appliquée au BTP Géologie appliquée au BTP Géotechnique appliquée au BTP PierreMartin Martin Pierre © Groupe Eyrolles, 2010, ISBN : 978-2-212-12770-6 17/01/08 16/06/1015:35:31 11:08 PDT_12270.indd 1 16/06/10 12:43 01-Chap 1.fm Page 24 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11 24 1.2 Géologie structurale La géologie structurale est la discipline qui étudie la disposition des formations rocheuses telles qu’on les observe en subsurface et/ou qu’on les imagine au bureau. En géotechnique, on peut le plus souvent la limiter à la description de leur faciès et de leur géométrie ; leur datation précise n’est éventuellement nécessaire que lors d’études de grands ouvrages souterrains, galeries, forages… traversant de nombreuses formations dont on veut préciser la structure. L’élément de base de la géologie structurale est le faciès d’une formation rocheuse : à l’origine, le mot désignait l’ensemble des caractères lithologiques, paléontologiques et génétiques propres d’une formation sédimentaire, son aspect particulier résultant des conditions de son élaboration et de son état (paléogéographie, sédimentation, diagenèse…), indépendamment de son âge : • des roches de même faciès peuvent avoir des âges différents – le calcaire de faciès urgonien est d’âge barrémien en Savoie, aptien en Provence et dans les Pyrénées, albien dans la cordillère Cantabrique ; • des roches de même âge peuvent avoir des faciès différents – calcaire et gypse d’âge ludien de la vallée de la Marne ; • une même formation peut présenter des faciès plus ou moins différents selon l’endroit – marne crayeuse, craie grise, craie noduleuse, craie glauconieuse, craie blanche avec et sans silex… du Bassin parisien. La notion de faciès a ensuite été appliquée sous la forme de lithofaciès, sans caractère paléontologique, aux formations métamorphiques ; elle peut aussi s’étendre, sans caractère génétique, aux formations magmatiques. C’est cette notion étendue qui permet, à une échelle d’observation donnée, de caractériser des formations de même aspect général, sans entrer dans des détails secondaires qui compliqueraient inutilement la modélisation de leur structure : les cartes et coupes géologiques, modèles géométriques du sous-sol d’un site (voir 3.3 et Fig. 1) sont en grande partie établies à partir d’observations de faciès à l’affleurement, en groupant ainsi des échantillons qui, sans être identiques, ont à peu près le même aspect et donc appartiennent en principe à la même formation. La structure primaire d’une formation est celle issue de son élaboration par sédimentation et diagenèse (roches sédimentaires), intrusion (roches plutoniques) ou effusion (roches volcaniques) ; sa structure secondaire est celle acquise ensuite, par déformation tectonique (failles et plis). Ces deux types de structures sont généralement superposés, mais on peut pratiquement toujours les distinguer, comme les strates (structure primaire) d’une formation sédimentaire fracturée et/ou plissée (structure secondaire) ; par contre, après une transformation métamorphique, si les structures des formations métamorphisées ont pratiquement disparu, les structures des formations métamorphiques qui en sont issues peuvent paraître primaires. Il est rare qu’une structure primaire soit intégralement conservée. 01-Chap 1.fm Page 25 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11 1.2 – Géologie structurale Figure 1.2 – Superpositions de structures Primaires ou secondaires, on observe des structures analogues à toutes les échelles, de l’échantillon à la région : une faille peut avoir un rejet de quelques centimètres à plus de mille mètres ; un pli peut avoir un rayon de courbure de quelques millimètres à plus de 10 km… Mais sur le terrain, en dehors de certaines zones désertiques sans végétation, vous ne verrez de loin en loin que quelques pans de miroirs de failles, de charnières ou flancs de plis…, jamais continus et réguliers : les figures suivantes sont des modèles analogiques très schématiques d’objets réels infiniment plus complexes. En géotechnique, l’identification, l’implantation et la modélisation correctes de la structure géologique d’un site que l’on aménage sont nécessaires à la conception du projet, à la préparation, à l’exécution et au suivi des travaux ; ce sont les opérations de base de toute étude géotechnique, quelles que soient la nature et les dimensions de l’ouvrage. 1.2.1 Stratigraphie La stratigraphie est la discipline qui étudie dans l’espace et dans le temps les formations sédimentaires généralement plus ou moins arrangées en couches ou strates subhorizontales superposées dans l’ordre normal de leur dépôt, avant leurs déformations et/ou leurs transformations. En géotechnique, on peut la limiter à leur étude lithologique, géométrique et relationnelle dans l’espace. À toutes les échelles d’observation, la détermination de l’ordre de superposition d’une formation par rapport à une autre ou de la continuité d’une formation dont le faciès est plus ou moins variable, est particulièrement importante, car elle permet d’établir des modèles géométriques cohérents du sous-sol d’un site. Cette détermination spécifique par celle de l’âge d’une formation selon l’échelle stratigraphique générale (…Crétacé inférieur : …Barrémien, Aptien, Albien…) est une affaire de spécialistes que l’on n’aborde qu’en cas de doute sur l’ordre de superposition dans certaines structures tectoniques. Plus couramment, on 25 01-Chap 1.fm Page 26 Mardi, 15. juin 2010 11:38 11 26 peut substituer le niveau lithostratigraphique d’une formation à son âge pour distinguer des faciès différents de même niveau ou des mêmes faciès de niveaux différents, afin de préciser les relations spatiales de formations en contact, aussi bien sédimentaires que magmatiques ou métamorphiques. Figure 1.2.1.a – Ordres de superpositions (lithostratigraphie) On peut donc étendre la notion de stratigraphie descriptive spatiale à toutes les formations rocheuses : il y a un ordre de superposition normal des formations métamorphiques (granite, gneiss, micaschiste, schistes), des produits d’évolution superficielle de toutes les roches (roche mère, roche altérée, altérite…) ; il y a aussi des alternances répétées un grand nombre de fois de couches plus ou moins épaisses de tuf et lave volcaniques, de calcaire et marne, de grès et argilite… Figure 1.2.1.b – Stratification sédimentaire La strate est la plus petite unité d’une formation sédimentaire ; selon le type de roche, elle est épaisse de quelques centimètres à quelques décimètres et dépasse rarement le mètre, mais des strates de même roche peuvent être empilées sur de grandes épaisseurs – une formation de strates analogues à toutes les échelles d’observation est dite compréhensive. Par définition, une strate, ou plus généralement une formation compréhensive, présente des caractères lithologiques, structuraux et/ou paléontologiques propres plus ou moins apparents qui permettent de la distinguer de celle qu’elle surmonte et de celle qui la surmonte, dont elle est séparée par des surfaces de contact plus ou moins planes, des plans ou joints de stratification. La stratification peut être parallèle, oblique, lenticulaire…