Plis: Géométrie, Classification et Mécanismes

Ladéformation ductile décritla transformation continue et permanente de matériaux rocheux, souvent due à une combinaison de mécanismes cassants et plastiques. Cette fiche d'information se concentre sur les plis, une manifestationclé de la déformation ductile, et leur classification.

1. Introduction aux Plis

Les plis sont une distorsion d'un volume de matérielcaractérisée par une ou plusieurs courbures des éléments planaires et/ou linéaires qu'il contient (Hansen, 1971).

Un plissement résulte de la déformation ductile des matériaux. Sa morphologie dépend des propriétés mécaniques des matériaux au moment du plissement et des mécanismes de déformation. Pour identifier un pli, la présence d'horizons repères ou de surfaces de référence (anisotropies) est nécessaire. Une substance est anisotrope si ses propriétés dépendent de la direction, et isotrope si elles sont homogènes dans toutes les directions. Dans les roches, les anisotropies peuvent inclure le litage, les fractures ou les foliations, entraînant des hétérogénéités rhéologiques.

Raccourcissement vs Plissement

• Le raccourcissement est la modification d'une longueur de référence horizontale.

• Le plissement est une forme de réponse des roches anisotropes au raccourcissement.

2. Éléments descriptifs des plis simples

Courbure

La courbure est inversement proportionnelle au rayon du cercle tangent. Le sens de la courbure estdéfini par la direction de sa convexité :

• Un pli antiforme a sa convexité vers le haut.

• Un pli synforme a sa convexité vers le bas.

Si le rayon de courbure est grand, la courbure est faible ;s'il est petit, la courbure est grande.

Éléments linéaires

• La charnière est la région du plus petit rayon de courbure.

• Le point d'inflexion est le point où la courbure change de sens.

• Le flanc est la zone entre les zones de charnières.

• La ligne de charnière est la région de courbure maximale et correspond à l'axe du pli pour un pli cylindrique.

• La ligne d'inflexion relie les points d'inflexion successifs.

• La ligne de crête relie les crêtes successives.

• La ligne de fosse/creux relie les fosses successives.

L'axe du pli pour un pli cylindrique est une ligne droite qui, déplacée parallèlement à elle-même, génère la forme du pli. Elle est l'intersection entre la surface axiale () et la couche plissée ().

Ligne de Charnière vs Axe de Pli

Bien que souvent interchangeables, ces termes ont des distinctions :

• La ligne de charnière réfère à un élément linéaire réel, ayant une orientation et une position spécifique dans un pli. Elle peut être droite ou courbée.

• L'axe du pli réfère à une ligne imaginaire avec une orientation spécifique caractérisant la géométrie et la direction du plissement, généralement droite.

Ces éléments sont généralement parallèles.

Éléments planaires

• Le plan axial ou surface axiale est la surface bissectrice de l'angle dièdre formé par les flancs, passant par les charnières consécutives. Sur les cartes géologiques, c'est la trace du plan axial qui est représentée.

• La surface d'enveloppe est tangenteà une même surface plissée, reliant les charnières des plis.

• La surface médiane joint tous les plans d'inflexion.

Axes cinématiques

Les axes cinématiques sont a, b et c :

• c est la normale (perpendiculaire) au plan axial.

• b est parallèle à la ligne de charnière (ou axe du pli).

• a estperpendiculaire à b et contenu dans le plan axial, indiquant la direction du transport tectonique.

Le plan axial correspond au plan "ab", et le profil au plan "ac".

Symétrie

Une surface plissée peut avoir zéro, un ou deuxplans de symétrie :

• Orthorhombique : 2 plans de symétrie.

• Monoclinique : 1 plan de symétrie.

• Triclinique : aucun plan de symétrie (0).

Types de plis selon la courbure

• Les plis cylindriques ont une charnière rectiligne, des flancs d'orientation constante et des surfaces axiales planes.

• Les plis non cylindriques ont des lignes de charnière curvilignes et des flancs d'orientation variable.

• Les plis coniques sont engendrés par une génératrice tournant autour d'un point fixe.

• Les plis quelconques (non cylindriques) n'ont pas de génératrice systématique.

• Les plis curviplanaires (non cylindriques) ont une charnière courbe.

Caractéristiques du profil

Le profil est une coupe perpendiculaire à l'axe du pli, permettant de visualiser la géométrie réelle du pli.

• L'angle d'ouverture se mesure dans le profil à l'aide des tangentes aux points d'inflexion.

• La longueur d'onde () est la distance entre deux lignes de charnières sur la même surface enveloppe.

• L'amplitude correspond au demi-écartement entre les deux surfaces enveloppes.

Attitude des plis

L'attitude de l'axe et du plan axial caractérise les plis selon leur plongement et leur déversement. Le sens de déversement est toujours opposé au sens dupendage du plan axial. L'angle de déversement est mesuré dans le profil entre la trace du plan axial et la surface médiane.

Asymétrie

L'asymétrie permet d'inférer des structures à grande échelle à partir de plis de petite échelle.

• Un pli symétrique a des courbures de flancs semblables.

• Un pli asymétrique ne respecte pas cette similarité.

La règle pour l'asymétrie utilise deux flancs longs et un flanc court. Les axes desplis asymétriques sont généralement parallèles à l'axe du pli d'ordre supérieur.

3. Classification des plis

Déversement vs Plongement

Épaisseur des couches plissées

• Les plis isopaques : chaque couche a une épaisseur constante dans le pli.

• Les plis anisopaques (ou semblables) : l'épaisseur varie le long d'une couche.

Classification basée sur les lignes isogoniques

Les lignes isogoniques sont des lieux de points de même pendage () dans le profil.

• Classe 1 : isogones convergents vers le cœur du pli.

  • Classe 1a : isogones perpendiculaires à la surface, épaisseur minimale à la charnière (anisopaque).

  • Classe 1b (pli parallèle) : isogones perpendiculaires àla surface, épaisseur constante (isopaque).

  • Classe 1c : isogones à faible convergence, épaisseur maximale à la charnière (anisopaque).

• Classe 2 (plis semblables) : isogones parallèles entre elles et auplan axial, épaisseur maximale à la charnière (anisopaque).

• Classe 3 : isogones divergents vers le cœur du pli (anisopaque).

Classification par la forme

Elle utilise l'orientation de la convexité des plis lorsque l'âge ou la polarité sont inconnus.

• Antiforme : convexité vers le haut.

• Synforme : convexité vers le bas.

Classification par la relation chronologique

Utilisée quand la polarité des couches est connue (ordre de superposition).Le cœur d'un pli est à l'intérieur de la courbure.

• Anticlinal : cœur ancien, extérieur plus jeune.

• Synclinal : cœur jeune, extérieur plus vieux.

Classification combinée : Forme et Chronologie

• Pli normal : l'ordre stratigraphique est respecté (synclinal synforme, anticlinal antiforme).

• Pli inversé : les flancs sont inclinés au-delà de la verticale, inversant la série stratigraphique (anticlinal synforme, synclinal antiforme).

Pli major et pli minor

• Pli majeur (ou principal) : la plus grande structure plissée.

• Plis mineurs (ou parasites) : des structures plus petites àl'intérieur du pli majeur, génétiquement liées.

• Dans un ensemble de plis, on distingue les plis de premier, deuxième et troisième ordre.

Des ensembles de plis peuvent former des anticlinoriums et synclinoriums sur degrandes échelles.

4. Plis et clivage axial

Des structures planaires peuvent se développer, souvent parallèles au plan axial, comme le clivage de plan axial. Une foliation parallèle au plan axial peut se former simultanément au plissement. Les éléments clés à considérer pour les plis mésoscopiques sont :

1. L'axe (direction et plongée).

2. Le plan axial (direction et pendage).

3. La nature de la surface plissée (, , etc.).

4. Laprésence d'une surface plissante (ex : schistosité de plan axial).

5. Les caractéristiques du profil (angle d'ouverture).

6. La symétrie ou l'asymétrie.

5. Attitude de la surface plisséeet stéréonets

• Pour les plis cylindriques : les plans de stratification se recoupent sur une ligne (axe de pli). Leurs pôles forment un grand cercle sur la projection stéréographique, ayant l'axe de pli comme pôle. Les axes deplis mesurés sont constants.

• Pour les plis irréguliers : les plans plissés ne se recoupent pas en une ligne, et leurs pôles ne se dispersent pas sur un grand cercle.

• Pour les plis coniques : les plans plissés ne se recoupent pas en une ligne, et leurs pôles se dispersent sur un petit cercle centré sur l'axe de pli.

6. Mécanismes de plissement

Les plis résultent souvent d'une combinaison de mécanismes variés.

Rôle actif

A) Flambage (buckling)

Le flambage se produit lors du raccourcissement d'une strate compétente dans une matrice moins compétente, parallèlement à la stratification. Il implique une distorsion du matériel sans changement de l'épaisseur des couches (pli isopaque). La déformation est concentrée dans la charnière. La partie extérieure d'une couche (extrados) est en extension, et la partie intérieure (intrados) est en contraction.

B) Flexion et glissement (flexural slip, flexural flow)

Ce mécanisme implique une distorsion dumatériel sans changement de l'épaisseur des couches (plis isopaques). La déformation interne est accommodée par des cisaillements simples entre les couches. L'asymétrie du pli est souvent liée à ces mécanismes.

Plis isopaques et fractures associées

On peut observer des fractures associées :

• En charnière : souvent des veines de tension (ex: veines de quartz subverticales).

• En flanc : souvent des veines par glissement (ex: veines de quartz sub-horizontales).

Rôle passif

A) Plissementpar aplatissement hétérogène

Implique un fluage parallèle au plan axial par déformation coaxiale, caractéristique des zones de cisaillement ou des croûtes moyennes à inférieures. Caractérisé par un gonflement perpendiculaire à la contrainte principale et un raccourcissement parallèle à celle-ci.

B) Fluage par cisaillement simple/écoulement (plis semblables)

Le fluage parallèle au plan axial, par déformation coaxiale, entraîne passivement les couches par cisaillement progressif. Typique des zones de cisaillement.

Contraste de ductilité

Le contrastede ductilité est une combinaison de mécanismes :

• Matériaux à faible résistance mécanique : déformation par aplatissement et écoulement.

• Matériaux à forte résistance mécanique : contribution importante de la flexure.

Les propriétés mécaniques varient avec lapression, la température, la composition, la fugacité des fluides, le taux d'application des contraintes et la pression de confinement.

• Des couches compétentes proches peuvent se plier comme une seule couche, formant des plis harmoniques.

• Des couches compétentes éloignées ou d'épaisseurs différentes peuvent se plier de manière indépendante, formant des plis dysharmoniques.

• L'alternance de couches épaisses et minces peut produire des plis polyharmoniques, où les couches épaisses contrôlent la longueur d'onde.

7. Principaux types de plis

• Plis isopaques : épaisseur constante des couches.

• Plis anisopaques ou semblables : épaisseur variable des couches.

• Plis concentriques : charnières circulaires, faible courbure.

• Kink band (bandes en genou) : flexures anguleuses le long d'une bande étroite, charnière ondulante. Communs dans les zones de cisaillement.

• Plis en chevron : flancs plats et charnière anguleuse très réduite, formés par flexion et glissement.

• Plis déracinés : plis détachés de leur couche d'origine par déformation intense.

• Plis coffrés : sommet plat, flancs verticaux ou presque,avec deux plans axiaux et charnières.

• Plis ptygmatitiques : plis irréguliers et complexes, typiques des roches métamorphiques (migmatites).

• Plis de crénulation : microplissement d'une fabrique préexistante.

• Plis en fourreau : plis curviplanaires à axes courbes, souvent dans des zones très déformées ou de cisaillement. Leurs axes sont parallèles à la linéation d'étirement.

Points clés à retenir

• La déformation ductile comprend les plis, une courbure des éléments planaires ou linéaires dans les roches.

• Les plis sont décrits par des éléments linéaires (charnière, flancs) et planaires (plan axial).

• La classification des plis prend en compte l'attitude (déversement, plongement), l'épaisseur des couches (isopaques/anisopaques), la géométrie des isogones et la chronologie des couches.

• Les mécanismes de plissement incluent le flambage, la flexion-glissement (rôle actif) et l'aplatissement,le fluage par cisaillement (rôle passif), souvent influencés par le contraste de ductilité.

• Divers types de plis (concentriques, en chevron, ptygmatitiques) reflètent des conditions et des mécanismes de formation spécifiques.