UNE TECHNIQUE POUR L'IMAGINATION DES
PROCESSUS DE PLISSEMENT DES ROCHES
Hortensia DURAN, Guillermo GOLD et Miquel COLOMER i BUSQUETS
Depanament de Didàetica de les Ciències Experimentals ila Matemàtica Universitat de Barcelona - Espagne
MOTSCLES : PLISSEMENT ENSEIGNEMENT IMAGINATION CONSTRUCTION -MODELES.
RESUME: La compréhension du plissement des roches est une des principales difficultés que présente l'enseignement de la géologie. Pour que les étudiants soient capables d'imaginer comment se développent les processus de déformation interne des roches, on a conçu des modèles simples, qu'eux-mêmes peuvent construire et qui leur permettent de visualiser et de comprendre les différents mécanismes de plissement. Ainsi, on obtient la compréhension de quelques aspects de la géologie et en plus on contribue au développement de l'imagination et de la créativité des étudiants.
SUMMARY : One of the difficulties presented in the teaching of geology is understanding the folding of rocks. In order to get students to be able to imaginehow the processes of internal deformation develope, sorne simple constructions have been designed wich can be built by the students themselves and which allow the visualization and comprehension of the different folding mechanisms. In this way not only understanding of certain aspects of geology is improved, but also the imagination and creativity of the students is developed.
1. INTRODUCTION
Dans l'enseignement de la géologie dans les Ecoles de Magistère, ou dans n'importe quel autre niveau éducatif inférieur, un des sujets que les élèves ont le plus de mal à comprendre c'est le plissement des roches, bien que les plis soient des structures courantes avec lesquelles les étudiants sont déjà familiarisés.
La difficulté a pour origine deux motifs principaux : premièrement il n'est pas facile de comprendre qu'un matériel aussi rigide qu'une roche se plisse, et deuxièmement, il est difficile d'imaginer comment les roches se déforment intérieurement pour former des plis.
Le premier point, bien qu'apparemment très compliqué, peut devenir facilement compréhensible si on envisage le sujet d'une façon convenable. Effectivement, les étudiants ont des problèmes au début pour arriver à comprendre pourquoi une roche se plisse au lieu de se fracturer pour produire une faille, mais si on leur fournit des exemples clairs et simples, ils peuvent arriver à bien comprendre l'origine de ces structures.
2. FACTEURS QUI FAVORISENT LA FORMATION DES PLIS
En premier lieu il existe des minéraux et des roches qui, dans des conditions normales présentent déjà un comportement ductile, par exemple l'argile ou le gypse, qui fléchissent facilement en formant des plis. En plus, le plissement des roches se développe sur des périodes longues avec des vitesses de déformation lentes et fréquemment à une température et à une pression élevées. Tous ces facteurs ont pour résultat une augmentation de la ductilité, qui fait que les roches se plissent au lieu de se fracturer quand elles sont soumisesàdes efforts tectoniques.
Pour mieux comprendre ce processus on peut faire appel à des exemples bien connus de tous. C'est le cas des matériaux rigides qui peuvent se plisser quand ils se chauffent, telle verre, ou bien sous l'effet d'une force qui agit assez longtemps; par exemple les étagères de bois ploient finalement sous le poids des livres. Il est aussi bien connu de tous qu'un même matériel se casse si on essaie de le fléchir rapidement mais qu'il se courbe si on procède lentement.
Tout cela permet aux élèves de comprendre pourquoi les roches se plissent, mais ils ne sont pas capables d'imaginer comment se forment et se développent les plis, puisqu'ils ne connaissent pas les différents mécanismes de plissement, ni les conditions dans lesquelles se développe chaque type de pli.
Cela provoque, dans la plupart des cas, un apprentissage strictement de mémorisation qui vise uniquementàl'étude géométrique des plis, ce qui aboutit non seulement à l'incompréhension du sujet, mais aussi à une attitude défavorable de l'élève envers la géologie.
3. CONSTRUCTIONS POUR VISUALISER LES MECANISMES DE PLISSEMENT
Pour que les étudiants soient capables d'imaginer comment se développent les processus de déformation interne des roches, nous utilisons des constructions simples qui leur permettent de visualiser les différents mécanismes de plissement
ilexiste essentiellement deux genres de plis selon leur origine et le degré de ductilité dont ils ont besoin pour se former. Si la ductilité est modérée les plis qui se forment son detype"flexural", c'est àdire que leur origine est le résultat de la flexion des couches, c'est pourquoi les caractéristiques de ces couches jouent un rôle important dans le développement du pli.
Ces plis sont engendrés par deux mécanismes différents :
- 1) Par déformation interne des couches: On peut imaginer et visualiser facilement ce genre de pli en utilisant une construction sous forme d'un demi-cylindre, qui représente la forme de la surface plissée, à laquelle on superpose une couche d'éponge qui se déforme ductilement pour s'adapter à la base comme le ferait une couche de roche. Sur cette couche on a dessiné plusieurs cercles qui se transforment en ellipses quand ils se déforment, en indiquant où et comment se déforme la couche (figure 1). Ainsi on peut voir que la déformation interne est maximum dans la charnière et minimum dans les flancs. Dans la partie externe de la zone de charnière se produit un étirement, et dans la partie interne une compression.
figure1. Construction et modèle de pli "flexural" ayant pour origine la déformation interne de la couche.
- 2) Par glissement entre les surfaces plissées: On peut visualiser ce genre de pli en utilisant la même base que dans l'exemple antérieur, mais dans ce cas on lui superpose un paquet de feuilles de papier sur l'épaisseur duquel on a dessiné des cercles qui serviront de contrôleurs de la déformation. Dans ce cas-là la formation d'un pli suppose une déformation maximale dans les flancs, là où les cercles se transforment en ellipses, et minimale dans la charnière, là où les cercles ne souffrent aucune déformation (figure 2). Dans ce genre de plis l'épaisseur de la couche plissée ne
change pas, ce sont donc des plis concentriques qui se constituent (puisque le centre de courbure de toutes les couches est le même).
Dans la nature, quand des séries de roches se plissent, les deux types de mécanisme ont lieu ensemble, avec déformation interne dans les couches et glissement entre couche et couche.
figure 2. Construction et modèle de pli uflexural concenbique"
obtenu par glissement entre les couches.
Dans le cas de ductilités plus grandes le mécanisme de déformation est différent, carilse forme des plis passifs, ainsi nommés parce que les surfaces pré-existantes ne jouent aucun rôle. Le plissement se produit par un cisaillement transversal aux surfaces pré-existantes, puisque dans la rocheilya formation de nouvelles surfaces, appelées schistosité. Dans ce cas les couches glissent passivement et agissent comme de simples contrôleurs de la déformation. Ce genre de plis sont appelés similaires, puisque toutes les surfaces plissées sont identiques et parallèles entre elles.
Pour pouvoir imaginer comment se développent ces plis et visualiser quelles est la déformation interne des couches, on utilise une construction plus ou moins parabolique qui sert de base (puisque c'est la forme la plus habituelle de ces plis), et à laquelle on superpose un ensemble de cartes sur lesquelles on a dessiné plusieurs cercles qui nous montreront comment se déforment les couches, et quelques lignes qui représentent la stratification originale (figure 3). On vérifie que la déformation se produit par glissement transversal aux couches et que les plis sont detypesimilaire, avec toutes les surfaces identiques et parallèles.
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Ces modèles pennettent d'imaginer comment se développent les plis en couches isolées, et de comprendre les différents mécanismes de plissement ; mais dans la nature les couches ne sont pas isolées : elles sont superposées en formant des séries en nombreuses épaisseurs.!
4. MODELES POUR IMAGINER DES PLISSEMENTS DE SERIES DE ROCHES
Pour comprendre comment se plissent les ensembles de roches il faut connaître dans quelles conditions physiques elles se trouvent. Dans les zones superficielles de l'écorce, où la pression et la température sont basses, les roches présentent des ductilités très variables selon leur lithologie. Dans ce cas, quand on soumetàune compression un ensemble de couches de roches différentes, les moins ductiles (compétentes) ont tendanceàconserver leur fonne et leur épaisseur et elles se déforment en formant des plis flexuraux, tandis que les plus ductiles (incompétentes) se déforment intensément en s'adaptantàla forme des plis des couches compétentes situées au-dessus et au-dessous. Dans ce cas il y a formation de niveaux plissés indépendamment, et la largeur des plis des couches compétentes dépend uniquement de leur ductilité relative et de leur épaisseur. A une plus grande épaisseur de la couche plissée correspond une plus grande longueur d'onde. Ce fait, qui peutêtredifficileàobserver dans la nature si les couches qui se plissent sont épaisses, est très facilement visualisé en utilisant une construction qui consiste en plusieurs couches de gomme d'épaisseur variable intercalées entre des niveaux d'éponge. La gomme agit comme une roche compétente et l'éponge comme une roche incompétente. Quand on soumet l'ensembleàcompression, les lames de gomme forment des plis dont la longueur d'onde ne dépend que de leur épaisseur, tandis que les lames d'éponge s'adaptentà la forme des plis (figure 4). Ainsi, il est facile d'imaginer le comportement dans la nature de séries hétérogènes de roches qui se plissentàune échelle beaucoup plus grande que le modèle.
figure 4. Construction pour visualiser la formation de plis en matériaux de différente ductilité (gomme et éponge). La longueur d'onde des lames de gommes
Dans les zones profondes de l'écorce, l'augmentation progressive de la pression et de la température, accroît la ductilité des roches et fait que les différences de ductilité entre des roches de lithologies différentes deviennent minimes. Dans se cas apparaissent des plis passifs, comme ceux cités ci-dessus.
Ainsi, à travers des constructions simples, on peut imaginer comment les plis se sont développés, de telle façon que si, on observe leur géométrie dans les cas réels, on puisse faire des déductions sur les conditions physiques des roches au moment où ces structures se sont formées et reconstruire ainsi une partie de l'histoire géologique d'une région.
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