Déformation des matériaux de la lithosphère

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I. Rhéologie de la lithosphère
1. Déformation et régime de déformation
a. Ladéformationnie
• Ondénitunedéformationencomparantunétatinitialetunétatnal,sanspréjugerdu«régime»de
déformation.
• Ladéformationnieestainsiladescription«mathématique»delacorrespondanceentrecesdeuxétats.
b. Lesmécanismesdeladéformationplane
• Ondénitladéformationplanecommeunedéformationpouvantsedécrireentièrementendeuxdimen-
sionsseulement.
• Lesdeuxmécanismesprincipauxsontladéformationco-axiale(enapplatissement)etladéformation
non-coaxiale(avecunecomposantecisaillante).
c. L’ellipsoïdedeladéformationnie
• Ladéformationnieestentièrementdécriteenunpointparunobjetmathématiquenommé«tenseurde
ladéformation».
• Onreprésenteaisémentletenseurdeladéformationparunellipsoïde.Chaquedemi-axedel’ellipsoïde
représente(enmodulecommeendirection)ladéformationdansl’unedesdirectionsprincipalesdela
déformation.XdésigneleplusgrandallongementetZdésigneleplusfortraccourcissement.
d. Ladéformationincrémentale:lerégimededéformation
• Lerégimedeladéformationdésignele«lm»dudéroulementdeladéformation.Iln’estjamaisac-
cessibleparlaseuledonnéedutenseurdeladéformationnie.Ilestnécessaired’envisagerd’autres
marqueurs.
• Surleterrain,cesontlesmarqueursdelarotationquiindiquentlecaractèrenon-coaxiald’unedéforma-
tion.Lesbresdanslesfentesdetensionsontunbonexemple.
2. Contrainte et réaction des roches aux contraintes
a. Etatdecontrainteetétatdepression
• Lescontraintessonthomogènesàdespressions(forcesrapportéesàunesurface).
• Unpointest«souscontrainte»lorsqu’ilyaanisotropiedel’étatdecontrainte.
• L’étatisotropedénitunétat de pression.Letenseurestalors«scalaire».
b. L’ellipsoïdedescontraintes
• Letenseurdescontraintesestaisémentreprésentéparunellipsoïde.
• Iln’yagénéralementpasderelationévidenteentrel’ellipsoïdedescontraintesetl’ellipsoïdedesdéfor-
Déformationdes
matériauxdela
lithosphère

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mations.
c. Déformationsenréponseauxcontraintes:matériauxidéaux
• Comportement élastique :lasuppressiondel’étatdecontrainteramèneladéformationàzéro.Lecas
leplussimpleestceluidelaproportionnalitécontrainte-déformation(modèleduressort).Touslesma-
tériauxontunintervalle(généralementtrèsétroit)d’élasticité.Ilcorrespondàunedéformationdefaible
ampleur,typiquementde1à2%.
• Comportement plastique : la suppression de l’état de contrainte laisse la déformation en l’état.
Lorsque j’arrête de pousser une caisse sur le plancher, la caisse s’arrête. Lorsqu’on arrête de com-
primer une pate à modeler, elle ne se déforme plus mais conserve la déformation acquise.
• Comportement de uide visqueux : le matériau «s’écoule», on dit qu’il «ue».
d. Lesréponsesd’unmatériauréel
• Ilexistedesmatériauxtrèsélastiques,outrèsplastiques,maislaplupartdesmatériauxgéologiquesont
uncomportementhybrideavantrupture.
• Lorsquelarupturesurvienttrèsrapidement,lematériauneprésenteraguèrequ’unpetitcomportement
élastique:ilestditfragile.Lorsquelarupturesurvienttrèstardivement,lematériausedéformebeau-
coupsansrompre:ilestalorsquailédeductile.
3. Propriétés mécaniques des roches : compétence des roches
a. Rochescompétentesetincompétentes
• Unerochecompétenteestunmatériaufragilequisedéformepeudansunpremiertempsetquinitpar
céderparfracture.Unetellerocheformeradesniveauxisopaquesdanslesplis.
• Unerocheincompétenteestunmatériauplutôtductilequisedéformefacilementenuant.Unetelle
rocheformeradesplissottementsde«bourrage»danslescœursdesplis.
b. Conditionsthermodynamiquesdeladéformation
• Lecomportementd’unerocheesttrèsloind’êtreunepropriétéimmuabledecelle-ci:ilesttrèsdépend-
natdesconditionsdeladéformation.
• Lapressiondeconnement(etdonclaprofondeur)favoriselaductilité.
• L’élévationdetempérature(etdoncl’enfouissment)favoriselaductilité.
c. Vitessededéformation
• Uneaugmentationdevitessededéformationfavoriselarupture.
4. Enveloppe rhéologique de la lithosphère
a.LaloideBeyerlee
• L’inuenceconjointedelapressiondeconnementetdelatempératuredénituneductilitéaugmen-
tantaveclaprofondeur.Cettedépendanceestlinéaireetassezsemblablepourtouslesmatériaux.On
nommeloideBeyerleecetterelationlinéairedelacontraintederuptureaveclaprofondeur.
b. Lesloisdeuage
• Chaquematériauestcaractériséparuneloideuage.Uneloideuagedénitlarelationentreledévia-
teurminimalprovoquantleuageetlaprofondeur.
c. Envelopperhéologiqueetniveauxdedécouplage
• EncombinantloideBeyerlee(lamêmepourtouslesmatériaux)etloisdeuages(trèsdifférentes
parexemple,entrecroûteetmanteau),ondénituneenveloppe rhéologique dénissantsurun
diagrammedéviateur-profondeur,lesconditionsdela«résistancesansdéformation»etlesconditionsde
l’échappement(parruptureouparuage).
• Onreconnaîtainsiclassiquementunniveaucrustalrésistantreposantsurunniveaumantelliquesu-
périeurluiaussirésistant,maisavecunniveau«savon»intermédiaireconstituéparlacroûteinférieure.
Ceniveau«savon»estunniveaudedécouplagepouvantinduiredescomportementsdeclivageentre
croûteetmanteau(voirlesAlpes).
d. Inuencedugradientgéothermiquelocal.
• Lesdifférentscontextesgéodynamiquessontentreautrecaractériséspardesgradientsgéothermiques

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différents.Or,cesdifférentsgradientsontunimpactsurlesenveloppesrhéologiques.
e. Envelopperhéologiqueetcontextegéodynamique
• Lesmodèlesdefracturedecontinent(rifting)oudecollisiontiennentainsicomptedesvariationsde
gradientgéothermiqueattenantesàcesdifférentscontextes.
II. Sismogenèse
1. Quelques exemples de séismes
a. Lesdéformations
• Lesséismessontdesruptures,marquéesnettementdanslepaysagepardesfailles.Lesreliefsfaillés
sontainisparticulièremenfraisdansleszonessismiquementactives(CalifornieetfailledeSanAndreas,
failleanatolienneenTurquie).
• Desdéformationstrèsspectaculairessontvisiblesaulendemaindesgrandsséismes.
b. Lesdégatsmatériels
• Lesséismespeuventêtretrèsdestructeurspourlesinstallationshumaines;ettrèsmeurtriers.
 SanFrancisco:1906
 Agadir(Maroc):1956
 ElAsnam(Algérie):1980
 Kobe(Japon):1995
 Haïti:2010
 Katmandu(Népal):2015
c. Magnitudeetrépliques
• Lamagnitudeestd’unecertainemanièreunemesuredel’énergiedissipéeparunséisme.L’échellede
magnitudeestuneéchellelogaritmique
• Unséismeesttoujourssuivideplusieursdizainesderépliques,commesilaterreavaitdessoubres-
sauts,deshoquets.Lesrépliquessontdemagnitudeplusmodéréemaispasnécessairementfaible.
• Larelationentremagnitudeetdatedesrépliquessuitunedécroissancelogaritmique.
• Unerelationcomparablelielesmagnitudesdesprincipauxséismes.Cetterelationestassezimmuable
etdénitlaloideGutemberg-Richter.
2. L’origine des séismes
a. Ladéformationélastique
• Lalithosphère,trèsrigideetfragileaupremierordre,sedéformed’aborddemanièreélastiquepuis
rompt.
• Larupture«soulage»lalithosphère,libèreenlesdécouplantlesdeuxcompartimentsdepartetd’autre
d’unefaille.Cedécouplagesupprimelacontrainteet(voirlecomportementélastique)annuledoncbru-
talementladéformationélastiquesubieparchaquecompartiment.Cetterelaxationbrutaleébranlelesol
etconstitueleséisme.
b. Relaxationd’énergie
• Lamagnitudeduséismevaainsidépendre(vialemoment sismique) de l’ampleur de la surface de
rupture, de la «rigidité» (et donc l’élasticité) du matériau et de la valeur du déplacement.
c. Lecyclesismique
• Lecyclesismiquecorrespondauxfréquencesobservéesdesséismesdansunezoneactive.Celatient
autantauxfréquencesdesrépliquesqu’auxfréquencesetmagnitudesdesséismesmajeurs(loideGu-
temberg-Richter).
d. Leszonesàrisque
• Lalocalisationdesséismesaétélemoyenhistoriqued’identierlepartagedelalithosphèreenunedou-
zainedeplaques.Lesplaques,indéformablesaupremierordre,s’affrontentàleursfrontièresoùelles

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provoquentnombredeséismesplusoumoinsintenses(selonlanaturedelafrontière).
• Unecartedelarépartitiondesséismesestdoncunecartedeceszonesd’affrotement,etdoncune
cartedesplaqueslithosphériques.
3. Les mécanismes au foyer
a. Etablissementd’unmécanismeaufoyer
• Uneanalysestatistiquedesenregistrementssismographiques(endemultiplesstations)d’unséisme
permetdepartagerl’espaceautourdufoyerendomainescompressifsetdomainesdistensifs.Lesré-
sultatssontconsignéssousformedelaprojectionhorizontaled’unedemi-sphèreinférieurecentréesur
lefoyer.
• Cettemanièredeprocéderpermetd’orienterlescontraintesayantprésidéauséisme,etdoncdedénir
lanaturedeladéformation:faillenormale,failleinverseoufailledécrochante.
b. Analysedelagéométrieetdumouvementd’unefailleactive
• Les«beach-balls»permettentdedénirletypedefaille(normale,inverseoudécrochante).Maisdans
touslescas,ildemeureuneincertitudesurleplanderupture:ilyatoujoursdeuxplansthéoriquespos-
sibles.
• Danslecasd’unefailledécrochante,lerecueildeplusieurs«beach-balls»etleuréventuelalignement
permetdetranchersansambiguitépourl’undesdeuxplansthéoriques.Etdelà,onidentiesiledécro-
chementestdextreousénestre.
c.  Mécanismesaufoyeretgéodynamiqueglobale
• Lesmécanismesdistensifscaractérisentleszonesdedorsaleetderifting,leszonestrèsépaissiesdes
orogènesvieillissantsetleszonessuperciellesdelalithosphèrebombéeenamontdessubductions.
• Lesmécanismesdécrochantss’observentdansleszonesexternesdesmontagnesvieillissantes.
• Lesmécanismescompressifsenfailleinversecaractérisentlesorogènesetleszonesdesubduction.
4. Surveillance par des techniques satellitaires
a. Lagéodésiespatiale
• LalocalisationparGPS(dansuneversionbeaucoupplusprécisequecelledugrandpublic).
b. L’interférométrieradar
• Ladifférencedepositiond’unterrainentredeuxpassagesd’unsatellitepeutêtrevisualiséesousforme
defrangesd’interférence.Celarenseignesurladéformationentempsdirect.
c. Déplacementsinstantanésettempsgéologiques
• Lorsquelagéologietraditionnelleanalyseladéformation,elleintègredesphénomènesdurantparfois
plusd’unmilliond’année,tandisquelestechniquessatellitairesenregistrentdesdéplacementsinstanta-
nés.
• N’est-ilpasrafraichissantdeconstaterquecesdifférentestechniquessontcependantcohérenteset
convergentbienversunemêmeanalysedufonctionnementd’unechaînedemontagnecomme,par
exemple,lesAlpes?
II. Les objets de la déformation
1. La déformation élastique à l’échelle de la lithosphère
a. Lesîlesvolcaniquesetlaexuredelalithosphère
• Indéformableaupremierordre,lalithosphèreprésentedoncessentiellementuncomportementélas-
tique.
• Cetteélasticitéexpliquelaprésenced’un«rebondélastique»autourdeszonesenfoncéesparlamasse
d’uneîlevolcanique:cerebondsematérialiseparunbourreletdelithosphèrebombéeautourdelazone
déprimée.
b. Laexuredeszonesdesubduction

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• Delamêmemanière,leszonesdesubductiondéterminentunrebondélastiqueenamontdesfosses.
Cerebond,làencore,déterminelaformationd’unbourreletàhauteurdelaexuredelalithosphère
plongeante.
c. Laexuredesbassinsd’avantpays
• Enn,toujourspourcaused’élasticité,lasurchargepondéralereprésentéeparlesorogènesoccasion,
commepourlesîlesvolcaniques,unexuredepartetd’autredeschaînesdemontagnes,dénissant
unezonedebassinsubsident,sillonentrelesreliefsdelachaîneetlazonedebombementélastique.
2. Les plis et les failles aux échelles régionale et locale
a. Géométriedesfailles,géométriedesplis
• Ladescriptiond’unefaillepasseparlanotionderejet,vecteurdéplacementliéàlafaille.Cevecteur
peutêtredécomposédedifférentesmanières.
• Ladescriptiond’unplipasseparlesnotionsd’axe,decharnièreetdean.Lesrelationsgéométriques
entrecesélémentspermettentdedénirdifférentstypesdeplis.
b. Ledomainefragile:faillesetplisisopaques
• Danslecasdeladéformationfragile(etuniquementdanscecas),ilestpossiblederelierlagéométrie
deladéformationàl’orientationdescontraintes.Onpeutainsiorienters1,s2ets3surunefaille.
• Lesplisisopaques,caractéristiquesdesrochescompétentes,sontsystématiquementassociésàdes
fractures(distensivesàl’extrados,compressivesàl’intrados).
• Lesfailles,dufaitdel’imperfectiondessurfacesdecoulissement,enregistrentdesmarqueursdumou-
vementnomméstectoglyphes. Ce sont les stries, les écailles et les stylolithes.
c. Ledomaineductile:plisetschistosité
• Ledomaineductileestcaractérisépardesplissementsanisopaques,généralementassociésàdela
schistosité.Enparticulier,lesplissementss’accompagnent,danslesniveauslesplusductiles,d’une
schistositédeplanaxial.
• Laschistositéestd’autantplusparrallèleauplanaxialqueleniveauplisséestductile.Lasuccessionde
matériauxdeductilitésdifférentespeutoccasionnerdes«réfractions»deschistosité.
d. Chevauchementsetcharriages
• Al’échellecrustale,leraccourcissementdansleszonesdeconvergenceestaccomodépardessortes
degigantesquesfaillesinversestrèshorizontales:lescharriagesetleschevauchements.
• Cesdéformationsconcernentdesdéplacementsdeplusieurskilomètres,quiabsorbentlaconvergence
aumoyend’uneaugmentationd’épaisseurcrustale.
• Cartographiquement,leschevauchementspeuventêtremarquéspardesklippesetdesfenêtres.
3. Les microstructures aux échelles de l’échantillon et de la lame
mince
a. Schistosité,foliation,linéation
• UnplandeschistositépermetdedénirleplanXYdeladéformation.Unefoliationestuneschistosité
soulignéeparuneségrégationminéralogique(commedansungneiss).
• Unelinéationsedénitobligatoirementdansunplandeschistosité.Toutestructurelinéairenonobser-
véedansunplandeschistositén’est pas une linéation. Une linéation donne la direction X.
b. StructuresC/S
• Lesrelationsentreschistositéetsensdecisaillementgénèrentsouventdesguressigmoïdesnommées
struturesC/S.Cesgurentconstituentainsidesmarqueursdeladéformationnon-coaxiale.
c. Ombresdepressionetminérauxhélicitiques
• Lesdifférencesdecomportementmécaniqueentreminérauxoccasionnentdesrépartitionsvariables
deszonesdeplusforteoudeplusfaiblecontrainte.Ilenrésultedeszonestrèscompressivesoùles
structuressontdétruites(dissolution,dislocation,migration)etdeszones«abritées»oùdesmatériaux
s’accumulent(cristallisation,agglomération...).
• Lorsqueladéformationestnon-coaxiale,lesombresdepressionsformentdesstructuressigmoïdes.Et