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Séance 4 : Géologie structurale INITIATION AUX SCIENCES DE LA TERRE Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale...

Séance 4 : Géologie structurale INITIATION AUX SCIENCES DE LA TERRE Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Plan de l’exposé I. Notions de géodynamique interne 1. Définitions et rappels 2. La mobilité de la croute continentale 3. Les séismes II. Tectonique analytique et descriptive 1. Notion de contraintes et de déformation 2. Les structures tectoniques a. Joints, b. Failles, c. Microsctructure, d. Décrochement, e. Plis III. Géologie structurale et géologie de l’ingénieur 1. Diminution des qualités mécaniques du rocher 2. Découpage du massif rocheux Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale I. Notions de géodynamique interne 1. Définitions Les phénomènes géodynamiques internes sont à l'origine directe ou indirecte de la formation de la croute terrestre (lithogenèse) et de ses déformations sous l’effet de la tectonique et du métamorphisme. L’analyse tectonique ou géologie structurale est la branche des sciences de la terre qui a pour objet l’étude des déformations de la croute terrestre. Elle couvre toutes les échelles depuis l’examen microscopique en passant par l’échantillon, l’affleurement, la région et la conception globale de la terre. Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Démarche de l’analyse tectonique Les études tectoniques analysent et décrivent des types élémentaires de déformations d'origine géologique affectant les matériaux de l'écorce terrestre (fractures et plissements). Elles permettent de découvrir peu à peu la disposition spatiale des divers "corps" géologiques constituant une région donnée (étude des structures). Elles consistent à déterminer avec l'aide d'autres disciplines la dynamique de l'évolution des structures géologiques Elles essaient de reconstituer dans le temps l'évolution du champ de contraintes lors des phénomènes orogéniques (c'est-à-dire de la formation des chaînes de montagne). Géologie 1A  Rappels : structure de la terre Séance 4 : Géologie structurale A : coupe des enveloppes de la Terre B : détail de la lithosphère et de l’asthénosphère C : détail des croûtes océanique et continentale d : densité moyenne des roches Vp : vitesse de propagation des ondes sismiques P de compression en km/s Géologie 1A  La tectonique des plaques : Définition Séance 4 : Géologie structurale La lithosphère terrestre est divisée en un réseau de blocs rigides contigus mobiles (15 majeurs + ~50 mineurs), appelées plaques lithosphériques On distingue 3 types de limites de plaques Divergente : les rides océaniques Convergentes : zones de subduction et de collision Décrochantes Les plaques étant rigides ; l’activité tectonique est concentrée en limite de plaque Géologie 1A  La tectonique des plaques : Définition Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A  2. La mobilité de la croûte continentale Séance 4 : Géologie structurale Dérive des continents Des évidences acquises dès la fin des années 50 : Morphologie des côtes Géologie Paléoclimatologie Paléontologie Paléomagnétisme Géologie 1A  Les zones de divergences : les rides océaniques Séance 4 : Géologie structurale Une chaîne de montagne de 60 000 km de long, de 1000 à 4000 km de large et d’une hauteur de 2 à 3 km au fond des océans : La ride Est Pacifique (EPR) La ride médio atlantique (MAR) La dorsale indienne Géologie 1A  Les zones de divergences : schéma simplifié Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Autre exemple d’expansion intra-plaque : rift est-africain MAR = Ride médio- Début de rift atlantique est-africain Géologie 1A  Les zones de convergences Séance 4 : Géologie structurale Les principales zones de convergence Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Les zones de convergence : schéma simplifié Géologie 1A  Exemple de collision entre deux plaques continentales Séance 4 : Géologie structurale L’arc alpin est généré par le poinçonnement de la plaque européenne par l’ensemble italo-dinarique Géologie 1A  Exemple de collision entre deux plaques continentales Séance 4 : Géologie structurale Formation de la chaîne alpine: de -120Ma à nos jours L’arc alpin est généré par le poinçonnement de la plaque européenne par l’ensemble italo-dinarique Géologie 1A  Les zones de convergences : Séance 4 : Géologie structurale signature sismique des zones de subduction exemple du Japon Géologie 1A  Exemple de failles transformantes : la faille de San Andreas Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A  Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A En résumé  Conséquence de la tectonique des plaques : Séance 4 : Géologie structurale répartition mondiale de la sismicité Géologie 1A  3. Les séismes Séance 4 : Géologie structurale Les séismes sont des ébranlements dus à la propagation au sein de l'écorce terrestre de trains d'onde émis en profondeur sous l'action des forces géodynamiques et qui, atteignant la surface, ont des conséquences souvent catastrophiques pour l'activité humaine (San Francisco 1906 - Hessine 1908 - Agadir 1960 - Skoplje 1963, Indonésie 2005 (Tsunami), Japon (2011)… Géologie 1A  Foyer et épicentre d'un séisme Séance 4 : Géologie structurale On appelle foyer (ou encore hypocentre) le point où se produit l'ébranlement. Le foyer d'un tremblement de terre est dit : - superficiel de 0 à 60 km sous la surface, - intermédiaire de 60 à 300 km, - profond au-delà : Les plus profonds connus vers 700 km. L'épicentre sera, par contre, le point correspondant le plus proche de la surface terrestre, où la secousse sera la plus forte Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale L'intensité L'intensité d'un séisme est définie dans une échelle à 12 degrés connue sous le nom d'échelle Mercalli. Chaque degré de l'intensité I correspond à un intervalle de variation de l'accélération λ suivant une loi logarithmique approximative. L'accélération maximale est reliée aux paramètres principaux (a = amplitude, T = période) de l'onde d'ébranlement par la relation Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Echelle de Mercalli Graduation servant à évaluer l'intensité d'un tremblement de terre en fonction des effets ressentis par les personnes ou des dégâts subis par une région. Géologie 1A  Risque sismique en Haïti (intensité de mercalli) Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Equateur 2016 Népal 2015 Géologie 1A  Magnitude, intensité, énergie, accélération Séance 4 : Géologie structurale La magnitude est une grandeur liée à l'énergie développée au foyer du séisme déduite de la lecture des séismogrammes. Définie par RICHTER en 1935, c'est le logarithme décimal de l'amplitude maximale mesurée en micron d'un sismographe standard à 100 km de l'épicentre. D'une manière générale une station séismologique déterminée pourra calculer la magnitude d'un séisme par la relation a : amplitude maximale du mouvement horizontal du sol exprimé en microns. Δ = distance (en degrés) de la station à l'épicentre. C, D = paramètres dépendant de la nature du sous-sol de la station. Enfin, on peut relier la magnitude à l'énergie mise en jeu, par la formule : E = en ergs ; M = magnitude Géologie 1A  Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A  Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Sommes nous concernés ? Carte des magnitudes en Europe occidentale ( CEA http://www-dase.cea.fr/) Géologie 1A  Carte de l’Aléa sismique de la France Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A  Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale II. Tectonique analytique et descriptive Les méthodes Eléments géométriques simples : lignes et plans. L'instrument de mesure utilisé est une boussole munie d'un clinomètre. Azimut : angle de l’horizontale de la couche et de la direction du N, mesuré dans le sens des aiguilles d’une montre de 0 à 180° Pendage : angle de la ligne de plus grande pente par rapport à un plan horizontal, ainsi que le quadrant N, E, S et W de la direction de cette ligne. Notation N-120° ; 45°E Géologie 1A  1. Notion de contraintes et de déformation Séance 4 : Géologie structurale La contrainte est une force appliquée à une certaine unité de volume. Les solides possèdent une force pour résister à la contrainte. Lorsque la contrainte dépasse la résistance du matériau, l'objet est déformé et il s'ensuit un changement dans la forme et/ou le volume. Il existe des cas où la déformation n'est cependant pas perceptible (tremblement de terre). Géologie 1A  Les contraintes Séance 4 : Géologie structurale La compression, les forces convergent; elles peuvent être coaxiales ou non. les cartes vont s'arquer La tension, les contraintes divergent et ont pour effet d'étirer le matériau. Géologie 1A  Contraintes et déformation Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A  Les paramètres de déformations Séance 4 : Géologie structurale Température et pression augmentent avec la profondeur dans la croûte terrestre (surface = cassante, en profondeur = plastique) Le temps : si temps court= casse; si temps long= plastique (notion de fluage). La composition de la roche. R. cassantes de nature (calcaires, les grès, les granites), d'autres plutôt plastiques (r. argileuses). Géologie 1A  Notion de compétence Séance 4 : Géologie structurale Une roche compétente est relativement peu déformable (failles ou flexion) Une roche incompétente est facilement déformable et subit une modification intime: anisotropie d'origine tectonique (foliation, schistosité). + compétence - Roches plutoniques, métamorphiques, détritiques, carbonates, marnes, salines La déformation d’une roche varie avec le niveau structural Géologie 1A  Notion de niveau structural Séance 4 : Géologie structurale Niveau structural supérieur (fracturation) 0m Niveau structural moyen (flexion) front supérieur de schistosité Niveau structural inférieur (aplatissement) 5000m limite supérieure de foliation début de la fusion (granite d'anatexie) 10 000m Géologie 1A  2. Les structures tectoniques : joints, faille, Séance 4 : Géologie structurale microsctructure, décrochement, plis On appellera discontinuité toute interruption de continuité apparaissant au sein d'un massif rocheux quelle que soit son importance et son origine. Les discontinuités peuvent s'accompagner ou non d'un déplacement des blocs rocheux qu'elles délimitent. L’étude de ces discontinuités permet aux géologues de déterminer les grandes structures géologiques de la Terre Le terme de discontinuité est très général (il est souvent employé en mécanique des roches et en Géologie appliquée au Génie Civil). Dans l'esprit des mécaniciens il englobe également les discontinuités d'origine stratigraphique, c'est-à-dire les plans de contact entre couches sédimentaires distinctes. D'un point de vue purement mécanique, de tels contacts ont bien souvent un comportement similaire à celui des discontinuités d'origine tectonique, ce qui justifie la généralisation. Géologie 1A  a) Les joints Séance 4 : Géologie structurale Les joints désignent de façon générale toutes les discontinuités affectant un massif rocheux le long desquelles ne s'est opéré aucun mouvement. Les joints peuvent être fermés, ouverts (fissures), remplis de minéralisations diverses (quartz, calcite) ou d'intrusions volcaniques (dykes). L'étude détaillée et statistique des joints est d'un grand intérêt pour la compréhension du mécanisme de déformation des roches. Un réseau dense de joints doit également préoccuper l'ingénieur car les qualités mécaniques intrinsèques de la roche s'en trouveront considérablement affaiblies, Géologie 1A  Réseau de diaclase Séance 4 : Géologie structurale Diaclase : cassures sans déplacement, cassures perpendiculaires aux couches sédimentaires Géologie 1A  b) Les failles Séance 4 : Géologie structurale Il y a déplacement relatif entre compartiments La déformation cassante se traduit par des plans de cassures avec déplacement relatif d’un compartiment par rapport à l’autre: les failles. ZB : El Asnam (1980), rejet de 2m Stries nées du frottement entre les deux compartiments Faille normale Géologie 1A  Les failles inverses nées par compression horizontale Séance 4 : Géologie structurale Le toit est le compartiment qui se situe au-dessus du plan de faille Le mur est celui qui est au-dessous. Le rejet est le déplacement net des deux compartiments. Les contraintes de compression produisent des failles inverses ou des chevauchements (plan de faille près de l'horizontale). Dans ces deux cas, le toit monte par rapport au mur. s1 horizontale Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Déformation en fonction du niveau structural Géologie 1A  Les failles normales Séance 4 : Géologie structurale Les contraintes de tension, verticales, produisent des failles normales (et listriques) Le toit descend par rapport au mur Contrainte verticale s1 Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale crochon Déformation en fonction du niveau structural Géologie 1A  c) Les décrochements Séance 4 : Géologie structurale Les failles décrochantes (ou de coulissage) constituent un cas particulier; elles se produisent par le déplacement latéral de deux compartiments l'un par rapport à l'autre dans un plan horizontal. On les retrouve en régimes compressifs Je regarde le sens du compartiment en face     Droite = faille dextre Géologie 1A  Quel est le type de décrochement des Séance 4 : Géologie structurale exemples ci-dessous? A B C La faille de San Andreas Géologie 1A  Les décrochements Séance 4 : Géologie structurale Rejet horizontal ou faille de coulissage senestre La route est décalée dextre de 4,5 m (Christchurch, Nle Zélande, 4/09/2010) Géologie 1A  Dans quel sens à joué la faille ? Séance 4 : Géologie structurale Il faut déterminer le sens de déplacement car il existe des stries de même géométrie avec des déplacements de sens opposés Tectoglyphes : marques visibles sur un plan de glissement Géologie 1A  d) Microstructure Décrochement avec fentes et stylolites Séance 4 : Géologie structurale Stylolites : structures interpénétrantes au sein des R. calcaires, joints irréguliers Fentes: ouvertures remplies de silice ou calcite, disposées en échelon, parallèles à la contrainte principale et matérialisant un décrochement Géologie 1A  d) Microstructure Séance 4 : Géologie structurale Losange de calcite à la mer morte: Forme de « pull apart » Même mécanisme quelle que soit l’échelle (voire les fentes) Microfaille jouant en décrochement Stylolites Géologie 1A  e) Les plis Séance 4 : Géologie structurale Les plis constituent la manifestation d'un comportement plastique (ductile) des roches sous l'effet de contraintes de compression Anticlinal quand le pli se ferme vers le haut Synclinal lorsqu'il se ferme vers le bas. Les plis sont dits droits lorsque le plan axial est vertical. A l'autre extrême, il y a les plis couchés, lorsque le plan axial est horizontal. Entre les deux, il y a les plis déjetés et les plis déversés. Géologie 1A  Séance 4 : Géologie structurale Géologie 1A  Les plis isopaques Séance 4 : Géologie structurale Isopaque car même épaisseur Anticlinal avec charnière et flancs plongent vers le bas Inversement le pli est dit synclinal Géologie 1A  Les plis disharmoniques Séance 4 : Géologie structurale Contraste avec roches résistantes (calcaire) et roches molles (marno calcaire) Strates sombres +/- isopaques Taille des plis proportionnelle à l’épaisseur des couches Chaque couche s’est plissée indépendamment Géologie 1A  Les plis semblables Séance 4 : Géologie structurale Plissement semblable car courbures des strates identique le long de la médiane du pli Les courbures coïncident par translation a/ raccourcissement du bassin sédimentaire b/ schistosité tend vers la verticale Géologie 1A  Les plis couchés Séance 4 : Géologie structurale Marnes sombres et strates siliceuses Plis isopaques couchés Calcaire transformé en marbre et schistosité disparue à T=500°C Les strates se rapprochent de l’horizontale à l’endroit (normaux) ou à l’envers (inverse) Bassin de Graissessac Géologie 1A  La shistosité Séance 4 : Géologie structurale Une roche est dite schisteuse, ou affectée de schistosité, lorsqu'elle présente un feuilletage en minces lames parallèles. Ce feuilletage peut correspondre : – au plan d'aplatissement de la matière (schistosité de flux) – au développement d'innombrables microfailles ou microplifailles qui se superposent à une déformation continue appréciable ; – au développement conjoint des deux mécanismes superposés Divers types de schistosité 1 = Schistosité de flux 2 = Schistosité de fracture 3 = Foliation Géologie 1A  III. Géologie structurale et Séance 4 : Géologie structurale géologie de l’ingénieur Les déformations tectoniques subies par les matériaux se traduisent donc, en pratique, par les plissements et par la création de discontinuités au sein des massifs rocheux. Le plissement à grande échelle peut intéresser certains aspects de la géologie de l'ingénieur lorsque l'aménagement projeté intéresse une grande surface de terrain (étanchéité de barrage), ou un développement linéaire important (tunnel). Par contre l’existence de discontinuités est une caractéristique quasi générale des massifs rocheux. De ce seul fait, l'ingénieur de Génie Civil devra tenir compte de ce facteur dans tous les travaux au rocher. Géologie 1A Séance 4 : Géologie structurale Diminution de la qualité du rocher Considérons une roche comprenant ni pores, ni fissures, ni altérations. Ce sera un assemblage parfait de minéraux parfaits.  On peut déterminer à l'avance ses propriétés physiques et mécaniques connaissant celles des minéraux élémentaires. Dans la nature, il en va différemment car la roche présente de nombreuses discontinuités (fissures et pores), qui jouent un rôle prépondérant sur son comportement mécanique.  Changement de certaines propriétés comme la vitesse de propagation d’une onde  La détermination des propriétés élastiques d'une roche à partir de celle de ses constituants n'est pas généralisable à tous les types de roche. La comparaison de propriétés sur une longueur de roche indemne à celle mesurée sur la même roche avec des fissures et altérations est une approche valable. Géologie 1A  Découpage du massif rocheux – notion de maille Séance 4 : Géologie structurale VER : volume élémentaire représentatif Volume de matériau au sein duquel les propriétés physiques (comme la densité, la perméabilité, l'élasticité, etc.) sont supposées homogènes et isotropes. Il doit être suffisamment grand pour capturer les hétérogénéités et les diverses familles de discontinuités. Tout massif rocheux est donc constitué par un assemblage de polyèdres rocheux, dont le prisme élémentaire peut être de taille tout- à-fait variable. Géologie 1A  Exemples de domaines d’application Séance 4 : Géologie structurale Cas d’une exploitation minière Filon de quartz dans granite Cas du creusement d’un tunnel dans des terrains sensibles Géologie 1A