G1 Déformations des matériaux de la lithosphère

G1 Déformations des matériaux de la lithosphère .
Connaissances de premier ordre indispensables
1. Rhéologie de la lithosphère
Les matériaux lithosphériques se déforment sous l’effet d’une contrainte anisotrope : les dimensions d’un objet déformé sont modifiées par
rapport à leur état initial. Ces déformations peuvent être continues (sans cassures) ou discontinues (avec cassure). Pour décrire une déformation
on cherche à déterminer les directions des 3 axes de l’ellipsoïde des déformations (élongation, raccourcissement, intermédiaire). On peut aussi
chercher à quantifier la déformation de façon relative.
Les mécanismes de la déformation plane sont le cisaillement pur, sans rotation des axes de la déformation au cours du temps (déformation
coaxiale)) et le cisaillement simple qui entraîne une rotation des axes de la déformation (déformation rotationnelle).
Une contrainte anisotrope peut être décomposée de façon unique en 3 vecteurs perpendiculaires qui définissent l’ellipsoïde des contraintes : σ1,
composante maximale de la contrainte; σ3, composante minimale ; σ2, composante intermédiaire.
Dans le cas des déformations coaxiales, il existe un lien entre la déformation finie observée et l’orientation de la contrainte : σ3, composante
minimale de la contrainte, est parallèle à la direction d’élongation maximale ; σ1, composante maximale, est parallèle à celle de raccourcissement
maximal ; σ2, est parallèle à la direction intermédiaire.
La déformation est élastique, plastique ou cassante. Les déformations élastiques ne sont pas permanentes. Deux types de comportement sont
associés aux déformations permanentes :
le comportement ductile (= plastique) consiste en un lent déplacement de la matière par fluage, qui conduit à des déformations plastiques ou
continues ; au-delà du seuil de rupture de l’échantillon, le comportement devient cassant ; il se forme des déformations discontinues.
Les propriétés mécaniques des roches sont dépendantes de leur compétence, propriété anti corrélée à la résistance à la rupture, des conditions
thermodynamiques et de la vitesse de déformation.
Facteurs favorisant une déformation plastique : l’incompétence des roches, les hautes pressions, les hautes températures, la présence de fluide si
la profondeur est grande.
Facteurs favorisant une déformation cassante : la compétence des roches, une grande vitesse d’établissement des contraintes, la présence de
fluide, si la profondeur est faible.
Le comportement global de la lithosphère est déterminé par son enveloppe rhéologique, modèle numérique, résultant de la confrontation de la
loi de Byerlee, pour les niveaux cassants, et des lois de fluage pour les différents matériaux constituant les niveaux ductiles. L’hétérogénéité
verticale de comportement mécanique de la lithosphère continentale (succession fragile-ductile-fragile-ductile) peut déterminer des niveaux de
découplage, niveaux de part et d’autre desquels les différentes parties se déforment de façon indépendante. Par exemple, la croûte inférieure de
faible résistance à la déformation peut constituer un niveau de découplage entre la croûte supérieure et le manteau, plus résistants
2. Sismogenèse
Un séisme est dû au déplacement brutal de deux blocs rocheux de part et d’autre d’une faille active. L’énergie lentement accumulée par des
déformations élastiques et plastiques est alors rapidement relâchée sous forme de chaleur et d’ondes sismiques. L’essentiel des dégâts est généré
par les vibrations du sol sous l’effet des ondes de surface.
L’étude des séismes et la prédiction du risque sismique passent par la description des événements et par de nombreuses mesures : analyse des
sismogrammes, caractérisation des déformations sur le terrain, mesures des glissements induits. La magnitude d’un séisme est une valeur
calculée traduisant l’énergie émise par le séisme sous forme d’ondes élastiques (échelle logarithmique). L’intensité est basée sur une classification
empirique, qui est fonction des réactions humaines, des dégâts causés aux constructions et des modifications du paysage.
Pour un séisme donné, le mécanisme au foyer permet l’analyse de la géométrie de la faille et de son mouvement ; c’est une représentation
conventionnelle, par le biais de la projection horizontale d’une sphère centrée sur le foyer, des secteurs du globe ayant subi une compression et
de ceux ayant subi une dilatation. L’étude d’un ensemble de mécanismes aux foyers dans une région donnée permet de caractériser le contexte
tectonique.
La distribution mondiale des séismes et l’étude des mécanismes au foyer renseignent sur la géodynamique globale.
Les mesures de géodésie spatiale telles que le GPS et l’interférométrie radar permettent d‘évaluer les déplacements instantanés, de les comparer
à ceux déterminés à l’échelle des temps géologiques et de préciser la connaissance de l’aléa.
3. Les objets de la déformation
- La lithosphère est une mosaïque d’objets tectoniques. Elle peut se déformer de façon élastique sous l’effet d’une surcharge ( bombement et
flexuration). Les déformations permanentes sont localisées ‘failles, plis isopaques) ou pénétratives (plis anisopaques, schistosités). Elles
s’observent à toutes les échelles, microscopique à globale. Les microstructures associées à des déformations de plus grande ampleur sont
souvent utiles pour une interprétation d’ensemble. Leur étude doit toujours commencer par la recherche des axes de déformations ; la
reconstitution des contraintes de du contexte tectonique est souvent beaucoup plus délicate. .
Capacités exigibles
Figure G1.1
- définir déformation et contrainte ;
- interprétation d’objets tectoniques, en termes d’ellipsoïde des déformations finies
Figure G1.1 + exercice TPG1 Pli du moulins de Graïs
- reconnaitre les deux mécanismes de la déformation plane à partir des structures ou
microstructures d’identification ;
Figure G1.21 + TP G2. Exercice déformation sur dalle calcaire
- établir, dans le cas des déformations coaxiales, le lien entre la déformation finie observée
et l’orientation de la contrainte ;
Figure G1.7
- définir la déformation élastique, la déformation plastique, le fluage et la notion de rupture;
- distinguer un comportement ductile et un comportement cassant ; relier ces différents
types de comportement à la compétence des roches
Figure G1.8 et 1.9
- relier ces différents types de comportement aux conditions thermodynamiques ainsi qu’à
la vitesse de déformation ;
Figure G1.9
- illustrer l’importance de la vitesse de déformation ;
Figure G1.11 et 12
- établir un profil rhéologique de la lithosphère continentale à l’aide de la loi de Byerlee et
des lois de fluage ;
- discuter l’allure de ce profil en fonction du gradient géothermique local
Exercice TPG3 Séisme de Tohoku.
L’étude de quelques exemples récents, laissés au choix, permet de montrer la diversité des
observations effectuées lors d’un séisme.
Figure G1.15 + exercice TP G3 séisme Haïti et plaque Caraïbes
- exploiter des données de mécanismes au foyer ; par contre, la construction
stéréographique d’un mécanisme au foyer n’est pas au programme ;
- relier ces données aux contextes géodynamiques ;
TPG3 Carte sismotectonique du globe
Exercice TPG3 Interférométrie radar
- exploiter et relier des données de géodésie spatiale (GPS et interférométrie radar)
permettant la surveillance des failles actives et la quantification de l’aléa par mesure de
l’accumulation de déformation autour de ces failles ;
Figure G1.16
- relier les notions de magnitude et de temps de récurrence à la prédiction du risque
sismique ;
- utiliser des mesures géodésiques pour analyser les déplacements ;
- comparer en ordre de grandeur les déplacements (temps, distance)
TPG1 (plis) + Compte-rendu de sortie
- décrire et identifier des objets tectoniques sur des documents cartographiques et
photographiques ;
Figures G1.20, G1.24 à 26
- décrire et identifier des microstructures sur des échantillons et sur des photographies ;
cours G2 : relier l’analyse des microstructures à celle des transformations minéralogiques