Exercices: Les déformations des roches

Distinguer la déformation élastique, plastique et cassante, et indiquer laquelle des trois est réversible lorsque la contrainte cesse.

Qu'est-ce qu'un pli anticlinal et qu'est-ce qu'un synclinal ? Indiquer où se trouvent les matériaux les plus anciens dans chacun : dans le cœur ou sur les flancs ?

Expliquer la différence entre une faille et une diaclase. Dans laquelle des deux y a-t-il un déplacement relatif des blocs ?

Qu'est-ce que la contrainte en géologie ? Nommer les trois types (compressive, extensive et de cisaillement) et une structure typique générée par chacun.

Définir les éléments d'un pli : charnière, flancs et plan axial. Qu'indique l'orientation du plan axial sur la symétrie du pli ?

Qu'est-ce qu'une faille normale et sous quel type de contrainte se produit-elle ? Donner un exemple de structure associée à l'extension crustale.

Dans une faille, on distingue le compartiment soulevé et le compartiment affaissé. Expliquer comment on les reconnaît sur le terrain à partir du déplacement des strates.

Quelle différence y a-t-il entre un pli symétrique et un pli asymétrique ? Qu'indique la vergence d'un pli sur le sens de la compression ?

Sur une coupe de terrain, on observe deux structures tectoniques numérotées : la structure 1 présente une courbure convexe vers le haut et la structure 2 présente une courbure concave vers le haut. Indiquer quel numéro correspond à un pli anticlinal et lequel à un synclinal, et expliquer le critère utilisé pour les distinguer.

Sur la même image de la coupe, localiser les deux failles numérotées et déterminer en justifiant laquelle est normale et laquelle est inverse d'après le déplacement relatif de leurs blocs. Quel type de contrainte, extensive ou compressive, a produit chacune ?

Soumises à la même contrainte compressive, des ardoises se plissent alors qu'un quartzite se rompt en diaclases. Expliquer quelles propriétés de chaque roche et quelles conditions externes (température, pression, rapidité de la déformation) favorisent chaque comportement.

Distinguer faille inverse et chevauchement, et expliquer pourquoi ces deux structures impliquent un raccourcissement de la croûte. Quelle inclinaison a généralement le plan d'un chevauchement ?

Sur une coupe, le toit d'une couche de calcaire apparaît décalé de $120\ \text{m}$ à la verticale par une faille. Expliquer ce qu'est le rejet d'une faille et quelle information supplémentaire serait nécessaire pour connaître le déplacement total si la faille avait aussi une composante décrochante.

Les diaclases facilitent l'extraction de blocs dans les carrières, mais réduisent la qualité de la roche ornementale. Expliquer ces deux affirmations et justifier pourquoi une roche très diaclasée ne permet pas d'obtenir de grandes pièces.

Un bloc affaissé entre deux failles normales forme un fossé tectonique (graben), et le bloc surélevé entre elles, un horst. Expliquer quel régime de contraintes les génère et donner un exemple de chaque structure.

Dans les Appalaches, les cœurs des anticlinaux forment des vallées et les synclinaux couronnent les sommets. Expliquer cette inversion de relief à partir de l'érosion différentielle sur les roches fracturées de la charnière de l'anticlinal.

Dans le rapport préliminaire d'un chantier de génie civil portant sur la coupe géologique de l'image, il est affirmé que : « Les failles se sont formées d'abord en régime extensif puis un épisode compressif a plissé à la fois les strates et les failles préexistantes ».

1. a) Réfuter de façon argumentée l'hypothèse du rapport : analyser la géométrie des structures observables sur l'image et indiquer quels principes de chronologie relative cette interprétation contredit.
2. b) Reconstituer en justifiant la séquence temporelle des processus qui ont façonné ce secteur (sédimentation, déformations tectoniques et érosion).
3. c) Déduire et justifier comment a changé le régime de contraintes tectoniques (ou les conditions physiques de déformation) entre le moment où les plis se sont formés et le moment où ont agi les failles qui les recoupent.

Lors d'une prospection géologique pour le tracé d'un tunnel, la cartographie révèle que le long d'une vallée linéaire les strates pendent de $40^\circ$ dans des directions opposées en s'éloignant de l'axe de la vallée ; les fossiles trouvés au fond de la vallée appartiennent au Trias, tandis que ceux des sommets environnants appartiennent au Jurassique.

1. a) Déterminer la structure tectonique qui sous-tend la vallée et justifier pourquoi la topographie actuelle constitue un cas de relief inversé (inversion de relief).
2. b) Expliquer le mécanisme d'érosion différentielle qui a permis au cœur de la structure, à l'origine la zone structuralement la plus élevée, de se transformer en dépression (combe anticlinale), en indiquant le rôle de la fracturation dans la charnière.
3. c) Si l'on prévoit de percer le tunnel perpendiculairement à l'axe de la vallée à $100\ \text{m}$ de profondeur sous son fond, prévoir deux difficultés géomécaniques ou hydrogéologiques que l'équipe technique rencontrera en traversant la zone de charnière.

Des études géodésiques par GPS et interférométrie radar (InSAR) sur un tronçon de $30\ \text{km}$ de la faille d'Alhama de Murcia indiquent que les blocs de part et d'autre se déplacent à une vitesse relative de $1,5\ \text{mm/an}$. Pourtant, les capteurs situés exactement sur la trace en surface enregistrent une vitesse nulle depuis plus de 400 ans et il n'y a presque pas de microsismicité.

1. a) Appliquer la théorie du rebond élastique pour expliquer l'état mécanique de ce secteur de la faille et justifier pourquoi l'absence prolongée de séismes n'implique pas la sécurité, mais une augmentation de l'aléa.
2. b) Calculer le déplacement cumulé qui reste bloqué élastiquement après 400 ans et comparer l'effet mécanique de sa libération instantanée à celui d'un secteur qui se déplace par reptation asismique continue (creep).
3. c) Si, sur un autre segment de la même faille, on mesure $1,5\ \text{mm/an}$ de glissement superficiel continu accompagné de microséismes presque imperceptibles, déduire de façon argumentée lequel des deux segments présente le risque le plus élevé de provoquer un séisme destructeur à court ou moyen terme.

Sur le front d'une carrière affleure un plan de faille incliné de $60^\circ$ vers l'ouest qui met en contact deux blocs (bloc occidental et bloc oriental). Les observations suivantes sont relevées :

1. Le bloc oriental contient une couche repère de calcaire à $10\ \text{m}$ de profondeur, alors que dans le bloc occidental la même couche apparaît à $35\ \text{m}$.

2. Sur le plan de friction, on observe des stries selon la ligne de plus grande pente et des escaliers de faille dont le ressaut, rugueux au toucher, se perçoit en glissant la main vers le bas sur le bloc oriental.

3. Les strates du bloc occidental s'incurvent vers le haut à mesure qu'elles se rapprochent de la fracture.

1. a) Déterminer, en justifiant, lequel des deux blocs est le toit et lequel est le mur de la faille à partir de l'inclinaison du plan.
2. b) Interpréter les indicateurs cinématiques (escaliers et courbure des strates) et en déduire le mouvement relatif des blocs.
3. c) Un technicien affirme que la faille est normale « parce que la couche de calcaire est plus basse dans le bloc occidental ». Réfuter ou nuancer sa conclusion en analysant la cohérence entre le déplacement net observable et les indicateurs cinématiques dynamiques (entraînements et stries).

Dans un laboratoire de géodynamique, des éprouvettes cylindriques identiques de calcaire sont soumises à trois essais de déformation triaxiale :

• Essai A : à $400\ ^\circ\text{C}$ et $400\ \text{MPa}$ (équivalant à environ $15\ \text{km}$ de profondeur), déformée à une vitesse très lente de $10^{-14}\ \text{s}^{-1}$ (vitesse tectonique typique).

• Essai B : à la même température et pression de confinement que l'essai A, mais déformée brusquement à $10^{-3}\ \text{s}^{-1}$.

• Essai C : à vitesse lente ($10^{-14}\ \text{s}^{-1}$), mais à $40\ ^\circ\text{C}$ et $25\ \text{MPa}$ (conditions de $1\ \text{km}$ de profondeur).

1. a) Prévoir en argumentant le type de déformation (cassante ou ductile) que subira l'éprouvette dans chaque essai et tracer schématiquement la courbe contrainte-déformation attendue pour les essais A et C.
2. b) Justifier sur le plan mécanique pourquoi une augmentation drastique de la vitesse de déformation (essai B) modifie la réponse de la roche, même si elle reste dans des conditions profondes de haute température et de haute pression.
3. c) Dans les zones de subduction, on enregistre des séismes cassants à des profondeurs supérieures à $60\ \text{km}$, où la pression et la température devraient empêcher la fracturation. Formuler une hypothèse justifiée fondée sur le rôle des fluides interstitiels (pression de pores) pour expliquer cette anomalie.

Lors du levé d'une colonne géologique, on observe une répétition stratigraphique : marnes (Crétacé) $\rightarrow$ grès (Paléocène) $\rightarrow$ calcaires (Éocène) $\rightarrow$ marnes (Crétacé) $\rightarrow$ grès (Paléocène) $\rightarrow$ calcaires (Éocène). Le contact intermédiaire entre les calcaires inférieurs et les marnes supérieures est une surface nette inclinée de $30^\circ$ qui recoupe obliquement les couches.

1. a) Formuler deux hypothèses géologiques différentes pour justifier cette répétition : l'une structurale, fondée sur un accident tectonique, et l'autre stratigraphique, fondée sur un pli couché érodé.
2. b) Concevoir trois vérifications de terrain (critères de polarité sédimentaire, microstructures sur le plan de contact et datation relative du contact par rapport aux couches) permettant de déterminer laquelle des deux hypothèses est la bonne.
3. c) Si la polarité sédimentaire des deux séquences est orientée vers le toit (vers le haut) et que la surface de contact présente une brèche tectonique avec des stries indiquant un pendage vers la base, conclure sur le type précis de structure géologique qui a joué et en déduire le régime tectonique responsable.

Le séisme de Lorca de 2011 a eu une magnitude de moment modérée ($M_w\ 5,1$) mais a causé 9 morts et des dégâts graves (intensité VIII), alors que le séisme de 2010 sur la côte de Grenade, de magnitude bien supérieure ($M_w\ 6,3$), n'a provoqué que de légers dégâts matériels.

1. a) Justifier physiquement la disparité des dégâts entre les deux événements à partir de la relation entre magnitude, profondeur focale (distance hypocentrale) et accélération maximale du sol.
2. b) À Lorca, les bâtiments situés sur des sédiments alluviaux quaternaires ont subi des dégâts nettement plus importants que ceux fondés sur un substrat rocheux cohésif à faible distance. Expliquer ce phénomène en analysant la vitesse de propagation, l'amplitude et l'atténuation des ondes sismiques (effet de site).
3. c) À partir de ces données, argumenter pourquoi un plan d'aménagement du territoire qui classe le risque sismique uniquement d'après la distance aux failles actives est insuffisant, et indiquer quels facteurs géologiques complémentaires doivent figurer dans les cartes de microzonage sismique.

Dans une bande de déformation crustale de $300\ \text{m}$ de largeur traversant un massif granitique, on observe la transition suivante :

• Vers le cœur de la bande, le granite d'origine passe à une roche à grain très fin, à rubanement continu, avec des grains de quartz étirés dynamiquement et des feldspaths tournés (mylonite).

• Recoupant et broyant cette mylonite, apparaissent des plans de fracture nets avec des brèches anguleuses et de la poudre de roche sans cohésion ni orientation cristalline (cataclasites).

1. a) Analyser les mécanismes de déformation minérale dominants dans la mylonite par rapport à la cataclasite et en déduire dans quel régime crustal (ductile ou cassant) chacune s'est formée.
2. b) Justifier ce qu'apporte la superposition, dans le même affleurement, des cataclasites sur les mylonites quant à l'histoire du soulèvement (exhumation) et à l'évolution thermique de ce bloc orogénique.
3. c) Si l'analyse cinématique des porphyroclastes de la mylonite indique un cisaillement inverse (compressif), mais que les stries sur les plans cataclastiques indiquent un mouvement normal (distensif), élaborer une reconstitution géodynamique argumentée de l'évolution tectonique de cette zone de faille.