait souvent appel à la pétrographie, la minéralogie, la tectonique, l’hydrogéologie et la géophysique  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Importance de la géologie dans divers domaines Importance de la Géologie dans la Construction ❖ Études géotechniques : Identification des types de sol et de roche pour évaluer la stabilité des terrains et des fondations. ❖ Sélection des sites : Identification des zones à risque (glissements de terrain, séismes, inondations) pour éviter les catastrophes. ❖ Matériaux de construction : Identification et extraction des matériaux tels que le calcaire, le granit, le sable et le gravier. ❖ Conception des fondations : Analyse des conditions géologiques pour concevoir des fondations solides pour les bâtiments, ponts et autres infrastructures.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Importance de la géologie dans divers domaines Géologie et Environnement ❖ Gestion des ressources en eau : Étude des aquifères pour la gestion durable des ressources en eau potable. ❖ Pollution et décontamination : Identification des sources de pollution et des méthodes pour décontaminer les sols et les eaux souterraines. ❖ Évaluation des risques naturels : Prévision et atténuation des risques liés aux tremblements de terre, éruptions volcaniques, glissements de terrain, et autres phénomènes géologiques. ❖ Protection des écosystèmes : Compréhension des processus géologiques pour protéger les habitats naturels et la biodiversité.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Importance de la géologie dans divers domaines Géologie et Ressources Naturelles ❖ Exploration minière : Identification et extraction des ressources minérales (métaux précieux, minéraux industriels). ❖ Pétrole et gaz : Exploration et exploitation des gisements de pétrole et de gaz naturel. ❖ Ressources énergétiques : Études géologiques pour le développement des énergies renouvelables, comme la géothermie. ❖ Matériaux de construction : Prospection et extraction de matériaux utilisés dans la construction (sable, gravier, pierre).  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Importance de la géologie dans divers domaines Géologie et Aménagement du Territoire ❖ Planification urbaine : Utilisation des études géologiques pour planifier l'urbanisation en fonction des risques naturels et des ressources disponibles. ❖ Gestion des déchets : Sélection des sites de décharge et des installations de traitement des déchets en fonction des conditions géologiques. ❖ Développement des infrastructures : Conception et construction d'infrastructures (routes, tunnels, barrages) en tenant compte des conditions géologiques.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique La structure interne de la Terre Il est possible d’étudier de façon directe seulement les quelques premiers km de profondeur de la Terre. Pour déterminer la structure interne de la Terre, les géologues et les géophysiciens ont donc eu recours à des méthodes indirectes, tel que la sismologie (étude des séismes).  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Du vocabulaire pour commencer * Séisme : rupture brutale de roches en profondeur soumises à des tensions qui s’accumulent pendant des années ou des siècles * Foyer : lieu du séisme où se produit la rupture * Epicentre : zone située à la surface du globe à la verticale du foyer * Sismographe : appareil permettant d’enregistrer des ondes sismiques * Sismogramme : courbe dessinée par le sismographe ;  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Etude de sismogrammes L’étude d’un sismogramme après un séisme nous montre deux « trains d’ondes » Celles qui sont enregistrées en premier par le sismographe sont celles qui sont arrivées le plus rapidement du foyer du séisme. On les appelle les ondes P (premières). Le second train d’onde représente les ondes S (secondes), plus lentes à se propager. On enregistre également un troisième train d’onde, encore plus lentes, appelées les ondes L  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Certains types d'ondes se propagent autant dans les liquides, les solides et les gaz, alors que d'autres types ne se propagent que dans les solides. Lorsque qu'il se produit un tremblement de terre à la surface du globe, il y a émission d'ondes dans toutes les directions. Il existe deux grands domaines de propagations des ondes : les ondes de surface, celles qui se propagent à la surface du globe, dans la croûte terrestre, et qui causent tous ces dommages associés aux tremblements de terre, et les ondes de volume, celles qui se propagent à l'intérieur de la terre et qui peuvent être enregistrées en plusieurs points du globe.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Chez les ondes de volume, on reconnaît deux grands types : les ondes de cisaillement ou ondes S, et les ondes de compression ou ondes P. Les ondes sismiques de volume L'onde P se déplace créant successivement des zones de dilatation et des zones de compression. Les particules se déplacent selon un mouvement avant-arrière dans la direction de la propagation de l'onde. Ce type d'onde est assimilable à une onde sonore.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Dans le cas des ondes S, les particules oscillent dans un plan vertical, à angle droit par rapport au sens de propagation de l'onde.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Les ondes P se compriment et se dilatent dans le sens de leur propagation. Les ondes S vibrent perpendiculairement à la direction de propagation.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique La structure interne de la Terre, ainsi que l'état et la densité de la matière, ont été déduits de l'analyse du comportement des ondes sismiques. Les ondes P se propagent dans les solides, les liquides et les gaz, alors que les ondes S ne se propagent que dans les solides. On sait aussi que la vitesse de propagation des ondes sismiques est proportionnelle à la densité du matériel dans lequel elles se propagent. Quand une onde atteint une discontinuité (frontière séparant 2 milieux de propriétés physiques différentes), l’onde se réfléchit ou se réfracte  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique La vitesse de propagation des ondes dépend des caractéristiques du milieu dans lequel elle se propage : - pression, - température, - composition.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique LA ZONE D’OMBRE Les stations situées jusqu’à 11500 km (105°) de l’épicentre d’un séisme enregistrent des ondes P et S directes. Au-delà de cette limite et jusqu’à 14500 km (142°), il existe ce qu’on appelle la zone d’ombre, qui est une zone où les stations n’enregistrent les ondes dues au séisme. Ensuite, seules les ondes P réapparaissent. Cette zone d’ombre est due au fait que les ondes sont réfractées deux fois sur une discontinuité interne.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique LA ZONE D’OMBRE Les calculs sismiques amènent à penser que cette discontinuité est située à 2900 km de profondeur, elle est appelée discontinuité de Gutenberg, séparant le manteau du noyau. Le fait que les ondes S ne réapparaissent pas conduit à conclure que ce noyau est liquide (les ondes S ne se propagent pas dans les liquides).  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Etude des vitesses des ondes en fonction de la profondeur La courbe suivante présente la vitesse des ondes P et S en fonction de la profondeur Toutes les stations d’observations à la surface du globe enregistrent le même type de courbe. On peut donc penser que le globe est composé d’enveloppes concentriques  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique On peut remarquer trois « cassures » nettes dans les courbes - au tout début de la courbe (entre 10 et 70 km de profondeur) augmentation très rapide de la vitesse, - à 2 900 km de profondeur, grande chute de la vitesse - à 5 400 km, augmentation brutale.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Ces cassures mettent en évidence 3 discontinuités dans la constitution de la terre : - Le Moho entre 10 et 70 km de profondeur, - la discontinuité de Gutenberg à 2900 km, - la discontinuité de Lehman à 5400 km. Ces 3 discontinuités délimitent 4 enveloppes concentriques constituant le globe : - la croûte, - la manteau, - le noyau externe, - noyau interne.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications LITHOSPHÈRE ET ASTHÉNOSPHÈRE La lithosphère est située sous l’atmosphère ou sous l’hydrosphère (l’océan, les glaciers). L’étymologie du mot (du grec lithos, pierre) donne une première définition: « il s’agit de l’enveloppe la plus rigide du globe, celle sur laquelle nous marchons et nous bâtissons. »  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications LITHOSPHÈRE ET ASTHÉNOSPHÈRE Par exemple, la lithosphère est capable de supporter la surcharge de volcans, de deltas fluviatiles, de calottes glaciaires, etc., sans beaucoup se déformer: en ce cas, elle fléchit seulement, et tend à reprendre sa forme si la charge disparaît. On dit que sa viscosité est forte. Au contraire, le milieu sur lequel la lithosphère repose se déforme lentement par fluage sous l’effet d’efforts faibles mais prolongés: c’est l’asthénosphère.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications LITHOSPHÈRE ET ASTHÉNOSPHÈRE Attention: sauf en quelques rares endroits, l’asthénosphère reste à l’état solide. Il ne s’agit pas, comme on l’a cru longtemps, d’un magma liquide fait de roches fondues. Toutefois, sa viscosité est plus faible que celle de la lithosphère, en raison des pressions et des températures élevées qui règnent en profondeur, de sorte que sa déformation plastique irréversible est aussi plus facile  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale LITHOSPHÈRE ET ASTHÉNOSPHÈRE Deux discontinuités importantes séparent croûte, manteau et noyau : la discontinuité de Mohorovicic (MOHO) qui marque un contraste de densité entre la croûte terrestre et le manteau. La discontinuité de Gutenberg qui marque aussi un contraste important de densité entre le manteau et le noyau. Une troisième discontinuité sépare noyau interne et noyau externe, la discontinuité de Lehmann.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications La couverture sédimentaire est une mince pellicule de sédiments produits et redistribués à la surface de la croûte par les divers agents d'érosion (eau, vent, glace) et qui compte pour très peu en volume. On reconnaît deux types de croûte terrestre : la croûte océanique, celle qui en gros se situe sous les océans, qui est formée de roches basaltiques de densité 3,2 et qu'on nomme aussi SIMA (silicium-magnésium) ; et la croûte continentale, celle qui se situe au niveau des continents, qui est plus épaisse à cause de sa plus faible densité (roches granitiques à intermédiaires de densité 2,7 à 3) et qu'on nomme SIAL (silicium- aluminium). La couche plastique du manteau supérieur est appelée asthénosphère, alors qu'ensemble, les deux couches solides qui la surmontent, soit la couche solide de la partie supérieure du manteau supérieur et la croûte terrestre, forment la lithosphère.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques directes : Forages profonds : Les forages permettent d'extraire des échantillons de roche jusqu'à quelques kilomètres de profondeur. Cette méthode est limitée en profondeur (environ 12 km au maximum, comme dans le forage de Kola), elle offre des informations précieuses sur la composition et les propriétés des roches à différents niveaux.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques directes : Forages profonds : Exemple : Le forage de Kola en Russie, qui est le forage le plus profond réalisé par l'homme, atteignant environ 12,3 km de profondeur.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques directes : Observation des roches affleurantes et des gisements minéraux : Les géologues examinent les roches à la surface de la Terre et les gisements minéraux exposés par l'érosion ou l'activité humaine (mines, carrières). Ces observations directes permettent de mieux comprendre la composition de la croûte terrestre et d'obtenir des indices sur les processus géologiques en profondeur.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques directes : Échantillonnage volcanique : o Les éruptions volcaniques projettent des matériaux provenant de l'intérieur de la Terre L'étude de ces échantillons donne des informations directes sur la composition du manteau supérieur. o Exemple : Les péridotites, des roches du manteau terrestre, sont parfois transportées à la surface par les volcans. Exploration minière : o L'extraction de matériaux dans les mines profondes (jusqu'à plusieurs kilomètres) permet de prélever des échantillons directs de la croûte terrestre et d'étudier les conditions géologiques à ces profondeurs.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques indirectes : Magnétisme : L'étude des anomalies magnétiques permet d'analyser les propriétés magnétiques des roches souterraines. Des zones avec des variations magnétiques révèlent la présence de certaines structures géologiques comme les gisements métalliques. Exemple : Les variations dans le champ magnétique terrestre permettent de cartographier la lithosphère océanique, aidant à comprendre les processus de tectonique des plaques.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques indirectes : Sondage géoélectrique : Cette méthode consiste à envoyer des courants électriques dans le sol et à mesurer la résistivité électrique des roches. Les matériaux souterrains ont des résistivités différentes en fonction de leur composition et de leur teneur en eau. Exemple : Utilisé pour détecter des nappes d’eau souterraines ou pour cartographier la structure géologique en profondeur. Les matériaux souterrains ont des résistivités différentes : Roches sèches : Elles ont une résistivité élevée car elles conduisent mal l’électricité. Roches poreuses saturées d’eau : Elles ont une faible résistivité, car l'eau (surtout si elle contient des sels minéraux) conduit bien l'électricité. Minéraux métalliques : Certains minéraux (comme les minerais de fer ou de cuivre) ont une résistivité très basse et sont d'excellents conducteurs.  Chapitre 1 : Introduction à la géologie et ses applications Méthodes d’étude et d’analyse géologique Méthodes d'analyses géologiques indirectes : Études isotopiques (géochronologie) Les isotopes radioactifs dans les minéraux permettent de dater les roches et de comprendre l'histoire géologique des matériaux provenant de l'intérieur de la Terre. Ces méthodes fournissent des informations sur l’âge et les processus de formation des roches.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques La tectonique est une branche des sciences de la terre qui étudie la nature et les causes des déformations des ensembles rocheux. La tectonique des plaques étudie les déformations, à grande échelle, de la lithosphère terrestre. La tectonique des plaques est une théorie qui propose que les déformations de la lithosphère sont reliées aux forces internes de la terre et que ces déformations se traduisent par le découpage de la lithosphère en un certain nombre de plaques rigides (14) qui bougent les unes par rapport aux autres en glissant sur l'asthénosphère. Une plaque est un volume rigide, peu épais par rapport à sa surface.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques C’est dans les années 1970, grâce à l’observation des fonds océaniques, que les scientifiques ont énoncé ce modèle qui permet d’expliquer la dynamique globale de la Terre et la répartition des séismes et des volcans. Les plaques lithosphériques se déplacent les unes par rapport aux autres à des vitesses de quelques centimètres par an. Elles sont limitées par des frontières de plaques. La majeure partie de l’énergie sismique libérée à la surface du globe, l’est donc au niveau de ces frontières de plaques.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques 6 plaques majeures (Pacifique, Amérique, Eurasie, Afrique, Indienne, Antarctique) et plusieurs plaques de moindre importance (Nazca, Coccos, Caraïbes, Scotie, Arabique, Philippines...).  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Le moteur de ces mouvements est le phénomène de convection qui se produit à l'intérieur du manteau terrestre. QU'EST-CE QUE LA CONVECTION ? Ce sont des mouvements de matière qui se produisent lorsqu'on a du matériel dense en haut et peu dense en bas : cette situation correspond à un gradient de masse volumique inverse. Dans cette situation, le matériel dense du haut a tendance à descendre, et le peu dense du bas a tendance à monter. Ce gradient de densité inverse peut avoir des origines diverses, mais le plus souvent il est dû à des différences de température : chaud et peu dense en bas, froid et dense en haut. On parle alors de convection thermique.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Nous savons qu'il existe un flux de chaleur qui va du centre vers l'extérieur de la terre, un flux causé essentiellement par la désintégration radioactive de certains éléments chimiques dans le manteau. Certaines zones du manteau sont donc plus chaudes, et se mettent à monter vers la surface sous l'effet de la force d'Archimède (zone plus chaude donc moins dense = montée). Une fois refroidie en surface (ce qui évacue la chaleur produite à l'intérieur de la Terre), la matière replonge vers les profondeurs (zone plus froide donc plus dense = descente).  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Nous savons qu'il existe un flux de chaleur qui va du centre vers l'extérieur de la terre, un flux causé essentiellement par la désintégration radioactive de certains éléments chimiques dans le manteau. Certaines zones du manteau sont donc plus chaudes, et se mettent à monter vers la surface sous l'effet de la force d'Archimède (zone plus chaude donc moins dense = montée). Une fois refroidie en surface (ce qui évacue la chaleur produite à l'intérieur de la Terre), la matière replonge vers les profondeurs (zone plus froide donc plus dense = descente).  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Le gradient thermique entre le centre de la Terre et la surface provoque un mouvement de matière qui se déplace des zones chaudes vers les zones froides. Ceci engendre des cellules de convection dans le manteau plastique (asthénosphère). Ce gradient thermique et les flux de matière induits sont donc les moteurs de la tectonique des plaques.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Les mouvements de convection vont provoquer des contraintes contraires à l'intérieur de la lithosphère. On aura ainsi des zones avec des contraintes tectoniques distensives et en compensation des contraintes tectoniques compressives.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Courants de convection ascendants et distension : Lorsqu’un courant de convection monte du manteau vers la lithosphère, il provoque un écartement ou une « distension » des plaques tectoniques. Ce type de contrainte tectonique, appelé contrainte distensive, se produit souvent au niveau des dorsales océaniques, où la lithosphère se fragmente et où du magma peut s'infiltrer pour former de la nouvelle croûte. Courants de convection descendants et compression : Ailleurs, le courant de convection redescend, provoquant des mouvements de plaques convergents, c'est-à-dire qu'elles se rapprochent. Cela crée des contraintes compressives qui s’exercent sur les plaques, les poussant l’une contre l’autre. Ce type de contrainte est typique des zones de subduction (où une plaque s’enfonce sous une autre) et des chaînes de montagnes, comme dans l'Himalaya.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Ces mouvements définissent trois types de frontières entre les plaques: 1) les frontières divergentes ou constructive, là où les plaques s'éloignent les unes des autres et où il y a production de nouvelle croûte océanique (dorsale océanique) ; 2) les frontières convergentes (destructive), là où les plaques entrent en collision, (conséquence de la divergence) ;  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques 3) les frontières transformantes, lorsque les plaques glissent latéralement les unes contre les autres le long de failles ; ce type de limites permet d'accommoder des différences de vitesses dans le déplacement de plaques les unes par rapport aux autres, comme ici entre A et E, et entre B et D, ou même des inversions du sens du déplacement, comme ici entre les plaques B et E. 54  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Zones distensives Entre 2 cellules de convection divergentes, des contraintes distensives vont apparaître. La remontée de la matière chaude va provoquer un bombement de la lithosphère en même temps qu'un amincissement de celle- ci. Cela va provoquer des failles normales, avec des grabbens et possibilité d'océanisation et mise en place d'un système effusif.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Zones distensives  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Zones compressives On définira des comportements types en se référant à des lithosphères de type continental (granite d=2,7) et des lithosphères de type océanique (basalte d=3,4). On distinguera donc des zones compressives entre 2 plaques océaniques, ou entre une plaque océanique et une plaque continentale ou encore entre 2 plaques continentales.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Zones compressives 2 plaques Océaniques Le principal problème lors de l'affrontement de 2 lithosphères est de connaître celle qui va abdiquer en premier. Au départ, il y a un épaississement au contact des 2 plaques, mais selon les lois de la gravité le corps le plus dense plonge sous le corps le moins dense, c'est la SUBDUCTION.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Ce phénomène va avoir de nombreuses répercutions : 1- bombement de la plaque qui ne plonge pas, 2- formation d'un prisme d'accrétion sédimentaire, la couverture sédimentaire de la plaque plongeante se décollant partiellement du soubassement basaltique, 3- en surface il y a formation d'un arc volcanique (série d'îles volcaniques : arc insulaire volcanique 4- la plaque plongeante provoque un étirement de l'arrière de l'arc volcanique en formant un bassin marginal, 5- dans la zone de subduction il peut y avoir formation d'une fosse océanique. ex. Les Antilles  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Formation d'un prisme d'accrétion sédimentaire À l’approche de la zone de subduction, la plaque océanique porte souvent une couche de sédiments déposés au fil du temps au fond de l’océan. Quand la plaque commence à plonger, cette couverture sédimentaire se décroche partiellement du socle basaltique en raison de la forte pression et de la friction avec la plaque supérieure. Les sédiments sont alors comprimés, plissés et accumulés, formant un prisme d’accrétion sédimentaire, qui devient une sorte de "coin" entre les deux plaques. Ce prisme peut se développer en forme de collines ou de montagnes sous-marines parallèles à la fosse de subduction.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Formation d'un arc volcanique (arc insulaire volcanique) En profondeur, la plaque plongeante s'enfonce et subit une augmentation de température et de pression. Ce processus provoque une fusion partielle des roches du manteau et de la plaque elle-même, créant du magma. Ce magma, moins dense, remonte vers la surface et forme une série de volcans au niveau de la plaque supérieure. Lorsque ces volcans se forment sur une plaque océanique, ils créent une chaîne d’îles volcaniques appelées "arc insulaire volcanique". Des exemples incluent l’arc volcanique des îles Mariannes et les îles Japonaises, qui sont tous deux situés dans des zones de subduction.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques 1 plaque océanique et 1 plaque continentale  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Dans une zone compressive, lorsque 2 types différents de lithosphère sont en contact, la différence de densité va jouer un rôle important dans la subduction. Comme globalement il n'existe que 2 types de lithosphères, continentale et océanique, la roche constitutive est respectivement le granite et le basalte dont les densités sont 2,7 et 3,4. Par la seule différence de densité, la lithosphère océanique va subducter sous la lithosphère continentale. On retrouvera un certain nombre des phénomènes évoqués dans le cas de 2 lithosphères océaniques, avec formation d'une cordillère volcanique.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques 2 plaques Continentales  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Lorsque 2 plaques continentales se percutent elles ont la même composition granitique et la même densité ; aucune n'a de raison de vouloir passer sous l'autre. Mais l'élément qui va intervenir est le contraste de densité entre ces lithosphères continentales et le manteau supérieur. Une plaque continentale ne pourra jamais subducter car sa densité est trop faible par rapport à celle du manteau, il y a collision et surrection de chaînes de montagnes. ex. Inde contre le continent eurasiatique, avec formation de l'Himalaya  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES - faille : on appelle faille, toute cassure avec déplacement relatif des deux compartiments - plan de faille : surface le long de laquelle s’est fait le déplacement - compartiment : volume rocheux délimité par une ou plusieurs failles. - toit de la faille : compartiment situé au-dessus du plan de faille. - mur de la faille : compartiment situé sous le plan de faille.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES - rejet : distance qui sépare deux points situés de par et d’autre de la faille et qui étaient en contact avant la cassure. On mesure surtout ses composantes, horizontales (rejet horizontal : Rh) et verticale (rejet vertical : Rv).  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES Les contraintes tectoniques : ce sont les forces qui s’exercent sur les roches de la croûte terrestre. Elles peuvent être de deux sortes: - Compressives : forces convergentes qui engendrent la création des reliefs et des chaînes de montagnes (horst). - Extensives : forces divergentes qui engendrent des dépressions et des bassins (graben).  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles En fonction de leur géométrie et de leur cinématique on distingue plusieurs types de failles : Faille normale : faille dont le toit est relativement affaissé par rapport au mur. C’est une faille qui est associée aux contextes tectoniques en extension Faille conforme : faille dont le plan est incliné dans le même sens que les couches affectées. Faille contraire : faille dont le sens du pendage est opposé à celui des couches affectées.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles En fonction de leur géométrie et de leur cinématique on distingue plusieurs types de failles : Faille inverse : faille dont le toit est relativement soulevé par rapport au mur. C’est une faille associée aux régimes tectoniques en compression Faille conforme : faille dont le plan est incliné dans le même sens que les couches affectées. Faille contraire : faille dont le sens du pendage est opposé à celui des couches affectées.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles Faille de décrochement : faille verticale à rejet horizontal. Elle peut être associée à tous les contextes tectoniques (extensifs et compressifs)  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques FAILLES: Différents types de failles Exercice : En considérant les cartes ci-dessous, compléter le tableau suivant : Failles normales Failles inverses Décrochements Nature des contraintes Géométrie de la faille Relations âges des terrains Pendage de la faille  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques PLIS Les plis sont des déformations des couches rocheuses qui se produisent lorsque celles-ci sont soumises à des forces de compression. Ils se forment principalement dans les zones de collision entre plaques tectoniques, où la croûte terrestre est comprimée, plissée et soulevée Qu'est-ce qu'un pli ? Un pli est une déformation courbe ou ondulée d'une série de couches sédimentaires ou d'autres roches. Les plis se caractérisent par leur forme et leur orientation, et ils peuvent varier en taille, allant de quelques centimètres à plusieurs kilomètres.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques PLIS Sous l’effet des contraintes tectoniques, les strates (couches) sédimentaires peuvent se déformer de façon plus au moins plastique. Leurs pendages deviennent alors variables et dirigés dans des sens divers, on dit qu’elles sont plissées. Les structures plissées sont formées de synclinaux (plis concaves vers le haut) et d’anticlinaux (plis concaves vers le bas) Au cœur des synclinaux sont représentées les formations les plus récentes et les plus anciennes au cœur des anticlinaux.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques ELEMENTS MORPHOLOGIQUESD’UN PLI - Charnière : c’est la zone de courbure maximale présentée par les couches, souvent représentée sur la carte par : respectivement pour la charnière anticlinale et synclinale. - Flancs : surface de la couche de part et d’autre de la charnière - Plan axial : c’est le plan de symétrie du pli passant par le milieu de la charnière. - Axe du plis (β) : c’est la direction du plan axial. - Plan π : c’est le plan perpendiculaire à l’axe du pli.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques LES DIFFERENTS TYPES DE PLIS : En fonction de la géométrie du plan axial, on peut distinguer différents types de plis  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Notions de Flanc Normal et de Flanc Inverse Lorsque sur une coupe verticale, les couches géologiques plissées se rencontrent dans l’ordre où elles sont déposées, on dit que la série est normale ; on est alors sur le flanc normal du pli. Dans le cas contraire on a une série inverse (ou renversée) qui se rencontre dans le flanc inverse du pli  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques Exercice : Considérons la structure plissée de la figure ci-dessous, dont le plan axial est vertical est l’axe horizontal. Les contours géologiques forment sur le plan (ABCD) des lignes droites et parallèles en relief plat et plus au moins sinueuses en relief accidenté. Ils délimitent des bandes parallèles répétitives et plus au moins symétriques. Critères Axe ‘S’ Axe ‘A’ Âge des couches Pendage des couches Forme des couches Type du pli Critères Axe ‘S’ Axe ‘A’ Âge des couches Les couches les plus Les couches les plus jeunes sont au centre anciennes sont au du pli centre du pli Pendage des Les pendages Les pendages couches convergent vers le divergent à partir du centre centre Forme des couches Forme concave vers Forme convexe vers le le haut (structure en haut (structure en "A") "U") Type du pli Synclinal Anticlinal  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques CHEVAUCHEMENTS Le chevauchement (ou recouvrement) est un type particulier de déformation tectonique qui se produit lorsque deux ensembles géologiques, souvent de âges très différents, sont anormalement mis en contact par le biais d'une faille à faible pendage (angle d'inclinaison). Cette structure géologique est typiquement observée dans des zones où les forces de compression sont très fortes, comme dans les chaînes de montagnes formées par la collision de plaques tectoniques.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques CHEVAUCHEMENTS En fonction de la quantité du déplacement le long de ces failles (rejet), on peut distinguer : Un chevauchement de faible amplitude : cas des failles inverses et des plis failles. Un chevauchement de grande amplitude : charriage. Dans un chevauchement l’ensemble chevauchant est situé au-dessus du contact alors que l’ensemble chevauché est situé au-dessous du contact.  Chapitre 2 : Fondements de la géologie structurale Principes de la tectonique des plaques CHEVAUCHEMENTS