ROCHES (Déformations)Structurologie

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Interprétation des structures

L'analyse structurale ne se limite pas à la description de l'organisation géométrique de la matière ; son intérêt réside essentiellement dans l'interprétation génétique des données descriptives, pour tenter de reconstruire l'évolution structurale des corps géologiques. Cette interprétation n'est généralement pas réalisable de façon directe, mais nécessite dans la plupart des cas une analyse cinématique, puis dynamique. L'analyse cinématique a pour but la mise en évidence des mouvements régissant l'architecture finale de la roche, sans tenir compte des forces qui les produisent. Au-delà intervient l'interprétation dynamique de ces mouvements, qui a pour objet d'établir les relations entre les effets observés et leur cause, et cherche à retrouver la distribution des forces et des contraintes. En effet, les mouvements des constituants de la roche se produisent en réponse à un état de contrainte (résultant essentiellement de pressions lithostatiques et surtout de pressions orientées se développant sous l'effet de causes variées, en particulier de phénomènes tectoniques) déterminé par des forces externes appliquées aux corps considérés, et ils sont contrôlés par les propriétés mécaniques de la roche au moment de l'application de ces contraintes. Malgré les nombreuses études théoriques et expérimentales, les paramètres qui lient les forces externes au changement de configuration du matériel géologique sont mal connus, ce qui rend hasardeuse cette dernière analyse (sauf dans des cas particulièrement simples). Aussi n'abordera-t-on ici que les problèmes de l'analyse cinématique.

L'interprétation cinématique s'efforce de reconstituer les mouvements qui prennent naissance soit à la surface du globe (phénomènes géodynamiques externes, qui régissent essentiellement la formation des roches sédimentaires), soit en profondeur (phénomènes géodynamiques internes, correspondant aux phénomènes de tectogenèse et de mise en place des magmas). Il s'agit d'une interprétation difficile, car l'architecture finale de la roche dépend, bien sûr, de la fabrique initiale, mais aussi de la déformation, elle-même liée aux propriétés rhéologiques du matériel. Ce sont autant de facteurs dont il faut connaître quelques caractères essentiels.

Déformation

Les mouvements peuvent se traduire, par exemple, par des translations ou des rotations dans lesquelles l'architecture d'un corps géologique n'est pas forcément modifiée (cas des nappes). Des mouvements internes avec déplacement relatif des particules constituant un corps géologique peuvent aussi se produire, et il y a alors une orientation nouvelle des constituants. Une déformation correspond donc à l'ensemble des phénomènes affectant une roche, entre un état initial caractérisé par un système de position de points et un état final caractérisé par un système de position différent. Il est donc nécessaire de connaître l'état de la roche avant et après sa transformation ; cependant, comme plusieurs processus sont susceptibles d'aboutir à un même résultat, il faudrait théoriquement pouvoir reconstituer l'histoire de ces transformations, c'est-à-dire leur progression. En réalité, on ne connaît souvent que l'état final, plus rarement l'état initial, exceptionnellement la progression. C'est dire les difficultés rencontrées dans l'analyse structurale des roches.

Le déplacement des particules d'un corps donné pendant sa déformation peut, en plus, se traduire de diverses façons, par des recristallisations (principe de Riecke), et c'est un processus très important, lié au métamorphisme (schistosités, foliations), ou par l'aplatissement, l'élongation ou le glissement des particules, processus qui régissent par exemple l'orientation des cristaux dans une lave. En outre, dans ce cas du déplacement direct des particules, la déformation se décompose obligatoirement en deux parties : l'une, rotationnelle, correspond à un changement d'orientation ; l'autre, non rotationnelle, se traduit exclusivement par des variations de longueur dans le corps considéré. Chaque mouvement peut alors être représenté par un ellipsoïde de déformation particulier et caractéristique de la déformation.

Déformation par ellipsoïde

Dessin : Déformation par ellipsoïde

Représentation de la déformation par ellipsoïde. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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En réalité, les choses ne sont jamais aussi simples, car il faut distinguer dans les roches des déformations homogènes et des déformations inhomogènes. Les phénomènes de déformation correspondent donc à des processus complexes. Tout cela montre que la partie interprétative des caractères géométriques des roches, qui se rattache à des recherches concernant la mécanique des roches, est difficile ; mais cet aspect est rendu encore plus complexe à cause des propriétés rhéologiques des roches.

Déformations homogène et inhomogène

Dessin : Déformations homogène et inhomogène

Déformations homogène et inhomogène. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Propriétés rhéologiques des roches

En réponse à une déformation donnée, les roches ont des comportements très variés. Cela dépend de leurs propriétés physiques, de leurs propriétés rhéologiques, qui sont l'élasticité, la plasticité, la viscosité et la résistance. En réalité, outre que les roches ne sont pas souvent des matériaux homogènes, tous les matériaux possèdent toutes les propriétés rhéologiques, mais à des degrés divers ; on peut donc les considérer comme des combinaisons plus ou moins complexes des différents modèles rhéologiques.

D'autre part, les propriétés rhéologiques d'un corps donné varient avec la température et la pression : ainsi, un granite, qui, à 25 0C, a un comportement élastique-cassant, aura un comportement élastique-plastique à 500 0C ; à 800 0C, le seuil de plasticité apparaît pour une valeur plus faible des contraintes (expériences de Griggs). De la sorte, la compétence relative de deux roches données peut s'inverser avec la profondeur.

Toutefois, et bien que leurs propriétés mécaniques dépendent de leur composition et de leur structure, les roches suivent des lois générales lorsqu'elles sont soumises à des forces dans l'écorce terrestre, et il est possible d'analyser leur comportement.

Utilisée dans le cadre de la recherche géologique, la structurologie apparaît comme un ensemble de procédés d'analyse particuliers qu'il est nécessaire d'adapter à chaque matériau de nature différente, selon l'échelle d'observation et le niveau d'organisation. La mise en œuvre de ces procédés d'analyse géométrique est généralement longue, puisqu'ils ont pour but d'identifier et de repérer le plus grand nombre d'éléments structuraux qui caractérisent l'architecture de la roche. De plus, l'interprétation, qui doit établir les relations de cette architecture avec les phénomènes susceptibles de la produire, est difficile ; elle fait appel à la mécanique des roches, où l'expérimentation est forcément limitée à des modèles simples et de taille ordinairement très inférieure à celle des corps géologiques, et ne peut faire intervenir le facteur temps.

Mais, malgré ces difficultés, l'analyse structurale permet d'obtenir des résultats fondamentaux concernant l'architecture des roches et les phénomènes géodynamiques ; elle doit être considérée pour cette raison comme indispensable.

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Éléments structuraux des roches

Éléments structuraux des roches
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Diagrammes de fabrique

Diagrammes de fabrique
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Déformation par ellipsoïde

Déformation par ellipsoïde
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Déformations homogène et inhomogène

Déformations homogène et inhomogène
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  • : professeur à l'université Paul-Sabatier, Toulouse
  • : docteur ès sciences, assistant à l'université Paul-Sabatier, Toulouse

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Pour citer l’article

Jacques MARRE, José PONS, « ROCHES (Déformations) - Structurologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 28 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/roches-deformations-structurologie/