Objectifs
- Comprendre les mécanismes de déformation des roches
- Identifier les différents types de failles et de plis
- Analyser les contraintes tectoniques
- Reconnaître les structures géologiques sur le terrain
- Évaluer l'impact des failles sur les séismes
Prérequis
- Connaissances de base en géologie
- Notions fondamentales sur la tectonique des plaques
1. Introduction aux déformations tectoniques
La surface de notre planète semble relativement stable à l'échelle humaine. Pourtant, la lithosphère est constituée de plaques tectoniques qui se déplacent les unes par rapport aux autres de quelques millimètres à plusieurs centimètres par an.
Ces déplacements engendrent des contraintes mécaniques dans les roches. Lorsque celles-ci sont suffisamment importantes, les roches se déforment.
Les déformations tectoniques peuvent se manifester à différentes échelles, depuis les structures microscopiques observables dans une lame mince jusqu'aux grandes chaînes de montagnes s'étendant sur plusieurs milliers de kilomètres.
On distingue principalement deux formes de déformation permanente :
- La déformation cassante : les roches se fracturent et peuvent se déplacer le long des surfaces de rupture, formant notamment des failles.
- La déformation ductile : les roches changent progressivement de forme sans développer de rupture macroscopique dominante, pouvant former des plis.
Ces deux comportements dépendent notamment de la température, de la pression, de la nature des roches, de la présence de fluides et de la vitesse de déformation.
IMAGE 1 — Déformation cassante et ductile
2. Les contraintes tectoniques
Une contrainte correspond à une force rapportée à une surface, exprimée en pascals (Pa). En géologie structurale, les contraintes contrôlent la façon dont les roches se déforment.
Trois grands régimes de déformation sont généralement étudiés.
Compression
Les roches subissent un raccourcissement horizontal. Ce régime favorise notamment les plis, les failles inverses et les chevauchements.
Contexte fréquent : convergence et collision continentale.
Extension
La croûte s'étire et s'amincit. Elle peut alors être découpée par des failles normales, formant des fossés d'effondrement.
Contexte fréquent : rifts continentaux et dorsales océaniques.
Cisaillement
Deux compartiments rocheux se déplacent latéralement l'un par rapport à l'autre.
Contexte fréquent : limites transformantes entre plaques tectoniques.
Dans la réalité, les contraintes agissent en trois dimensions et plusieurs mécanismes de déformation peuvent se combiner.
3. Les failles géologiques
3.1. Définition d'une faille
Une faille géologique est une fracture ou une zone de fractures au sein des roches, accompagnée d'un déplacement relatif des compartiments situés de part et d'autre de la surface de rupture.
Ce déplacement peut varier de quelques millimètres à plusieurs centaines de kilomètres au cours de l'histoire géologique.
Une fracture sans déplacement relatif identifiable est généralement qualifiée de diaclase, tandis qu'une faille implique un mouvement des compartiments.
U.S. Geological Survey+1
3.2. Les éléments constitutifs d'une faille
Pour décrire une faille, les géologues utilisent plusieurs termes :
- Plan de faille : surface le long de laquelle se produit le déplacement.
- Compartiments : masses rocheuses séparées par la faille.
- Toit et mur : respectivement le compartiment situé au-dessus et celui situé au-dessous d'un plan de faille incliné.
- Rejet : mesure du déplacement relatif associé à la faille, à préciser selon sa direction.
- Miroir de faille : surface parfois polie ou striée par le frottement des roches.
IMAGE 2 — Anatomie d'une faille.
3.3. Les principaux types de failles
A. La faille normale
Une faille normale se forme typiquement dans un contexte extensif.
Le compartiment situé au-dessus du plan de faille, appelé le toit, descend relativement au compartiment inférieur, appelé le mur.
Ces failles sont fréquentes dans les zones où la croûte terrestre s'étire, notamment dans les rifts continentaux.
Un exemple remarquable est le Rift est-africain, où l'extension tectonique contribue à la formation de grands bassins bordés de failles.
B. La faille inverse
Une faille inverse se développe généralement sous l'effet d'une compression.
Contrairement à la faille normale, le compartiment supérieur se déplace vers le haut par rapport au compartiment inférieur.
Ce mécanisme entraîne un raccourcissement et souvent un épaississement de la croûte terrestre.
Lorsque le plan de faille présente un faible pendage, on parle couramment de chevauchement.
Les failles inverses et les chevauchements participent notamment à la formation de grandes chaînes de montagnes comme les Alpes et l'Himalaya.
C. La faille décrochante
Une faille décrochante correspond à un mouvement essentiellement horizontal des compartiments.
On distingue :
- Le décrochement dextre : le compartiment opposé se déplace vers la droite.
- Le décrochement sénestre : le compartiment opposé se déplace vers la gauche.
La faille de San Andreas, en Californie, constitue un exemple célèbre de faille décrochante dextre.
D. La faille oblique
Certaines failles combinent une composante verticale et une composante horizontale du déplacement. Elles sont alors qualifiées de failles à mouvement oblique.
Cette classification repose sur la direction réelle du glissement par rapport au plan de faille.
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Types de failles : Failles normale, inverse et décrochante
IMAGE 3 — Les principaux types de failles.
3.4. Les structures associées aux failles
Les failles peuvent générer des structures tectoniques de grande taille.
Un horst correspond à un compartiment relativement surélevé par rapport aux blocs voisins, généralement limité par des failles normales.
À l'inverse, un graben est un compartiment relativement abaissé entre des failles normales.
Ces structures se rencontrent fréquemment dans les régions soumises à l'extension.
Horst et graben : Blocs soulevés et abaissés par des failles normales.
IMAGE 4 — Horst et graben.
4. Les plis géologiques
4.1. Définition d'un pli
Un pli est une déformation qui se traduit par une courbure des couches géologiques ou d'autres surfaces initialement planes ou peu courbées.
Les plis se développent souvent dans des contextes compressifs, mais ils peuvent également résulter d'autres mécanismes, notamment du cisaillement ou de mouvements gravitaires.
À grande échelle, les plis sont particulièrement visibles dans les séries sédimentaires stratifiées.
4.2. Les éléments géométriques d'un pli
Un pli comprend plusieurs éléments fondamentaux.
- Les flancs : parties situées de part et d'autre de la zone de courbure.
- La charnière : zone de courbure maximale d'une surface plissée.
- L'axe ou ligne de charnière : ligne reliant les points de charnière sur une surface plissée.
- La surface axiale : surface joignant les charnières successives des couches.
- Le plan axial : surface axiale lorsqu'elle est approximativement plane.
Anatomie d'un pli : Flancs, charnière, axe et plan axial
IMAGE 5 — Anatomie d'un pli.
4.3. Les principaux types de plis
A. L'anticlinal
Un anticlinal est un pli dont les couches les plus anciennes se trouvent vers le cœur, dans une série où l'âge relatif des couches est connu.
Dans sa forme classique non renversée, l'anticlinal est convexe vers le haut et ses flancs plongent de part et d'autre de la charnière.
Les anticlinaux sont courants dans les chaînes plissées.
B. Le synclinal
Un synclinal est un pli dont les couches les plus récentes occupent le cœur.
Dans sa forme classique, il est concave vers le haut et les couches des flancs plongent vers la zone centrale.
Attention : la forme seule ne suffit pas toujours à distinguer un anticlinal d'un synclinal. L'âge relatif des couches permet une identification rigoureuse, notamment lorsque les plis sont renversés.
Anticlinal et synclinal : Deux structures majeures de plissement
IMAGE 6 — Anticlinal et synclinal.
C. Autres formes de plis
Les plis peuvent présenter des géométries très variées.
| Type | Caractéristique |
|---|---|
| Pli droit | Surface axiale sensiblement verticale |
| Pli incliné | Surface axiale inclinée |
| Pli renversé | Les deux flancs plongent globalement dans la même direction, avec un flanc inversé |
| Pli couché | Surface axiale subhorizontale |
| Pli isoclinal | Flancs approximativement parallèles |
| Pli ouvert | Flancs formant un angle interflanc important |
| Pli serré | Flancs formant un angle interflanc faible |
Classification des plis : Les principales formes de plis géologiques
IMAGE 7 — Classification géométrique des plis.
4.4. Comment se forment les plis ?
La formation des plis dépend des propriétés mécaniques des roches et des conditions de déformation.
Sous l'effet de contraintes tectoniques, les couches peuvent se courber selon différents mécanismes :
- 1Le flambage de couches relativement compétentes incluses dans des matériaux plus déformables.
- 2Le glissement relatif entre couches lors du plissement.
- 3L'écoulement ductile et la redistribution de matière dans les roches.
- 4La déformation associée à la propagation ou au mouvement de certaines failles.
En profondeur, l'augmentation de la température et de la pression de confinement favorise généralement les mécanismes ductiles, même si les conditions exactes varient selon les roches.
5. Différences entre les failles et les plis
Bien que les failles et les plis soient des manifestations de la déformation tectonique, leurs caractéristiques sont différentes.
| Critère | Faille | Pli |
|---|---|---|
| Nature | Fracturation avec déplacement | Courbure de surfaces géologiques |
| Comportement dominant | Cassant | Souvent ductile |
| Structure | Surface ou zone de rupture | Flancs et charnières |
| Régime tectonique | Extension, compression, cisaillement | Souvent compression |
| Conséquences | Décalage des terrains, séismes possibles | Réorganisation géométrique des couches |
Les failles et les plis peuvent être présents simultanément au sein d'une même région. Certains plis se développent même directement en relation avec des failles profondes.
6. Comment identifier les failles et les plis sur le terrain ?
La reconnaissance des structures tectoniques constitue une étape fondamentale du travail du géologue.
6.1. Identifier une faille
Plusieurs observations peuvent suggérer la présence d'une faille :
- Un décalage visible des couches géologiques.
- Des surfaces polies présentant des stries de glissement.
- La présence de brèches tectoniques ou de roches broyées.
- Un contact anormal entre formations géologiques.
- Des changements brusques de pendage ou d'organisation des terrains.
Une faille peut cependant être masquée par la végétation, les sols ou les dépôts récents.
6.2. Identifier un pli
Pour reconnaître un pli, le géologue examine notamment :
- La variation de l'orientation et du pendage des couches.
- La répétition des formations de part et d'autre d'une zone de charnière.
- La succession des âges stratigraphiques.
- La géométrie des couches sur les affleurements et les coupes.
L'utilisation d'une boussole de géologue permet de mesurer la direction et le pendage des couches.
Mesure du pendage : Utilisation d'une boussole-clinomètre sur le terrain
IMAGE 8 — Mesure du pendage sur le terrain.
7. Les failles, les plis et les séismes
Les failles jouent un rôle central dans la genèse de nombreux séismes tectoniques.
Sous l'effet du mouvement des plaques, les contraintes s'accumulent dans les roches. Lorsque les conditions permettent un glissement brutal sur une faille, une partie de l'énergie élastique accumulée est libérée sous forme d'ondes sismiques.
C'est le principe du rebond élastique.
Toutes les failles ne sont cependant pas actuellement actives, et certaines peuvent se déplacer lentement sans produire de séismes importants.
Les plis, quant à eux, ne provoquent pas directement des séismes du seul fait de leur géométrie. Toutefois, ils peuvent être associés à des failles actives, y compris des chevauchements enfouis.
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Rebond élastique et séisme : Accumulation des contraintes et rupture sismique
IMAGE 9 — Rebond élastique et séisme.
8. Exemples de structures tectoniques dans le monde
Les Alpes : une chaîne de montagnes plissée et chevauchante
La formation des Alpes est liée à la convergence entre les plaques africaine et eurasienne, dans un contexte tectonique complexe.
Cette convergence a engendré d'importantes structures compressives, notamment des plis, des failles inverses et des nappes de charriage.
Plis des Alpes : Déformation des couches rocheuses alpines
IMAGE 10 — Structures plissées des Alpes.
La faille de San Andreas : un grand décrochement
En Californie, la faille de San Andreas matérialise une partie importante de la limite entre les plaques Pacifique et nord-américaine.
Il s'agit d'une faille à mouvement principalement horizontal dextre, associée à une activité sismique importante.
Faille de San Andreas : Illustration d'une grande faille décrochante
IMAGE 11 — La faille de San Andreas.
Le Rift est-africain : une région en extension
Le Rift est-africain constitue un exemple majeur d'extension continentale.
La lithosphère y est soumise à un étirement qui engendre de nombreuses failles normales, des bassins d'effondrement et une activité volcanique dans plusieurs secteurs.
Rift est-africain : Illustration d'une vallée tectonique en extension
IMAGE 12 — Le Rift est-africain.
9. Conclusion
Les failles et les plis représentent deux grandes familles de structures étudiées en géologie structurale.
Leur observation permet de comprendre comment les roches ont réagi aux contraintes tectoniques au cours de l'histoire de la Terre.
Les failles témoignent de déplacements le long de surfaces de rupture, tandis que les plis enregistrent la courbure et la réorganisation des couches géologiques.
Leur étude fournit ainsi des informations essentielles sur la formation des chaînes de montagnes, l'évolution des bassins sédimentaires, la circulation des fluides dans la croûte et certains mécanismes responsables des séismes.
À retenir : une même région peut enregistrer successivement ou simultanément des déformations cassantes et ductiles. L'analyse conjointe des failles et des plis permet donc de reconstituer une partie de son histoire tectonique.
Bibliographie
