La rupture du matériau peut intervenir au-delà de la limite élastique et au-delà du comportement plastique. Nous allons étudier ici les aspects macroscopiques de la fracturation. L'objectif est toujours de faire la relation entre les déformations (ici de la fracturation) et les directions principales de l’ellipsoïde des contraintes.

a : A pression ambiante (σn = 1 bar) un échantillon déformé en compression (contrainte uniaxiale verticale) cède par des fractures qui sont grossièrement parallèles à l’axe du cylindre, c'est à dire à σ1. Au sein des fractures il y a un écartement des lèvres perpendiculaire au plan de fracture. Il s’agit de fractures de type fentes d’extension. C’est un écartement des deux lèvres sans déplacement latéral.

b : Si l’on augmente la pression de confinement et la contrainte σ1 les fractures s’inclinent par rapport à l’axe du cylindre et le déplacement entre les deux lèvres devient parallèle à la fracture. On parle alors de décrochement. C’est une fracture de cisaillement.

c : Pour une pression de confinement supérieure les fractures de cisaillement se multiplient et leurs décrochements individuels diminuent. Elles deviennent symétriques par rapport à l’axe du cylindre. On parle alors de fractures conjuguées. L'angle que fait les fractures avec la direction de la contrainte principale croit pour arriver à un angle maximum de 45°.

d : Enfin, pour des pressions de confinement élevées. La déformation devient pénétrative : l'ensemble du volume de l'échantillon est affecté. C’est-à-dire que le comportement de l’échantillon peut être considéré comme ductile mais à l’échelle macroscopique. En fait à l’échelle microscopique, la déformation se traduit par l’effet conjugué de mouvements discontinus.

Voici des résultats d'essais avec la pression de confinement augmentant de la gauche vers la droite.

Ces divers comportements peuvent s’expliquer avec la courbe contrainte / déformation. Si la pression de confinement augmente, le domaine ductile augmente. La rupture se produit donc pour des contraintes plus importantes. Les fractures seront plus réduites mais en nombre bien plus important.

Le schéma relations contraintes vs fracturations :

Dans le cas d’une contrainte triaxiale l'orientation des fentes d’extensions et des fractures de cisaillement est logique par rapport aux contraintes. Leur étude va donc permettre de retrouver l’ellipsoïde des contraintes :

• Les fentes d’extension (en rose sur le schéma) se produisent dans le plan σ1-σ2, c’est à dire perpendiculairement à la direction de σ3. Ce qui est logique : elles vont s'ouvrir dans la direction de la contrainte minimale. Les fentes d'extension sont toujours parallèles à σ1.
• Les fractures de cisaillement (en jaune sur le schéma) sont inclinées par rapport à σ1 et contiennent la direction de σ2.

Exemple d’un affleurement dans les Alpes :

Regardons la relation entre les deux failles visibles dans le paysage et la direction des contraintes σ1 et σ3.

Il s'agit de deux failles normales, nous sommes donc dans la partie inférieure du diagramme. σ1 est donc vertical et σ3 horizontal. Les deux failles normales sont donc crées par de l’extension à peu près horizontale.

Une fracture (ou lithoclase) est une surface de discontinuité qui résulte de la rupture d’une roche ou d’un massif rocheux.

Plusieurs types de fractures existent :

• Fracture sans déplacement des lèvres : les diaclases et les joints.
• Fracture avec écartement des lèvres : les fentes d'extension (ou de tension).
• Fracture avec resserrement de lèvres : les joints stylolitiques.
• Fracture avec déplacement tangentiel des lèvres : les failles.

Dans le cas d’une fracturation sans déplacement relatif c’est à dire sans rejet on parle donc de joint ou de diaclase. L'érosion est facilitée au niveau des diaclases. Ainsi le débit des roches et des bancs se fait souvent en fonction des fragilités de la roche qu'elles induisent.

Les joints et les diaclases sont des surfaces de débit des roches, n’impliquant ni déplacement ni remplissage. C’est ce que l’on appelle des fractures sèches.

Les joints et fractures se développent préférentiellement dans les roches compétentes (calcaires, roches éruptives…).

Dans cet exemple le réseau de diaclase entraîne un débit orthogonal spectaculaire.

Exemple ici de diaclases dans les flysch du Pays basque. Les diaclases entraînent un débit typique des bancs en dents de scie : c'est le débit en baïonnette.

Sur cet autre exemple 3 familles de diaclases existent :

• Une famille horizontale
• Une famille verticale
• Une famille à 45°

Le résultat est un débit particulier en forme de tétraèdres

Les diaclases sont plutôt perpendiculaires au plan des couches et les joints plutôt parallèles ou obliques.

Les fentes d’extension se distinguent des joints et diaclases par un remplissage témoignant d’une certaine ouverture. Le déplacement responsable de l’ouverture s’effectue perpendiculairement à la fracture.

Les fentes d’extension sont parallèles à σ1 et leur ouverture se fait parallèlement à σ3.

Les fentes d’extension sont souvent parallèles entre elles et s’associent suivant un système en échelon. Si on considère ce système comme des marches d’escalier, si on descend vers la gauche on dira qu’un système en échelon présente un pas à gauche et vers la droite un pas à droite.

Un tel système s’inscrit parfois à l’intérieur d’une bande limitée par deux failles parallèles, c’est à dire deux zones en cisaillement.

Si l'on replace les fentes d'extension par rapport au diagramme contraintes vs fracturation, ces deux zones en cisaillement correspondent à une des famille de fracturation oblique. Dans cet exemple il s'agit de la famille dextre.

Si la déformation liée à l’ouverture des fentes s’accompagne d’une certaine ductilité les fentes peuvent s’incurver. Deux cas peuvent se produire :

• a : il s’agit d’un cisaillement ductile localisé à la périphérie de la fente. Ce sont les terminaisons qui s’incurvent dans le sens du cisaillement.
• b : il s’agit le cisaillement ductile est localisé dans la partie centrale de la fente. Cette fois c’est la partie centrale de la fente qui s’incurve.

Les fentes d'extension sont un marqueur important de la déformation. Directement à l'affleurement elles permettent assez facilement de retrouver σ1, σ2 et σ3.

Les fentes d’extensions sont souvent parallèles. Il peut se produire des cas ou l’extension est oblique. L’orientation de l’ouverture peut être connue grâce aux croissances minérales dans les fractures (souvent de la calcite ou du quartz).

La croissance minérale opère généralement en fibres ou en feuillets parallèles. Voici deux exemples :

• a : Une ouverture perpendiculaire à la fracture. Les fibres restent perpendiculaires aux lèvres.
• b : L’ouverture est oblique, les fibres tendent à suivre dans leur croissance l’ouverture.

Ci-dessous un exemple avec une ouverture oblique, les fibres de calcite ne sont pas perpendiculaires aux lèvres de la fracture.

Ci-dessous une photo aérienne montrant des filons doléritiques injectés dans des sédiments paléozoïques. Cette photo a été prise dans le Sahara algérien.

Deux familles de filons sont observables :

En bas trois grands filons d'environs 4 km de long et parallèles entre eux.

En haut de nombreux petits filons de moins d'1 km de long avec une allure en échelon. Ces petits filons ont une forme ne S, sûrement liée à un décrochement senestre.

Ces filons sont des fentes d'extension à l'échelle crustale cette fois. En comparant cette photo aérienne avec le diagramme contraintes vs fracturation retrouvez σ1 et σ3.

Les joints stylolitiques, appelés généralement stylolites, sont visibles à l’affleurement par des dentelures finement hérissées. Ces joints s’observent essentiellement dans les formations calcaires ou marno-calcaires.

En 3D, il s'agit de surfaces présentant une structure en forme de colonnettes et de creux s’interpénétrant.

Les colonnettes sont toujours parallèles à la direction de contrainte principale σ1. De ce fait les joints stylistiques sont fréquemment perpendiculaires aux fentes d’extension.

Leur formation est liée à une dissolution sous contrainte. La dissolution affecte essentiellement les carbonates et entraîne une concentration de minéraux phylliteux, par exemple des argiles.

Nous allons nous intéresser un peu plus en détail à cette photo. Ici les joints stylolitiques sont associés à des fentes remplies de calcite, il s'agit de fentes d'extension.

Tout d'abord l’orientation des stylolites et des fentes vous parait il logique ?

Comment se fait t’il que l’on ne retrouve pas le même nombre de joints stylolitiques de part et d’autre des fentes ?

En fait l’allongement créant les fentes est contemporain du raccourcissement ayant crée les stylolites. Les deux figures se sont formées simultanément. La calcite dissoute au niveau des joints stylolitiques est venue se cristalliser au niveau des fentes d'extensions.

Retrouvez la direction de la contrainte principale σ1 et minimale σ3.

Le terme faille provient du français faillir. L’origine du mot vient du fait que les mineurs perdaient leur filon au contact d’une faille. Résultat : ils faisaient … faillite.

Définition : cassure de terrain avec déplacement relatif des parties séparées.

Dans la pratique l’utilisation du terme faille est plus restreinte :

• Le terme faille n’est couramment utilisé que lorsque le déplacement relatif est vertical ou à fort pendage.
• Si le déplacement relatif est horizontal et sans recouvrement on parle de décrochement.
• Si le déplacement relatif est à faible pendage avec un recouvrement important on parle de chevauchement. Lorsque le chevauchement est de grande amplitude (plusieurs dizaines à centaines de kilomètres) on parle de charriage. Dans le cas d'un charriage le matériel déplacé (matériel allochtone) est appelé nappe de charriage.

Voici un bloc diagramme théorique affectant des couches horizontales. Tout d’abord les deux parties sont appelées compartiments. Les bords des compartiments sont appelés les lèvres.

Le rejet correspond au déplacement relatif des deux blocs : ici AB. Ce rejet peut être décomposé en deux rejets :

• le rejet pente, mesuré selon la plus grande pente : ici AD.
• le rejet longitudinal mesuré selon l’horizontale : ici AC.

Il est surtout intéressant de décomposer le rejet pente, c’est à dire AD. Celui-ci peut se décomposer-en :

• AE, le rejet vertical, c’est à dire la différence d’altitude entre les deux blocs.
• ED, le rejet transversal, c’est à dire la valeur d’allongement dans le cas d’une faille normale et le raccourcissement dans le cadre d’une faille inverse.

Dans une faille normale ou faille inverse, la composante verticale du rejet est dominante.

Dans un décrochement le déplacement est surtout horizontal.

• a : Faille normale.
• b : Faille inverse.
• c : Décrochement senestre.

Il existe des cas intermédiaires où le rejet est oblique.

• d : Décrochement senestre normal.
• e : Décrochement senestre inverse.

Les failles normales résultent d’une extension. Si l'on fait un forage vertical coupant une faille normale des terrains vont manquer : ici les terrains en bleus. Une faille normale est un accident soustractifs.

Certaines failles normales se couchent progressivement avec la profondeur. On appelle de telles failles, des failles listriques. En profondeur elles deviennent sub-horizontales en raison du comportement plus ductile de la croûte inférieure. En raison du déplacement courbe, les couches sédimentaires, initialement horizontales vont basculer d’un angle croissant. On parle de sédimentation syn-rift. Dès l’arrêt du fonctionnement de la faille, les nouvelles couches sédimentaires déposées, se retrouvent horizontales. On parle de sédimentation post-rift. Il s’agit ici d’un profil de sismique réflexion obtenu dans le golfe de Gascogne, au sein de la marge passive Ouest Armoricaine. Les failles listriques sont typiques de l’ouverture des grabens.

Les failles inverses résultent d’une compression. Il s’agit d’accidents additifs. Cette fois si l'on fait un forage, des terrains vont être traversés deux fois, ici les terrains en bleus : on parle de duplex.

Les surfaces de fracture des failles inverses sont souvent influencées par la nature des roches et leur compétence (une roche est dite compétente si elle est rigide et a donc tendance à se fracturer plutôt qu'à plier lorsque soumise à un état de contrainte).

Les failles inverses vont traverser les couches compétentes (calcaires, grès) avec un pendage important on parle de rampe.

Les failles inverses vont traverser les couches moins compétentes (argiles, marnes) avec un faible pendage et forment souvent des surfaces de glissement presque parallèles aux strates : on parle de palier.

Résultat : les failles inversent se déplacent préférentiellement dans les roches faciles à déformer. La nature est paresseuse…

Pour le cas des décrochements, c’est le rejet longitudinal qui est le plus important. Le rejet vertical étant généralement faible.

Les décrochements les plus connus sont les failles transformantes. Attention le jeu d'une faille transformante est inverse du décalage de la dorsale ! Ici l'axe de la dorsale se décale vers la gauche et la faille transformante a un jeu dextre.

Les failles s‘associent souvent en système conjugué. Ce sont des failles qui résultent d'une même contrainte et qui ont généralement fonctionné en même temps, elle accommodent le même mouvement.

On distingue alors des systèmes en extension, en raccourcissement et en poinçonnement.

Les systèmes en extension : Horsts et Grabens :

On appelle graben ou fossé d’effondrement les compartiments limités par des failles normales. Le terme rift est réservé aux grabens d’une certaine dimension (largeur 10 km, longueur 100 km). Les compartiments qui apparaissent comme soulevés sont appelés horst.

Attention horst et graben sont limités uniquement par des failles normales. Il s’agit bien dans les deux cas de figures d’extension.

Voici une coupe du fossé rhénan. Cette coupe montre bien l’allure des failles conjugués. Il ne s’agit en fait qu’une succession de horst et graben délimités par des failles normales.

Le fossé rhénan a fonctionné à l’Oligocène. L'âge a été donné par l’étude des terrains sédimentaires tertiaire. Les autres fossés d’effondrement français présentent des structures tout à fait comparables. Parmi les plus célèbres, les limagnes d’Allier et de Loire.

Les systèmes en compressions : failles inverses et chevauchements :

Pour ce qui est des systèmes de failles conjuguées en compression, l'exemple le plus courant est la chaîne de montagne. Un exemple type est la chaîne de Pyrénées avec une forme symétrique en éventail du réseau de failles inverses et de chevauchements. Il s’agit ici d’un profil sismique ECORS qui traverse toute la chaîne. La morphologie des failles a permis de mettre en évidence le poinçonnement de la plaque iberique, au sud par la plaque européenne.

Les poinçonnements :

L’exemple le plus courant de poinçonnement est la collision continentale. L'exemple présenté ci-dessous concerne la collision entre l’Inde et la plaque eurasienne.

Cette collision a entraînée de grands chevauchements vers le Sud et un raccourcissement de la plaque Nord Indienne d’environs 1000 km. Un raccourcissement du même ordre est enregistré par la plaque asiatique. L’Inde pénètre donc la plaque asiatique à la manière d’un poinçon. De grands décochements affectent la zone. Ce sont des failles conjuguées. Il s'agit des familles dextres et senestres obliques à σ1 du schéma contraintes vs fracturation.

Le lac Baïkal situé à environ 3000 km au nord de l'Himalaya est un rift continental issus d'un mouvement de divergence perpendiculaire à l'orientation de la collision indienne. Le lac Baïkal est donc parallèle à σ1. Il s'agit d'une fente d'extension à l'échelle crustale liée à la collision indienne.

La nomenclature se complique lorsque le champ de contrainte provoque à la fois des failles et une modification des pendages des couches, c'est à dire un basculement des terrains.

Une faille est synthétique si son jeu qui s’ajoute au mouvement de soulèvement ou d’abaissement général.

Une faille est antithétique si son jeu réduit le soulèvement ou l'abaissement général.

Une surface de faille est habituellement une surface gauche, très rarement un plan parfait. Les mouvements des lèvres déterminent donc des secteurs en extension et des secteurs en compression.

Dans les secteurs en extension peuvent se retrouver des dominos ou de fibres allongées parallèlement à la surface de la faille.

Dans les secteurs en compression peuvent se retrouver des brèches constituées de fragments rocheux broyés, mais également des stylolites.

L’étude de toutes ces structures associées aux failles va nous permettre d’avoir des informations sur les déplacements relatifs liés aux failles.

Il s’agit de fentes d’extension d’une structure un peu particulière. On peu délimiter deux familles de plans différents. Une famille de plans actifs (en pointillés rouges) le long duquel s’effectue le mouvement et une famille de plans passifs (en pointillés bleus).

Voici une représentation théorique de la formation d’un domino. A l’intérieur de l’espace vide il y a recristallisation, fréquemment de la calcite.

A une autre échelle voici des dominos crées par un décrochement senestre le long de la faille Nord pyrénéenne. Cette fois on change complètement d’échelle, mais vous voyez que les structures restent les mêmes. A l’intérieure des espaces vides crées par le jeu de la faille il a formation de bassins sédimentaires de type pull-apart.

On constate souvent que les couches sont rebroussées au voisinage des failles. On parle de crochon de faille. La forme des crochons va nous donner directement des informations sur le jeu de la faille. En fait le rebroussement de la couche est en sens inverse du mouvement.

Exemple de crochon de faille dans des alternances de marnes et calcaires. Il s'agit ici d'une faille inverse.

Exemple de crochon + rampe et palier

Dans des cas assez rares le plan de la faille peut être mis à jour par l'érosion ou par le jeu de la faille : on parle de miroir de faille. Les déplacements des deux blocs y ont laissé des stries, cannelures, écailles qui vont nous permettre de reconstruire les déplacements relatifs des deux blocs.

Les stries sont des rayures dues à l’empreinte d’objets dur entraînés le long d'une lèvre et creusant l’autre lèvre.

Sur cette photo, les stries sont en relief et se terminent brutalement par des objets en relief. L’extrémité correspond à la fin du trajet de l’élément striateur. Ce compartiment s’est donc déplacé de la droite vers la gauche. Il s’agit d’un décrochement senestre.

Attention ces stries donnent des indications uniquement sur le dernier déplacement de la faille.

Il s’agit d’une combinaison entre des stries et de la cristallisation, ici de la calcite. Dans ce cas le plan de faille est enduit de produits de recristallisation. Ces recristallisations ont généralement un aspect fibreux. qui indique la direction du mouvement. Le meilleur critère pour déterminer le sens du déplacement consiste dans l’observation des reliefs qui limitent les enduits de calcite fibreuse. La terminaison abrupte des recristallisations permettent de retrouver le sens du mouvement.