Déformations, contraintes, plis et failles

Les plis

Définition

Les plis sont des déformations souples résultant de la flexion ou de la torsion des roches. Ils sont la manifestation la plus spectaculaire de la déformation ductile.

a : raccourcissement parallèle à σ1 — b : axe de rotation (axe de pli) — c : mouvement vertical

Il existe une abondante terminologie pour décrire les plis :

Géométrie des plis

  • Symétrie d'un pli

Schéma montrant la disposition des axes et des plans de symétrie d'un pli.
Plans de symétrie (M etM') et axes géométriques (A, B, C) d'un pli
Surface plissée définie par ses génératrices

Complément

Les plis sont dits cylindriques car ils sont engendrés par une génératrice (l'axe du pli) qui se déplace parallèlement à elle-même. A l'opposé, un pli conique est engendré par une génératrice se déplaçant par rotation autour d'un point fixe O.

Un pli similaire par translation le long de son axe est un pli cylindrique. Si l'axe est courbé, il peut définir des structures en dômes et bassins.

Allure de quelques type de plis
  • Eléments d'un pli

Les éléments d'un pli

Un pli est courbé le long de son axe[1] ou charnière[2] si vu en section. L'ensemble des axes de toutes les surfaces des plis définit une surface ou un plan axial. Entre les charnières, on a des flancs. Le point topographiquement le plus élevé est appelé la crête du pli.

Disposition en coupe des lignes de crêtes, de creux, des charnières et des axes d'une surface plissée

Fondamental

Les plis sont caractérisés par des lignes et surfaces remarquables : la charnière[2], l'axe[1], la surface axiale ou le plan axial, le cœur du pli, qui est opposé à la voûte.

Illustration des lignes et surfaces remarquables d'un pli
  • Forme des plis

En section, un pli est unantiforme si ses flancs pendent dans des directions opposées, et un synforme si leurs pendages convergent. Si les couches les plus jeunes sont au cœur du pli, on parle de synclinal, sinon d'anticlinal.

L'axe du pli peut être indifféremment horizontal, vertical ou incliné.

Forme des plis

Remarque

Tous les antiformes ne sont pas forcément des anticlinaux. Le cas à droite est appelé « tête plongeante », et on le trouve dans les domaines de nappes ductiles (Montagne Noire...).

  • Profil des plis

Les plis peuvent être plus ou moins serrés ; on parle par exemple de plis ouverts, serrés ou isoclinaux.

Forme des plis
  • Orientation

Il existe une classification des plis en fonction du plongement de l'axe et du pendage du plan axial. Elle est résumée dans le diagramme de Fleuty (1964)

Diagramme de Fleuty (1964)

Remarque

Un pli déversé (plongement du plan axial d'environ 30°) a en général un flanc normal, et un flanc inverse.

Epaisseur des couches

Il existe deux types principaux de plis en fonction de l'épaisseur des couches :

  • Les plis dans lesquels chaque couche a une épaisseurconstante dans tout le pli. Cela entraînedes problèmesd'espace au cœur du pli, accommodés par un mécanisme de « bourrage » desniveaux ductiles dans le cœur du pli (Alpes).

  • Les plis dans lesquels l'épaisseur varie le long d'unecouche, ce qui permet de les « empiler » indéfiniment.

Plis isopaques et anisopaques

Les plis isopaques se retrouvent principalement dans les matériaux compétents tandis que les plis anisopaques concernent généralement des matériaux incompétents.

L'alternance de matériaux compétents et incompétents va créer des géométrie de plis assez particulières :

  • Lorsqu'il se crée des bourrages, les couches se laminent ce qui donne des plis disharmoniques.

Pli disharmonique
  • Un décollement peut se produire quand il existe une indépendance totale sur le plan tectonique entre deux terrains. Le niveau de décollement est souvent une couche argileuse surplombant un socle rigide et surmonté de séries sédimentaires.

Illustration d'un décollement
  • Dans le cas où les couches situées au cœur du pli traversent les couches plus externes, on parle de pli diapir.

Différents types de plis diapir

Un pli couché ou déversé dont le flan inverse va se laminer peut évoluer en pli-faille puis en chevauchement.

Schéma cinématique illustrant la notion de pli-faille

Remarque

Le chevauchement est conçu comme un stade ultime du plissement résultant de la rupture du flanc court (ou inverse) du pli.

La faille recoupe les couches dans la partie centrale du pli mais remarquez qu'elle les suit latéralement à l'arrière comme vers l'avant de la structure. On retrouve ici la notion de décollement.

Un pli-faille peut évoluer vers un chevauchement de portée hectométrique alors que les nappes de charriage[3] sont des masses de terrain transportées sur plusieurs kilomètres et dont le contact, très complexe, avec les formations sous-jacentes est toujours malaisé à traverser par des ouvrages souterrains.

  • Les plis en genou ou plis en chevrons (kink bands) sont en général de faible amplitude et se créent dans des roches plastiques. Ils ont une charnière très serrée comparativement à la longueur de leurs flancs.

  • Les plis ptygmatiques sont des plis irréguliers de formes lobées que l'on rencontre quand une couche compétente est encaissée par des couches à faible compétence. Ils ont des flancs courts par rapport à leurs charnières.

  • Un pli coffré est un pli à deux plans axiaux formé par l'association de deux plis monoclinaux, deux plis en genoux ou deux plans de cisaillement à sens de rejet opposé (ou deux kink bands conjugués). Il a trois flancs et deux charnières.

  • Les plis déracinés ont des flancs rompus par des cisaillements

Fondamental

Les différents types de plis sont définis d'après leur géométrie, elle-même conditionnée par la nature du terrain et par l'orientation des directions de contraintes principales.

L'amplitude des plis est très variable, du centimètre à plusieurs kilomètres.

Pli centimétrique dans un gneiss (La Chaume, Sable d'Olonne, France)
Pli couché hectométrique
Différents types de plis
  1. axe d'un pli

    axe d'enroulement de la charnière

  2. charnière

    zone d'inflexion maximale d'un pli

  3. nappe de charriage

    ensemble de couches géologiques qui, lors d'une orogenèse, se sont décollées du socle et se sont déplacées sur de grandes distances

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