Sous l'effet d'une contrainte déviatorique, un corps rocheux se déforme : il change de position, d'orientation, de forme ou de volume. Ce chapitre détaille les quatre composants de la déformation, la façon de la quantifier dans le temps, et l'outil central de sa description géométrique : l'ellipsoïde de déformation. C'est la base théorique de toute l'analyse structurale, cassante comme ductile.
1. Les composants de la déformation
La déformation d'un corps, au sens large, regroupe quatre composants indépendants. La translation est un déplacement en bloc : tous les vecteurs mouvement du corps sont parallèles. La rotation est un déplacement en bloc par pivotement, les vecteurs mouvement étant tangents à des cercles concentriques. Ni la translation ni la rotation ne changent la forme du corps. Le changement de volume (dilatation ou contraction) est isotrope. Enfin, la déformation interne, ou distorsion — appelée strain en anglais — est le changement de forme proprement dit : c'est elle qu'on observe le plus souvent en géologie structurale et qu'on désigne, par un abus de langage consacré par l'usage, sous le terme général de « déformation ».
2. Vitesse et taux de déformation
La quantité de déformation (strain) est un nombre sans dimension, un rapport de longueurs ou d'angles. Le taux de déformation (strain rate), ou vitesse de déformation, est la quantité de déformation par unité de temps ; il s'exprime donc en s⁻¹. Les taux de déformation naturels sont extrêmement faibles, de l'ordre de 10⁻¹⁴ à 10⁻¹⁵ s⁻¹ dans la croûte, très inférieurs à ceux imposés en laboratoire — une différence d'échelle qui complique l'extrapolation des expériences de déformation aux conditions naturelles.
3. Déformation finie et déformation incrémentale
La déformation finie (ou totale) compare directement l'état initial et l'état final d'un objet déformé, sans tenir compte du chemin suivi. La déformation incrémentale (ou progressive) décrit au contraire chaque étape, chaque incrément de déformation entre deux états successifs. Deux histoires très différentes de déformation incrémentale peuvent conduire à la même déformation finie : c'est pourquoi la trajectoire de la déformation (son chemin) importe autant que son résultat, en particulier pour interpréter des structures composites (plis suivis de cisaillement, par exemple).
4. L'ellipsoïde de déformation
L'outil central pour décrire une déformation homogène est l'ellipsoïde de déformation : la forme que prendrait un objet initialement sphérique après avoir subi cette déformation. Ses trois axes principaux, notés X ≥ Y ≥ Z (respectivement axe long, intermédiaire et court), correspondent aux directions d'extension maximale, intermédiaire et de raccourcissement maximal. Sur le terrain, cet ellipsoïde n'est jamais directement visible, mais il peut être approché à partir d'objets initialement sphériques ou de forme connue — galets, ooïdes, fossiles, taches de réduction — dont la déformation enregistre celle de la roche encaissante.
La forme de l'ellipsoïde de déformation renseigne sur le régime de déformation : un ellipsoïde prolate (allongé, en cigare) traduit une constriction, déformation dominée par l'étirement selon X ; un ellipsoïde oblate (aplati, en crêpe) traduit un aplatissement, déformation dominée par le raccourcissement selon Z. Le paramètre de Flinn, k = (X/Y − 1) / (Y/Z − 1), quantifie cette forme : k > 1 correspond à la constriction, k < 1 à l'aplatissement, k = 1 à une déformation plane intermédiaire.
5. Déformation homogène, continue, coaxiale
Une déformation est dite homogène si elle est identique en tout point du corps déformé — des lignes initialement parallèles le restent après déformation ; elle est hétérogène dans le cas contraire, ce qui est la règle à grande échelle (une déformation hétérogène peut cependant être approchée comme homogène localement, à petite échelle). Elle est dite continue si ses propriétés varient progressivement dans l'espace, discontinue si elle est interrompue par des ruptures (failles).
On distingue enfin la déformation coaxiale (ou cisaillement pur), où les axes de l'ellipsoïde de déformation restent fixes dans l'espace tout au long de la déformation — un aplatissement pur en est le cas particulier sans changement de volume — de la déformation non coaxiale (ou cisaillement simple), où ces axes tournent progressivement pendant la déformation. Cette distinction est essentielle pour interpréter les critères de sens de cisaillement observés dans les roches mylonitiques (chapitre 5).
Représentation géométrique d'une déformation homogène : la forme que prendrait un objet initialement sphérique déformé dans ces conditions, décrite par ses trois axes X ≥ Y ≥ Z.
Rapport k = (X/Y − 1) / (Y/Z − 1) décrivant la forme de l'ellipsoïde de déformation ; k > 1 = constriction (prolate), k < 1 = aplatissement (oblate).
Déformation totale résultant de la comparaison entre l'état initial et l'état final d'un objet déformé, indépendamment du chemin (incréments) suivi.
| Cisaillement pur (coaxial) | Cisaillement simple (non coaxial) | |
|---|---|---|
| Axes de l'ellipsoïde | Fixes dans l'espace | Tournent pendant la déformation |
| Changement de volume | Nul dans le cas idéal | Nul dans le cas idéal |
| Exemple type | Aplatissement pur | Zone de cisaillement ductile |
| Marqueurs typiques | Boudins symétriques | Plis en fourreau, indicateurs cinématiques asymétriques |
Cisaillement pur et cisaillement simple
- Quatre composants de la déformation : translation, rotation, changement de volume, distorsion (strain).
- Taux de déformation = déformation / temps, en s⁻¹ ; déformation finie = bilan, déformation incrémentale = chemin suivi.
- Ellipsoïde de déformation : axes X ≥ Y ≥ Z ; prolate (X allongé) = constriction, oblate (Z aplati) = aplatissement.
- Paramètre de Flinn k = (X/Y−1)/(Y/Z−1) : k > 1 constriction, k < 1 aplatissement.
- Coaxial (cisaillement pur) : axes fixes ; non coaxial (cisaillement simple) : axes tournants — distinction clé pour l'analyse cinématique.
Question classique : définir l'ellipsoïde de déformation et donner un exemple de marqueur naturel permettant de l'estimer (galets déformés, ooïdes, fossiles). On demande souvent de placer un exemple sur le diagramme de Flinn (constriction vs aplatissement). Piège fréquent : confondre déformation finie et incrémentale, ou croire qu'une déformation coaxiale implique l'absence de déformation — au contraire, elle peut être très intense, simplement sans rotation des axes.