Les failles Partie 2 : analyse de cas et compléments

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1 Les failles Partie 2 : analyse de cas et compléments En 4 parties Sommaire 1. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE CASSANTE (IRAN) 2. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE CASSANTE (FLYSCH ÉOCÈNE, NOUVELLE-CALÉDONIE) 3. INTERPRÉTATION D UN SYSTÈME DE FAILLES (FLUVIO-GLACIAIRE, PATAGONIE) 4. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE SYN-SÉDIMENTAIRE (PATAGONIE) 5. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE SYN-MAGMATIQUE (PATAGONIE) 6. INTERPRÉTATION DE MICROSTRUCTURES ASSOCIÉES À DE GRANDES FAILLES (NOUVELLE-CALÉDONIE) 7. AUTRES STRUCTURES LIÉES À DES FAILLES 8. EXERCICE : CALCUL DU REJET D UN GROUPE DE FAILLES NORMALES Voir chapitre 14 Découvrez la 15 e édition du «Pomerol» tout en couleurs, Éléments de Géologie (Dunod, 2015, M. Renard, Y. Lagabrielle, E. Martin, M. de Rafélis), à jour des dernières connaissances de la recherche en géosciences. Un livre qui répond aux exigences des étudiants, des candidats aux concours, des enseignants, des chercheurs Et de l amateur éclairé! Toute l info sur ce livre << Tous les reportages de terrain de elements-geologie.com

2 1-1/ IRAN : CAS DE TECTONIQUE CASSANTE > PRÉSENTATION Cas de déformation cassante dans une séquence de sédiments lacustres continentaux récents en Iran plateforme plateforme Cet affleurement de bord de route montre des couches de couleurs contrastées qui permettent de visualiser le déplacement relatif des blocs faillés. On considère que le pitch de la strie est de 90. Attention à la présence d une plateforme soulignée par les touffes d herbe. Sur la diapositive suivante, on trouvera l interprétation la plus vraisemblable qu il convient de faire de cet affleurement en admettant un pitch de 90 de la strie. Le dispositif observé comprend deux failles normales de pendage à peu près équivalent qui se font face. Mais l allure du gros banc blanc en bas de l escarpement impose de faire une hypothèse sur la géométrie des failles situées immédiatement sous l affleurement. Merci à Stéphane Dominguez, Géosciences Montpellier, auteur de ce cliché.

3 1-2- IRAN : CAS DE TECTONIQUE CASSANTE > INTERPRÉTATION Cas de déformation cassante dans une séquence de sédiments lacustres continentaux récents en Iran On admet un pitch de 90 de la strie sur les 2 plans On considère uniquement cette partie de l affleurement (ci-contre), on ignore la partie située au delà de la plateforme. Pour des raisons de parallaxe, nous ne pouvons pas l interpréter de notre point de vue. On ignore également la base de la paroi, siège d accumulation de sédiments lessivés et glissés. Il faut toujours vérifier que l on observe un affleurement propre. Le décalage des bancs impose naturellement le dessin des failles. Il s agit de deux failles normales qui se rejoignent en un point situé au cœur du gros banc gris à la base de l affleurement. En ce point, la déformation doit être accommodée par une structure, quelle qu elle soit. On constate que le toit du banc gris subit peu de décalage vertical. Cela impose que son déplacement soit horizontal. La seule interprétation possible en fonction de ce que nous voyons ici est que le déplacement soit transféré sur une faille qui s aplatit selon le modèle ci-contre. Le travail du géologue sera maintenant de vérifier cette hypothèse en cherchant d autres arguments sur cet affleurement ou sur d autres visibles dans la zone d étude. Ce modèle s applique à beaucoup de régions dont les taux de déformation en extension sont importants. A plus grande échelle, on trouvera ce motif, caractérisé par une grande faille plate, dans la déformation de la couverture sédimentaire des marges continentales passives glissant sur son substratum (cas des marges de l Angola, par exemple).

4 1-3- IRAN : CAS DE TECTONIQUE CASSANTE > INTERPRÉTATION Cas de déformation cassante dans une séquence de sédiments lacustres continentaux récents en Iran 1 2 Les 4 séquences ci-contre réalisées à partir d une feuille quadrillée permettent de poser clairement le problème des déplacements et de mouvements de blocs, tels qu ils sont imposés par la géométrie des failles, sur l exemple étudié. 3 4 Ici, on pourra introduire la notion de rotation des compartiments faillés dès lors que le pendage des failles varie. C est le cas des failles listriques. Dès que l on quitte les conditions de contraintes de la surface, il est strictement impossible de laisser des espaces béants en profondeur durant la déformation. Ceci est une façon d exprimer que la contrainte due à la charge lithostatique augmente avec la profondeur. De la sorte, les deux compartiments faillés restent en contact durant tout le déplacement même si la faille est courbe et même s il s agit d une faille normale et donc d extension régionale. Cela impose nécessairement une rotation des blocs. Cela impose aussi d ailleurs une déformation interne non rupturelle, non cassante, que nous ne pouvons pas modéliser ici car on suppose que la déformation est plane. Dans le cas interprété ici, nous introduisons une légère rotation du bloc qui s éloigne du repère de façon à ce que le déplacement «en tiroir» ne laisse pas de vide au niveau de la courbure maximale de la faille. On «comble» également ce vide grâce au jeu d un micro bloc qui s abaisse en effectuant lui aussi une légère rotation. Notons que la rotation du bloc qui coulisse impose (transfère) une «ouverture» plus loin vers la gauche du système. Il faudrait vérifier sur le terrain qu une faille normale accommode bien cette ouverture

5 2-1/ NOUVELLE CALÉDONIE : CAS DE TECTONIQUE CASSANTE > PRÉSENTATION Cas de déformation cassante dans le flysch calcaire éocène de Nouvelle Calédonie La présence d un décollement peu penté - que nous ne pouvions qu interpréter dans le cas précédent - est visible dans un exemple pris parmi les affleurements du flysch carbonaté de Nouvelle- Calédonie. Ce flysch s est déposé dans une avant-fosse qui s approfondissait en réponse à l arrivée de la nappe ophiolitique dont l obduction est datée aux alentours de 33 Ma. Faisant suite à la compression de l Eocène supérieur, le bloc de la Nouvelle-Calédonie surmonté de l ophiolite récemment obductée subit une phase d extension. De nombreuses failles normales affectant les péridotites de la nappe ophiolitique comme les terrains sous-jacents, dont le flysch éocène, sont visibles aux alentours de Nouméa. Nous considérons d abord deux exemples simples pris à Nouméa et sa banlieue, confirmant l extension régionale, avant de nous intéresser au cas de terrain impliquant une faille peu pentée. Ci-dessus à droite, dans la péninsule de Nouville, on peut observer : en A et B, un système de deux failles normales conjuguées (les lunettes dans le cercle en En haut à gauche, cette faille s observe sous la cathédrale de Nouméa. A donnent l échelle). La stratification est soulignée en A et C. En D, les enduits de cristallisation de calcite observées sur la face indiquée par une flèche en B donnent un pitch proche de 90.

6 2-2 NOUVELLE CALÉDONIE : CAS DE TECTONIQUE CASSANTE > INTERPRÉTATION Cas de déformation cassante dans le flysch calcaire éocène de Nouvelle Calédonie 1 2 Bien noter dans ces photos les CROCHONS, dessinés par les limites des couches : très bons critères pour le mouvement en faille normale (voir reportage 1 ère partie) La faille recoupant les couches du flysch éocène représentée sur la photo ci-contre est une faille normale dont la partie basse, cachée par les buissons, n est pas visible sur ce cliché. Elle appartient à un système de failles à faible pendage schématisé sur le croquis sous la photo. On pourrait voir de prime abord une faille à pendage moyen abaissant simplement le bloc à droite (côté nord). Or, l observation en détail du miroir, qui nous était caché par les buissons (photo 1 repérée sur le croquis), nous montre de façon évidente que le plan de la faille ne recoupe pas les niveaux bas de l affleurement. Pour comprendre la cinématique du système, il est alors absolument nécessaire de faire intervenir un plan de décollement parallèle aux couches, qui puisse transformer le déplacement du bloc supérieur en un coulissage subhorizontal vers le nord. On peut distinguer ce plan, souligné par un liseré blanc de calcite sur la photo 1 (flèches blanches). Dans ces systèmes complexes, il 1 est important de confirmer ses déductions à partir de critères cohérents accumulés sur le même site ou sur des sites voisins. Ici, La cinématique observée en 2 (ci-contre à droite), déduite de l analyse de la déflexion des crochons de faille, confirme la cinématique d ensemble déduite de l examen du secteur 1. On peut ainsi conclure que le système d ensemble comprend des failles pentées à 45 se raccordant à des failles plus plates. L extension est donc certainement généralisée à l échelle régionale. Cet événement est en effet rapporté à l extension post-nappe qui a permis notamment l exhumation du soubassement métamorphique HP de la nappe ophiolitique au Nord de l île. 2 Un autre critère, distribué dans tout le volume de l affleurement nous confirme que la région a subi une extension importante. Tous les bancs sont recoupés par des fentes de tension sub-verticales emplies de calcite, symptomatiques d une extension horizontale.

7 3. INTERPRÉTATION D UN SYSTÈME DE FAILLE DANS DES SEDIMENTS FLUVIO-GLACIAIRES La vue ci-contre nous montre un empilement de bancs de turbidites fines, déposées dans un lac glaciaire, maintenant partiellement asséché, dans la province de Aysen, en Patagonie. La séquence est affectée dans son ensemble de glissements gravitaires. La boussole (cercle) donne l échelle. La réponse mécanique à l extension gravitaire varie selon la lithologie. Les bancs épais de grès ocres se déforment en ployant, pratiquement sans rompre. Les minces alternances de grès fins sombres et clairs accommodent les ondulations des bancs épais en se brisant le long de multiples plans de faille. Sur le montage de 2 clichés réalisé ci-contre, on note que les failles sont organisées en réseaux de plans conjugués lorsque le taux de déformation est faible. Par contre, dans les points où le banc épais présente le maximum de déformation, le déplacement du bloc de droite se fait le long d une faille principale qui accommode la totalité du rejet (à droite, flèches vertes). On peut en tirer une règle plus générale : lors de l extension continentale, on assiste tout d abord à l initiation d un réseau de failles conjuguées, il s agit d un rift symétrique, puis lorsque le taux de déformation augmente, une seule faille du système initial va absorber pour son propre compte 100% du déplacement. Le système devient alors très asymétrique. Le banc souligné de rouge permet d évaluer le rejet le long de chaque faille

8 4-1. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE SYNSÉDIMENTAIRE EN DOMAINE LACUSTRE- GLACIAIRE La coupe ci-contre a été dégagée à la faveur d une tranchée routière creusée au sein d un vaste système sédimentaire détritique fluvio-lacustre où alternent des grès fins et des conglomérats. Cet ensemble s est déposé durant la dernière époque glaciaire, au débouché d une rivière se jetant dans le plus grand lac de Patagonie : le lac General Carrera-Buenos Aires (photo en bas à droite). Ce lac est également le deuxième lac d Amérique du Sud après le lac Titicaca pour sa superficie. Ces sédiments sont aujourd hui visibles grâce à une vidange du lac qui s est opérée à la fonte de la calotte patagonienne, en fin de période glaciaire. Les énormes glaciers de cet époque composaient en effet des barrages de retenue pour de nombreux lacs pro-glaciaires. Lors des périodes de haut niveau du lac, des failles ont fonctionné au sein des dépôts détritiques, soit en raison de la tectonique locale en extension soit pour des causes de simple instabilité gravitaire. On observe deux failles normales dont le jeu a été contemporain de la tectonique comme le montre le développement d un cône s appuyant sur le miroir. Cet exemple montre clairement l augmentation du pendage des couches en raison de l affaissement : ce qui implique la rotation des blocs. Une légère flexure du bloc affaissé permet d introduire la notion de roll over (plissement au dessus d une faille qui s aplatit), situation possible ici, comme suggéré par les observations reportées sur la diapositive suivante La vue ci-contre du lac General Carrera- Buenos Aires est prise depuis le point le plus haut atteint par les rives du lac en période glaciaire. On estime la chute de niveau de l ordre de 500 m, au passage glaciaire-interglaciaire.

9 4-2. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE SYNSÉDIMENTAIRE DANS UNE SÉRIE LACUSTRE On observe ici la destabilisation gravitaire d un cône alluvial distal, formé par de minces couches de silts et sables, au débouché d un autre torrent se jetant aussi dans le lac General Carrera-Buenos Aires, alors en période de haut niveau. La partie supérieure du talus glisse le long d un plan de faille normale peu penté (F2), évoquant les grandes failles qui affectent les piles sédimentaires des marges continentales. Les cannelures verticales sont des traces d engin de terrassement Le système comprend une autre faille (F1), courbe celle-ci, plus superficielle, et d un ensemble glissé incohérent marqué par les slumps, visibles sur le cliché de gauche. Cet affleurement nous confirme que des failles courbes (listriques) existent dans ces dépôts lacustres. Ceci rend donc plausible l hypothèse d une courbure en profondeur de la faille de la diapositive précédente.

10 5. INTERPRÉTATION D UN CAS DE TECTONIQUE SYN-MAGMATIQUE A B Cet affleurement (A) nous montre un sill (filon horizontal) de basalte mis en place au sein de pélites noires d âge crétacé, elles aussi subhorizontales. Ces pélites se sont déposées dans un sillon marin profond au sud de l Amérique du sud (dépendance du bassin pétrolifère de Magellan). Le sill semble plissé ou faillé. On doit se demander si la déformation est largement postérieure à la mise en place, ou bien si nous sommes en présence d un cas de tectonique syn-magmatique. En s approchant de l affleurement (B), on constate que le sill est affecté d une déformation souple : il n est traversé par aucune fracturation, il n est pas tronçonné. Il a été déformé à chaud. Or, une faille, bien visible sous le sill (B) montre une relation évidente avec la localisation du plissement. Quel rôle joue cette faille? Pour le savoir, il faut analyser sa géométrie et sa cinématique. Elle est localement bien individualisée (localisée), mais se présente également sous la forme d une succession de fractures définissant des losanges à toutes les échelles (C). Ces losanges sont des indicateurs cinématiques. Ils sont définis par des plans C, parallèles à la faille et des plans S obliques. Les plans S ont valeur de plans de schistosité ; ils matérialisent l aplatissement de la matière. Ils sont perpendiculaires à la contrainte principale. Ici, leur orientation est telle que le glissement le long des plans C ne peut se produire qu avec un affaissement relatif du bloc supérieur (D). C D Il s agit donc d une faille normale. De rares stries indiquent qu il n y a pas de composante horizontale du déplacement. On peut donc proposer à titre d hypothèse que le jeu de la faille est à l origine de la déflexion du sill alors que celui-ci était encore ductile. Ce régime extensif est à relier à l ouverture crétacée du bassin. Il est cohérent avec la mise en place des corps magmatiques.

11 6-1. INTERPRÉTATION DES MICROSTRUCTURES ASSOCIÉES À DE GRANDES FAILLES DANS LES PÉRIODITES DE NOUVELLE-CALÉDONIE Les péridotites de Nouvelle-Calédonie sont parcourues de grandes failles normales témoins d une extension qui s est déroulée tardivement dans l histoire de l ophiolite. L extension est en effet contemporaine de l altération subaérienne des péridotites. Ces failles post-obduction ont fonctionné durant la serpentinisation et durant l altération latéritique supergène à l origine de la concentration en nickel. L exemple est pris dans une mine à ciel ouvert de la région de Thio. Les failles traversent les péridotites à l échelle de massifs entiers avec des pendages de l ordre de 45. Ici on les retrouve à différents paliers successifs de la mine comme le montre la photo A. L analyse microtectonique nous indique que les stries sont toutes subverticales (B et C). Le plan de faille est enduit de serpentines nickélifères (garniérite) qui cristallisent sous forme de fibres durant la déformation. Cette «fibrosité» a valeur de strie en termes de critère cinématique. C A B Cliché : Alain Chauvet L analyse de la cinématique le long de ces grandes failles fait l objet de la diapositive suivante

12 6-2. INTERPRÉTATION DES MICROSTRUCTURES ASSOCIÉES À DE GRANDES FAILLES DANS LES PÉRIODITES DE NOUVELLE-CALÉDONIE Les massifs entiers de péridotites de Nouvelle-Calédonie sont recoupés par ces grandes failles beurrées de serpentines et parfois de silice. Leur cinématique peut être étudiée facilement car les critères de sens des mouvements tectoniques sont souvent nombreux et indiscutables. Nous avons vu sur la diapositive précédente que les stries nous indiquent un mouvement sans composante décrochante importante. Les critères obtenus dans l épaisseur des plans de faille indiquent une extension dominante (ci-contre). S sigmoïdes C C Remarquer la continuité du plan de faille à travers les paliers de la mine Le système est ici rigoureusement le symétrique de celui de l exemple 5. On peut y appliquer exactement les mêmes critères microstructuraux, mais en raison de l habitus lamellaire des serpentines, les amygdales C/S ont des formes plus souples. On les nomme des sigmoïdes. Les plans C sont parallèles aux failles, les plans S matérialisent l aplatissement : le jeu est normal.

13 7. AUTRES STRUCTURES LIÉES À LA TECTONIQUE CASSANTE Retrouvez les explications sur les structures montrées sur cette diapositive dans Eléments de Géologie 15 e éd., chap. 14. Stylolithes sur une plaque de marbre utilisée comme plateau de table extérieure, bien soulignés par les concentrations charbonneuses. B A Brèches de faille le plan de faille est entièrement recouvert par une épaisse couche de matériel clastique cimenté. Les deux flèches ci-dessus encadrent la couche de brèches. Stylolithes dans un calcaire utilisé en pierre de parement. Fentes de tension l alignement de l axe des fentes souligne le plan de rupture potentielle A : calcaires du Languedoc (section polie) B : métabasaltes des ophiolites corses Joints conjugués en X (sans déplacements) dans des varves des Andes

14 8. EXERCICE : CALCUL DU REJET D UN GROUPE DE FAILLES NORMALES ( ) Photo : Stéphane Dominguez, GM Montpellier ( ) On suppose que le pitch des stries vaut 90 sur F1 et F2 plateforme Objectif : interpréter et quantifier le déplacement de blocs le long d un système de 2 failles. Terrain : séquence lacustre du Miocène supérieur d Iran On suppose que la déformation est plane Etapes: a. Identifier les principaux blocs mobiles durant la déformation : 1, 2, 3 et 4. b. Repérer dans le même temps les failles F1 et F2 On remarque une bande de terrains très faillés au milieu du système. c. Identifier des couches qui serviront de repère pour la restauration (A et B) d. Restaurer en déplaçant les blocs pour aligner les repères. Cette restauration rétrotectonique doit permettre de calculer les déplacements. Remarquer qu il est impossible de restaurer la position des microblocs du couloir central, en raison de rotations importantes et d une composante non plane de la déformation (il s agit de la non-conservation en 2D des surfaces initiales). Retrouvez les explications sur la déformation dans Éléments de Géologie 14 e éd., chapitre 14.