La déformation des objets géologiques
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La déformation des objets géologiques Laurie Bougeois ST3 - Polytech’ Paris UPMC 5 décembre 2014 Vélodrome (Alpes de Haute-Provence) Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique 1. Introduction 2. Description de la déformation et définitions 3. Contraintes et rhéologie 4. Loi de comportement lithosphérique La déformation des objets géologiques N 2 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Observations Massif du Pamir (Tadjikistan) I La déformation des objets géologiques est visible à toutes les échelles : affleurement La déformation des objets géologiques N 3 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Observations Massif du Pamir (Tadjikistan) I La déformation des objets géologiques est visible à toutes les échelles : affleurement roche Trilobites déformées La déformation des objets géologiques N 3 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Observations Massif du Pamir (Tadjikistan) I La déformation des objets géologiques est visible à toutes les échelles : affleurement roche lame mince Trilobites déformées Micas schiste à grenat La déformation des objets géologiques N 3 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Rhéologie Définition La rhéologie vient du grec RHEO = couler et LOGOS = étude science de l’écoulement, branche de la physique qui étudie la déformation d’un corps soumis à des contraintes. La déformation des objets géologiques N 4 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique 1. Introduction 2. Description de la déformation et définitions 3. Contraintes et rhéologie 4. Loi de comportement lithosphérique La déformation des objets géologiques N 5 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation I Déformation homogène vs hétérogène La déformation des objets géologiques N 6 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation I Déformation homogène vs hétérogène I Déformation continue vs discontinue La déformation des objets géologiques N 6 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation I Déformation homogène vs hétérogène I Déformation continue vs discontinue I Déformation pénétrative vs non pénétrative Schistes lustrés (Haute-Maurienne) Granodiorite (Tyrol,Suisse) La déformation des objets géologiques N 6 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation Définition La déformation est la conséquence d’un mouvement différentiel des particules élémentaires constituant le milieu considéré La déformation des objets géologiques N 7 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation I Travail du géologue : Décrire géométrie et forme initiale de l’objet Interpréter les marqueurs de la déformation Quantifier la déformation Remonter aux causes de la déformation La déformation des objets géologiques N 8 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation Définition La quantification de la déformation est la variation en terme de distance, volume, angle par rapport à un état initial. C’est une grandeur sans dimension. La déformation des objets géologiques N 9 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Description de la déformation I Ellipsoïde des déformations défini par trois vecteurs (λ1 , λ2 , λ3 ) = (x, y , z) qui caractérisent le champ de déformation. c’est une observation de l’objet. La déformation des objets géologiques N 10 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante I Déformation discontinue et non pénétrative À l’échelle de l’affleurement Grandes failles normales (péninsule de Boso, Japon) La déformation des objets géologiques N 11 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante I Déformation discontinue et non pénétrative À l’échelle de l’affleurement À l’échelle de la roche Stylolithes et fentes de tension La déformation des objets géologiques N 11 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante I Déformation discontinue et non pénétrative À l’échelle de l’affleurement À l’échelle de la roche À l’échelle régionale Faille des Cévennes La déformation des objets géologiques N 11 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante Définition Faille : déformation consistant en un plan définissant une zone de rupture le long de laquelle deux blocs rocheux se déplacent l’un par rapport à l’autre. La déformation des objets géologiques N 12 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante Définition Faille : déformation consistant en un plan définissant une zone de rupture le long de laquelle deux blocs rocheux se déplacent l’un par rapport à l’autre. Faille normale Faille inverse Faille décrochante La déformation des objets géologiques N 12 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante La déformation des objets géologiques N 13 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante Faille normale La déformation des objets géologiques N 13 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante La déformation des objets géologiques N 14 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante Faille inverse La déformation des objets géologiques N 14 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante Séisme de Landers, Californie La déformation des objets géologiques N 15 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante Décrochement senestre vs dextre Séisme de Landers, Californie La déformation des objets géologiques N 15 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation cassante I Failles conjuguées La déformation des objets géologiques N 16 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation ductile I Déformation continue et pénétrative Plis Massif du Pamir (Tadjikistan) La déformation des objets géologiques N 17 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation ductile I Déformation continue et pénétrative Plis Classification des plis : Diagramme de Fleuty Pli de Sassenage (Alpes) La déformation des objets géologiques N 17 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation ductile I Déformation continue et pénétrative Cisaillement ψ C S z ψ x θ C C et S parallèles C et S distincts La déformation des objets géologiques N 18 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation ductile I Déformation continue et pénétrative Cisaillement pur Cisaillement simple Applatissement pur Cisaillement simple La déformation des objets géologiques N 19 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation ductile I Déformation continue et pénétrative Schistosité et foliations Schiste métapélitique (Agly) Gneiss (Velay) La déformation des objets géologiques N 20 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique La déformation ductile I Déformation continue et pénétrative Linéation Schiste (Queyras) Diorite gneiss La déformation des objets géologiques N 21 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique 1. Introduction 2. Description de la déformation et définitions 3. Contraintes et rhéologie 4. Loi de comportement lithosphérique La déformation des objets géologiques N 22 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Les roches sont soumises à des contraintes Définition La contrainte (σ) est une force appliquée sur une surface qui s’exprime en Pa (N/m2 ). C’est l’équivalent d’une pression. σ= dF dS La déformation des objets géologiques N 23 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Les roches sont soumises à des contraintes Contrainte = Contrainte lithostatique P = σ1 +σ32 +σ3 + Contrainte déviatorique σd =perturbations = tectonique La déformation des objets géologiques N 24 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Les roches sont soumises à des contraintes I Ellipsoïde des contraintes défini par trois vecteurs (σ1 , σ2 , σ3 ) tels que : σ1 = contrainte maximale σ2 = contrainte intermédiaire σ3 = contrainte minimale 6= de l’ellipsoïde des déformations La déformation des objets géologiques N 25 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Les roches sont soumises à des contraintes I Relation déformation/contraintes stylolithes fentes de tension La déformation des objets géologiques N 26 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportements élémentaires des roches I Elasticité Définition L’élasticité caractérise une déformation immédiate (pas de seuil) et réversible ⇒ relation proportionnelle entre contrainte et déformation. Contrainte σ Loi d'élasticité de Hooke Ɛ = σ /E avec E : module d'Young E Causes physiques : Déformation Ɛ Élasticité des liaisons atomiques La déformation des objets géologiques N 27 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportements élémentaires des roches I Elasticité Définition L’élasticité caractérise une déformation immédiate (pas de seuil) et réversible ⇒ relation proportionnelle entre contrainte et déformation. Valeur du module d'Young (Mpa) Contrainte σ E Fer 196 000 Or 78 000 Plomb 18 000 Granite 60 000 Loi d'élasticité de Hooke Calcaire Ɛ = 20 000 à 70 000 σ /E avec E : module d'Young Acier Déformation 210 000 Causes physiques : Ɛ Bronze 124 000 des liaisons atomiques Élasticité La déformation des objets géologiques N 27 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportements élémentaires des roches I Plasticité Définition La plasticité d’une roche caractérise l’existence d’un seuil et d’une déformation résiduelle. σ seuil Causes physiques : déformation résiduelle Migration des impuretés du réseau cristallin Cassure du matériau Ɛ La déformation des objets géologiques N 28 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportements élémentaires des roches I Viscosité Définition La viscosité n’a pas de seuil mais inclut le paramètre temps dans son expression (vitesse de déformation). Contrainte σ η Taux de déformation dƐ/dt = σ/η avec η : la viscosité Ɛ La déformation des objets géologiques N 29 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) I Décomposition de la contrainte sur un plan composante dans le plan = composante tangentielle τ composante normale au plan = composante normale σn σ σn γ τ La déformation des objets géologiques N 30 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) I Cercle de Mohr τ σ1 σ1 2 - σ3 α σ3 2α σ1 + σ 3 2 σn = σ1 σ3 σn σ1 + σ3 σ1 − σ3 − × cos 2α 2 2 τ= σ1 − σ3 × sin 2α 2 La déformation des objets géologiques N 31 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) I Critère de rupture expériences sur presse cellule triaxiale La déformation des objets géologiques N 32 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Critère de rupture I Critère de Coulomb (théorie) τ = C + µd .σn avec µd = cœfficient de frottement dynamique et C = cohésion du milieu La déformation des objets géologiques N 33 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Critère de rupture I Critère de Coulomb (théorie) τ = C + µd .σn avec µd = cœfficient de frottement dynamique et C = cohésion du milieu I Loi de Byerlee (empirique) τ = 0.85σn pour σn < 200 MPa τ = 0.5 + 0.6σn pour σn > 200 MPa La déformation des objets géologiques N 33 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Critère de rupture I Critère de Coulomb (théorie) τ = C + µd .σn avec µd = cœfficient de frottement dynamique et C = cohésion du milieu I Loi de Byerlee (empirique) τ = 0.85σn pour σn < 200 MPa τ = 0.5 + 0.6σn pour σn > 200 MPa I Les plans de fracture ont des angles voisins, quelque soit la cohésion de la roche. La déformation des objets géologiques N 33 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Diagramme Mohr - Coulomb Le critère de rupture délimite un champ sans rupture (bas) et un champ où la roche se fracture (haut). τ Cas théorique σ3 σn σ1 La déformation des objets géologiques N 34 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Diagramme Mohr - Coulomb Le critère de rupture délimite un champ sans rupture (bas) et un champ où la roche se fracture (haut). τ Rupture τ = C + μd.σn Cas théorique pas de rupture σ3 σn σ1 La déformation des objets géologiques N 34 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Diagramme Mohr - Coulomb Le critère de rupture délimite un champ sans rupture (bas) et un champ où la roche se fracture (haut). τ Rupture τ = C + μd.σn Cas théorique pas de rupture 2α σ3 σ3 fracture de σ3 pas σ1 rupture σ1 σn σ1 La déformation des objets géologiques N 34 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) τ Conséquence τ = C + μd.σn Rupture n◦ 1 L’augmentation de la pression de confinement éloigne des conditions de rupture. ⇒ Enfouissement pas de rupture État initial σ1 + σ 3 σ1 + σ 3 2 2 + Pc σn Augmentation de la pression de confinement Pc Conséquence n◦ 2 L’augmentation de la pression de fluides rapproche des conditions de rupture ⇒ Fracturation hydraulique τ τ = C + μd.σn Rupture État initial σ1 + σ 3 2 - Pf σ1 + σ 3 pas de rupture σn 2 Augmentation de la pression de fluides Pf La déformation des objets géologiques N 35 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement cassant (Loi de Mohr-Coulomb) Conséquence n◦ 3 Angle par rapport à σ1 : 2α= 60◦ donc α = 30◦ Failles normales ⇒ pendage de 60◦ Failles inverses ⇒ pendage de 30◦ σ1 α σ3 σ3 σ1 α La déformation des objets géologiques N 36 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Comportement ductile σ I Deux grands types de cisaillement : Cisaillement pur Cisaillement simple Cisaillement ductile σ Adoucissement à la déformation σ Durcissement à la déformation ε ε ε La déformation des objets géologiques N 37 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Lois de comportement Comportement fragile vs. ductile Diagramme : (σ1 − σ3 ) = σd = f (ε) I Quelles paramètres influencent les transitions : 1. élastique - plastique ? 2. fragile - ductile ? La déformation des objets géologiques N 38 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Lois de comportement Transitions comportementales I La température fait diminuer les seuils de fluage et de plasticité I La vitesse de déformation a aussi une influence sur le seuil de fluage et de plasticité. La déformation des objets géologiques N 39 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Lois de comportement Transitions comportementales I La pression de confinement éloigne des conditions de rupture transition cassant-ductile I Conséquence : sismicité dans la croûte La déformation des objets géologiques N 40 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique 1. Introduction 2. Description de la déformation et définitions 3. Contraintes et rhéologie 4. Loi de comportement lithosphérique La déformation des objets géologiques N 41 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique Rappels Structure interne de la Terre La déformation des objets géologiques N 42 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique À l’échelle de la lithosphère I Déformation fragile : déviateur des contraintes maximal supporté par la roche avant qu’elle ne casse. Ne dépend pas de la lithologie ni de la température. I Déformation ductile : déviateur des contraintes maximal supporté par la roche avant qu’elle ne flue. Dépend de la température et de la lithologie. (σ1 − σ3 )max = 2ρgz (σ1 − σ3 )max = 23 ρgz La déformation des objets géologiques N 43 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique À l’échelle de la lithosphère Profil rhéologique En domaine océanique En domaine continental La déformation des objets géologiques N 44 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique À l’échelle de la lithosphère Profil rhéologique En domaine océanique En domaine continental La déformation des objets géologiques N 44 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique À l’échelle de la lithosphère Profil rhéologique Variation du géotherme Craton Fin d’orogenèse La déformation des objets géologiques N 45 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique À l’échelle de la lithosphère Modélisation analogique - comportement fragile I Sable sec : matériau granulaire analogue pour le contexte fragile (croûte supérieure) Obéit à la loi de Mohr-Coulomb, avec un angle de friction de 30◦ . Disposition des failles indépendante de la vitesse de déformation. La déformation des objets géologiques N 46 / 47 Introduction Description & définition Contraintes & rhéologie Comportement lithosphérique À l’échelle de la lithosphère Modélisation analogique - comportement ductile I dépend de la température et du taux de déformation difficile à modéliser utilisation des silicones Exemple du modèle à deux couches La déformation des objets géologiques N 47 / 47
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