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Déformation des roches: cours de géologie


perledalgerie

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posté par OmdaGéo

déformation des roches

Lorsqu'elle est soumise à des contraintes, la croûte terrestre se

déforme. On peut définir simplement la contrainte comme

étant une force appliquée à une certaine unité de

volume. Tout solide possède une force qui lui est propre pour

résister à la contrainte. Lorsque la contrainte dépasse la

résistance du matériel, 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 à l'oeil

nu mais détectée seulement par des appareils sensibles, et c'est

le cas de la déformation du matériel solide lors d'un tremblement

de terre avant qu'il y ait bris.

Les contraintes peuvent déformer tout aussi bien un volume de pâte

à modeler que tout un segment de la croûte terrestre. La

déformation peut être permanente ou non. Le bris d'un vase qu'on

échappe par terre est permanent, alors que la déformation d'une

balle de tennis due à l'impact sur la raquette est

éphémère. On reconnaît trois principaux types de

déformations qui affectent la croûte terrestre: élastique,

plastique et cassante (un quatrième type n'est pas discuté ici,

la déformation visqueuse qui s'applique aux liquides). Le schéma

qui suit montre la relation générale entre contrainte et

déformation.

1.50a.gif

La première réponse d'un matériau à la contrainte

est la déformation élastique. Quand la contrainte est

relachée, le matériau reprend sa forme et son volume initial,

comme la bande élastique que l'on étire ou la balle de tennis

frappée par la raquette. L'énergie emmagasinée par le

matériau durant la déformation est dissipée lorsque la

contrainte est relachée; cette énergie est transformée,

par exemple, en mouvement dans le cas de la balle de tennis. Sur le

schéma, la relation contrainte-déformation est linéaire

dans le cas de la déformation élastique. À un point donné

durant la déformation élastique, la relation

contrainte-déformation devient non linéaire: le matériau a

atteint sa limite d'élasticité. Si la contrainte

dépasse cette limite, le matériau est déformé de

façon permanente; il en résulte une déformation

plastique (l'écrasement d'une balle de pâte à modeler

par exemple) ou une déformation cassante (le verre qui se brise).

Dans le cas de la déformation plastique, toute l'énergie est

utilisée pour déformer le matériau. Avec une augmentation

de la contrainte, le matériau atteint un second seuil, son point de

rupture, et il casse; c'est la déformation cassante. Lorsqu'un

matériau est soumis à des taux de contraintes très

rapides, la déformation plastique est minime ou même

inexistante.

Trois paramètres importants doivent être considérés

lorsqu'on applique les concepts de contrainte-déformation aux

matériaux de la croûte terrestre: la température, la

pression et le temps. Température et pression augmentent

avec la profondeur dans la croûte terrestre et modifient le comportement

des matériaux. D'une manière très générale,

on aura la relation suivante:

1.50b.gif

La ligne rouge délimite deux champs: le champ de la déformation

cassante (qu'on dit aussi fragile) et celui de la déformation plastique

(qu'on dit aussi ductile). La ligne fléchée bleue symbolise une

augmentation progressive des conditions de température et de pression

à mesure que l'on s'enfonce dans la croûte terrestre. Cette

relation nous indique que, de manière générale, les roches

de surface seront déformées de façon cassante, alors que

les roches en profondeur le seront de façon plastique. C'est dire que

pour un type de roche donné, celui-ci peut se retrouver sous un

état fragile ou ductile, selon la profondeur à laquelle il se

trouve dans la croûte terrestre.Le temps est aussi un facteur très important lorsqu'on discute de

déformation. Si on étire brusquement (temps court) un cylindre de

pâte à modeler, il casse; si on y va plutôt lentement (temps

long), il se déforme de façon plastique. En ce qui concerne la

déformation des roches, le facteur temps, qui se mesure ici en millions

d'années, se doit d'être considéré. Il est difficile

d'imaginer qu'on puisse plier des couches de roches dures, ...

à moins qu'on y mette le temps géologique.Un autre paramètre à ne pas négliger est la composition

de la roche. Certaines roches sont cassantes de nature (comme les

calcaires, les grès, les granites), d'autres plutôt plastiques

(comme les roches argileuses).Les roches sédimentaires sont à l'origine disposées en

couches à peu près horizontales puisqu'elles proviennent de la

transformation de sédiments qui se sont déposés à

l'horizontale. Mais on les retrouve souvent inclinées,

déformées, affectées par des plis et des failles,

particulièrement dans les chaînes de montagnes. Les contraintes

responsables de la déformation des roches de la croûte terrestre

ont des sources multiples. Les déformations résultent le plus

souvent des mouvements des plaques lithosphériques qui se traduisent par

des contraintes qui modifient la forme des roches, leur volume et, dans

certains cas, leur composition chimique et minéralogique.Il y a fondamentalement deux types de contraintes qui déforment les

roches: les contraintes de compression et celles de tension. Dans la

compression, les forces convergent; elles peuvent être coaxiales

ou non. La déformation d'un jeu de carte sous contraintes de compression

illustre la différence. Dans le cas d'une contrainte de compression

coaxiale, les cartes vont s'arquer, comme illustré ici:

1.50c.gif

Si les contraintes ne sont pas coaxiales, il va se développer du

cisaillement; le jeu de carte se déforme par le glissement des cartes

les unes sur les autres:

1.50d.gif

Dans la tension, les contraintes divergent et ont pour effet

d'étirer le matériel. Les schémas qui suivent illustrent la déformation des couches de

roches sous des régimes de contraintes en compression et en tension.

Prenons comme volume de départ, un empilement de couches de roches non

déformées à l'horizontal.

1.50e.gif

Les plis constituent la manifestation d'un comportement plastique

(ductile) des roches sous l'effet de contraintes de compression.

1.50f.gif

Pour décrire les plis, on utilise les termes d'anticlinal quand le pli

se ferme vers le haut et de synclinal lorsqu'il se ferme vers le bas. Les plis

sont dits droits lorsque le plan axial est vertical. A l'autre extrême

(non illustré ici), 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. Les plis droits résultent de

contraintes de compression coaxiales, les plis déjetés et

déversés de contraintes qui ne sont pas coaxiales.

La déformation cassante se traduit par des plans de cassures, les

failles.

1.51.gif

Par convention, on nomme toit le compartiment qui se situe au-dessus du plan de

faille, et mur celui qui est au-dessous. Le rejet est le déplacement net

des deux compartiments. Les contraintes de compression produisent des failles

inverses (plan de faille abrupte) ou de chevauchement (plan de faille

près de l'horizontale). Dans ces deux cas, le toit monte par rapport au

mur. Les contraintes de tension produisent des failles normales et listriques;

le toit descend par rapport au mur. Les failles de décrochement (ou de

coulissage) constituent un cas particulier; elles se produisent par le

déplacement de deux compartiments l'un par rapport à l'autre dans

un plan horizontal. On les retrouve en régimes compressifs ou

extensifs.

Une application très importante de tout cela, c'est qu'en

étudiant la géométrie des terrains déformés,

le géologue est en mesure de définir la nature des contraintes

qui ont produit une géométrie donnée et d'en

déduire l'histoire de la dynamique d'une région.

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