La Déformation Ductile II : Structures Planaires, Linéaires et Zones de Cisaillement

Ce document explore les structures produites par la déformation ductiledes roches, se concentrant sur les fabriques planaires et linéaires ainsi que les zones de cisaillement. Il est essentiel pour comprendre les processus géologiques sous-jacents à la formation des chaînes de montagnes et à l'évolution de la croûte terrestre.

Niveaux Structuraux dans la CroûteTerrestre

La déformation de la croûte terrestre varie en fonction de la profondeur, de la température et de la pression, entraînant des mécanismes et des marqueurs de déformation distincts.

Fabriques Tectoniques

Les fabriques tectoniques sont des anisotropies structurales résultant de la déformation des roches, à distinguer des fabriques primaires (S₀) liées à la sédimentation ou à la cristallisation ignée.

• La déformation ductile homogène entraîne la formation de tectonites.

• La fabrique d'une roche déformée est l'organisation orientée des minéraux et agrégats minéraux.

• Ces fabriques peuvent être planaires, linéaires ou aléatoires.

• Une roche dominée par une fabrique linéaire est une tectonite de type L.

• Une roche dominée par une fabrique planaire est une tectonite de type S.

• Une roche présentant les deux est une tectonite detype L-S.

• Au-delà de ~30% de raccourcissement en cisaillement pur, une anisotropie structurale planaire et/ou linéaire apparaît.

• Pour ~50% de raccourcissement, la trace d'une anisotropiepréexistante (ex: litage) à tendance à disparaître.

Les Structures Planaires

Les structures planaires, ou foliations, sont des surfaces privilégiées le long desquelles la roche se divise ou présente une hétérogénéité spatiale. Elles peuvent être continues ou espacées à l'échelle microscopique.

Définitions Générales

• Foliation : Terme général pour toute fabrique planaire ou curviplanaire, incluant les structures primaires (foliation primaire).

• Clivage : Foliation tectonique caractérisée par des minéraux métamorphiques invisibles à l'œil nu, formée dans des conditions de très faible grade métamorphique.

• Schistosité : Foliation tectonique définie par des minéraux feuilletés et grossiers,formée dans des roches à grain fin (faciès schistes verts à amphibolites).

• Gneissosité : Foliation marquée par des minéraux grossiers et une alternance de lits de composition différente (rubanement), typique des roches de degré métamorphique moyenà élevé.

Notation des Foliations

• Plusieurs éléments planaires dans une roche sont numérotés chronologiquement : .

• désigne la fabrique primaire,comme la stratification.

Types de Foliation

• Foliation de type continue (microlithons non distinguables à l'œil nu) :

  • Clivage ardoisier

  • Schistosité

  • Gneissosité

• Foliation de type espacée (microlithons distinguables à l'œil nu, foliation disjointe) :

  • Clivage de fractures

  • Clivage de crénulation

  • Clivage stylolitique ou anastomosé

  Microlithon : Domaine entre les plans de foliation où une structure préexistante est préservée.

Mécanismes de Formation des Éléments Planaires

• Micro-fracturation, parallèle et régulièrement espacée.

• Pression-dissolution.

• Rotation rigide d'objets préexistants.

• Déformation des cristaux.

• Cristallisation orientée de

nouveaux minéraux.

Foliations Primaires et Diagénétiques

• Fissilité : Fabrique planaire liée à la sédimentation des particules argileuses et à la compaction. Accentuait la fabrique primaire .

• Foliation de compaction : Acquise durant la compaction et la diagénèse, liée à la réorientation des minéraux et à la diminution de la porosité. Parallèle à la stratification ().

Foliations Secondaires ou Tectoniques

• Clivage ardoisier : Fabrique planaire faiblement espacée, associée au plissement et subparallèle aux surfaces axiales. Très régulier, formant des plaques d'ardoise.

  • Se forme par redistribution des minéraux, avec des domaines riches en quartz/feldspaths et d'autres en phyllosilicates.

  • Les phyllosilicates se réorientent avec le raccourcissement tectonique, menant à une ardoise.

• Clivage espacé (disjoint) : Observé dans les roches sédimentaires à grains plus grossiers, avec des microlithons plus importants. Moins de plans formés.

• Clivage de crénulation : Cas particulier de clivage espacé, superposé sur une schistosité ancienne et associé à des microplis(échelle centimétrique ou moins). Nécessite au moins deux phases de déformation.

  • Formation par pression-dissolution et rotation rigide due au plissement des microlithons.

  • Les microplis sont appelés crénulations.

  • Subdivision des roches clivées en domaines :

    • Domaine de foliation : Le clivage est bien développé, fabrique et minéralogie sont secondaires.

    • Microlithon : La foliation est peu développée, la minéralogie etfabrique préexistantes sont préservées.

• Schistosité : Foliation tectonique définie par des minéraux feuilletés et grossiers, visibles à l'œil nu, formée dans des roches à grain fin du faciès desschistes verts à amphibolites.

• Gneissosité : Alternances minérales dans des roches de degré métamorphique moyen à élevé (rubanement). Peut correspondre à :

  1. Différentiation et ségrégation métamorphique.

  2. Préservation d'un litage primaire.

  3. Migmatitisation (fusion in situ ou injections de magmas).

  4. Cisaillement (transposition) : phénomène où une fabrique planaire ou linéaire devient sub-parallèle à la foliation,souvent liée à un pseudo-litage. Commun dans les roches fortement déformées.

Relations entre Foliation et Stratification

• La foliation se forme généralement sub-parallèlement aux plans axiaux des plis.

• La ligne d'intersection de la schistosité (S₁) avec la stratification (S₀) est généralement parallèle aux axes des plis syn-tectoniques (P₁).

• Réfraction du clivage : Le clivage tendà être réfracté et aligné avec la stratification (S₀) dans les horizons rocheux plus fins (moins compétents) d'une séquence sédimentaire.

• Relation S₀/S₁ (critères de polarité tectonique) :

  • À la charnière d'un pli, S₀ et S₁ sont perpendiculaires.

  • Dans les flancs, S₀ et S₁ sont sub-parallèles.

    • Si le pendage de S₀< S₁ → flanc normal.

    • Si le pendage de S₀ > S₁ → flanc inverse.

  • L'angle aigu entre S₀ et S₁ est toujours orienté vers le cœur du pli (antiforme ou synforme).

Les Structures Linéaires

Les structures linéaires sont des éléments linéaires orientés sur les plans de foliation. Il est crucial d'identifier le plan de foliation sur lequel elles se trouvent.

Types de Linéations

• Linéation d'intersection : Résultent de l'intersection de deux plans (stratification, foliation ou deux foliations).

  • Intersection et donne une linéation d'intersection (), parallèle à l'axe des plis .

  • Intersection et donne une linéation d'intersection (), parallèle à l'axe des plis .

• Débit en crayon : Lié à l'intersection entre une fissilité et un clivage, ou entre deux clivages.

• Linéation de crénulation : Petits plis serrés à axes sub-parallèles, donnantun aspect de tôle ondulée. Se produit dans des matériaux finement laminés et ductiles.

• Linéation minérale : Orientation préférentielle de minéraux avec un habitus anisotrope (prismatique, aciculaire, tabulaire).

• Linéation d'étirement : Alignement d'objets allongés (clastes, fossiles) ou de minéraux. Indiquent le grand axe de l'ellipsoïde de déformation.

• Boudins : Couches de roches compétentes étirées en segmentsdistincts, indiquant une extension parallèle à la couche.

  • S'alignent dans le plan (X,Z) de la déformation, l'axe long du boudin est X.

  • Si l'extension est significative sur Y également, ily a formation de débit en tablettes de chocolat ().

  • La géométrie des boudins dépend du type de fractures (extension/cisaillement) et du type de déformation (cassante/ductile).

  • Les "pinch-and-swell" sont des amincissements réguliers de couches sans séparation complète.

• Structures en meneaux / mullions : Structures cannelées formant des linéations à l'interface de lithologies à forte différence de compétence. Liées à la compression.

Linéations et Plissement

• Parallèles aux axes de plis :

  • Linéations d'intersection (/schistosité de plan axial).

  • Mullions de plis.

• Perpendiculaires et/ou parallèles aux axes de plis :

  • Linéations d'étirement et minérales (généralement perpendiculaires, sauf pour les plis en fourreau).

  • Boudins.

Fabriques et Orientation de l'Ellipsoïde de Déformation

L'étude des fabriques permet de reconstruire l'ellipsoïde de déformation finie, défini par trois axes orthogonaux : X (le plus long), Y (intermédiaire)et Z (le plus court).

• Schistosité et ellipsoïdes des déformations : Le plan de schistosité contient généralement les axes X et Y et est perpendiculaire à l'axe Z. En cisaillement simple, la foliation tourne vers le plan de cisaillement.

• Linéations et ellipsoïdes des déformations :

  • Les linéations minérales (Lm) et d'étirement (Le) sont généralement alignées avec l'axe X (sauf pour les plis en fourreau ou les ellipsoïdes oblates).

  • Les linéations de boudinage se forment dans l'axe Y (sauf pour les tablettes de chocolat, où il n'y a pas de linéation unique).

  • Les linéations d'intersection et de crénulation peuvent être parallèles à l'axe Y.

Zones de Cisaillement et Déformations Ductiles Hétérogènes

Les zones de cisaillement sont des zones tabulaires de déformation plus intense que les roches environnantes. Elles sont dominées par ladéformation ductile et le cisaillement simple, bien qu'elles puissent aussi subir un cisaillement pur.

• Elles représentent l'équivalent en profondeur des failles cassantes.

• La déformation en domaine ductile est souvent partitionnée dans des zones étroites.

Nomenclature des "Roches de Faille" Ductiles

Les roches de faille sont classées selon trois critères :

1. Critère 1 : environnement cassant vs ductile.

2. Critère 2 : fabrique orientée vsnon-orientée.

3. Critère 3 : roches de faille cohésives vs non-cohésives.

Mylonites

La mylonite est une roche cohésive, fortement foliée, à grain fin àtrès fin, transformée par une déformation hétérogène localisée le long d'un cisaillement ductile. Elle contient d'importantes quantités de matériaux cristallisés dynamiquement, avec une forte fabrique linéaire et planaire.

• Classification des mylonites (en fonction de la proportionde porphyroclastes) :

  • Protomylonite : 90-50% des grains originels.

  • Mylonite : 10-50%.

  • Ultramylonite : <10%.

  • Blastomylonite : mylonite porphyroclastique.

• Mécanismes de déformation :

  • Amplification de la déformation ductile.

  • Réduction de la taille des minéraux cassants, formation deporphyroclastes.

  • Recristallisation dynamique.

• Les interactions entre les grains ductiles (matrice mylonitique) et les porphyroclastes permettent d'interpréter l'histoire structurale et le sens de cisaillement.

Indicateurs de Cisaillement

Ces indicateurs permettent de déduire le sens de cisaillement d'un matériau géologique ayant subi une déformation progressive non-coaxiale.

Indicateurs Macro- à Microscopiques

• Déflection/déplacement de marqueurs : Le sens de déplacement des marqueurs passifs ou la foliation oblique indiquent le sens de cisaillement.

• Fabrique C/S et bandes de cisaillement :

  • Plans C (cisaillement) : Surfaces trèsdéformées, proches des limites de la zone de cisaillement.

  • Plans S (schistosité) : Orientés à < 45° par rapport aux plans C.

  • Le sens de rotation de S par rapport à C indique le sens de cisaillement.

  • Les structures C' (bandes de cisaillement C') sont similaires aux fabriques C/S, mais se forment plus tard, souvent après qu'une forte foliation soit développée.

  • Dans une zone de cisaillement dextre, les bandes C' sont dans lesens des aiguilles d'une montre par rapport aux plans C. Inversement pour un cisaillement senestre.

Présence d'Objets Rigides

La présence d'objets rigides (porphyroclastes) ausein d'une matrice déformée peut résulter en la formation de structures asymétriques autour d'eux.

• Porphyroclastes asymétriques :

  • (a) Type Sigma : asymétrique.

  • (b) Type Delta : asymétrique avec rotation.

  • (c) Type Phi : symétriques (déformation coaxiale).

• Porphyroclastes fracturés :

  • (d) Synthétiques.

  • (e) Antithétiques.

  • (f) Imbriqués.

• Autres structures : ombres de pression (matériel de composition différente), auréoles de réaction, queues de recristallisation(même composition que l'objet rigide), sigmoïdes.

Plis d'Entraînement Asymétriques et Plis Intrafoliaux

• Plis intrafoliaux : Plis serrés à isoclinaux syn-cisaillement. Les flancs sont atténués et subparallèles à la fabrique de cisaillement. Ils sont souvent asymétriques et indiquent le sens de cisaillement.

• Plis en fourreau : Plis curviplanaires (non-cylindriques) dontles axes sont parallèles à la linéation d'étirement.

Déformation Progressive : Cisaillement Pur et Cisaillement Simple

L'observation de la rotation des marqueurs planaires dans la roche permet de distinguer les modes de déformation et d'évaluer le cisaillement.

Points Clés et Résumé

• Les fabriques tectoniques sont des indicateurs clés de la déformation ductile et ont des applications pratiques en exploration minière et pétrolière.

• Les foliations (clivage, schistosité, gneissosité) et les linéations (d'intersection, minérales, d'étirement) fournissent des informations sur les régimes de contrainte et le sens de déformation.

• Les zones de cisaillement sont des lieux