Mécanique des Roches

Manuel
de
Mécanique des Roches
Tome 1 : Fondements
par le Comité français de mécanique des roches
Coordonné par Françoise Homand et Pierre Duffaut
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Pierre BÉREST Pierre BÉREST
Daniel BILLAUX Pierre HABIB
Marc BOULON Jean-Paul SARDA
François CORNET Gérard VOUILLE
Christian DAVID
Pierre DUFFAUT
Jean-Louis DURVILLE
Sylvie GENTIER
Albert GIRAUD
Mehdi GHOREYCHI
Jean-Pierre HENRY
Françoise HOMAND
Djimedo KONDO
Pierre LONDE
Frédéric PELLET
Jack-Pierre PIGUET
Jean-Paul SARDA 2)"3(0.
Jian-Fu SHAO
Mountaka SOULEY Pierre BÉREST
Les Presses de l’École des Mines
Paris, 2000

© École des Mines de Paris, 1999
60, Boulevard Saint-Michel, 75272 Paris CEDEX 06 FRANCE
email : del[email protected]smp.fr
http://www.ensmp.fr/Presses
ISBN : 2-911762-23-1
Dépôt légal : mai 2000
Achevé d’imprimer en mai 2000 (Grou-Radenez, Paris)
Tous droits de reproduction, d’adaptation et d’exécution réservés pour tous les pays
Photo de couverture : versant rive gauche de la vallée du Verdon, immédiatement à
l’aval du grand barrage voûte de Castillon (Alpes Maritimes). Les bancs calcaires
inclinés sont affectés de failles et leur stabilité, compte tenu de la poussée de la
voûte, est assurée par des tirants précontraints depuis sa mise en service par EDF en
1948. Il s’agit d’un problème typique de mécanique des roches, heureusement résolu
avant la naissance de cette discipline (photo P. Duffaut, 1998).

CHAPITRE 2 PHYSIQUE DES ROCHES
2.1 INTRODUCTION
La physique des roches couvre, selon les auteurs, un domaine plus ou moins vaste. Il
s’agit, dans ce manuel, de la description du milieu poreux (grains, pores et fissures)
et de la quantification de ses principales propriétés physiques, à l’exclusion des
propriétés mécaniques, traitées au chapitre 3. Une roche peut être définie comme un
assemblage de minéraux ayant hérité de liaisons plus ou moins fortes au cours de
son histoire géologique. La description d'une roche se fait sur un échantillon observé
à la loupe et éventuellement au microscope optique polarisant ou électronique à
balayage. On décrit la texture, les minéraux présents, la taille des grains, les fissures
et les altérations.
On présente ensuite les définitions et les méthodes d’étude de la porosité et de la
perméabilité, dont l’incidence est grande sur les propriétés mécaniques, à sec ou en
présence de fluides. Les propriétés acoustiques sont considérées comme participant
à la caractérisation des roches (l’ensemble est appelé en anglais index properties).
On évoque les propriétés thermiques mais on laisse de côté les propriétés
magnétiques et électriques en dépit de certaines applications.
Les propriétés mesurées au laboratoire ne tiennent pas compte des discontinuités
apparaissant à l’échelle du massif, joints de stratification, diaclases, failles, qui sont
traitées aux chapitres 4 et 5. Lorsque ces discontinuités sont rares ou espacées
l’échantillon est représentatif du massif jusqu’à une large échelle, comme dans les
craies et les roches argileuses.
2.2 LES PRINCIPALES CATÉGORIES DE ROCHES
Le nom d'une roche est donné en fonction de sa composition minéralogique, de sa
texture et de son mode de formation. Ce dernier conduit à distinguer trois grandes
familles de roches : sédimentaires, métamorphiques et magmatiques.
TABLEAU 2-1 : PRINCIPALES ROCHES MAGMATIQUES
Avec quartz & feldspath Sans quartz
Feldspath alcalin dominant Granite Syénite
Rhyolite Trachyte
Feldspaths alcalins Monzogranite Monzonite
+ plagioclases Rhyolite Trachyandésite
Granodiorite
Rhyodacite
Plagioclase seul Diorite quartzique Diorite
(<50% Anorthite) Dacite Andésite
Plagioclase seul Gabbro
(>50% Anorthite) Basalte
les noms en italique sont les équivalents volcaniques, ceux en gras sont les roches les plus
répandues

32 Manuel de Mécanique des Roches
Les roches magmatiques, résultent de la solidification de magmas. Ceux qui
parviennent directement à la surface forment les roches volcaniques ou effusives, les
laves, dans lesquelles on n'observe à l'œil nu que très peu de cristaux (en raison d’un
refroidissement rapide). Au contraire la solidification en profondeur donne les
roches plutoniques dont la lenteur du refroidissement permet la croissance des
cristaux, bien visibles donc à l’œil nu. Les minéraux sont essentiellement des
silicates : quartz, feldspaths alcalins et plagioclases, amphiboles, micas etc.. Les
classifications font intervenir la texture de la roche (arrangement et taille des
cristaux) et la composition minéralogique (tableau 2-1). Associées aux roches
métamorphiques, les roches magmatiques, dont les plus répandues sont les granites,
forment l’essentiel de la croûte terrestre continentale, bien qu’elles soient souvent
cachées sous les roches sédimentaires.
Les roches sédimentaires sont formées à la surface de la terre sur le sol ou au fond
de l'eau. Elles résultent de la désagrégation des roches préexistantes. Leur dépôt en
couches initialement proches de l'horizontale résulte :
! de l'action des agents d'érosion et de transport (eaux, crues, glaciers, vent) qui
déposent finalement des roches détritiques ;
! de l'activité des êtres vivants (roches organogènes) ;
! de phénomènes physico-chimiques (roches hydrochimiques et salines formées
essentiellement par précipitation).
Ces actions se combinent souvent et beaucoup de roches sédimentaires sont en fait
d'origine mixte). Ces sédiments se consolident et se cimentent lorsqu'ils sont enfouis
en profondeur (l’augmentation de la température et de la pression favorisant des
réactions entre les minéraux et les fluides interstitiels). Les roches sédimentaires
couvrent 75 % de la surface des continents et la quasi totalité des fonds océaniques,
mais leur épaisseur est limitée.
Il y a de nombreuses classifications des roches sédimentaires fondées sur la
composition chimique, la granularité des constituants ou le mode de formation qui
sont présentées dans les ouvrages de géologie. On se limite à citer les quatre groupes
principaux : grès, calcaires, roches argileuses, évaporites, en laissant de côté les
roches carbonées (pétroles, charbons et lignites).
Les grès sont essentiellement constitués de grains de quartz (99,5 % pour le grès très
pur de Fontainebleau), ils contiennent souvent des feldspaths et des micas. Les grès
feldspathiques sont appelés arkoses, les grès recristallisés quartzites, les grès
contenant des galets, poudingues ou conglomérats.
Les calcaires sont constitués essentiellement de carbonates de calcium (calcite ou
aragonite) et de carbonate de magnésium (dolomie). Leur origine est organique, par
accumulation de débris d’organismes marins (craies), ou de précipitation chimique.
Les roches argileuses dont nous étudierons le comportement dans le chapitre 11,
sont composées de minéraux argileux (illite, kaolinite, montmorillonite,
interstratifiés), avec éventuellement des grains de petite dimension de quartz et
carbonates. Le terme argilite désigne les roches argileuses au sens large. Les shales
sont des argilites litées.
Les évaporites sont des sels précipités lors de l'évaporation d'un liquide. A partir de
l'eau de mer les principaux minéraux précipités sont le gypse, l'anhydrite, le sel
gemme sous ses diverses formes dont la halite et la potasse (sylvinite).