Aller au contenu Géologie structurale

MODULE 1 Introduction Objectifs spécifiques Connaître le champ d'application et les principes de base de la géologie structurale. Connaître les différents paramètres qui influencent la déformation d'un corps rocheux. Pouvoir discerner les structures primaires des structures tectoniques dans une roche.

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Théorie 1.1 Qu'est-ce que la géologie structurale? 1.2 Principes de base 1.3 Géologie structurale vs tectonique des plaques 1.4 Interprétation structurale de la carte géologique Lexique Vocabulaire Exercices courts La déformation d'un corps rocheux Les structures primaires

Exercices pratiques Interprétation des cartes géologiques Questions à travailler chez-soi Introduction Répertoire des photos Photos

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1.1 Qu'est-ce que la géologie structurale?
1.1.1 Historique
La géologie structurale est une discipline relativement récente dans l'histoire des sciences de la Terre et s'est avérée nécessaire à partir du moment où l'on admit que certains fossiles bien que d'origine marine, affleuraient à plusieurs milliers de mètres d'altitude. On devait alors faire appel à des soulèvements des masses continentales pour offrir une explication à la présence de ces fossiles marins dans les séquences constitutives des falaises alpines. Ce n'est qu'à la fin du 19ième et au début du 20ième siècle que la géologie structurale se développa comme une discipline à part entière en sciences de la Terre.

À partir de ce moment, l'évolution de la pensée en géologie structurale suivra celle des autres sciences. Dès lors, les disciples de la géologie structurale descriptive s'attardèrent à décrire la morphologie et la géométrie des structures géologiques naturelles. Au début du 20ième siècle, l'approche physique ou pétrophysique prit naissance avec les premiers travaux théoriques et expérimentaux. On appliqua alors les lois de la physique et de la mécanique à la déformation des roches. Dans les années 60, stimulés par les progrès considérables effectués depuis la seconde guerre mondiale dans le domaine de la science des matériaux, les spécialistes en sciences de la Terre appliquèrent les mêmes concepts à l'étude de la déformation des minéraux et des roches. C'est par la déformation expérimentale qu'on a pu en apprendre davantage sur le comportement rhéologique des roches, sur l'évolution de la vitesse de déformation en fonction de divers paramètres connus (P, T, Pf etc.) et sur les mécanismes de la déformation à l'échelle microscopique.

Depuis trente ans, la géologie structurale a grandement bénéficié du nouveau cadre fourni par la théorie unificatrice de la tectonique des plaques donnant ainsi une vision beaucoup plus cohérente de l'évolution globale de la Terre. Le développement de techniques quantitatives a aussi contribué à éloigner la géologie structurale des sciences uniquement descriptives par le biais de la recherche de données mesurables, et leur utilisation sur le terrain et en laboratoire. Le dernier né de l'approche expérimentale, la modélisation analogique, permet de simuler à une échelle plus réduite et dans des conditions de similitude, le comportement de la croûte océanique et continentale soumis à une déformation d'échelle crustale. Et finalement, l'apport plus récent de la modélisation numérique, permet aux spécialistes de simuler sur ordinateur une situation de déformation réelle (observée sur le terrain) dans le but de déterminer l'influence de certains paramètres physiques et chimiques sur la déformation.

1.1.2 Définition
L'analyse structurale de la déformation des corps rocheux passe par plusieurs étapes successives. La première étape de l'analyse structurale, soit l'analyse descriptive, consiste à caractériser la géométrie tridimensionnelle des structures et fabriques à partir d'observations de terrain. Vient ensuite l'analyse cinématique des structures qui passe par la caractérisation de la direction et du sens du mouvement. Il peut être utile à ce stade de quantifier la déformation pour ensuite déterminer les différents stades d'une déformation progressive et caractériser comment l'objet géologique change de forme en passant d'un état initial non-déformé à un état final déformé. La troisième étape relève de l'analyse dynamique de la déformation et est basée sur l'étude des forces et des contraintes. Elle s'appuie fortement sur les théories de la mécanique des roches et les lois de la physique. Finalement, l'analyse structurale ne serait pas complète sans aborder la chronologie des événements structuraux et l'évolution tectonique des chaînes de montagne.



Figure 1: Les étapes de l'analyse structurale et l'apport à la tectonique.
Les données structurales ponctuellement déterminées doivent être intégrées ensembles et leur cohérence examinée dans le but d'émettre des hypothèses sur le développement des différents environnements géodynamiques. L'étude de la déformation des roches et de la géologie structurale s'intègre donc à l'ensemble des autres disciplines des sciences de la Terre pour formuler des modèles et schémas d'évolution tectonique des chaînes de montagne.

Passez maintenant à l'Exercice court sur la déformation d'un corps rocheux.

1.1.3 Domaines d'application




Figure 2: Les domaines d'applications de la géologie structurale.

1.2 Géologie structurale vs tectonique des plaques
1.2.1 Mouvement des plaques lithosphériques
Il y a quelques dizaines d'années, la science n'avait pas ou très peu d'explications pour les grands phénomènes géologiques tels que les séismes, les éruptions volcaniques et la formation des chaînes de montagnes. Aujourd'hui la théorie de la tectonique des plaques nous permet d'expliquer plus clairement et de relier entre eux la plupart des phénomènes géologiques ayant modelé la surface de la Terre.

Selon la théorie de la tectonique des plaques, la croûte terrestre se divise en plusieurs fragments, appelés plaques tectoniques. Ces plaques lithosphériques se déplacent ou " dérivent " sur la matière plastique du manteau supérieur (asthénosphère) entraînées par des mouvements de convection à l'intérieur du manteau. Ces mouvements de matière sont causés par des flux de chaleur provenant de l'intérieur de la Terre et remontant vers la surface.



Figure 3: La carte des plaques tectoniques (tiré du site internet de Planète Terre de P. A. Bourque).

1.2.2 Les environnements tectoniques
Les plaques sont délimitées par des zones sismiques actives que nous appelons des limites ou des marges. Il y a trois types de marge qui, ensembles, permettent une dérive cohérente des plaques tectoniques.



Figure 4: Les types de marges aux frontières des plaques tectoniques.

Il y a d'abord les marges divergentes, dites constructives, localisées là où les plaques s'éloignent les unes des autres (voir G de la figure 4). Ces marges correspondent à des dorsales, comme par exemple au centre de l'océan Atlantique, et sont le lieu de production de nouvelle croûte océanique, en d'autres mots le lieu de naissance des plaques. La montée du magma provenant de la convection du manteau écarte les plaques et provoque une activité volcanique. Ce magma, en se refroidissant, forme la nouvelle croûte.
Les marges convergentes, dites destructives, se situent là où les plaques entrent en collision (voir A de la figure 4), comme par exemple sur la croûte ouest canadienne. La rencontre de deux plaques donne lieu à une zone de subduction, où l'on assiste alors à la destruction de la croûte océanique qui s'enfonce dans le manteau supérieur sous la croûte continentale. Ces frontières correspondent aux fosses océaniques profondes, comme celles qui bordent le Pacifique. Les nombreux séismes et volcans présents sur tout le pourtour de l'océan Pacifique, la ceinture de feu, y trouve là son explication.
Viennent ensuite les marges transformantes, le long desquelles deux plaques glissent latéralement l'une contre l'autre là où il n'y a pas de formation ni de destruction de la lithosphère. Ce type de marge survient là où le déplacement de deux plaques ne se fait pas à la même vitesse. La faille San Andreas, dans le sud-ouest des États-Unis, correspond à une marge transformante et forme la limite entre les plaques du Pacifique et de l'Amérique du Nord qui dérivent toutes deux vers le nord-ouest à des vitesses différentes.
Vous trouverez un complément d'information sur les types de marges à la section 1.2 Une Théorie planétaire: la Tectonique des Plaques sur le site Internet du cours Planète Terre, de P.A. Bourque.


1.2.3 Les environnements tectoniques et les structures géologiques
Les mouvements qui définissent les trois types de frontières ou de marges entre les plaques sont responsables du développement des grandes structures géologiques, soient les plis et les failles. À l'échelle des limites des plaques, le régime tectonique des différents environnements déterminera la cinématique des failles qui s'y développeront, les failles normales pour un régime en extension essentiellement aux marges divergentes, les failles inverses et de chevauchement pour un régime en raccourcissement aux marges convergentes, et les failles de décrochement pour un régime en coulissage aux marges transformantes. À l'échelle d'une chaîne de montagnes, les déformations et les déplacements occasionnés par des champs de contrainte variables peuvent se traduire par le développement de plusieurs types de structures. Par exemple aux dorsales océaniques, qui sont en fait des marges divergentes, bien qu'on observe un système de réseau de failles normales accommodant l'extension de la lithosphère, il s'y développe un réseau de failles transformantes (de coulissage) qui découpent les dorsales océaniques et le long desquelles les plaques glissent les unes contre les autres. Les failles transformantes sont nécessaires aux frontières divergentes car elles accommodent la composante de déplacement horizontal des plaques et permettent aux plaques de s'ajuster à la surface sphérique de la terre.



Figure 5: Système de failles normales (parallèles à la dorsale) et transformantes (perpendiculaires à la dorsale) de la dorsale médio-atlantique (tiré du site internet Planète Terre de P.A. Bourque).

1.3 Principes de base
1.3.1 L'uniformitarisme
L'uniformitarisme, ou actualisme, est un des principes de base la géologie moderne. Il postule que les processus qui se sont exercés dans le passé lointain s'exercent encore de nos jours. Ce principe s'oppose au catastrophisme selon lequel les caractéristiques de la surface terrestre sont apparus soudainement dans le passé à partir de processus radicalement différents de ceux existant aujourd'hui.

Pendant le XVIIIe et le XIXe siècle une vive controverse existe entre les tenants de ces deux théories, en effet l'uniformitarisme est incompatible avec certaines croyances religieuses, en particulier les événements tels que décrits par la Bible.

L'uniformitarisme a évolué depuis sa création. Avant que la tectonique des plaques ne soit acceptée au XXe siècle, les géologues pensaient que la surface de la Terre était restée globalement inchangée depuis sa création, Son refroidissement depuis un état en fusion a provoqué des plissements formant les montagnes.

Dans les dernières décennies du XXe siècle l'uniformitarisme a été modifié pour tenir compte de certains événements catastrophiques dans le passé de la terre, tel que impact de météorites ou période de volcanisme intense. Il est plutôt énoncé maintenant comme : « les forces géologiques sont la plupart du temps lentes et restent identiques à travers le temps ».

L'uniformitarisme a d'abord été formulé par James Hutton, puis plus largement répandu par John Playfair et Charles Lyell.

1.3.2 Les lois de la superposition, de l'horizontalité et des recoupements
Pour un rappel de ces notions, consultez la section 4.1.1 Les datations relatives sur le site Internet Planète Terre de P.A Bourque.



1.3.3 Les structures primaires
Avant même de procéder à l'étude des structures tectoniques (dites ``secondaires``), il est nécessaire de revoir les notions de bases concernant les structures primaires sédimentaires et ignées. Les structures primaires se développent au moment de la formation des roches sédimentaires et ignées et dépendent grandement des processus à l'origine de ces roches. Ces structures primaires sont le reflet des conditions locales de l'environnement de dépôt ou de formation des roches. Les structures tectonique, ou secondaires, qui font l'objet du cours de Géologie structurale, se développent APRÈS la lithification complète des roches sédimentaires et ignées ainsi que dans les roches métamorphiques PENDANT ou APRÈS leur formation. Il est parfois difficile de distinguer les structures primaires des structures secondaires. Pensons simplement aux textures de dessication et aux joints columnaires, qui peuvent ressembler étrangement à des fractures tectoniques si elles sont présentes dans une roche ayant subi une phase de déformation.
Revoyons certaines notions de base concernant les structures primaires sédimentaires et ignées. Ces notions ont été assimilées dans les cours de GLG-15072 Géologie sédimentaire et GLG-10338 Magmatisme. Consultez le volume de référence pour le cours de Géologie sédimentaire (COJAN, I., RENARD, M. Sédimentologie, Masson, Paris, 1997, chapitre 3 Mise en place des sédiments clastiques, pages 91 à 129) et le volume de référence du cours de Magmatisme (WINTER, J.D., 2001. An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, Prentice-Hall, Upper Saddle River, N.J., 697 p.). Pour une révision plus complète des textures et structures ignées primaires, consultez le manuel de laboratoire et les Chapitres 3 et 4 des notes du cours GLG-10338 Magmatisme du Dr Marc Constantin de l'université Laval.
Téléchargez une version abrégée des notes du cours GLG-10338 Magmatisme de M. Constantin.

Passez maintenant à l'Exercice court sur les structures primaires


1.4 Interprétation structurale de la carte géologique
Une carte géologique est une carte topographique sur laquelle ont été ajoutés des renseignements d'ordre géologique. Elle représente les roches affleurant à la surface de la terre, qu'elles soient directement visibles sur le terrain ou cachées par la végétation ou les sols. L'étude attentive d'une carte géologique nous fournira des renseignements importants sur l'histoire géologique d'une région donnée.

Une carte géologique résulte d'une combinaison subtile de données observées et d'interprétation. Elle est construite par interpolation à partir des données recueillies sur le terrain et en déduisant les traits géologiques pour certaines régions, là où il y a un manque de données de terrain. Il est donc essentiel pour toute personne ayant à travailler avec les cartes géologiques d'apprendre à reconnaître les détails importants et d'être en mesure de déduire la séquence d'événements géologiques à partir des différentes formes de terrain et des patrons dessinés par les unités géologiques.




Figure 6: Carte géologique de la région de Moose Mountain, cordillères canadiennes, Alberta (tiré de Marcil, 2003).

Contours topographiques
La topographie d'une région est le résultat de l'érosion des couches géologiques. Le paysage sera donc fonction de l'épaisseur relative des strates et de leur résistance à l'érosion. Les strates les plus résistantes formeront les points topographiques les plus élevés d'une région tandis que les vallées se creuseront là où les strates seront les moins résistantes ou les plus "molles". Un examen plus attentif de la topographie nous fournira les premiers indices quant à la séquence stratigraphique d'une région.

Terrains horizontaux
Lorsque les strates sont horizontales, seule la couche la plus récente affleure à la surface et apparaît sur la carte géologique. Les strates plus anciennes seront accessibles dans le fond des vallées et le long des cours d'eau et les contacts géologiques suivront les courbes de niveau.





Figure 7: Strates horizontales, Grand Canyon, USA.



Discordances
Il existe plusieurs types de discordance, soient les discordances angulaires, les discordances érosionelles et les discordances stratigraphiques. Les discordances angulaires se reconnaissent assez facilement sur une carte géologique; la trace de deux strates en discordance se croisera là où la strate supérieure recouvre la strate inférieure. À cet endroit, un point triple soulignera la surface de discordance.

Terrains monoclinaux
Lorsque les strates sont inclinées, plusieurs couches géologiques affleurent à la surface. Le tracé des couches sur la carte nous aidera à en déduire leur pendage. Par exemple, lorsqu'une couche géologique est recoupée par un cours d'eau, le sens du tracé en "V" de cette couche par rapport aux courbes de niveau nous dira si la couche est horizontale, verticale ou inclinée.

Terrains plissés
Les strates plissées peuvent se manifester de façon très variable à la surface, tout dépendant de la géométrie des plis. Les plis plongeant s'observeront facilement sur une photographie aérienne ou sur une carte géologique lorsque le terrain est peu accidenté.



Figure 8: Image satellitaire de plis des Appalaches, Harrisburg, Pennsylvanie.

Par contre, si le relief de la région est très accidenté, le patron des strates plissées affleurant à la surface sera très irrégulier. L'interprétation d'un pli à partir d'une photo aérienne ou d'une carte géologique sera donc plus difficile en terrain accidenté qu'en terrain plat. Si le relief est important, on pourra reconnaître un pli en construisant les contours structuraux d'une surface donnée à différentes élévations. L'élévation ou la cote des contours augmentera progressivement perpendiculairement à leur direction pour subitement se renverser et diminuer graduellement; ce qui indique que les contours structuraux construits traversent la charnière d'un pli et que le pendage de la surface choisie change de direction. Tout comme pour la topographie (contours topographiques), les contours structuraux représentent les lignes de contours d'une strate géologique donnée. Les contours structuraux sont en fait des lignes de direction (par définition des lignes horizontales) tracées à différentes élévations. On peut construire des contours structuraux ou des lignes de direction en identifiant un contact entre deux strates et en reliant deux points où ce contact affleure à la même élévation. Le contact identifié sera à la même élévation partout sur cette ligne de direction. Pour un même contact, il est possible de tracer plusieurs contours structuraux à différentes élévations qui seront toutes parallèles entre elles. Il suffit de construire au moins deux contours structuraux sur une même carte pour trouver la direction, le pendage et l'épaisseur d'une strate.

Terrains faillés
Les failles découpent et déplacent les couches géologiques ce qui se traduira par des discontinuités sur la carte géologique. Ces déplacements occasionneront une topographie irrégulière qui sera progressivement rétablie par l'effet de l'érosion. Par conséquent, les strates jeunes seront érodées plus rapidement au niveau des blocs surélevés. Après un certain temps, des strates jeunes et vieilles seront en contact au niveau de la surface aplanie. Par contre, si une faille porte une couche très résistante à l'affleurement, l'expression topographique résistera beaucoup plus longtemps à l'érosion. Lorsqu'une faille normale conforme recoupe les unités d'une séquence stratigraphique dans une région, il y aura une partie de la séquence qui sera dissimulée à la surface, tandis qu'une faille normale contraire ou une faille inverse conforme, quant à elle, occasionnera une répétition d'une partie de la séquence stratigraphique.


Pour une révision plus complète de ces notions, consultez les cours et laboratoires sur les Cartes géologiques et Les plis et les failles du cours de Géologie Appliquée I de Dr M. Rocheleau, Université Laval.

Passez maintenant aux exercices pratiques concernant l'interprétation de carte géologique