Géologie structurale
MODULE 6
Les failles

Objectifs spécifiques
  • Reconnaître les différents produits des failles (brèches, cataclases, gouge, stries etc...).
  • Analyser la morphologie et la géométrie des zones de faille pour en déduire le mouvement relatif, la cinématique et le processus de développement.
  • Déduire le régime tectonique (compressif vs extensif) à partir du type de faille observée.
  • Préparer et interpréter des études statistiques de failles.

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    Théorie
    6.1 Définitions et classification des failles
    6.2 Caractéristiques physiques des failles
    6.3 Analyse dynamique des failles
    6.4 Failles inverses et de chevauchement
    6.5 Failles normales
    6.6 Failles de décrochements


    Lexique
    Vocabulaire des failles


    Exercices courts
    Les failles
    Exercice d'interprétation des terrains faillés
         		Exercices pratiques
    Analyse structurale de failles
    Étude de cas # 2 - Analyse dynamique des failles de la région
    de Percé, Gaspésie (Appalaches québecoises)

    Questions à travailler chez-soi
    Les failles


    Répertoire des photos
    Photos

    6.1 Définitions et classification des failles
    6.1.1 Analyse géométrique des failles

    Une faille est une fracture de cisaillement macroscopique accompagnée d'un glissement des blocs de part et d'autre du plan de faille. Les failles s'observent à toutes les échelles, soit à l'échelle de la lame mince, de l'affleurement ou à l'échelle régionale. La faille sépare le volume rocheux en deux blocs: le toit, qui correspond au bloc situé au dessus du plan de faille, et le mur, situé sous le plan de faille (figure 1). Les surfaces du mur et du toit au contact avec le plan de faille sont parfois polies lors du glissement le long de la faille; on appelle alors ces surfaces polies des miroirs de failles. Le vecteur-glissement, soit le rejet réel de la faille, correspond à la ligne de séparation entre deux points situés sur le mur et le toit et qui étaient initialement contigus. Des stries ou rainures peuvent se développer parallèlement au vecteur-glissement sur la surface de faille.

    Figure 1: Anatomie d'une faille.


    6.1.2 Les types de failles

    Le domaine de la tectonique cassante est restreint aux niveaux superficiels de la croûte, là où la déformation est dominée par la fracturation. Le régime tectonique régional, en compression, en extension ou en coulissage, sera responsable de la géométrie et de la cinématique des failles.
    Les failles se divisent en trois types en fonction du glissement réel des blocs situés de part et d'autre de la faille. Une faille normale présente un glissement du toit vers le bas par rapport au mur et suivant la ligne de plus forte pente de la faille. Une faille inverse quant à elle présente un glissement du mur vers le toit suivant la ligne de plus forte pente de la faille. Finalement, une faille de décrochement présente un glissement horizontal du mur par rapport au toit suivant une direction parallèle à la faille. On dira que la faille de décrochement est dextre si le bloc opposé à l'observateur regardant le plan de faille a glissé vers la droite et senestre si le bloc glisse vers la gauche.

    Figure 2: Classification des failles (tiré du site Planète Terre).


    6.2 Caractéristiques physiques des failles
    Physiquement, une faille correspond soit à une surface irrégulière souvent ondulée et rugueuse ou à un corridor de déformation variant de quelques centimètres à quelques centaines de mètres de largeur. Le plan de faille est en fait un plan de cisaillement ou de glissement. Les zones ou couloirs de failles correspondent à des couloirs de déformation au sein desquels se développent plusieurs éléments structuraux secondaires tels que les fractures de cisaillement et d'extension, les failles secondaires, les plis et les plans de clivage.

    6.2.1 Les couloirs de failles
    Une faille et ses zones bordières font généralement partie d'un corridor de déformation beaucoup plus vaste qui contient de nombreux plans de rupture. Ce corridor de déformation possède une dimension allant de l'ordre du centimètre jusqu'à quelques centaines de mètres de largeur et est souvent fonction de l'importance du déplacement relatif des compartiments de part et d'autre.

    L'étude d'une faille ne se résout pas uniquement par l'observation de la surface faillée principale mais par l'observation de tous les éléments structuraux contenus au sein du couloir de déformation situé aux abords de la faille. Plusieurs éléments structuraux se développent de façon contemporaine à la zone de faille et fournissent des indices permettant de mieux caractériser la zone de faille. Ces éléments se divisent en trois groupes (figure 3), soit:


    Figure 3: Anatomie d'une zone de faille.


    À l'intérieur de la zone de faille, le réseau de fractures est constitué de familles distinctes dont la densité et la valeur du glissement croissent depuis les bords de la zone jusqu'à la partie centrale où se situe la faille proprement dite.

    6.2.2 Les marqueurs du mouvement

    Le mouvement des blocs de part et d'autre d'une faille peut se faire tout simplement par glissement ou par un glissement accompagné d'un rapprochement ou d'un éloignement des blocs. Peu importe le mouvement, différentes structures et figures ornementeront la surface de faille, et enregistreront le mouvement: ce sont les marqueurs du glissement (figure 4). Un glissement et une translation parallèle au plan de faille entraînera une friction des blocs et produira une abrasion des surfaces en contact. Les marqueurs tels que les rayures et les stries (figure 4a), fines et courtes, et les rainures et cannelures (figure 4b), plus profondes et longues se forment par glissement et friction sur la surface de faille. Un glissement accompagné d'un éloignement des blocs de part et d'autre de la surface de faille entraînera l'ouverture de vides colmatés au cours du glissement par des cristallisations de minéraux tels que le quartz et la calcite. L'orientation de l'axe long des fibres minérales sera parallèle au vecteur-glissement de la faille, ce qui nous aidera à déduire le sens de mouvement de la faille (voir par exemple, la géométrie des escaliers de cristallisations minérales sur la figure 4c). Un glissement accompagné d'un rapprochement des blocs de part et d'autre de la surface de faille entraînera une pression et une dissolution localisée des surfaces en contact. L'obliquité des escaliers de dissolution (figure 4d) indiquera la direction du déplacement des blocs. La disposition de marqueurs tels que les fractures d'extension (figures 4e et f) et les microfractures de cisaillement (figures 4g et h) peuvent également indiquer le sens du glissement de la faille.

    Figure 4: Principaux marqueurs du mouvement (tectoglyphes) sur les miroirs de failles (tiré de Mercier et Vergely, 1992).


    6.2.3 Rejets d'une faille
    Le rejet réel d'une faille correspond au vecteur de mouvement parallèle au déplacement relatif des compartiments situés de part et d'autre de la surface faillée. Le rejet réel est donc une ligne qui possède une direction, une plongée ainsi qu'une distance toutes mesurées sur le plan de faille. Il peut se diviser en composantes horizontale et verticale, soient les rejets apparents calculés dans un plan horizontal et un plan vertical (figure 5).


    Figure 5: Rejet réel et ses composantes horizontales et verticales.


    La direction et la plongée du rejet réel d'une faille seront déterminées en localisant les deux extrémités d'un objet géologique linéaire quelconque déplacé par la faille (figure 6a). Une projection orthographique de la surface de la faille permettra de dessiner un segment reliant les deux extrémités de l'objet, soit le rejet réel. En connaissant l'orientation du plan de faille ainsi que l'angle de chute du rejet sur le plan de faille, on pourra calculer l'orientation du rejet sur une projection stéréographique (figure 6b). La technique de projection stéréographique d'une ligne sur un plan est expliquée à la section 3.4 du Tutoriel sur la représentation graphique des données structurales.


    Figure 6: Technique pour déterminer l'orientation du rejet réel sur une faille orientée à N0/50. (a) La projection orthographique permettra de mesurer l'angle de chute du rejet (b) L'orientation du rejet est trouvée sur la projection stéréographique.


    6.2.4 Les failles et les zones de cisaillement ductile
    La nature d'une zone de faille dépend essentiellement du type de roches déformées, de la vitesse de déplacement et des conditions physiques du milieu. Dans la partie superficielle de la croûte entre 1 et 5 km de profondeur, la déformation est cassante et les zones de failles sont peu épaisses (figure 7). Les roches déformées seront fortement fracturées et transformées en cataclasites non cohésives, qualifiées de brèches ou de gouges de faille. À plus grande profondeur, les zones de failles sont généralement plus larges et les roches sont transformées par fracturation en cataclasites cohésives. Au-delà de 10 km de profondeur, les roches se déforment de façon ductile et seront transformées en mylonites.

    Figure 7: (tiré de Mercier et Vergely 1992).


    6.3 Analyse dynamique des failles

    L'orientation des éléments structuraux au sein d'une zone de failles est conditionnée par l'orientation du couloir de déformation principal qui à son tour est déterminée par l'orientation des contraintes principales régionales. L'étude statistique de données structurales recueillies au sein d'un couloir faillé permet d'effectuer l'analyse géométrique du système faillé et de retrouver l'orientation des contraintes principales au moment de la déformation.

    6.3.1 Le modèle d'Anderson




    L'orientation des contraintes principales (σ1, σ2, σ3) sera déterminée à l'aide de la relation géométrique entre les différentes familles de failles conjuguées ainsi que les éléments structuraux reliés aux failles (figure 9).


    Figure 9: Classification dynamique des failles. (a) failles normales, (b) failles de décrochements, (c) failles inverses.


    Peu importe le type de faille, les quatre relations suivantes tiennent toujours pour un régime de déformation fragile:

    1) l'orientation de σ2 est parallèle à l'intersection entre deux failles conjuguées (figures 9 et 10), et nécessairement compris sur chacun des plans de faille, à 90 de la direction du mouvement;
    2) σ1 est la bissectrice de l'angle aigu formé par deux failles conjuguées (figure 9) et correspond au pôle du plan σ2σ3;
    3) la direction de glissement sur le plan de faille est parallèle à l'intersection entre le plan de faille et le plan σ1σ3 (figure 10), et correspond à l'orientation des stries sur un plan de faille;
    4) le sens du mouvement sur la faille est contrôlé par la direction de la contrainte principale maximale σ1, de sorte que le biseau de matériel limité par les failles et situé dans l'angle aigu, s'éloigne de σ1 (figure 10).


    Figure 10: Représentation stéréographique de la relation entre l'orientation de failles conjuguées et la direction des contraintes principales (σ1, σ2, σ3) pour des failles normales avec σ1 vertical.


    Le développement des failles répond à la théorie de Coulomb, qui pour des conditions P-T favorisant une déformation cassante prévoit que les failles se développent généralement en deux familles conjuguées dont l'orientation est dictée par l'orientation des contraintes principales (σ1, σ2, σ3), et où la contrainte σ1 est la bissectrice de l'angle aigu formé par deux failles conjuguées (figure 9).

    6.3.2 L'influence de l'anisotropie sur l'inclinaison des failles
    6.3.3 Projections stéréographiques


    6.4 Failles inverses et de chevauchement
    6.4.1 Terminologie et morphologie

    Figure 11: (tiré de Merle 1994).


    6.4.2 Aspect géométrique: les structures imbriquées et les duplexes



    Figure 12: (tiré de Merle 1994).


    6.4.3 La cinématique

    Figure 13: Les 4 modèles mécaniques de mise en place des nappes: représentation schématique dans leur environnement naturel (tiré de Merle 1994).


    6.4.4 Le paradoxe mécanique des chevauchements


    6.5 Failles normales
    6.5.1 Terminologie et morphologie
    6.5.2 Géométrie des systèmes en extension
    6.5.3 Failles de détachement
    6.5.4 Modèles d'amincissement crustal


    Figure 14: (tiré de Hatcher 1995).


    6.6 Failles de décrochements
    6.6.1 Terminologie et morphologie
    6.6.2 Géométrie des systèmes décrochants

    Pour un système de faille en décrochement, le réseau de fractures et/ou de failles secondaires développé à l'intérieur de la zone de faille sera caractérisé par des failles conjuguées (R et R') symétriques par rapport à σ1, faisant un angle voisin de 60 et disposées en échelon. Les failles principales (Y) se caractérisent sur le terrain par des corridors de déformation comportant de nombreuses failles conjuguées mégascopiques, dont les R, R', P, X et X' ainsi que des failles inverses, des failles normales et des failles obliques. Toutes ces failles découperont éventuellement la zone de faille en un réseau de blocs losangiques (figure 15). Dans un tel système décrochant et dont la faille principale (Y) est dextre, des failles secondaires dextre (R), dites synthétiques, se développeront à un angle de 15-25° par rapport au plan de faille principale (Y) et des failles secondaires senestres (R'), dites antithétiques, se développeront à un angle de 75-80° par rapport au plan de faille principale (Y). Les failles R et R' se développeront dès les premiers instants de la déformation et seront suivis du développement de failles P, disposées symétriquement par rapport aux R, à environ 10° de la faille principale.


    Figure 15: Réseau de failles secondaires pour un système décrochant dextre.


    La nature et l'orientation des éléments structuraux reliés aux zones de failles de décrochement sont compatibles avec une déformation par cisaillement simple et se conforment au modèle de tectonique coulissante (Wrench Tectonics) de Wilcox et al. 1983. Ce modèle prévoit l'orientation de tous les éléments structuraux qui se développent dans un tel système, soit les plis, le clivage et les failles secondaires. Pour une contrainte principale maximale (σ1) orientée horizontalement et dans le quadrant NW, il se développera un plan de cisaillement dextre à 45° de régionalement souligné par les failles de décrochement dextre orientées E-W (Y) (figure 16). Le modèle de tectonique coulissante de Wilcox prévoit le développement de:


    Figure 16: Orientation des éléments structuraux pour une déformation induite par cisaillement simple le long d'une faille principale décrochante dextre orientée E-W.



    Figure 17: (tiré de Daigneault 1992).


    6.6.3 L'aspect mécanique des décrochements
    6.6.4 Transpression et transtension