La géologie structurale étudie les déformations des roches, de l'échelle du cristal à celle des plaques lithosphériques, et remonte aux forces qui les ont produites. Ce premier chapitre pose le vocabulaire de base — force, contrainte, tenseur des contraintes — indispensable pour aborder tous les chapitres suivants. Aux examens, ces notions reviennent sous forme de définitions précises et de petits calculs sur la décomposition d'une contrainte.
1. L'objet de la géologie structurale
La géologie structurale décrit, mesure et interprète les structures produites par la déformation des roches : failles, plis, foliations, linéations, joints. Elle se distingue de la tectonique, qui replace ces structures dans leur contexte régional et géodynamique (chaînes de montagnes, rifts, décrochements), même si les deux disciplines sont indissociables : on décrit une structure à l'affleurement pour en déduire l'histoire tectonique d'une région. La démarche est double : une approche descriptive (géométrie, orientation, échelle) et une approche mécanique (quelles forces, quelles contraintes ont produit cette géométrie).
2. Forces et contraintes
Une force appliquée à un corps lui communique une accélération (F = m·a) ; elle s'exprime en newtons et dépend de la masse du corps considéré. En géologie, on préfère raisonner en contrainte : la force rapportée à la surface sur laquelle elle s'exerce (σ = F / S), exprimée en pascals ou en mégapascals. La contrainte est homogène à une pression mais, contrairement à une pression simple, elle est orientée — c'est une grandeur vectorielle, en réalité tensorielle, qui varie selon la direction du plan considéré en un même point.
On distingue la contrainte normale (σₙ), composante perpendiculaire au plan considéré, qui tend à comprimer ou à écarter les faces du plan, et la contrainte tangentielle ou cisaillante (τ), composante parallèle au plan, qui tend à faire glisser les deux faces l'une sur l'autre. Cette décomposition, reprise dans le cercle de Mohr, est la base de tous les critères de rupture utilisés en géologie structurale.
3. Le tenseur et l'ellipsoïde des contraintes
En un point donné, l'état de contrainte complet est décrit par un tenseur des contraintes, qui donne la contrainte exercée sur un plan quelle que soit son orientation. Il existe toujours, en tout point, trois directions orthogonales pour lesquelles la contrainte cisaillante s'annule : ce sont les directions des contraintes principales, notées σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ₃ (respectivement contrainte principale majeure, intermédiaire et mineure, en convention de compression positive utilisée en géologie). La représentation graphique de cet état de contrainte est l'ellipsoïde des contraintes, dont les trois axes sont proportionnels à σ₁, σ₂ et σ₃.
4. Contrainte lithostatique et contrainte déviatorique
La contrainte moyenne est la moyenne des trois contraintes principales ; en profondeur, elle est en général assimilable à la contrainte lithostatique, la pression exercée par le poids des roches sus-jacentes, une contrainte isotrope (identique dans toutes les directions), assimilable à une simple pression. La différence entre la contrainte totale et cette composante isotrope constitue la contrainte déviatorique : c'est elle, et elle seule, qui est responsable des déformations des roches. Un accroissement uniforme de la charge sédimentaire (contrainte purement lithostatique) ne déforme pas une roche ; seule une contrainte différentielle entre les trois directions principales le fait.
5. Décomposition d'une contrainte sur un plan
Pour tout plan qui ne coïncide pas avec un plan principal, la contrainte qui s'y exerce se décompose en une composante normale σₙ et une composante tangentielle τ, toutes deux fonctions de l'angle entre le plan et les directions principales. C'est cette décomposition, calculée à partir de σ₁ et σ₃ et représentée graphiquement dans le cercle de Mohr (voir chapitre 6), qui permet de prévoir sur quel plan une roche va se rompre en priorité — un outil central de toute l'analyse cassante.
Force rapportée à la surface sur laquelle elle s'exerce (σ = F/S) ; grandeur tensorielle, orientée, homogène à une pression.
Différence entre la contrainte totale en un point et la contrainte moyenne (isotrope) ; seule composante responsable de la déformation des roches.
Contrainte s'exerçant sur l'un des trois plans orthogonaux pour lesquels la contrainte cisaillante est nulle en un point ; notées σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ₃ en géologie.
| Grandeur | Nature | Rôle |
|---|---|---|
| Contrainte lithostatique | Isotrope (pression) | Poids des terrains sus-jacents, pas de déformation seule |
| Contrainte déviatorique | Anisotrope | Responsable de la déformation |
| Contrainte normale (σₙ) | Perpendiculaire au plan | Ouvre ou ferme une fracture |
| Contrainte tangentielle (τ) | Parallèle au plan | Fait glisser les deux lèvres d'un plan |
Les grandeurs de contrainte à distinguer
- Contrainte = force / surface ; grandeur orientée (tensorielle), homogène à une pression.
- σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ₃ : les trois contraintes principales, orthogonales, sans cisaillement sur leurs plans.
- Contrainte lithostatique = isotrope, ne déforme pas seule ; contrainte déviatorique = responsable de la déformation.
- Sur un plan quelconque, la contrainte se décompose en contrainte normale (σₙ) et contrainte tangentielle (τ).
- L'ellipsoïde des contraintes représente graphiquement σ₁, σ₂, σ₃ dans les trois directions principales.
Les facultés marocaines demandent très souvent de définir contrainte normale et contrainte tangentielle, et de justifier pourquoi la contrainte lithostatique seule ne déforme pas une roche. Piège classique : confondre force et contrainte, ou croire que σ₁ est toujours vertical — ce n'est vrai qu'en régime tectonique particulier (théorie d'Anderson, voir chapitre 4). Retiens la convention géologique : compression positive, σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ₃.