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La déformation des objets géologiques
Laurie BougeoisST3 - Polytech’ Paris UPMC
5 décembre 2014
Vélodrome (Alpes de Haute-Provence)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
1. Introduction
2. Description de la déformation et définitions
3. Contraintes et rhéologie
4. Loi de comportement lithosphérique
2 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
ObservationsI La déformation des objets
géologiques est visible àtoutes les échelles : affleurement
roche lame mince
3 / 47La déformation des objets géologiques
N
Massif du Pamir (Tadjikistan)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
ObservationsI La déformation des objets
géologiques est visible àtoutes les échelles : affleurement roche
lame mince
3 / 47La déformation des objets géologiques
N
Massif du Pamir (Tadjikistan)
Trilobites déformées
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
ObservationsI La déformation des objets
géologiques est visible àtoutes les échelles : affleurement roche lame mince
3 / 47La déformation des objets géologiques
N
Massif du Pamir (Tadjikistan)
Trilobites déformées
Micas schiste à grenat
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Rhéologie
DéfinitionLa rhéologie vient du grec RHEO = couler et LOGOS = étude science de l’écoulement, branche de la physique qui étudie la
déformation d’un corps soumis à des contraintes.
4 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
1. Introduction
2. Description de la déformation et définitions
3. Contraintes et rhéologie
4. Loi de comportement lithosphérique
5 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformation
I Déformation homogène vs hétérogène
I Déformation continue vs discontinueI Déformation pénétrative vs non pénétrative
6 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformation
I Déformation homogène vs hétérogèneI Déformation continue vs discontinue
I Déformation pénétrative vs non pénétrative
6 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformation
I Déformation homogène vs hétérogèneI Déformation continue vs discontinueI Déformation pénétrative vs non pénétrative
6 / 47La déformation des objets géologiques
N
Granodiorite (Tyrol,Suisse)Schistes lustrés (Haute-Maurienne)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformation
DéfinitionLa déformation est la conséquence d’un mouvement différentieldes particules élémentaires constituant le milieu considéré
7 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformation
I Travail du géologue : Décrire géométrie et forme
initiale de l’objet Interpréter les marqueurs de
la déformation Quantifier la déformation Remonter aux causes de la
déformation
8 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformationDéfinitionLa quantification de la déformation est la variation en terme dedistance, volume, angle par rapport à un état initial. C’est unegrandeur sans dimension.
9 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Description de la déformationI Ellipsoïde des déformations
défini par trois vecteurs (λ1, λ2, λ3) = (x , y , z) qui caractérisent lechamp de déformation.
c’est une observation de l’objet.
10 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassanteI Déformation discontinue et non pénétrative
À l’échelle de l’affleurement
À l’échelle de la roche À l’échelle régionale
11 / 47La déformation des objets géologiques
N
Grandes failles normales (péninsule de Boso, Japon)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassanteI Déformation discontinue et non pénétrative
À l’échelle de l’affleurement À l’échelle de la roche
À l’échelle régionale
11 / 47La déformation des objets géologiques
N
Stylolithes et fentes de tension
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassanteI Déformation discontinue et non pénétrative
À l’échelle de l’affleurement À l’échelle de la roche À l’échelle régionale
11 / 47La déformation des objets géologiques
N
Faille des Cévennes
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
DéfinitionFaille : déformation consistant en un plan définissant une zonede rupture le long de laquelle deux blocs rocheux se déplacentl’un par rapport à l’autre.
Faille normale Faille inverse Faille décrochante
12 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
DéfinitionFaille : déformation consistant en un plan définissant une zonede rupture le long de laquelle deux blocs rocheux se déplacentl’un par rapport à l’autre.
Faille normale Faille inverse Faille décrochante
12 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
Faillenormale
13 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
Faillenormale
13 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
Failleinverse
14 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
Failleinverse
14 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
Décrochement senestre vs dextre
15 / 47La déformation des objets géologiques
N
Séisme de Landers, Californie
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
Décrochement senestre vs dextre
15 / 47La déformation des objets géologiques
N
Séisme de Landers, Californie
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation cassante
I Failles conjuguées
16 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation ductileI Déformation continue et pénétrative
Plis
Classification des plis :Diagramme de Fleuty
17 / 47La déformation des objets géologiques
N
Massif du Pamir (Tadjikistan)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation ductileI Déformation continue et pénétrative
Plis Classification des plis :Diagramme de Fleuty
17 / 47La déformation des objets géologiques
N
Pli de Sassenage (Alpes)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation ductileI Déformation continue et pénétrative
Cisaillement
18 / 47La déformation des objets géologiques
N
ψ
C
ψ
Cθ
z x
S
C et S parallèles
C et S distincts
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation ductileI Déformation continue et pénétrative
Cisaillement pur Cisaillement simple
19 / 47La déformation des objets géologiques
N
Applatissement pur
Cisaillement simple
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation ductileI Déformation continue et pénétrative
Schistosité et foliations
20 / 47La déformation des objets géologiques
N
Schiste métapélitique (Agly)
Gneiss (Velay)
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
La déformation ductileI Déformation continue et pénétrative
Linéation
21 / 47La déformation des objets géologiques
N
Schiste (Queyras)
Diorite gneiss
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
1. Introduction
2. Description de la déformation et définitions
3. Contraintes et rhéologie
4. Loi de comportement lithosphérique
22 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Les roches sont soumises à des contraintes
DéfinitionLa contrainte (σ) est une force appliquée sur une surface quis’exprime en Pa (N/m2). C’est l’équivalent d’une pression.
σ = dFdS
23 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Les roches sont soumises à des contraintesContrainte
=
Contrainte lithostatiqueP = σ1+σ2+σ3
3+
Contrainte déviatoriqueσd =perturbations =
tectonique
24 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Les roches sont soumises à des contraintes
I Ellipsoïde des contraintes défini par trois vecteurs (σ1, σ2, σ3) tels que :
σ1 = contrainte maximaleσ2 = contrainte intermédiaireσ3 = contrainte minimale
6= de l’ellipsoïde des déformations
25 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Les roches sont soumises à des contraintes
I Relation déformation/contraintes stylolithes fentes de tension
26 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportements élémentaires des roches
I Elasticité
DéfinitionL’élasticité caractérise une déformation immédiate (pas de seuil)et réversible ⇒ relation proportionnelle entre contrainte et déformation.
E
σ
Con
trai
nte
Déformation Ɛ
Loi d'élasticité de HookeƐ = σ /E
avec E : module d'Young
27 / 47La déformation des objets géologiques
N
Causes physiques : Élasticité des liaisons atomiques
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportements élémentaires des roches
I Elasticité
DéfinitionL’élasticité caractérise une déformation immédiate (pas de seuil)et réversible ⇒ relation proportionnelle entre contrainte et déformation.
E
σ
Con
trai
nte
Déformation Ɛ
Loi d'élasticité de HookeƐ = σ /E
avec E : module d'Young
27 / 47La déformation des objets géologiques
N
Causes physiques : Élasticité des liaisons atomiques
Valeur du module d'Young (Mpa)
Fer
Or
Plomb
Calcaire 20 000 à 70 000
Granite
Acier
Bronze
196 000
78 000
18 000
60 000
210 000
124 000
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportements élémentaires des roches
I Plasticité
DéfinitionLa plasticité d’une roche caractérise l’existence d’un seuil et d’unedéformation résiduelle.
σ
seui
l
déformation résiduelle
Ɛ
28 / 47La déformation des objets géologiques
N
Causes physiques : Migration des impuretés du
réseau cristallin Cassure du matériau
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportements élémentaires des roches
I Viscosité
DéfinitionLa viscosité n’a pas de seuil mais inclut le paramètre temps dansson expression (vitesse de déformation).
η
σ
Con
trai
nte
Taux de déformation Ɛ
dƐ/dt = σ/ηavec η : la viscosité
29 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
I Décomposition de la contrainte sur un plan composante dans le plan = composante tangentielle τ composante normale au plan = composante normale σn
σσn
τ
γ
30 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
I Cercle de Mohr
2ασ3 σ1σ1 + σ3
2
σ1 - σ
32
σn
τ σ1
σ3α
σn =σ1 + σ3
2− σ1 − σ3
2× cos 2α
τ =σ1 − σ3
2× sin 2α
31 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
I Critère de rupture expériences sur presse cellule triaxiale
32 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)Critère de ruptureI Critère de Coulomb (théorie)
τ = C + µd .σn
avec µd = cœfficient defrottement dynamiqueet C = cohésion du milieu
I Loi de Byerlee (empirique) τ = 0.85σn
pour σn < 200 MPa
τ = 0.5 + 0.6σn
pour σn > 200 MPa
I Les plans de fracture ont desangles voisins, quelque soit lacohésion de la roche.
33 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)Critère de ruptureI Critère de Coulomb (théorie)
τ = C + µd .σn
avec µd = cœfficient defrottement dynamiqueet C = cohésion du milieu
I Loi de Byerlee (empirique) τ = 0.85σn
pour σn < 200 MPa
τ = 0.5 + 0.6σn
pour σn > 200 MPa
I Les plans de fracture ont desangles voisins, quelque soit lacohésion de la roche.
33 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)Critère de ruptureI Critère de Coulomb (théorie)
τ = C + µd .σn
avec µd = cœfficient defrottement dynamiqueet C = cohésion du milieu
I Loi de Byerlee (empirique) τ = 0.85σn
pour σn < 200 MPa
τ = 0.5 + 0.6σn
pour σn > 200 MPa
I Les plans de fracture ont desangles voisins, quelque soit lacohésion de la roche.
33 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
Diagramme Mohr - CoulombLe critère de rupture délimite un champ sans rupture (bas) et unchamp où la roche se fracture (haut).
σ3 σ1σn
τCasthéorique
34 / 47La déformation des objets géologiquesN
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
Diagramme Mohr - CoulombLe critère de rupture délimite un champ sans rupture (bas) et unchamp où la roche se fracture (haut).
Rupture
pas de rupture
τ = C + μd.σn
σ3 σ1σn
τCasthéorique
34 / 47La déformation des objets géologiquesN
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
Diagramme Mohr - CoulombLe critère de rupture délimite un champ sans rupture (bas) et unchamp où la roche se fracture (haut).
2α
σ3 σ1
σ3 σ1fracture
pas de rupture
Rupture
pas de rupture
τ = C + μd.σn
σ3 σ1σn
τCasthéorique
34 / 47La déformation des objets géologiquesN
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
Conséquence n◦1L’augmentation de la pression deconfinement éloigne des condi-tions de rupture.⇒ Enfouissement
Conséquence n◦2L’augmentation de la pression defluides rapproche des conditionsde rupture⇒ Fracturation hydraulique
35 / 47La déformation des objets géologiques
N
τ = C + μd.σn
τ = C + μd.σn
σn
τRupture
pas de rupture
σ1 + σ32
σ1 + σ32
+ Pc
Augmentation de la pression de confinement Pc
État initial
σn
τRupture
pas de rupture
σ1 + σ32
σ1 + σ32
- Pf
Augmentation de la pression de fluides Pf
État initial
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb)
Conséquence n◦3Angle par rapport à σ1 :2α= 60◦ donc α = 30◦
Failles normales⇒ pendage de 60◦
Failles inverses⇒ pendage de 30◦
σ1
σ3α
σ1
σ3
α
36 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Comportement ductile
I Deux grands types de cisaillement : Cisaillement pur Cisaillement simple
37 / 47La déformation des objets géologiques
N
σ
ε
Cisaillementductile
σ
ε
Durcissement à ladéformation
σ
ε
Adoucissementà la déformation
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Lois de comportement
Comportement fragile vs. ductile
Diagramme : (σ1 − σ3) = σd = f (ε)I Quelles paramètres influencent les transitions :
1. élastique - plastique ?2. fragile - ductile ?
38 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Lois de comportement
Transitions comportementales
I La température fait diminuerles seuils de fluage et deplasticité
I La vitesse de déformation aaussi une influence sur le seuilde fluage et de plasticité.
39 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
Lois de comportementTransitions comportementales
I La pression de confinementéloigne des conditions derupture transition cassant-ductile
I Conséquence : sismicité dans la croûte
40 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
1. Introduction
2. Description de la déformation et définitions
3. Contraintes et rhéologie
4. Loi de comportement lithosphérique
41 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
RappelsStructure interne de la Terre
42 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
À l’échelle de la lithosphère
I Déformation fragile : déviateur des contraintes maximal supportépar la roche avant qu’elle ne casse. Ne dépend pas de la lithologie ni de la température.
I Déformation ductile : déviateur des contraintes maximal supportépar la roche avant qu’elle ne flue. Dépend de la température et de la lithologie.
43 / 47La déformation des objets géologiques
N
(σ1 − σ3)max = 2ρgz (σ1 − σ3)max = 23ρgz
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
À l’échelle de la lithosphère
Profil rhéologique
En domaine océanique En domaine continental
44 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
À l’échelle de la lithosphère
Profil rhéologique
En domaine océanique En domaine continental
44 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
À l’échelle de la lithosphère
Profil rhéologiqueVariation du géotherme
Craton Fin d’orogenèse
45 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
À l’échelle de la lithosphère
Modélisation analogique- comportement fragile -
I Sable sec : matériau granulaire analogue pour le contexte fragile(croûte supérieure) Obéit à la loi de Mohr-Coulomb, avec un angle de friction de 30◦. Disposition des failles indépendante de la vitesse de déformation.
46 / 47La déformation des objets géologiques
N
Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique
À l’échelle de la lithosphèreModélisation analogique- comportement ductile -
I dépend de la température et du taux de déformation difficile à modéliser utilisation des silicones
Exemple du modèle à deux couches
47 / 47La déformation des objets géologiques
N