Les Failles et Microstructures associées
Le Bassin de la Limagne est un graben formée dans un régime en extension et découpé par des failles normales à pendage opposé. De telles structures sont observables à différentes échelles. Dans la carrière de Gandaillat, à l'Est de Clermont ferrand, on peut observer une telle structure d'échelle métrique :
Tectonique en distension et Failles Normales :
Soumises à un régime en distension, les roches de la partie supérieure du globe vont se casser selon un système de failles. Celles ci témoignent du comportement cassant de ces roches et de la localisation de la déformation, au moins dans les parties superficielles (froides). A plus grande profondeur où la température est plus élevée, la déformation se localise sur des zones plus larges que l'on appelle des zones de cisaillement (voir de très beaux exemples au Cap Creus).
Ces ruptures génèrent des failles parallèles entre elles, avec même direction et même pendage. Parfois, il existe également une famille de failles de même direction, mais de pendage opposé. On dit que les 2 familles de failles sont conjugués (voir par exemple au Rivalet). Ce sont de telles failles conjugués qui forment les grabens, rifts et bassins d'effondrement tel celui de la photo ci-dessus et le schéma ci-dessous.
En régime en distension, les forces aux limites deviennent inférieures aux forces de gravité : l'ellipsoïde des contraintes a donc son grand axe s1 vertical tel que représenté sur la figure ci-dessous. L'ellipsoïde de la déformation, résultant de la déformation d'une sphère dans un tel régime des contraintes, lui est perpendiculaire. L'axe d'étirement X, le grand axe est horizontal, parallèlement à s3, tandis que le plus petit axe (Z) est vertical, parallèlement à s1.
ellipsoïde des contraintes et ellipsoïde de déformation
Sur les photos ci-dessous, on a reproduit expérimentalement de telles structures en exercant un s 1 vertical (avec s2 = s3) sur des carottes de marbre de Cararre :
Des microstructures sont associées à ces failles : stylolithes, fentes de tension, fibres dans ces fentes, crochon de faille, stries sur le plan de faille. Toutes ces structures permettent de caractériser le régime des contraintes et l'ellipsoïde de la déformation. La disposition des ces microstructures entre elles est présentée sur le dessin ci-dessous :
Graben ou rift délimité par un système de failles normales conjugués (F). Des microstructures sont associées ; il s'agit de stylolithes (sty), de fentes de tension (ft), crochons de faille (cf), faille potentielle (fp). Cliquez sur différentes parties de la figure pour voir des photos de ces microstrutures.
Le plan de faille est parfois appellé miroir, car il peut être poli par frottement entre les 2 blocs de part et d'autre de la faille. Ce frottement génère souvent des stries qui marquent la direction de déplacement relatif des 2 plans.
Si ces stries permettent de définir la direction du déplacement, elle ne permettent pas dans connaître le sens : quel est le bloc qui est descendu par rapport à l'autre ? (Nous raisonnons en terme de mouvements relatifs et pas absolus).
Sur ce plan de faille (vue de face) les stries indiquent un mouvement vertical. Les ressauts de calcite montrent que le compartiment, aujourd'hui disparu, qui se trouvait en avant du plan de faille (bloc en trait fin sur le dessin ci-dessous) est descendu par rapport à l'autre. (Voir un autre exemple ?)
Des irrégularités sur le plan de faille comme de petits ressauts vont ouvrir des cavités lorsque le mouvement relatif le permet, comme sur le dessin ci-dessous et la photo ci-dessus. Cette cavité se remplit de calcite qui cristallise au fur et à mesure de son ouverture. Ce remplissage de calcite n'a pu se faire que grâce à un déplacement "descendant" du bloc en trait fin sur le dessin ci-dessous et aujourd'hui disparu sur la photo ci-dessus. Voir l'animation ?
Les crochons de faille montrent également le déplacement relatif (cf sur la fig. ci-dessus) : un niveau stratigraphique est tordu de part et d'autre de la faille. Ceci indique un début de déformation ductile de la roche.
Des plans stylolithiques se forment perpendiculairement à la contrainte principale s1 et à la direction Z de l'ellipsoïde de la déformation : ils marquent donc le plan d'aplatissement X-Y. Ces plans sont irréguliers et constitués de pics stylolithiques qui indiquent la direction de Z. Ils se forment par dissolution de la roche : une façon bien pratique d'accommoder le raccourcissement !
Les pics stylolithiques sont compris dans un plan perpendiculaire à celui de cette photo d'un marbre.
Parallèlement à la contrainte principale s1, des fractures vont s'ouvrir et leurs levres vont s'écarter et se remplir de calcite : ce sont les fentes de tension. La calcite cristallisent parfois en fibres qui s'orientent selon la direction d'allongement X comme sur la photo ci-dessous de droite. Voir aussi les fibres de quartz dans une fente dans un gneiss.
Les fentes de tension matérialisent le plan Z-Y de l'ellipsoïde de la déformation. Sur la photo de gauche, on observe 2 familles de fentes qui indiquent un changement significatif du champ des contraintes. On note que les plus petites sont postérieures aux plus grosses.
Parfois, ces fibres sont obliques au plan de la fente ou bien sigmoïdes ...
... matérialisant une variation progressive du champ des contraintes pendant l'ouverture de la fente.
Fentes et plans stylolithiques sont perpendiculaires entre eux et les uns peuvent recouper les autres :
Parfois, un système de fentes en échelon matérialise une faille potentielle (fp sur la fig. ci-dessus) :
Une faille est en train de naître dans ce calcaire ; la torsion d'une fente montre que cette faille potentielle est normale.
Tectonique en compression, Failles Inverses, Décrochements :
Si l'on fait tourner de 90°dans le sens trigonométrique l'ellipsoïde et le graben de la figure ci dessus, on obtient un système de failles inverses (conjuguées) ...
Cliquez sur la figure pour comparer avec le graben et retrouver les abréviations.
... dans lequel les plans stylolithiques sont verticaux, les fentes sont horizontales et contiennent des fibres verticales.
La rotation se fait autour de s2 et est de 90° de telle sorte que s1 est remplacé de s3.
Si l'on fait tourner maintenant l'ellisoïde de 90° autour de s1, on obtient un système de décrochements conjugués avec s2 vertical :
Cliquez sur la figure pour comparer avec le graben et retrouver les abréviations.
Le décrochement de gauche est qualifié de senestre (le compartiment de gauche se rapproche d'un observateur regardant le long de la faille) tandis que celui de droite est dit dextre (le compartiment de droite se rapproche d'un observateur regardant le long de la faille). Les stries sur le plan de faille et les pics stylolithiques sont horizontaux.
La dalle de calcaire jurassique des Matelles (à proximité de Montpellier) est ici découpé par un décrochement orienté NE-SO comme la faille des Cévennes qui séparent le Massif Central de la plaine Languedocienne. Les microstructures associées (plans stylolithiques (flêche rose) et fentes verticaux, stries horizontales sur le plan de faille lui-même vertical, ...) montrent que ce décrochement est sénestre, comme sa réplique à grande échelle : la faille des Cévennes.
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