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Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository
Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:
Franssen, L. (1975). Etude comparative de l'orientation préférentille des minéraux et de leurs structures dans les gneiss catazonaux du rogaland méridional (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences, Bruxelles.
Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/214476/3/6e5af563-b988-4935-8ff8-de6d5b2ecf1c.txt
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UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES.
Faculté des Sciences.
Service de Minéralogie et dePétrologie.
ETUDE COMPARATIVE DE
L'ORIENTATION PRÉFÉRENTIELLE DES MINÉRAUX ET DE LEURS STRUCTURES DANS LES
GNEISS CATAZONAUX DU ROGALAND MÉRIDIONAL
Thèse présentée pour l'obtention du grade de Docteur en Sciences.
LOUIS FRANSSEN
Juin 1975.
P. 1.
P. 4.
P. 11.
P. 12.
P. 14.
P. 15.
P. 15.
P. 15.
P. 17.
P. 17.
P. 21.
P. 21.
P. 23.
P. 26.
P. 26.
P. 28.
P. 29.
P. 31.
P. 31.
P. 31.
P. 33.
AVANT PROPOS.
INTRODUCTION.
Définition des termes structure, texture et fabrique.
Définition des axes de référence.
PREMIERE PARTIE .
A. CONTRIBUTION DE LA DEFORMATION PLASTIQUE ET DE LA RECRISTALLISATION DANS LE PROCESSUS D'ORIENTATION DES MINERAUX.
Résumé.
Introduction.
Chagitre_I_ j__Déf omation_glastiaue.
A. I .1 : Glissement
A. I .2 : Mâcles mécaniques.
Structures associées au glissement.
Mécanisme et vitesse de la déformation plastique.
Çhapitre_II_£__Modes_d_|_orientation_mécanigue_des minéraux.
A.II .1 : Orientation corpusculaire, rotation et déformation de particules immergées dans un flui
de visqueux.
A.II .2 ; Orientation des structures de déforma
tion.
A.II .3 : Orientation des minéraux déformés plas
tiquement .
Çhapitre_III_£_Durcissement_j^_restauration_et_modes
A.III.l : Durcissement.
A.III.2 : Restauration.
A.III.3 ; Glissements aux joints de grain et flua- ge diffusionnel.
A.III.4 : Evolution de la déformation au cours du fluage.
4 ï 31G !) .
P. 34
P. 37.
P. 38.
P. 39.
P. 42.
P. 43.
P. 44.
P. 44.
P. 45.
P. 47.
P. 47.
P. 53.
P. 57.
P. 57.
P. 58.
P. 63.
P. 63.
P. 66 . P. 68 . P. 68 . P. 70.
P. 72.
P. 72.
P. 72.
P. 74.
P. 76.
P. 76.
P. 76.
P. 78.
P. 78.
P. 78.
l'énergie accumulée lors de la déformation.
Types de recristallisation.
Réorientation durant la recristallisation.
A.IV .2 : Recristallisation et réorientation par équilibre thermodynamique.
A.IV .3 : Orientation par croissance mimétique.
A. IV .4 : Autres modes d'orientation par recris
tallisation.
. VUE D'ENSEMBLE SUR LES CONNAISSANCES ACTUELLES DES MODES DE DEFORMATÎON, DE RECRISTALLISATION ET DE DEFORMATION EXPERIMENTALE ET NATURELLE DE CERTAINS SILICATES.
Résumé.
Introduction.
Chapitre I : Ouartz.
B. I .1 : Déformation plastique.
B. I .2 ; Fabriques de spécimens déformés et re
cristallisés expérimentalement.
B. I .3 : Structures et fabriques du quartz dans les tectonites.
Evolution de la structure.
Corrélation entre les structures et les fabriques.
Chapitre_II_^_01ivine.
B.II .1 : Déformation plastioue.
B.II .2 : Fabriques des spécimens déformés et re
cristallisés expérimentalement.
B.II .3 ; Fabriques naturelles.
Les différents types de l'orientation de 1'divine.
Corrélations entre les structures et les orienta
tions préférentielles de l'olivine.
Chapitre_III_£_PYroxêne.
A. Orthopyroxène.
B. III.A.1 : Déformation plastique et recristallisa
tion expérimentale.
B.III.A.2 : Structures et fabriques naturelles.
B. Clinopyroxène.
B.III.B.1 : Déformation et recristallisation expéri
mentale.
B.III.B.2 ; Déformations et fabriques naturelles.
Chapitr e_IV_£__^phibole.
B. IV.1 : Déformation expérimentale.
B. TV.2 : Déformations et fabriques naturelles.
P. 81.
P. 82.
P. 83.
P. 86 . P. 88 . I P. 89. 1 P. 89.
P. 93.
P. 93.
P. 95.
P. 98.
P. 99.
P. 99.
P. 99.
P.100. ' P.104.
P.104.
P.108.
P.108.
P.109.
P.109.
P.110.
P.111.
P.114.
P.115.
P.117. I P.117.
P.118.
P.118.
B. V. 2 ; Distinction entre les mâcles de cristal-^
lisation et les mâcles de déformation.
B. V. 3 : Orientation du plagioclase dans les ro
ches déformées naturellement.
Çî}§PΣï!ê_Yî_i_§i9£itê*
Conclusions de la première partie.
EUXIEME PARTIE.
. GEOLOGIE DE LA REGION ETUDIEE.
Résumé.
Chapitre_l_^_Introduction_aéoloaiaue.
A.l.a : Encadrement régional.
A.l.b ; Evolution tectonique des gneiss dans la ré
gion étudiée.
A.l.c : Données géochronologigues.
Chapitre_2_j^_Descriotion_des_unités_structurales.
]SDH^êDlil23SÎ}H£§î} •
A.2.a : La nappe du Storefjell.
1. Lithologie.
2. Description des coupes.
3. Corrélations latérales du repli d'Asheim.
4. Premières conclusions.
A.2.b ; La nappe de Holmaholen-Kirkeknuden-Joknuten.
1. Lithologie.
2. Contact avec la nappe du Storefjell.
3. Déformations internes.
4. Premières conclusions.
A.2.C : Structures mésoscopiaues.
A.2.d : Relations entre les axes cinêmatiques et les axes structuraux (géométriques.
A.2.e : Conclusions.
. ETUDE DES STRUCTURES ET ORIENTATIONS MINERALES.
Résumé.
Chapitre_I_ 2 __Méth 2 de_de_prélèvementj^_de_mesure_et_de
P£2i§2Èi2ï}i_i22âii2§Êi2G_^§2_22î}â2Êili2î}2 •
B. I .1 : Méthode de préparation et d'étude des échan
tillons.
B. I .2 : Localisation des échantillons.
P. 123
nales. Etude des symétries.
P.126. B.II .1 : Hornblende.
P.130. B.II .2 : Orthopyroxène.
P. 13 3 .’ B.II .3 : Clinopyroxène.
P.133 . B.II .4 : Biotite.
P.134. B.II .5 ; Plagioclase.
P.134. B.II .6 : Quartz. .
P.135. B.II .7 : Conclusions.
P.136. Chapitre III : Corrélation entre les structures mi- croscopiques et les orientations préférentielles des minéraux. Genèse de ces orientations.
P.137. B.III.l : Hornblende.
P.138. B.III.2 ; Orthopyroxène.
P.138. - dans la couronne gneissique du que d'Egersund-Ogna.
massif anorthositi- P.140. - dans la couverture gneissique.
P.145. B.III.3 : Clinopyroxène.
P.145. B.III.4 : Biotite.
P.146. B.III.5 : Plagioclase.
P.149. B. III. 6 ; Les minéraux "mobiles"
path potassique.
: quartz et felds- P.149. Quartz.
P.150. Feldspath potassique.
P.151, CONCLUSIONS GENERALES.
P.A 1. ANNEXE : DESCRIPTION DES ECHAîîTILLONS ETUDIES.
P.A 5. I. Hornblende.
P.A21. II. Orthopyroxène.
P.A44. III. Clinopyroxène.
'P.A51. IV. Biotite.
P.A57. V. Quartz.
B1 à B21 ; BIBLIOGRAPHIE
La disposition orientée des minéraux dans les schistes méta
morphiques épi. mésozonaux confère à ces roches un aspect feuil
leté caractéristiaue contrastant nettement avec la structure mas
sive de la plupart des gneiss formes en catazone profonde et qui n'ont subi aucun remaniement ultérieur dans des zones supérieu
res de l'écorce terrestre. Dans ces roches, en effet, le litage métamorphique, encore souvent mal exprimé, constitue la seule tex
ture observable macrocospiquement. Le déchiffrage des structures tectoniques y est peu aisé, si bien que des unités affectées de plissements intenses apparaissent au premier examen comme des mas
ses tabulaires tranquilles et exemptes de déformation.
De patientes études réalisées dans différents segments orogéniques catazonaux (Scandinavie, Ecosse, Groenland, Canada, etc ...) ont montré cependant que ces ensembles portent les marques de déforma
tions importantes caractérisées le plus souvent par une structure en plis couchés isoclinaux, de grande ampleur ou, plus généralement, par une superposition de plis couchés de directions différentes.
L'aspect massif de ces roches malgré les déformations oui les ont affectées pourrait laisser supposer qu'une recristallisation Gé
néralisée a effacé les structures préexistantes et en particulier les orientations minérales, orientations dont l'importance dans l'étude des déformations et de leur mécapisme est bien établie de
puis les travaux de SANDER et de son école. Les questions qui se posent sont donc de savoir s'il existe des orientations minérales préférentielles; dans l'affirmative quelles sont les relations de ces orientations avec les structures tectoniques, quand et comment elles se sont développées ? En d'autres termes, et d'un point de vue plus général : de quelle façon se comportent les minéraux lors des déformations catazonales et quels renseignements peuvent-ils fournir sur le mode de fluage des roches dans ce milieu particulier?
La réponse à la première question est aisée; une étude statistiaue des orientations mesurées au moyen d'un instrument aussi simple eue la platine de Fédoroff a permis de relever les types d'orientation des différents minéraux et de les corréler aux structures tectoni
ques. La recherche du mécanisme et des causes de ces orientations est plus malaisée. Elle ne pouvait réussir sans une bonne connais
sance du comportement des minéraux lors des déformations; aussi, dans ce travail, a-t-il été nécessaire de synthétiser au préala
ble (après un bref exposé des théories symétrologiques développées par SANDER et son école) l'état des connaissances sur les modes de déformation plastique et de recristallisation des cristaux et sur
les structures et modes de réorientation oui découlent de ces
processus.
Il a également été nécessaire de résumer par la suite les prin
cipaux résultats des déformations expérimentales réalisées sur les silicates, et enfin d'établir une brève synthèse des diffé
rents types d'orientations minérales observées dans les roches déformées dans des faciès métamorphiques comparables ou voisins du nôtre.
La réalisation de ce travail a bénéficié du concours de nombreuses personnes parmi lesquelles je tiens particulièrement à remercier : - Monsieur Jean MICHOT, Directeur du Laboratoire, qui, par son intérêt pour les différentes disciplines de pointe de la géologie et sa constante péoccupation d'intégrer toute nouvelle information dans un ensemble synthétique m'a permis de définir au mieux les directions de ma recherche.
-Monsieur Paul MICHOT qui a apporté une contribution importante à la compréhension des phénomènes orogéniques et de leurs relations tectoniques, métamorphiques et magmatiques, principalement grâce à l'étude du segment orogénique catazonal du Rogaland oui est pré
cisément le sujet du présent travail. Monsieur P. MICHOT a bien voulu discuter et critiquer à plusieurs reprises mes observations de terrain et me confier de nombreuses observations encore inédi
tes.
-Monsieur NICOLAS, et son équipe du Laboratoire de Gcol.ogie struc
turale de Nantes qui m'a accueilli à deux reprises dans son servi
ce, a examiné attentivement mes résultats, discuté mes observations et suggéré de nouvelles méthodes d'approche de mes problèmes.
-Monsieur BELLIERE, du Laboratoire de Géologie de l'Université de Liège, Monsieur den TEX du Geologisch en Mineralogisch Instituât der Rijksuniversiteit van Leiden et Monsieur PAULITSCH de l'Insti
tut für Minéralogie der Technische Hochschuler, Darmstadt oui ont manifesté beaucoup d'intérêt pour ce travail et dont les critiques
et suggestions ont été fort utiles.
-Monsieur ART qui a relu et discuté la partie consacrée aux pro
cessus de déformation dans les minéraux.
- Monsieur LEGRAND qui m'a prêté de nombreux échantillons intéres
sants provenant de la région septentrionale limitrophe et dont les critiques constructives m'ont permis de tester mes idées successi
ves et de les affiner.
-Monsieur KUMMERT du "Service d'Aide à l'Enseignement et à la Pro
grammation" qui a réalisé différents programmes pour l'ordinateur.
-La Société Pétrofina qui m'a permis d'utiliser son ordinateur pour la mise au point des programmes de pétrofabrique et du dessin des diagrammes sur table traçante.
- Madame LEDENT qui a eu la gentilles de corriger le manuscrit.
Monsieur et Madame VAN HOREN qui ont reproduit les photographies.
Les très nombreuses personnes du Laboratoire de Géologie sans lesquelles ce travail n'aurait pu s'effectuer : Mademoiselle CROMPS qui a patiemnient dessiné les diagrammes de pétrofabri- que. Madame LOMBAERTS qui m'a secondé avec bonne humeur du
rant de longues séances de mesures fastidieuses. Messieurs VAN GERREWEY et CORBISIER qui ont apporté un soin particulier
à la préparation des sections orientées, et enfin Madame MO-
RESCO qui a effectué la dactylographie de ce travail.
INTRODUCTION.
Rôle de 1'étude des orientations préférentielles en gëologie structurale.
L'objet de la géologie structurale est d'observer, de décrire et de classer les structures développées lors des événements tectoniques. Cette discipline a pour but de reconstituer les étapes successives de la déformation et d'analyser les causes qui les ont engendrées, c'est-à-dire les tensions dirigées, en grandeurs et trajectoires.
L'étude de la déformation des roches peut s'envisager sous trois aspects différents ; géométrique, cinématique ( 1 ) et dynamique.
Elle s'appuie, de plus en plus, sur des données expérimentales qui, malheureusement, ne peuvent pas reproduire toutes les con
ditions naturelles.
Les deformations mineures n'avaient que peu attiré l'attention des géologues jusqu'à la parution des travaux de SANDER et de son école, vers 1930. SANDER montre, par une méthode d'appro
che originale, l'importance que revêt l'orientation des struc
tures mineures dans l'étude des mouvements relatifs à l'inté
rieur des roches. La contribution de la pétrofabrique ("Gefu- gekunde", "Petrofabric" (2)) à la géologie structurale peut main
tenant être évaluée. Elle est importante pour l'acquisition et le report des données orientationnelles. Son utilité dans l'ana
lyse cinématique et dynamique a parfois été moins convaincante;
"Through misunderstandings, geologists seem to expect too much from kinematic petrofabrics". (FRIEDMAN et SOWERS 1970).
(1) La cinématique est de la géométrie dans le temps (GOGUEL).
(2) Plus précisément, le terme "fabric" est la traduction an
glaise du mot allemand "Gefuge" utilisé par SANDER pour ex
primer l'ordonnace interne géométrique et physique des élé
ments spatiaux d'un agrégat. DENNIS (International tectonic dictionary - 1967 - ) en donne la définition suivante : "A rock fabric is the manner of mutua]. arrangement in space of the components of a rock body and the boundaries between the components". Je n'ai pas rencontré dans la littérature fran
çaise de terme équivalent ni d'expression capable d'exprimer simplement ce concept ("l'Analyse structurologique statisti
que" de GOGUEL (1965) ou plus simplement le terme "structu-
rologie" de COLLOMB(1960) semblent bien peu adéquats), aussi
me contenterai-je d'utiliser la simple transposition de ce
mot anglais.
Il existe suffisamment de traités ou d'introductions à la pêtro- fabrique ( 1 ) pour ne pas devoir en développer ici la théorie,mais il est nécessaire de fixer les limites de cette discipline du moins dans le cadre de ce travail.
La pétrofabrique se base sur le principe, énoncé d'abord par SANDER (1930)' (2) ,qu ' il existe une relation étroite entre la dis
position des éléments corpusculaires mineurs d'une roche et les vecteurs responsables des structures générales de la roche (3).
TURNER et WEISS (1963) expriment cette idée sous la forme : "Throu- ghout the whole of Sander's work runs the idea that symmetry prin- ciples form the soundest basis for correlating tectonite fabrics with the physical factors - stress, strain, movement picture, and so on - concerned in their évolution." (p. 385)
Comme le soulignent FRIEDMAN et SOWERS (1970), ce postulat suppose qu'il existe pour chaque intervalle de temps des liens génétiques entre la symétrie de la fabrique finale observée, celle des dépla
cements relatifs, celle de l'état de déformation et de l'état de tension.
Deux principes régissant la fabrique d'une roche s'énoncent comme suit ;
"AMedium under an external influence v/ill exhibit only those sym- metry éléments that are common to the influence without the medium
and the medium without the influence", et
"The symmetry of any physical System must include those symmetry éléments that are common to ail indépendants factors (physical fields and physical properties of the medium) that contribute to the System and it may include additionnai symmetry éléments; however any symmetry element absent in the System must also be absent in at least one of the indépendant contributing factors"(PATERSON et WEISS pp. 858-859, 1961).
(1) SANDER 1930, édition anglaise 1970, KNOPFF 1933, KNOPFF et INGERSON 1938, FAIRBARN 1949, PATERSON et WEISS 1961, TURNER et WEISS 1963, voir également BADGLEY 1965 p.61 et suivantes.
(2) A la suite des travaux de HEIM (1878, 1921) qui, comme d'autres géologues du 19ème siècle avait observé l'existence d'éléments de symétrie dans les structures que montrent les roches déformées.
(3) 11 est supposé que l'état de tension est uniforme en tout point d'un volume de roche considérée (voir par exemole la discussion
de GOGUEL 1965 a P. 748).
La symétrie de la fabrique finale dépend donc :
^) ^§_l§_ËYïïitEiê_â§_lË_f§^Ei3yê_i2i£iËiê_êt_de_son_rôle_soit
actif (les propriétés mécaniques ou rhéologiques du milieu en voie de déformation contrôlant les domaines de cisaillement ou
les discontinuités de déformation) soit_passif (ces mêmes pro
priétés n'ayant aucune influence dans les mouvements et servant uniquement de marqupur) lors de la déformation.
celle-ci est sphérique quand (T-j = 6 'z =
63, £^=Ez =63 ( 1 ) (dilatation) axiale quand ô'] >
6z
- 63 ou5i= 6 z >
63 (aplatissement)orthorhombique quand 6-1 > 62 > 63
monoclinique quand s'ajoute une rotation parallèle à un axe principal (cisaillement)
triclinique quand l'axe de rotation ne coïncide pas avec un axe principal ou quand diffé
rents mouvements se sont superposés.
Quelques exemples de combinaisons de ces facteurs sont illustrés dans la figure 1 .
En résumé, la symétrie des mouvements se reflète dans la fabri
que résultante, quelle que soit la façon dont s'est déroulée la succession de ces mouvements, et quelle que soit la nature de ceux-ci ( indirect .&,c ' est-à-dire résultant d'une cr istalloblastëse et impliquant donc des déplacements à l'échelle ionique, ou di
rects, c'est-à-dire provenant d'ajustements de parties de roches ou de minéraux par déformation plastique ou cataclastique).
(1) Les conventions adoptées ici sont celles de VEROOGEN et AL (1970, "The Earth" pp. 475 et suivantes) :
O'-i, (Tz, (Ts contraintes principales
E'i, Ez, Es axes principaux de déformation g. vitesse de déformation
On trouvera dans cet ouvrage l'exposé des notions qui n'ont pu,
faute de place, être définies dans ce travail.
Cette théorie souffre cependant de certaines restrictions : - Le rôle actif que joue la fabrique initiale on certains de ces composants est difficile à' determinervl La. présomp
tion d'un caractère passif de la fabrique initiale même lors d'un métamorphisme important est encore à prouver et n'a pas été véri
fiée expérimentalement jusqu'à présent (FRIEDMAN et SOWER 1970).
( 1 )
- Du point de vue dynamique, les axes de déformation (2) ne coïn
cident pas, dans certaines circonstances, avec ceux des tensions.
Considérons, en effet, le cas où un corps ne se déforme que par glissement le long d'un plan bien défini (schistosité, diaclase, plan réticulaire), la direction du mouvement aura lieu dans le plan contenant la force exercée et le pôle de cette surface active (Fig. 2) .
Fig.2 : Diagramme illustrant un cas de cisaillement simple où le plan de glissement (mais non la direction) est fixé, et représentent deux orientations possibles de l'axe de compres
sion maximum qui auraient pu provoquer le glissement observé.
(1) Une fabrique active peut apparaître au cours même de la défor
mation (apparition d'une schistosité) modifiant le comportement des roches durant un même épisode tectonique (VITvLON 1974).
(2) Voir plus loin la définition des axes tectoniques.
La symétrie de la fabrique résultante monoclinique reflète bien la symétrie de la déformation, mais ne définit pas l'orienta
tion exacte de la force exercée.
Dans le cas des cristaux, le plan de glissement, la direction (et le sens de déplacement pour les mâcles) sont fixés. Dans les déformations de cristaux, le plan AC n'est pas un plan de l'el
lipsoïde de tension (Fig. 3). Ce cas peut se rencontrer égale
ment dans les roches ayant une linéation active préexistante (COMPTON,1966).
Fig. 3 : Diagramme illustrant un cisaillement simple lorsque la direction de glissement est fixée. et (T'-f représentent deux orientations possibles de l'axe de compression ma
ximum qui auraient pu provoquer le glissement observé (d'après FRIEDMAN et SOWERS 1970).
Dans l'étude de la fabrique des minéraux, l'importance de cette dernière restriction peut être atténuée lorsqu'on étudie l'orien
tation d'un grand nombre de grains. Leur orientation statisti
que reflète probablement mieux la nature des mouvements subis par la roche ( 1 ).
On ne peut cependant pas oublier que la fabrique finale résulte d'une superposition de facteurs dont les influences respectives peuvent être difficilement estimées (anisotropie initiale, direc
tions et valeurs de tensions variables dans le temps et dans
(1) Sauf peut être pour une roche monominérale dont la fabrique
antérieure est bien développée.
l'espace, époque d'apparition de la fabrique minérale, etc (I). Nous verrons, au cours de ce travail, que d'autres li
mitations peuvent être invoquées mais on imagine aisément que la pétrofabrique trouve un champ d'application plus favorable dans le cas de roches relativement peu déformées, ayant donc probablement subi une "histoire tectonique" simple et conte
nant encore des marqueurs (oolithes, fossiles, structures sé- dimentaires etc ...) permettant de connaître l'état initial de la roche et, de là,* la valeur finie de la déformation.
L'étude de la symétrie ne peut donc suffire si l'on veut obte
nir des renseignements exacts sur l'orientation, la valeur, les variations, et la trajectoire des tensions dirigées, ainsi que sur le comportement de la matière lors de la déformation.
Plusieurs méthodes sont utilisées pour obtenir des précisions : 1) Etude de la déformation d'objets dont la forme initiale est connue (travaux de CLOOS sur les déformations des oolithes, de RAMSAY sur les fossiles, etc ...).
2) Ralisations expérimentales de déformations, de recristalli
sation de roches et de.minéraux (écoles de GRIGGS, TURNER, GREEN, CARTER, etc ...).
3) Etablissement de modèles théoriques et expérimentaux de struc
tures déformées (BIOT, école de RAI^IBERG, etc ...).
4) Prédictions du comportement mécanique à partir de modèles théo- ' riques (orientation thermodynamique des minéraux prédite par
Mc DONALD, KAMB) ou modèles de déformation des minéraux par
ticipant au fluage dans le manteau (WEERTMAN).
5) Observations des états de tension actuels dans les puits et sondages, etc . . .
(1) Dans l'analyse des fabriques de minéraux, il est indispen
sable de pouvoir dater l'époque d'apparition de l'orientation
préférentielle. Celle-ci peut en effet se rapporter à des é-
vénements antérieurs ou postérieurs à la déformation.
Définition des termes structure, texture et fabrique.
Une discussion exhaustive sur les termes "structure, texture et fabrique" n'entre pas dans le cadre de ce travail, mais il est cependant nécessaire de définir le vocabulaire employé.
Dans la terrainologd^e anglo-saxonne, la démarcation relativement nette entre la texture et la structure - la première s'appli
quant aux observations microscopiques - est une convention peu satisfaisante car il n'existe aucun hiatus géologique entre les phénomènes visibles à l'oeil nu et ceux que l'on ne peut déceler qu'au microscope.
En français, ces deux termes (synonymes dans le langage courant, (v. Robert p. ex.) ont subi une série de glissements et de muta
tions depuis leur définition par BRONGNIART (1827), glissements qui, durant ces dernières années, ont fortement été influencés par la pression croissante de la littérature anglo-saxonne.
L'apparition et l'emploi souvent abusif du mot "fabric" ajoute encore à la confusion. Ce dernier tend même actuellement à rem
placer l'ancien "texture" anglo-saxon ("Correlated changes in mi- neralogical assemblages in rock habit and fabric ...",SCHRIJVER 1973) .
Dans tout essai de définition, il faut tenir compte des termes consacrés ou habituels : tout géologue sait ce que signifie
"géologie structurale" ; tenter de remplacer cette expression par "géologie texturale" serait ridicule. De même, "goniomètre de texture", appareil mesurant l'orientation des minéraux, bran
che de la "géologie structurale" ne pourrait, sans heurter l'es
prit, se dénommer "goniomètre de structure". D'autres exemples abondent; on parle d'une structure en plis couchés, mais aussi d'une texture linéaire, etc ...
Si l'on prend comme point de départ la définition que donnent certains pétrologistes : "La structure d'une roche se rapporte à l'aspect microscopique de ses différents constituants et aux relations qu'ils présentent entre-eux. La texture se rapporte à la disposition spatiale des minéraux constituants ou des agré
gats qu'ils forment", on voit que le mot structure englobe les caractères morphologiques, dimensionnels et relationnels vis-à- vis de ses voisins d'un élément donné, que ce soit un minéral ou une roche (structure amoeboïde, ophitique, intersertale, etc...) Le terme structure peut donc s'appliquer sans perdre sa signifi
cation à des unités plus vastes telles que : affleurement ou province géologique (la structure plissée des Alpes, tabulaire du bassin de Paris ...).
La texture, par contre, exprimerait plutôt la présence (ou l'ab
sence) d'une orientation ainsi que la nature de celle-ci (texture massive, planaire, linéaire ...) que cette orientation provienne de
fissilité particulière, de différences lithologiques, de l'inter
section de textures planaires ou bien encore de l'alignement d'
agrégats, de minéraux, qu'elle soit d'origine sédiinentaire, méta-
raorphique ou éruptive.
La fabrique, quant à elle, définit l'ordonnance interne géomé
trique des textures et leurs relations réciproques (fabrique ho- motactique, mimétique, dimensionnelle ...).
La description d'un pli, par exemple, contiendra les éléments : - structuraux tels que : isoclinal, assymétrique, cylindrique ...
- texturaux : éléments planaires et linéaires;
schistosités, linéations, plans axiaux, . axes ...
- de fabrique : monoclinique, homotactique ...
Les notations quantifiant les caractères appartenant à ces trois termes se font pour la structure en nombre (longueur, surface, volume ...), pour la texture, en angles et pour la fabrique, en éléments de symétrie.
En bref, la structure définit la forme, la texture, les orienta
tions et la fabrique, l'ordonnance géométrique des textures. On voit que ces trois termes ne sont pas indépendants et ne peuvent d'ailleurs pas être placés sur le même niveau; la fabrique ex
prime l'organisation des textures et la texture, les éléments orientationnels des structures.
Définition des axes de référence.
Les fabriques de tectonites ont souvent une symétrie monocli
nique; l'analyse d'un pli par exemple montre qu'il existe géné
ralement un plan de syn^étrie perpendiculaire à la charnière;
aussi, SANDER suggère-t-il de définir ces éléments de symétrie par rapport à des axes a,b,c où :
- ac est le plan de symétrie - b est la normale à ce plan
- a est la normale à b, parallèle au plan principal de la fabrique (schistosité par ex.)
A cette convention purement géométrique, SCHMIDT et SANDER ont ajouté une signification reposant sur une analyse mécanique, reconnue inexacte depuis, suivant laquelle la schistosité maté
rialiserait un plan de glissement dont le mouvement s'effectuerait suivant a. Ces conventions liées à une interprétation dynamique erronée ont bientôt amené des confusions en chaîne dont un des exemples est l'assimilation de toute linéation à une linéation de type a (voir p. ex. critique de GOGUEL 1965 b p. 53 ou de SIDDANS 1972 p. 222 et suivantes).
Bien qu'une nouvelle définition des axes tectoniques reposant
sur des bases plus réalistes ait été effectuée depuis (voir
TURNER et WEISS 1963, RAMSAY 1967), on trouve encore dans la
littérature des descriptions de fabrique où les axes ne sont
pas clairement définis (employés soit comme axe de la fabrique
considérée, soit comme axes tectoniques), confondus avec les
axes de "mouvement tectonique" ou avec l'ellipsoïde de défor-^
nation; la distinction n'est pas toujours aisée pour le lecteur, car l'axe b d'une fabrique partielle peut être parallèle à l'axe a des structures mésoscopiques etc . . .
Pour notre part, nous adopterons les conventions de RAMSAY(l967)
â savoir : ^ —
A, B, C : axes de symétrie de fabrique monoclinique équivalent aux termes a, b, c ,de SANDER. En catazone norvégienne AB est toujours le plan de foliation (1) et B l'axe de plissement régio
nal. Ces termes sont purement géométriques; aucune considération génétique n'y est attachée.
(1) Par convention nous adopterons la définition (Geological
Survey of Canada / voir FRANSSEN, LEGRAND, MICHOT, JOURDAN 1974) : Litage = surface + épaisseur.
Foliation = surface sans épaisseur. -
Etat actuel des connaissances sur le comportement des minéraux
lors des déformations.
A. Contribution de la déformation plastique et de la recristal
lisation dans le processus d'orientation des minéraux.
Résumé.
Les différents types de déformation anélastique dans les miné
raux sont exposés, ainsi que le processus conduisant à la res
tauration et à la recristallisation. L'effet de ces processus est de dissiper l'énergie accumulée dans le cristal lors de la déformation.
La rotation corpusculaire et la déformation plastique peuvent engendrer une orientation préférentielle que la recristalli
sation peut modifier ou même effacer. Ces phénomènes sont susceptibles de jouer un rôle dans les conditions de déforma
tion qui régnent lors de la tectogenèse.
Lorsque l'étude des structures est associée à la mesure des orientations, il est possible dans certains cas de déceler la nature des facteurs ayant provoqué l'orientation préférentiel
le, d'apprécier le degré de déformation subie par la roche et d'évaluer la direction des tensions principales.
Introduction.
L'étude de l'orientation des minéraux peut compléter les infor
mations que fournit l'examen des structures tectoniques macros
copiques. De plus, là où l'examen des affleurements est impos
sible (xénolithes, échantillons extraterrestres) seul l'examen des structures microscopiques permet de recueillir les indica
tions sur le comportement des roches dans ces milieux particu
liers. Il est cependant nécessaire de pouvoir corréler avec certitude les structures et les orientations des minéraux avec les facteurs qui leur ont donné naissance de façon à pouvoir distinguer celles qui ont été acquises sous l'influence des dé
formation de celles dont l'origine est liée à d'autres facteurs.
Le comportement des minéraux lors des déformations doit donc, au préalable, être bien connu. Aussi, nous décrirons briève
ment dans ces chapitres les différents modes de déformation et de recristallisation des cristaux et les types connus de défor
mation et de recristallisation des silicates stables en cata- zone.
L'étude des modes de défomation des minéraux et de leur réori
entation, entreprise par les métallurgistes d'abord puis par les
céramistes,s'est également étendue au domaine géologique pour
les objectifs cités dans l'introduction.
Elle connaît deux applications importantes pour des sujets d' intérêt très actuel ( 1 ); tout d'abord celui du métamorphisme de choc dont les matériaux extraterrestres montrent des traces abondantes, et celui de la recherche des mécanismes de dépla
cement des plaques lithosphériques où la déformation des miné- ’ raux du manteau supérieur joue un rôle majeur.
Les minéraux soumis à des tensions dirigées réagissent, lorsque leur seuil d ' élasti'cité est dépassé, soit par fracture cassante ou cataclase, soit par déformation plastique, ou bien encore par recristallisation. Les structures cassantes sortent du
cadre de cette étude; nous n'en parlerons pas d'autant plus que la compréhension du mécanisme des phénomènes rupturels est encore incomplète. Les déformations plastiques sont accompagnées - à différentes profondeurs et suivant la nature du minéral - par
la recristallisation.
(1) Sans compter ceux d'intérêt technologique qui peuvent être fort divers; p.ex. le caractère gêlif des ardoises de recouvre
ment et toitures dépend de l'orientation des micas (BLUMEL et
PAULITSCH - 1952).
CHAPITRE I : DEFORMATION PLASTIQUE.
Les déformations plastiques(plastic flow,intragranular flow) affectant les cristaux soumis à des tensions dirigées sont in
fluencées par les paramètres extérieurs tels que la température, la pression et la vitesse à laquelle la trasformation est effec
tuée. Les déformations plastiques sont déplacives ou semi-re constructives, c'est-à-dire impliquent pour le premier type de légers changements structuraux (BUERGER 1948) et pour le second des changements modérés de liaison et donc de structure. Par
mi les déformations de deuxième type, citons les mâcles méca
niques.
A.I.l. Glissement (gliding, slip).
Il y a glissement lorsqu'une partie du cristal glisse sur l'au
tre sans qu'il y ait perte de cohésion et de façon telle que chaque élément du cristal possède la même orientation avant et après le mouvement (BARRET 1952, GILMAN 1961). Ce processus peut avoir une grande ampleur.
Comme nous le verrons plus loin, le seuil critique Te de ten
sion cisaillante, pour que le glissement s'effectue dans un plan et une direction donnée, dépend de la température et de la vitesse de déformation.
- L'orientation des plans de glissement est fonction du Réseau;
les plans réticulaires contenant un grand nombre d'atomes et donc admettant un faible vecteur de déplacement sont des plans de glissement favorables.
- La présence d'un plan de glissement dans une direction donnée doit se répéter dans d'autres directions selon la symétrie du cristal.
La dépendance entre les propriétés mécaniques d'un cristal et la morphologie de son réseau explique, d'une part, la haute ducti
lité des métaux : cristaux de haute symétrie et à structure con
tenant des plans réticulaires de forte densité et, pour les mê
mes raisons, le comportemient plus rigide de nombreux silicates.
L'orientation des tensions dirigées détermine la sélection des plans de glissement; pour les plans de coefficients de rupture identiques, seuls seront actifs ceux pour lesquels la tension cisaillante est maximale. Cette tension cisaillante est vir
tuellement indépendante de la tension normale au plan de glis
sement. ( 1 )
Conventions :
Nous utilisons au cours dé ce travail le système de nomenclatu
re cristallographique conventionnel :
(hkl) : plan de glissement (indices de MILLER) { hkl} : plan d'une forme (indices de MILLER)
[ uvw] : direction de glissement (indices vectoriels)
<uvw>: jeu de directions équivalentes (indices vectoriels).
Les glissements se manifestent au microscope sous trois aspects différents ;(SPRY 1969) :
- Plans_de_glissement : plans droits ou courbes, sans épaisseur mesurable ressemblant à des clivages (RALEIGH 1965).
“ • très fines structures subplanaires
dont l'indice de réfraction est légèrement différent de celui du minéral non déformé (voir Fig. lAI.1). Les lamelles de dé
formation sont connues depuis longtemps dans le quartz défor
mé naturellement (SANBER 1911, 1930) et ont été reproduites expérimentalement (CHRISTIE et al. 1964).
Cette structure apparaît aussi dans les divines déformées na
turellement ou expérimentalement (RALEIGH 1968, CARTER et AVE LALLEMANT 1970). MAC LAREN et al. (1970),MAC LAREN et HOBBS
(1972) ont montré dans le cas du quartz, BOLAND et al. (1971), GREEN et RADCLIFFE (1972 a), dans le cas de l'olivine, que ces
lamelles sont des objets de phase de largeur inférieure à 0,5m^ donc inférieure au pouvoir de résolution du micros
cope et semblent délimitées par des régions de haute densité de dislocations.
“ ë§î}^ 2 §_^ 2 _^i? 2 E(B§tion : très fines structures subplanaires dans lesquelles l'orientation diffère du minéral hôte de part et d'autre d'une limite très nette (voir Fig. lAI.1). Ces struc
tures, liées à la disposition des dislocations, sont étudiées au microscope électronique. Les résultats sont encore trop incomplets (voire contradictoires) pour qu'un synthèse puisse être présentée ici.
(1) Dans les matériaux non métalliques, le seuil de tension ci
saillante du glissement est fortement dépendant de l'histoire
antérieure du cristal (dû aux densités de dislocations) (voir
KELLY et GROVES 1973).
A. 1.2. Mâcles mécaniques.
Excepté le cas de la transformation orthose-microcline où les tensions dirigées semblent jouer un rôle (MARMO 1955, RAMBERG 1961, BINNS 1966 etc ... voir revue dans SMITH 1974 p. 384 et suiv.) et de la mScle du Dauphiné lors de la transformation polymorphique du'quartz (KLASSEN-NEKLYUDOVA 1964), les mâcles d'inversion sont en pétrofabrique moins fréquentes que les mâcles de déformation qui, au contraire, affectent de nom
breux minéraux (plagioclase, diopside, calcite, dolomite, quartz, etc ...). Le mode de formation de ces dernières sem
ble complexe; un glissement dans une direction préférentielle semble devoir s'accompagner de changements semi-reconstruc- tifs (voir KELLY et GROVES 1973).
A l'inverse de la déformation par glissement où l'orientation cristallographique est préservée, l'aspect géométrique de la déformation par mâcle est celui d'une "rotation" : la partie déformée du réseau est symétrique par rapport à la partie fi
xe et cela, de part et d'autre du plan de mâcle (voir Fig. I.
A.1.2.).
Le mâclage ne permet qu'une déformation dans un sens donné et dont l'ampleur est limitée à la rotation complète de réseau alors que la déformation par glissement peut avoir une am
pleur théoriquement infinie.
Structures associées au glissement :
?l 2 iêîBêDt_iBending]_ (Fig. I.A.I.3.)
Le ploiement peut avoir lieu par simple glissement dans des di
rections opposées (voir par exemple SPRY 1969 p.62).
Il n'est pas rare que certains minéraux (mica, quartz, etc...) présentent un aspect courbé. Cette courbure se manifeste dans le quartz par une extinction roulante et par la modification des propriétés optiques dues à la perte de symétrie (biaxie anormale par exemple). Le ploiement est souvent accompagné des bandes de déformation dont nous avons déjà parlé.
EiÎË2§_iKiî}3si (Fig. I.A.I.4., I.A.I.5.)
Nous suivons ici la définition adoptée par SPRY (1969 p. 64).
"Kink bands may be regarded as a spécial type of deformation
band. A kink band in a crystal is a sharply defined layer in
which the orientation differs from that of the adjacent régions
by a low to moderate angle (up to about 60°), the orientations
being related by a single rotation about an axis which lies in
the boundary".
22
Fig. lAI.4 Géométrie d'une bande Fig. lAI.5 de pliage "idéale"
(d'après WEISS et TURNER 1972).
Pliages dans 1 'orthopyro- xène (BORG et HANDIN 1966).
De tels pliages ont été observés dans de nombreux minéraux défor
més naturellement ou expérimentalement (calcite, gypse, olivine, enstatite ..., pour une revue de cette question : voir CARTER et RALEIGH(196 9) ,WEISS et TURNER(1972). Des structures similaires peuvent également se développer dans des roches bien feuilletées comme les phyllites (PATERSON et WEISS 1966).
L'étude des pliages peut fournir des renseignements très utiles : - Elle permet dans certains cas d'identifier les plans et la di
rection de glissement d'un cristal (voir RALEIGH 1968 p.ex.).
- L'orientation des pliages peut être en relation avec celle des
contraintes. Les directions de ces dernières peuvent être cal-^". I.
culées (TURNER 1964, CARTER et RALEIGH 1969).
- Dans les pliages idéaux, l'angle de rotation du plan de glisse
ment fournit une mesure de la déformation ayant affecté la zone pliée (voir WEISS et TURNER 1972).
Mécanisme et vitesse de la déformation plastique :
Le glissement le long de plans ne s'effectue pas à la manière d'un jeu de cartes glissant les unes sur les autres, mais bien par le déplacement, atome par atome, de dislocations le long du plan du glissement (voir Fig. IAI .6 a et b).
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