TP - TD Préparation à l`AGREG – secteur C DEFORMATION DES

TP - TD Préparation à l’AGREG– secteur C
DEFORMATION DES OBJETS GEOLOGIQUES
Emmanuelle BOUTONNET
([email protected])
Démarche pédagogique :
On observe que les roches sont déformées lorsqu’elles sont soumises à des contraintes.
Les roches ne se déforment pas toutes de la même manière. La rhéologie étudie les
relations entre contraintes et déformations au sein d’une roche: les nombreux paramètres
intervenant sont pris en compte dans des lois de comportement. La déformation peut être
observée et interprétée en terme de contraintes à différentes échelles sur Terre.
Bibliographie:
- Brahic A. (1999 à 2006): Sciences de la Terre et de l’Univers – Ed Vuibert
- Caron J-M (1995): Comprendre et enseigner la planète Terre – Ed Ophrys GAP
- Choukroune P. (1995): Déformations et déplacements dans la croûte terrestre – Ed
Masson
- Debelmas J. & Mascle G (1991): Les grandes structures géologiques – Ed Dunod
- Jolivet L. (1995): La déformation des continents. Exemples régionaux – Ed Hermann
- Mattauer M. (1998): Ce que disent les pierres – Ed Belin
- Mattauer M. (1980): Les déformations des matériaux de l’écorce terrestre – Ed
Hermann.
- Mercier J. & Vergely P. (1992, 1999): Tectonique – Ed Dunod
- Nicolas A. (1989): Principes de tectonique – Ed Masson
- Collectif: Himalaya- Tibet, le choc des Continents – Ed CNRS
Leçonscorrélées :
Option C:
- Les phénomènes géologiques associés aux décrochements crustaux
- Les mécanismes de déformation des roches: du cristal à la plaque lithosphérique
- La tectonique en compression
Contre- Option:
- Déformation ductile et déformation cassante
- La déformation cassante
- La lithosphère continentale
- La lithosphère océanique
- La collision continentale
- Comportement rhéologique des matériaux géologiques et structures associées
Ce cours et des infos complémentaires sont disponibles sur ma page web:
http://persoeb.free.fr/
PLAN
I- OBSERVATION: LES ROCHES SONT DEFORMEES.
1) Observation et description.
a.
b.
c.
d.
Les échelles de la déformation.
Vocabulaire et définition.
Pourquoi décrire la déformation?
Quantifier de la déformation.
2) La déformation cassante.
a. A l’échelle de l’affleurement (failles).
b. A l’échelle de la roche (microstructures).
3) La déformation ductile.
a. A l’échelle de l’affleurement (plis).
b. Le cisaillement: schistosité, foliation, linéation.
c. Critères de sens de cisaillement.
II- CONTRAINTE ET RHEOLOGIE.
1) Les roches sont soumises à des contraintes.
a.
b.
c.
d.
Définition et origines.
Représentation dans l’espace.
Décomposition sur un plan.
Relations déformation/ contraintes.
2) Comportement élémentaire des roches.
a. Elasticité, Plasticité, Viscosité.
b. Modélisation analogique.
3) Comportement cassant: loi de Mohr-Coulomb.
a.
b.
c.
d.
Théorie du cercle de Mohr.
Théorie de Coulomb et critère de rupture de Byerlee.
Le diagramme de Mohr-Coulomb
Conséquences – Applications.
4) Comportement ductile.
a.
b.
Cisaillement pur/ simple.
La loi de fluage ductile.
III- LOIS DE COMPORTEMENT LITHOSPHERIQUE
1) Les lois de comportement.
a. Comportement fragile/ ductile.
b. Transitions comportementales.
2) A l’échelle de la lithosphère.
a. Profil rhéologique de la lithosphère.
b. Modélisation analogique
EXERCICES
Exerciced’entraînement – détermination des conditions de rupture:
Une roche est soumise à un état de contrainte de révolution dans lequel on peut faire varier
l’intensité de 1et de 3.
1: N00 horizontal
2: N90 horizontal
3: vertical
intensité variable
100 Mpa
intensité variable
Cette roche a une courbe de fracturation d’équation = 100 (Mpa) + tg (30°) x n
a) Si 3 = 100 Mpa, quelle valeur doit atteindre 1pour que la roche se fracture?
(détermination graphique,échelle 1cm = 100 Mpa)
b) Quelle est l’orientation par rapport aux contraintes des plans de failles qui font se
former? Quelles sont les valeurs de n, sur ces plans de failles? Quelle est la
valeurs de ?
c) Si 3 = 50 Mpa, quel est le nouveau régime de contrainte au moment de la
fracturation? A quel orientation de faille par rapport aux contraintes peut-on
s’attendredans ce cas ?
d) Quel mouvement peut-on prédire sur les planssuivants ?
P1: N00 vertical
P2: N90 30N
P3: N30 vertical
P4: N00 45W
Optants C: pour chaque plan, donner le pitch de la strie que l’on peut prédire et
reportez-la sur le diagramme stéréographique.
Exerciced’entraînement – expériences de fracturation :
Le critère de rupture de Byerlee a été déterminé expérimentalement au moyen de presses
triaxiales. Ces presses permettent de soumettre un échantillon de roches à un état de
contraintes triaxial (1, 2, 3). Un piston vertical permet d’appliquer une force F anisotrope
sur l’échantillon. La pression de confinement est appliquée par un fluide incompressible mis
sous pression (de l’huile le plus souvent); cette pression P est isotrope dans le plan horizontal.
Figure 1: schémas d’une presse triaxiale
1) Comment sont orientées les trois contraintes (1, 2 et 3) dans l’échantillon de
roche? Donnez leurs expression en fonction de P et de F.
2) Un essai triaxial a été réalisé sur un échantillon cylindrique du granite d’Oshima
(Japon), mesurant h = 8 cm de haut, et d = 4 cm de diamètre. En complétant le
tableau de données ci dessous (table 1), construire un graphique d = f(), et analysez
les différentes parties de la courbe obtenue. Que se passe-t-il concrètement pour
l’échantillon à partir de t = 3600 s?
3) Deux autres expériences similaires ont été réalisées en faisant varier la pression de
confinement. Les résultats sont donnés dans la table 2. Utilisez ces trois essais
triaxiaux pour déterminer graphiquement un critère de rupture (valeurs de la
cohésion C et du coefficient de friction μ).
Temps (s)
P (MPa)
F (N)
h (mm)
0
80
0
0
300
80
30000
0,025
600
80
60000
0,05
900
80
90000
0,075
1200
80
120000
0,155
1500
80
150000
0,235
1800
80
180000
0,315
2100
80
210000
0,395
2400
80
240000
0,475
2700
80
270000
0,535
3000
80
300000
0,595
3300
80
330000
0,655
3600
80
360000
1,243
3900
80
390000
1,998
4200
80
420000
3,946
4500
80
450000
5,998
1
3
Table 1: résultats d’une expérience en presse triaxiale sur le granite d’Oshima.
P(MPa)
1 à la rupture (MPa)
80
135
450
150
480
Table 1: résultats d’une expérience en presse triaxiale sur le granite d’Oshima.
1 - 3
Exercicede réflexion – construction d’un barrage :
Introduction.
Le diagramme de Mohr- Coulomb n’est pas très utilisé en géologie fondamentale, même si
tout étudiant en géologie doit se le «farcir» au moins une fois dans sa scolarité, programmes
obligent. Par contre, en géologie appliquée, dans le cadre de la construction d’un barrage par
exemple, son application est essentielle.
Nous avons évoqué en cours le fait que la courbe de Byerlee n’est pas applicable dans le
domaine des très faibles contraintes. En réalité, en surface, d’autres modèles non linéaires
sont plus réalistes que ceux de Coulomb et Byerlee.
4) Pouvez-vous donner un exemple d’objet géologique qui montre que dans le cas de
contraintes très faibles, la courbe de rupture se redresse pour devenir verticale
comme représenté sur la figure ci-dessous?
Figure 1: comparaison entre le critère de Mohr- Coulomb et d’autre formes de critère de rupture.
Dans l’exercice suivant, nous utilisons les courbes de rupture de Hoek et Brown qui est plus
adaptée au domaine de contraintes subies par les barrages. De plus, les calculs prennent en
compte la qualité de la fondation rocheuse sur laquelle repose le barrage.
Exercice.
Un barrage poids transmet la poussée de l’eau à la fondation par cisaillement sur celle-ci. Le
poids de l’ouvrage doit être suffisant pour assurer que le barrage ne glisse pas sur sa
fondation. Cette analyse simplifiée pour ne pas dire simpliste est pourtant la vérification
fondamentale à effectuer lors de la construction d’un barrage poids : le glissement sur la
fondation est la première cause de rupture des barrages poids.
5) Faites un dessin d’un barrage poids de 100m de large, de 66m de haut et de profil
classique (parement amont vertical, et parement aval avec une pente de 50°). Pour
simplifier, on considère la section parfaitement triangulaire. Indiquez les forces qui
agissent sur la base du barrage.
6) Calculez les contraintes normales et tangentielles sur la base du barrage sachant que:
la poussée de l’eau sur le parement amont est estimée à 0,53 MPa.
la masse volumique du béton tassé est de 2450 kg/m3.
g, la constante gravitationnelle vaut 9,81 m/s2.
7) Dans le diagramme ( n,) dessiné ci-dessous, déterminez si ce barrage risque de
subir un glissement sur ses fondations dans ces conditions de remplissage.
Déterminez également l’état de contraintes du système (valeurs de , 1) sachant que
3 = 0,54 MPa.
Figure 2: Diagramme (n,) avec une courbe de rupture suivant le modèle de Hoek et Brown calculé pour une
fondation rocheuse d’assez bonne qualité (granite avec peu de diaclases).
8) La sous-pression désigne la pression de l'eau régnant à la limite entre un barrage et sa
fondation. En effet, en dépit des efforts pour tasser le béton, l’eau s’infiltre toujours
dans les fissures du barrage, et en particulier à sa base. Quel effet cette sous-pression
va-t-elle avoir sur la stabilité du barrage sur ses fondations?
9) Le rapport de sous-pression est de 0,67% de la masse du barrage, c’est à dire que
0,67% de la masse du barrage est compensée par l’eau sur le plan de sa base. Ce
barrage est-il dangereux pour la vallée en aval?
10) Si le barrage était construit sur une roche de faible résistance, dont le profil de
rupture est représenté sur la figure 3, que se passerait-il?
Figure 2: Diagramme (n,) avec une courbe de rupture suivant le modèle de Hoek et Brown calculé pour une
fondation rocheuse d’assez bonne qualité (granite avec peu de diaclases, bleu) et une fondation rocheuse de
mauvaise qualité (grès très diaclasé, avec remplissage d’argile, violet).
Observations – reconnaître les structures dans les roches
Ellipsoïde de déformation : définir les axes de l’ellipsoïde de la déformation X Y Z sur les
échantillons suivants.
F 11-2
F 15-4
F 5-6
Mouvement sur un plan de faille: reconnaître les tectoglyphes et identifier un mouvement sur
le plan de faille pour les échantillons
D 6.6
D 6.2
D 4.30
Critères de cisaillement: retrouver les critères de cisaillement dans un plan correct pour
l’échantillon
F 13.41
F 13.20
Structures caractéristiques: reconnaître les structures marquantes de ces roches:
F 14.21
F 14.60
F 13.60
F 4.1
F 4.1
F 5.61
F 2.11