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Département de l’Environnement

Tronc Commun BCG Semestre 4

Section A et B

A.U : 2019-2020 Pr. Y. GHFIR – Pr. S. HINAJE – Pr. A. CHAOUNI

Cours de TECTONIQUE

TABLE DES MATIERES

Chapitre 1 : Introduction I - Les différentes disciplines en relation avec la tectonique II - Les structures primaires

1. Dans les roches sédimentaires a- Stratification : b- Grano-classement ou Graded Bedding : c- La disposition des sédiments en séquences : d- stratification oblique : e- Ripple marks = rides de courants : f- Remplissages minéraux : g- Disposition des fossiles :
2. Dans les roches magmatiques
3. Dans les roches métamorphiques

Chapitre 2 : Géomécanique ou mécanique des roches (Rhéologie) I/- Notion de contrainte et de déformation

1. Définition
2. Notion de force
3. Notion de contrainte
4. Décomposition des forces et des contraintes
5. Ellipsoïde des contraintes II/- Réaction des roches aux contraintes
6. Propriétés des corps
7. Comportement des roches pendant la déformation III/- Relation ellipsoïde de déformation – ellipsoïde de contrainte
8. Relation contrainte – déformation
9. Etats des contraintes et régimes tectoniques VI/- Paramètres de déformation des roches
10. Déformation expérimentale : la presse triaxiale
11. Fracturation expérimentale
12. Influence de la pression de confinement sur la déformation
13. Influence de la température sur la déformation des roches
14. Influence de la lithologie
15. Influence des fluides d’imprégnation
16. Influence de l’anisotropie

Chapitre 3 : La déformation discontinue : Tectonique cassante I- Les failles

1. Généralités a- Géométrie b- Principaux type de failles
2. Failles associées à la distension a- Failles courbes ou listriques b- La quantification de l’extension c- Failles normales synsédimentaires
3. Failles associées à la compression a- La géométrie des failles inverses b- Evaluation du raccourcissement
4. Les décrochements a- Définition b- Structures liées aux décrochements c- Les couloirs de décrochements
5. Evolution des failles II- Les structures et microstructures associées aux failles 1)- Les blocs basculés et les terminaisons des décrochements 2)- Les joints et les diaclases
6. Les fentes de tension
7. Les stylolites
8. Les critères de mouvement (tectoglyphes ou tectonoglyphes) III) Chevauchements et charriages 1)- Caractéristiques

COURS DE TECTONIQUE

Chapitre 1 : Introduction

Le terme tectonique vient du terme grec « Tektonikos » = propre au charpentier, à l’architecte : il implique une notion de structure. La tectonique est la discipline des sciences de la terre qui traite des déformations de l’écorce terrestre. Le terme de Géologie Structurale est souvent employé comme synonyme de tectonique. Toute fois, une distinction tend à s’imposer entre ces deux termes. La Géologie Structurale (Structural Geology) est essentiellement l’étude de la géométrie des structures. Par contre la Tectonique (Tectonic) concerne plutôt l’étude de ces structures en relation avec les mouvements (cinématique) et les forces (dynamique) qui les ont créés. La tectonique étudie la disposition des roches dans l’écorce terrestre et les mécanismes (contraintes) qui ont engendré ces structures. Qui dit déformation dit état antérieur avec forme antérieur. En effet sur un objet homogène dans lequel aucune géométrie antérieure n’existe, on ne peut pas, après déformation, connaître les changements de forme subis. Il est donc nécessaire de connaître les formes initiales ou structures primaires afin de mieux connaître les déformations subies postérieurement. Ce sont celles ci qui sont étudiées par la Tectonique ; ou structures secondaires = structures tectoniques. I - Les différentes disciplines en relation avec la tectonique

• Tectonique des plaques = Tectonique globale : elle est devenue le fondement de toute les études géologiques. Elle est basée sur le faite que la lithosphère est formée par des couches rigides qui flottent sur l’Asthénosphère partiellement liquide.
• Tectonique analytique : science qui étudie et analyse les objets déformés en relation avec les mécanismes de déformation.
• Tectonique de couverture : correspond à un ensemble de déformations acquises par une couverture sédimentaire qui s’est désolidarisée de son substratum. Le décollement de la couverture se fait à la faveur des couches plastiques (ou couches savons) ; exemple les argiles rouges du Trias.
• Tectonique de fond : ou tectonique de socle : il s’agit de déformations qui affectent des terrains anciens et qui se traduisent dans la couverture par des failles et des plis à grand rayon de courbure.
• Tectonique de revêtement : se traduit par une désharmonie entre les déformations du socle et les déformations de la couverture.
• Tectonique par gravité ou par écoulement : lorsque les structures sont acquises sous l’action de la gravité. Exemple : la formation des nappes de charriages de glissement ; la gravité peut intervenir lorsque les nappes proviennent de zones de soulèvement rapide.
• Tectonique salifère : (due aux sels) = Halocinèse (Halo = sel, cinèse = mouvement) : lorsque les déformations sont liées à la présence de sel.

• Tectonique superposée : due à la succession des phases de déformations d’orientations différentes.
• La phase tectonique : phase de déformation (souple ou cassante) fait partie d’un cycle orogénique. (Phase
  épisodes
  saccades ou secousses)(Changements des directions des contraintes et/ou changement des plongements des axes des contraintes).
• Tectosphère : la partie de la terre qui subi les déformations tectoniques (≈ Lithosphère).
• Tectonosédimentaire : sédimentation → stratification (structures primaires) → Tectonique → structures

secondaires (plis, failles, décrochements, …). Certains phénomènes qui se produisent pendant la sédimentation peuvent êtres qualifiés de tectoniques = structures tectono-sédimentaires.

• Tectonophysique : c’est l’étude de la tectonique en utilisant les lois physiques.

**II - Les structures primaires

1. Dans les roches sédimentaires** a- Stratification : correspond à une superposition des couches de nature identique ou différente, liées par les joints de stratification. La stratification naît toujours horizontale ou sub-horizontale. Sur le terrain les couches sont parfois inclinées ou même renversées. Seuls certains critères permettent alors de reconstituer la position initiale des couches = critères de polarité.

b- Grano-classement ou Graded Bedding : classement des grains généralement par taille progressivement décroissant dans les sédiments détritiques ; ceci est dû au dépôt plus rapide des grains grossiers lorsque le courant perd de son énergie.

l’écoulement du magma, est appelée Fluidalité (fluare = coulée) qui indique la direction d’écoulement du magma. La fluidalité peut être de deux types linéaire ou planaire. Il est également possible de rencontrer une stratification dans les roches magmatiques ; celle ci est due à la

cristallisation fractionnée qui produit des minéraux denses (olivine → pyroxène → amphibole →

plagioclases basiques → micas et plagioclases alcalins → quartz). Ces minéraux ont tendance à se déposer

sur le fond du réservoir magmatique et se stratifient formant un cumulat.

3) Dans les roches métamorphiques L’une des caractéristiques du métamorphisme c’est qu’il peut être plus ou moins intense. Les structures de la roche initiale peuvent être conservés ou détruites plus ou moins complètement. Ainsi dans une roche métamorphique on peut trouver des résidus de structures anciennes. Toute fois la structure caractéristique des roches métamorphiques est la Foliation ou Foliation cristallophyllienne. Elle correspond à la disposition des minéraux des roches métamorphiques parallèlement entre eux. Cet arrangement est dû à la pression qui participe à la formation de ces roches. Les minéraux néoformés ont tendance à s’orienter perpendiculairement à cette pression. Cette structure caractérise le dynamo-métamorphisme.

Chapitre 2 : Géomécanique ou mécanique des roches (Rhéologie)

**I/- Notion de contrainte et de déformation

1. Définition** La mécanique des roches ou géo-mécanique, c’est la science qui étudie la façon dont se déforment les roches lorsqu’elles sont soumises à des contraintes.

2) Notion de force On appelle force toute cause capable de produire ou de modifier le mouvement d'un corps (effet dynamique), ou déformer un corps (effet statique). Le poids d'un corps obéit à cette définition; c'est une force de pesanteur. En général, une force est caractérisée par son intensité, par son sens et par son point d'application. Dans le cas des forces réparties sur une surface (δS), la résultante des forces appliquées à δS est : δ F = e. δ S .e correspond au vecteur densité de force exprimé en N/m2, noté en tectonique σ.

3) Notion de contrainte Si la force est appliquée sur un point M de la surface δS d'un fluide ; le vecteur densité de force e est orienté perpendiculairement à δS quelle que soit l'orientation de celle-ci. Sa valeur est aussi indépendante de cette orientation. Dans ce cas, e correspond à la pression du fluide en un point M de l'élément de surface δS.

Si le corps est un solide, e peut-être oblique à δS. Sa valeur dépend de l'orientation de celle-ci. Dans ce cas, e correspond au vecteur contrainte s'exerçant au point M de la face infiniment petite δS. e est noté alors σ. σ = δ F / δ S. Unités : F = Newton N (1 N = 1 kg.m/s²) S = surface m² σ = Pascal Pa (1 Pa = 1 N/m²) En géologie : kilopascal (kPa) 1 kPa = 10³ Pa Méga pascal (MPa) 1 MPa = 10^6 Pa gigapascal (GPa) 1 GPa = 10^9 Pa bar (b) 1 b = 10^5 Pa kilobar (kb) 1 kb = 10^8 Pa = 100 MPa = 0.1 GPa

4) Décomposition des forces et des contraintes Soit un objet cylindrique (ABCD) soumis à deux forces opposées (F) appliquées perpendiculairement aux surfaces opposées (AB) et (CD) de même dimension. Chaque force est caractérisée par un vecteur densité de force ou contrainte : σ = F/AB = F/CD. σ est appelée aussi contrainte normale (perpendiculaire à la surface d’application de la force). La contrainte dans ce cas est uniaxiale. Considérons le point M d'un élément de surface (CB) orienté de façon quelconque par rapport à une force F(σ). Celle-ci est décomposée en force normale Fn (σn) et en force tangentielle Ft (τ).

A B

C D

F sinβ = σ1n / σ1 ; cosβ = σ1t / σ 1 Décomposition de la force (F) et de la contrainte (σ) en un point M d’une surface (CB).

sinα = AB/CB = Fn/F cosα = AC/CB = Ft/F

σn = Fn / CB = F.sinα / CB = (F/AB).sin²α = σ.sin²α σt = τ = Ft / CB = F.cosα / CB = (F/AB) sinα. cosα. = σ .sinα cosα =(σ/2).sin2α

σ 1 σ1n σ 1t (τ) Pendage β

Les trois contraintes normales principales σ 1 ≥ σ 2 ≥ σ3 et l’ellipsoïde des contraintes correspondant

Dans le cas général avec 3 contraintes σ 1 ≥ σ 2 ≥ σ3 appliquées perpendiculairement aux facettes d’un cube. Une pression isotrope ou contrainte moyenne peut être ainsi définie : Pi = σi = 1/3 (σ1 + σ2 + σ3)

Pi peut être considéré comme le composant hydrostatique des trois contraintes principales également appelés pression lithostatique ou géostatistique (causée par le poids des roches sus-jacentes) On peut ainsi définir 3 contraintes déviatoriques : σ1 - Pi, σ2 - Pi et σ3 – Pi

**II/- Réaction des roches aux contraintes

1. Propriétés des corps**

- Homogénéité : on dit qu’un corps a un comportement homogène si ce comportement est indépendant d’un point considéré dans le corps. C’est à dire que le corps est constitué de la même matière.

Pression lithostatique en A1 : ρ.g.z Pression isostatique en A2 : ρ.g.z2 quand le milieu devient ductile À une profondeur z près de la surface, la pression lithostatique est vertical et produite par les roches

sus-jacentes P = ρ. g. z

En l'absence de contraintes tectoniques , les contraintes horizontales sont : σ2 = σ3 < P = σ 1 À une profondeur d'environ 3000 m, P devient isotrope (P = σ1 = σ2 = σ3) Changement de pression lithostatique en A1 (ρ.g.z1) en une pression isostatique en A2 (ρ.g.z2), lorsque le milieu devient ductile

pélites

grès grès Homogène Non Homogène ou Hétérogène

- Isotropie : un corps est isotrope si ses propriétés sont indépendantes des la direction dans laquelle s’exercent les forces. Dans le cas contraire on dit qu’il est anisotrope.

plan de fracture ou schistosité

Isotrope Anisotrope

2) Comportement des roches pendant la déformation Lorsqu’une roche est soumise à une compression croissante, chaque valeur de contrainte σ correspond à une valeur de déformation ε. Ainsi on peut construire une courbe contrainte – déformation. Celle ci est divisée en plusieurs parties caractérisant chacune un comportement des roches sous l’action de contrainte. ∗ Comportement élastique : on dit qu’un corps est élastique lorsqu’il subi une déformation à la suite d’une contrainte, il reprend sa forme initiale lorsque la contrainte ne s’exerce plus. On appelle seuil élastique ou limite d’élasticité : la contrainte maximum qu’un matériau peut endurer sans subir de déformation permanente. ∗ Comportement plastique : un corps est qualifié de plastique si la force exercée sur lui dépasse un certain seuil, il se déforme continuellement même si la force garde une valeur constante. Si la force est supprimée, le corps déformé ne revient pas à son état initial. S’il faut constamment augmenté la valeur de la contrainte pour accroître la déformation ; on dira qu’il s’agit de « Durcissement ». Si par contre une fois le seuil élastique atteint, la déformation se produit sans augmentation de la contrainte ; on dira qu’il y’a « Fluage ». ∗ Comportement visqueux : on qualifie de visqueux un corps qui se déforme à vitesse constante dès qu’il est soumis à une contrainte de valeur constante. Dès que celle-ci est supprimée, la déformation acquise est conservée. ∗ Comportement fragile ou cassant : lorsqu’une contrainte provoque une fragmentation d’une roche par rupture, on dit que son comportement est fragile. Ce comportement intervient souvent après l’une des déformations précédentes lorsque le seuil de rupture est atteint.

• R = 0 ; σ2 = σ3 : décrochement compressif
• R = 0,5 ; σ2 = (σ1 + σ3)/2 : régime décrochant
• R = 1 ; σ1 = σ2 : décrochement extensif ∗ pour σ3 verticale (régime compressif)
• R = 0 ; σ2 = σ3 : compression uniaxiale
• R = 0,5 ; σ2 = (σ1 + σ3)/2 : régime compressif
• R = 1 ; σ1 = σ2 : compression biaxiale.

**VI/- Paramètres de déformation des roches

1. Déformation expérimentale : la presse triaxiale** L’étude des matériaux constitutifs de l’écorce terrestre ne nous donne que l’état final des déformations subies. Donc on est obligé d’étudier les états intermédiaires de déformation de façons expérimentales. Pour réaliser ces essais il faut tenir compte des différentes conditions qui règnent à différents niveaux de la tectosphère. Ce sont les conditions de pression, la présence ou l’absence de fluides, l’anisotropie des roches, la nature lithologique des roches et le facteur temps.

Essai triaxial : presse hydraulique en coupe On utilise des échantillons de roches de forme cylindrique qui sont placés dans une enceinte étanche entourée de liquide dont on peut faire varier la pression. Ce liquide mis sous pression représente une pression hydrostatique σi. Un piston placé au dessus de l’échantillon provoque dans ce dernier une pression orientée σ1. Une résistance introduite dans le liquide va permettre de faire varier la température du système.

**Essai triaxial : presse hydraulique en coupe

1. Fracturation expérimentale** La fracturation provoquée expérimentalement par application d’une pression sur un matériau isotrope peut se faire de différentes façons :

• à pression ambiante c’est à dire σi = 1 bar ; un échantillon déformé cède par des fractures qui sont grossièrement parallèles à la contrainte maximale. Les lèvres de ces fractures s’écartent progressivement et perpendiculairement au plan de fracture. On les qualifie de fentes de tension ou d’extension ;

σ 3 Fentes de tension

• si on augmente simultanément la pression de confinement σi et la contrainte σ1 (σ1 toujours supérieure à σi), les fractures s’inclinent par rapport à l’axe du cylindre et le déplacement entre les deux lèvres tend à devenir parallèles à la surface de la fracture. On obtient alors des fractures de cisaillement ;

Fractures de cisaillement

• si on augmente encore σi, les fractures de cisaillement se multiplient et leur décrochement individuel diminue. Elles deviennent symétriquement inclinées par rapport à la contrainte maximale. On appelle ces fractures des fractures conjuguées. L’angle qu’elles fondent avec la direction de σ 1 tend à augmenter mais ne dépasse jamais 45°.

Angle α < 45° Fractures conjuguées

Il faut retenir de ces expériences que les fentes de tension se produisent dans le plan σ1-σ2, c’est à dire perpendiculairement à σ3. Les fractures conjuguées contiennent σ2 et sont inclinées de part et d’autre de σ 1 d’un angle < 45°. σ 1

α<45°

σ 2 σ (^3) La déformation est non pénétrative lorsque celle-ci montre des discontinuités (des fractures). Elle est pénétrative lorsqu’elle est continue.

σ seuil d’élasticité seuil de rupture

300°C

Domaine 400°C 500°C de plasticité 600°C

(cassant ductile : T compression < T d’extension ; Pi compression < Pi d’extension)

5) Influence de la lithologie Si on examine le comportement des différentes roches, on se rend compte que celui-ci peut être très variant. Ainsi si on porte sur le même diagramme Pression de confinement σi et Pourcentage % de déformation ε avant rupture ; on obtiendra les courbes suivantes :

_ 10 20 30 % ε

Fragile Ductile 1000_ calcaire

2000_ argile

σi schiste grès

Des courbes ci-dessus on peut tiré les conclusions suivantes :

• d’une façon générale, le seuil de rupture augmente avec la profondeur ; c’est à dire que la roche devient plus ductile en profondeur ;
• certaines courbes se recoupent comme celles du grès et du schiste. 6) Influence des fluides d’imprégnation La plupart des roches ont une structure susceptible d’accueillir des fluides (eau, gaz, …). Or ces fluides se trouvent souvent à des pressions qui peuvent être différentes de la pression lithostatique à la profondeur où ils se trouvent. Il en résulte que certaines roches comme le calcaire, sont d’autant plus facilement déformables qu’elles contiennent d’autant d’eau.

L’effet de la température est plus important en compression qu’en extension. Les deux facteurs pression et température vont dans le même sens pour transformée une roche cassante en une roche ductile.

7) Influence de l’anisotropie L’anisotropie d’une roche influe beaucoup sur son comportement. Ce comportement varie en fonction de l’angle que fait la contrainte maximale avec le plan d’anisotropie.

Extension C I S A I L L E M E N T Extension anisotrope isotrope Rupture des roches comportant un plan de discontinuité

Evolution schématique d’une discontinuité non plane en faille avec glissement et écartement (1) ou rapprochement (2)

relais extensif

relais compressif (stylolithes)

La direction de la faille est donnée par l’horizontale (d) tracée sur le plan de faille ; c’est l’angle que fait cette droite avec le Nord géographique. Cet angle s’appelle aussi Azimut. Le pendage de la faille est l’angle α que fait le plan de faille avec l’horizontale du lieu. Lorsqu’au voisinage des failles les structures primaires sont rebroussées on parle de crochons de failles.

b- Principaux type de failles

• Failles normales : elles sont liées à une distension, leur pendage est normalement supérieur à 45° (≈60°). Elles ont un caractère soustractif.

σ 1

Faille inverse

senestre

dextre listrique

Faille normale décrochante senestre

Direction et pendage des couches

Faille normale

• Failles inverses : Elles sont liées à une compression, leur pendage est théoriquement inférieur à 45° (≈30°). Ces failles ont un caractère additif.
• Décrochements : il s’agit d’un déplacement latéral des deux compartiments. Ils peuvent être dextre ou senestre. Leur pendage est généralement voisin de la verticale (90°). Lorsque deux failles sont symétriques par rapport à un plan et résultent d’un même état de contraintes : on parle de failles conjuguées.

2) Failles associées à la distension a- Failles courbes ou listriques Elles apparaissent dans les domaines soumis à une forte extension. Ces failles sont mises en évidence par la géophysique. Leur géométrie courbe est une conséquence directe du comportement mécanique des roches