STRUCTUROLOGIE (géologie)

STRUCTUROLOGIE (géologie)

La structurologie est la science des structures, autrement dit de l’arrangement des différentes parties constituant un ensemble. Les procédés d’analyse qui s’y attachent sont naturellement utilisés dans un certain nombre de disciplines (métallographie, biologie, par exemple), mais ils ne sont envisagés ici que dans le cadre de la recherche géologique, dont ils forment une partie importante. La structurologie peut, en effet, être appliquée aux divers types de roches, déformées ou non, constituant l’écorce terrestre sous forme d’objets géologiques de tailles très différentes (allant de l’agrégat de quelques cristaux à la zone orogénique) et dont les caractères géométriques sont en relation avec les phénomènes dynamiques qui régissent leur formation. Les moyens d’étude de la structurologie consistent, dans un premier temps, à découvrir l’architecture de l’objet géologique considéré au moyen d’une analyse essentiellement géométrique pratiquée sur tous les éléments structuraux mesurables. Intervient ensuite l’interprétation des observations précédentes, par mise en relation de l’architecture de la roche avec les phénomènes susceptibles de l’avoir produite. Mais cette interprétation nécessite, dans la plupart des cas, une analyse cinématique, puis dynamique.

1. Analyse structurale géométrique

L’examen des corps géologiques aux diverses échelles (images acquises par des satellites, photographies aériennes, affleurements et lames minces) révèle des dispositions variées de la matière, appelées structures, que l’on peut grouper en trois catégories: axes (structures linéaires telles qu’alignements de minéraux et de galets, stries, axes de plis, intersections de surfaces), surfaces (surfaces de sédimentation ou d’érosion, surfaces d’origine mécanique, de mouvement ou de partage, liées aux déformations, surfaces de recristallisation, etc.) et volumes (lits, strates et couches, masses de roches volcaniques ou plutoniques, filons, zones de broyage).

Toutes ces structures définissables par leur description doivent être aussi définies dans l’espace par mesure de leur orientation. Pour cela, il est commode de les décomposer en éléments structuraux qui sont des plans ou des lignes (cf. tableau) et qui correspondent, au sein de la matière, à des hétérogénéités ou à des discontinuités pouvant être «pénétratives» ou «non pénétratives». On qualifie de pénétratives les discontinuités qui se répètent à des distances si petites, à l’échelle des observations, qu’elles peuvent être considérées comme étant présentes en un point quelconque de la matière; ce sont donc des éléments structuraux des domaines homogènes: stratification, foliation, schistosité, intersection de stratification avec schistosité. Les éléments structuraux non pénétratifs séparent, au contraire, des domaines distincts: ce sont, par exemple, des failles, des contacts éruptifs, des discordances, des fronts de métamorphisme, des diaclases, des cassures, etc. pour les éléments structuraux plans, et des intersections de surfaces pour les éléments structuraux linéaires. C’est l’interpolation entre les éléments structuraux observés en des points les plus nombreux possible dans un corps géologique, qui permet d’en reconstituer la géométrie. Mais un élément structural n’est caractéristique de la géométrie de la matière que dans un domaine forcément limité, au-delà duquel l’architecture de la roche est définie par d’autres éléments structuraux; l’analyse de toutes les structures d’une roche doit donc être faite à différents niveaux d’organisation (cf. TERRAIN-Géologie).

Du point de vue de leur origine, structures et éléments structuraux peuvent être classés dans deux grands ensembles: les structures primaires, qui sont contemporaines de la formation de la roche, et les structures secondaires, qui apparaissent ultérieurement, affectant les précédentes, et qui sont en particulier utilisées dans les études de tectonique ^{[cf. TECTONIQUE]}.

Structures primaires

Les structures sont dites primaires lorsqu’elles s’individualisent au cours de la genèse des roches, sédimentaires ou magmatiques, en réponse à divers processus.

Les roches sédimentaires résultent des phénomènes géodynamiques externes agissant à la surface de l’écorce terrestre (cf. roches SÉDIMENTAIRES). Là, l’altération et l’érosion des roches prééxistantes permettent la mise en mouvement d’éléments qui, après un transport plus ou moins long, vont se sédimenter, donnant naissance à des couches d’épaisseur et d’extension variées, généralement horizontales, car elles sont placées sous la dépendance de la gravité. Des conditions particulières de sédimentation (tels les paléocourants, l’action des organismes) peuvent faire apparaître des hétérogénéités à l’intérieur des couches ou à leur surface (stratification entrecroisée, ripple marks , flute casts ). Chaque structure est liée à des processus déterminés de la sédimentation; elle permet d’en retrouver les caractères orientés et est ainsi utilisable pour améliorer la connaissance des conditions de formation des roches ^{[cf. SÉDIMENTOLOGIE]}. Mais, en outre, lorsque ce matériel a subi des transformations secondaires, les éléments structuraux primaires qui persistent servent à reconstituer l’état initial de la roche, indispensable pour connaître ses modifications.

Les roches magmatiques présentent également des structures primaires. Ces roches sont issues de magmas qui font ascension dans l’écorce terrestre, et peuvent parfois même arriver jusqu’à la surface (cf. roches MAGMATIQUES). De tels écoulements déterminent une orientation des hétérogénéités du milieu magmatique en mouvement (cristaux, enclaves, différences de composition) et sont enregistrés, après solidification, sous forme de structures fluidales. Les fluidalités planaires se marquent soit par l’aplatissement d’enclaves, soit par le parallélisme des minéraux tabulaires, soit encore par les limites d’ensembles de composition différente, tels les schlieren (fig. 1), qui correspondent à des concentrations particulières de certaines espèces minérales. Dans les roches volcaniques, ces lits peuvent se distinguer par des compositions ou des textures différentes. Les fluidalités linéaires, généralement situées dans les surfaces précédentes, peuvent se marquer par l’allongement des minéraux aciculaires (cristaux d’apatite, par exemple) ou la disposition cozonale des minéraux tabulaires comme la biotite, parfois par des concentrations fusiformes. Ces orientations sont souvent visibles à l’œil nu, mais doivent quelquefois être étudiées au microscope; en revanche, elles deviennent très évidentes sur les affleurements lorsqu’il y a mélange de plusieurs magmas de composition différente, ou association de roches magmatiques et d’enclaves de roches métamorphiques ou sédimentaires. De toute façon, les fluidalités sont des éléments structuraux particulièrement continus; discernables au microscope, elles se manifestent en affleurements et il est possible de les suivre à l’échelle de la carte (cf. GRANITES, fig. 8).

On peut rattacher à ces structures primaires certains joints qui apparaissent en fin de cristallisation du magma, lorsque celui-ci change de propriétés rhéologiques en devenant rigide. Ce magma est cependant encore soumis à des contraintes résultant de sa propre mise en place dans l’écorce terrestre ou de son refroidissement, ce qui induit la formation de plans de rupture parfaitement définis par rapport aux fluidalités; un système de joints est parallèle à la fluidalité planaire, les deux autres sont perpendiculaires soit le long de la fluidalité linéaire, soit orthogonalement (fig. 2).

Structures secondaires

Les structures secondaires apparaissent dans les roches déformées (tectonites). Elles peuvent évidemment exister dans les roches sédimentaires et magmatiques soumises aux déformations, mais elles prennent leur plus grand développement dans les roches métamorphiques (cf. roches MÉTAMORPHIQUES). Elles oblitèrent parfois totalement les structures primaires, mais sont surtout intéressantes lorsqu’elles se superposent à celles-ci, car l’étude de leurs relations aide à reconstituer le mécanisme des déformations. Parmi les déformations observées dans les roches, et qui sont soit de type cassant, soit de type plastique, les déformations cassantes apparaissent comme les plus nettes et les moins compliquées. Elles se traduisent par des cassures qui se font sans déplacement apparent notable – et ce sont alors des diaclases ou des joints –, soit avec un déplacement de part et d’autre de la cassure – et ce sont alors, au sens large, des failles ^{[cf. FAILLES]}.

Les déformations souples se traduisent essentiellement par les plis, qui peuvent être extrêmement variés dans leur forme, leur dimension et les conditions de leur genèse (cf. PLIS - Géologie). Leur classification est fondée sur leur orientation dans l’espace, leur géométrie, leur style et leur symétrie. Il apparaît souvent, dans les roches, des schistosités de fracture ou de flux correspondant respectivement à un débitage de la roche et à un arrangement nouveau des particules. Ces schistosités résultent des mêmes contraintes qui ont produit le plissement des couches; ce sont des éléments structuraux importants, car leur disposition, généralement parallèle au plan axial des plis, suit de très près le plan structural d’ensemble et varie en même temps. Plusieurs schistosités peuvent être enregistrées dans une même roche, traduisant plusieurs phases de déformation; leurs relations géométriques sont utilisées pour établir la chronologie de ces phénomènes.

2. Traitement géométrique des éléments structuraux

La structure s’analyse dans tous les corps rocheux, sans tenir compte de leur taille. Une recherche structurologique complète devra donc être réalisée aux diverses échelles d’étude (mégascopique, macroscopique, microscopique et parfois submicroscopique), qui requièrent chacune des techniques propres et complémentaires. Les analyses macroscopiques et mégascopiques sont les plus largement utilisées. Les premières se pratiquent, à l’œil nu ou à la loupe, au niveau de l’affleurement et de l’échantillon, et c’est la synthèse ou l’extrapolation de leurs résultats qui font accéder à l’analyse mégascopique, indirecte; celle-ci fait également appel aux données géophysiques ou à l’analyse de la morphologie, à l’aide d’images satellitaires, de photographies aériennes et de cartes topographiques. Les études microscopiques, qui ont pris de plus en plus d’importance en structurologie, permettent de vérifier, d’amplifier, voire de modifier des informations nouvelles seulement accessibles au microscope. Elles s’intéressent bien sûr aux divers caractères morphologiques des minéraux (taille, forme, déformation, relations entre grains), mais trouvent leur plus grand intérêt dans l’étude statistique de l’orientation des minéraux, qui se pratique à la platine théodolite. Enfin, il est parfois nécessaire de recourir à l’étude submicroscopique, qui s’intéresse aux éléments trop petits pour être examinés au microscope et fait appel aux techniques de rayons X et de microscopie électronique.

Le but de l’analyse structurale géométrique étant de mettre en évidence l’architecture de l’objet géologique considéré, il convient de mesurer les orientations des éléments structuraux et d’en donner des représentations graphiques qui permettent de saisir leurs relations mutuelles, c’est-à-dire la géométrie des structures. En fait, cette analyse regroupe ordinairement deux méthodes distinctes et complémentaires. L’une s’intéresse aux structures qui sont des entités réelles ou des groupes d’entités, tels les plis, les failles ou les joints, et dont les caractéristiques sont représentées sur des cartes, des blocs-diagrammes, des coupes, des photographies, etc. L’autre est l’étude de la «fabrique», qui correspond à une analyse statistique des éléments structuraux pénétratifs comme la foliation, la schistosité, la stratification, parfois l’orientation préférentielle des minéraux. Elle porte généralement sur des centaines d’observations qui sont transcrites sur des diagrammes de fabrique facilitant l’étude statistique et faisant apparaître divers types de symétrie de la matière (fig. 3): tout élément de symétrie est en relation avec la symétrie du mouvement qui lui a donné naissance (principe de Curie). Ce type d’analyse a particulièrement été appliqué aux caractères microscopiques ou submicroscopiques des roches; le terme de fabrique (Gefüge des auteurs germaniques), cependant, inclut non seulement la microfabrique mais aussi les structures mégascopiques, auxquelles le traitement statistique peu fort bien être appliqué.

B. Sander et son école ont montré l’intérêt de cette «analyse microscopique de l’orientation des axes», ou AVA (Achsenverteilungsanalyse ), dans les cristaux, notamment dans le cas des tectonites monominérales; mais la méthode est utilisable de façon très générale. Elle est appliquée aux roches polyminérales, en particulier aux magmatites, dont elle clarifie la genèse des structures fluidales; les résultats confirment l’étroite liaison existant entre les orientations des grains minéraux et les structures d’ordre supérieur.

Cette analyse se pratique grâce à la platine théodolite. Dans les magmatites, par exemple, elle consiste à repérer l’orientation dans l’espace des différentes espèces minérales, constituant chacune une «sous-fabrique» de la roche. On détermine, par rapport au plan de la préparation, l’orientation d’éléments optiques (axes optiques et indices principaux) ou d’éléments cristallographiques (normales de clivage ou de plan de macle) des cristaux. Les données de chaque espèce minérale, portant sur plusieurs centaines de mesures, sont ensuite reportées par des points sur canevas iso-aire de Schmidt, au moyen de la projection stéréographique (fig. 4a). Des orientations préférentielles peuvent alors apparaître sur des diagrammes, sous forme de concentrations de nature et de degré différents qui traduisent la symétrie de la fabrique (fig. 4b). Ces symétries sont en relation étroite avec la symétrie des mouvements qui ont régi l’orientation de chaque espèce minérale. Il est ainsi possible, en étudiant conjointement la chronologie des minéraux ^{[cf. PÉTROLOGIE]}, de connaître l’évolution des conditions dynamiques de la mise en place des roches magmatiques: les cristallisations précoces (souvent représentées par l’apparition des plagioclases et des pyroxènes) déterminent l’organisation fluidale et éclairent en partie le caractère de l’écoulement magmatique et sa symétrie; les minéraux plus tardifs ont une organisation mimétique qui apparaît sous la dépendance de la fabrique précédente et des contraintes qui peuvent s’exercer pendant la cristallisation in situ . Dans certains cas, l’AVA permet la distinction des phénomènes prototectoniques et épitectoniques.

3. Interprétation des structures

L’analyse structurale ne se limite pas à la description de l’organisation géométrique de la matière; son intérêt réside essentiellement dans l’interprétation génétique des données descriptives, pour tenter de reconstruire l’évolution structurale des corps géologiques. Cette interprétation n’est généralement pas réalisable de façon directe, mais nécessite dans la plupart des cas une analyse cinématique, puis dynamique. L’analyse cinématique a pout but la mise en évidence des mouvements régissant l’architecture finale de la roche, sans tenir compte des forces qui les produisent. Au-delà intervient l’interprétation dynamique de ces mouvements, qui a pour objet d’établir les relations entre les effets observés et leur cause, et cherche à retrouver la distribution des forces et des contraintes. En effet, les mouvements des constituants de la roche se produisent en réponse à un état de contrainte (résultant essentiellement de pressions lithostatiques et surtout de pressions orientées se développant sous l’effet de causes variées, en particulier de phénomènes tectoniques) déterminé par des forces externes appliquées aux corps considérés, et ils sont contrôlés par les propriétés mécaniques de la roche au moment de l’application de ces contraintes. Malgré les nombreuses études théoriques et expérimentales, les paramètres qui lient les forces externes au changement de configuration du matériel géologique sont mal connus, ce qui rend hasardeuse cette dernière analyse (sauf dans des cas particulièrement simples). Aussi n’abordera-t-on ici que les problèmes de l’analyse cinématique.

L’interprétation cinématique s’efforce de reconstituer les mouvements qui prennent naissance soit à la surface du globe (phénomènes géodynamiques externes, qui régissent essentiellement la formation des roches sédimentaires), soit en profondeur (phénomènes géodynamiques internes, correspondant aux phénomènes de tectogenèse et de mise en place des magmas). Il s’agit d’une interprétation difficile, car l’architecture finale de la roche dépend, bien sûr, de la fabrique initiale, mais aussi de la déformation, elle-même liée aux propriétés rhéologiques du matériel. Ce sont autant de facteurs dont il faut connaître quelques caractères essentiels.

Déformation

Les mouvements peuvent se traduire, par exemple, par des translations ou des rotations dans lesquelles l’architecture d’un corps géologique n’est pas forcément modifiée (cas des nappes). Des mouvements internes avec déplacement relatif des particules constituant un corps géologique peuvent aussi se produire, et il y a alors une orientation nouvelle des constituants. Une déformation correspond donc à l’ensemble des phénomènes affectant une roche, entre un état initial caractérisé par un système de position de points et un état final caractérisé par un système de position différent. Il est donc nécessaire de connaître l’état de la roche avant et après sa transformation; cependant, comme plusieurs processus sont susceptibles d’aboutir à un même résultat, il faudrait théoriquement pouvoir reconstituer l’histoire de ces transformations, c’est-à-dire leur progression. En réalité, on ne connaît souvent que l’état final, plus rarement l’état initial, exceptionnellement la progression. C’est dire les difficultés rencontrées dans l’analyse structurale des roches.

Le déplacement des particules d’un corps donné pendant sa déformation peut, en plus, se traduire de diverses façons, par des recristallisations (principe de Riecke), et c’est un processus très important, lié au métamorphisme (schistosités, foliations), ou par l’aplatissement, l’élongation ou le glissement des particules, processus qui régissent par exemple l’orientation des cristaux dans une lave. En outre, dans ce cas du déplacement direct des particules, la déformation se décompose obligatoirement en deux parties: l’une, rotationnelle, correspond à un changement d’orientation; l’autre, non rotationnelle, se traduit exclusivement par des variations de longueur dans le corps considéré. Chaque mouvement peut alors être représenté par un ellipsoïde de déformation particulier et caractéristique de la déformation (fig. 5).

En réalité, les choses ne sont jamais aussi simples, car il faut distinguer dans les roches des déformations homogènes et des déformations inhomogènes (fig. 6). Les phénomènes de déformation correspondent donc à des processus complexes. Tout cela montre que la partie interprétative des caractères géométriques des roches, qui se rattache à des recherches concernant la mécanique des roches, est difficile; mais cet aspect est rendu encore plus complexe à cause des propriétés rhéologiques des roches.

Propriétés rhéologiques des roches

En réponse à une déformation donnée, les roches ont des comportements très variés. Cela dépend de leurs propriétés physiques, de leurs propriétés rhéologiques, qui sont l’élasticité, la plasticité, la viscosité et la résistance. En réalité, outre que les roches ne sont pas souvent des matériaux homogènes, tous les matériaux possèdent toutes les propriétés rhéologiques, mais à des degrés divers; on peut donc les considérer comme des combinaisons plus ou moins complexes des différents modèles rhéologiques.

D’autre part, les propriétés rhéologiques d’un corps donné varient avec la température et la pression: ainsi, un granite, qui, à 25 ⁰C, a un comportement élastique-cassant, aura un comportement élastique-plastique à 500 ⁰C; à 800 ⁰C, le seuil de plasticité apparaît pour une valeur plus faible des contraintes (expériences de Griggs). De la sorte, la compétence relative de deux roches données peut s’inverser avec la profondeur.

Toutefois, et bien que leurs propriétés mécaniques dépendent de leur composition et de leur structure, les roches suivent des lois générales lorsqu’elles sont soumises à des forces dans l’écorce terrestre, et il est possible d’analyser leur comportement.

Utilisée dans le cadre de la recherche géologique, la structurologie apparaît comme un ensemble de procédés d’analyse particuliers qu’il est nécessaire d’adapter à chaque matériau de nature différente, selon l’échelle d’observation et le niveau d’organisation. La mise en œuvre de ces procédés d’analyse géométrique est généralement longue, puisqu’ils ont pour but d’identifier et de repérer le plus grand nombre d’éléments structuraux qui caractérisent l’architecture de la roche. De plus, l’interprétation, qui doit établir les relations de cette architecture avec les phénomènes susceptibles de la produire, est difficile; elle fait appel à la mécanique des roches, où l’expérimentation est forcément limitée à des modèles simples et de taille ordinairement très inférieure à celle des corps géologiques, et ne peut faire intervenir le facteur temps.

Mais, malgré ces difficultés, l’analyse structurale permet d’obtenir des résultats fondamentaux concernant l’architecture des roches et les phénomènes géodynamiques; elle doit être considérée pour cette raison comme indispensable.

Encyclopédie Universelle. 2012.