Aller au contenu Géologie structurale

MODULE 5 Les fractures d'extension et de cisaillement Objectifs spécifiques Expliquer l'initiation et la propagation des fractures à l'aide de la théorie de la fracturation. Expliquer et pouvoir appliquer la théorie sur les enveloppes de fracturation et de glissement. Être en mesure d'expliquer la relation entre l'orientation des fractures et la direction des contraintes principales. Déduire la direction des contraintes principales à partir de l'orientation des fractures mesurées dans un corps rocheux. Préparer et interpréter des études statistiques de fractures. Connaître le mode de développement des fractures en fonction de différents environnements géologiques.

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Théorie 5.1 Terminologie et définition des surfaces de discontinuités 5.2 Mode et mécanisme de développement des fractures 5.3 Conditions physiques favorisant le développement des fractures 5.4 Analyse des fractures Lexique Vocabulaire des fractures Exercices courts Glissement sur des plans de faiblesse

Exercices pratiques Étude de cas #1 - Caractérisation structurale de la fracturation d'un aquifère de roc fracturé Questions à travailler chez-soi Les fractures Répertoire des photos Photos

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5.1 Terminologie et définition des surfaces de discontinuités
Lorque soumises à un état de contrainte donné, les roches peuvent se déformer de façon cassante et se fracturer. Les joints, les diaclases, les fractures d'extension et les fractures de cisaillement sont les structures géologiques qui résultent d'une déformation cassante. Un plan de fracture correspond donc à un plan de discontinuité le long duquel il y a eu rupture à toutes les échelles. Le plan de rupture peut se situer au niveau du réseau cristallin (intragranulaire), entre les grains ou minéraux (intergranulaire) et/ou au niveau de la matrice.

5.1.1 Les joints, les diaclases, les fractures d'extension, les fractures de cisaillement et les veines
Le terme joint est le plus général pour désigner les fractures. Les joints correspondent à des surfaces de rupture plus ou moins planaires dont les épontes sont jointives et le long desquelles on ne décèle aucune trace de cisaillement. Les joints se disposent aléatoirement par rapport à la stratification. Les diaclases tout comme les joints correspondent à des surfaces plus ou moins planaires, dont les épontes sont jointives et sans trace de cisaillement. Contrairement aux joints, les diaclases s'orientent perpendiculaires à la stratification. Ces deux termes sont par contre très généraux et ne font aucune référence à leur mode de formation. les joints et les diaclases ont une extension latérale de quelques centimètres, voir quelques dizaines de centimètres tout au plus, et sont généralement contenus dans un lit ou une strate. Les termes fractures d'extension et les fractures de cisaillement sont plus spécifiques et réfèrent au mode de développement.

5.1.2 Forme et ornementation des surfaces de joints

Plusieurs structures et figures se développent sur la surface des fractures.

5.2 Mode et mécanisme de développement des fractures

5.2.1 Formation des fractures: mode I, mode II et mode III
Les fractures d'extension correspondent à des surfaces de rupture plus ou moins planaires dont les épontes sont écartées dans la partie centrale et jointifs aux extrémités. L'ouverture des fractures d'extension se fait perpendiculairement au plan de la fracture et il n'y a aucun cisaillement ou déplacement latéral d'une éponte par rapport à l'autre (figure 1). S'il y a cristallisation de minéraux néoformés pendant la fracturation, des fibres minérales seront disposées perpendiculairement aux épontes de la fracture. Ces fibres syntectoniques croissent parallèlement à la direction d'extension maximale définie par l'orientation des contraintes principales. Les fractures d'extension s'étendent latéralement sur plusieurs dizaines de centimètres mais peuvent atteindre plusieurs dizaines et même centaines de mètres d'extension latérale. Les fractures de cisaillement correspondent à des surfaces de rupture plus ou moins planaires dont les épontes glissent l'une par rapport à l'autre, due à la contrainte de cisaillement qui s'exerce parallèlement au plan de la fracture (figure 1).



Figure 1: : Fractures d'extension et de cisaillement. À noter le sens d'ouverture des fractures indiqué par l'orientation des fibres minérales et dicté par l'orientation de la contrainte principale σ₁.

5.2.2 Le critère de rupture de Griffith


5.2.3 Glissement sur des plans de faiblesse


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5.3 Conditions physiques favorisant le développement des fractures
5.3.1 Les fluides intersticiels


5.3.2 La profondeur

Figure 6: Profondeur maximale des fractures d'extension en fonction de la résistance en tension et de la pression de fluide exprimée par λ = Pf/ρgh (tiré de Suppe (1985)).

5.3.3 L'érosion

Figure 7: Fracturation occasionnée par extension horizontale suite à une érosion de 2.2 km à partir d'un État de contrainte lithostatique initiale à 5 km de profondeur (tiré de Suppe (1985)).

5.3.4 La compression tectonique

Figure 8: État de contrainte compressif initiale (σ_h - σ_v = 40 MPa) à 5 km de profondeur modifié à un état de contrainte isostatique suite à 1.7 km d'érosion. Fracturation par traction occasionnée à 3.2 km d'érosion (tiré de Suppe (1985)).

5.3.5 Environnements géologiques des fractures

Figure 9: Chemins évolutifs pour les fractures tectoniques, hydrauliques, de décompression et de relâchement, selon la classification de Engelder (1985), en fonction de la pression de fluide, la profondeur et la contrainte normale effective (σ_n). Les flèches indiquent le cheminement attendu dans le domaine Pf-z-σ_n (tiré de Hatcher 1995).

5.4 Analyse des fractures
5.4.1 Relation entre les fractures et les plis

Figure 10: Système de notation de fractures en prenant compte des axes orthogonaux géométriques d'un pli, a, b et c comme système de référence (tiré de Ramsay et Huber 1987).


Figure 11: Fractures d'extension parallèles aux plans orthogonaux d'un pli. Les fractures d'extension se forment parallèles aux plans ab, ac et bc. (tiré de Hatcher 1995).


Figure 12: Fractures de cisaillement obliques aux plans orthogonaux d'un pli. Elles se forment en système conjugué (2 fractures composent le système) selon six orientations possibles. Ces fractures seront définies en fonction de l'axe d'intersection, 0kl, h0l et hk0, dont l'orientation sera régit par l'orientation des contraintes.

5.4.2 Interprétation dynamique des fractures

Figure 13: Tiré de Mercier et Vergely, 1992.


Figure 14: Tiré de Mercier et Vergely, 1992.

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