Objectifs
- Comprendre le rôle et les principes d'une coupe géologique.
- Construire un profil topographique à partir des courbes de niveau.
- Reporter les limites géologiques sur un profil.
- Représenter des couches horizontales, inclinées et plissées.
- Identifier et dessiner les principales failles.
- Réaliser une coupe complète avec légende, orientation et échelle.
- Résoudre des exercices simples de cartographie géologique.
Prérequis
- Connaissances de base en lecture de cartes topographiques et géologiques
- Stratigraphie et pendage des couches
- Courbes de niveau
Introduction
Une carte géologique représente la répartition des formations rocheuses à la surface de la Terre. Elle permet d'identifier la nature des terrains, leur âge relatif et les principales structures qui les affectent.
Cependant, une carte géologique ne montre pas directement comment ces formations se prolongent en profondeur.
Pour comprendre l'organisation du sous-sol, les géologues utilisent une représentation complémentaire : la coupe géologique.
Une coupe géologique est une représentation, dans un plan généralement vertical, de la disposition des formations rocheuses et des structures géologiques sous la surface terrestre.
Elle permet notamment de visualiser :
- La succession des couches géologiques.
- Leur épaisseur et leur inclinaison.
- Les plis et les failles.
- Les contacts entre différentes formations.
- La géométrie probable des terrains en profondeur.
La réalisation d'une coupe consiste à passer d'informations représentées sur une carte en deux dimensions à une interprétation de la structure géologique dans un plan vertical.
Cette opération repose sur l'observation, les principes de la géologie structurale et le raisonnement géométrique.
Elle constitue un exercice fondamental de cartographie géologique, enseigné dès les premières années universitaires.
1. Comprendre une coupe géologique
1.1. Qu'est-ce qu'une coupe géologique ?
Une coupe géologique représente une tranche verticale du terrain selon un tracé déterminé, généralement matérialisé par un segment A–B sur une carte.
Elle combine deux éléments complémentaires :
Le profil topographique, qui décrit les variations d'altitude le long du tracé choisi.
La structure géologique, qui représente l'organisation des couches, des contacts, des failles et des autres structures sous la surface.
La coupe est construite à partir des observations cartographiques disponibles et, lorsqu'elles existent, des données de forage ou des mesures géophysiques.
Elle représente donc une interprétation géologique contrainte par des observations, plutôt qu'une photographie directe du sous-sol.
1.2. Différence entre carte géologique et coupe géologique
| Carte géologique | Coupe géologique |
|---|---|
| Vue généralement de dessus | Vue verticale |
| Représente les formations affleurantes | Représente leur prolongement en profondeur |
| Montre leur répartition géographique | Montre leur géométrie souterraine |
| Localise les contacts et structures | Permet d'interpréter leur disposition verticale |
1.3. Les applications des coupes géologiques
Les coupes géologiques sont utilisées dans de nombreux domaines :
- Hydrogéologie : identifier la géométrie des aquifères et des formations peu perméables.
- Géotechnique : étudier les terrains traversés par les fondations, routes et tunnels.
- Exploration minière : représenter les structures susceptibles de contenir des minéralisations.
- Géologie pétrolière : caractériser les réservoirs, les failles et les pièges structuraux.
- Recherche géologique : reconstituer les épisodes de déformation et l'histoire des bassins sédimentaires.
2. Le matériel nécessaire
Pour réaliser une coupe géologique sur papier, on utilise généralement :
- Une carte géologique avec sa légende.
- Une carte topographique ou les courbes de niveau déjà présentes sur la carte géologique.
- Une feuille de papier millimétré.
- Une règle graduée.
- Un crayon à papier et une gomme.
- Des crayons de couleur.
- Une bande de papier permettant de relever les distances le long du tracé.
Avant de commencer, il faut vérifier que la carte contient les informations nécessaires : échelle, courbes de niveau, unités géologiques, contacts et symboles structuraux.
2.1. Comprendre l'échelle de la carte
L'échelle indique le rapport entre une distance sur la carte et la distance correspondante sur le terrain.
Par exemple, à l'échelle 1:50 000 :
1 cm sur la carte =500 m sur le terrain
Une distance de 6 cm sur la carte représente donc :
6 x 500 = 3000 m
Soit 3 km.
Cette conversion est indispensable pour respecter les proportions de la coupe.
2.2. Les échelles horizontale et verticale
Une coupe comporte généralement deux échelles :
- L'échelle horizontale, correspondant aux distances le long du tracé.
- L'échelle verticale, correspondant aux altitudes.
Pour étudier correctement les angles et les épaisseurs, il est préférable d'utiliser la même échelle horizontalement et verticalement, c'est-à-dire sans exagération verticale.
Une exagération verticale peut être utilisée pour certains profils de relief, mais elle modifie la représentation apparente des pendages. Toute exagération doit être explicitement indiquée et prise en compte.
3. Première étape : choisir et analyser le tracé de coupe
Avant de dessiner, il faut étudier soigneusement la carte.
Le tracé de coupe est généralement désigné par deux points, A et B.
Lorsque plusieurs orientations sont possibles, on privilégie une ligne qui traverse les principales structures géologiques et permet de les représenter clairement.
Pour étudier des couches inclinées, une coupe perpendiculaire à leur direction est particulièrement utile, car elle montre leur pendage réel.
3.1. Identifier les formations traversées
Il faut relever dans l'ordre les terrains rencontrés entre A et B.
Imaginons une carte simplifiée comportant quatre formations :
| Formation | Lithologie | Âge relatif |
|---|---|---|
| D | Calcaire | La plus récente |
| C | Marne | Intermédiaire |
| B | Grès | Intermédiaire |
| A | Conglomérat | La plus ancienne |
Sur le tracé A–B, les affleurements peuvent apparaître dans l'ordre :
A → B → C → D.
Cet ordre spatial ne signifie pas nécessairement que toutes les couches sont horizontales.
Il faut utiliser les pendages et les informations structurales pour comprendre comment les formations se prolongent en profondeur.
3.2. Repérer les structures géologiques
Avant la construction, identifier notamment :
- Les symboles de direction et de pendage.
- Les axes des plis.
- Les failles.
- Les discordances.
- Les contacts géologiques.
- Les éventuels sondages et points d'observation.
Ces éléments constituent des contraintes géométriques pour le dessin.
4. Deuxième étape : construire le profil topographique
Le profil topographique représente les variations d'altitude entre les points A et B.
Il doit être réalisé avant de dessiner les formations géologiques en profondeur.
4.1. Relever les courbes de niveau
Les courbes de niveau relient les points de même altitude.
Lorsqu'une ligne A–B traverse plusieurs courbes, il faut relever :
- 1La position de chaque intersection.
- 2L'altitude correspondante.
- 3La distance depuis le point A.
On peut également relever les sommets, les fonds de vallée et les autres points dont l'altitude est connue.
4.2. Reporter les altitudes sur un graphique
Sur une feuille millimétrée :
- L'axe horizontal représente la distance entre A et B.
- L'axe vertical représente l'altitude.
Chaque intersection avec une courbe de niveau est reportée à la bonne distance et à la bonne hauteur.
Les points sont ensuite reliés par un tracé cohérent avec la topographie observée.
4.3. Exemple de construction
Considérons un trajet de 1 000 mètres, avec les relevés fictifs suivants :
| Distance depuis A | Altitude |
|---|---|
| 0 m | 200 m |
| 200 m | 250 m |
| 400 m | 300 m |
| 600 m | 280 m |
| 800 m | 230 m |
| 1 000 m | 200 m |
Dans cet exemple, le relief s'élève progressivement jusqu'à 300 mètres, puis redescend vers le point B.
Les valeurs ont été simplifiées pour l'exercice. Sur une véritable carte, le profil doit aussi respecter les variations intermédiaires indiquées par les courbes de niveau.
5. Troisième étape : reporter les limites géologiques
Une fois le profil topographique terminé, on peut y placer les limites entre les formations rocheuses.
5.1. Relever les contacts sur la carte
Le long du tracé A–B, il faut identifier chaque point où une limite géologique est traversée.
La position de ces contacts peut être reportée à l'aide d'une bande de papier, en respectant les distances mesurées sur la carte.
5.2. Placer les contacts sur le profil
Les contacts géologiques doivent être placés sur la ligne du relief, à leur position exacte.
Il ne faut pas encore dessiner arbitrairement les couches en profondeur.
À ce stade, le profil contient :
- La surface topographique.
- Les limites entre les formations.
- Les positions des failles éventuelles.
- Les principaux repères géologiques.
Ces informations permettent de passer à l'interprétation structurale.
6. Quatrième étape : représenter le pendage des couches
Le pendage correspond à l'angle d'inclinaison maximal d'un plan géologique par rapport à l'horizontale.
Il est mesuré dans une direction perpendiculaire à la direction du plan.
Sur une carte géologique, un symbole peut indiquer à la fois l'orientation des couches et la valeur de leur pendage.
6.1. Les couches horizontales
Une couche horizontale possède un pendage nul :
Ses limites sont donc représentées par des lignes horizontales sur une coupe verticale.
Sur une carte topographique, les contacts d'une couche horizontale suivent généralement les courbes de niveau correspondant à leurs altitudes.
6.2. Les couches inclinées
Une couche inclinée présente un pendage non nul.
Pour construire sa représentation, il faut connaître :
- La direction de la couche.
- Le sens du pendage.
- Sa valeur.
- L'orientation de la coupe.
Si la coupe est perpendiculaire à la direction de la couche, l'inclinaison représentée correspond au pendage réel.
En revanche, une coupe oblique à la direction de la couche montre un pendage apparent.
6.3. Pendage réel et pendage apparent
Le pendage apparent est généralement inférieur ou égal au pendage réel.
Pour une couche plane, la relation géométrique est :
Avec :
- α : pendage apparent dans le plan de coupe.
- δ : pendage réel.
- θ : angle aigu entre la direction de la couche et celle de la coupe.
Lorsque la coupe est perpendiculaire à la direction des couches, θ=90, et le pendage apparent est égal au pendage réel.
Lorsque la coupe est parallèle à cette direction, le pendage apparent est nul.
Exemple :
Une couche présente un pendage réel de 30°. Le tracé de coupe forme un angle de 45° avec sa direction.
Il faut donc représenter une inclinaison apparente d'environ 22° dans cette coupe, et non de 30°.
6.4. Représenter l'épaisseur des couches
L'épaisseur stratigraphique d'une couche correspond généralement à la distance mesurée perpendiculairement à ses limites.
Pour une couche tabulaire d'épaisseur constante, les limites doivent rester parallèles dans une coupe correctement orientée et dessinée sans exagération verticale.
Cependant, l'épaisseur peut varier en présence de changements de sédimentation, de déformations ou d'érosion.
Il ne faut donc pas imposer systématiquement une épaisseur constante lorsque les données géologiques montrent le contraire.
7. Cinquième étape : représenter les plis
Les plis sont des structures résultant de la courbure de couches ou de surfaces géologiques.
Ils apparaissent fréquemment dans les régions soumises à des déformations tectoniques, notamment compressives.
7.1. Les anticlinaux
Un anticlinal est un pli dont les terrains les plus anciens occupent le cœur.
Dans une configuration classique non renversée, il présente une géométrie convexe vers le haut.
Sur une carte géologique, un anticlinal peut se manifester par une répétition des formations de part et d'autre d'un axe.
Exemple de succession, du plus ancien au plus récent : A, B, C.
Une coupe traversant un anticlinal simple et symétrique peut rencontrer :
C → B → A → B → C.
Les couches les plus anciennes se trouvent au centre.
7.2. Les synclinaux
Un synclinal est un pli dont les terrains les plus récents occupent le cœur.
Dans une configuration classique non renversée, il présente une forme concave vers le haut.
Pour les mêmes formations A, B et C, une coupe traversant un synclinal simple peut rencontrer :
A → B → C → B → A.
Les terrains les plus récents occupent alors le centre de la structure.
7.3. Méthode pour dessiner un pli
Pour reconstituer un pli à partir d'une carte géologique :
- 1Identifier l'ordre stratigraphique des formations.
- 2Repérer les éventuelles répétitions de couches.
- 3Observer les orientations et les pendages.
- 4Localiser la zone de charnière probable.
- 5Tracer les contacts de façon cohérente avec les observations.
- 6Vérifier la continuité et les variations possibles d'épaisseur des couches.
Il faut éviter de dessiner automatiquement un pli parfaitement symétrique : la géométrie réelle peut être inclinée, renversée, dissymétrique ou affectée par des failles.
8. Sixième étape : représenter les failles
Les failles correspondent à des fractures ou des zones de fractures accompagnées d'un déplacement relatif des compartiments rocheux.
Elles peuvent décaler les couches et compliquer l'interprétation d'une carte.
8.1. La faille normale
Une faille normale se caractérise par le déplacement du toit vers le bas relativement au mur.
Elle est fréquemment associée à un régime tectonique extensif.
Sur une coupe, on doit respecter :
- La position de la faille à l'affleurement.
- Son pendage lorsqu'il est connu.
- Le sens du déplacement relatif.
- Le décalage des contacts géologiques.
8.2. La faille inverse
Une faille inverse présente un déplacement du toit vers le haut relativement au mur.
Elle correspond généralement à un raccourcissement tectonique.
Lorsque son pendage est faible, on parle couramment de chevauchement.
8.3. Les failles décrochantes
Dans une faille décrochante, le déplacement est principalement horizontal.
Attention : une coupe verticale ne permet pas toujours de représenter correctement le déplacement d'une faille décrochante, surtout si celui-ci s'effectue essentiellement hors du plan de coupe.
La carte et les indicateurs cinématiques deviennent alors particulièrement importants pour comprendre le mouvement.
8.4. Les erreurs à éviter
Lorsqu'une faille traverse une succession de couches, il faut vérifier que :
- Le déplacement des terrains est géométriquement cohérent.
- Le type de faille est compatible avec le mouvement représenté.
- Les couches ne se prolongent pas artificiellement à travers la faille sans décalage.
- Les contacts restent compatibles avec la carte.
- Le rejet n'est pas inventé en l'absence de contraintes suffisantes.
Une coupe géologique doit respecter les observations même lorsque la structure devient complexe.
9. Septième étape : finaliser la coupe géologique
Une fois toutes les structures représentées, il faut vérifier la qualité du document.
9.1. Les informations indispensables
Une coupe géologique complète doit comporter :
- Un titre.
- Les points de départ et d'arrivée, par exemple A et B.
- L'orientation géographique du tracé.
- Une échelle horizontale.
- Une échelle verticale.
- Les altitudes.
- Les différentes formations.
- Une légende avec les couleurs ou figurés.
- Les contacts géologiques.
- Les structures tectoniques observées ou interprétées.
Les contacts dont la position est mal contrainte peuvent être représentés en pointillés, à condition que cette convention soit explicitée.
9.2. Utiliser les bonnes conventions graphiques
La coupe doit rester lisible.
Les formations peuvent être représentées avec des couleurs proches de celles de la carte géologique.
Les contacts certains sont généralement dessinés en traits continus, tandis que les contacts supposés ou masqués peuvent être indiqués avec une convention différente.
L'important est d'utiliser des figurés cohérents et de les expliquer dans la légende.
Les recommandations du BRGM insistent notamment sur la nécessité de respecter les informations de la carte, les limites géologiques et les caractéristiques structurales.
10. Les erreurs les plus fréquentes dans une coupe géologique
La réalisation d'une coupe demande de la rigueur. Certaines erreurs reviennent régulièrement dans les exercices universitaires.
| Erreur | Correction |
|---|---|
| Commencer par les couches sans tracer le relief | Toujours réaliser le profil topographique en premier |
| Confondre pendage apparent et pendage réel | Tenir compte de l'orientation de la coupe |
| Dessiner des couches sans respecter les contacts | Reporter précisément les limites cartographiques |
| Imposer une épaisseur constante à toutes les formations | Vérifier les données stratigraphiques et structurales |
| Confondre anticlinal et synclinal | Examiner l'âge relatif des couches |
| Dessiner une faille sans respecter le déplacement | Vérifier le sens du rejet et les contacts décalés |
| Déformer verticalement la coupe sans le signaler | Utiliser des échelles identiques ou indiquer l'exagération |
| Oublier la légende et l'orientation | Ajouter les éléments cartographiques indispensables |
Il est également important de ne pas prolonger les formations en profondeur de manière arbitraire.
Lorsque les données ne permettent pas une interprétation unique, la coupe doit distinguer les observations certaines des hypothèses géologiques.
11. Réaliser une coupe géologique avec des outils numériques
Les coupes géologiques peuvent également être élaborées à l'aide d'outils informatiques.
La méthode reste fondamentalement la même : relever les informations topographiques et géologiques, représenter les contacts et construire une interprétation cohérente.
Plusieurs outils peuvent être utilisés :
QGIS
Un système d'information géographique libre permettant de manipuler des cartes, des données vectorielles et des modèles numériques de terrain. Des extensions et traitements complémentaires permettent d'extraire des profils topographiques.
InfoTerre et les services cartographiques du BRGM
Ils permettent de consulter les cartes géologiques françaises, les données de forage et différentes informations utiles à l'interprétation du sous-sol.
Logiciels de modélisation géologique 3D
Des logiciels spécialisés permettent de construire des modèles tridimensionnels à partir de coupes, de sondages, de surfaces géologiques et de données géophysiques.
Ils sont particulièrement utiles lorsque la géométrie du sous-sol devient complexe.
Le BRGM rappelle que la construction des modèles géologiques repose notamment sur les contacts, les pendages, les données de forage et les informations géophysiques disponibles.
12. Conclusion
La coupe géologique constitue un outil essentiel pour comprendre la structure du sous-sol.
Sa réalisation demande de combiner les informations topographiques, stratigraphiques et tectoniques disponibles sur une carte.
La méthode repose sur une succession d'opérations :
- 1Analyser la carte géologique.
- 2Choisir le tracé de coupe.
- 3Construire le profil topographique.
- 4Reporter les contacts géologiques.
- 5Interpréter les pendages.
- 6Représenter les couches, plis et failles.
- 7Vérifier la cohérence de la coupe.
- 8Ajouter les échelles, l'orientation et la légende.
À retenir : une coupe géologique n'est pas un simple dessin du sous-sol. C'est une interprétation scientifique qui doit respecter les observations, les principes de la géologie et les contraintes géométriques.
La maîtrise de cette méthode constitue une compétence importante pour les étudiants en géologie, géotechnique et hydrogéologie.
Sources
- BRGM — Guide de lecture de la carte géologique à 1/50 000
- BRGM — Comment lire et comprendre les cartes géologiques ?
- Université Cadi Ayyad — La carte et la coupe géologiques
- BCcampus Open Education — Laboratory Manual for Earth Science (2Ed)
- US Geological Survey — 27 Ideas for Teaching with Topographic Maps
